一种基于自动增益调谐的船舶起重机优化控制方法

1.本发明涉及海洋工程控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种可在线自动调谐控制增益的船舶起重机防摆控制方法。


背景技术：

2.船舶起重机是一类非常重要的海洋工程设备，广泛应用于船舶货物装卸、海上工程应用(如海上风电场建设、海底管道缆线敷设、航标设立与维护等)、救助与打捞等。
3.船舶起重机是一类多输入多输出、强耦合、复杂的非线性欠驱系统。此外，由于船舶起重机安装在船舶甲板或者浮船坞上，因此其工作在非惯性坐标系中。海浪、风、流等外界复杂的环境因素也会加剧负载的摆动。基于上述原因，实现船舶起重机的智能控制具有很大的难度。目前，许多研究开始尝试将非线性控制方法应用到船舶起重机的防摆控制中，如滑模控制、基于能量的控制等。其中有些控制器结构较复杂，参数较多，这就不可避免地会出现参数调节比较麻烦、低效的问题。此外，现有控制方法基本上没有考虑船舶起重机系统中实际存在的输入饱和和状态约束问题，也较少考虑系统的优化控制问题。


技术实现要素：

4.根据上述提出为消除欠驱动船舶起重机系统的强耦合性和非线性在控制增益调节和控制效果方面带来的不利影响，满足实际存在的物理约束要求，实现负载的准确移动及消摆，亟需设计一种可实现控制增益自动调谐、满足约束要求的船舶起重机优化控制机制。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种基于自动增益调谐的船舶起重机优化控制方法，包括如下步骤：
7.步骤s1：将采集到的船舶姿态信息、船舶起重机状态信息传送给起重机控制单元，通过船舶起重机系统的动力学模型分析所述船舶起重机系统耦合影响，所述船舶及起重机信息主要包括船舶横摇角、起重机吊索长度、负载摆角、吊臂俯仰角等；
8.步骤s2：将吊臂式起重机的原始状态变量与船舶横摇角相结合，进行坐标变换，得到新的状态变量及相应的误差变量；
9.基于系统能量分析法、lyapunov稳定性理论和拉塞尔不变集理论设计和计算得到非线性控制器，所述非线性控制器包括：吊索控制器和吊臂控制器；
10.步骤s3：针对所述非线性控制器，通过模型预测控制方法构建优化控制问题，通过解算该优化控制问题确定最优的、时变的控制增益，同时考虑并满足系统状态约束与输入饱和要求，实现吊臂式船舶起重机的优化控制和增益的自动调节；
11.步骤s4：确定控制吊臂俯仰和吊索长度的输入力和力矩，在起重机移动负载至预定位置的过程中消除负载的残余摆动。
12.更近一步地，所述步骤s1中，建立船舶起重机防摆动力学模型具体为：
13.14.其中，q＝[α,lr,θ]
t
表示原始状态变量，α表示吊臂俯仰角、lr表示吊索长度、θ表示负载在吊臂面内摆角；m(q)表示对称惯性矩阵，表示离心科里奥利矩阵，g(q)表示重力向量，u＝[ub,ur,0]
t
表示控制向量，ub表示吊臂驱动力矩，ur表示吊索驱动力，fd＝[f
d1
,f
d2
,f
d3
]
t
表示摩擦力、空气阻力引起的扰动向量，具体形式为
[0015][0016][0017][0018]
其中：
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026][0027]
md＝mb·
d；
[0028]
其中，c
θ-α
、分别表示cos(-α)和类似地，s
θ-α
分别表示和sin(-α)；m
p
、mb分别表示负载质量、吊臂质量，d表示吊臂质心到转轴的距离，lb表示吊臂长度，j表示吊臂的转动惯量，表示船舶横摇角，c表示空气阻力系数。
[0029]
进一步地，所述将吊臂式起重机的原始状态变量与船舶横摇角相结合，进行坐标变换，得到新的状态变量：
[0030][0031]
则状态变量表示为ρ＝[ρ
1 ρ
2 ρ3]
t
；通过所述状态变量，则船舶起重机防摆动力学模型改写为：
[0032][0033]
其中，
[0034][0035][0036]
g(ρ)＝[(m
p
lb+md)gc1ꢀ‑mp
gc
3 m
p
gρ2s
3-1
]，
[0037][0038][0039][0040][0041][0042][0043]
更近一步地，所述误差变量为：
[0044]
e1＝ρ
1-ρ
1d
,e2＝ρ
2-ρ
2d
,e3＝ρ
3-ρ
3d
＝ρ3；
[0045]
其中ρd＝[ρ
1d
,ρ
2d
,ρ
3d
]
t
为对应状态变量ρ＝[ρ1,ρ2，ρ3]
t
的期望值。
[0046]
求导可得：
[0047][0048]
则船舶起重机的能量策略函数e为：
[0049][0050]
式中，ρ替换q，可得
[0051][0052]
对上式求导可得
[0053][0054]
则设计起重机的控制器为：
[0055][0056][0057]
其中，k
p1
,k
p2
,k
d1
,k
d2
为正数。
[0058]
进一步地，所述步骤s3中通过模型预测控制方法实现上述控制器的控制增益在线优化调节，同时满足船舶起重机运行过程中需要遵循的状态约束和输入饱和要求；具体包括以下步骤：
[0059]
[0060][0061][0062][0063][0064]vmin
≤v≤v
max
,
[0065]
ρ
min
≤|ρ(t)|≤ρ
max
,
[0066][0067]
其中，v＝[k
p1
,k
d1
，k
p2
，k
d2
]
t
，n为预测时域，v
min
与v
max
为决策变量v的取值范围，均为正数；ρ
min
与ρ
max
为状态变量ρ的约束条件；与为状态变量变化速率的约束条件。
[0068]
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0069]
本发明借助能量分析得到控制器的具体形式，在此基础上通过模型预测控制实现控制增益的在线优化调节，一方面可以解决传统控制器增益调节比较低效的问题，特别是像船舶起重机这一类强耦合的欠驱动系统；另一方面可以解决传统模型预测控制的黑箱问题，即无法确定控制器的形式。此外，通过模型预测控制思路构建的优化控制问题，可以满足船舶起重机中实际存在的状态约束和输入饱和问题，提升控制器的优化控制效果，具有一定的实用价值。
[0070]
基于上述理由本发明可在海洋工程控制技术领域广泛推广。
附图说明
[0071]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0072]
图1为本发明控制方法流程图。
[0073]
图2为本发明防范在实验中的转换后的新状态变量ρ1、ρ2、ρ3的跟踪情况。
[0074]
图3为本发明防范在实验中的控制输入。
[0075]
图4为本发明防范在实验中的mpclcc中控制增益的自动调节情况实验结果图。
具体实施方式
[0076]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
[0077]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用
的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0078]
如图1-4所示，本发明提供了一种基于自动增益调谐的船舶起重机优化控制方法，包括如下步骤：
[0079]
步骤s1：将惯性测量单元、电机编码器等采集到的船舶姿态信息、船舶起重机状态信息传送给起重机控制单元，通过船舶起重机系统的动力学模型分析其耦合影响，所述船舶及起重机信息主要包括船舶横摇角、起重机吊索长度、负载摆角、吊臂俯仰角等；
[0080]
步骤s2：为便于控制器设计，将吊臂式起重机的原始状态变量与船舶横摇角相结合，进行坐标变换，得到新的状态变量及相应的误差变量；
[0081]
基于系统能量分析法、lyapunov稳定性理论和拉塞尔不变集理论设计和计算得到非线性控制器，所述非线性控制器包括：吊索控制器和吊臂控制器；
[0082]
步骤s3：针对所述非线性控制器，通过模型预测控制方法构建优化控制问题，通过解算该优化控制问题确定最优的、时变的控制增益，同时考虑并满足系统状态约束与输入饱和要求，实现吊臂式船舶起重机的优化控制和增益的自动调节，提升控制性能、实用性与运行效率；
[0083]
步骤s4：确定控制吊臂俯仰和吊索长度的输入力和力矩，在起重机移动负载至预定位置的过程中消除负载的残余摆动。
[0084]
作为一种优选的实施方式，在本实施方式中，所述步骤s1中，建立船舶起重机防摆动力学模型具体为：
[0085][0086]
其中，q＝[α,lr,θ]
t
表示原始状态变量，表示吊臂俯仰角、lr表示吊索长度、θ表示负载在吊臂面内摆角；m(q)表示对称惯性矩阵，表示离心科里奥利矩阵，g(q)表示重力向量，u＝[ub,ur,0]
t
表示控制向量，ub表示吊臂驱动力矩，ur表示吊索驱动力，fd＝[f
d1
,f
d2
,f
d3
]
t
表示摩擦力、空气阻力等引起的扰动向量，具体形式为
[0087][0088][0089][0090]
其中：
[0091][0092]
[0093][0094][0095][0096][0097][0098][0099]
md＝mb·
d。
[0100]
其中，c
θ-α
，分别表示cos(-α)和类似地，s
θ-α
分别表示和sin(-α)；m
p
、mb分别表示负载质量、吊臂质量，d表示吊臂质心到转轴的距离，lb表示吊臂长度，j表示吊臂的转动惯量，表示船舶横摇角，c表示空气阻力系数。
[0101]
作为优选的实施方式，在本技术中，所述将吊臂式起重机的原始状态变量与船舶横摇角相结合，进行坐标变换，得到新的状态变量为：
[0102][0103]
则状态变量表示为ρ＝[ρ1ρ2ρ3]
t
；通过所述状态变量，则船舶起重机防摆动力学模型改写为：
[0104][0105]
其中，
[0106][0107][0108]
g(ρ)＝[(m
p
lb+md)gc1ꢀ‑mp
gc
3 m
p
gρ2s
3-1
]，
[0109][0110][0111][0112][0113][0114][0115]
优选地，所述误差变量为：
[0116]
e1＝ρ
1-ρ
1d
,e2＝ρ
2-ρ
2d
,e3＝ρ
3-ρ
3d
＝ρ3；
[0117]
其中ρd＝[ρ
1d
,ρ
2d
,ρ
3d
]
t
为对应状态变量ρ＝[ρ1ρ2ρ3]
t
的期望值。
[0118]
求导可得：
[0119][0120]
则船舶起重机的能量策略函数e为：
[0121][0122]
式中，ρ替换q，可得
[0123][0124]
对上式求导可得
[0125][0126]
则设计起重机的控制器为：
[0127][0128][0129]
其中，k
p1
,k
p2
,k
d1
,k
d2
为正数。
[0130]
在本实施方式中，作为优选的实施方式，所述步骤s3中通过模型预测控制方法实现上述控制器的控制增益在线优化调节，同时满足船舶起重机运行过程中需要遵循的状态约束和输入饱和要求；具体包括以下步骤：
[0131][0132][0133][0134][0135]
ρ(t
k+n
)＝ρd,
ꢀꢀ
(e)
[0136][0137]vmin
≤v≤v
max
,
ꢀꢀ
(g)
[0138]
ρ
min
≤|ρ(t)|≤ρ
max
,
ꢀꢀ
(h)
[0139][0140]
其中，v＝[k
p1
,k
d1
,k
p2
,k
d2
]
t
，n为预测时域，v
min
与v
max
为决策变量v的取值范围，均为正数；ρ
min
与ρ
max
为状态变量ρ的约束条件；与为状态变量变化速率的约束条件。通过建立形如(a)-(i)的优化控制问题，可以获得时变的、最优的控制增益v，通过(a)-(d)保证符合系统动力学和控制器形式；通过(e)-(f)保证该优化控制问题的可行性与稳定性；通过(g)-(i)满足输入饱和和状态约束要求，从而实现比较良好的防摆控制效果。
[0141]
实施例1
[0142]
在本实施例中，通过仿真、与其他方法对比来验证本发明所述方法的有效性。本实施例中，有关参数取值如下：
[0143]
mb＝10kg,m
p
＝1.0kg,lb＝0.9m,j＝2.7kg
·
m2,d＝0.4m,g＝9.8m/s2。
[0144]
初始值为ρ1(0)＝5deg，ρ2(0)＝0.10m，ρ3(0)＝0deg。
[0145]
期望值为ρ
1d
＝60deg,ρ
2d
＝0.60m，ρ
3d
＝0deg。
[0146]
为便于比较，对控制器(此处简记为telc)，通过反复尝试，得到较为理想的控制增益为k
p1
＝8.0，k
p2
＝15，k
d1
＝25,k
d2
＝15。
[0147]
对于本发明提出的基于模型预测控制的在线增益调节控制器(此处简记为mpclcc)，代价函数(即式(a))中各权值矩阵取值分别为：q＝p＝diag{104104104}，r＝{0.010.010.010.01}。四个控制增益的取值范围(即式(f))均在00.1至30之间。状态约束条件(即式(g)、(h))分别限定为：
[0148]
ρ
min
＝[-10deg，0.05m，-5deg]
t
，ρ
max
＝[65deg，0.7m，5deg]
t
，采样时间为0.2s，预测时域为3s。
[0149]
实验结果如附图2-附图4所示。附图2中三个子图分别为转换后的新状态变量ρ1、ρ2、ρ3的跟踪情况，三种控制方法均可达到较为理想的控制效果，但telc消除负载残余摆动的效果较差，需要较长时间。mpclcc可以使各状态变量及其变化率基本在相同时间达到对应期望值，因此具有较好的协同控制效果，对于欠驱动状态ρ3也有很好的控制效果。此外，mpclcc还可以完全满足状态约束条件，符合实际系统的物理要求。附图3为控制输入，mpclcc可以更加动态的调整控制输入，以达到更好的过渡性能，实现优化控制。附图4为mpclcc中控制增益的自动调节情况。
[0150]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0151]
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0152]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。