CN112526992B - 一种混凝土坝缆机入仓轨迹规划与控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种混凝土坝缆机入仓轨迹规划与控制方法，该方法通过缆机平台供料点位置和浇筑仓混凝土卸料点位置确定缆机吊罐的起点和终点的三维空间坐标，并规划缆机吊罐调运入仓三维空间最优路径；然后通过在缆机小车和吊罐上安装空间定位跟踪系统，实时获取缆机小车和吊罐的空间实时位置；实时分析对比规划轨迹与实测轨迹的关系，对偏离的轨迹运用滑模控制理论计算小车控制参数，动态调整小车运行方式，从而实现对缆机入仓轨迹的控制；解决现有混凝土坝施工中缆机操作受限于恶劣的施工环境，操作过程复杂，操作频率较高，安全隐患较多，且效率较低的问题，具有智能、高效、安全的特点。

Description

一种混凝土坝缆机入仓轨迹规划与控制方法
技术领域：
本发明属于混凝土拱坝施工技术领域，尤其涉及一种混凝土坝缆机入仓轨迹规划与控制方法。
背景技术：
缆机机动灵活、起重量大、工作区域广，且可以服务于整个建设周期，在国内外众多水电工程特别是高拱坝建设中得到广泛应用。然而当下缆机的运作方式都是操作员在缆机操作平台人为控制的，由于缆机工作性态及运行控制方式复杂，且高拱坝多位于高山峡谷地区，环境条件恶劣，施工场地狭窄，施工活动频繁，空间交叉作业多，气象环境多变，使得人为操作缆机运行的过程中，因顾及不周全，而存在很多安全隐患，此外，缆机运行效率也有待进一步提高。
基于此，本发明提供一种混凝土坝缆机入仓轨迹规划与控制方法，实现缆机智能、高效、安全的运行。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是提供一种混凝土坝缆机入仓轨迹规划与控制方法，用于解决现有混凝土坝施工中缆机操作受限于恶劣的施工环境，操作过程复杂，操作频率较高，安全隐患较多，且效率较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种混凝土坝缆机入仓轨迹规划与控制方法，包括如下步骤：
S1，根据混凝土浇筑位置和供料点位置确定缆机的起点和终点，起点为缆机装点位置 A(xa,ya,zz)；终点为缆机卸料位置B(xb,yb,zb)；
S2，规划缆机调运入仓路径：
S1＝S1(x1,y1,z1)；
S3，在缆机吊罐上安装定位系统和无线收发装置；定位系统定位缆机吊罐的实时坐标 (x,y,z)，每隔一定时间t，通过无线收发装置向缆机控制终端传送缆机吊罐的坐标值，以此频率循环获取吊罐的实时位置S(x,y,z,t)；
S4，实时分析规划轨迹与实测轨迹的位置差异：
△d＝S(x,y,z,t)-S1(x1,y1,z1,t)；
S5，当规划轨迹与实测轨迹的位置差异|△d|>dmax时，缆机控制终端基于滑模控制方法输出控制参数，运动控制系统根据控制参数对小车位置进行调整，从而间接调整吊罐的位置，具体调整方法如下：
(1)设缆机小车实际运动路径为S(t)；根据滑模控制原理，设计被控对象为：
Figure BDA0002804844070000021
其中，
Figure BDA0002804844070000022
表示控制系统的响应变化率；
u(t)为控制系统控制端的控制输入；
d(t)表示外加干扰项；
(2)设计滑模函数为：
Figure BDA0002804844070000023
e(t)＝S(t)-S1(t)；
Figure BDA0002804844070000024
其中，s(t)为滑模面函数；
e(t)表示跟踪误差，即位置跟踪误差；
Figure BDA0002804844070000025
表示跟踪误差的变化率，即速度跟踪误差；
S1(t)为步骤S2中的路径S1；
(3)设计滑模控制律为：
Figure BDA0002804844070000026
Figure BDA0002804844070000027
得到关于
Figure BDA0002804844070000028
的函数；代入步骤S3中吊罐的实时位置S(x,y,z,t)求解u(t)作为缆机控制终端输出的控制参数，对小车进行运动控制，使实际运动路径S(t)与规划轨迹S1(t)重合。
优选地，所述步骤S2中的缆机调运入仓路径为最优路径；最优路径的确定方法如下：
a.根据缆机在空间中的运行规律，设定缆机的运动范围为曲顶曲面S，曲顶曲面S由缆机起点、终点、缆机运行最高点和缆机辐射范围共同决定；
b.将曲面S做离散化处理，即将曲面S切分成n个边长为di的微小曲面，并获取离散之后所有微员的形心坐标，所有形心坐标的集合记为P(xi,yi,zi)；
c.然后在A(xa,ya,zz)、B(xb,yb,zb)和Pi的基础上，基于迪杰斯特拉算法做路径规划，搜索出最优路径S1＝S1(x1,y1,z1)。
优选地，所述步骤S5中的dmax是边长di的最大值。
优选地，所述步骤S5.(1)中的外加干扰项d(t)满足|d(t)|≤D；D为干扰上界，表示外界对系统的最大干扰尺度；d(t)和D均根据实际情况进行初始设定或赋值。
优选地，所述步骤S5.(2)中的c为常数，根据实际情况进行初始赋值，满足c>0；系统收敛速度由参数c控制，其值越大，系统收敛越快，但控制端输出抖动越剧烈。
优选地，所述步骤S5.(3)中的η为控制常数，根据实际情况进行初始赋值。
上述一种混凝土坝缆机入仓轨迹规划与控制方法的有益效果如下：
本发明提供的规划与控制方法通过在缆机小车和吊罐上安装空间定位跟踪系统，实时获取缆机小车和吊罐的空间实时位置，实时分析对比规划轨迹与实测轨迹的关系，通过滑模控制理论自动计算小车的控制参数，实现对小车运行轨迹的动态调整，使其尽量贴近提前计算出的最优路径，控制效率较高；缆机开始运行后在较短时间内可以使运行路线贴近最优路径，输出端抖动较小，缆机运行平稳；大幅降低了缆机在复杂工作环境下的操作难度以及危险系数，提高了作业效率。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明实施例中搭建的仿真模型的示意图。
图3为本发明实施例中仿真模型运行结果中实际路径与最优路径的对比示意图。
图4为本发明实施例中仿真模型运行结果中控制输入参数随时间的变化过程示意图。
具体实施方式：
实施例1：
如图1中，一种混凝土坝缆机入仓轨迹规划与控制方法，包括如下步骤：
S1，根据混凝土浇筑位置和供料点位置确定缆机的起点和终点，起点为缆机装点位置 A(xa,ya,zz)；终点为缆机卸料位置B(xb,yb,zb)；
S2，规划缆机调运入仓路径：
S1＝S1(x1,y1,z1)；
S3，在缆机吊罐上安装定位系统和无线收发装置；定位系统定位缆机吊罐的实时坐标 (x,y,z)，每隔一定时间t，通过无线收发装置向缆机控制终端传送缆机吊罐的坐标值，以此频率循环获取吊罐的实时位置S(x,y,z,t)；
S4，实时分析规划轨迹与实测轨迹的位置差异：
△d＝S(x,y,z,t)-S1(x1,y1,z1,t)；
S5，当规划轨迹与实测轨迹的位置差异|△d|>dmax时，缆机控制终端基于滑模控制方法输出控制参数，运动控制系统根据控制参数对小车位置进行调整，从而间接调整吊罐的位置，具体调整方法如下：
(1)设缆机小车实际运动路径为S(t)；根据滑模控制原理，设计被控对象为：
Figure BDA0002804844070000041
其中，
Figure BDA0002804844070000042
表示控制系统的响应变化率；
u(t)为控制系统控制端的控制输入；
d(t)表示外加干扰项；
(2)设计滑模函数为：
Figure BDA0002804844070000043
e(t)＝S(t)-S1(t)；
Figure BDA0002804844070000044
其中，s(t)为滑模面函数；
e(t)表示跟踪误差，即位置跟踪误差；
Figure BDA0002804844070000045
表示跟踪误差的变化率，即速度跟踪误差；
S1(t)为步骤S2中的路径S1；
(3)设计滑模控制律为：
Figure BDA0002804844070000051
Figure BDA0002804844070000052
得到关于
Figure BDA0002804844070000053
的函数；代入步骤S3中吊罐的实时位置S(x,y,z,t)求解u(t)作为缆机控制终端输出的控制参数，对小车进行运动控制，使实际运动路径S(t)与规划轨迹S1(t)重合。
优选地，所述步骤S2中的缆机调运入仓路径为最优路径；最优路径的确定方法如下：
a.根据缆机在空间中的运行规律，设定缆机的运动范围为曲顶曲面S，曲顶曲面S由缆机起点、终点、缆机运行最高点和缆机辐射范围共同决定；
b.将曲面S做离散化处理，即将曲面S切分成n个边长为di的微小曲面，并获取离散之后所有微员的形心坐标，所有形心坐标的集合记为P(xi,yi,zi)；
c.然后在A(xa,ya,zz)、B(xb,yb,zb)和Pi的基础上，基于迪杰斯特拉算法做路径规划，搜索出最优路径S1＝S1(x1,y1,z1)。
优选地，所述步骤S5中的dmax是边长di的最大值。
优选地，所述步骤S5.(1)中的外加干扰项d(t)满足|d(t)|≤D；D为干扰上界，表示外界对系统的最大干扰尺度；d(t)和D均根据实际情况进行初始设定或赋值。
优选地，所述步骤S5.(2)中的c为常数，根据实际情况进行初始赋值，满足c>0；系统收敛速度由参数c控制，其值越大，系统收敛越快，但控制端输出抖动越剧烈。
优选地，所述步骤S5.(3)中的η为控制常数，根据实际情况进行初始赋值。
实施例2：
如图2～图4中，将上述缆机路径控制过程简化为二维平面控制问题，设缆机在二维平面 XOY上运动，运动的起点为A(0,40)，终点为B(20,120)，缆机运动的最高点为H(12,180)，以此规划缆机入仓轨迹线，并将缆机入仓轨迹线看作是时间t的函数，规划结果如下：
S1＝-(t-12)2+180；
式中S1即为缆机的理想运动轨迹。
设缆机的实际运行轨迹方程为S＝S(t)，缆机的实际运行轨迹也是关于时间的函数，则位置跟踪误差为：e(t)＝S(t)-S1(t)＝S(t)+(t-12)2-180；速度跟踪误差为：
Figure BDA0002804844070000061
设计滑模面函数为：
Figure BDA0002804844070000062
上式中，令常参项c＝10。
设计滑模控制律为：
Figure BDA0002804844070000063
上式中，干扰上界设为D＝1.5，控制常量η＝1.1。
由上述过程可得被控对象为：
Figure BDA0002804844070000064
上式中，令干扰项设为d(t)＝1/t。
根据上述控制过程，在matlab/simulik中搭建如图2所示仿真模型；运行图2所示的仿真模型，可得控制台的输入参数随时间变化数据如下表1所示：
Figure BDA0002804844070000065
Figure BDA0002804844070000071
表1
由上表1可见，在本实施例中，缆机在滑模控制下共调整位置149次，调整幅度逐渐减小，最后趋于0。
保存仿真模型运行结果，并对运行过程进行绘图：
由图3所示，在初始时刻，缆机的实际位置位于(0,0)点，缆机的理想位置在点(0,40)处，缆机开始运行后，在滑模控制方法下，缆机的实时位置不断得到调整，并迅速逼近理想轨迹线；缆机运行路线逼近理想轨迹线后，保持理想轨迹线运动。
由图4所示，控制输入参数随时间的变化，由曲线特征可知，控制输入参数在较短时间内迅速收敛至0，表明输出端抖动小，缆机运行平稳。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种混凝土坝缆机入仓轨迹规划与控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，根据混凝土浇筑位置和供料点位置确定缆机的起点和终点，起点为缆机装点位置A(xa,ya,zz)；终点为缆机卸料位置B(xb,yb,zb)；
S2，规划缆机调运入仓路径：
S1＝S1(x1,y1,z1)；
S3，在缆机吊罐上安装定位系统和无线收发装置；定位系统定位缆机吊罐的实时坐标(x,y,z)，每隔一定时间t，通过无线收发装置向缆机控制终端传送缆机吊罐的坐标值，以此频率循环获取吊罐的实时位置S(x,y,z,t)；
S4，实时分析规划轨迹与实测轨迹的位置差异：
Δd＝S(x,y,z,t)-S1(x1,y1,z1,t)；
S5，当规划轨迹与实测轨迹的位置差异|Δd|＞dmax时，缆机控制终端基于滑模控制方法输出控制参数，运动控制系统根据控制参数对小车位置进行调整，从而间接调整吊罐的位置，具体调整方法如下：
(1)设缆机小车实际运动路径为S(t)；根据滑模控制原理，设计被控对象为：
Figure FDA0003499058290000011
其中，
Figure FDA0003499058290000012
表示控制系统的响应变化率；
u(t)为控制系统控制端的控制输入；
d(t)表示外加干扰项；外加干扰项d(t)满足|d(t)|≤D；D为干扰上界，表示外界对系统的最大干扰尺度；d(t)和D均根据实际情况进行初始设定或赋值；
(2)设计滑模函数为：
Figure FDA0003499058290000013
e(t)＝S(t)-S1(t)；
Figure FDA0003499058290000014
其中，s(t)为滑模面函数；
e(t)表示跟踪误差，即位置跟踪误差；
Figure FDA0003499058290000021
表示跟踪误差的变化率，即速度跟踪误差；c为常数，根据实际情况进行初始赋值，满足c＞0；系统收敛速度由参数c控制，其值越大，系统收敛越快，但控制端输出抖动越剧烈；S1(t)为步骤S2中的路径S1；
(3)设计滑模控制律为：
Figure FDA0003499058290000022
Figure FDA0003499058290000023
得到关于
Figure FDA0003499058290000024
的函数；代入步骤S3中吊罐的实时位置S(x,y,z,t)求解u(t)作为缆机控制终端输出的控制参数，对小车进行运动控制，使实际运动路径S(t)与规划轨迹S1(t)重合；η为控制常数，根据实际情况进行初始赋值。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土坝缆机入仓轨迹规划与控制方法，其特征在于：所述步骤S2中的缆机调运入仓路径为最优路径；最优路径的确定方法如下：
a.根据缆机在空间中的运行规律，设定缆机的运动范围为曲顶曲面S，曲顶曲面S由缆机起点、终点、缆机运行最高点和缆机辐射范围共同决定；
b.将曲面S做离散化处理，即将曲面S切分成n个边长为di的微小曲面，并获取离散之后所有微员的形心坐标，所有形心坐标的集合记为P(xi,yi,zi)；
c.然后在A(xa,ya,zz)、B(xb,yb,zb)和Pi的基础上，基于迪杰斯特拉算法做路径规划，搜索出最优路径S1＝S1(x1,y1,z1)。
3.根据权利要求2所述的一种混凝土坝缆机入仓轨迹规划与控制方法，其特征在于：所述步骤S5中的dmax是边长di的最大值。
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