CN114890313A - 一种基于模糊控制的抓斗防摇方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于模糊控制的抓斗防摇方法，包括：将抓斗的运行过程分为多个阶段，并对抓斗在每个阶段的摇摆状态进行分析，确定需要进行防摇模糊控制的阶段；在抓斗进入需要进行防摇模糊控制的阶段时，获取抓斗的摆角和角速度；在抓斗的摆角小于预设角度时，以小车加速度作为模糊控制的输出变量来实现抓斗防摇；在抓斗的摆角大于预设角度时，先通过绳长收缩实现摆角减小，在摆角减小到小于预设角度时，再以小车加速度作为模糊控制的输出变量来实现抓斗防摇。本发明提供通过控制绳长和小车的运动来实现抓斗的防摇，提高抓斗防摇的能力，并且能够实现抓斗大角度和小角度摇摆的防摇控制。

Description

一种基于模糊控制的抓斗防摇方法

技术领域

本发明涉及卸船机抓斗控制技术领域，尤其涉及抓斗在特殊恶劣情况下的大角度摇摆 问题，具体为一种基于模糊控制的抓斗防摇方法。

背景技术

近几年来，随着中国与世界各国的贸易需求日益强劲，干散货国际贸易量持续增长， 以水运为主的国际干散货运输向船舶大型化、港口装卸专业化方向快速发展。与此对应， 港口装卸系统与装卸机械正向自动化、高效化与舒适化方向发展，以适应日益提高的大宗 散货进出口系统的生产率。

抓斗卸船机是目前在散货码头中得到广泛应用的装卸设备。在卸船作业过程中，由于 小车加减速、负载升降、风及摩擦扰动等因素引起抓斗摇摆。抓斗摇摆增加了卸船机结构 载荷，加速其疲劳失效，降低生产安全性；并增加了事故发生的可能性。虽然依靠驾驶员 的实际操作经验可以保证一定效率下的安全作业，但是熟练驾驶员的训练周期长、工作强 度大，而且工作效率的提高也受到很大限制。因此迫切需要实现桥式抓斗卸船机作业的自 动控制，从而解决对驾驶员经验过分依赖的问题，大幅度提高作业效率。

现有技术通过建立卸船机抓斗摇摆系统的数学模型，建立抓斗各个运动过程的运动模 型，通过模糊控制、模糊神经网络控制等，并进行仿真计算，基本上不考虑钢丝绳的绳长 变化。如公开号CN102583155A的中国专利于2012年7月18日公开的一种时间最优的抓斗运行方法。

传统PID控制器自出现以来，凭借其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点成为工业控制主要技术。当被控对象的结构和参数具有一定的不确定性，无法对其建立精确的模型时，采用PID控制技术尤为方便。PID控制原理简单、易于实现，但是其参数 整定异常麻烦。对于小车的速度控制系统而言，由于其为时变非线性系统，不同时刻需要 选用不同的PID参数，采用传统的PID控制器，很难使整个运行过程具有较好的运行效果。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于模糊控制的抓斗防摇方法，通过控 制绳长和小车的运动来实现抓斗的防摇，提高抓斗防摇的能力，并且能够实现抓斗大角度 和小角度摇摆的防摇控制。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种基于模糊控制的抓斗防摇方法，包括：

将抓斗的运行过程分为多个阶段，并对抓斗在每个阶段的摇摆状态进行分析，确定需 要进行防摇模糊控制的阶段；

在抓斗进入需要进行防摇模糊控制的阶段时，获取抓斗的摆角和角速度；

在抓斗的摆角小于预设角度时，以小车加速度作为模糊控制的输出变量来实现抓斗防 摇；在抓斗的摆角大于预设角度时，先通过绳长收缩实现摆角减小，在摆角减小到小于预 设角度时，再以小车加速度作为模糊控制的输出变量来实现抓斗防摇。

上述技术方案基于模糊控制原理，模仿卸船机操作人员的控制经验来对抓斗进行有效 的控制从而消除摆动；该技术方案同时考虑了抓斗小角度摇摆和大角度摇摆的防摇控制， 在大角度摇摆情况下，通过绳子-小车的双重变量进行模糊控制，从而提高抓斗防摇的能 力，使整个运行过程具有较好的效果。

进一步地，利用模糊控制防摇的主要原理是模仿操作人员的操作经验，具体为：开始 时驱动小车加速运行，如果开始后还离目的地很远，则按一定加速度增加小车速度，使集 装箱稍落后于小车；当集装箱接近目标时，则按一定负加速度减少小车速度，使集装箱稍 前于小车；当集装箱离目的地很近时，稍微增大小车加速度(小车仍减速行驶)，使集装箱 正好悬于目标位置上，且当不摇摆时，电机停车。

作为进一步的技术方案，抓斗的运行过程分为四个阶段，分别为：垂直启动阶段、复 合上升阶段、减速卸料阶段和降落阶段；其中，复合上升阶段和减速卸料阶段为需要进行 防摇模糊控制的阶段。

上述技术方案通过对抓斗的运行过程进行阶段划分，并分别分析每个阶段的运动过 程，从而确定进行防摇模糊控制的运动阶段，只针对确定的阶段进行模糊控制，达到细化 运动过程、简化模糊控制计算量的目的。

对于摆角变化角度非常小，不足以引起抓斗运动状态变化的情况，则可采用现有简化 方法消除相关倾角，简化模糊计算的工作量，提高防摇控制的时效性。

作为进一步的技术方案，复合上升阶段包括抓斗加速过程和抓斗消摆过程；在抓斗加 速过程中，小车水平加速，钢丝绳产生摆角，抓斗开始摇摆，待小车水平加速到目标速度 并作匀速运动时，抓斗继续摇摆；在抓斗消摆过程，获取抓斗的摆角及角速度，并根据抓斗的摆角大小确定防摇控制方式。

当抓斗经过垂直启动阶段上升到安全高度后，小车在水平方向开始加速，带动抓斗做 水平运动，实现物料的上升水平运输，此时抓斗所做的是平移上升复合运动。在该阶段， 抓斗已抓取物料，导致抓斗的负载重量很大，抓斗的摆动产生的动态力矩也很大，因此需 要通过模糊控制实现抓斗消摆，避免因抓斗摆动时间过长导致卸船机作业效率低且影响作 业安全的问题。

在抓斗消摆过程，获取抓斗的摆角及角速度，当摆角未超过预设角度时，以小车加速 度作为模糊控制的输出变量来实现抓斗防摇；在抓斗的摆角超出预设角度时，先通过绳长 收缩实现摆角减小，在摆角减小到小于预设角度时，再以小车加速度作为模糊控制的输出 变量来实现抓斗防摇。

作为进一步的技术方案，在减速卸料阶段，抓斗到达距卸料漏斗预定位置时，小车减 速，使抓斗产生负方向摆动，在抓斗摆动到卸料位置附近时，绳丝绳放松，抓斗打开，作出抛料动作，抛料结束之后，抓斗由陆侧向海侧反向加速；在整个减速卸料阶段，获取抓 斗的摆角及角速度，并根据摆角的大小确定防摇控制方式。

作为进一步的技术方案，在垂直启动阶段和降落阶段，均根据抓斗自身阻尼消除钢丝 绳产生的摆角。

在垂直启动阶段，抓斗抓取物料后，在竖直方向上启动运行，抓斗摆动的幅度较小， 依靠抓斗自身阻尼即可以消除相关倾角。

在降落阶段，抓斗水平方向到达设定位置后，小车开始减速；当抓斗水平方向到达船 舱取料位置时，小车水平静止，平移降落复合运动阶段结束。该过程结束后，抓斗垂直降落到船舱内的物料表面，进行物料抓取。

作为进一步的技术方案，预设角度设为10°，当抓斗的摆角大于10°时，采用绳子速度-小车加速度双重变量进行模糊控制，当抓斗的摆角小于10°时，采用单一的小车加 速度作为变量进行模糊控制。

作为进一步的技术方案，摆角和绳长的模糊集分为七个等级。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明基于模糊控制原理，模仿卸船机操作人员的控制经验来对抓斗进行有效 的控制从而消除摆动；本发明同时考虑了抓斗小角度摇摆和大角度摇摆的防摇控制，在大 角度摇摆情况下，通过绳子-小车的双重变量进行模糊控制，从而提高抓斗防摇的能力，使整个运行过程具有较好的效果。

(2)本发明通过控制绳长和小车的运动来实现抓斗的防摇，提高抓斗防摇的能力，并且能够实现抓斗大角度和小角度摇摆的防摇控制，解决了抓斗在特殊恶劣情况下的大角度摇摆问题。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种基于模糊控制的抓斗防摇方法的流程图。

图2为根据本发明实施例的模糊控制系统示意图。

图3为根据本发明实施例的抓斗动力学分析示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述 发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本 领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发 明所保护的范围。

本发明提供一种基于模糊控制的抓斗防摇方法，如图1所示，包括抓斗动力学分析、 抓斗运动过程分析和模糊控制，该方法通过控制绳长和小车的运动来实现抓斗的防摇，提 高抓斗防摇的能力，并且能够实现抓斗大角度和小角度摇摆的防摇控制。

相对于现有技术主要针对抓斗小角度摇摆进行防摇系统设计与模糊控制的情况，本发 明同时针对小角度摇摆和大角度摇摆进行了防摇设计与模糊控制，所采用的控制系统如图 2所示，小车位移定义为x_M，施加控制作用u。系统中小车的位置控制由常规的PID方法 来实现，而模糊控制器则用来消除抓斗的摆动，使抓斗能够高效地进行作业。两个控制器 构成控制系统的两个独立的控制回路。该方法中模糊控制器的输入有两个：摆角和摆角速 度；输出为控制u1、u2，输入和输出变量的模糊分割数都取5，规定摆角和摆角速度的正方向为逆时针方向，根据卸船机操作人员的实际操作经验，确定相关的控制规则。

针对上述系统，本发明所述方法包括：将抓斗的运行过程分为多个阶段，并对抓斗在 每个阶段的摇摆状态进行分析，确定需要进行防摇模糊控制的阶段；在抓斗进入需要进行 防摇模糊控制的阶段时，获取抓斗的摆角和角速度；在抓斗的摆角小于预设角度时，以小 车加速度作为模糊控制的输出变量来实现抓斗防摇；在抓斗的摆角大于预设角度时，先通 过绳长收缩实现摆角减小，在摆角减小到小于预设角度时，再以小车加速度作为模糊控制 的输出变量来实现抓斗防摇。

具体地，如图3所示，整个过程中产生摆角时抓斗动力学分析具体包括：

小车水平方向和竖直方向上位置分别为x_M，y_M抓斗水平和竖直方向上位置分别为x_m， y_m

小车速度为：v_M，抓斗速度为：v_m，小车水平方向上所受拉力为：F

小车水平方向上所受摩擦力为：f，抓斗摆角为：θ

F-f-mg cosθ＝(M+m)a；

小车运行时间：t，绳长：l

x_M＝v_Mt；

x_m＝x_M+l sinθ；

y_m＝l cosθ；

抓斗水平和竖直方向上的速度：v_mx，v_my

小车水平方向上速度：v_Mx

其中，

为绳长变化速度；

为小车速度；

为角速度；

系统动能T：

v_m ²＝v_mx ²+v_my ²；

取小车所在的平面为零势能面

系统势能：

U＝-mgcosθl；

耗散函数

C为阻尼系数

抓斗水平方向上加速度为：a_mx

小车加速度为：a_Mx

其中，

为小车加速度；

为绳长变化的加速度；

为角加速度；

拉格朗日方程：

其中q_k为广义坐标，q₁＝x_M，q₂＝l，q₃＝θ；F_i为广义坐标上的力

L为拉格朗日函数L＝T-U

由上式可得：

通过上述两个式子可以得到抓斗受力、抓斗速度、小车速度、绳长变化速度以及角度 变化速率等参数之间的关系。

在角度过大时，采用收缩绳子的方式来迅速缩小摆角，在该情况下绳子上承受力比较 大，要考虑绳子承重情况，实际应用中选用合适的绳子来保证在作业中绳子不会发生断裂，

F_T为绳子上的力，a_T为绳子收缩加速度，v为抓斗切向速度，l为绳长。

具体地，抓斗运动过程分析具体包括：

(1)垂直启动阶段

在该过程中抓斗抓取物料后，在竖直方向上启动运行，抓斗摇摆幅度较小。依靠抓斗 自身阻尼可以消除相关倾角。

(2)复合上升阶段

抓斗抓取物料并起升到安全高度后，小车在水平方向开始加速，带动抓斗做水平运动， 实现物料的上升水平运输，此时抓斗所做的是平移上升复合运动。该阶段是卸船机作业的 主要阶段，在该阶段中，抓斗的运行控制最复杂，也最典型。本发明主要针对这一过程来 展开研究。该阶段可进一步分成两个子过程来研究：抓斗加速子过程和抓斗消摆子过程。

在加速子过程中，钢丝绳首先产生摆角，实现抓斗在水平方向的加速度。小车水平加 速到一定速度后将作匀速运动，但抓斗的摇摆却不会马上停止。而且抓斗运行时所受的摆 动阻尼很小，若不对抓斗进行消摆控制，抓斗的摆动时间必然很长。这一方面严重影响卸 船机的作业效率，另一方面，抓斗抓取物料后负载的重量非常大，抓斗的摆动会产生非常 大的动态力矩，对卸船机的整个结构和运行安全造成很大影响，该过程抓斗摆角的动力学 受力过程如图3所示。

(3)减速卸料阶段

该过程包括减速卸料、卸料完的反向加速，直至反向运动到匀速的整个过程，是上述 过程的逆过程。在抓斗完成卸料之后，进行返回运动，首先要完成抓斗在垂直方向的减速， 垂直减速结束之后，抓斗仅保持水平方向上的运动。当抓斗到达距卸料漏斗合适的位置时， 小车减速，使抓斗产生负方向摆动，当抓斗摆动到卸料位置附近时，开闭绳丝绳放松，使 抓斗打开，作出抛料动作。抛料结束之后，抓斗紧接着是由陆侧向海侧的反向加速和消摆 控制。与复合上升阶段相比，不同在于：

1)抓斗卸料后，负载的质量大幅减少；

2)加速过程中抓斗的水平速度与摆角可能不为零；

3)抓斗无垂直方向的运动。该过程结束后，小车抓斗进入匀速水平运动过程。

(4)降落阶段

当抓斗以匀速水平的方式到达设定的位置时，进入落斗阶段，这时抓斗做的是平移降 落复合运动，即在继续向船舱运动的同时开始下降，下降过程中，抓斗只进行单方向运动， 依靠抓斗自身阻尼来消除摆角影响。该过程的运动特点与起升启动阶段相反。抓斗水平方 向到达设定位置后，小车开始减速；当抓斗水平方向到达船舱取料位置时，小车水平静止， 平移降落复合运动阶段结束。该过程结束后，抓斗垂直降落到船舱内的物料表面，进行物 料抓取。

具体地，模糊控制具体包括：

模糊控制器的输入为摆角和角速度，输出作用为小车加速度和绳子速度。摆角和绳长 的模糊集为七个等级负大(NB)负中(NM)负小(NS)零(ZO)正小(PS)正中(PM) 正大(PB)。

根据经验，模糊控制规则可表述为：

当摆角过大并且难以用单一的小车加速度作为变量来控制小车摆角时，我们采用绳长 -小车双重变量进行模糊控制，我们设绳长大于安全绳长为正，小于安全绳长为负，将其调 节到最安全最快速的绳长标准。

本发明基于模糊控制原理，模仿卸船机操作人员的控制经验来对抓斗进行有效的控制 从而消除摆动；该技术方案同时考虑了抓斗小角度摇摆和大角度摇摆的防摇控制，在大角 度摇摆情况下，通过绳子-小车的双重变量进行模糊控制，从而提高抓斗防摇的能力，使 整个运行过程具有较好的效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参 照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以 对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替 换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (7)

1.一种基于模糊控制的抓斗防摇方法，其特征在于，包括：

将抓斗的运行过程分为多个阶段，并对抓斗在每个阶段的摇摆状态进行分析，确定需要进行防摇模糊控制的阶段；

在抓斗进入需要进行防摇模糊控制的阶段时，获取抓斗的摆角和角速度；

在抓斗的摆角小于预设角度时，以小车加速度作为模糊控制的输出变量来实现抓斗防摇；在抓斗的摆角大于预设角度时，先通过绳长收缩实现摆角减小，在摆角减小到小于预设角度时，再以小车加速度作为模糊控制的输出变量来实现抓斗防摇。

2.根据权利要求1所述一种基于模糊控制的抓斗防摇方法，其特征在于，抓斗的运行过程分为四个阶段，分别为：垂直启动阶段、复合上升阶段、减速卸料阶段和降落阶段；其中，复合上升阶段和减速卸料阶段为需要进行防摇模糊控制的阶段。

3.根据权利要求2所述一种基于模糊控制的抓斗防摇方法，其特征在于，复合上升阶段包括抓斗加速过程和抓斗消摆过程；在抓斗加速过程中，小车水平加速，钢丝绳产生摆角，抓斗开始摇摆，待小车水平加速到目标速度并作匀速运动时，抓斗继续摇摆；在抓斗消摆过程，获取抓斗的摆角及角速度，并根据抓斗的摆角大小确定防摇控制方式。

4.根据权利要求2所述一种基于模糊控制的抓斗防摇方法，其特征在于，在减速卸料阶段，抓斗到达距卸料漏斗预定位置时，小车减速，使抓斗产生负方向摆动，在抓斗摆动到卸料位置附近时，绳丝绳放松，抓斗打开，作出抛料动作，抛料结束之后，抓斗由陆侧向海侧反向加速；在整个减速卸料阶段，获取抓斗的摆角及角速度，并根据摆角的大小确定防摇控制方式。

5.根据权利要求2所述一种基于模糊控制的抓斗防摇方法，其特征在于，在垂直启动阶段和降落阶段，均根据抓斗自身阻尼消除钢丝绳产生的摆角。

6.根据权利要求1所述一种基于模糊控制的抓斗防摇方法，其特征在于，预设角度设为10°，当抓斗的摆角大于10°时，采用绳子速度-小车加速度双重变量进行模糊控制，当抓斗的摆角小于10°时，采用单一的小车加速度作为变量进行模糊控制。

7.根据权利要求1所述一种基于模糊控制的抓斗防摇方法，其特征在于，摆角和绳长的模糊集分为七个等级。

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