CN101659376A - 消除龙门起重机货物摆动plc变频调速控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除龙门起重机货物摆动PLC变频调速控制系统。建立龙门起重机的惯性笛卡尔坐标系、非惯性笛卡尔坐标系和非惯性球坐标系，建立龙门起重机非线性动力学模型和线性化模型，开发出基于ZVD时滞滤波器消除货物摆动的PLC变频调速控制系统。该控制系统包括操作控制台、控制器、PLC、变频器组、起升电动机、制动器、起升机构、小车电动机、小车机构、大车电动机、大车机构，控制器由货物摆动频率、阻尼比计算单元、系统参数计算单元、时滞滤波器计算单元组成。本发明提供一种基于ZVD时滞滤波器的PLC变频调速控制系统，这一控制系统结构简单，成本低廉，操作简便，能有效消除货物摆动。

Description

消除龙门起重机货物摆动PLC变频调速控制系统

技术领域

本发明涉及一种PLC变频调速控制系统，特别是一种基于时滞滤波理论(美国佐治亚理工学院称为输入整形理论)消除龙门起重机货物摆动的PLC变频调速控制系统，这一控制系统可以有效消除货物摆动，实现无摆运输货物。属于起重机控制技术领域。

背景技术

龙门起重机主要用在露天贮料场、船坞、电站、港口和铁路货站等地进行搬运和安装作业，但目前国内、外主要是以人工操作为主，自动化程度低。这主要是因为龙门起重机特殊的机械结构和操作环境存在着不确定性决定了龙门起重机具有特殊的动力学特性，使其难以实现自动化，加大自动化成本。龙门起重机是由大、小车运行机构和起升机构组成，货物是通过起升钢丝绳与小车连接，也就是说龙门起重机是通过钢丝绳移动货物，钢丝绳是挠性机械结构，龙门起重机运行机构频繁的起、制动引起货物摆动，产生周期性扭矩、弯矩和倾翻力矩，使龙门起重机难以实现自动取/卸货物。因此，消除货物摆动是实现龙门起重机操作自动化，提高系统安全性、可靠性、工作效率、节约能源首先要解决的一个关键技术难题。目前，消除货物摆动的方法有机械式消摆和电子式消摆，机械式消摆通常是增加一套机构或者液压装置消耗系统振动能量达到消除货物摆振的目的，这种方法增加了系统的复杂性和维修保养工作量；而基于控制理论和算法的电子式消摆是当前的发展趋势，电子式消摆在许多情况是采用闭环控制策略，需要安装摄像系统或者是货物摆动角度测量系统，这同样增加了系统的复杂性，降低了系统响应速度。本发明公开了一种基于龙门起重机动力学特性和时滞滤波理论的PLC变频调速控制系统，用于消除龙门起重机货物摆动，实现无摆运输货物。

发明内容

本发明针对上述机械式消摆和电子式消摆的不足之处，根据龙门起重机的动力学特性，应用时滞滤波理论提出ZVD时滞滤波器，开发一种有效消除龙门起重机货物摆动的PLC变频调速控制系统。本发明的目的是提供一种结构简单，成本低廉，操作简便的龙门起重机PLC变频调速控制系统，为实现龙门起重机自动化操作、无摆运输货物提供了一套理论、方法和技术。本发明通过如下技术方案实现：

根据龙门起重机的动力学特性，建立龙门起重机的惯性笛卡尔坐标系、非惯性笛卡尔坐标系和非惯性球坐标系；根据Lagrange-Euler方程建立龙门起重机非线性动力学模型，在小摆角的情况下非线形模型线性化模型；基于龙门起重机货物摆动特性，应用时滞滤波理论提出ZVD时滞滤波器，将这一时滞滤波器应用于龙门起重机控制系统中，开发出基于时滞滤波理论消除货物摆动的PLC变频调速控制系统。

建立龙门起重机坐标系统技术方案。龙门起重机是由大车机构、小车机构和起升机构组成，结构示意图如图1所示。大车机构的作用是驱动车轮转动，使龙门起重机沿着轨道在水平方向运行，并起到支承整台龙门起重机的作用；小车机构是使小车沿着铺设在主梁上的轨道运行；起升机构是起升电动机经过减速器减速后带动钢丝绳卷筒转动，实现升降货物。

龙门起重机是通过大车机构和小车机构的运动驱动小车运行，小车通过钢丝绳移动货物，钢丝绳是挠性机械环节，大车和小车机构的频繁起、止动引起货物摆动，货物在随着悬挂点运动的同时作空间摆运动，而且摆长不断变化，据此建立惯性笛卡儿坐标系{x₀，y₀，z₀}、非惯性笛卡儿坐标系{x₁，y₁，z₁}和非惯性球坐标系{e_θ，e_φ，e_l}坐标系统如图2所示。惯性笛卡儿坐标系的坐标原点取在轨道的一端，非惯性笛卡儿坐标系和非惯性球坐标系的坐标原点取在起升钢丝绳的悬挂点处，并且随着小车同步移动。

货物悬挂点在惯性笛卡儿坐标系中的位置是(x，y，z)，货物在非惯性球坐标系中的位置用广义坐标(l，θ，φ)表示，l表示起升钢丝绳的长度，φ表示起升钢丝绳与x₁O₁z₁平面的夹角，θ表示起升钢丝绳在x₁O₁z₁平面投影与过货物悬挂点铅垂线的夹角。

龙门起重机非线性模型的技术方案。根据龙门起重机工作情况，给出如下假设和要求：①将钢丝绳的质量集中在吊钩处；②提升钢丝绳刚度足够大，其长度变化可忽略不计；③忽略空气阻力。

根据Lagrange-Euler方程，建立龙门起重机非线性动力学模型。

$M_1\stackrel{\·\·}{x}+b_x\stackrel{\·}{x}+m(\stackrel{\·\·}{x}+l\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}+2\stackrel{\·}{l}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}-l{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}^2\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}+$ (1)

$\stackrel{\·\·}{l}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}-l\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}-2\stackrel{\·}{l}\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}-l{\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}^2\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}-2l\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ})=F_x$

$M_2\stackrel{\·\·}{y}+b_y\stackrel{\·}{y}+m(\stackrel{\·\·}{y}+l\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}\cos \mathrm{\φ}+2\stackrel{\·}{l}\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}\cos \mathrm{\φ}-l{\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}^2\sin \mathrm{\φ}+\stackrel{\·\·}{l}\sin \mathrm{\φ})=F_y---\left(2\right)$

$b_l\stackrel{\·}{l}+m(\stackrel{\·\·}{l}-g\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}+\stackrel{\·\·}{x}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}+\stackrel{\·\·}{y}\sin \mathrm{\φ}-l{\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}^2-l{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}^2{\cos }^2\mathrm{\φ})=F_l---\left(3\right)$

$m(l^2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}\cos \mathrm{\φ}+2l\stackrel{\·}{l}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\cos \mathrm{\φ}+\mathrm{gl}\sin \mathrm{\θ}+\stackrel{\·\·}{x}l\cos \mathrm{\θ}-2l^2\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}\sin \mathrm{\φ})=0---\left(4\right)$

$m(l^2\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+2l\stackrel{\·}{l}\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+\mathrm{gl}\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}+\stackrel{\·\·}{y}l\cos \mathrm{\φ}-\stackrel{\·\·}{x}l\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}+l^2{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}^2\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\φ})=0---\left(5\right)$

式中：M₁，M₂，m-小车、大车、货物的质量；

b_x，b_y，b_l-小车、大车、起升机构的等效阻尼系数；

F_x，F_y，F_l-作用于小车、大车的驱动力和起升机构的提升力；

x-小车的位移；

y-大车的位移；

g-重力加速度。

龙门起重机是一个多输入多输出系统，电动机驱动小车和大车往复运动，小车通过钢丝绳拉动货物移动，小车的加、减速运动引起货物的摆动，货物的运动无执行器驱动，只有通过控制小车的运动来消除货物的摆动。龙门起重机动力学模型由运行机构动力学方程和货物摆动运动学方程组成，状态变量之间相互耦合，使系统成为时变的非线性振荡系统。为了对龙门起重机动力学特性进行分析，进而实现消摆控制，需要对非线性模型进行线性化处理。

龙门起重机线性化模型技术方案。在货物摆动平衡位置附近，对非线性模型(1)～(5)式进行线性化处理，得龙门起重机的线性化模型。

$M_l\stackrel{\·\·}{x}+b_x\stackrel{\·}{x}-\mathrm{mg\θ}+m\stackrel{\·\·}{l}\mathrm{\θ}=F_x---\left(6\right)$

$M_2\stackrel{\·\·}{y}+b_y\stackrel{\·}{y}-\mathrm{mg\φ}+m\stackrel{\·\·}{l}\mathrm{\φ}=F_y---\left(7\right)$

$b_l\stackrel{\·}{l}+m(\stackrel{\·\·}{l}-g+\stackrel{\·\·}{x}\mathrm{\θ}+\stackrel{\·\·}{y}\mathrm{\φ})=F_l---\left(8\right)$

$l\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+2\stackrel{\·}{l}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}+\mathrm{g\θ}=-\stackrel{\·\·}{x}---\left(9\right)$

$l\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}+2\stackrel{\·}{l}\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}+\mathrm{g\φ}=-\stackrel{\·\·}{y}---\left(10\right)$

龙门起重机可以归结为含有刚性模态的振荡系统，三大运行机构的运动是刚体运动，钢丝绳和货物构成了振动模态。货物摆动线性化模型是关于摆角θ(t)、φ(t)的二阶振荡环节，摆动频率与钢丝绳长度有关，摆动阻尼与提升速度有关，摆动幅值与小车、大车的加速度有关，起升运动使系统成为弱阻尼系统，因此货物摆动模型是变参数二阶振荡环节。

小车和大车的运动驱动货物悬挂点在水平面内移动，这2个运动的方向相互垂直，从线性化模型(6)～(10)可以看出，这2个方向的运动可以实现解耦，将空间摆运动简化为平面摆运动，货物摆动传递函数模型为

$G\left(s\right)=\frac{g_0}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_n{\mathrm{\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}---\left(11\right)$

式中：ω_n是货物摆动自然频率， ${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{g/l};$

ξ_n是货物摆动阻尼比， ${\mathrm{\ξ}}_n=\stackrel{\·}{l}/\sqrt{\mathrm{gl}};$

g₀＝-1/l。

时滞滤波理论技术方案。时滞滤波是有意识地在系统中引入时滞环节，将脉冲序列与参考命令卷积形成的整形命令作为控制信号，消除柔性机构残留振动的一种控制技术。时滞滤波器是由一系列的脉冲信号组成，3脉冲时滞滤波器在时域内的函数为

$g_{\mathrm{is}}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\·\mathrm{\δ}(t-t_i)---\left(12\right)$

式中，A_i为第i个脉冲的幅值，t_i为第i个脉冲的作用时间。

在时滞滤波器控制下，系统残留振动幅值可以描述为ω和ξ的函数，即

$V(\mathrm{\ω},\mathrm{\ξ})=e^{-\mathrm{\ξ\ω}{t}_n}\sqrt{c^2(\mathrm{\ω},\mathrm{\ξ})+s^2(\mathrm{\ω},\mathrm{\ξ})}---\left(13\right)$

式中：参数 $c(\mathrm{\ω},\mathrm{\ξ})=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{e}^{\mathrm{\ξ\ω}{t}_i}\cos \left(\mathrm{\ω}\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2{t}_i}\right),$

参数 $s(\mathrm{\ω},\mathrm{\ξ})=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{e}^{\mathrm{\ξ\ω}{t}_i}\sin \left(\mathrm{\ω}\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2{t}_i}\right),$

ω是滤波器频率，

ξ是滤波器阻尼比。

为了提高时滞滤波器的鲁棒性，对残留振动幅值式(13)及其微分方程进行约束，即令式(13)及其微分为零，求得鲁棒性较好的ZVD时滞滤波器(ZVD——Zero Vibration andDerivation)，它包括3个时滞脉冲，脉冲幅值和时滞分别为

$\left\{\begin{array}{c}{A}_1=\frac{1}{1+2K+K^2}\\ A_2=\frac{2K}{1+2K+K^2}\\ A_3=\frac{K^2}{1+2K+K^2}\end{array}\right.---\left(14\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{t}_1=0\\ t_2=T/2\\ t_3=T\end{array}\right.---\left(15\right)$

式中，参数 $K=e^{-\frac{\mathrm{\ξ\π}}{\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}}},$ 参数 $T=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}}.$

3脉冲ZVD时滞滤波器在设计频率处的残留摆动幅值为零，对参数变化具有较强的鲁棒性，对参考命令整形过程如图3所示，残留振动幅值如图4所示。

在运输货物的过程中起升钢丝绳长度的变化范围是最大起升高度，起升速度变化范围很小，因此，货物摆动频率和阻尼比在一定范围内变化。根据龙门起重机的结构特点和运行特性，同时考虑ZVD时滞滤波器的鲁棒性，所以，在根据式(9)、(10)、(11)、(14)、(15)设计3脉冲ZVD时滞滤波器时，取时滞滤波器的频率 $\mathrm{\ω}=\sqrt{2g/l},$ 阻尼比ξ＝0，可以有效消除龙门起重机货物摆动。有关证明可参考科学出版社出版的《时滞滤波理论及其工程应用》。

PLC变频调速控制系统技术方案。龙门起重机PLC变频调速控制系统框图如图5所示，包括操作控制台1、控制器4、PLC8、变频器组9、10、21、22、起升电动机14、16、制动器13、17、起升机构15、小车电动机11、小车机构12、大车电动机19、20、大车机构18，控制器4由货物摆动频率、阻尼比计算单元5、系统参数计算单元6、时滞滤波器计算单元7组成。

以5-75/20t A龙门起重机为例说明PLC变频调速控制系统的技术方案。该龙门起重机的主钩起重量是75t，配以YZR225M-8型电动机，容量为26KW，副钩起重量是20t，配以YZR160M2-8型电动机，容量为8.5KW，由于吊钩是位能性负载，所以，需配以可以实现四象限运行的矢量变频器，并且要配备制动电阻，以防电动机在制动时对变频器造成冲击。大车和小车的运行是一般的反抗性负载，小车配用YZR132M2-6型电动机，容量为4KW，一台普通变频器，而大车需配用两台YZR180L-6型电动机，容量为17KW，由于两台电动机同时实现对大车的驱动，控制信号是相同的，所以，大车的两台电动机只需配以一台普通变频器即可。这样，系统就需要配以五台电动机，四台变频器来实现对龙门起重机的调速控制。根据龙门起重机运行特点，同时为了满足龙门起重机高启动转矩、低速满转矩、快速的转矩上升时间和抱闸顺序控制功能的要求，确定大、小车和起升三大机构的驱动电动机分别配置变频器，由一台PLC对变频器组及电动机制动机构实现统一控制，实现对各机构电动机的调速控制。每台变频器通过PLC设置唯一的通信地址，通过RS-485分别与S7-200PLC实现通信。

选用Siemens公司SIMATIC系列的S7-200型PLC，采用具有两个RS-485通信口的CPU226，其中一个通信口与上位机连接实现PLC程序、仿真参数以及变频器相关监控数据的传输，另外一个通信口与变频器通信实现变频调速控制。选择YASKAWA公司VARISPEED系列的616G5型变频器，其界面友好的LCD操作器使操作简单化，配置高速通信卡(RS-485)便于与S7-200PLC通信。PLC为主机，变频器为从机，主、从机点对点通信实现，一个S7-200通信口带四台变频器，通过自由通信口方式与变频器实现通信，在控制变频器正常运行的同时，读取变频器的电压、功率、电流、频率、过压和过流等报警参数，获得大量变频器的监控信息，使系统具有更高的可靠性，节省了PLC宝贵的I/O端口。

PLC编程技术方案。PLC变频调速控制系统软件包括初始化程序模块、控制主程序模块、PLC与上位机以及变频器的通信子程序模块。初始化是实现对PLC基本参数的设置以及程序的初始化工作。控制主程序是接收来自司机的操作信号，根据龙门起重机线性化模型以及ZVD时滞滤波控制算法在上位机中计算参数：频率ω、阻尼比ξ、脉冲幅值A₁、A₂、A₃脉冲时滞t₂、t₃，调用PLC与上位机通信处理子程序，进行数据处理，获得对变频器的控制参数，再调用PLC与变频器的通信子程序实现控制信号的点对点传输，通过PLC与变频器的组合实现电动机的调速控制，有效抑制龙门起重机的货物摆动。PLC与上位机以及变频器的通信子程序模块实现PLC与变频器的通信需要给变频器组的各个变频器配置不同的地址，作为主机的PLC不断发出某个通信目标变频器的地址给从机，等待从机的响应。

大车机构部分PLC控制程序如图6所示，小车机构部分PLC控制程序如图7所示，起升机构部分PLC控制程序如图8所示。

本发明提供一种基于ZVD时滞滤波器有效消除龙门起重机货物摆动的PLC变频调速控制系统，这种控制系统结构简单，成本低廉，操作简便，在龙门起重机参数变化范围内有效消除货物摆动，进一步提高龙门起重机的工作效率、安全性和可靠性，实现龙门起重机自动化操作、无摆运输货物提供了一套理论、方法和技术。

附图说明

图1是龙门起重机结构示意图；

图2是龙门起重机坐标系统图；

图3是3脉冲时滞滤波器的整形过程示意图；

图4是3脉冲ZVD时滞滤波器残留振动幅值图；

图5是龙门起重机PLC变频调速控制系统框图；

图6是部分大车机构PLC控制程序；

图7是部分小车机构PLC控制程序；

图8是部分起升机构PLC控制程序。

图5龙门起重机PLC变频调速控制系统框图：1、操作控制台，2、大车速度给定信号，3、小车速度给定信号，4、控制器，5、货物摆动频率、阻尼比计算单元，6、系统参数计算单元，7、时滞滤波器计算单元，8、PLC，9、起升机构变频器，10、小车机构变频器，11、小车机构电动机，12、小车机构，13、起升机构制动器，14、起升机构电动机，15、起升机构，16、起升机构电动机，17、起升机构制动器，18、大车机构，19、大车机构电动机，20、大车机构电动机，21、大车机构变频器，22、起升机构变频器，23、起升机构速度给定信号。

具体实施方式

在图5中起升机构运行实施方式。操作者按动操作控制台1，向起升机构发出提升货物的速度给定信号23，经过PLC 8运算向起升机构变频器9、22发出控制信号，使起升机构电动机14、16驱动起升机构15提升货物。当达到目标位置时，操作者按动操作控制台1，向起升机构发出降低货物的速度给定信号23，经过PLC 8运算向起升机构变频器9、22发出控制信号，使起升机构电动机14、16反向转动，驱动起升机构15降低货物，同时，使起升机构制动器13、17开始制动，最后将货物放在目标位置。

小车机构运行实施方式。操作者按动操作控制台1，向小车机构发出加速运行的速度给定信号3，控制器4的货物摆动频率、阻尼比计算单元5计算货物摆动的频率和阻尼比，系统参数计算单元6计算系统的动力学参数，时滞滤波器计算单元7计算时滞滤波器的脉冲幅值和时滞，形成整形的小车运行速度信号，用PLC8与上位机通信处理子程序，进行数据处理，获得对变频器的控制参数，再调用PLC8与变频器10的通信子程序实现控制信号的点对点传输，通过PLC8与小车机构变频器10的组合实现电动机11的加速控制，使小车机构电动机11驱动小车机构12运行，有效抑制小车起动过程引起的货物摆动，实现货物沿着主梁方向运行。当达到目标位置时，操作者按动操作控制台1，向小车机构发出停止运行的速度给定信号3，控制器4形成整形的速度信号，通过PLC8与小车机构变频器10实现小车机构的减速控制，使小车机构电动机11驱动小车机构12停止运行，抑制小车在停车过程引起的货物摆动，将货物准确停在目标位置的正上方。

大车机构运行实施方式。操作者按动操作控制台1，向大车机构发出加速运行的速度给定信号2，控制器4的货物摆动频率、阻尼比计算单元5计算货物摆动的频率和阻尼比，系统参数计算单元6计算系统的动力学参数，时滞滤波器计算单元7计算时滞滤波器的脉冲幅值和时滞，形成整形的大车运行速度信号，调用PLC8与上位机通信处理子程序，进行数据处理，获得对大车机构变频器21的控制参数，再调用PLC8与变频器21的通信子程序实现控制信号的点对点传输，通过PLC8与变频器21的组合实现电动机19、20的调速控制，使大车机构电动机19、20驱动大车机构18运行，实现货物沿着轨道方向运行，有效抑制大车起动过程引起的货物摆动。当达到目标位置时，操作者按动操作控制台1，向起大车机构发出停止运行的速度给定信号2，控制器4形成整形的大车运行速度信号，通过PLC8与大车机构变频器21实现调速控制，大车机构电动机19、20驱动大车机构18停止运行，抑制大车在停车过程引起的货物摆动，将货物准确停止在目标位置的正上方。

同时实现起升机构、大车机构、小车机构运动的实施方式。操作者按动操作控制台1，向起升机构发出提升货物的速度给定信号23，调用PLC8与上位机通信处理子程序，进行数据处理，获得对变频器9、22的控制参数，再调用PLC8与变频器的通信子程序实现控制信号的点对点传输，通过PLC8与起升变频器9、22的组合实现电动机的调速控制，使起升机构电动机14、16驱动起升机构15提升货物。操作者按动操作控制台1，向大车机构、小车机构发出加速运行的速度给定信号2、3，控制器4的货物摆动频率、阻尼比计算单元5计算货物摆动的频率和阻尼比，系统参数计算单元6计算系统的动力学参数，时滞滤波器计算单元7计算时滞滤波器的脉冲幅值和时滞，形成整形的大车、小车运行速度信号，通过PLC8与大车、小车机构变频器21、10的组合实现电动机的调速控制，使大车、小车机构电动机19、20、11驱动大车、小车机构18、12运行，实现货物沿着轨道和主梁方向运行。当达到目标位置时，操作者按动操作控制台1，向大车机构、小车机构发出停止运行的速度给定信号2、3，控制器4形成整形的速度信号，通过PLC8与大车、小车机构变频器21、10的组合实现电动机的调速控制，使大车、小车机构电动机19、20、11驱动小车机构18、12停止运行。当货物停止在目标位置的正上方时，操作者按动操作控制台1，向起升机构发出降低货物的速度给定信号23，通过PLC8与起升机构变频器9、22的组合实现电动机的调速控制，使起升机构电动机14、16反向转动，驱动起升机构15降低货物，同时，使起升机构制动器13、17开始制动，最终将货物停放在目标位置上。

Claims (10)

1、消除龙门起重机货物摆动PLC变频调速控制系统，其特征在于：根据龙门起重机的动力学特性，建立龙门起重机的惯性笛卡尔坐标系、非惯性笛卡尔坐标系和非惯性球坐标系；根据Lagrange-Euler方程建立龙门起重机非线性动力学模型，在小摆角的情况下非线形模型线性化模型；基于龙门起重机货物摆动特性，应用时滞滤波理论提出ZVD时滞滤波器，这种时滞滤波器在设计频率处的残留摆动幅值为零，对参数变化具有较强的鲁棒性，将这一时滞滤波器应用于龙门起重机控制系统中，开发出基于时滞滤波理论消除货物摆动的PLC变频调速控制系统。

2、根据权利要求1所述的消除龙门起重机货物摆动PLC变频调速控制系统，其特征在于：根据货物在随着悬挂点运动的同时做空间摆运动，而且摆长不断变化的运动特点，建立惯性笛卡儿坐标系、非惯性笛卡尔坐标系和非惯性球坐标系，惯性笛卡儿坐标系的坐标原点取在轨道的一端，非惯性笛卡尔坐标系和非惯性球坐标系的坐标原点取在起升钢丝绳的悬挂点处，并且随着小车同步移动。

3、根据权利要求1所述的消除龙门起重机货物摆动PLC变频调速控制系统，其特征在于：根据Lagrange-Euler方程，建立龙门起重机非线性动力学模型和线性化力学模型，揭示货物摆动与龙门起重机的动力学参数之间的关系。

4、根据权利要求1所述的消除龙门起重机货物摆动PLC变频调速控制系统，其特征在于：将龙门起重机系统归结为含有刚性模态的振荡系统，大车、小车机构的运动是刚体运动，钢丝绳和货物构成了振动模态，货物摆动线性化模型是关于摆角的二阶振荡环节，摆动频率与钢丝绳长度有关，摆动阻尼与起升速度有关，摆动幅值与大车、小车机构的加速度有关，起升运动使系统成为弱阻尼系统，因此货物摆动模型是变参数二阶振荡环节。

5、根据权利要求1所述的消除龙门起重机货物摆动PLC变频调速控制系统，其特征在于：时滞滤波器是由一系列的脉冲组成，3脉冲时滞滤波器在时域内的函数为

$g_{\mathrm{is}}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\·\mathrm{\δ}\left({t-t}_i\right)$

式中，A_i为第i个脉冲的幅值，t_i为第i个脉冲的作用时间。

6、根据权利要求1所述的消除龙门起重机货物摆动PLC变频调速控制系统，其特征在于：在3脉冲时滞滤波器控制下，系统残留振荡幅值可以描述为频率ω和阻尼比ξ的函数，即

$V(\mathrm{\ω},\mathrm{\ξ})=e^{-\mathrm{\ξ\ω}{t}_n}\sqrt{c^2(\mathrm{\ω},\mathrm{\ξ})+s^2(\mathrm{\ω},\mathrm{\ξ})}$

式中：参数 $c(\mathrm{\ω},\mathrm{\ξ})=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{e}^{{\mathrm{\ξ\ωt}}_i}\cos \left(\mathrm{\ω}\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2{t}_i}\right),$

参数 $s(\mathrm{\ω},\mathrm{\ξ})=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{e}^{{\mathrm{\ξ\ωt}}_i}\sin \left(\mathrm{\ω}\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2{t}_i}\right).$

7、根据权利要求1所述的消除龙门起重机货物摆动PLC变频调速控制系统，其特征在于：3脉冲ZVD时滞滤波器的脉冲幅值和时滞分别为

$\left\{\begin{array}{c}{A}_1=\frac{1}{1+2K+K^2}\\ A_2=\frac{2K}{1+2K+K^2}\\ A_3=\frac{K^2}{1+2K+K^2}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{t}_1=0\\ t_2=T\\ t_3=2T\end{array}\right.$

式中：参数 $K=e^{-\frac{\mathrm{\ξ\π}}{\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}},}$ 参数 $T=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}^2}}.$

8、根据权利要求1所述的消除龙门起重机货物摆动PLC变频调速控制系统，其特征在于：在设计3脉冲ZVD时滞滤波器时，取时滞滤波器的频率 $\mathrm{\ω}=\sqrt{2g/l},$ 阻尼比ξ＝0，可以有效消除龙门起重机货物摆动。

9、根据权利要求1所述的消除龙门起重机货物摆动PLC变频调速控制系统，其特征在于：PLC变频调速控制系统包括操作控制台、控制器、PLC、变频器组、大车机构、小车机构和起升机构，控制器由货物摆动频率、阻尼比计算单元、系统参数计算单元、时滞滤波器计算单元组成，大车机构、小车机构和起升机构的驱动电动机分别配置变频器，根据操作控制台发出的速度给定信号，控制器形成整形的速度指令，由一台PLC对变频器组、电动机、制动器进行统一控制，实现对各个运行机构的调速控制。

10、根据权利要求1所述的消除龙门起重机货物摆动PLC变频调速控制系统，其特征在于：PLC变频调速控制系统软件主要包括初始化程序模块、控制主程序模块、PLC与上位机以及变频器的通信子程序模块。

Images