專利名稱：一種時間最優(yōu)的抓斗運行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及起重機控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種卸船機起升和小車復(fù)合運動的方法，有效地控制抓斗擺動，并使抓斗運行的時間最優(yōu)。
背景技術(shù)：
抓斗式卸船機常見于散貨碼頭，利用抓斗將煤炭、礦石、糧食等散貨從船艙中搬運到地面的料斗中。抓斗通過鋼絲繩與起升機構(gòu)和小車機構(gòu)相連，由垂直方向的起升運動和水平方向的小車運動帶動運行。卸船作業(yè)是抓斗在船艙和料斗之間作周期性往復(fù)運動的過程。抓斗的一次往復(fù)運動稱為一個作業(yè)循環(huán)，如圖I所示，一個典型的作業(yè)循環(huán)包括以下步驟(I)抓斗在船艙中閉合，將貨物抓取到抓斗中；(2)起升機構(gòu)向上運行帶動抓斗上升，小車后行帶動抓斗向料斗方向運動；(3)當(dāng)抓斗達(dá)到料斗上方時，抓斗打開，將貨物卸到料斗中；(4)小車前行，起升下降，帶動抓斗返回到船艙；(5)抓斗向下進(jìn)入貨物中，返回第一步。考核卸船機效率的重要指標(biāo)是作業(yè)循環(huán)的時間，循環(huán)時間越短，作業(yè)效率越高。卸船機在執(zhí)行抓取一卸料一返回的作業(yè)循環(huán)時，抓斗在起升運動和小車運動構(gòu)成的平面內(nèi)運行。當(dāng)小車從靜止或勻速運動狀態(tài)開始加速或減速時，抓斗將產(chǎn)生往復(fù)擺動。通常情況下，抓斗的擺動可以近似為如圖2所示的單擺模型。在小擺角的假設(shè)前提下，擺角Θ滿足如下方程 & + 2 H + f — a = O(I)式中，I為擺長，a為小車的加速度，二者均是時間的函數(shù)，g為重力加速度。當(dāng)繩長不變時，以下方程是一個常系數(shù)二階線性微分方程。當(dāng)小車加速度a恒定時，其解析解為
I = t-mmt - 4 sitter -』(1 - cmm)
_] |把-議-(2)其中Qtl為初始擺角，4為初始擺動速度，《 為擺動頻率，A = a/g為擺角幅值。當(dāng)小車從抓斗無擺動狀態(tài)開始加、減速時，A = Gjtl = G,抓斗擺動的角度和速度為
\θ{ ) = ^4(1-cos )= -ωΑ ηω ( 3 )抓斗產(chǎn)生周期T = 2 π /ω的周期性擺動，擺動的幅值與加速度成正比。卸船機作業(yè)時小車通常以給定的加速度a開始加速/減速到給定速度V運行。熟練的司機會采用一種跟車的方式來完成小車的加減速，這種跟車是通過分段加減速實現(xiàn)的。根據(jù)式(3)可以推出一種分段加速/減速的方法。在初始時刻小車以加速度a加速/ 減速到v/2，然后勻速運行，半個周期后再加速/減速到目標(biāo)速度V。由(3)式可以得知，當(dāng)加速/減速完成后，擺動角度和擺動速度均為零。當(dāng)擺長不變時，上述方法可以有效地消除抓斗的擺動，但在一個作業(yè)循環(huán)中擺長是連續(xù)變化的。此時，方程(I)無法得到解析解，很難獲得加速度分段的準(zhǔn)確切換時間。為了繞開繩長變化的影響，最直接的方法是把小車和起升運動分離開。當(dāng)抓斗向料斗運動時， 起升先上升到運行高度Ie后，再控制小車按照分段加/減速的方法向料斗運動。當(dāng)抓斗返回船艙時，小車先按分段加/減速的方法運動到船艙上方，然后起升再下降使抓斗進(jìn)入艙內(nèi)。這樣擺動控制雖然簡化了，但是抓斗的路徑為直角折線，不是最優(yōu)的路徑，循環(huán)時間不是最短的，效率受到影響。專利號200320116282的實用新型提出了一種卸船機智能控制電子防搖設(shè)備，通過模糊控制的方法改變小車變頻器參數(shù)的設(shè)置，使之達(dá)到防搖要求的值。該設(shè)備包含一個擺角傳感器用于采集抓斗的擺角大小和擺動頻率，在實際應(yīng)用中安裝、調(diào)試以及后續(xù)的維護(hù)工作比較復(fù)雜。此外通過修改小車變頻器的參數(shù)實現(xiàn)防搖，不能充分利用小車的最大能力，不能保證循環(huán)的時間是最短的。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明實施例提出了一種時間最優(yōu)的卸船機抓斗運行方法，使得抓斗路徑是起升運動和小車運動的復(fù)合，并且循環(huán)時間是最短的。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明實施例提出了一種時間最優(yōu)的抓斗運行方法，所述方法包括所述抓斗的運行路徑是起升運動和小車運動復(fù)合而成的拋物線，其中，所述起升運動按照梯形速度曲線運行，上升和下降運動均以最大的加速度加速到全速運行，接近目標(biāo)位置時以最大的加速度減速停止，從而使抓斗在最早的時間到達(dá)高位運行，在最晚的時間離開高位下降；所述小車運動在加速階段采用兩步加速法，在減速階段采用兩步減速法，在接近料斗階段采用兩步減速法或甩斗減速法，在離開料斗階段采用兩步加速法或甩斗加速法；所述起升運動和小車運動按照以下的時序配合起升運動加速到全速，小車從B 點開始運動，抓斗開始沿拋物線路徑運動，并當(dāng)返回船艙時，抓斗沿拋物線路徑運動到H 點，小車運動停止，起升從H點開始減速到I點停止。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述起升運動按照梯形速度曲線運行，上升和下降運動均以最大的加速度加速到全速運行，接近目標(biāo)位置時以最大的加速度減速停止，具體包括設(shè)起升運動速度曲線分為0 th3為上升段,th3 th4為高位運行段,th4 th7為下降段，并設(shè)起升上升階段最大速度為vu，加速度為ahl，減速加速度為Bh2，下降階段最大速度為vd，加速度為ah3，減速加速度為ah4 ；上升段加速度切換的時間為
權(quán)利要求
1.一種時間最優(yōu)的抓斗運行方法，其特征在于，所述方法包括所述抓斗的運行路徑是起升運動和小車運動復(fù)合而成的拋物線，其中，所述起升運動按照梯形速度曲線運行，上升和下降運動均以最大的加速度加速到全速運行，接近目標(biāo)位置時以最大的加速度減速停止，從而使抓斗在最早的時間到達(dá)高位運行，在最晚的時間離開高位下降；所述小車運動在加速階段采用兩步加速法，在減速階段采用兩步減速法，在接近料斗階段采用兩步減速法或甩斗減速法，在離開料斗階段采用兩步加速法或甩斗加速法；所述起升運動和小車運動按照以下的時序配合起升運動加速到全速，小車從B點開始運動，抓斗開始沿拋物線路徑運動，并當(dāng)返回船艙時，抓斗沿拋物線路徑運動到H點，小車運動停止，起升從H點開始減速到I點停止。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述起升運動按照梯形速度曲線運行，上升和下降運動均以最大的加速度加速到全速運行，接近目標(biāo)位置時以最大的加速度減速停止具體包括設(shè)起升運動速度曲線分為0 th3為上升段，th3 th4為高位運行段，th4 th7為下降段，并設(shè)起升上升階段最大速度為vu，加速度為ahl，減速加速度為Bh2，下降階段最大速度為 vd,加速度為ah3，減速加速度為ah4 ；上升段加速度切換的時間為
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述小車運動在加速階段采用兩步加速法， 具體包括設(shè)小車從船艙到料斗的總行程為Stl，從料斗返回到船艙的總行程為Sy小車最大速度為Vm，在船艙上方加速的加速度為B1，減速的加速度為a2，在料斗上方加減速的加速度為a3， 并設(shè)運動曲線包括以下三部分^ t4時刻從船艙到料斗的運動、t4 t5時刻在料斗上方的停留以及t5 t8時刻從料斗返回船艙的運動；小車以加速度S1加速運行到t21時刻，然后停止加速勻速運行，在t22時刻繼續(xù)以加速度％加速到t2停止；所述的加速度切換時間t21、t22和12采用約束優(yōu)化方法求解，所采用的性能指標(biāo)基于最短運行時間和最小抓斗擺動。所得到的t21、t22和t2的最優(yōu)解使得小車達(dá)到目標(biāo)速度V1, 并且抓斗與小車沒有相對擺動；所規(guī)劃的目標(biāo)速度V1是使得小車經(jīng)過勻速運動和減速運動后，能夠準(zhǔn)確到達(dá)料斗上方目標(biāo)位置，并且滿足小車速度的限值。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述小車運動在減速階段采用兩步減速法， 具體包括設(shè)小車從船艙到料斗的總行程為Stl，從料斗返回到船艙的總行程為Sy小車最大速度為vm，在船艙上方加速的加速度為B1，減速的加速度為a2，在料斗上方加減速的加速度為a3， 并設(shè)運動曲線包括以下三部分^ t4時刻從船艙到料斗的運動、t4 t5時刻在料斗上方的停留以及t5 t8時刻從料斗返回船艙的運動；小車以加速度a2從t7時刻開始減速運行，到t71時刻停止減速勻速運行，在t72時刻繼續(xù)以加速度a2減速到t8停止；所述的加速度切換時間t71、t72和t8采用約束優(yōu)化方法求解，所采用的性能指標(biāo)基于最短運行時間和最小抓斗擺動。所得到的t71、t72和t8的最優(yōu)解使得小車從速度V2經(jīng)過減速-勻速-減速后準(zhǔn)確地停止在船艙上方的目標(biāo)位置H，并且抓斗與小車沒有相對擺動。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述小車運動在接近料斗階段采用兩步減速法，具體包括設(shè)小車從船艙到料斗的總行程為Stl，從料斗返回到船艙的總行程為Sy小車最大速度為vm，在船艙上方加速的加速度為B1，減速的加速度為a2，在料斗上方加減速的加速度為a3， 并設(shè)運動曲線包括以下三部分^ t4時刻從船艙到料斗的運動、t4 t5時刻在料斗上方的停留以及t5 t8時刻從料斗返回船艙的運動；小車以加速度a3從t3時刻開始減速運行，到t41時刻停止減速勻速運行，在t42時刻繼續(xù)以加速度a3減速到t4停止；t41、t42和t4的選擇使得抓斗和小車停止在目標(biāo)位置E，并且抓斗與小車沒有相對擺動。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述小車運動在接近料斗階段采用甩斗減速法，具體包括設(shè)小車從船艙到料斗的總行程為Stl，從料斗返回到船艙的總行程為Sy小車最大速度為vm，在船艙上方加速的加速度為B1，減速的加速度為a2，在料斗上方加減速的加速度為a3， 并設(shè)運動曲線包括以下三部分^ t4時刻從船艙到料斗的運動、t4 t5時刻在料斗上方的停留以及t5 t8時刻從料斗返回船艙的運動；從t3開始以加速度a3/2減速到t41時刻，接著以a3的加速度快速減速到t4停止；當(dāng)小車以加速度a3/2減速時，抓斗相對小車向前擺動，t41的選擇使得抓斗的擺角在t41 時刻達(dá)到最大，此時以a3的加速度減速，抓斗保持?jǐn)[角不變。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述小車運動在離開料斗階段采用兩步加速法，具體包括設(shè)小車從船艙到料斗的總行程為Stl，從料斗返回到船艙的總行程為Sy小車最大速度為vm，在船艙上方加速的加速度為B1，減速的加速度為a2，在料斗上方加減速的加速度為a3， 并設(shè)運動曲線包括以下三部分^ t4時刻從船艙到料斗的運動、t4 t5時刻在料斗上方的停留以及t5 t8時刻從料斗返回船艙的運動；小車以加速度a3從t5時刻開始加速運行，到t51時刻停止加速勻速運行，在t52時刻繼續(xù)以加速度a3加速運行到t6，t51、t52和t6的選擇使得小車達(dá)到目標(biāo)速度v2，并且抓斗與小車沒有相對擺動；目標(biāo)速度V2的選擇使得小車經(jīng)過勻速運動和減速運動后，能準(zhǔn)確地到達(dá)船艙上方的目標(biāo)位置。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述小車運動在離開料斗階段采用甩斗加速法，具體包括設(shè)小車從船艙到料斗的總行程為Stl，從料斗返回到船艙的總行程為Sy小車最大速度為Vm，在船艙上方加速的加速度為B1，減速的加速度為a2，在料斗上方加減速的加速度為a3， 并設(shè)運動曲線包括以下三部分^ t4時刻從船艙到料斗的運動、t4 t5時刻在料斗上方的停留以及t5 t8時刻從料斗返回船艙的運動；小車按所述的甩斗加速方法加速時，以加速度a3從t5時刻開始加速運行，到t51時刻接著以a3/2的加速度加速運行，到t6時刻停止加速；當(dāng)小車以加速度a3加速時，抓斗保持?jǐn)[角跟隨小車離開料斗，當(dāng)小車以a3/2的加速度加速時，抓斗從落后小車的位置向前擺動，到t6時刻抓斗中心與小車中心在同一鉛垂線上， 抓斗相對小車沒有擺動；t51和t6的選擇使得抓斗從甩斗狀態(tài)恢復(fù)到?jīng)]有擺動的狀態(tài)并且與小車同步達(dá)到目標(biāo)速度V2;目標(biāo)速度V2的選擇使得小車經(jīng)過勻速運動和減速運動后，能準(zhǔn)確地到達(dá)船艙上方的目標(biāo)位置。
全文摘要
本發(fā)明實施例公開了一種時間最優(yōu)的抓斗運行方法，包括抓斗的運行路徑是起升運動和小車運動復(fù)合而成的拋物線，起升運動按照梯形速度曲線運行，上升和下降運動均以最大的加速度加速到全速運行，接近目標(biāo)位置時以最大的加速度減速停止，使抓斗在最早的時間到達(dá)高位運行，在最晚的時間離開高位下降；小車運動在加速階段采用兩步加速法，在減速階段采用兩步減速法，在接近料斗階段采用兩步減速法或甩斗減速法，在離開料斗階段采用兩步加速法或甩斗加速法；其中，起升運動加速到全速，小車從B點開始運動，抓斗開始沿拋物線路徑運動，并當(dāng)返回船艙時，抓斗沿拋物線路徑運動到H點，小車運動停止，起升從H點開始減速到I點停止。
文檔編號B66C13/04GK102583155SQ20121006269
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者孫斌, 顧曉 申請人:上海港吉電氣有限公司