CN102079481B - 双起升双吊具场桥控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双起升双吊具场桥控制系统及其控制方法，控制系统采用三个独立的控制器，分别控制场桥小车的位置、两个吊具的摆角。控制过程历经多个周期循环完成，控制系统能够有效实现双起升双吊具场桥的防摇定位控制。本发明的控制系统结构简单，控制有效，对控制量检测装置的要求较低，成本低廉，易于实现，使用方便，并能够同时实现小车位置控制和对两个吊具摆角的控制。

Description

双起升双吊具场桥控制系统及其控制方法

技术领域：

本发明涉及一种港口装卸机械的控制系统，特别涉及一种双起升双吊具场桥控制系统以及与该系统配套使用的控制方法。

背景技术：

场桥控制的目标是要实现负载的防摇和负载的精确对位。现在广泛使用中的场桥大部分都是单起升场桥系统，都以手工控制操作为主，只是在一些大型集装箱场桥中为了达到更好的操作效果，提高装卸效率，安装了一些机械防摇装置和电子防摇装置，但这些都不是自动化场桥系统，即都没有从根本上实现场桥操作的自动控制，即自动防摇控制和定位控制。

为了能够实现对场桥的自动控制，在有些单起升场桥也采用了诸如PLC等作为场桥控制器，但是这些场桥控制器很多没能同时实现负载防摇和负载定位的控制。这些场桥控制系统在结构上有各种形式，一般使用了一个位置控制器或一个摆角控制器，但这些场桥控制系统中普遍采用了比较复杂的速度传感器进行小车速度反馈，同时使用了摄像头、角度传感器等检测装置实现负载摆角的检测，这些检测装置价格昂贵，使用复杂，抗干扰能力差，维护也不方便，有的还对使用环境有特殊要求(比如采用摄像头进行角度识别就要求天气状况良好，具备能见度高，无尘无雾无雨等自然条件)，控制系统工作的适应能力差。

双起升双吊具场桥是一种新型港口装卸机械，由于它具有两个起升吊具，因而大大提高了装卸效率，同时这种双起升双吊具场桥结构复杂，工作方式多样，给控制带来很大的难度。双起升双吊具场桥具有两个可以单独起升的吊具系统，现有的单场桥控制系统无法直接应用到双起升双吊具场桥中来解决双吊具场桥的位置控制和防摇定位控制问题。

发明内容：

本发明针对上述现有场桥控制系统所存在的缺陷，而提供一种双起升双吊具场桥控制系统，该系统采用位置传感器和加速度计进行信息检测，成本低廉，使用可靠，维护简单，完全克服了上述问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

双起升双吊具场桥控制系统，该系统应用于双起升双吊具场桥控制，所述控制系统包括实时检测双起升双吊具场桥系统中场桥小车位置的位置传感器和加速度的加速度计、小车位置控制器、第一吊具摆角控制器、第二吊具摆角控制器以及驱动双起升双吊具场桥系统的场桥小车驱动器；所述小车位置控制器接受场桥操作指令和位置传感器检测的场桥小车位置信号形成的位置偏差控制信号，该偏差信号再与小车速度估计值一起运算得到位置控制信号，所述第一吊具摆角控制器和第二吊具摆角控制器根据加速度计检测的场桥小车加速度信号分别计算得到控制第一吊具和第二吊具的第一吊具摆角控制信号和第二吊具摆角控制信号；所述位置控制信号与第一吊具摆角控制信号、第一吊具摆角控制信号综合形成最终场桥控制信号，并输入到场桥小车驱动器；所述场桥小车驱动器根据最终场桥控制信号驱动双起升双吊具场桥运动。

所述控制系统中还包括位置检测单元以及加速度检测单元，所述位置检测单元通过CAN总线获取位置传感器检测到的小车位置信号，并对小车位置信号进行滤波、变换、隔离和A/D转换处理；所述加速度检测单元通过CAN总线获取加速度计检测到的场桥小车加速度信号，并对场桥小车加速度信号进行滤波、变换、隔离和A/D转换处理。

所述控制系统中还包括小车速度估计器，所述小车速度估计器根据检测到的场桥小车位置信号，经过运算得到小车的速度估计值，并将得到小车速度估计值输入至小车位置控制器。

所述控制系统中还包括第一吊具摆角估计器和第二吊具摆角估计器，所述第一吊具摆角估计器和第二吊具摆角估计器分别根据检测到的场桥小车加速度信号估计第一吊具的摆角和第二吊具的摆角，并将估计得到的第一吊具的摆角和第二吊具的摆角分别输入至第一吊具摆角控制器和第二吊具摆角控制器。

本发明的另一个目的为提供一种双起升双吊具场桥控制系统的控制方法，该控制方法能够实现双起升双吊具场桥系统中小车和双吊具摆角的控制。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

双起升双吊具场桥控制系统的控制方法，该控制方法基于双起升双吊具场桥控制系统实施，所述控制方法包括如下步骤：

(1)控制台发出控制指令，指定双起升双吊具场桥系统中场桥小车运行的目标位置；

(2)在位置传感器和加速度计的第一个采样周期内，该控制指令经过小车位置控制器的处理发送到场桥小车驱动器，控制场桥小车运行到一定位置；

(3)在第二个采样周期内，位置检测单元检测到场桥小车的实际位置后，利用小车速度估计器进行场桥小车速度估计得到场桥小车速度估计值，并将场桥小车速度估计值传至到小车位置控制器，小车位置控制器根据场桥小车速度估计值、场桥小车目标位置与实际位置之间的位置偏差值进行运算，得到小车位置控制信号；同时，第一吊具摆角估计器和第二吊具摆角估计器分别估计得到第一吊具和第二吊具摆角的估计值，并将第一吊具和第二吊具摆角的估计值分别传至第一吊具摆角控制器和第二吊具摆角控制器，得到第一吊具摆角控制信号和第二吊具摆角控制信号；

(4)综合小车位置控制信号、第一吊具摆角控制信号和第二吊具摆角控制信号，形成控制信号，传至场桥小车驱动器驱动场桥小车运行；

(5)在以后的采用周期内，重复步骤(3)至步骤(4)，来纠正场桥小车位置控制的偏差，消减两个吊具摆角的幅度，实现同时控制场桥小车位置和双吊具的两个摆角幅度。

根据上述技术方案得到的本发明，其控制系统采用三个独立的控制器，分别控制场桥小车的位置、第一吊具的摆角和第二吊具的摆角。同时该控制系统仅需要一个安装在小车上的加速度计和一个场桥小车位置检测装置(如码盘等)就可以得到控制所需的小车的速度和两个吊具的摆角，这样的控制系统有效的解决了双起升双吊具场桥的小车位置控制问题和双吊具的防摇摆控制问题，同时不需要额外的速度传感器和角度传感器。从而使得控制系统结构简单，控制有效，对控制量检测装置的要求较低，成本低廉，易于实现，使用和维护方便，并能够同时实现小车位置控制和两个吊具摆角的控制。

同时本发明提供的控制方法，该控制方法步骤简单，易于实现，与控制系统配合使用，简化了控制系统的操作步骤，实现了双起升双吊具场桥防摇和定位控制的自动化，提高工作效率。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明中控制系统的示意图。

图2为本发明中控制方法的流程图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

为了解决了双起升双吊具场桥系统的小车位置控制问题和双吊具的防摇摆控制问题，同时不需要额外的速度传感器和角度传感器，本发明采用三个独立的控制器，分别控制场桥小车的位置、第一吊具的摆角和第二吊具的摆角。同时仅需要一个安装在小车上的加速度计和一个场桥小车位置检测装置(如码盘等)就可以得到控制所需的小车的速度和两个吊具的摆角。

基于上述原理，本发明提供的双起升双吊具场桥控制系统如图1所示，其主要包括小车位置控制器、第一吊具摆角控制器、第二吊具摆角控制器、小车速度估计器、第一吊具摆角估计器、第二吊具摆角估计器、信号比较器(包括第一比较器和第二比较器)以及控制总线，同时还包括位置传感器和加速度计。

其中位置传感器和加速度计安置在双起升双吊具场桥系统中小车上，用于检测场桥小车的位置和加速度。为了使位置传感器和加速度计检测到的信号能够便于控制系统处理，本发明还在系统中设置了位置检测单元和加速度检测单元，这两个检测单元的输入端分别通过现场总线(即CAN总线)与位置传感器的输出端和加速度计的输出端连接。

参见图1，位置检测单元的输出端连接到第一比较器和小车速度估计器，第一比较器与控制台相接，同时连接到小车位置控制器。小车位置控制器与小车速度估计器相接，并连接到第二比较器。

加速度检测单元的输出端分别连接到第一吊具摆角估计器和第二吊具摆角估计器。第一吊具摆角估计器和第二吊具摆角估计器分别连接第一吊具摆角控制器和第二吊具摆角控制器，第一吊具摆角控制器和第二吊具摆角控制器都连接到第二比较器。

第二比较器通过现场总线(CAN总线)连接到场桥小车驱动器，场桥小车驱动器通过现场总线(CAN总线)驱动控制双起升双吊具场桥系统。

本发明中的第一比较器和第二比较器都是一个运算单元，其功能是对若干输入信号进行类型转换(比如D/A变换)和标度变换，然后进行数值运算，得到一个输出信号，分别供给控制器或场桥驱动器使用。

第一比较器的输入信号主要有操作台发出的操作信号、现场检测单元发出的检测信号，第二比较器的输入信号主要有小车位置控制器、第一吊具摆角控制器和第二吊具摆角控制器的输出信号。

本系统中第一比较器将输入的操作信号与检测信号按照负反馈原理进行减法运算，在进行标度变换后传送到位置控制器，其计算公式为：e_r＝k(x_r-x_f)，其中，k＞0为一变换系数。而第二比较器对输入的三个信号进行综合，其运算公式为： $u=u_e+u_{{\mathrm{\θ}}_1}+u_{{\mathrm{\θ}}_2}.$

比较器由一个单片机系统(也可以是一个PLC单元)来实现，由D/A(或A/D)器件、隔离器件、单片机或片上系统、存储单元、I/O总线单元和电源系统组成，属于弱电系统，它一般安装在场桥控制器上，其中第二比较器通过CAN总线与小车驱动单元(变频调速器)连接，这样能够很好的保证相应信号的稳定传输速率。

本发明中的位置检测单元和加速度检测单元是一个检测部件，其功能是对现场来的模拟量进行信号滤波处理、信号变换、信号隔离和A/D转换，然后将处理的信号传送给控制系统。检测单元由CPU系统、I/O接口芯片、A/D转换模块、隔离元件、电源、总线控制单元等组成。位置检测单元和加速度检测单元通过CAN总线分别与检测元件(码盘、加速度计)相连，它们安装在场桥控制器上，通过CAN总线获得现场传感器信息，这样能够很好的保证相应信号的稳定传输速率。

本发明的中控制器有三个，分别为：小车位置控制器、第一吊具摆角控制器和第二吊具摆角控制器，这三个控制都是一个数字运算单元，其功能是可以运行各种不同的控制算法，比如普通PID、模糊自整定PID算法、单神经元PID控制等，可设置调整控制参数，然后将运算结果，即控制量，输出到第二比较器。小车位置控制器由一个单片机系统(或片上单元或PLC模块)实现，其核心是CPU部件，执行控制逻辑运算功能。本发明中的三个控制器其控制算法和控制参数均不同，控制算法和控制参数需要根据现场情况设计和整定。控制器一般由CPU单元、存储单元(ROM和RAM)、I/O接口、逻辑器件、时钟单元、电源等构成，这是本控制系统的核心部件之一。控制器安装在场桥控制柜中。

本系统中的三个控制器对信号的处理取决于具体的应用需要，可以选择各种控制算法，比如选用PID算法等，这极大的提高了本系统的实用性。

本发明中的小车速度估计器是一个数据处理单元，其中功能是根据位置检测单元输入的小车位置信号，经过运算处理，得到小车的速度信号。速度估计器由CPU(或微分元件)、存储器、I/O单元等组成。速度估计器安装在速度控制器上，其功能也可以由小车位置控制器的CPU来实现。

本发明中的第一吊具摆角估计器和第二吊具摆角估计器是一个数据处理单元，其功能是根据容易检测到的小车加速度信息估计吊具的摆角。吊具摆角估计器由CPU、存储器、I/O单元等组成。摆角估计器安装在摆角控制器上，其功能也可以由摆角控制器实现。

本发明中的场桥驱动器根据场桥小车驱动电机的不同，选择不同的场桥驱动器。对于目前比较流行的感应式电机，场桥驱动器一般采用变频器实现。场桥驱动器安装在场桥臂上，其通过现场总线(CAN总线)驱动控制场桥小车，这样能够很好的保证相应信号的稳定传输速率。

本发明的控制台为驾驶台，是场桥司机的操作设备，用于发出司机操作命令。

本发明加速度计和位置传感器：是模拟量检测器件，安装在场桥小车的相应位置。

根据上述技术方案得到的双起升双吊具场桥控制系统的控制过程如下(参见图1和图2)：

第一步，首先由司机在控制台发出操作指令，指定小车运行的目标位置x_r。

第二步，在第一个采样周期内，该指令传输至第一比较器，第一比较器记录该指令并传至小车位置控制器，小车位置控制器对该指令进行处理，得到小车位置控制信号，并经过第二比较器发送到场桥小车驱动器，场桥小车驱动器根据小车位置控制信号控制场桥运行到一定位置。

第三步，在场桥运行到相应位置后，在第二个采样周期内，位置检测单元检测到场桥小车的实际位置x_f后，将该实际位置x_f传至小车速度估计器和第一比较器，其中第一比较器根据接受到的小车运行目标位置x_r和小车的实际位置x_f得到位置偏差值e_r＝k(x_r-x_f)(其中，k＞0为一变换系数)，并发送至小车位置控制器，同时小车速度估计器根据小车的实际位置x_f对小车速度进行估计，得到小车速度估计值

然后将小车速度估计值

发送到小车位置控制器，小车位置控制器将小车速度估计值

与位置偏差值e_r进行运算，得到小车位置控制信号u_e，发送到第二比较器；

同时，加速度检测单元根据加速度计的输出得到小车加速度检测信号

并将该信号传至第一吊具摆角估计器和第二吊具摆角估计器，两个吊具摆角估计器根据输入的小车加速度检测信号

进行运算，分别估计得到第一吊具摆角和第二吊具摆角的估计值和并将该估计值

和

分别传至第一吊具摆角控制器和第二吊具摆角控制器中，第一吊具摆角控制器和第二吊具摆角控制器根据输入的估计值

和

计算得到相应的吊具控制量

和

分别形成第一吊具摆角控制信号和第二吊具摆角控制信号传至第二比较器中。

第四步，第二比较器对输入的小车位置控制信号e_u、第一吊具摆角控制信号

和第二吊具摆角控制信号

进行综合运算，最终得到新的控制输出

送入场桥小车驱动器驱动场桥运行。

第五步，在以后的采用周期内，重复步骤(3)至步骤(4)，来纠正场桥小车位置控制的偏差，消减吊具摆角的幅度，实现同时控制场桥小车位置和双吊具的两个摆角。

根据上述技术方案得到的控制系统置结构简单，与控制方法配合使用能够实现对双起升双吊具场桥系统的有效控制，对控制量检测装置的要求较低，成本低廉，易于实现，使用方便，并能够同时实现小车位置控制和对两个吊具摆角的控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.双起升双吊具场桥控制系统，该系统应用于双起升双吊具场桥系统，其特征在于，所述控制系统包括实时检测双起升双吊具场桥系统中小车位置的位置传感器和加速度的加速度计、小车位置控制器、第一吊具摆角控制器、第二吊具摆角控制器以及驱动双起升双吊具场桥小车的驱动器；所述小车位置控制器接受场桥操作指令和位置传感器检测到的场桥小车位置信号而形成的位置偏差控制信号，再与小车速度估计值进行运算得到位置控制信号，所述第一吊具摆角控制器和第二吊具摆角控制器根据加速度计检测的场桥小车加速度信号分别计算得到控制第一吊具和第二吊具的第一吊具摆角控制信号和第二吊具摆角控制信号；所述位置控制信号与第一吊具摆角控制信号、第二吊具摆角控制信号综合形成最终场桥小车控制信号，并输入到场桥小车驱动器；所述场桥小车驱动器根据最终场桥小车控制信号驱动双起升双吊具场桥小车系统运动； 

所述控制系统中还包括第一吊具摆角估计器和第二吊具摆角估计器，所述第一吊具摆角估计器和第二吊具摆角估计器分别根据检测到的场桥小车加速度信号估计第一吊具的摆角和第二吊具的摆角，并将估计得到的第一吊具的摆角和第二吊具的摆角分别输入至第一吊具摆角控制器和第二吊具摆角控制器。

2.根据权利要求1所述的双起升双吊具场桥控制系统，其特征在于，所述控制系统中还包括位置检测单元以及加速度检测单元，所述位置检测单元通过CAN总线所获取的位置传感器检测到的小车位置信号，并对小车位置信号进行滤波、变换、隔离和A/D转换处理；所述加速度检测单元通过CAN总线获取加速度计检测到的场桥小车加速度信号，并对场桥小车加速度信号进行滤波、变换、隔离和A/D转换处理。

3.根据权利要求1所述的双起升双吊具场桥控制系统，其特征在于，所述控制系统中还包括小车速度估计器，所述小车速度估计器根据检测到的场桥小车位置信号，经过运算得到小车的速度估计值，并将得到的小车速度估计值输入至小车位置控制器。

4.双起升双吊具场桥控制系统的控制方法，该控制方法基于双起升双吊具场桥控制系统实施，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

（1）控制台发出控制指令，指定双起升双吊具场桥系统中场桥小车运行的目标位置；

（2）在位置传感器和加速度计的第一个采样周期内，该控制指令经过小车位置控制器的处理发送到场桥小车驱动器，控制场桥小车运行到一定位置；

（3）在第二个采样周期内，位置检测单元检测到场桥小车的实际位置后，利用小车速度估计器进行场桥小车速度估计得到场桥小车速度估计值，并将场桥小车速度估计值传至到小车位置控制器，小车位置控制器根据场桥小车速度估计值、场桥小车目标位置与实际位置之间的位置偏差值进行运算，得到小车位置控制信号；同时，第一吊具摆角估计器和第二吊具摆角估计器分别估计得到第一吊具和第二吊具摆角的估计值，并将第一吊具和第二吊具摆角的估计值分别传至第一吊具摆角控制器和第二吊具摆角控制器，得到第一吊具摆角控制信号和第二吊具摆角控制信号；

（4）综合小车位置控制信号、第一吊具摆角控制信号和第二吊具摆角控制信号，形成控制信号，传至场桥小车驱动器驱动场桥小车运行；

（5）在以后的采用周期内，重复步骤（3）至步骤（4），来纠正场桥小车位置控制的偏差，消减两个吊具摆角的幅度，实现同时控制场桥小车位置和双吊具的两个摆角幅度。

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