[發明專利]一種橋式集裝箱起重機擺動最優控制系統

有效

• 申請號: 201711115228.5
• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107857196B
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發明（設計）人: 劉興高;劉平
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B66C13/06
• 分類號: B66C13/06;B66C13/22;B66C17/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發明公開了一種橋式集裝箱起重機擺動最優控制系統，由牽引電機、集裝箱位置傳感器、模數轉換器、數模轉換器、現場總線網絡、分散控制系統(DCS)、控制室顯示、牽引電機控制器構成。控制室工程師指定集裝箱需要到達的位置和裝卸時間，DCS通過執行內部最優控制算法，輸出使本次集裝箱裝卸擺動能量最小的控制策略，并轉換為牽引電機的控制指令，通過現場總線網絡發送給牽引電機控制器，電機控制器通過模數轉換器輸出控制量使牽引電機執行相應動作，同時，位置傳感器實時采集集裝箱的位置信息并回送給控制室，使工程師隨時掌握裝卸過程。本發明能夠在集裝箱裝卸過程中使其擺動最小，進而提高港口集裝箱裝卸的安全性和效率。

技術領域

本發明涉及橋式起重機控制領域，主要是一種橋式集裝箱起重機擺動最優控制系統。能自動控制橋式集裝箱起重機的裝卸，使集裝箱在移動過程中擺動能量最小，以提高港口集裝箱裝卸的安全性和效率。

背景技術

集裝箱的裝卸對于港口運行至關重要。然而，隨著裝卸的高速化，集裝箱到達指定位置時由于起重機的加減速和負載的提升動作以及風、摩擦引起的擾動等所產生的荷載殘留擺動也隨之增大，不僅降低了搬運精度、減緩了搬運的速度，也增加了事故發生的可能性。橋式邊集裝箱起重機作為港口集裝箱船裝卸的主要設備，其控制策略對于集裝箱的安全高效裝卸具有重要影響，所以根據具體參數和操作要求對橋式集裝箱起重機進行自動最優擺動控制具有重要意義。

當前，國內橋式起重機的控制方法中很少采用最優控制理論及對應方法，控制器中的參數往往憑已有經驗設定，裝卸效率和安全性有待進一步提高。采用最優控制方法后的橋式起重機的控制品質和安全性可以得到保障，裝卸效率可以進一步提高。

發明內容

為了提高港口集裝箱裝卸的效率，本發明提供了一種橋式集裝箱起重機擺動最優控制系統。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種橋式集裝箱起重機擺動最優控制系統，能自動控制橋式集裝箱起重機的裝卸，使集裝箱在移動過程中擺動能量最小，以提港口高集裝箱裝卸的安全性和效率。由牽引電機、集裝箱位置傳感器、模數轉換器、數模轉換器、現場總線網絡、分散控制系統(DCS)、控制室顯示、牽引電機控制器構成。所述控制系統的運行過程包括：

步驟1)：控制室工程師指定集裝箱需要到達的位置坐標、裝卸過程時間限制以及牽引電機的性能參數約束；

步驟2)：DCS執行內部最優控制算法，獲得使集裝箱裝卸過程擺動角最小的牽引電機速度控制策略；

步驟3)：DCS將得到的電機速度控制策略轉換為牽引電機的控制指令，通過現場總線網絡發送給牽引電機控制器前段的數模轉換器，使牽引電機控制器根據收到的控制指令控制牽引電機執行相應動作；

步驟4)：集裝箱位置傳感器實時采集集裝箱的位置信息，經過經過模數轉換后用現場總線網絡回送給DCS，并在主控室內顯示，使工程師隨時監控裝卸過程。

所述的DCS，包括信息采集模塊、初始化模塊、微分代數方程組(Ordinarydifferential equations，簡稱ODE)快速求解模塊、梯度求解模塊、非線性規劃問題求解模塊、控制指令輸出模塊。其中信息采集模塊包括集裝箱位置采集、牽引電機性能約束采集、裝卸時間設置采集三個子模塊，非線性規劃(Non-linear Programming，簡稱NLP)問題求解模塊包括尋優方向求解、尋優步長求解、尋優校正、NLP收斂性判斷四個子模塊。

港口集裝箱集起重機的裝卸過程的模型可以描述為：

其中，t表示時間，u(t)表示由各方向速度分量組成的速度向量；x(t)表示裝卸過程的狀態信息；F(x(t),u(t),t)是根據起重機的物理學原理建立的微分方程組。從該描述可以看出，集裝箱的裝卸過程可以用數學上的一組微分方程組來表示。