專利名稱：軌道式八輪拖動電動小車定位跟蹤控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動控制技術(shù)，尤其是涉及用于碼頭集裝箱轉(zhuǎn)運的軌道式八輪拖動電 動小車的定位跟蹤控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著世界貿(mào)易總量的不斷增長，集裝箱港口吞吐量急劇增加，迫切需要發(fā)展新一 代的智能化集裝箱碼頭技術(shù)，以提高集裝箱港口的裝卸效率。岸橋起重機(jī)、立體分配系統(tǒng)、 場橋起重機(jī)以及備用的特殊箱運送的智能集卡等集裝箱運輸設(shè)備構(gòu)成了高效自動化的碼 頭機(jī)械系統(tǒng)。岸橋系統(tǒng)和場橋系統(tǒng)之間的立體分配系統(tǒng)直接決定了自動化碼頭的運行效 率，成為新型高效智能型自動化碼頭裝卸系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。高速電動小車的控制系統(tǒng)由滑觸線供電，電動小車有八只獨立車輪，由四臺三相 異步電機(jī)分別驅(qū)動。立體軌道輸送系統(tǒng)不僅要求各組高速電動小車相互之間高精度定位， 而且要求它們的泊位點相對于岸橋和場橋而言也必須保證高精度定位，需要克服車輪與軌 道的滑動摩擦和各種干擾，這就要求針對不同的工況(環(huán)境情況、接收指令時與定位點的 距離以及高速小車所載運的集裝箱等情況)提供相應(yīng)的制動力，保證電動小車在每個要求 的泊位點高精度定位。現(xiàn)有的多機(jī)協(xié)調(diào)控制方案大都針對多電機(jī)速度的協(xié)調(diào)控制，都不能 很好地解決對多電機(jī)的速度和位置同時進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決對軌道式電動小車多電機(jī)的速度和位置同時進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的問題，本發(fā) 明提供一種軌道式八輪拖動電動小車的定位跟蹤控制系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，軌道式八輪拖動電動小車定位跟蹤控制系統(tǒng)，包括位移比較器、位移檢測器、位移 控制器、比較器、速度控制器、驅(qū)動器、電機(jī)及速度傳感器、位移傳感器、位移比較器、偏差補(bǔ) 償器，其特征在于，所述定位跟蹤控制系統(tǒng)包括首部系統(tǒng)和尾部系統(tǒng)，首部系統(tǒng)中，比較器111、速度控制器112、驅(qū)動器113、電機(jī)101及速度傳感器 114、位移傳感器115、位移比較器131、偏差補(bǔ)償器132順次連接成閉合環(huán)路，電機(jī)101及 速度傳感器114分別連接至速度比較器133以及速度控制器112 ；比較器121、速度控制器 122、驅(qū)動器123、電機(jī)102及速度傳感器124、位移傳感器125、位移比較器131、偏差補(bǔ)償器 132順次連接成閉合環(huán)路，電機(jī)102及速度傳感器124分別連接至速度比較器133以及速度 控制器122 ；尾部系統(tǒng)中，比較器211、速度控制器212、驅(qū)動器213、電機(jī)201及速度傳感器 214、位移傳感器215、位移比較器231、偏差補(bǔ)償器232順次連接成閉合環(huán)路，電機(jī)201及 速度傳感器214分別連接至速度比較器233以及速度控制器212 ；比較器221、速度控制器 222、驅(qū)動器223、電機(jī)202及速度傳感器224、位移傳感器225、位移比較器231、偏差補(bǔ)償器 232順次連接成閉合環(huán)路，電機(jī)202及速度傳感器224分別連接至速度比較器233以及速度控制器222 ；首部系統(tǒng)和尾部系統(tǒng)之間，電機(jī)102及速度傳感器124通過偏差補(bǔ)償器300連接 至比較器121，電機(jī)201及速度傳感器214通過偏差補(bǔ)償器300連接至比較器211，位移比 較器131與位移比較器231分別連接至位移檢測器500 ；位移檢測器400通過位移比較器600連接至位移控制器500，位移控制器500分別 連接至比較器111、比較器121、比較器211和比較器221。上述主要部件的具體情況如下，比較器是一個運算單元，其功能是對若干輸入信號進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換(比如D/A (數(shù) 字/模擬)變換)和標(biāo)度變換，然后進(jìn)行數(shù)值運算，得到一個輸出信號，供給控制器或驅(qū)動 器使用。比較器的輸入信號主要有給定信號、現(xiàn)場檢測信號和補(bǔ)償器輸出信號等。比較器 由一個單片機(jī)系統(tǒng)(也可以是一個PLC(可編程邏輯控制器)單元)來實現(xiàn)，由D/A或A/D 器件、隔離器件、單片機(jī)或片上系統(tǒng)、存儲單元、1/0(輸入/輸出)總線單元和電源系統(tǒng)組 成，屬于弱電電路，一般安裝在電動小車控制器上。位移檢測器是一個檢測和運算部件，其功能是對位移比較器131、231傳來的首 尾輪組電機(jī)位移量信號進(jìn)行濾波、標(biāo)度變換，計算出電動小車的整體位移信息，然后將處理 得到的位移信號傳送給位移比較器。位移檢測器由中央處理器、I/O接口芯片、A/D轉(zhuǎn)換模 塊、電源等組成。位移檢測器安裝在電動小車控制器上，實時計算電動小車位移信息。位移控制器/速度控制器/偏差補(bǔ)償器是一種數(shù)字運算單元，其功能是可以運行 各種不同的控制算法，比如普通PID(比例微分積分)算法、模糊自整定PID算法、單神經(jīng)元 PID控制等，可設(shè)置調(diào)整控制參數(shù)，然后將運算結(jié)果，即控制量，輸出到比較器/驅(qū)動器上。 位移控制器/速度控制器/偏差補(bǔ)償器由一個單片機(jī)系統(tǒng)或片上單元或PLC模塊或工控機(jī) 實現(xiàn)，其核心是CPU (中央處理器)部件，實現(xiàn)控制數(shù)字運算功能。位移控制器、速度控制器 和偏差補(bǔ)償器其控制算法和控制參數(shù)均不同，控制算法和控制參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)計 和整定。在電路結(jié)構(gòu)上，位移控制器/速度控制器/偏差補(bǔ)償器一般由CPU單元、存儲單元 (R0M(只讀內(nèi)存)和RAM(隨機(jī)存取存儲器))、1/0接口、邏輯器件、時鐘單元、電源等構(gòu)成， 形成了一種復(fù)合雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，這是本控制系統(tǒng)的核心部件之一。位移控制器/速度控 制器/偏差補(bǔ)償器安裝在電動小車上的控制箱中。位移控制器/速度控制器/偏差補(bǔ)償器 可以靈活選擇各種現(xiàn)有的控制方法，本發(fā)明不作具體限定。驅(qū)動器根據(jù)八輪拖動電動小車驅(qū)動電機(jī)的不同，可以選擇不同的驅(qū)動器。對于目 前比較流行的感應(yīng)式電機(jī)，電動小車驅(qū)動器一般采用交流變頻器實現(xiàn)。電動小車驅(qū)動器安 裝在電動小車上。速度傳感器/位移傳感器是一種模擬量檢測器件，可以采用碼盤或感應(yīng)同步器 等裝置實現(xiàn)，它安裝在雙吊具橋吊小車運行機(jī)構(gòu)的特定位置。本發(fā)明的有益效果是，其涉及的控制系統(tǒng)采用復(fù)合相鄰偏差耦合方法，設(shè)計了基 于速度控制閉環(huán)和位置控制閉環(huán)的多電機(jī)協(xié)調(diào)系統(tǒng)的控制方案，能夠有效解決八輪拖動電 動小車定位跟蹤控制問題，同時防止車輪與軌道之間的滑動，并保證高速小車的精確定位， 相對于傳統(tǒng)的多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，本發(fā)明的控制裝置結(jié)構(gòu)簡單，控制有效，對控制量檢測 裝置的要求較低，成本低，易于實現(xiàn)，使用方便。


圖1是軌道式八輪拖動電動小車定位跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié) 合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。控制系統(tǒng)的速度閉環(huán)采用了兩個綜合偏差補(bǔ)償器和一個速度偏差補(bǔ)償器，完成對 速度控制環(huán)的速度控制量進(jìn)行補(bǔ)償，實現(xiàn)速度協(xié)調(diào)控制。控制系統(tǒng)的位置控制外環(huán)由位移 比較器、位移控制器和位移檢測器構(gòu)成。附圖2為軌道式八輪拖動電動小車定位跟蹤控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖。其中，比 較器 111、121、211、221，速度控制器 112、122、212、222，驅(qū)動器 113、123、213、223，電機(jī)及速 度傳感器114、124、214、224，速度比較器133、233和偏差補(bǔ)償器132、232構(gòu)成了控制系統(tǒng)的 速度控制內(nèi)環(huán)，位移比較器131、231、位移控制器500、位移檢測器400和位移比較器600構(gòu) 成了位置控制外環(huán)。其具體控制過程如下由于小車首尾部控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能相似，僅以首部系統(tǒng)的控制過程為例來說 明。小車位置給定信號由立體分配系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場集裝箱裝卸情況和集裝箱調(diào)度計劃等自動 提供。首先，位移比較器600接收到電動小車的位移控制指令，給出電動小車運行的目標(biāo) 位置Pd，在第一個采樣周期內(nèi)，該指令經(jīng)過電動小車位移控制器500的處理得到內(nèi)環(huán)速度 給定信號IV并發(fā)送到速度控制器112、122，速度控制器112、122經(jīng)過控制運算得到速度控 制信號、和^，將其傳送給驅(qū)動器113、123，進(jìn)而驅(qū)動電動小車首部電機(jī)101、102的運行， 使電動小車發(fā)生速度和位移的變化；在第二個采樣周期內(nèi)，速度傳感器114、124檢測到兩 個電機(jī)的實際速度，并將其發(fā)送到速度比較器133和兩個電機(jī)的速度控制器112、122，速度 比較器133計算出兩個電機(jī)的速度偏差Δ ωρ= CO1-CO2，將Δ coF發(fā)送到偏差補(bǔ)償器132， 同時兩個電機(jī)的位移傳感器115、125將檢測到兩個電機(jī)的位移信息P1和P2傳送到位移比 較器131，計算出兩個電機(jī)的位移偏差ΔΡρ = P1-P2，并將Δ pF發(fā)送到偏差補(bǔ)償器132，另外 位移比較器131也將得到的首部雙電機(jī)的位移反饋信息pF= (Pl+p2)/2發(fā)送到位移檢測器 400。位移檢測器400綜合分析輸入的首部位移偏差信息pF和尾部位移偏差信息ρΒ，得到該 時刻電動小車的位移反饋信息Pf = (PF+PB)/2，將pf傳送到位移比較器600，與給定的位移 信號Pd作比較，得到新的位移控制信號Ap = pd-pf;而偏差補(bǔ)償器132對輸入的
ApF進(jìn)行分析，得到新的首部雙電機(jī)的偏差補(bǔ)償信號cF，將cF發(fā)送到比較器111、121，比較 器111、121將cF與速度控制量Up進(jìn)行比較，得到、，作為速度控制 器112、122的參考輸入，分別傳送到兩個速度控制器，速度控制器計算出新的速度控制量 = -糾和、=\ ~ω2，使得兩個電機(jī)的速度控制保持同步，位移得到協(xié)調(diào)控制。同理， 尾部雙電機(jī)的控制過程與此類似，其中，偏差補(bǔ)償器300主要完成首尾部雙電機(jī)組之間的 速度協(xié)調(diào)控制。在這種周而復(fù)始的周期性控制過程中，使得電動小車多電機(jī)速度控制偏差 得到糾正，電動小車的位移得到控制，從而實現(xiàn)電動小車的精確定位和跟蹤控制。八輪拖動電動小車控制系統(tǒng)的控制策略是當(dāng)電動小車遠(yuǎn)離目標(biāo)位置時，電動小車 內(nèi)環(huán)速度控制器優(yōu)先，保證電動小車的多電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有較高的運行速度；當(dāng)電動小車接近目標(biāo)停泊位置時，電動小車多電機(jī)位移控制優(yōu)先，保證電動小車的有效制動和精確定 位。這種優(yōu)先控制邏輯可以通過程序適時地調(diào)整控制器、偏差補(bǔ)償器等的參數(shù)來實現(xiàn)。當(dāng) 首尾部雙電機(jī)發(fā)生打滑等情況時，電機(jī)速度反饋和位置反饋信息被傳送到偏差補(bǔ)償器，偏 差補(bǔ)償器132、300、232經(jīng)過補(bǔ)償運算得到補(bǔ)償控制量cF、Δ ω和cB，并傳送給速度控制器， 可以消除多電機(jī)運行的不協(xié)調(diào)，并糾正多電機(jī)之間位移的差異，實現(xiàn)精確定位控制。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等同物界定。
權(quán)利要求
1.軌道式八輪拖動電動小車定位跟蹤控制系統(tǒng)，包括位移比較器、位移檢測器、位移控 制器、比較器、速度控制器、驅(qū)動器、電機(jī)及速度傳感器、位移傳感器、位移比較器、偏差補(bǔ)償 器，其特征在于，所述定位跟蹤控制系統(tǒng)包括首部系統(tǒng)和尾部系統(tǒng)，首部系統(tǒng)中，比較器(111)、速度控制器(112)、驅(qū)動器(113)、電機(jī)(101)及速度傳感 器(114)、位移傳感器(115)、位移比較器(131)、偏差補(bǔ)償器(132)順次連接成閉合環(huán)路， 電機(jī)(101)及速度傳感器(114)分別連接至速度比較器(133)以及速度控制器(112)；比 較器(121)、速度控制器(122)、驅(qū)動器(123)、電機(jī)(102)及速度傳感器(124)、位移傳感器 (125)、位移比較器(131)、偏差補(bǔ)償器(132)順次連接成閉合環(huán)路，電機(jī)(102)及速度傳感 器(124)分別連接至速度比較器(133)以及速度控制器(122)；尾部系統(tǒng)中，比較器(211)、速度控制器(212)、驅(qū)動器(213)、電機(jī)(201)及速度傳感 器(214)、位移傳感器(215)、位移比較器(231)、偏差補(bǔ)償器(232)順次連接成閉合環(huán)路， 電機(jī)(201)及速度傳感器(214)分別連接至速度比較器(233)以及速度控制器(212)；比 較器(221)、速度控制器(222)、驅(qū)動器(223)、電機(jī)(202)及速度傳感器(224)、位移傳感器 (225)、位移比較器(231)、偏差補(bǔ)償器(232)順次連接成閉合環(huán)路，電機(jī)(202)及速度傳感 器(224)分別連接至速度比較器(233)以及速度控制器(222)；首部系統(tǒng)和尾部系統(tǒng)之間，電機(jī)(102)及速度傳感器(124)通過偏差補(bǔ)償器(300)連 接至比較器(121)，電機(jī)(201)及速度傳感器(214)通過偏差補(bǔ)償器(300)連接至比較器 (211)，位移比較器(131)與位移比較器(231)分別連接至位移檢測器(500)；位移檢測器(400)通過位移比較器(600)連接至位移控制器(500)，位移控制器(500) 分別連接至比較器(111)、比較器(121)、比較器(211)和比較器(221)。
全文摘要
軌道式八輪拖動電動小車定位跟蹤控制系統(tǒng)，包括位移比較器、位移檢測器、位移控制器、比較器、速度控制器、驅(qū)動器、電機(jī)及速度傳感器、位移傳感器、位移比較器、偏差補(bǔ)償器，采用復(fù)合相鄰偏差耦合方法，設(shè)計了基于速度控制閉環(huán)和位置控制閉環(huán)的多電機(jī)協(xié)調(diào)系統(tǒng)的控制方案，能夠有效解決八輪拖動電動小車定位跟蹤控制問題，同時防止車輪與軌道之間的滑動，保證小車的精確定位。
文檔編號G05D27/02GK102004510SQ201010510669
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月19日
發(fā)明者康偉, 徐為民, 沈愛弟, 褚建新 申請人:上海海事大學(xué)