CN102079484B

CN102079484B - 双起升场桥双吊具同步控制系统

Info

Publication number: CN102079484B
Application number: CN 201010114549
Authority: CN
Inventors: 徐为民; 顾伟; 褚建新; 康伟
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: CN102079484A

Abstract

本发明公开了一种双起升场桥双吊具同步控制系统，包括分别控制两个吊具的两个闭环控制器，所述两个闭环控制器之间连接可调节同步补偿的运算单元；每个所述的闭环控制器包括依次顺序连接的可对信号进行类型转换的位移给定单元、可进行数字运算的吊具位置控制器、可对信号进行类型转换的速度给定单元、可进行数字运算的吊具速度控制器、驱动吊具运动的功率驱动单元和吊具起升电机；所述吊具起升电机的输出端和位移给定单元的输入端之间连接吊具位置检测单元；所述吊具起升电机输出端和速度给定部件的输入端之间连接可实时估计吊具速度的吊具速度估计单元。本发明控制系统能够解决双吊具负载不均衡的情况下，双吊具系统的速度同步控制和位置同步控制问题。

Description

双起升场桥双吊具同步控制系统

技术领域

本发明属于集装箱装卸运输领域，特别涉及双起升场桥双吊具的同步控制系统。

背景技术

双起升双吊具场桥是一种新型港口集装箱起重机械，已经开始在上海港、天津港等国际集装箱码头的堆场投入使用。这种场桥系统包括两个吊具独立的吊具，它一次可以吊运一个40’的集装箱或两个20’的集装箱，极大地提高了港口装卸的效率。双起升双吊具场桥控制系统要求在双吊具运行模式下双吊具能够协调运行，要求精确的起吊位置控制和起升速度控制，同时，场桥控制系统应该能够在不同的运行模式间方便地切换，以满足装卸任务的不同要求。传统的场桥控制系统和控制方法都难以满足上述这些要求。现有的双吊具控制系统由于控制方式不灵活，控制性能不理想，也限制了新型双起升双吊具场桥功能的发挥。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种双起升双吊具同步控制系统，可以在双吊具负载不均衡的情况下，实现双吊具系统的速度同步控制和位置同步控制。

为了解决上述的技术问题，本发明的技术方案如下：

一种双起升场桥双吊具同步控制系统，其特征在于，包括分别控制两个吊具的两个闭环控制器，所述两个闭环控制器之间连接可调节同步状态的补偿运算单元；每个所述的闭环控制器包括依次顺序连接的可接收吊具操作指令的位移给定单元、吊具位置控制器、速度给定单元、吊具速度控制器、驱动吊具运动的功率驱动单元和吊具起升电机；所述吊具起升电机的输出端和位移给定单元的输入端之间连接吊具位置检测单元；所述吊具起升电机输出端和速度给定单元的输入端之间连接可实时估计吊具速度的吊具速度估计单元。

进一步特征为所述的可调节同步状态的补偿运算单元至少包括速度补偿器和位置补偿器中的一种，所述速度补偿器的输入端连接每个闭环控制器中的吊具速度估计单元的输出端，速度补偿器的输出端连接每个闭环控制器中速度给定单元的输入端；所述两个闭环控制器的吊具起升电机输出端通过位置补偿器连接到一个闭环控制器中的位移给定单元。

进一步特征为所述吊具操作指令通过操作模式切换逻辑单元连接到两个闭环控制器的位移给定单元。

进一步特征为所述的速度同步补偿器的输出端通过速度同步补偿模式切换逻辑单元连接到两个闭环控制器的速度给定单元。位置补偿器通过位置同步补偿模式切换逻辑单元连接到其中一个闭环控制器中的位移给定单元。

在第一个采样周期，吊具位置操作指令θ_1r被送到两个位移给定部件，然后通过吊具位置控制器计算出位置控制输出ω_1r和ω_2r，这两个信号作为速度控制器的给定经过速度控制器的运算，得到速度控制输出i_qs1和i_qs2，这两个信号送入功率驱动单元，分别驱动两个吊具进行运动，并产生吊具位置信号θ₁和θ₂。在第二个采样周期，吊具位置操作指令θ_1r被送到两个位移给定部件与位置检测值θ_1f和θ_2f进行比较运算，得到位置控制器的给定信号

和

，经过位置控制器运算得到位置控制输出ω_1r和ω_2r，这两个信号分别与吊具速度估计值ω_1f、ω_2f以及吊具速度补偿值ω_c1、ω_c2进行综合，得到吊具速度控制器输入u_1r和u_2r，即u_1r＝ω_1r+ω_1c+ω_1f，u_2r＝ω_2r+ω_2c+ω_2f。经过吊具速度控制器运算得到吊具起升控制输出量i_1qs和i_2qs，通过驱动单元驱动起升电机运行。在这个过程中，双吊具的速度保持同步，双吊具的位置也保持了同步，在两个闭环内的各种干扰也得到了有效抑制。在以后的各个控制周期中，将重复这个控制过程，使得双吊具协调控制目标得以实现。

本发明涉及的双起升桥吊系统一般工作在几种模式下：(1)单吊具工作模式；(2)双吊具互锁工作模式；(3)双吊具独立工作模式；(4)其它工作模式。

本发明的优点是：不仅在双吊具互锁的工作模式中负载不均衡的情况下，能够实现双吊具系统的速度同步控制和位置同步控制问题，而且在其它的工作模式下，均能够抑制起吊过程中出现的负载扰动和其它扰动，实现精确的位置控制和起升速度控制；系统中不需要速度传感器，结构简单可靠，根据不同的装卸任务要求，实现控制系统在多种工作模式间自由切换，使用灵活。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

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。

参见附图1，本发明中的双起升双吊具同步控制系统，吊具1操作指令和吊具2操作指令通过操作模式切换逻辑单元同时输入给控制两个吊具的两个闭环控制器，两个闭环控制器之间连接可调节同步状态的补偿运算单元，吊具对应的闭环控制器包括依次连接的可接收吊具操作指令的位移给定单元、吊具位置控制器、速度给定部件、吊具速度控制器、驱动吊具运动的功率驱动单元和吊具起升电机，从吊具起升电机输出端经过吊具位置检测单元连接到位移给定单元；所述吊具起升电机输出端也通过吊具速度估计单元连接到速度给定单元，吊具2的闭环控制器组成与吊具1一样，不再赘述。

为了实现双吊具的同步控制，就需要在两个闭环控制器之间设置可调节同步状态的补偿运算单元，该补偿运算单元包括速度补偿器和位置补偿器，所述速度补偿器的输入端连接每个闭环控制器中的吊具速度估计单元的输出端，速度补偿器的输出端通过速度同步补偿逻辑单元连接到每个闭环控制器中速度给定单元的输入端；所述两个闭环控制器的吊具起升电机的输出端通过位置补偿器输出给位置同步补偿逻辑后连接到一个闭环控制器中的位移给定单元。

操作模式切换逻辑单元和速度/位置同步补偿逻辑单元是一种联动的逻辑运算单元，是一组联动逻辑切换开关，其作用是根据双起升双吊具场桥的不同工作模式，来自动变换控制系统的结构。切换逻辑需要根据作业任务要求的不同，通过编程来实现。具体来说，根据集装箱装卸作业任务的不同要求，本发明涉及的双起升桥吊系统一般工作在几种模式下：(1)单吊具工作模式；(2)双吊具互锁工作模式；(3)双吊具独立工作模式；(4)其它工作模式。

(1)单吊具工作模式(其中另一个吊具挂起)：这时，桥吊系统相当于一个普通单起升场桥，这种模式下只需要一个吊具控制系统(1或2)工作，另一个吊具控制系统及两个吊具控制器间的位置/速度补偿单元都需要切换掉。这个工作就有可编程的操作模式切换逻辑、速度同步补偿逻辑和位置同步补偿逻辑完成。

(2)当双吊具工作在同步模式下，由于集装箱的重量是不确定的，有些情况下箱重差异很大，这要求双起升装置实现不同负载条件下的协调控制，既要保证起升位置同步，又要保持起升速度均衡。这时就需要实现双吊具的位置和速度同步控制，操作模式切换逻辑、速度同步补偿逻辑和位置同步补偿逻辑必须将系统的补偿环节和操作指令环节接驳到系统中，保证位置同步和速度同步控制的有效性。

(3)当双吊具处于独立工作模式下时，为了适应特殊作业要求两个吊具各自独立进行起吊作业，此时两个负载的起吊高度和负载载荷可能完全不同，只是小车运行速度相同，此时，两个吊具控制器系统需要独立工作，但不需要保证两个吊具位置和速度的同步控制，因此，操作模式切换逻辑单元、速度同步补偿逻辑单元和位置同步补偿逻辑单元需要切换掉两个控制系统之间的位置补偿器和速度补偿器，保证两个吊具控制系统的独立运行。

(4)其它工作模式：由于集装箱码头装卸的需要，有时双吊具场桥在(2)情况下对位置/速度控制的要求不高，只要一个速度补偿器或一个位置补偿器足以满足同步的精度，这时有可能单独切换掉位置补偿器或速度补偿器；在(1)情况下，有时需要吊具1、2轮流分时工作，这时也需要操作模式切换逻辑单元、速度同步补偿逻辑单元和位置同步补偿逻辑单元的联动，切换掉不使用的吊具控制系统，保证只有一个吊具在工作。

总之，港口集装箱作业的要求有多种，切换逻辑和补偿逻辑单元目的就是要根据不同的要求，及时调整速度/位置补偿器和吊具操作指令单元的连接方式，改变双起升双吊具同步控制系统的结构，实现这些不同装卸作业需求。

在此，针对控制系统要求最高的双吊具同步控制的结构单元原理和工作过程作详细阐述。

参见附图1，吊具1、2操作指令是一种模拟给定信号，这个信号来自于场桥操作台。

双吊具同步控制系统中的位移/速度给定单元是一个运算单元，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，供给位置(或速度)控制器使用。给定单元的输入信号类型主要有操作指令信号、现场位置/速度检测(估计)信号和位置/速度补偿信号。给定单元由一个单片机系统(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。

位置/速度控制器，也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，输出到下一个单元。位置/速度控制器由一个单片机系统(或片上单元或PLC模块)实现，其核心部件是CPU，执行控制逻辑运算功能。本发明中的四个控制器(两个位置控制器和两个速度控制器)其控制算法和控制参数均不同(其中两个位置控制器或者两个速度控制器可以选择同类控制算法)，控制算法和控制参数需要根据现场情况设计和整定。位置/速度控制器硬件一般由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。本发明中不对控制器算法选择进行限制。

吊具1、2速度估计器是一个数据处理单元，其功能是根据检测到的吊具1、2的位置信号，经过运算处理，得到小车的速度信号。吊具速度估计器硬件由CPU(或微分元件)、存储器、I/O单元等组成。速度估计器安装在同步控制器上。速度估计的原理有多种，最简单的算法是对位置信号进行微分运算得到相应的速度估计，当然也可以采用其它算法，这根据实际应用需要决定。本发明并不对速度估计算法的选择进行限制。

功率驱动单元根据双吊具驱动电机的不同，可以选择不同的功率驱动器。对于目前比较流行的感应式电机，功率驱动单元一般采用变频器实现。

位置/速度补偿器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P、PD、模糊自整定算法等，可设置调整补偿参数，然后将补偿运算结果，即补偿量，输出到位置给定单元(或速度给定单元)参与控制。本发明中两种补偿的原理不一样，因此补偿的结构也不一样。两种补偿器都可以选用不同的补偿算法，本发明并未对补偿算法的选择进行限制。

双吊具同步控制方式的工作过程如下：

设系统开始处于静止状态。在同步控制模式下，操作模式切换逻辑将保证只有一个吊具操作指令θ_1r(或θ_2r)有效，同时位置同步补偿逻辑和位置同步补偿逻辑保证两个补偿装置信号接通。设在第一个采样周期，吊具位置操作指令θ_1r被送到两个位移给定部件，然后通过吊具位置控制器计算出位置控制输出ω_1r和ω_2r，这两个信号作为速度控制器的给定经过速度控制器的运算，得到速度控制输出i_qs1和i_qs2，这两个信号送入功率驱动单元，分别驱动两个吊具进行运动，并产生吊具位置信号θ₁和θ₂。在第二个采样周期，吊具位置操作指令θ_1r被送到两个位移给定部件与位置检测值θ_1f和θ_2f进行比较运算，得到位置控制器的给定信号

和

经过位置控制器运算得到位置控制输出ω_1r和ω_2r，这两个信号分别与吊具速度估计值ω_1f、ω_2f以及吊具速度补偿值ω_c1、ω_c2进行综合，得到吊具速度控制器输入u_1r和u_2r，即u_1r＝ω_1r+ω_1c+ω_1f，u_2r＝ω_2r+ω_2c+ω_2f。经过吊具速度控制器运算得到吊具起升控制输出量i_1qs和i_2qs，通过驱动单元驱动起升电机运行。在这个过程中，双吊具的速度保持同步，双吊具的位置也保持了同步，在两个闭环内的各种干扰也得到了有效抑制。在以后的各个控制周期中，将重复这个控制过程，使得双吊具协调控制目标得以实现。

系统中对位置的补偿与对速度的补偿采用了不同的方法，由于速度控制闭环是控制系统的内环，响应较快，因而速度补偿基于交叉耦合的原理采用了双回路补偿的解耦控制方法，提高速度补偿的能力，而位置控制闭环是控制系统的外环，位置补偿采用了单回路补偿方式，减少了控制补偿的耦合作用，有利于提高整个同步控制系统的稳定性。位置补偿器的输出一般为一个偏差信号，位置补偿原理(即位置补偿算法或计算公式)可以选择多种，比如比例算法：θ_c＝k(θ₂-θ₁)，其中k＞0为一个比例变换系数；也可用比例积分算法：θ_c＝k_P(θ₂-θ₁)+k_D∫(θ₂-θ₁)dt，其中，k_P和k_D为比例和积分常数。本发明中不限制位置补偿和速度补偿所选用的算法。

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

1.一种双起升场桥双吊具同步控制系统，其特征在于，包括分别控制两个吊具的两个闭环控制器，所述两个闭环控制器之间连接可调节同步的补偿运算单元；

每个所述的闭环控制器包括依次顺序连接的可对信号进行类型转换的位移给定单元、可进行数字运算的吊具位置控制器、可对信号进行处理的速度给定单元、可进行数字运算的吊具速度控制器、驱动吊具运动的功率驱动单元和吊具起升电机；

所述吊具起升电机的输出端和位移给定部件的输入端之间连接吊具位置检测单元，用来将所述吊具起升电机的输出端产生的吊具位置信息发送至所述位移给定部件以实现对位置的反馈控制；

所述吊具起升电机输出端和速度给定部件的输入端之间连接可实时估计吊具速度的吊具速度估计单元，用来根据所述吊具起升电机的输出端产生的吊具位置信息处理得到吊具速度估计值，并将该吊具速度估计值发送至所述速度给定部件以实现对速度的反馈控制；

所述的可调节同步状态的补偿运算单元至少包括速度补偿器和位置补偿器中的一种，所述速度补偿器的输入端连接每个闭环控制器中的吊具速度估计单元的输出端，速度补偿器的输出端连接每个闭环控制器中速度给定单元的输入端，使每个闭环控制器的所述吊具速度估计单元产生的吊具速度估计值的一路信号分别发送至所述速度补偿器，由该速度补偿器处理得到的两路吊具速度补偿值与两个闭环控制器分别匹配；在每个闭环控制器中，对应的所述吊具速度补偿值与所述吊具速度估计值的另一路信号，一起分别发送至所述速度给定单元用以实现对速度同步的反馈控制；

两个所述闭环控制器的吊具起升电机输出端产生的所述吊具位置信息分别发送至所述位置补偿器，由该位置补偿器处理得到一路位置补偿值后仅反馈给其中第二个闭环控制器中的位移给定单元，实现位置同步的反馈控制，从而使设置了第二个闭环控制器的吊具能够跟随设置了第一个闭环控制器的吊具进行位置调整。

2.根据权利要求1所述的双起升场桥双吊具同步控制系统，其特征在于，吊具操作指令通过操作模式切换逻辑单元连接到两个闭环控制器的位移给定单元，通过所述操作模式切换逻辑单元对吊具操作指令的切换进行对不同工作模式的选择，从而切换到仅有其中一个吊具的闭环控制器工作，或者切换到两个吊具的闭环控制器同步工作或各自独立工作。

3.根据权利要求 2所述的双起升场桥双吊具同步控制系统，其特征在于，所述的速度补偿器的输出端通过速度同步补偿逻辑单元连接到两个闭环控制器的速度给定单元，所述速度同步补偿逻辑单元与所述操作模式切换逻辑单元联动，用来在不同的工作模式中控制是否将所述吊具速度补偿值接入到对应的速度给定单元。

4.根据权利要求2所述的双起升场桥双吊具同步控制系统，其特征在于，所述的位置补偿器通过位置同步补偿逻辑单元连接到第二个闭环控制器中的位移给定单元，所述位置同步补偿逻辑单元与所述操作模式切换逻辑单元联动，用来在不同的工作模式下控制是否将所述位置补偿值接入到第二个闭环控制器的位移给定单元。