[發(fā)明專利]一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的橋式起重機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210052529.2
• 申請(qǐng)日: 2022-01-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114488801A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許敏;趙付田;朱麗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 無(wú)錫安起科技有限公司
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 長(zhǎng)沙大珂知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 43236
• 代理人: 伍志祥

1.一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的橋式起重機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，基于高斯回歸通過(guò)系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制對(duì)象的模型參數(shù)的估計(jì)，具體包括以下幾個(gè)步驟：

步驟1：確定起重機(jī)系統(tǒng)被控變量和控制變量，設(shè)計(jì)模型預(yù)測(cè)控制器，對(duì)控制器進(jìn)行參數(shù)化，即建立起重機(jī)狀態(tài)空間模型，并設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，通過(guò)采集系統(tǒng)輸入輸出歷史數(shù)據(jù)，初始化數(shù)據(jù)庫(kù)；其中，所述被控變量為臺(tái)車位移與載荷擺角，控制變量為臺(tái)車驅(qū)動(dòng)力，性能指標(biāo)為所述載荷擺角與臺(tái)車位移的加權(quán)性能指標(biāo)；

步驟2：根據(jù)所述數(shù)據(jù)庫(kù)訓(xùn)練一個(gè)高斯過(guò)程模型模擬起重機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)；

步驟3：通過(guò)傳感器采集輸入輸出數(shù)據(jù)，更新系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，并返回步驟2，直到滿足終止條件，進(jìn)入步驟4；

步驟4：不斷通過(guò)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)到滿足最佳控制性能的參數(shù)作為最終的實(shí)際控制預(yù)測(cè)控制模型。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的橋式起重機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，所述起重機(jī)狀態(tài)空間模型的動(dòng)力學(xué)方程定義如下:

其中，m,M分別為小車質(zhì)量和有效載荷，θ是垂直載荷的方向角，g為重力加速度，l為提升繩的長(zhǎng)度，在運(yùn)輸過(guò)程中固定不變，γ為小車與平臺(tái)之間的摩擦力，是載荷與空氣之間的摩擦系數(shù)，F(xiàn)為驅(qū)動(dòng)力，x為臺(tái)車水平位移；是載荷擺角加速度，是載荷擺角加速度的導(dǎo)數(shù)，是繩長(zhǎng)的一節(jié)導(dǎo)數(shù)，是繩長(zhǎng)的二階導(dǎo)數(shù)，是臺(tái)車速度，是臺(tái)車加速度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的橋式起重機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，所述模型預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)，包括閉環(huán)控制、閉環(huán)實(shí)驗(yàn)和高斯回歸三部分，所述閉環(huán)控制采用MPC控制器對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)快速防搖和精確定位，同時(shí)解決在線約束優(yōu)化問(wèn)題，處理系統(tǒng)狀態(tài)約束和控制約束，所述閉環(huán)實(shí)驗(yàn)通過(guò)起重機(jī)進(jìn)行最優(yōu)閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的橋式起重機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，所述不斷通過(guò)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)到滿足最佳控制性能的參數(shù)作為最終的實(shí)際控制預(yù)測(cè)控制模型，包括：根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)訓(xùn)練一個(gè)高斯過(guò)程近似性能指標(biāo)，根據(jù)高斯過(guò)程設(shè)計(jì)采集函數(shù)，基于貝葉斯優(yōu)化學(xué)習(xí)得到控制器的下一個(gè)參數(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)性能指標(biāo)計(jì)算控制性能。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的橋式起重機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，所述根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)訓(xùn)練一個(gè)高斯過(guò)程模型模擬起重機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括：

設(shè)計(jì)模型預(yù)測(cè)控制器，解決以下優(yōu)化問(wèn)題：

s.t.x_k，t+1＝f_G(x_k，t，u_k，t)

其中U是控制向量，x_k,t和u_k,t分別是k+t時(shí)刻的預(yù)測(cè)狀態(tài)和預(yù)測(cè)輸入，l(x_k，t，u_k，t)是k+t時(shí)刻的成本函數(shù)，用于跟蹤任務(wù)的加權(quán)二次成本，即l(x_k，t，u_k，t)＝x_k，t^TQx_k，t+u_k，t^TRu_k，t，其中Q和R權(quán)重矩陣，并且和N是時(shí)間k處的預(yù)測(cè)長(zhǎng)度，和是包含原點(diǎn)的凸集，x₀是系統(tǒng)的初始狀態(tài)，和分別是系統(tǒng)狀態(tài)和輸入的終端約束集；x_k,N和u_k,N是k+N時(shí)刻的預(yù)測(cè)狀態(tài)和預(yù)測(cè)輸入，f_G是先驗(yàn)數(shù)據(jù)，x_k,t+1是k+t+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)狀態(tài)；

使用高斯回歸來(lái)評(píng)估具有加性高斯噪聲的模型，并生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；將系統(tǒng)的初始未知?jiǎng)恿W(xué)建模為高斯過(guò)程。