一种基于0-1规划的桥式起重机调速控制方法与流程

1.本发明涉及工业装备运动控制技术领域，尤其涉及一种基于0-1规划的桥式起重机调速控制方法。


背景技术：

2.工业企业多采用桥式起重机来进行原料转运，桥式起重机主要由大车、小车及电气控制系统三大部分组成。大车为桥式起重机的桥架，电机驱动两侧桥架的主动车轮沿车间纵向轨道运行，为了提升安全性，使桥式起重机的启动、制动、加速、减速等过程更加平稳快速，定位更加准确，往往使用变频器来调节驱动电机转速，通过改变电动机电源频率实现电机速度调节。然而，在原料仓库物料输送场景中，桥式起重机通常进行重复、单一的上料作业，作业类型简单，定位精度要求不高，通常使用继电器加接触器的方式控制电机启停，桥式起重机操作工仅通过启停两个控制动作来控制起重机运动，如果仅为提升控制精度而对桥式起重机驱动电机进行变频调速改造，成本过大，而且原料仓库桥式起重机通常为连续作业，空闲时间短，复杂硬件改造严重影响正常生产。另外，在运动控制算法层面，传统控制优化方法算法复杂，设计多种复杂算术运算，计算量较大，难以在plc控制器中编程实现。因此，亟待一种适用于工厂原料仓库物料输送场景且对桥式起重机定位精度要求低、能在有限的停车改造时间和改造预算条件下实现的桥式起重机调速控制方法。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种基于0-1规划的桥式起重机调速控制方法。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于0-1规划的桥式起重机调速控制方法，包括如下步骤：
5.s1、计算采样周期t下的桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ；
6.s2、等待新的控制周期到达，执行以下步骤；
7.s3、判断桥式起重机实际位移与设定位移的偏差是否已经降低至允许范围内，如果是则停止电机运行，退出循环，否则，根据预先设定的预测步数n，计算出所有可能的电机启停动作序列为2n个；
8.s4、定义电机启停动作序列标识变量，电机启停动作序列标识变量为非负整数，并设置初值为0，定义目标函数最小化变量，目标函数最小化变量在计算机中的存储类型为ieee754规定的单精度浮点数，并设置其初值为ieee754规定的单精度浮点数的最大可能值；
9.s5、当电机启停动作序列标识变量小于2n时，将电机启停动作序列标识变量转换为n位二进制数b，所述n位二进制数b从低到高的每一位表示时间从近至远桥式起重机电机未来的启停状态时间序列，其中数字量为1对应电机启动状态，数字量为0对应电机停止状态，然后执行第s6步，当电机启停动作序列标识变量大于等于2n时，执行第s11步；
10.s6、根据电机未来的启停状态时间序列计算桥式起重机未来n个采样周期的速度值时间序列，将所述速度值时间序列和对应的桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的误差平方和计为θ1；
11.s7、统计电机未来的启停状态时间序列的状态变化次数，计为θ2；
12.s8、设定优化目标为θ1与θ2之和，记作θ
total
；
13.s9、将θ
total
与s4定义的目标函数最小化变量进行对比，如果θ
total
小于目标函数最小化变量，则设置目标函数最小化变量等于θ
total
，并记录此时θ
total
对应的电机启停状态时间序列μ；
14.s10、电机启停动作序列标识变量自增1，返回第s5步；
15.s11、从电机启停状态时间序列μ中取第一个状态数据，送入电机电控系统执行，并返回执行s3。
16.优选的，s1步骤中，设定桥式起重机的目标位移为s，根据桥式起重机最大允许速度v
max
，最大允许加速度a
max
，最大允许减速度a
neg
和采样周期t，采用如下方法计算桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ：
17.(1)若则运动速度参考轨迹时间序列γ由加速轨迹和减速轨迹两部分构成，
18.(1-1)设时间区间为在此时间区间内，桥式起重机从速度0开始做加速运动，加速度为a
max
，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的第一部分；
19.(1-2)设时间区间为
20.在此时间区间内，桥式起重机做减速运动，减速度为a
neg
，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的第二部分；
21.(2)若则运动参考轨迹时间序列γ由加速轨迹、匀速轨迹和减速轨迹三部分构成，
22.(2-1)设时间区间为在此时间区间内，桥式起重机从速度0开始做加速运动，加速度为a
max
，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的第一部分；
23.(2-2)设时间区间为在此时间区间内，桥式起重机以恒定速度v
max
行进，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的第二部分；
24.(2-3)设时间区间为
[0025]25.在此时间区间内，桥式起重机做减速运动，减速度为a
neg
，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的参考轨迹时间序列γ的第三部分。
[0026]
本发明中，通过桥式起重机的目标位移为s、桥式起重机最大允许速度v
ma
、最大允许加速度a
max
和采样周期t，采用s1的步骤根据给定的公式计算包括加速、匀速、减速过程的桥式起重机运动参考轨迹时间序列γ，可简化运算，大大减少桥式起重机运动参考轨迹时间序列γ的计算时间。
[0027]
在s8步骤的优化目标由两部分相加组成，第一部分根据电机未来的启停状态时间序列计算桥式起重机未来n个采样周期的速度值时间序列，然后将该速度值时间序列和对应参考轨迹时间序列γ的误差进行平方加和，第二部分为未来启停状态时间序列的状态变化次数。
[0028]
每个采样周期通过s4～s10的一系列步骤滚动计算最优电机启停状态时间序列μ，并仅选取μ中的第一个状态进行下一拍的电机控制量，从而减少桥式起重机运动控制中的测量噪音干扰，保证控制精度。
[0029]
本发明还包括能够使一种基于0-1规划的桥式起重机调速控制方法正常使用的其它组件，均为本领域的常规技术手段。另外，本发明中未加限定的装置或组件均采用本领域中的常规技术手段。
[0030]
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
[0031]
1、本发明原理清晰、计算量小，易于plc编程实现。
[0032]
2、本发明采用跟踪参考速度轨迹的方法，在满足控制精度的要求下仅需进行少量的电气改造，工作量小，降低了硬件投入成本，减少了硬件安装时间。
[0033]
3、本发明采用滚动优化计算的方法，抗干扰能力强，鲁棒性好。
[0034]
本发明无需变频器就能实现桥式起重机的调速，兼顾了对桥式起重机的定位精度要求和设备投入成本，满足了使用要求。
附图说明
[0035]
图1为实施例1中桥式起重机运动参考轨迹时间序列示意图一。
[0036]
图2为实施例1中桥式起重机运动参考轨迹时间序列示意图二。
[0037]
图3为实施例1中桥式起重机调速控制方法流程图。
[0038]
图4为实施例2中桥式起重机运动参考轨迹时间序列示意图一。
[0039]
图5为实施例2中桥式起重机运动参考轨迹时间序列示意图二。
具体实施方式
[0040]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0042]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0043]
实施例1
[0044]
一种基于0-1规划的桥式起重机调速控制方法，包括如下步骤：
[0045]
s1、计算采样周期t下的桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ；
[0046]
s2、等待新的控制周期到达，执行以下步骤；
[0047]
s3、判断桥式起重机实际位移与设定位移的偏差是否已经降低至允许范围内，如果是则停止电机运行，退出循环，否则，根据预先设定的预测步数n，计算出所有可能的电机启停动作序列为2n个；
[0048]
s4、定义电机启停动作序列标识变量，电机启停动作序列标识变量为非负整数，并设置初值为0，定义目标函数最小化变量，目标函数最小化变量在计算机中的存储类型为ieee754规定的单精度浮点数，并设置其初值为ieee754规定的单精度浮点数的最大可能值；
[0049]
s5、当电机启停动作序列标识变量小于2n时，将电机启停动作序列标识变量转换为n位二进制数b，所述n位二进制数b从低到高的每一位表示时间从近至远桥式起重机电机未来的启停状态时间序列，其中数字量为1对应电机启动状态，数字量为0对应电机停止状态，然后执行第s6步，当电机启停动作序列标识变量大于等于2n时，执行第s11步；
[0050]
s6、根据电机未来的启停状态时间序列计算桥式起重机未来n个采样周期的速度值时间序列，将所述速度值时间序列和对应的桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的误差平方和计为θ1；
[0051]
s7、统计电机未来的启停状态时间序列的状态变化次数，计为θ2；
[0052]
s8、设定优化目标为θ1与θ2之和，记作θ
total
；
[0053]
s9、将θ
total
与s4定义的目标函数最小化变量进行对比，如果θ
total
小于目标函数最小化变量，则设置目标函数最小化变量等于θ
total
，并记录此时θ
total
对应的电机启停状态时间序列μ；
[0054]
s10、电机启停动作序列标识变量自增1，返回第s5步；
[0055]
s11、从电机启停状态时间序列μ中取第一个状态数据，送入电机电控系统执行，并返回执行s3。
[0056]
s1步骤中，设定桥式起重机的目标位移为s，根据桥式起重机最大允许速度v
max
，最大允许加速度a
max
，最大允许减速度a
neg
和采样周期t，采用如下方法计算桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ：
[0057]
(1)若则运动速度参考轨迹时间序列γ由加速轨迹和减速轨迹两部分构成，
[0058]
(1-1)设时间区间为在此时间区间内，桥式起重机从速度0开始做加速运动，加速度为a
max
，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的第一部分；
[0059]
(1-2)设时间区间为
[0060]
在此时间区间内，桥式起重机做减速运动，减速度为a
neg
，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的第二部分；
[0061]
(2)若则运动参考轨迹时间序列γ由加速轨迹、匀速轨迹和减速轨迹三部分构成，
[0062]
(2-1)设时间区间为在此时间区间内，桥式起重机从速度0开始做加速运动，加速度为a
max
，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的第一部分；
[0063]
(2-2)设时间区间为在此时间区间内，桥式起重机以恒定速度v
max
行进，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的第二部分；
[0064]
(2-3)设时间区间为
[0065][0065]
在此时间区间内，桥式起重机做减速运动，减速度为a
neg
，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的参考轨迹时间序列γ的第三部分。
[0066]
本实施例以有色行业氧化铝氢氧化铝仓为例，设采样周期为1s，桥式起重机最大允许速度v
max
＝1.5m/s，最大允许加速度a
max
＝0.25m/s，实验测得电机停止状态下桥式起重机减速度为a
neg
＝0.2m/s。完成桥式起重机系统运动参数的设置后，根据上述方法进行调速控制。
[0067]
将桥式起重机的目标位移设定为80m，利用以上方法对桥式起重机进行控制，此时总位移s＝80m，由于则桥式起重机运动参考轨迹时间序列γ由三段构成，如图1和图2所示，图1中，p0点坐标为p1点坐标为
p2点坐标为三部分面积s1+s2+s3相加等于s；图2中，step1为加速时间区间，step2为匀速时间区间，step3为减速时间区间，a
max
为加速运动的加速度曲线，a
neg
为减速运动的减速度曲线。
[0068]
利用本发明的方法对桥式起重机的控制过程如图3所示，图中横坐标为采样时间，黑色实线表示桥式起重机的累计位移，黑色虚线表示桥式起重机的速度变化，黑色柱状图表示电机的启停控制作用。控制算法在开始工作后的第76秒，成功的将桥式起重机控制在位移80.12m处，且在桥式起重机开始运动的最初阶段电机并未发生频繁启停，而在桥式起重机减速过程中为了实现对位移的准确控制进行了几次电机启停切换。
[0069]
实施例2
[0070]
本实施例与实施例1的区别在于：将起重机的目标位移设定为10m，利用以上方法对桥式起重机进行控制，此时s＝10m，由于此时桥式起重机运动参考轨迹时间序列γ由加速轨迹和减速轨迹两部分构成，如图4和图5所示，图4中，p0点坐标为p1点坐标为两部分面积s1+s2相加等于s；图5中，step1为加速时间区间，step2为减速时间区间，a
max
为加速运动的加速度曲线，a
neg
为减速运动的减速度曲线。
[0071]
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

技术特征：
1.一种基于0-1规划的桥式起重机调速控制方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、计算采样周期t下的桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ；s2、等待新的控制周期到达，执行以下步骤；s3、判断桥式起重机实际位移与设定位移的偏差是否已经降低至允许范围内，如果是则停止电机运行，退出循环，否则，根据预先设定的预测步数n，计算出所有可能的电机启停动作序列为2
n
个；s4、定义电机启停动作序列标识变量，电机启停动作序列标识变量为非负整数，并设置初值为0，定义目标函数最小化变量，目标函数最小化变量在计算机中的存储类型为ieee754规定的单精度浮点数，并设置其初值为ieee754规定的单精度浮点数的最大可能值；s5、当电机启停动作序列标识变量小于2
n
时，将电机启停动作序列标识变量转换为n位二进制数b，所述n位二进制数b从低到高的每一位表示时间从近至远桥式起重机电机未来的启停状态时间序列，其中数字量为1对应电机启动状态，数字量为0对应电机停止状态，然后执行第s6步，当电机启停动作序列标识变量大于等于2
n
时，执行第s11步；s6、根据电机未来的启停状态时间序列计算桥式起重机未来n个采样周期的速度值时间序列，将所述速度值时间序列和对应的桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的误差平方和计为θ1；s7、统计电机未来的启停状态时间序列的状态变化次数，计为θ2；s8、设定优化目标为θ1与θ2之和，记作θ
total
；s9、将θ
total
与s4定义的目标函数最小化变量进行对比，如果θ
total
小于目标函数最小化变量，则设置目标函数最小化变量等于θ
total
，并记录此时θ
total
对应的电机启停状态时间序列μ；s10、电机启停动作序列标识变量自增1，返回第s5步；s11、从电机启停状态时间序列μ中取第一个状态数据，送入电机电控系统执行，并返回执行s3。2.根据权利要求1所述的一种基于0-1规划的桥式起重机调速控制方法，其特征在于，s1步骤中，设定桥式起重机的目标位移为s，根据桥式起重机最大允许速度v
max
，最大允许加速度a
max
，最大允许减速度a
neg
和采样周期t，采用如下方法计算桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ：(1)若则运动速度参考轨迹时间序列γ由加速轨迹和减速轨迹两部分构成，(1-1)设时间区间为在此时间区间内，桥式起重机从速度0开始做加速运动，加速度为a
max
，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的第一部分；(1-2)设时间区间为
在此时间区间内，桥式起重机做减速运动，减速度为a
neg
，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的第二部分；(2)若则运动参考轨迹时间序列γ由加速轨迹、匀速轨迹和减速轨迹三部分构成，(2-1)设时间区间为在此时间区间内，桥式起重机从速度0开始做加速运动，加速度为a
max
，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的第一部分；(2-2)设时间区间为在此时间区间内，桥式起重机以恒定速度v
max
行进，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的运动参考轨迹时间序列γ的第二部分；(2-3)设时间区间为3)设时间区间为在此时间区间内，桥式起重机做减速运动，减速度为a
neg
，使用采样周期t对速度采样后得到桥式起重机的参考轨迹时间序列γ的第三部分。

技术总结
本发明涉及工业装备运动控制技术领域，公开了一种基于0-1规划的桥式起重机调速控制方法，包括步骤：S3判断实际位移与设定位移的偏差是否已经降至允许范围内，如果是则停止电机运行，否则计算出电机启停动作序列为2


技术研发人员：纪彭 王紫千 周凤禄 蔡晓东
受保护的技术使用者：中铝智能科技发展有限公司
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/3/8