CN102004510B

CN102004510B - 轨道式八轮拖动电动小车定位跟踪控制系统

Info

Publication number: CN102004510B
Application number: CN2010105106697A
Authority: CN
Inventors: 徐为民; 褚建新; 康伟; 沈爱弟
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: CN102004510A

Abstract

轨道式八轮拖动电动小车定位跟踪控制系统，包括位移比较器、位移检测器、位移控制器、比较器、速度控制器、驱动器、电机及速度传感器、位移传感器、位移比较器、偏差补偿器，采用复合相邻偏差耦合方法，设计了基于速度控制闭环和位置控制闭环的多电机协调系统的控制方案，能够有效解决八轮拖动电动小车定位跟踪控制问题，同时防止车轮与轨道之间的滑动，保证小车的精确定位。

Description

轨道式八轮拖动电动小车定位跟踪控制系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术，尤其是涉及用于码头集装箱转运的轨道式八轮拖动电动小车的定位跟踪控制系统。

背景技术

随着世界贸易总量的不断增长，集装箱港口吞吐量急剧增加，迫切需要发展新一代的智能化集装箱码头技术，以提高集装箱港口的装卸效率。岸桥起重机、立体分配系统、场桥起重机以及备用的特殊箱运送的智能集卡等集装箱运输设备构成了高效自动化的码头机械系统。岸桥系统和场桥系统之间的立体分配系统直接决定了自动化码头的运行效率，成为新型高效智能型自动化码头装卸系统的核心环节。

高速电动小车的控制系统由滑触线供电，电动小车有八只独立车轮，由四台三相异步电机分别驱动。立体轨道输送系统不仅要求各组高速电动小车相互之间高精度定位，而且要求它们的泊位点相对于岸桥和场桥而言也必须保证高精度定位，需要克服车轮与轨道的滑动摩擦和各种干扰，这就要求针对不同的工况(环境情况、接收指令时与定位点的距离以及高速小车所载运的集装箱等情况)提供相应的制动力，保证电动小车在每个要求的泊位点高精度定位。现有的多机协调控制方案大都针对多电机速度的协调控制，都不能很好地解决对多电机的速度和位置同时进行协调控制的问题。

发明内容

为了解决对轨道式电动小车多电机的速度和位置同时进行协调控制的问题，本发明提供一种轨道式八轮拖动电动小车的定位跟踪控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，

轨道式八轮拖动电动小车定位跟踪控制系统，包括位移比较器、位移检测器、位移控制器、比较器、速度控制器、驱动器、电机及速度传感器、位移传感器、位移比较器、偏差补偿器，其特征在于，所述定位跟踪控制系统包括首部系统和尾部系统，

首部系统中，比较器111、速度控制器112、驱动器113、电机101及速度传感器114、位移传感器115、位移比较器131、偏差补偿器132顺次连接成闭合环路，电机101及速度传感器114分别连接至速度比较器133以及速度控制器112；比较器121、速度控制器122、驱动器123、电机102及速度传感器124、位移传感器125、位移比较器131、偏差补偿器132顺次连接成闭合环路，电机102及速度传感器124分别连接至速度比较器133以及速度控制器122；

尾部系统中，比较器211、速度控制器212、驱动器213、电机201及速度传感器214、位移传感器215、位移比较器231、偏差补偿器232顺次连接成闭合环路，电机201及速度传感器214分别连接至速度比较器233以及速度控制器212；比较器221、速度控制器222、驱动器223、电机202及速度传感器224、位移传感器225、位移比较器231、偏差补偿器232顺次连接成闭合环路，电机202及速度传感器224分别连接至速度比较器233以及速度控制器222；

首部系统和尾部系统之间，电机102及速度传感器124通过偏差补偿器300连接至比较器121，电机201及速度传感器214通过偏差补偿器300连接至比较器211，位移比较器131与位移比较器231分别连接至位移检测器500；

位移检测器400通过位移比较器600连接至位移控制器500，位移控制器500分别连接至比较器111、比较器121、比较器211和比较器221。

上述主要部件的具体情况如下，

比较器：是一个运算单元，其功能是对若干输入信号进行类型转换(比如D/A(数字/模拟)变换)和标度变换，然后进行数值运算，得到一个输出信号，供给控制器或驱动器使用。比较器的输入信号主要有给定信号、现场检测信号和补偿器输出信号等。比较器由一个单片机系统(也可以是一个PLC(可编程逻辑控制器)单元)来实现，由D/A或A/D器件、隔离器件、单片机或片上系统、存储单元、I/O(输入/输出)总线单元和电源系统组成，属于弱电电路，一般安装在电动小车控制器上。

位移检测器：是一个检测和运算部件，其功能是对位移比较器131、231传来的首尾轮组电机位移量信号进行滤波、标度变换，计算出电动小车的整体位移信息，然后将处理得到的位移信号传送给位移比较器。位移检测器由中央处理器、I/O接口芯片、A/D转换模块、电源等组成。位移检测器安装在电动小车控制器上，实时计算电动小车位移信息。

位移控制器/速度控制器/偏差补偿器：是一种数字运算单元，其功能是可以运行各种不同的控制算法，比如普通PID(比例微分积分)算法、模糊自整定PID算法、单神经元PID控制等，可设置调整控制参数，然后将运算结果，即控制量，输出到比较器/驱动器上。位移控制器/速度控制器/偏差补偿器由一个单片机系统或片上单元或PLC模块或工控机实现，其核心是CPU(中央处理器)部件，实现控制数字运算功能。位移控制器、速度控制器和偏差补偿器其控制算法和控制参数均不同，控制算法和控制参数需要根据现场情况设计和整定。在电路结构上，位移控制器/速度控制器/偏差补偿器一般由CPU单元、存储单元(ROM(只读内存)和RAM(随机存取存储器))、I/O接口、逻辑器件、时钟单元、电源等构成，形成了一种复合双闭环控制结构，这是本控制系统的核心部件之一。位移控制器/速度控制器/偏差补偿器安装在电动小车上的控制箱中。位移控制器/速度控制器/偏差补偿器可以灵活选择各种现有的控制方法，本发明不作具体限定。

驱动器：根据八轮拖动电动小车驱动电机的不同，可以选择不同的驱动器。对于目前比较流行的感应式电机，电动小车驱动器一般采用交流变频器实现。电动小车驱动器安装在电动小车上。

速度传感器/位移传感器：是一种模拟量检测器件，可以采用码盘或感应同步器等装置实现，它安装在双吊具桥吊小车运行机构的特定位置。

本发明的有益效果是，其涉及的控制系统采用复合相邻偏差耦合方法，设计了基于速度控制闭环和位置控制闭环的多电机协调系统的控制方案，能够有效解决八轮拖动电动小车定位跟踪控制问题，同时防止车轮与轨道之间的滑动，并保证高速小车的精确定位，相对于传统的多电机协调控制系统，本发明的控制装置结构简单，控制有效，对控制量检测装置的要求较低，成本低，易于实现，使用方便。

附图说明

图1是轨道式八轮拖动电动小车定位跟踪控制系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

控制系统的速度闭环采用了两个综合偏差补偿器和一个速度偏差补偿器，完成对速度控制环的速度控制量进行补偿，实现速度协调控制。控制系统的位置控制外环由位移比较器、位移控制器和位移检测器构成。

附图2为轨道式八轮拖动电动小车定位跟踪控制系统组成结构示意图。其中，比较器111、121、211、221，速度控制器112、122、212、222，驱动器113、123、213、223，电机及速度传感器114、124、214、224，速度比较器133、233和偏差补偿器132、232构成了控制系统的速度控制内环，位移比较器131、231、位移控制器500、位移检测器400和位移比较器600构成了位置控制外环。

其具体控制过程如下：

由于小车首尾部控制系统的结构和功能相似，仅以首部系统的控制过程为例来说明。小车位置给定信号由立体分配系统根据现场集装箱装卸情况和集装箱调度计划等自动提供。首先，位移比较器600接收到电动小车的位移控制指令，给出电动小车运行的目标位置p_d，在第一个采样周期内，该指令经过电动小车位移控制器500的处理得到内环速度给定信号u_p，并发送到速度控制器112、122，速度控制器112、122经过控制运算得到速度控制信号

和

将其传送给驱动器113、123，进而驱动电动小车首部电机101、102的运行，使电动小车发生速度和位移的变化；在第二个采样周期内，速度传感器114、124检测到两个电机的实际速度，并将其发送到速度比较器133和两个电机的速度控制器112、122，速度比较器133计算出两个电机的速度偏差Δω_F＝ω₁-ω₂，将Δω_F发送到偏差补偿器132，同时两个电机的位移传感器115、125将检测到两个电机的位移信息p₁和p₂传送到位移比较器131，计算出两个电机的位移偏差Δp_F＝p₁-p₂，并将Δp_F发送到偏差补偿器132，另外位移比较器131也将得到的首部双电机的位移反馈信息p_F＝(p₁+p₂)/2发送到位移检测器400。位移检测器400综合分析输入的首部位移偏差信息p_F和尾部位移偏差信息p_B，得到该时刻电动小车的位移反馈信息p_f＝(p_F+p_B)/2，将p_f传送到位移比较器600，与给定的位移信号p_d作比较，得到新的位移控制信号Δp＝p_d-p_f；而偏差补偿器132对输入的Δω_F和Δp_F进行分析，得到新的首部双电机的偏差补偿信号c_F，将c_F发送到比较器111、121，比较器111、121将c_F与速度控制量u_p进行比较，得到

和

作为速度控制器112、122的参考输入，分别传送到两个速度控制器，速度控制器计算出新的速度控制量

和使得两个电机的速度控制保持同步，位移得到协调控制。同理，尾部双电机的控制过程与此类似，其中，偏差补偿器300主要完成首尾部双电机组之间的速度协调控制。在这种周而复始的周期性控制过程中，使得电动小车多电机速度控制偏差得到纠正，电动小车的位移得到控制，从而实现电动小车的精确定位和跟踪控制。

八轮拖动电动小车控制系统的控制策略是当电动小车远离目标位置时，电动小车内环速度控制器优先，保证电动小车的多电机驱动系统具有较高的运行速度；当电动小车接近目标停泊位置时，电动小车多电机位移控制优先，保证电动小车的有效制动和精确定位。这种优先控制逻辑可以通过程序适时地调整控制器、偏差补偿器等的参数来实现。当首尾部双电机发生打滑等情况时，电机速度反馈和位置反馈信息被传送到偏差补偿器，偏差补偿器132、300、232经过补偿运算得到补偿控制量c_F、Δω和c_B，并传送给速度控制器，可以消除多电机运行的不协调，并纠正多电机之间位移的差异，实现精确定位控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.轨道式八轮拖动电动小车定位跟踪控制系统，包括位移比较器、位移检测器、位移控制器、比较器、速度控制器、驱动器、电机及速度传感器、位移传感器、偏差补偿器，其特征在于，所述定位跟踪控制系统包括首部系统和尾部系统，

首部系统中，第一比较器111、第一速度控制器112、第一驱动器113、第一电机101及第一速度传感器114、第一位移传感器115、第一位移比较器131、第一偏差补偿器132顺次连接成闭合环路，第一电机101及第一速度传感器114分别连接至第一速度比较器133以及第一速度控制器112；第二比较器121、第二速度控制器122、第二驱动器123、第二电机102及第二速度传感器124、第二位移传感器125、第二位移比较器131、第一偏差补偿器132顺次连接成闭合环路，第二电机102及第二速度传感器124分别连接至第一速度比较器133以及第二速度控制器122；

尾部系统中，第三比较器211、第三速度控制器212、第三驱动器213、第三电机201及第三速度传感器214、第三位移传感器215、第三位移比较器231、第二偏差补偿器232顺次连接成闭合环路，第三电机201及第三速度传感器214分别连接至第二速度比较器233以及第三速度控制器212；第四比较器221、第四速度控制器222、第四驱动器223、第四电机202及第四速度传感器224、第四位移传感器225、第四位移比较器231、第二偏差补偿器232顺次连接成闭合环路，第四电机202及第四速度传感器224分别连接至第二速度比较器233以及第四速度控制器222；

首部系统和尾部系统之间，第二电机102及第二速度传感器124通过第三偏差补偿器300连接至第二比较器121，第一电机201及第二速度传感器214通过第三偏差补偿器300连接至第三比较器211，第一位移比较器131与第三位移比较器231分别连接至位移检测器400；

位移检测器400通过位移比较器600连接至位移控制器500，位移控制器500分别连接至第一比较器111、第二比较器121、第三比较器211和第四比较器221。