CN101948082B - 控制起重机的驱动装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括一种用于控制起重机、尤其是回转装置和/或变幅机构的驱动装置的方法，其中吊杆末端期望的运动作为输入值，基于该输入值计算控制起重机的控制参数，其特征在于，在减弱固有振荡的控制参数的计算中考虑了包括驱动装置和起重机结构的系统的振荡动力学。本发明还包括一种控制起重机提升装置的方法，其中负载期望的运动作为输入值，基于此计算控制起重机的控制参数。

Description

控制起重机的驱动装置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制起重机的驱动装置的方法。本发明在这方面尤其涉及一种用于控制起重机，特别是回转装置和/或变幅机构的控制方法，其中吊杆末端期望的运动作为输入值，在此基础上计算用于控制驱动装置的控制参数。本发明还涉及用于控制起重机的提升装置的方法，其中负载期望的升降运动作为输入值，在此基础上计算用于控制驱动装置的控制参数。根据本发明的起重机的驱动装置尤其是液压驱动装置。然而，也可以使用电驱动装置。在这方面，提升装置可通过如液压缸或缩回机构来实现。

背景技术

在已知的用于控制起重机驱动装置的方法中，操作者通过手柄设置吊杆末端在水平方向上期望的运动，并且因此设置负载在水平方向上的期望的运动，并且由此基于回转装置和变幅机构的运动学计算用于控制这些驱动装置的控制参数。操作者还通过手柄预先设定负载的期望的升降运动，并且由此计算控制提升装置的控制参数。

此外还已知用于负载摆动阻尼的方法，其中，期望的负载运动取代吊杆末端的运动作为输入值，以计算用于控制驱动装置的控制参数。例如可依靠驱动装置的运动用悬挂在吊索上的负载的运动的物理模型来避免由于驱动装置的相应控制而引起负载的球形摆动振荡。

然而，已知的用于控制起重机的方法会在起重机结构上产生可观的应变。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于控制起重机驱动装置的方法，其减小了在起重机结构上的这样的应变。

为此本发明提供一种用于控制起重机、尤其是回转装置和/或变幅机构的驱动装置的方法，其中吊杆末端的期望的运动作为输入值，基于该输入值计算驱动装置控制的控制参数，其特征在于，在减弱固有振荡的控制参数的计算中考虑了包括驱动装置和起重机结构的系统的振荡动力学。

在根据本发明的用于控制起重机特别是回转装置和/或变幅机构的驱动装置的方法中，期望的吊杆末端的运动作为输入值，基于此计算用于控制驱动装置的控制参数。根据本发明规定，在控制参数的计算中考虑驱动装置和起重机结构的系统的内部振荡动力学，以阻尼固有振荡。在此方面，驱动装置可为液压驱动装置。然而，也可以使用电驱动装置。

在这方面，本发明的发明人已经发现固有振荡可对起重机结构和驱动装置施加巨大的应变。相反的，通过在计算控制参数中考虑驱动装置和起重机结构的内部振荡动力学，可阻尼并有利地在很大程度上避免固有振荡。在另一方面，这具有吊杆末端准确地跟随预设的期望的运动而不振荡的优点。另一方面，起重机结构和驱动装置没有处在任何由固有振荡引起的应变下。因此，根据本发明的对固有振荡的衰减，在服务寿命和维持费用上具有积极效果。

有利的是，根据本发明的方法可用在这样的起重机上，其中，吊杆以绕水平变幅轴线可变幅的方式枢转地连接到塔体。通过在塔体和吊杆之间设置的吊杆缸，吊杆在变幅平面内可向上和向下(摆动)变幅。也可等同地使用缩回机构，其通过在变幅平面内设置吊索作为变幅机构来移动吊杆。接下来，通过回转装置(尤其是液压马达形式的回转装置)，塔体可绕竖向轴线转动。塔体可设置在底盘上，该底盘可通过行走装置移动。

根据本发明的方法可使用于任何期望的起重机，例如，港口起重机，并且尤其是港口移动式起重机。

根据本发明，驱动装置的控制有利地在物理模型的基础上进行，该物理模型描述了取决于控制参数的起重机端部的运动。物理模型的使用可快速地将控制方法适用不同类型的起重机。在这方面，无需首先通过测量费时费力地来确定振荡特性，而是可通过参照物理模型来描述。此外，物理模型允许起重机结构的振荡动力学的实际的描述，从而可衰减所有相关的固有振荡。为了达到此目的，物理模型不仅描述了驱动装置和起重机结构的运动学，还描述了驱动装置和起重机结构的振荡动力学。

控制参数的计算有利地在物理模型的反演的基础上进行，该物理模型描述了根据控制参数的起重机端部的运动。因此，通过根据吊杆末端期望的运动的反演获得控制参数。

描述了取决于控制参数的起重机末端的运动的模型优选是非线性的。由于导致起重机结构的固有振荡的决定性作用是非线性的，这在控制中获得了较高的精确度。

如果使用液压或压力驱动装置，由于液压流体的可压缩性，模型优选考虑驱动装置的固有振荡。该可压缩性导致了起重机结构的振荡，该振荡可在起重机机构上施加可观的应变。通过考虑液压流体的可压缩性，可衰减这些震动。

根据本发明的方法有利地用于控制用作变幅机构的变幅缸，在控制参数的计算中考虑了缸体的枢转连接运动学和起重机吊杆的质量和惯性。由此可衰减在变幅平面中的吊杆的固有振荡。

作为液压缸的替代，可使用缩回机构作为变幅机构，在控制参数的计算中有利地考虑了收缩吊索的布置的运动学和/或动力学以及起重机吊杆的质量和惯性。

可替代地或额外地，根据本发明的方法可用于控制回转装置，其中，将起重机吊杆的惯性运动考虑进模型。由此衰减了起重机机构绕竖向轴线的固有振荡。

有利的是，通过预控制进行振荡衰减。由此省去了在其它情况下必须使用的耗费高的传感器。此外，预控制允许有效地减弱固有振荡，而不需要限制到由于如闭环调节回路所调节的驱动装置的响应速度所导致的特定频率范围。

在这方面，吊杆末端的位置、速度、加速度和/或震摇有利地作为预控制期望的参数。尤其是至少两个上述值有利地作为期望的参数。进一步有利的是，除了位置之外，并且其它值中一个也作为期望的参数。还有利的是，所有上述值作为预控制的期望的参数。

还有利的是，从来自操作者和/或自动化系统的输入来生成期望的吊杆末端的轨迹而作为控制输入值。因此，吊杆末端期望的轨迹由操作者通过手柄的方式和/或通过自动化系统的信号的方式输入的输入值生成。根据本发明的控制方法提供了起重机驱动装置的控制，从而吊杆末端跟随该期望的轨迹并且避免了起重机的固有振荡。

根据本发明的方法可与负载摆动阻尼一起使用，也可以不与任何负载摆动阻尼一起使用。用于负载摆动阻尼的已知方法仅集中在避免负载的摆动振荡，其在某种程度上甚至可导致起重机结构的固有振荡的增加，并因此导致比没有负载摆动阻尼的控制更强的应变。相比之下，本发明衰减了起重机结构的固有振荡，并因此保护起重机结构。

可规定负载可能的球形摆动振荡不作为测量参数进入到控制中，因此可省略用于测量吊索角度的复杂的测量设备。

在驱动装置的控制中也可不考虑负载的可能的球形摆动振荡。根据本发明的方法由此可用于没有负载摆动阻尼的较简单的起重机控制，从而保护了起重机结构。

然而，根据本发明的方法还可用在带有负载摆动阻尼的起重机控制中。如此实施该方法，即负载运动首先作为期望的参数，由此生成吊杆末端期望的运动。吊杆末端期望的运动然后作为根据本发明方法的输入值。起重机结构的固有振荡的衰减也可通过带该两步法的具有负载摆动阻尼的方法获得。相比之下，已知的用于负载摆动阻尼的方法仅着眼于避免负载的振荡，并由此甚至还增强了起重机结构的固有振荡。

前述的方法优选地用于起重机的回转装置和/或变幅机构的控制。然而，其还可以用于控制起重机的提升装置。在液压流体的可压缩性的基础上，尤其考虑了提升装置的振荡动力学。

然而在提升装置的控制中，负载期望的升降运动用作输入值，基于该输入值计算用于驱动装置控制的控制参数。

因此，本发明的目的同样是基于对起重机的提升装置的控制而保护其结构。

在这方面，提供一种起重机的提升装置的控制方法，在其中，负载期望的提升运动作为输入值，基于该输入值计算用于驱动装置控制的控制参数。根据本发明的规定，在计算控制参数时考虑包括提升装置、吊索和在吊索方向上的负载的系统的振荡动力学，以衰减固有振荡。本发明的发明人已经认识到包括提升装置、吊索和负载的系统的振荡动力学可导致负载或起重机结构的振荡，这可能在负载吊索和吊杆上施加可观的应变。因此，根据本发明将考虑这些振荡动力学，以避免负载和/或提升装置的固有振荡。提升装置可通过液压和/或电动驱动。

有利的是，该方法还可用于吊杆以绕水平变幅轴线可变幅的方式枢转地连接到塔体的起重机。优选的，负载吊索被位于塔底的绞盘引导越过在塔顶的一个或多个滑轮组并到达到位于吊杆末端的一个或多个滑轮组。

根据本发明的方法，当在减振操作中优选地考虑提升系统的振荡动力学的同时，在提升装置的控制中不考虑支撑起重机结构的支撑区域的可能的运动。因此，在减振操作中的控制起始于支撑区域的固定位置。因此，根据本发明的控制仅需要考虑由于升降吊索和/或提升装置和/或起重机结构引起的振荡。相比之下支撑区域的运动，例如，由于波动引起的浮动式起重机的上升，仍然没有考虑减振操作。因此，可更容易地设计起重机控制。

根据本发明的方法可用于这样的起重机，在提升时其起重结构实际支撑在固定位置的支撑区域上，尤其是地面上。然而，根据本发明的起重机控制还可用于浮动式起重机，但在减振操作中不考虑浮动体的运动。如果起重机控制具有带主动的涌浪时序的操作模式，减振操作相应地在没有任何同时主动的涌浪时序的操作下进行。

还有利的是，根据本发明的方法用于可运输的和/或移动式起重机中。起重机优选具有支撑装置，通过该支撑装置，起重机可被支撑在不同的升降位置。进一步有利的是，该方法用于港口起重机，尤其是港口用移动式起重机，履带式起重机，移动式起重机等。

在计算控制参数中，优选考虑由于升降吊索的拉伸性导致的升降系统的振荡动力学。升降吊索的拉伸性导致了吊索在吊索方向上的拉伸振荡，通过本发明的提升装置的相应控制可衰减该拉伸振荡。在这方面，优选考虑负载自由地悬挂在空气中的吊索的振荡动力学。

根据本发明的起重机的提升装置可由液压驱动。可替换的，也可通过电动机驱动。

如果使用液压驱动的提升装置，在计算控制参数中还有利地考虑由液压流体的可压缩性导致的提升装置的振荡动力学。

因此，也考虑那些由于用于提升装置的驱动装置的液压流体的可压缩性产生的固有振荡。

有利的是，在计算控制参数时考虑升降吊索的可变吊索长度。因此，根据本发明的用于控制提升装置的方法考虑了悬挂于升降吊索上的负载的这样的振荡，该振荡由取决于升降吊索的长度的升降吊索的拉伸性所导致的。有利的是，在计算中进一步考虑影响升降吊索拉伸性的材料常数。有利的是，参考提升装置的位置来确定吊索的长度。

还有利的是，在控制参数的计算中考虑悬挂在负载吊索上的负载的重量。在该过程中有利地测量负载的重量，并作为测量值在控制过程的计算中考虑。

提升装置的控制基于起重机的物理模型，该物理模型描述了取决于提升装置的控制参数的负载的升降运动。如上文描述的，这样的物理模型允许快速的适用于新的起重机类型。此外，在此使更精确和更好的振荡衰减成为可能。除了运动学，模型还描述了由于升降吊索和/或由于液压流体的可压缩性导致的振荡动力学。有利的是，模型假设起重机具有固定位置的支撑区域。

有利的是，提升装置的控制基于物理模型的反演。该反演实现驱动装置的精确控制。物理模型最初描述了取决于控制参数的负载。因此，通过反演获得取决于期望的升降运动的控制参数。

如上文所述的关于变幅机构和回转装置的控制，根据本发明的提升装置的控制也可结合阻尼负载的球形摆动运动的负载摆动阻尼。然而，本方法也可在没有负载摆动阻尼的条件下用于阻尼包括提升绞盘、吊索和负载的系统在吊索方向延伸的固有振荡，并尤其是在升降方向上的负载的振荡。

本发明还包括用于实施上文描述的方法的起重机控制。有利的是，起重机控制具有控制程序，通过该控制程序上文所述的方法得以实施。

本发明还包括具有控制单元的起重机，该控制单元具有实施上文所述的方法的控制程序。关于显然由该起重机控制产生的方法或起重机的此类相同优点在上文有描述。

有利的是，起重机具有回转装置、变幅机构和/或提升装置。起重机有利的具有吊杆，该吊杆以绕着水平变幅轴线可变幅的方式枢转连接到起重机并通过变幅缸可移动。可替换的，缩回机构可用作变幅机构。起重机还有利地具有绕竖向旋转轴线可转动的塔体。有利的是，吊杆可枢转地与塔体连接。还有利的是，升降吊索从提升装置经过一个或多个滑轮组到达负载。进一步有利的是，起重机具有带行走装置的底盘。

附图说明

将参照实施例和附图对本发明进行详细描述，其中：

图1是根据本发明的起重机的一个实施例；

图2是根据本发明的起重机吊杆的吊杆枢转连接的运动学的示意图；

图3是根据本发明的起重机的变幅缸的液压系统的示意图；

图4是根据本发明的起重机的回转装置和提升装置的液压系统的示意图；

图5是用于描述负载吊索的动力学的物理模型的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的起重机的一个实施例，其中示出了根据本发明的控制方法的一个实施例。在这方面，起重机具有吊杆1，其以绕水平变幅轴线可变幅的方式枢转连接到塔体2。在该实施例中，为了吊杆1在变幅平面中的向上和向下的变幅，设有液压缸10，并且该液压缸可枢转地连接在吊杆1和塔体2之间。

图2详细示出了吊杆1和塔体2的枢转连接的运动学。吊杆1以绕水平变幅轴线可变幅的方式枢转地连接到在塔体2上的枢转连接点13。液压缸10通过枢转连接点11设置到塔体2上并且通过在塔体和吊杆之间的枢转连接点12设置到吊杆1上。吊杆1因此能够通过液压缸10的长度变化在变幅平面中向上和向下变幅。在图2中示出了为达到上述目的相关的角度和长度。

如图1所示，塔体2被设置成绕竖向旋转轴线Z可旋转，其中旋转运动由回转装置20产生。为了达到此目的，塔体2被设置在通过回转装置能够绕底盘8旋转的上部结构7上。在这方面，本实施例为移动式起重机，其底盘8装有行走装置9。该起重机能够通过支撑元件71被支撑在起吊位置。

通过升降索3实现负载的升降，在该升降索上设有负载接收元件4，在此处为抓爪。位于吊杆末端5以及塔体端部6的滑轮组将升降索3导向到在上部结构上的提升装置30，并且可通过这改变升降索的长度。

本发明的发明人认识到采用已知的控制起重机驱动装置的方法，可能产生起重机结构和驱动装置的固有振荡，并且该固有振荡将施加可观的压力到起重机结构和驱动装置上。

在根据本发明的回转装置和/或变幅机构的控制中，吊杆末端期望的运动作为输入值，基于该输入值计算用于驱动装置控制的控制参数。如果驱动装置是液压驱动装置，控制参数可包括例如用于液压驱动装置的液压或液压流量。根据本发明，在控制参数的计算中，考虑了驱动装置或起重机结构的内部振荡动力学。由此，避免了起重机结构和驱动装置的固有振荡。

相反，在控制提升装置时，由于负载吊索的拉伸性导致的负载的振荡在起重机结构的固有振荡中形成决定性因素。因此在对提升装置控制的计算时，包括提升装置30和吊索3的总系统在此作为驱动系统。在这方面，负载期望的提升位置作为输入值，基于该输入值计算用于提升装置控制的控制参数。在这方面，在计算控制参数时考虑了包括提升装置、吊索和负载的系统的振荡动力学，以避免系统的固有振荡。在计算控制参数时，尤其考虑了升降吊索的拉伸性，从而阻尼吊索的拉伸振荡。与已知带负载摆动阻尼的系统不同的是，在这里没有考虑负载的球形摆动振荡，而是考虑了由于升降吊索的拉伸或收缩导致的在吊索方向上的负载的振荡。此外，在提升装置30中也可考虑由于液压流体的可压缩性导致的包括提升装置30和吊索3的系统的振荡。

本发明因此保护了起重机的总体结构，并由此节约了维持和建造的费用。相比之下，通过考虑起重机的驱动装置的振荡动力学，即回转装置、变幅机构和包括提升装置和吊索的系统的振荡动力学，可避免在已知的用于负载的球形摆动衰减的方法中的起重机结构上负载的增强。

驱动装置的控制在物理模型的基础上进行，该物理模型描述取决于控制参数的起重机末端或负载的运动，其中该模型考虑了各驱动装置的振荡动力学。

图3示出了提升装置的液压系统的示意图。在这方面，例如设有柴油机15来驱动可变的输送泵16。该可变的输送泵将液压流体充入变幅缸10的两个液压室中。可替换的，也可以使用电动机驱动可变的输送泵16。

图4示出了提升装置和回转装置的液压系统的示意图。在这里再次设置驱动可变的输送泵26的例如柴油机或电动机25。该可变的输送泵26与液压马达27形成液压回路并且驱动该液压马达。液压马达27也是变量马达。可替换的，也可以使用定排量马达。然后通过液压马达27驱动回转装置或提升绞盘。

图5更详细地示出了描述负载吊索3和负载的动力学的物理模型。包括负载吊索和负载的系统被视为具有弹簧常数C和阻尼常数D的阻尼弹簧摆系统。在这方面，将升降吊索L的长度考虑为弹簧常数C，该长度或参照测量值来确定或在提升绞盘的控制的基础上被计算出来。通过负载质量传感器测量负载的质量M，并在控制中考虑该质量。

下文将详细讨论控制各装置或机构的方法的实施例：

1.介绍

图1示出的实施例是移动式港口起重机。吊杆、塔体和提升绞盘通过相应的驱动装置开始工作。使吊杆、塔体和升降绞车运动的液压驱动装置由于液压系统的内部动力学产生了固有振荡。该产生的强迫振荡影响液压缸和吊索的长期疲劳并因此缩短了整个起重机结构的服务寿命，增加了维护费用。根据本发明，提供一控制规则，其抑制了由起重机变幅、回转和升降运动引起的固有振荡，并由此减少了图表中负载的循环。负载循环的减少在逻辑上增加了起重机结构的服务寿命。

在控制规则的推导上应当避免反馈信息，因为它们需要那种必须满足工业应用中的特定安全要求的传感信号，并由此导致较高的成本。

因此需要没有反馈信息的单纯的预控制的设计。在本申请公开的内容中将导出用于变幅机构、回转装置和提升装置的基于平坦性的预控制，该预控制反演该系统动力学。

2.变幅机构

如图1所示，起重机的吊杆通过液压变幅缸工作。将在下文推导出用于变幅缸的动力学模型和控制规则。

2.1动力学模型

下面将推导出液压驱动吊杆的动力学模型。在图2中示意性地示出了吊杆以及液压缸。通过变幅角度和角速度描述吊杆的运动。通过由在缸体与塔体的连接处和缸体与吊杆的连接处之间的间距限定的缸体的位置Z_c，和缸体的速度描述液压缸的运动。在吊杆运动和缸体运动之间的几何关系由几何常数d_a，d_b，α₁和a₂以及余弦定律给出。下式适用于缸体位置：

下式适用于缸体速度

由于几何角度α₁很小，在导出动力学模型时将其忽略。牛顿-欧拉算法得到吊杆的运动方程：

其中J_b和m_b分别是吊杆的惯性力矩和质量，s_b是吊杆与塔体连接处与吊杆质心之间的间距，g是万有引力常数并且F_c和d_c分别是缸力和缸体的阻尼系数。假设没有装载货物接到吊杆的端部。在式(3)中的项cos(γ)由正弦定律得出：

其中忽略了α₁。

如图3所示，变幅缸的液压回路基本上包括可变的输送泵和液压缸本身。接下来是缸力：

F_c＝p₂A₂-p₁A₁(5)

其中A₁和A₂是在每个液压室中的有效面积。假设没有内部和外部泄漏发生，压力p1和p2由压力内建方程描述。因此其可得：

${\stackrel{\·}{p}}_1=\frac{1}{\mathrm{\β}{V}_1\left(z_c\right)}(q_1-A_1{\stackrel{\·}{z}}_c),p_1\left(0\right)=p_{10}---\left(6\right)$

${\stackrel{\·}{p}}_2=\frac{1}{\mathrm{\β}{V}_2\left(z_c\right)}(-q_l-A_2{\stackrel{\·}{z}}_c),p_2\left(0\right)=p_{20}---\left(7\right)$

其中β是油的压缩率，并且液压室体积由下式得出：

其中V_min是在每个液压室中的最小体积，并且V_2，max和z_c，min分别是在第二液压室中的最大体积和当时获得的最小缸体位置。油输出量q_l由泵角度表示并且由下式得出：

q_l＝K_lu_l(10)

其中u_l和K_l是对应于泵角度的控制功率和比例系数。

2.2控制规则

根据本发明的基于平坦性的预控制利用系统的微分平坦性去反演控制动力学。必须将在2.1部分中推导的动力学模型转换成用于推导这样的控制规则的状态矢量空间。通过引入状态矢量动力学模型(3)，(5)，(6)和(7)可被描述为一阶微分方程的系统，其由下式得到：

$\stackrel{\·}{x}=f\left(x\right)+g\left(x\right)u,y=h\left(x\right),x\left(0\right){=x}_0,t\≥0---\left(11\right)$

其中

$f\left(x\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ \frac{(x_3+d_c{\stackrel{\·}{z}}_c)d_b\cos \left(\mathrm{\γ}\right)-m_{b}g{s}_b\cos \left(x_1\right)}{J_b}\\ (\frac{A_2^2}{\mathrm{\β}{V}_2\left(z_c\right)}+\frac{A_1^2}{\mathrm{\β}{V}_1\left(z_c\right)}){\stackrel{\·}{z}}_c\end{array}\right]---\left(12\right)$

$g\left(x\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ -\frac{K_l{A}_2}{\mathrm{\β}{V}_2\left(z_c\right)}-\frac{K_l{A}_1}{\mathrm{\β}{V}_1\left(z_c\right)}\end{array}\right]---\left(13\right)$

h(x)＝x₁(14)

和z_c＝z_c(x_l)，γ＝γ(x₁)andu＝u_l.

关于系统输出的相对阶γ必须等于基于平坦性的预控制的设计的系统阶数n。该观测到的系统(11)的相对阶因此将在下文中被检验。关于系统输出的该相对阶由以下条件固定；

$L_g{L}_f^{i}h\left(x\right)=0,\∀i=0,...,r-2$ (15)

$L_g{L}_f^{r-1}h\left(x\right)\≠0,\∀x\∈R^n$

运算符L_f和L_g分别代表沿着矢量场f和g李微商。式(15)的使用得到r＝n＝3，从而系统(11)与(12)，(13)和(14)是平坦的并且可设计出基于平坦性的预控制。

系统(14)的输出和时间的导数用于反演系统动力学。通过李微商得到微商，从而可得：

y＝h(x)＝x₁(16)

$\stackrel{\·\·\·}{y}=\frac{\∂L_f^{2}h\left(x\right)}{\∂x}\frac{\∂x}{\∂t}=L_f^{3}h\left(x\right)+L_g{L}_f^{2}h\left(x\right)u$

$=\frac{x_2}{J_b}{m}_{b}g{s}_b\sin \left(x_1\right)-\frac{x_2}{J_b}(x_3+d_c{\stackrel{\·}{z}}_c(x_1,x_2))d_b\sin \left(\mathrm{\γ}\left(x_1\right)\right){\mathrm{\γ}}^{\′}\left(x_1\right)$

$+\frac{x_2}{J_b}{d}_c{d}_b\cos \left(\mathrm{\γ}\left(x_1\right)\right)\frac{\∂{\stackrel{\·}{z}}_c(x_1,x_2)}{\∂x_1}+\frac{f_2\left(x\right)}{J_b}{d}_c{d}_b\cos \left(\mathrm{\γ}\left(x_1\right)\right)\frac{\∂{\stackrel{\·}{z}}_c(x_1,x_2)}{\∂x_2}$

$+\frac{f_3\left(x\right)+g_3\left(x\right)u}{J_b}{d}_b\cos \left(\mathrm{\γ}\left(x_1\right)\right)---\left(19\right)$

其中f_i(x)和g_i(x)是由式(12)和(13)给出的矢量场f(X)和g(X)的第i个序列。取决于系统输出的状态及其微商可由式(16)、(17)和(18)得出，并且可写成：

x₁＝y(20)

$x_2=\stackrel{\·}{y}---\left(21\right)$

$x_3=\frac{J_b\stackrel{\·\·}{y}+m_{b}g{s}_b\cos \left(\mathrm{\γ}\left(y\right)\right)}{d_b\cos \left(\mathrm{\γ}\left(y\right)\right)}-d_c{\stackrel{\·}{z}}_c(y,\stackrel{\·}{y})---\left(22\right)$

当使用式(20)、(21)和(22)时，在系统输入u后对式(19)的解得到了用于变幅缸的基于平坦性的预控制的控制规则

$u_l=f(y,\stackrel{\·}{y},\stackrel{\·\·}{y},\stackrel{\·\·\·}{y})---\left(23\right)$

上式反演了该系统的动力学。从起重机操作者的手柄信号或从自动化系统的控制信号产生的数值轨迹得到参照信号y以及其相应的微商。由于控制电流ul预置缸体速度(见(10))，轨迹最初在柱坐标中规划为z_c，z_c，和随后，以这种方式获得的轨迹转换成坐标，并且计算实际的控制电流。

3.回转装置

通过液压转动马达实现塔体的转动。在下部分中推导出回转装置的动力学模型和控制规则

3.1动力学模型

通过摆动角度和角速度描述塔体绕z轴的运动(见图1)。使用牛顿-欧拉法得出液压驱动的塔体的运动方程：

其中J_t和J_m分别是塔体和马达的惯性力矩，i_s是回转装置的齿轮传动速比，Δp_s是马达的压力室之间的压力差，并且D_m是液压马达的排量。塔体的惯性力矩J_t包括塔体自身、吊杆、接到塔体上的装载货物绕塔体的z轴的惯性力矩(见图1)。如图4所示，回转装置的液压回路基本上包括可变的输送泵和液压马达自身。假设没有内部和外部泄漏，由压力内建方程描述在马达的两个压力室之间的压力差。此外，在下文中忽略了由马达角度产生的小的体积变化。因此假设在两个压力室中的体积是恒定的，并且通过V_m表示。在假设的前提下，压力内建方式可描述为

其中β是油的压缩率。油输出量q_s由泵角度表示并且由下式得出：

q_s＝K_su_s(26)

其中u_s和K_s分别是泵角度的控制电流和比例系数。

3.2控制规则

在下文中将回转装置的动力学模型转换到状态矢量空间中，并且设计基于平坦性的预控制。回转装置的状态矢量定义为借助状态矢量，包括(24)、(25)和(26)的动力学模型描述为由式(11)得到的一阶微分方程的系统，其中：

$f\left(x\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ \frac{i_s{D}_m{x}_3}{J_t+i_s^2{J}_m}\\ \frac{-4D_m{i}_s{x}_2}{V_m\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(27\right)$

$g\left(x\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{4K_s}{V_m\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(28\right)$

h(x)＝x₁(29)

并且u＝u_s。

那么，关于系统输出的相对阶r必须与系统的阶数n相同。式(15)的使用得到r＝n＝3，从而具有(27)、(28)和(29)的系统(11)是平坦的，并且可设计基于平坦性的预控制。

使用系统(29)的输出及其时间导数对系统动力学进行反演。通过李微商得到微商，即

y＝h(x)＝x₁(30)

$\stackrel{\·\·\·}{y}=\frac{\∂L_f^{2}h\left(x\right)}{\∂x}\frac{\∂x}{\∂t}=L_f^{3}h\left(x\right)+L_g{L}_f^{2}h\left(x\right)u=\frac{-4D_m{i}_s{x}_2}{V_m\mathrm{\β}}+\frac{4K_s}{V_m\mathrm{\β}}u---\left(33\right)$

依赖于系统输出的状态和其微商从式(30)、(31)和(32)得出，并且可写为：

x₁＝y(34)

$x_2=\stackrel{\·}{y}---\left(35\right)$

$x_3=\frac{J_l+i_s^2{J}_m}{i_s{D}_m}\stackrel{\·\·}{y}---\left(36\right)$

当使用(34)、(35)和(36)时，在系统输入u后的(33)的解得到用于回转装置的基于平坦性的预控制的控制规则

$u_s=f(y,\stackrel{\·}{y},\stackrel{\·\·}{y},\stackrel{\·\·\·}{y})---\left(37\right)$

其反演系统动力学。由从起重机操作者的手柄信号产生的数字轨迹获得参照信号y及其微商。

4.提升绞盘

起重机的提升绞盘由液压操作的回转马达驱动。下文将导出升降绞车的动力学模型和控制规则。

4.1动力学模型

因为装载货物的运动直接影响提升力，必须考虑装载货物运动的动力学。如图1所示，具有质量m_p的装载货物被接到吊钩上，并可通过具有长度l_r的吊索由起重机升高或降低。通过在吊杆末端和塔体上的转向滑轮偏转吊索。然而，吊索不是直接从吊杆的端部被偏转到提升绞盘，而是从吊杆的端部偏转到塔体，从那里回到吊杆的端部并且然后通过塔体到提升绞盘(见图1)。吊索的总长度因此由下式获得：

l_r＝l₁+3l₂+l₃(38)

其中，l₁、l₂和l₃是从提升绞盘到塔体、从塔体到吊杆末端以及从吊杆末端到吊钩的各部分长度。在下文中将包括提升绞盘、吊索和装载货物的起重机的提升系统视为弹簧质量阻尼系统，并在图5中示出。使用牛顿-欧拉法得到装载货物的运动方程：

其中，g是万有引力常数，c是弹簧常数，d是阻尼常数，r_w是提升绞盘的半径，是提升绞盘的角度，是角速度，z_p是装载货物的位置，是转载货物的速度，并且是装载货物的加速度。吊索长度l_r由下式得出：

其中

长度为l_r的吊索弹簧常数c_r由胡克定律得出，并且写为

$c_r=\frac{E_r{A}_r}{l_r}---\left(42\right)$

其中E_r和A_r分别是吊索的弹性模量和横截面积。起重机具有n_r条平行吊索(见图1)，从而起重机的提升装置的弹簧常数由下式得出：

c＝n_rc_r(43)

借助Lehr’s阻尼比率D，得到阻尼常数d：

$d=2D\sqrt{{\mathrm{cm}}_p}---\left(44\right)$

根据牛顿-欧拉法得到的提升绞盘的旋转运动的微分方程为

其中，J_w和J_m分别是绞车或马达的惯性力矩，i_s是马达和绞盘之间的齿轮传动速比，Δp_w是马达的高压室和低压室之间的压力差，D_m是液压马达的排量并且F_s是(39)给出的弹簧力。(41)给出了提升绞盘的角度的初始条件图4中示出了提升绞盘的液压回路，其基本上与回转装置的液压回路相同。因此可类似于回转装置(见(25))将Δp_w写为：

油输出量q_w由泵角度预设定，并由下式得出：

q_w＝K_wu_w(47)

其中，u_w和K_w分别是泵角度的控制电流和比例系数。

4.2控制规则

在下文中将提升绞盘的动力学模型转换到状态矢量空间中，以设计基于平坦性的预控制。控制规则的微商忽略了阻尼，因此可得D＝0。起重机的提升装置的状态矢量定义为包括(39)、(40)、(43)、(45)、(46)和(47)的动力学模型因此作为(11)给出的一阶微分方程的系统给出，其中

$f\left(x\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_2\\ \frac{1}{J_w+i_w^2{J}_m}(i_w{D}_m{x}_5+r_w\left(\frac{E_r{A}_r{n}_r}{r_w{x}_1}(x_3-r_w{x}_1)\right))\\ x_4\\ g-\frac{E_r{A}_r{n}_r}{r_w{x}_1{m}_p}(x_3-r_w{x}_1)\\ \frac{-4D_m{i}_w{x}_2}{V_m\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(48\right)$

$g\left(x\right)=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{4K_w}{V_m\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(49\right)$

h(x)＝x₃(50)

并且u＝u_w

那么，关于系统输出的相对阶r必须与系统的阶数n相同。式(15)的使用得到r＝n＝5，从而具有(48)、(49)和(50)的系统(11)是平坦的，并且基于平坦性的预控制可被设计为D＝0。

如对变幅机构和回转装置所做的，使用系统输出(50)及其微商对系统动力学进行反演。由李微商给出所述微商，即

y＝h(x)(51)

$\stackrel{\left(5\right)}{y}=\frac{\∂L_f^{4}h\left(x\right)}{\∂x}\frac{\∂x}{\∂t}=L_f^{5}h\left(x\right)+L_g{L}_f^{4}h\left(x\right)u---\left(56\right)$

依靠系统输出的状态及其微商由(51)、(52)、(53)、(54)和(55)得出，并且可写为：

$x_1=\frac{A_r{E}_r{n}_{r}y}{r_w(g{m}_p+A_r{E}_r{n}_r-m_p\stackrel{\·\·}{y})}---\left(57\right)$

${x_2=x}_2(y,\stackrel{\·}{y},\stackrel{\·\·}{y},\stackrel{\·\·\·}{y})---\left(58\right)$

x₃＝y(59)

$x_4=\stackrel{\·\·}{y}---\left(60\right)$

${x_5=x}_5(y,\stackrel{\·}{y},\stackrel{\·\·}{y},\stackrel{\·\·\·}{y},\stackrel{\left(4\right)}{y})---\left(61\right)$

当使用(57)、(58)、(59)、(60)和(61)时，在系统输入u后(56)的解得到用于提升装置的基于平坦性的预控制的控制规则

$u_w=f(y,\stackrel{\·}{y},\stackrel{\·\·}{y},\stackrel{\·\·\·}{y},\stackrel{\left(4\right)}{y},\stackrel{\left(5\right)}{y})---\left(62\right)$

其反演系统动力学。由从起重机操作者的手柄信号产生的数字轨迹获得参照信号y及其微商。

Claims (19)

1.一种用于控制起重机的驱动装置的方法，其中吊杆末端期望的运动作为输入值，基于该输入值计算驱动装置控制的控制参数，其特征在于，控制参数的计算中考虑了包括驱动装置和起重机结构的系统的振荡动力学以阻尼固有振荡。

2.根据权利要求1所述的方法，用于控制回转装置和/或变幅机构的驱动装置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述驱动装置的控制基于物理模型产生，该物理模型描述了依据控制参数的起重机末端的运动。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该物理模型是非线性的。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述模型的反演的基础上进行驱动装置的控制。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述驱动装置是液压驱动装置，并且所述模型考虑由于液压流体的压缩性导致的所述驱动装置的振荡动力学。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，该方法用于控制作为变幅机构的变幅缸，且在所述控制参数计算中考虑缸体的枢转连接运动学和起重机的吊杆的质量以及惯性力矩。

8.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，该方法用于控制回转装置，且在模型中考虑起重机吊杆的惯性力矩。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，通过预控制的途径进行振荡衰减。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，吊杆末端的位置、速度、加速度和/或震摇作为预控制期望的参数。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，吊杆末端期望的轨迹生成为来自操作员和/或自动化系统的输入的控制的输入值。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，负载的可能的球形摆动振荡不作为测量值在控制中考虑，和/或负载的可能的球形摆动振荡在驱动装置的控制中不考虑。

13.一种用于控制起重机的提升装置的方法，其中，负载期望的运动作为输入值，基于该输入值计算驱动装置控制的控制参数，其特征在于，在控制参数的计算中考虑了包括提升装置、吊索和在吊索方向上的负载的系统的振荡动力学以阻尼固有振荡。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述控制参数的计算中考虑了由于升降吊索的拉伸性导致的振荡动力学。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述提升装置由液压驱动，并且在所述控制参数的计算中考虑了由液压流体的可压缩性导致的振荡动力学。

16.根据权利要求13至14任一项所述的方法，其特征在于，在所述控制参数的计算中考虑了可变吊索长度和/或悬挂在负载吊索上的负载重量。

17.根据权利要求13至14任一项所述的方法，其特征在于，所述提升装置的控制基于起重机的物理模型，该物理模型描述了依据提升装置的控制参数的负载提升运动。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，提升装置的控制参数是基于物理模型的反演。

19.一种具有控制单元的起重机或起重机控制装置，该控制单元具有控制程序，根据权利要求1至18中任一项所述的方法通过该控制程序实施。