CN101538941A - 控制用于泵送混凝土的关节臂的振动的方法及相关装置 - Google Patents

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Abstract

本发明为控制用于泵送混凝土的关节臂的振动方法及相关装置。本发明公开了一种通过电子控制器(25)来控制关节臂(10)的振动的主动控制方法，该关节臂包括相互关节连接的多个段(12－17)，该方法包括以下步骤：a)源自于经验数据或源自于结构模型构造关节臂(10)的数学模态模型；b)配置电子控制器的增益；c)将增益乘以参考模态坐标与通过源自于直接测量得到的量的模态模型而计算出的值之间的差值，以确定将施加给臂(10)或施加给至少一部分相关段的控制力；d)通过状态估计器来估计模态坐标；e)将通过使用模态坐标估计的测量值(38)与真实测量值(32)进行比较，以校正估计值，以使其在真实值处收敛。

Description

控制用于泵送混凝土的关节臂的振动的方法及相关装置
技术领域
本发明涉及一种控制用于泵送混凝土的关节臂的振动的方法以及相关的装置。
更具体地，本发明涉及一种用于减少关节臂的各个段(segment)所经受的振动的主动控制方法，该臂用于在操作机械中泵送混凝土，该操作机械为诸如卡车上运送的泵、混凝土搅拌器等，无论它们安装或未安装在卡车或拖车上。
背景技术
众所周知，建筑业中使用的重型作业车辆通常包括其上关节连接地安装有可延展臂和/或可伸缩延展臂的卡车以分配并浇铸混凝土。这些卡车可以装备或不装备混凝土搅拌器。
已知类型的可延展臂包括可相互枢转且可折叠在彼此上面的多个段，从而能够呈现出接近卡车的折叠结构和工作结构，在工作结构中，这些段一段相对另一段地延展从而允许到达离卡车非常远的区域。
这些可延展臂的最重要的特征之一在于它们能够达到的最大可能高度和/或长度，从而能够保证与相同的卡车一起使用的最大灵活性和通用性。
关节连接的段的数量的增加或每段的度量范围的扩大，一方面带来了在最大延展状态下获得更大的总长度的可能性，但另一方面也带来了重量和体积的增加，这不符合当前的法规或与车辆的操作性与功能性相矛盾。
还已知的是，关于这些臂的正确有效性的一个非常严重的缺点在于分配混凝土时臂经受的振动现象，这种缺点随着臂的总长度及其段的数量的增大而增大。这些振动不仅给负责为排出混凝土的管道进行手动定位和引导的操作者带来了相当大的操作困难，而且也给通过远程控制装置来移动臂的操作者带来了相当大的操作困难。
振动的一个重要成分还源自这些机械的类型和它们的形状特征、它们的惯性和弹性特性、以及构造类型。这些特征使得关节臂中产生了动态应力，这些动态应力不但与机械在基本静止状况下或不进行泵送的任何情况下的动作相关，而且还与动态负载相关，该动态负载与泵送混凝土的步骤相关。
事实上，对于使用而言，机械总是必须在一个位置与下一个位置之间的过渡状态中或在其移动过程中进行工作，这意味着机械持续运动，并且产生了接头的应力状态处的动态振动和材料中的动态振动，该动态振动限制了机械的工作寿命并且降低了操作者的安全性。
此外，这些效应增加了与用于泵送混凝土的活塞泵相关的受迫脉动运作(forced pulsating functioning)，这经常发生在接近机械自身频率的频率处。
US-B2-7,143,682中描述了一种已知的装置，该装置具有抑制关节臂的振动的功能。在这种已知的装置中，在该装置系统的侧部上设置有补偿机构以补偿确定臂相对于设定位置的位移的干扰，该干扰可以包括例如传送混凝土时的压力波动。
具体地，US’682的教导针对在混凝土的传送阶段中产生的臂或其多个段中的一段或多段的不受控位移，具体地，该位移是由混凝土分配臂在传送阶段中经受的并且具有使得整个臂进行振动动作的周期性负载造成的。此外，该文献没有提供建立并使用理论数学模型的教导，该理论数学模型能够表示当臂和/或其段经受在开始传送混凝土步骤之前操作者将臂移动到混凝土传送位置中的运动时臂和/或其段的状态。
JP 7133094和JP 2000-282687中描述了用于控制和补偿关节臂的振动的其它装置。
然而，在实际中，由于这些已知装置的干预逻辑仅限于校正检测出振动的点处的振动，并试图用本地化校正干预(localizedcorrection intervention)对其进行补偿，而非在考虑导致振动的各个构件的条件下对臂的整体结构进行主动干预，所以这些已知装置并不完全令人满意。
因此，本发明的目的在于获得一种主动控制关节臂的振动的改进方法，该方法允许校正并补偿振动。
本申请人已经设计、试验并实施了本发明以实现该目的、以及随后描述的其它优点。
发明内容
本发明在独立权利要求中阐述并描述了本发明的特征，而从属权利要求描述了其它创新特征。
根据本发明的用于抑制泵送混凝土的关节臂的振动的主动控制方法的机能逻辑基于这样的事实：实施主动控制的主要困难基本包括以下两点：
-机械源自于其工作时的构造来改变其惯性和弹性特征，这使得应用并调整例如诸如上述现有技术文献中描述的那些控制器的标准控制器变得困难；
-通过以成本和强度形式易于实施的测量，对于控制系统的反馈量的检测必须能够将与振动运动相关的部分与定位步骤中所需的移动以及来自操作者的指令相关的那些部分区分开。
需要考虑的另一点是，为了抑制一个特定点(例如传送混凝土的臂的末端)的振动需要考虑其对臂的所有段的振动的影响，该影响包括由于操作者施加的定位运动而引起的分量和叠加至操作者施加的运动的振动引起的分量。
需要考虑的又一点是本发明旨在控制沿着臂的整个长度分布的每个特定点的振动，而不仅是混凝土传送中所涉及的最后一段的特定点的振动。事实上，情况可能是还需要控制臂的中间点，例如以臂的中间部分将臂引入窗口中，或者臂移动至靠近树、建筑物等的情况下。
基于这些考虑，本发明基本包括一种主动控制方法以及一种执行上述方法的电子控制装置，并且该主动控制方法和电子控制装置基于以下各项来执行控制逻辑：
-机械的结构化和物理数学模型，能够在静态以及动态条件下定义机械自身的实际结构；
-各种结构的段关于列线图(abacus)的线性表示，这些列线图包含通过使用多个状态(自动估计(auto-values)的定位)的控制方法来估计的反馈控制器的增益；
-为极点的定位方法应用的模态方案，该模态方案允许将描述整个臂及其所有段的行为的参考数学模型归约到有限数量的自由度(并因此具有有限数量的变量)，以便于实时管理，从而具有高的响应速度；
-与所谓的状态观察器一起的一个或多个仪器(例如传感器等)，能够允许物理测量值(加速度、变形、位移或速度)与在控制步骤中使用的“模态”模型之间的接合。
更具体地，前述一个或多个仪器配置于获取与臂和沿其整个长度的所有段的行为相关的数据，而不仅仅获取与臂的某一特定端点的行为相关的数据。
如果操作者在一个指令中进行干预，则振动的控制逻辑借助于反馈力而起作用，该反馈力添加至由操作者对整个臂的运动而给出的指令，或者该反馈力也在其自身引起振动的泵送操作过程中在臂静止的情况下确定一个补偿力。
臂的刚性运动(下文中命名为“主要动作”)在任何情况下都依赖于操作者的控制，而整个臂的振动的主动控制均以叠加至操作者的指令的附加指令的形式起作用，该附加指令具有抑制臂的整个结构的摆动的任务，以使整个臂遵循操作者指挥的理论运动而运动。
根据本发明的主动控制方法的主要目的是包含与第一振动模式相关的结构的摆动，该第一振动模式主要参与(participate)到动态负载的增加中。事实上，更高频率的模式具有更高的阻尼，因此对运动没有明显影响。
基于需要包含变量并包含估计次数的这种考虑，使得根据本发明的方法仅对有限数量的振动模式提供干预。
根据本发明，通过使用基于数学模型而确定的控制来进行抑制振动的操作，对于该数学模型的实施和应用，其基于以结构模式(模态模型)的形式编写的参考模型。
根据本发明的优选形式的实施例，源自于经验数据或源自于设计者可获得的结构模型来构造数学模态模型。
基于这些数据和/或模型，能够构造出动态模型，该动态模型通过刚性运动和关于所述主要动作的变形来描述臂的行为，源自于假定的位置由振动模型的叠加来描述上述主要动作的变形。
在该建模过程中，描述系统的状态变量不再是物理变量(位移和速度)，而是模态变量，并且还源自于手动控制所施加的主要动作来表示参与到臂的整个运动中的每种振动模式各有多少的“测量值”。
这些状态变量在数量上等于系统的模式的数量。
然而，如上所述，更高频率的模式是可忽略的，因此仅选取与第一振动模式相关的影响是可能的，从而获得简化并归约的“模态模型”，该模态模型在控制器增益的合成中是有用的。
尽管由有限数量的自由度构成，但这种数学模态模型在任何情况下均构成完整数学模型的最佳近似，并且从计算量的角度而言更加便于管理。
在如上所述地定义了归约的模态模型的条件下，就能够使用这些状态来估计控制器的增益，例如使用配置的自动估计的方法。
根据本发明的非限制性的优选实施例，通过在复数高斯平面中配置系统极点的位置来执行计算。在配置极点的过程中，目标在于增加系统的阻尼(或者仅是自动估计的实部)。
这些增益将表达成由主要动作过程中所假定的臂的位置的函数。由于这个原因，这些增益必须制成表格且记录在预存储的表格中，随后通过使用各段进行线性化的步骤引入控制系统中。在动作过程中，电子控制器源自于检测到的位置来插入存储的增益值，并在参考状态(其仅与例如由操作者发出的指令造成的主要动作相符，所以没有振动动作)和当前振动(由模态坐标描述)之间的反馈控制逻辑中使用这些值。
因此，将计算得到的增益乘以参考模态坐标(零)和测量得到的(或估计的)值之间的差值，并能够确定利用相关致动器施加给臂或至少一部分相关段的控制力。
最后的步骤设置于估计不能直接测量得到的模态坐标。
为实现这个功能，根据本发明的控制系统设置于使用状态估计器。
如上所述，模态坐标不能直接追溯到任何物理测量值，因此它们是不可直接测量的。因此，出现了源自于(加速计、应变仪、延展致动器等)可获得的测量值来估计坐标的问题。估计器接收测量值和实际作用在臂上的已知力作为输入，并提供模态坐标作为输出。
估计器也源自于归约模态模型的知识来工作，该模态模型内存在源自于假定的位置来表述系统特征的矩阵。
估计器将估计的测量值(通过将估计的模态坐标乘以一个适合的矩阵来进行计算，这将在下文中进行更详细地描述)与真实值进行比较，随后校正该估计值，以使其在真实值处收敛。通过将测量值与估计值之间的差值乘以一组适合的增益来进行校正。
根据本发明，可以利用各种不同的方法来确定增益；为了计算该增益，提供的优选解决方案是采用“卡尔曼滤波器”或其它类似的或相似的计算方法。
附图说明
从随后参照附图对作为非限制性实例给出的优选形式的实施例的描述中，本发明的这些和其它特征将变得显而易见，附图中：
图1是其中应用了根据本发明的控制方法的用于混凝土分配的关节臂的操作机械的示意图；
图2是根据本发明的控制方法的方框图；
图3是使用在根据本发明的控制方法中的估计步骤的方框图；以及
图4是根据本发明的方法的简化的逻辑框图。
具体实施方式
参照图1，示出了根据本发明的能够为建筑业分配混凝土或类似材料的可延展关节臂10，其位于重型作业车辆11上的组装位置中，并处于其折叠状态以便运输。
重型车辆11包括驾驶员室20和支撑架21，臂10安装在该支撑架上。
根据本发明的可延展臂10包括多个关节连接的段，例如，在所示实施例中，为在各自的端部处彼此枢转的六段，该六段分别为第一段12、第二段13、第三段14、第四段15、第五段16和第六段17。虽然系统在此未示出，但关节连接的段12-17相对于车辆11的垂直轴线以已知的方式能够旋转的总角度甚至高达360°。
参照图1，第一段12以已知的方式相对转塔18枢转，并且可以通过其自身的致动器而相对于转塔旋转。其它段13-17在各自的端部处彼此顺序枢转并能够通过其自身的致动器源自于具体要求来单独驱动，这些致动器在图4中整体以参考标号40指示。
参照图2，示出了根据本发明的使用电子控制器25和状态估计器26来控制关节臂10的振动的主动控制方法的方框图。
根据本发明的方法提供了构造归约数值模态模型27的步骤，源自于经验数据或源自于设计者可获得的结构模型来构造该模型。
如上所述，在这种建模过程中，描述系统的状态变量不再是物理变量(位移和速度)，而是模态变量，并且这些状态变量表示了参与到臂10的整体动作中的每个振动模式的多少的影响。
归约数值模态模型27构成了整个模型的最佳近似，并且从计算量的角度来看是易于管理的。
本方法中的第二个步骤设置于通过归约模态模型(对于在主要动作过程中机械完成的每一种构造均不同)来在复数高斯平面中配置由参考标号28指示的系统极点的位置以估计状态控制器25的增益。在配置极点28时，目标是要增大系统阻尼。
在主要动作过程中，这些增益被表达为实际位置的函数，该实际位置由关节臂10源自于操作者实际传输给臂10的力29的值来设定，其中，如将在下文中进行更详细描述的，在加法器30中，力29被增加到反馈控制值中。
换言之，以计算反馈矢量的方式来执行对通过使用根据本发明的数值模态模型27所施加的振动进行控制的操作：
u c ＝[G]ε                        (1)
其中，ε表示由归约模态模型获得的参考值和真实状态之间的误差矢量，同时，[G]是使用上述方法计算得到的增益矩阵。振动控制的目的在于定义增益矩阵[G]，该增益矩阵源自于系统的状态来提供反馈控制动作，以遵循图4中所示的逻辑框图来限制上述振动。
可以使用下文中描述的计算过程来计算增益矩阵[G]。
规定关节臂10的动态的等式系统可以写为：
x＝[A(x)]x+[B(x)](uc)           (2)
其中，向量x包含例如描述臂的主要动作的位移和速度的物理坐标，[A]是系统的状态矩阵，而[B]是一个矩阵，该矩阵是关节连接的段达到的位置的函数，该位置与致动器40传输的力有关。
将q视为所关心的系统(即，仅为第一振动模式)的模态坐标的向量，则能够从模态模型(2)推导而获得表示为下式的归约数学模态模型：
q＝[Amod]q+[Bmod](uc)                      (3)
在等式(1)中，我们可以将u c 表示为增益矩阵[G]乘以误差函数ε＝(q rif -q)的形式，其中，我们将增益矩阵[G]推演成多种影响的函数，其中，第一种与矩阵[Amod]直接相关，第二种代表通过新的极点来表示系统阻尼的目标增长，以及最后一种与臂10的位置相关。
在作为检测出的臂10或其各段的位置的函数的运动期间，电子控制器25插入存储的增益值，并在参考状态q rif (其仅与主要动作相符，所以没有振动动作)和当前振动q(然而，由模态坐标描述)之间的反馈控制逻辑中使用这些值。
因此，计算得到的增益乘以参考模态坐标(零)与那些测量得到的(或估计的)坐标之间的差值，并允许确定将由相关的致动器装置施加给臂10或至少施加给相关段的控制力。
最后的步骤设置于估计不能直接测量的模态坐标。
为了执行这种估计，控制器25设置于使用状态估计器26。
如上所述，为了计算控制力，需要知道归约模型q的模态坐标。这些坐标不能直接追溯到任何物理测量值，以及因此不能直接对其进行测量。因此，产生了根据从图2中所示的与臂10的各段相关的多个传感器31能够获得的测量值来估计坐标的问题，该传感器包括例如加速计、应变仪、延展致动器、或者其他类似或相似的元件。如图3中所示，估计器26接收来自上述传感器31的由参考标号32指示的测量值和由参考标号33指示的实际作用在臂10上的已知力作为输入，并以估计状态44的形式提供模态坐标作为输出。
估计器26也源自于归约模态模型27的知识来工作。
具体地，该估计器通过将从归约模态模型27获得的估计的模态坐标与由[C估计]表示的估计矩阵34相乘来计算估计的测量值。
接下来，在加法器37中，将在图3中由参考标号38指示的估计的测量值与真实测量值32进行比较，以校正估计值，从而使其在真实值处收敛。
估计器26通过将测量值32与估计值38之间的差值乘以一组适合的(例如由卡尔曼滤波器获得的)增益35来进行校正。
可以对前述的方法和装置进行修改和变化，这些都落入由所附权利要求限定的保护范围中。

Claims (9)

1.一种通过电子控制器(25)来控制关节臂(10)的振动的主动方法，所述关节臂包括相互关节连接的多个段(12-17)，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)构造所述关节臂(10)由模态变量描述的数学模态模型(27)，所述数学模态模型基于以臂的结构模式的形式编写的参考模型并源自于经验数据或源自于结构模型而获得；
b)配置所述电子控制器(25)的增益；
c)将所述增益乘以参考模态坐标与通过源自于直接测量到的量的所述模态模型(27)计算出的值之间的差值，以确定将施加给所述臂(10)或施加给至少一部分相关段的控制力；
d)通过状态估计器(26)来估计所述模态坐标；
e)将通过使用所述模态坐标估计的测量值(38)与真实测量值(32)进行比较以校正所述估计值，以使其在真实值处收敛。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过沿着所述臂的长度分布的多个致动器(40)来将所述控制力施加给所述臂(10)或其相关段(12-17)的一段或多段。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为构建所述数学模态模型(27)，仅使用与第一振动模式相关的影响以获得具有有限数量的变量的简化且归约的模态模型。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为估计所述归约模型(27)的所述模态坐标，所述估计器(26)使用从与所述臂(10)的各段(11-17)相关的多个传感器(31)获得的可得到的测量值，以获取关于所述臂(10)或沿其整个长度的各段(12-17)的行为的数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述传感器是加速计、应变仪、延展致动器、或其它类似或相似的元件。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，为了估计所述模态坐标，所述估计器(26)从所述传感器(31)接收多个测量值(32)以及实际作用在所述臂(10)上的已知力(33)作为输入，并以估计状态(34)的形式提供所述模态坐标的所述估计值作为输出。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过在复数高斯平面中配置所述臂(10)的极点(28)的位置来执行配置所述电子控制器的所述增益的步骤，其中，在所述极点(28)的所述配置中，目标是增大所述臂(10)的阻尼。
8.一种通过电子控制器(25)来控制关节臂(10)的振动的主动控制装置，所述关节臂包括相互关节连接的多个段(12-17)，其特征在于，所述电子控制器包括：指令和控制单元，其装备有：处理和存储器件，其中，源自于经验数据或源自于结构模型来构造并存储由模态变量描述的所述臂(10)的数学模态模型(27)；配置所述电子控制器(25)的增益的器件；用于将所述增益乘以参考模态坐标与通过源自于直接测量得到的量的所述模态模型而计算出的值之间的差值以确定将施加给所述臂(10)或将施加给至少一部分相关段的控制力的单元；以及用于将通过使用所述模态坐标估计的测量值(38)与真实测量值(32)进行比较以校正估计值，以使所述估计值在真实值处收敛的单元。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，其包括沿所述臂(10)的长度分布的多个致动器(40)，以能够由所述电子控制器(25)驱动以将相关的控制力施加给形成所述臂(10)至少一部分段(12-17)，以控制所述臂或其段所经受的振动。
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