CN102020199B - 用于确定由起重机的起重索承载的负载的负载质量的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定由起重机的起重索所承载负载的负载质量的系统，包括：用于测量所述起重索中的绳索力的测量结构；和用于基于所述绳索力确定所述负载质量的计算单元，所述计算单元具有补偿单元，所述补偿单元在模型中描述经由绳索力对间接确定负载质量的影响并至少部分地补偿该影响。

Description

用于确定由起重机的起重索承载的负载的负载质量的系统

技术领域

本发明包括用于确定由起重机的起重索承载的负载的负载质量的系统，该系统具有用于测量绳索力的测量结构并具有用于基于绳索力确定负载质量的计算单元。

背景技术

由起重机升高的负载的负载质量的精确确定对于许多应用是极为重要的：比如，负载质量对于起重机的负载矩限制系统是重要的，即，对于倾斜保护和对于结构保护是重要的。另外，负载质量对于获得关于起重机的性能的数据是极为重要的。要传递的总有效负载可特别地通过负载质量的精确确定来确定。此外，负载质量作为用于在起重机上的其他控制任务的参数也是极为重要的，所述控制任务比如负载摆动阻尼。

用于确定负载质量的常见方法是测量起重索中的绳索力。在这方面，起重索中的绳索力基本上对应于至少在静态下的负载质量。

在这方面，用于测量绳索力的测量结构可或者直接布置在负载悬挂装置上。在负载悬挂装置上的这种布置具有以下优势，在此只存在很少的干扰影响并因此能够获得较高的精确度。但是，这种方案的缺点在于必需有用于负载悬挂装置的电源和相应的信号线。

另外的可能性是测量结构布置在起重机结构与起重索之间的连接区域内，比如在偏转滑轮上或起重绞车上。这具有以下优势，该测量结构能够做的非常坚固，并且绳索走线相对简单。在该测量结构的布置中不利的是另外的干扰影响使得由绳索力精确确定负载质量更加困难。

在这方面，已经知道利用均值滤波器来确定绳索力。但是，一方面，这具有如下缺点，即必须接受信号输出的相对高的延迟。另一方面，不能通过均值滤波器消除多个干扰影响。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于确定由起重索承载的负载的负载质量的系统，该系统允许改进的基于绳索力对负载质量的确定。

该目的根据本发明通过根据权利要求1的装置实现。在这方面，根据本发明的用于确定由起重机的起重索承载的负载的负载质量的系统包括布置用于测量起重索中绳索力的测量装置和用于基于绳索力确定负载质量的计算单元。根据本发明，计算单元具有补偿单元，所述补偿单元在模型中描述经由所述绳索力间接确定所述负载质量的影响并在确定负载质量时至少部分地补偿所述影响。

一方面，在这方面，可进行设置使得补偿单元至少部分地补偿通过绳索力对间接确定负载质量的静态影响。出于这一目的，根据本发明，对间接确定的静态影响建立模型并由补偿单元进行补偿。据此得到对负载质量的基本上更精确的确定，这通过平均值滤波器是根本不可能的，因为它们根本不能消除静态影响。

可替代地或另外地，进行设置，使得补偿单元还至少部分地补偿通过绳索力对间接确定负载质量的动态影响。出于该目的，还设置成使得补偿单元在确定中对动态影响建立模型并补偿负载质量。

有利地，根据本发明设置成补偿单元基于提升过程的物理模型，该物理模型对通过绳索力对间接确定负载质量的静态和/或动态影响建立模型。该补偿单元通过该模型可至少部分地补偿这些静态和/或动态影响。

在这方面，有利地设置成补偿单元基于关于起重机的位置和/或运动的数据工作。

在这方面，关于起重绞车的位置和/或运动的数据和/或关于吊杆的位置和/或运动的数据和/或关于塔架的位置和/或运动的数据有利地包括在补偿单元中。

在这方面，根据本发明的系统特别用于悬臂起重机中，其中，吊杆可围绕水平升降轴线上下升降并可通过塔架或上部结构围绕竖直转动轴线转动。

在这方面，有利地进行设置，使得测量结构布置在起重机结构的元件与起重索之间的连接元件中，特别是在偏转滑轮或起重绞车处。在这方面，有利地进行设置，使得补偿单元至少部分地补偿测量结构的设置的静态和/或动态影响。在这方面，补偿单元有利地补偿测量结构的布置对绳索力的影响。

在这方面，有利地进行设置，使得补偿单元包括考虑起重索净重的绳索质量补偿。起重索具有不可忽略的净重，并且其由于本发明而不再篡改负载质量的确定。在这方面，补偿单元在计算负载质量中有利地考虑升高和/或降下负载时绳索长度改变的影响。起重索的净重根据由于绳索长度改变导致的提升阶段对绳索力具有不同的影响。根据本发明的系统考虑了这一因素。

在这方面，该系统有利地用于包括绞盘的起重绞车中，其中绞盘的转动角度和/或转动速度包括在绳索质量补偿内作为输入值。绳索长度和/或绳索速度可基于转动角度和/或转动速度确定，其对绳索力的影响在计算负载质量时可考虑在内。

可替代地，还可通过测量辊确定绳索长度和/或绳索速度。比如，测量辊可单独布置在绳索上或可做成偏转滑轮。

另外，有利地设置成绳索质量补偿将缠绕在绞盘上的起重索的净重考虑在内。当测量结构布置在起重绞盘上用于测量绳索力时，特别是布置在起重绞盘的扭矩支承上时，这是特别有利的，因为然后缠绕在绞盘上的绳索支承在测量结构上并因此影响测量值。

另外，有利地设置成使得绳索质量补偿考虑通过起重机结构的运动引起的起重索部分的长度的改变和/或考虑起重索部分的对准。这在这种起重机中是特别重要的，在该起重机中，起重索系统根据起重机结构的运动、特别是根据吊杆的运动改变其长度或对准。特别是，在绳索不平行于起重机的吊杆被引导、而是当绳索相对于吊杆具有角度的情况下，所述角度通过吊杆的上下升降而改变。根据起重机结构的位置、特别是吊杆的位置，由此得到起重索的部分的不同长度和/或对准，而这又对起重索的净重在测量结构的输出信号上产生的效应有所影响。

另外，有利地设置成使得补偿单元包括偏转滑轮补偿，该偏转滑轮补偿考虑由于起重索关于一个或多个偏转滑轮的偏转引起的摩擦效应。在这方面，特别是将起重索的偏转所需的弯曲工作有利地考虑为摩擦效应。可替代地或另外地，还可考虑偏转滑轮内的滚动摩擦。

在这方面，有利地设置成偏转滑轮补偿考虑偏转滑轮的转动方向和/或转动速度。在这方面，特别地，转动方向对绳索力有显著的影响。

在这方面，偏转滑轮补偿有利地计算由起重机结构的运动和起重绞车的运动引起的偏转滑轮的转动方向和/或转动速度。特别是通过塔架与吊杆之间的起重索的多轴偏转滑轮，在此，可产生复杂的运动形式，这对测量结构的输出信号具有相应的作用。

在这方面，偏转滑轮补偿有利地根据测量的绳索力确定摩擦效应。绳索力对摩擦效应具有决定性的影响。在这方面，由于线性函数表示物理情况的相对良好的近似，因此，有利地基于测量的绳索力的线性函数确定摩擦效应。

进一步有利地，在根据本发明的系统中进行设置，使得补偿单元在确定负载质量时考虑负载质量的角速度和/或起重绞车的加速度对绳索力的影响。在这方面，负载质量的加速度和/或起重绞车的加速度产生其中力的动态分量，该动态分量通过根据本发明的补偿而至少部分地得以补偿。在这方面，补偿单元有利地基于物理模型工作，该物理模型描述负载质量的加速度和/或起重绞车的加速度对绳索力的影响。

另外，有利地进行设置，使得计算单元在确定负载质量时考虑摆动动态，该摆动动态由于起重索的弹性而产生。除由通过起重绞车诱发的加速度引起的加速度之外，绳索和负载的系统另外具有由于起重索的弹性产生的摆动动态。有利地，补偿单元至少部分地补偿这些摆动动态。在这方面，用于补偿摆动动态的补偿单元有利地以物理模型为基础。

在这方面，根据本发明的系统的计算单元有利地包括基于绳索和负载的弹质模型的负载质量观测器。在这方面，实际负载的质量以及负载悬挂装置的质量和吊索的质量有利地在模型中描述。相比而言，绞盘与负载悬挂装置之间的绳索包括在模型中作为弹簧。

在这方面，负载质量观测器有利地基于在前测量的绳索力不断地比较测量的绳索力与参照弹-质模型预测的绳索力。根据该比较，负载质量观测器估算负载的负载质量，所估算的负载质量包括在绳索和负载的弹-质模型内作为参数。据此，可高精度地且补偿动力学影响地确定负载质量。

在这方面，负载质量观测器有利地考虑测量信号的测量噪声。无均值的白噪声有利地用于该目的。

除用于确定绳索力的测量结构的输出信号之外，关于绳索的长度的数据有利地包括为测量信号。在这方面，相对于容许的最大负载赋范化的绳索力有利地用作负载质量观测器的参数。

本发明还包括具有如上所述的用于确定由起重索承载的负载的负载质量的系统的起重机。特别是在这方面，起重机是吊杆起重机，其中，吊杆可关于水平升降轴线上下升降。进一步有利地，起重机可关于竖直转动轴线转动。特别是在这方面，吊杆枢转地连接到塔架上，塔架能够相对于底架关于竖直转动轴线转动。特别是在这方面，吊杆可以是港口移动式起重机。但是，根据本发明的系统同样能够用于其它起重机类型，比如用于门式起重机或塔式回转起重机。

在这方面，该系统有利地可用于一种起重机，在该起重机中，用于测量绳索力的测量结构布置在起重机结构的元件与起重索之间的连接元件上，特别是设置在偏转滑轮或起重绞车上。据此，得到非常坚固的布置，但是其仍然由于根据本发明的系统而能够精确地确定负载质量。

在这方面，通过根据本发明的系统实现多个应用是可能的，这些应用通过已知的不精确的系统是不能实现的。比如，基于根据本发明的系统可以安装识别负载被放下的松弛绳索识别。由此，启动起重绞车的即时断开，以防止由于松散的绳索引起的绳索损坏。据此，可选地，可分配有机械松弛绳索开关。另外，现在，对非常小的负载(比如空集装箱)的识别同样是可能的。

此外，根据本发明的系统比均值滤波器具有更大优势，即可以在没有较大延迟的情况下确定负载质量。由于当将负载质量信号用于负载矩限制系统时出现较少的停止，因此产生较高的周转率。另外，由于可在无任何更大时间延迟的情况下干预负载矩限制系统，因此起重机的使用寿命增加。

除系统和起重机之外，本发明还包括用于确定由起重索承载的负载的负载质量的方法，包括以下步骤：测量起重索中的绳索力；基于绳索力计算负载质量；其中，通过绳索力对确定负载质量的影响在模型中描述并至少部分地得以补偿。

特别是在这方面，该补偿基于该确定的静态和/或动态影响的模型发生。据此，这些影响可被算出并可由补偿单元至少部分地补偿。

根据本发明的方法如前面关于系统和起重机所论述的情况一样地有利地进行。特别是在这方面，根据本发明的方法通过如上所述的系统进行。

附图说明

现在将参照实施方式及附图更详细地说明本发明。

图示为：

图1是根据本发明的起重机的实施方式；

图2是根据本发明的系统和方法的实施方式的示意图；

图3a和3b是起重绞盘上的测量结构的布置；

图4是起重绞盘上的测量结构的布置和起重索通过偏转滑轮的绳索引导；

图5是在偏转滑轮补偿中考虑在内的力的示图；

图6是在绳索质量补偿中考虑在内的力的示图；

图7是根据本发明基于绳索质量观测器的质-弹模型的示意图；以及

图8是根据本发明的绳索质量观测器的实施方式的示意图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的起重机的实施方式，其中，采用了根据本发明的用于确定悬挂在吊索上的负载的负载质量的系统的实施方式。该实施方式中的起重机为港口移动式起重机。在这方面，起重机具有底架1，底架具有底盘9。因此，起重机能够在港口中运动。然后，在提升位置，起重机能够通过支承单元10支承。

塔架2以可围绕竖直转动轴线转动的方式布置在底架1上。吊杆5围绕水平轴线枢转地连接至塔架2。在这方面上，吊杆5能够通过液压缸7在升降平面内向上和向下枢转。

在这方面，起重机具有围绕在吊杆的尖端处的偏转滑轮11引导的起重索4。能把负载3捡起的负载悬挂装置12布置在起重索4的端部。在这方面，负载悬挂装置12或负载3通过移动起重索4而被升起或降下。因此，通过减少或增加起重索4的长度l_S使负载悬挂装置12或负载3在竖直方向上的位置发生改变。为这一目的设置有使起重索运动的绞盘13。在这方面，绞盘13布置在上部结构上。此外，起重索4首先从绞盘13经由塔架2的尖端处的第一偏转滑轮6而被引导至在吊杆5的尖端处的偏转滑轮14，再从这里回到塔架2，在此，起重索4经由第二偏转滑轮8而被引导至在吊杆尖端处的偏转滑轮11，从此处，起重索下行至负载3。

此外，能够通过将塔架2转动角度φ_D以及通过将吊杆5上下升降角度φ_A而在水平面中移动负载悬挂装置12或负载。在负载沿径向方向的运动之外的负载3的提升运动通过上部结构处的绞盘13的布置而导致吊杆5的上、下升降。这必须通过绞盘13的相应控制而可选择地补偿。

图2示出根据本发明的用于确定悬挂在起重机的起重索上的负载的负载质量的系统的实施方式。在这方面，由用于测量起重索内的绳索力的测量结构产生的信号20用作系统的输入值。所述信号提供给根据本发明的用于确定负载质量的计算单元26。计算单元26传送作为输出信号24的精确负载质量。计算单元具有补偿单元，该补偿单元至少部分地补偿经由绳索力确定负载质量的影响。补偿单元基于关于起重机状态的数据计算该影响，所述关于起重机状态的数据从起重机状态单元25传递至计算单元26。在这方面，特别地，在计算单元中利用吊杆的升降角或升降角速度。此外，绳索长度和/或绳索速度可包括在计算单元中，特别地，绳索长度和/或绳索速度通过起重绞盘13的位置和/或速度确定。

在这方面，补偿单元基于起重系统的物理模型，通过该物理模型能够算出起重系统的各个部件对绳索力和负载质量的影响。据此，补偿单元能够计算并至少部分地补偿这些影响。

在这方面，补偿单元在该实施方式中包括三个部件，但是这三个部件也能够相互独立地使用。在这方面，补偿单元首先包括补偿绳索在偏转滑轮处的摩擦的偏转滑轮补偿部21。补偿单元还包括绳索质量补偿，该绳索质量补偿对绳索重量对绳索力以及由此对负载质量的影响进行补偿。补偿单元还包括负载质量观测器23，该负载质量观测器23考虑由于负载的加速或起重绞车的加速引起的对信号的动态干涉，并且特别是由于起重索和负载的系统的固有动力学而产生的动力学干涉。

现在将详细描述根据本发明的系统的各个部件：

附图3a和3b中示出根据本发明的起重机的起重绞盘，用于测量绳索力的测量结构34布置在所述起重绞盘上。在这方面，起重绞盘30以可转动的方式围绕转轴32枢装在两个框架元件31和35上。力测量结构34布置在框架元件31上作为扭矩支承部。在这方面，框架元件31围绕轴33枢转地连接到起重机上。框架元件31在相对设置侧经由力测量结构34枢转地连接到起重机上。在这方面，力测量结构34制造成棒的形式，并且经由螺栓结构36螺栓固定到框架元件31上并经由螺栓结构37螺栓固定到起重机上。在这方面，拉伸负载元件(TLC)可用作力测量结构34。可替代地，比如，负载螺栓或负载元件也可用作力测量结构。

绳索力F_S由于在起重机结构与绞盘之间的力测量结构34的布置而最初作用在绞盘上，并经由绞盘框架而作用在力测量结构上，其中，力F_TLC由绳索力F_S引起。

为了由通过力测量结构34测量的力F_TLC计算绳索力F_S，必须考虑绞盘上力测量结构34的结构的几何形状。在这方面，也必须考虑支承在力测量结构34上并因此作用于绳索力的绞盘自身的质量。

另外，必须可选地考虑力测量结构34仅布置在两个框架元件31和35之一上，如图3b所示。在这方面，框架元件35用螺栓固定到起重机结构上。用于起重绞盘的驱动布置在该框架元件35上。

在这方面，参照绳索力或参照由测量结构34测量的力测量负载质量的原理以及在该过程中出现的力全部再次示出在图4中。

在这方面，起重索4从绞盘30经由偏转滑轮6、14和8到达在吊杆尖端的偏转滑轮11，起重索4从偏转滑轮11处被引导到负载3。在这方面，负载3的质量产生起重索4中的力，起重索将该力引入绞盘30。在这方面，绞盘30枢转地连接到绞盘框架上并向其施加相应的力。据此，力F_TLC被引入将绞盘框架的框架元件31连接到起重机结构上的力测量结构34。由于起重索、起重绞盘、绞盘框架和力测量结构之间的几何关系，能够通过由力测量结构34测量的力而得出关于负载的质量的结论。

但是，由于测量结构布置在起重机结构与起重索之间的连接元件中，因此导致一系列的影响，在没有补偿的情况下所述影响将导致在确定负载质量上有相当大的不准确度。因此，根据本发明的计算单元具有补偿这些影响的相应补偿单元。

在这方面，参照图5将首先更详细地说明根据本发明的偏转滑轮补偿，通过该偏转滑轮补偿，来补偿偏转滑轮处的摩擦效应。在这方面，在所有情况下，起重索4在偏转滑轮6、14、8和11处偏转特定角度。因此，一系列摩擦影响导致绳索力。在这方面，在每个偏转滑轮处产生摩擦力，该摩擦力根据情况、特别是根据偏转滑轮的转动方向增加或减小由测量结构测量的力。

在这方面，根据施特里贝克(Striebeck)曲线确定的滚动摩擦出现在偏转滑轮的轴承上。但是，该滚动摩擦相对较小，因此可被忽略。起重索在偏转滑轮处的角度偏转具有更大的影响。在这方面，起重索在运行进入偏转滑轮时和在运行离开偏转滑轮时均都经受变形，该变形需要相应的变形功。在这方面，由于起重索在偏转滑轮处变形而产生的该摩擦的大小基本上由偏转滑轮的半径和绳索力确定。

在这方面，测量已表明每个偏转滑轮上的总的摩擦基本上相对于绳索力线性地延伸。相比而言，偏转滑轮的角速度对摩擦仅具有非常小的影响。但是，必须注意，在这方面，每个偏转滑轮上的摩擦根据偏转滑轮的转动方向必须增加到测量的摩擦力上或者必须从测量的摩擦力上减除。在升高负载时，在这方面，偏转滑轮的摩擦力抵抗由起重绞盘产生的提升力起作用，从而测量的绳索力增大了摩擦力这么多。对比而言，当通过起重绞车放下负载时，测量的绳索力减小了相应的量。

在这方面，此外必须考虑起重索在塔架尖端与吊杆尖端之间被往复引导，起重两个偏转滑轮6和8布置在塔架尖端，两个偏转滑轮14和11布置在吊杆尖端。因此，偏转滑轮8、11和14的运动同样也引起吊杆的上、下升降，在起重机构不运动的情况下，偏转滑轮6不运动。因此，吊杆上下升降时产生的摩擦力基本上对应于通过起重机构升高和降下负载时的摩擦力的3/4。

在这方面，根据本发明的补偿单元补偿通过偏转滑轮处的摩擦产生的影响。出于这一目的，补偿单元基于起重绞车和吊杆的位置和/或运动来确定偏转滑轮的相应的转动方向。在这方面，必须考虑偏转滑轮的复杂运动形式可刚好出现在起重绞车和吊杆的组合运动上，从而不是所有偏转滑轮都以相同符号引入到绳索力中。因此，偏转滑轮补偿基于绞盘速度和吊杆的升降速度有利地发生。

根据本发明的计算单元还包括绳索质量补偿，现在将参照图6更详细地描述。如上所述，在根据测量结构34的测定信号计算绳索力时，必须首先考虑支承在力测量结构34上的绞盘的重量F_W36。但是，起重索另外至少部分地缠绕在绞盘上。因此，缠绕在起重绞盘上的起重索的质量同样支承在力测量结构34上。因此也必须考虑缠绕在绞盘上的起重索的重力F_RW37。该重力比如可根据起重绞盘的转动角度确定。

此外，在偏转滑轮之间的各个绳索部分的质量也对绳索力有影响，并因此对确定负载质量有影响。在这方面，绳索部分41和42由于绳索的质量而增大了测量的绳索力，而绳索部分43、44和45减小了测量的绳索力。在计算该影响中必须分别考虑绳索部分相对于水平的长度和角度。在该过程中必须考虑到恒定长度和恒定角度仅对绳索部分45而言存在。相比而言，部分41的长度通过升高和降下负载而改变。部分42-44又通过吊杆的上下升降而改变长度和对准这两者。因此，根据吊杆和起重绞盘的位置产生绳索质量补偿。

因此，偏转滑轮补偿和绳索质量补偿基本上补偿了测量结构在起重绞盘处的布置的影响。可替代测量结构在起重绞盘上的布置，也可想到将测量结构集成在偏转滑轮之一中，特别是集成在位于吊杆尖端处的偏转滑轮8中。在该测量结构的布置中，补偿又根据以上所示原理发生，但是摩擦作用和绳索质量对测量的力的作用必须通过测量结构的不同布置而相应地匹配。

根据本发明的系统不仅考虑测量结构在起重机结构与起重索之间的连接元件上的布置对确定负载质量的系统性影响，而且还要补偿由于负载质量和/或起重绞车的加速以及由于起重索的弹性引起的动力学效应。

在这方面，起重索和负载的系统基本上形成由于起重索的弹性而由起重绞盘激发的弹-质(spring mass)钟摆。据此产生摆动，该摆动叠加到对应于负载质量的绳索力信号的静止部分上。在该过程中，负载质量观测器以起重索和负载的弹簧体系统的物理模型为基础。在这方面，该模型示意性地示出在图7中。负载质量观测器23通过比较由该模型得到的绳索力与测量的绳索力，估算作为参数进入物理模型中的精确负载质量。

以下将更详细地描述根据本发明的实现为扩展卡尔曼滤波器(EKF)的负载质量观测器的实施方式：

2为起重绞车线建立模型

以下部分将得出起重绞车线的动力学模型。图1示出港口移动式起重机(LHM)的完整结构。具有质量m_l的负载通过负载悬挂装置由起重机升高并经由具有总长度l_s的绳索连接于起重绞盘。绳索经由在吊杆头部和塔架上的相应的一个偏转滑轮从负载悬挂装置偏转。必须注意，在这方面，绳索不从吊杆头部直接偏转至起重绞盘，而是从吊杆头部偏转至塔架，回到吊杆头部，然后经由塔架到达起重绞盘(见图1)。因此，总的绳索长度结果为

l_s(t)＝l₁(t)+3l₂(t)+l₃(t)，      (1)

在此，l₁、l₂和l₃是从起重绞盘到塔架、从塔架到吊杆头部以及从吊杆头部到负载悬挂装置的部分长度。包括起重绞盘、绳索和负载质量的起重绞车线以简化形式建立模型为下述弹簧体系统并在图7中示出。

根据牛顿运动定律，用于弹-质-阻(spring mass damper)系统的运动方程式因此为

其中，由于重力g、弹簧常数c、阻尼常数d、负载位置z、负载速度以及负载加速度而产生的加速度。绳索速度根据绞盘速度和绞盘半径r_w得出如下

长度为l_s的绳索的弹簧刚度(spring stiffness)c_s可利用虎克定律算出，如下

$c_s=\frac{E_s{A}_s}{l_s}---\left(4\right)$

在此，E_s和A_s是绳索的弹性模量和横截面积。

由于平行绳索在移动式码头起重机n_s(参照图1)升高负载，其中绞车线的弹簧刚度c结果为

c＝n_sc_s，    (5)

起重绞车线的阻尼常数d由下式给出

$d=2D\sqrt{{\mathrm{cm}}_l}---\left(6\right)$

在此，D表示绳索的临界(Lehr)阻尼系数。

由于负载质量观测器的主要目的是估算当前的负载质量，因此必须得出用于负载质量的动力方程。将负载质量m_l建立模型为在该工作中为随机走动过程，即m_l受到由附加的、无均值(mean-free)的白噪声的干扰。因此得出用于负载质量的以下动力方程

在此，γ_l表示平均自由的白噪声。

3观测器设计

在本部分中设计基于EKF[3]的观测器。在此必须注意，各个参数的数值范围有很大不同。因此，绳索长度l_s和负载位置z通常在100m和200m之间，绳索速度i_s和负载速度在和之间，负载质量在0kg和150×10³kg之间。另外，两个参数E_s和A_s也具有非常不同的数值范围。这些不同的数值范围会引起观测器的在线估算的数值问题。将用于观测器设计的新参数                     +

$a_{\mathrm{hw}}=\frac{E_s{\mathrm{As}}_{n_s}}{m_{\max }}---\left(8\right)$

引入以避免这些数值问题，在此，m_max是相应起重机类型的最大容许提升负载。另外，负载质量ml不直接用在观测器中，而是采用赋范负载质量

经由增量发生器在起重机上测量绞盘位置并测量绞盘速度力测量传感器提供在绞盘测量的绳索力F_w。绳索长度和绳索速度可通过方程式(3)由绞盘位置和绞盘速度计算。必须注意，相对于在绞盘测量的绳索力F_w，在此不仅根据负载质量测量了力，而且还有偏转滑轮的摩擦效应和绳索的净重。但是，这些干扰影响可由补偿算法消除，然后当前弹簧力F_c(参照方程式(2))可由在绞盘测量的绳索力F_w计算。

必须首先定义用于观测器设计的系统的输入参数u和输出参数(或测量参数)y。对于存在的问题，选择绳索速度i_s作为唯一的系统输入。选择绳索长度l_s和赋范弹簧力作为输出参数。

包括方程式(2)、(4)、(5)、(6)和(8)的动力学模型可利用状态向量转换成状态空间

${[l_s,z,\stackrel{\·}{z},\frac{m_l}{m_{\max }}]}^T$

所得到的系统的一阶微分方程是

$\stackrel{\·}{x}=f(x,u),$ x(0)＝x₀，            (9)

y＝h(x，u)，       t≥0，

在此

$f\left(x\right)=\left[\begin{array}{c}u\\ x_3\\ 9-a_{\mathrm{hw}}\frac{x_2-x_1}{x_1{x}_4}-2D\sqrt{a_{\mathrm{hw}}}\frac{x_3-u}{\mathrm{sqrl}{x}_1{x}_4}\\ 0\end{array}\right],---\left(10\right)$

$h\left(x\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ a_{\mathrm{hw}}\frac{x_2-x_1}{x_1}+2D\sqrt{a_{\mathrm{hw}}\frac{x_4}{x_1}}(x_3-u)\end{array}\right],---\left(11\right)$

$u={\stackrel{\·}{l}}_s,---\left(12\right)$

如前面已经提到的，观测器实现为EKF。EKF是用于非线性、时间离散的系统的观测器，并最小化在每个时间步长[3]中的估算误差的误差协方差

$P_k=E\left[({\hat{x}}_k-x_k){({\hat{x}}_k-x_k)}^T\right]---\left(13\right)$

，在此表示当前估算状态。具有离散抽样率Δt的[·]k＝[·](kΔt)应用在方程式(13)中以及以下的方程式中。但是，由于状态空间表达式(9)表示连续系统，因此，以下利用欧拉向前法[2]离散化上述系统。

EKF在状态估算的每个时间步长中执行预测步骤和修正步骤。根据预测步骤内的系统方程(9)预测下一个时间步长的状态：

${\hat{x}}_k^{-}={\hat{x}}_{k-1}+\mathrm{\Δtf}({\hat{x}}_{k-1},u_k),---\left(14\right)$

${\hat{y}}_k^{-}=h({\hat{x}}_k^{-},u_k).$

除系统状态之外，误差协方差矩阵也在预测步骤内预测

$P_k^{-}=A_k{P}_{k-1}{A}_k^T+Q_k,---\left(15\right)$

在此，P_k-1是时间步长(k-1)Δt的误差协方差矩阵，A_k是关于当时的当前状态的线性化系统的转换矩阵，Q_k是系统噪声的时间离散协方差矩阵。A_k通过直到第一元素的矩阵指数函数的泰勒级数近似算出。

$A_k=I+\frac{\∂f(x,u_k)}{\∂x}{|}_{x={\hat{x}}_k^{-}},---\left(16\right)$

图8再次在框图内示出负载质量观测器的实施方式。除在绞盘测量的力F_W之外，将起重索的长度l_S包括作为负载质量观测器内的测量信号。在这方面，如上详细所述，合力首先相对于绳索重量和摩擦效应进行补偿，并通过最大容许负载质量m_max标准化。然后，负载质量观测器估算标准化的负载质量为x₄，该标准化的负载质量x₄相应地再次通过乘以m_max转换为负载质量m_l。另外，负载质量观测器还估算绳索长度l_s、负载的位置z和负载速度它们同样可用于控制目的。

本发明使得负载质量能够精确地确定，其中，考虑了两种效应，一种是用于经由起重机结构与起重索之间、比如在偏转滑轮或起重绞盘的扭矩支承处的连接元件测量绳索力的测量结构的布置所产生的效应，另一种是由于起重索的弹性而产生的动力学效应。在这方面，负载质量可用于控制工作或用于数据评价。特别地，每次提升的负载质量可存储在记忆单元内，比如数据库内，并由此进行评价。

Claims (16)

1.一种用于确定由起重机的起重索所承载负载的负载质量的系统，包括：

用于测量所述起重索中的绳索力的测量结构；和

用于基于所述绳索力确定所述负载质量的计算单元，

其特征在于

所述计算单元具有补偿单元，所述补偿单元包括负载质量观测器，其中，所述补偿单元在动力学模型中描述并至少部分地补偿经由所述绳索力间接确定所述负载质量的影响，所述计算单元持续地计算出所述负载质量，

其中，所述补偿单元包括绳索质量补偿，所述绳索质量补偿在计算所述负载质量时考虑所述起重索的重量。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述补偿单元基于关于所述起重机的位置和/或运动的数据工作。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述补偿单元基于关于起重绞车的位置和/或运动的数据、和/或关于吊杆的位置和/或运动和/或塔架的位置和/或运动的数据工作。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，所述系统用于起重机，所述系统包括起重绞车，所述起重绞车用于升高和降下由所述起重机的起重索承载的负载，

其中，所述起重索从所述测量结构经由所述起重机的至少一个偏转滑轮而被引导至所述负载，和/或其中，用于测量所述起重索中的绳索力的所述测量结构布置在偏转滑轮上或所述起重绞车上，

其中，所述补偿单元至少部分地补偿所述测量结构的布置对所得到的负载质量的影响。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述绳索质量补偿在计算所述负载质量时考虑当所述负载被升高和/或降下时绳索长度的改变的影响，其中，所述起重绞车有利地包括绞盘，并且所述绞盘的转动角度和/或转动速度用作所述绳索质量补偿的输入参数。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述绳索质量补偿将缠绕在所述绞盘上的起重索的重量考虑在内。

7.根据权利要求4所述的系统，其中，所述绳索质量补偿将所述起重索的部件的长度和/或对准的变化考虑在内，所述变化由于所述起重机的结构的运动引起。

8.根据权利要求4所述的系统，其中，所述补偿单元包括偏转滑轮补偿，所述偏转滑轮补偿将由所述起重索关于一个或几个偏转滑轮的偏转引起的摩擦效应考虑在内。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述偏转滑轮补偿将所述偏转滑轮的转动方向和/或转动速度考虑在内，所述偏转滑轮补偿计算由于所述起重机的结构的运动和/或所述起重绞车的运动引起的所述偏转滑轮的转动方向和/或转动速度。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述偏转滑轮补偿根据测量的绳索力计算所述摩擦效应。

11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述偏转滑轮补偿根据所测量的绳索力的线性函数计算所述摩擦效应。

12.根据权利要求4所述的系统，其中，所述补偿单元在确定所述负载质量时将所述负载质量的加速度和/或所述起重绞车的加速度对所述绳索力的影响考虑在内。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述计算单元在确定所述负载质量时将由于所述起重索的弹性产生的摆动动态考虑在内。

14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述负载质量观测器基于所述起重索和所述负载的弹簧模型。

15.一种起重机，具有根据上述权利要求中任一项所述的用于确定由起重索承载的负载的负载质量的系统。

16.一种用于确定由起重索承载的负载的负载质量的方法，包括以下步骤：

测量所述起重索上的绳索力，

基于所述绳索力计算所述负载质量，其中，经由所述绳索力对确定所述负载质量的影响在模型中说明并至少部分地得以补偿，

其中，所述负载质量的确定通过根据权利要求1至14中任一项所述的系统进行。