[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

在審

• 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

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的橋式起重機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，步驟1：確定系統(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，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)；步驟2：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)；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。本發(fā)明利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)整定，學(xué)習(xí)到性能優(yōu)良的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)小車的快速準(zhǔn)確定位和抗擺幅控制目標(biāo)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于起重機(jī)自適應(yīng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的橋式起重機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法。

背景技術(shù)

橋式起重機(jī)作為一種典型的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)，是貨物運(yùn)輸?shù)闹匾侄巍Ｋ鼜V泛應(yīng)用于建筑工地、港口、生產(chǎn)車間、倉(cāng)庫(kù)等工業(yè)領(lǐng)域。其主要控制目標(biāo)可以概括為準(zhǔn)確地將貨物運(yùn)輸?shù)侥繕?biāo)位置和盡可能地抑制負(fù)載擺動(dòng)。有效載荷的擺動(dòng)角度必須足夠小，以避免在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生事故。假設(shè)一臺(tái)橋式起重機(jī)的擺動(dòng)幅度過(guò)大。影響其運(yùn)行安全和生產(chǎn)效率。由于缺少一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其有效載荷的擺角欠驅(qū)動(dòng)，使得擺角難以控制。如何抑制有效載荷的擺動(dòng)，保證小車的準(zhǔn)確定位是一個(gè)需要解決的重要而又具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。對(duì)起重機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)的耦合或伴隨的非完整約束增加了設(shè)計(jì)欠驅(qū)動(dòng)起重機(jī)控制系統(tǒng)的難度。模型預(yù)測(cè)控制(MPC)可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)，處理各種約束條件。該方法已應(yīng)用于橋式起重機(jī)的控制問(wèn)題。

在自適應(yīng)控制中，模型參數(shù)的更新通常是為了獲得一個(gè)好的預(yù)測(cè)模型，而不一定是為了最大限度地提高控制性能。現(xiàn)有技術(shù)還缺少一種找到最佳的控制器預(yù)測(cè)模型和參數(shù)的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的橋式起重機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法。

本發(fā)明提出的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的橋式起重機(jī)模型預(yù)測(cè)控制方法，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。

進(jìn)一步的，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。

進(jìn)一步的，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)。