本发明专利技术公开一种低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，所述沉桩平台包括浮式平台、作业平台、起吊机、桁架和抱箍器，抱箍器包括若干电动缸，作业平台包括若干电动缸，所述控制方法，包括以下步骤：步骤1：建立作业平台的第一动力学模型和第二动力学模型；步骤2：建立所述沉桩平台的状态空间预测模型；步骤3：对状态空间预测模型构造代价函数；步骤4：在求解代价函数的最小值的求解过程中，加入约束条件，以求得在约束条件下的代价函数的最小值，按照代价函数取最小值下对应的输出作为沉桩平台的作业参数进行施工作业。本发明专利技术规避波浪诱发对施工作业过程的影响，实现大角度倾斜钢管桩沉桩的精准定位，实现控制能量消耗最小。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及施工参数预测和控制方法，具体是一种低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法。
技术介绍
1、在码头或其他水域进行建筑施工作业过程中，例如，在码头进行钢管沉桩作业时，需要施工数量较多的钢管桩，钢管桩的沉桩工程量较大，为此会需要采用沉桩平台来完成施工作业。因此，在像码头等水域进行施工作业，沉桩平台受到波浪影响较大，因此，需要进行运动补偿，以规避波浪对沉桩平台带来的影响。
2、在现有技术中，为了实现运动补偿，往往仅仅是进行运动补偿，并没有考虑到为了实现运动补偿所额外消耗的能量最小，也没有考虑到相关约束条件和实现下一时刻沉桩平台的姿态参数预测，以基于预测到的姿态参数进行施工作业。为此，需要一种能够消耗能量最小情况下实现对沉桩平台姿态参数预测，并且基于预测到的姿态参数来进行下一时刻的施工，以减少能量消耗。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其能够解决
技术介绍
描述的问题。
2、实现本专利技术的目的的技术方案为：一种低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，所述沉桩平台包括浮式平台、作业平台、起吊机、桁架和抱箍器，作业平台和桁架安装在浮式平台上，桁架可相对浮式平台水平直线移动，使得桁架的一端至少到达浮式平台的外侧，远离于浮式平台的桁架一端上固定安装有抱箍器，抱箍器用于抱紧施工用的钢管桩，
3、所述抱箍器包括若干电动缸，电动缸用于调整钢管桩的垂直度，
<
p>4、所述起吊机安装在作业平台上，作业平台包括若干电动缸，电动缸用于驱动起吊机上下移动，5、所述控制方法，包括以下步骤：
6、步骤1：建立作业平台的第一动力学模型，第一动力学模型用于预测并控制作业平台的姿态、钢管桩倾斜度，作业平台的姿态包括横摇、纵摇和升沉，其中，作业平台的所有活塞杆的运动速度均作为控制量，作业平台的姿态作为状态向量，第一动力学模型如公式①所示：
7、
8、式中，xoj表示在作业平台的第j个活塞杆控制力作用下的作业平台的横摇、纵摇和升沉的幅值，表示xoj的一阶导数，表示xoj的二阶导数，mj表示作业平台的质量，uj表示作业平台的附加质量，λj表示在作业平台的第j个活塞杆控制力作用下的作业平台的阻尼，cj表示在作业平台的第j个活塞杆控制力作用下的作业平台的重力刚度矩阵，fpj表示作业平台的第j个活塞杆的控制力，
9、建立抱箍器、抱箍器作用的钢管桩和起吊机所构成的吊点－钢管桩系统的第二动力学模型，第二动力学模型为根据拉格朗日方程建立动力学方程，第二动力学模型如公式②所示：
10、
11、式中，fhj表示抱箍器的第j个活塞杆的控制力，分别表示吊点－钢管桩系统中吊臂顶端点分别在x、y、z轴方向的加速度，分别表示吊点－钢管桩系统中吊臂顶端点分别在x、y、z轴方向的速度，α和β分别表示钢管桩的面内角和面外角，和分别表示面内角和面外角的角速度，和分别表示面内角和面外角的角加速度，l表示起吊机用于吊起钢管桩的吊绳的长度，g表示重力加速度，u表示钢管桩在吊装过程中受到空气－水阻力的阻力系数；
12、步骤2：基于第一动力学模型和第二动力学模型，建立所述沉桩平台的状态空间预测模型，状态空间预测模型如公式③所示：
13、
14、式中，x(k)表示沉桩平台的当前时刻状态，k表示当前时刻，y(k)表示沉桩平台当前时刻的输出，输出包括作业平台的姿态和钢管桩的倾斜度，x(k+1)表示沉桩平台下一时刻的状态，a表示沉桩平台的状态空间预测模型对x0(k)在平衡状态处的雅克比矩阵，其为一个常数矩阵，b表示沉桩平台的状态空间预测模型对u(k)在平衡处的雅克比矩阵，也是一个常数矩阵，c表示输出影响系数矩阵，当方程线性化后，c取1，u(k)表示控制输入参数，其包括作业平台和抱箍器的所有活塞杆的运动速度；
15、步骤3：为了保障波浪作用下对沉桩平台运动平稳的补偿，对状态空间预测模型构造代价函数j(k)，代价函数j(k)如公式④所示：
16、
17、式中，e(k)表示模型预测轨迹，ed(k)表示期望轨迹，q表示预测输出误差的权重矩阵，r是沉桩平台用于控制的权重矩阵，nm表示预测时域的起始时刻，n表示预测时域的终止时刻，nc表示控制时域长度，j表示时间变量，k表示当前时刻；
18、步骤4：在求解代价函数的最小值的求解过程中，加入约束条件，以求得在约束条件下的代价函数的最小值，按照代价函数取最小值下对应的y(k)作为沉桩平台的作业参数进行施工作业，以在基于预测沉桩平台的姿态参数情况，以最小能量消耗下完成施工作业。
19、进一步地，桁架通过轨道可相对浮式平台水平直线移动。
20、进一步地，浮式平台能够在浮力作用下将所述沉桩平台安装在水面上，且浮式平台的上端至少一部分浮出于水面上。
21、进一步地，所述抱箍器包括一环形套圈和两个电动缸，电动缸固定安装在桁架远离于浮式平台的一端，电动缸的活塞杆与环形套圈固定连接，两个活塞杆呈夹角设置，电动缸用于驱动环形套圈移动，以改变环形套圈的位置和/或倾斜状态，进而调整钢管桩的垂直度。
22、进一步地，所述夹角为锐角。
23、进一步地，环形套圈为矩形或圆形。
24、进一步地，起吊机上安装有振动液压锤，振动液压锤用于将所述钢管桩打入目标位置，完成钢管桩的沉桩作业。
25、进一步地，作业平台包括还包括支撑板，起吊机固定安装在支撑板的上端面，电动缸固定安装在浮式平台上，且位于支撑板的下方，电动缸的活塞杆与支撑板的下端面固定连接。
26、进一步地，所述电动缸为伺服电机，设置有四个所述电动缸，四个电动缸分别位于支撑板的四个角落。
27、进一步地，在所述步骤4中，约束条件包括物理约束和能量消耗最小约束条件，物理约束包括作业平台和抱箍器的电动缸的设备功率、推力幅值和推力变化率，以及还包括作业平台的姿态、钢管桩的倾斜度，
28、能量消耗最小约束条件的为作业平台和抱箍器的电动缸的活塞杆的运动速度下的能量取得最小值最小值如公式⑤所示：
29、
30、式中，δi(t)表示作业平台中第i个电动缸的能量消耗，n1为作业平台中电动缸的总数量，εi(t)表示抱箍器中第i个电动缸的能量消耗，n2为抱箍器中电动缸的总数量。
31、本专利技术的有益效果：本专利技术通过带运动补偿功能的作业平台，实现起吊机进行钢管桩的起吊、定位作业时的稳定，规避波浪诱发的浮式平台的横摇、纵摇、升沉运动对施工作业过程的影响，其中，浮式平台的横摇、纵摇、升沉也即表征了作业平台的姿态(横摇、纵摇和升沉)；
32、通过带运动补偿功能的且可移动推出的抱箍器器能够实现大角度斜桩沉桩，运动补偿功能使得抱桩器规避波浪、水流引起的钢管桩的晃动，通过可推出方式实现大角度倾斜钢管桩沉桩的精准定位。...
【技术保护点】
1.一种低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其特征在于，所述沉桩平台包括浮式平台、作业平台、起吊机、桁架和抱箍器，作业平台和桁架安装在浮式平台上，桁架可相对浮式平台水平直线移动，使得桁架的一端至少到达浮式平台的外侧，远离于浮式平台的桁架一端上固定安装有抱箍器，抱箍器用于抱紧施工用的钢管桩，
2.根据权利要求1所述的低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其特征在于，桁架通过轨道可相对浮式平台水平直线移动。
3.根据权利要求1所述的低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其特征在于，浮式平台能够在浮力作用下将所述沉桩平台安装在水面上，且浮式平台的上端至少一部分浮出于水面上。
4.根据权利要求1所述的低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其特征在于，所述抱箍器包括一环形套圈和两个电动缸，电动缸固定安装在桁架远离于浮式平台的一端，电动缸的活塞杆与环形套圈固定连接，两个活塞杆呈夹角设置，电动缸用于驱动环形套圈移动，以改变环形套圈的位置和/或倾斜状态，进而调整钢管桩的垂直度。
5.根据权利要求4所述的低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其特征在于，所述夹角为锐角。
6.根据权利要求4或5所述的低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其特征在于，环形套圈为矩形或圆形。
7.根据权利要求1所述的低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其特征在于，起吊机上安装有振动液压锤，振动液压锤用于将所述钢管桩打入目标位置，完成钢管桩的沉桩作业。
8.根据权利要求1所述的低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其特征在于，作业平台包括还包括支撑板，起吊机固定安装在支撑板的上端面，电动缸固定安装在浮式平台上，且位于支撑板的下方，电动缸的活塞杆与支撑板的下端面固定连接。
9.根据权利要求8所述的低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其特征在于，所述电动缸为伺服电机，设置有四个所述电动缸，四个电动缸分别位于支撑板的四个角落。
10.根据权利要求1所述的低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其特征在于，在所述步骤4中，约束条件包括物理约束和能量消耗最小约束条件，物理约束包括作业平台和抱箍器的电动缸的设备功率、推力幅值和推力变化率，以及还包括作业平台的姿态、钢管桩的倾斜度，
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【技术特征摘要】
1.一种低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其特征在于，所述沉桩平台包括浮式平台、作业平台、起吊机、桁架和抱箍器，作业平台和桁架安装在浮式平台上，桁架可相对浮式平台水平直线移动，使得桁架的一端至少到达浮式平台的外侧，远离于浮式平台的桁架一端上固定安装有抱箍器，抱箍器用于抱紧施工用的钢管桩，
2.根据权利要求1所述的低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其特征在于，桁架通过轨道可相对浮式平台水平直线移动。
3.根据权利要求1所述的低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其特征在于，浮式平台能够在浮力作用下将所述沉桩平台安装在水面上，且浮式平台的上端至少一部分浮出于水面上。
4.根据权利要求1所述的低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法，其特征在于，所述抱箍器包括一环形套圈和两个电动缸，电动缸固定安装在桁架远离于浮式平台的一端，电动缸的活塞杆与环形套圈固定连接，两个活塞杆呈夹角设置，电动缸用于驱动环形套圈移动，以改变环形套圈的位置和/或倾斜状态，进而调整钢管桩的垂直度。
5.根据权利要求4所述的低能量消耗下基于沉桩平台姿态参数预测的控制方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈进，温承永，应宗权，滕超，林美鸿，王雪刚，沈文耿，
申请(专利权)人：中交四航工程研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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