1. 模型的建立

假定货载初始偏摆角及偏摆角速度均为0，沿导轨行驶的小车带载高速匀速行驶时受制动力F0 作用开始减速，小车 货载受力分析见图1。

取整个系统为研究对象，得

（1）

（2）

（3）

联立式（1）、（2）、（3）得

式中，F0 、x1、m1、V分别为小车减速过程中的制动力、小车从受到制动力作用后的位移、小车的质量以及小车减速初始速度；q、x2分别为吊具及货载在受到制动力作用后，偏移竖直位置的摆角以及位移；m2为吊具与货载的总质量；l为从小车到吊具的钢丝绳长。

则可计算得知，此时小车沿导轨做减速运动，货载在垂直平面内做单摆运动，其摆动的周期为

货载最大摆角为

其货载摆动角度、角速度及角加速度示意图见图2，其中q，，分别表示吊具及集装箱货载偏移垂直位置的摆角、偏摆角速度以及偏摆角加速度。由图2可知，理论上如果控制减速时间为一个周期T的整数倍，那么货载将在小车速度到达0时，刚好静止在垂直位置，并且停止摆动。

2. 智能控制系统的构成及原理

2.1 基本原理

由力学模型可知，在理论状态下，在开始减速时，如果吊具的偏摆角以及角速度均接近零时，然后小车按照上面分析计算的周期T开始减速，在不考虑外界的干扰（主要是风的影响）下。小车到达目标位置停止时，吊具以及集装箱货载也应该停止在目标位置，不会发生摆动。事实上，由于客观的一些外界干扰存在，在小车到达目标位置停止时，货载还是会在一定范围内发生摆动。经过多次试验发现，在减速初始时，如果吊具的偏摆角及角速度非常小时，到达目标位置时，按照上面的分析与计算的加减速时间控制小车减速，货载的摆动角度将比不按分析与计算的加减速时间控制小车运动时小得多，这对控制货载快速停止非常有利。参照ABB公司的电子减摇系统[1,2]，先使小车加速到最大速度的一半，然后匀速运行一段时间，再加速到最大速度，这样，在小车达到最高速度运行时，吊具及集装箱货载的摆动范围能够控制到非常小的范围，比较接近上面力学模型中的理想条件，特提出如下方案见图3。

其中，小车运行时间。如果在初始q=0，=0的状态下，小车和货载经过时间减速到0，理论上小车和货载都将停止，并且货载将不发生偏摆，即q=0，=0。事实上，由于模型建立的理想化，当小车和货载经过t6减速后，货载仍会偏摆，只不过在一个比较小的范围内。由于集装箱防摇定位的要求比较高，设定为[-0.6 ，0.6 ]，所以后续仍需控制。此时将采用模糊控制算法，对系统进行模糊控制，使其在到达目的地卸箱时，速度很小甚至为零，而且摆角也接近为零[3,4]，这样就达到了目的，而且比全过程都采用模糊控制要节省时间。此时，对小车及货载运行分析可知，影响因素主要为吊具偏离中心角度q及角速度，外界干扰主要为风速V，可离线PLC控制。当外界干扰存在（主要是风的影响，由于风的影响比较复杂，为了简化起见，通常仅考虑与小车前进方向相同或相反方向风的影响），干扰对防摇系统的影响，当设计的防摇系统模糊控制器鲁棒性很好时，主要通过2个方面来表现：一是平衡状态下货载偏离垂真方向的角度；二是货载摆动的快慢。故可采用二维模糊控制，模糊控制器的输入变量为吊具偏离中心角度q和角速度，控制器的输出为小车的加速度a，进而控制小车的速度，达到调整小车偏摆角及偏摆角速度的目的。模糊控制器的2个输入变量可采用角位移传感器或是机器视觉测量的方法测得[5]，本文采用机器视觉测量的方法测得，至于模糊控制器的输出变量（小车加速度）的调节，可以通过变频器调节小车的加减速斜率实现。在t6中，为货载上升停止点到小车底部的距离，m2为货载和吊具的总质量，可以通过起升变频器的力矩检测出来。关于时间t5的确定，可以通过小车行走电机所带的编码器检测出要停车的位置（此位置由熟练司机的经验确定），间接确定它。t7即为模糊控制所用的时间，对于不同的工况，会有一定的变化。小车运行时，货载偏摆状态见图4。

2.2 智能控制系统的构成

岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）智能控制系统的构成见图5。工作过程是CCD摄像机拍下小车钢丝绳的实时偏摆情况，通过视频信号线传输给图像采集卡，图像采集卡将其转换成工控机能够处理的数字图像，工控机处理这些图像，计算出钢丝绳的偏摆角和偏摆角速度并传递给PLC，PLC进行模糊推理得出控制信号，控制变频器的输出，变频器控制小车电机的运转速度和加速度并进一步控制货载的偏摆角，达到防摇的目的。

3. 模糊控制器设计

3.1 控制原理

利用模糊控制防摇的主要原理是模仿司机的操作经验：小车运行时，根据摆动角度的大小和方向调节小车加速度方向与大小。当吊具与货载的位置落后于小车时，小车减速运行，偏离角度越大，减速越快；当吊具与货载位置领先于小车位置时，小车加速运行，偏离角度越大，加速越快；当小车和吊具与货载位置保持一致时，小车匀速运行，使小车到达目标位置停车时，吊具也刚好到达目标位置并停止摆动。

3.2 模糊控制器的输入和输出设计

本模糊控制器的输入变量为偏摆角q和偏摆角速度w，输出变量为小车的速度变化率a。各变量的隶属函数形式均采用三角形形式。根据小车运动的规律，可得到各变量的隶属函数，见图6~图8。系统中输入、输出变量的实际变化范围即为其基本论域，根据分析和通过物理试验观察所得，在经过t6段（见图3）防摇减速后，在进入模糊防摇时，吊具偏摆角已经比较小了，吊具偏离中心角度q的基本论域在[-10 ，+10 ]以内，考虑到外界干扰（主要是风）的存在，取q的基本论域为[-15 ，+15 ]，角速度基本论域的确定可以根据机器视觉的测量方法，检测一下其摆动的基本范围，然后考虑外界干扰因素的影响，加上一定值再定，设定为[-10 /s，+10 /s]，小车的加速度a的基本论域为[-2m/s2，+2m/s2]。其输入输出函数曲线见图6~图8。

3.3 模糊控制规则

模糊控制规则是将操作者在实际控制过程中的实践经验加以总结而得到的模糊条件语句的集合，其确定的原则是必须使系统输出响应的动静特性达到最佳。在研究过程中，通过在生产现场的实际调研并结合试验，得出在理想条件下，即无外界干扰（风速很小或无），结论为：

（1）当摆角为正时，小车减速，当摆角为负时，小车加速，则摆角可以减小；（2）当摆角为零且摆动角速度为正大时，小车减速，则摆角可以减小；（3）当摆角为零且摆动角速度为负大时，小车加速，则摆角可以减小；（4）当摆角在正常控制范围内，如果货载和小车运行速度满足：v 0.3m/s并且两者减速时间t 1s，则摆角仍然在控制范围内。得出的模糊控制状态见表1。

表1 模糊控制状态