变绳长起重机系统时间最优轨迹规划方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种变绳长起重机系统时间最优轨迹规划方法、装置及系统，该方法包括：设定系统状态的约束条件，台车位移、速度和加速度的约束条件，吊绳长度、速度和加速度的约束条件，负载摆角、角速度与角加速度的约束条件，以及台车、吊绳和负载的初始状态与终止状态的约束条件；根据变绳长起重机系统的动力学模型和上述设定的约束条件构造时间最优的带约束优化问题，并求解得到变绳长起重机系统时间最优的运动轨迹；使用跟踪控制律计算轨迹相应的实时控制信号，驱动控制台车和吊绳运动，进行变绳长起重机系统的时间最优控制。本发明专利技术有效解决了变绳长起重机运输过程中的效率问题与安全问题。

Time optimal trajectory planning method, device and system for variable rope length crane system

The invention discloses a time optimal trajectory planning method, device and system for a variable rope long crane system, which includes the constraints of the state of the system, the constraints of the displacement, speed and acceleration of the trolley, the constraints of the length, speed and acceleration of the rope, the angle of the load, the angular velocity and the angular acceleration. Constraints, as well as the constraints of the initial state and the termination state of the trolley, rope and load, and the optimal time constraint optimization problem based on the dynamic model of the long crane system and the constraints set above, and get the optimal trajectory of the long crane system with the length of the variable rope and use the tracking. The control law calculates the real-time control signal corresponding to the trajectory, drives the control trolley and the rope movement, and carries on the time optimal control of the variable rope length crane system. The invention effectively solves the problem of efficiency and safety in the transportation of long rope changing crane.

【技术实现步骤摘要】
变绳长起重机系统时间最优轨迹规划方法、装置及系统
本专利技术属于机电系统自动控制的
，涉及一种适用于变绳长起重机系统的时间最优轨迹规划方法、装置及系统。
技术介绍
欠驱动系统是一类控制输入量少于待控自由度的特殊的非线性系统。在实际应用中，欠驱动系统可以节省电机驱动装置，具备结构简单、机构灵活、成本低廉等显著的优点，因此，在现代工业领域具有十分广泛的应用，例如，机械手、移动机器人、水面舰船、无人机等都属于欠驱动机电系统。然而，由于欠驱动系统缺少独立的控制输入，系统状态之间高度耦合，其控制问题始终是该
的一个待解决的难题。起重机系统是一种广泛应用于工业工程领域的典型的欠驱动系统。其中，桥式起重机系统是目前用途最广的一个门类。桥式起重机系统的主要构成为：在轨道上平移运动的台车、一端与台车相连接的吊绳及悬挂在吊绳另一端的负载。由于系统本身具有的物理特性，台车在运行过程中会引起负载的往复摆动。对于在实际中应用的工业起重机而言，负载质量大，运输距离长，运行速度快，在这种情况下，往复摆动的负载便会威胁到现场工人的人身安全。因此，桥式起重机系统的控制目标主要为：通过同时控制台车平移与吊绳升降，实现台车的精准定位，同时，消除负载在目标位置的往复摆动，简称定位与消摆控制。截至目前，国内外的研究机构与学者针对桥式起重机系统的定位与消摆控制问题提出了许多解决方法。然而，大多数的现有方法都是基于绳长固定的桥式起重机系统模型，用来控制负载的水平运输过程，均未考虑到负载的升降过程。而在实际应用中，为提高整机运输效率，往往需要同时控制台车的平移与负载的升降，在这种情况下，由于额外受到了吊绳长度变化的影响，上述针对固定绳长起重机系统所提出的控制方法便可能无法得到理想的控制效果，严重时还可能会导致控制失败。因此，研究绳长变化的起重机(简称变绳长起重机)系统的控制方法具有重要的实际应用价值与意义。迄今为止，为解决变绳长桥式起重机的控制问题，国内外学者提出了许多解决方法，其中包括滑模控制、智能控制、输入整形、自适应控制等。然而，由于变化的绳长使起重机系统状态之间具有更强的耦合性，目前，研究变绳长起重机系统的控制问题仍充满挑战与难题，例如，在实现精准运输货物的同时，还要同时考虑完整运输过程的效率问题和现场操作人员的安全问题等等。因此，亟待设计一种既能将变绳长桥式起重机系统状态(台车位移、速度与加速度，吊绳长度、速度与加速度以及负载摆角、摆动角速度与角加速度)约束在一定的安全范围以内，又能够保证运输时间最短的控制方法。综上所述，针对变绳长起重机，如何能在最优的时间内实现定位与消摆控制，同时，又能约束各系统状态以确保安全性，这一问题在现有技术中尚缺乏有效的解决方案。
技术实现思路
为解决变绳长起重机的现有技术在吊运过程中仍存在的效率问题与安全问题，本专利技术提供了一种变绳长起重机系统时间最优轨迹规划方法、装置及系统，从实际应用的角度出发，在最短的时间内，通过同时控制台车的平移运动与负载的升降运动，实现了变绳长起重机系统的精准定位并消除了负载的残余摆动；同时，确保了系统状态约束在设定的安全范围以内。本专利技术的第一目的是提供一种变绳长起重机系统时间最优轨迹规划方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下一种技术方案：一种变绳长起重机系统时间最优轨迹规划方法，该方法包括：(1)设定系统状态的约束条件，包括台车位移、速度和加速度的约束条件，吊绳长度、速度和加速度的约束条件，负载摆角、角速度与角加速度的约束条件，以及台车、吊绳和负载的初始状态及终止状态的约束条件；(2)根据变绳长起重机系统的动力学模型和上述设定的约束条件构造时间最优的带约束优化问题，并求解得到变绳长起重机系统时间最优的运动轨迹；(3)使用跟踪控制律计算轨迹相应的实时控制信号，驱动控制台车和吊绳运动以跟踪最优轨迹，进行变绳长起重机系统的时间最优控制。作为进一步的优选方案，所述台车、吊绳和负载的初始状态的约束条件为在初始时刻，设定台车的初始位置、吊绳的初始绳长和负载的初始摆角。作为进一步的优选方案，所述台车、吊绳和负载的终止状态的约束条件为设定最短总运行时间，并在终止时刻，设定保持稳定的台车目标位置和吊绳目标长度，并设定负载在平衡点处无残余振荡。作为进一步的优选方案，时间最优的带约束优化问题的构造方法包括：以总运行时间为代价函数，以设定的系统状态约束条件为代数约束，结合变绳长起重机系统的动力学模型，构造时间最优的带约束优化问题。作为进一步的优选方案，该方法采用伪谱法求解时间最优的带约束优化问题，得到变绳长起重机系统时间最优的运动轨迹。作为进一步的优选方案，所述变绳长起重机系统时间最优的运动轨迹包括台车位移轨迹、台车速度轨迹、吊绳长度轨迹与吊绳速度轨迹。作为进一步的优选方案，该方法使用比例微分控制律计算与最优轨迹相应的实时控制信号。本专利技术的第二目的是提供一种计算机可读存储介质。为了实现上述目的，本专利技术采用如下一种技术方案：一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行以下处理：(1)接收所设定的系统状态量的约束条件，包括台车位移、速度和加速度的约束条件，吊绳长度、速度和加速度的约束条件，负载摆角、角速度与角加速度的约束条件，以及台车、吊绳和负载的初始状态与终止状态的约束条件；(2)根据变绳长起重机系统的动力学模型和上述所设定的约束条件构造时间最优的带约束优化问题，并求解得到变绳长起重机系统时间最优的运动轨迹。本专利技术的第三目的是提供一种变绳长起重机系统时间最优轨迹规划装置。为了实现上述目的，本专利技术采用如下一种技术方案：一种变绳长起重机系统时间最优轨迹规划装置，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行以下处理：接收设定的系统各状态量约束条件，包括对台车、吊绳和负载的位移、速度和加速度的约束条件，以及台车、吊绳和负载的初始状态与终止状态的约束条件；根据变绳长起重机系统的动力学模型和上述设定的约束条件构造时间最优的带约束优化问题，并求解得到时间最优的变绳长起重机系统运动轨迹。本专利技术的第四目的是提供一种变绳长起重机系统时间最优轨迹规划系统。为了实现上述目的，本专利技术采用如下一种技术方案：一种变绳长起重机系统时间最优轨迹规划系统，该系统包括：依次连接的变绳长起重机系统时间最优轨迹规划装置、变绳长起重机系统控制器和变绳长起重机系统；所述变绳长起重机系统时间最优轨迹规划装置，用于接收所设定的系统状态的约束条件，包括台车位移、速度和加速度的约束条件，吊绳长度、速度和加速度的约束条件，负载摆角、角速度与角加速度的约束条件，以及台车、吊绳和负载的初始状态与终止状态的约束条件；根据变绳长起重机系统的动力学模型和上述设定的约束条件，构造时间最优的带约束优化问题，求解得到变绳长起重机系统时间最优的运动轨迹，并将最优轨迹发送至变绳长起重机系统控制器；所述变绳长起重机系统控制器，用于接收变绳长起重机系统时间最优的运动轨迹，采用跟踪控制律计算轨迹相应的实时控制信号，并将控制信号发送至变绳长起重机装置，驱动台车和吊绳跟踪最优轨迹，进行变绳长起重机系统的时间最优控制。本专利技术的有益效果本专利技术所述的一种变绳长起重机系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变绳长起重机系统时间最优轨迹规划方法，其特征在于，该方法包括：设定系统状态的约束条件，包括台车位移、速度和加速度的约束条件，吊绳长度、速度和加速度的约束条件，负载摆角、角速度与角加速度的约束条件，以及台车、吊绳和负载的初始状态与终止状态的约束条件；根据变绳长起重机系统的动力学模型和上述设定的约束条件构造时间最优的带约束优化问题，并求解得到变绳长起重机系统时间最优的运动轨迹；采用跟踪控制律，计算得到与最优轨迹相应的实时控制信号，驱动控制台车和吊绳运动，进行变绳长起重机系统的时间最优控制。

【技术特征摘要】
1.一种变绳长起重机系统时间最优轨迹规划方法，其特征在于，该方法包括：设定系统状态的约束条件，包括台车位移、速度和加速度的约束条件，吊绳长度、速度和加速度的约束条件，负载摆角、角速度与角加速度的约束条件，以及台车、吊绳和负载的初始状态与终止状态的约束条件；根据变绳长起重机系统的动力学模型和上述设定的约束条件构造时间最优的带约束优化问题，并求解得到变绳长起重机系统时间最优的运动轨迹；采用跟踪控制律，计算得到与最优轨迹相应的实时控制信号，驱动控制台车和吊绳运动，进行变绳长起重机系统的时间最优控制。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述台车、吊绳和负载的初始状态的约束条件为：在初始时刻，设定台车的初始位置、吊绳的初始绳长和负载的初始摆角。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述台车、吊绳和负载的终止状态的约束条件为：设定最短总运行时间，在终止时刻，设定保持稳定的台车目标位置与吊绳目标长度，并设定负载在平衡点处无残余振荡。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，时间最优的带约束优化问题的构造方法包括：以总运行时间为代价函数，以设定的状态量约束条件为代数约束，结合变绳长起重机系统的动力学模型，构造时间最优的带约束优化问题。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法选用伪谱法求解时间最优的带约束优化问题，得到变绳长起重机系统时间最优的运动轨迹。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变绳长起重机系统时间最优的运动轨迹包括台车位移轨迹、台车速度轨迹、吊绳长度轨迹与吊绳速度轨迹。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法采用比例微分控制律计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宁，吴易鸣，陈鹤，张建一，方勇纯，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12