CN102107819B

CN102107819B - 一种集装箱岸边桥吊防摇控制方法

Info

Publication number: CN102107819B
Application number: CN2010105803592A
Authority: CN
Inventors: 付主木; 高爱云; 梁坤峰; 邱联奎; 黄景涛; 李勋; 张聚伟; 梁云朋
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: CN102107819A

Abstract

本发明公开了一种集装箱岸边桥吊防摇控制方法，当升降吊具时，防摇控制器实时获取由相应传感器采集并经转换所得到的小车速度、小车位置、吊具起升速度、吊具摆长和吊具摆角的参数，防摇控制器将吊具的摆动角度与预设值比对，当摆动角度大于预设值时进行如下的防摇控制：防摇控制器根据吊具摆长或摆长变化量所落入的判断区间，选取与判断区间相对应的控制模型及摆长代表值，然后在选取的控制模型下，防摇控制器根据摆长代表值以及实时获取的吊具摆动角度参数计算出小车调速参数，然后向小车行走控制器提供调速信号而进行小车加速度，进而抑制吊具的摆动角度实现防摇控制。

Description

一种集装箱岸边桥吊防摇控制方法

技术领域：

本发明涉及工业控制中集装箱岸边桥吊技术领域，尤其涉及集装箱岸边桥吊防摇控制系统。

背景技术：

近年来，随着世界范围内贸易的飞速发展，货物的运输规模有了巨大的增长。在众多的物流作业中，如货物的提升和搬运，起重机都起着非常重要的作用。集装箱起重机在装卸货物时，由于系统的动态特性(如小车的加减速运行)和外界干扰因素的影响，柔性的钢丝绳极难控制，导致吊具及其集装箱来回摆动，而这种摆动既降低了工作效率，又容易发生碰撞，必须采用有效的方法及时减小或制止摆动。目前，集装箱岸边桥吊防摇控制大都采用机械防摇控制系统和电子防摇控制系统

现有技术中的一种电子防摇控制方法是小车加速度控制方式，该控制方式通过分析吊具摆角与小车运行加减速之间的动态关系，根据Lagrange(拉格朗日)原理及方程，对吊具进行受力分析，建立桥吊系统的小车-吊具数学模型，控制器采用常规PID(比例-积分-微分)控制算法，根据实时监测的吊具摆角的大小算出小车速度切换指令的各控制参数，如加速度的方向、持续时间和切换时刻，然后将包含控制参数的指令提供给小车行走控制器，小车行走控制器根据速度控制参数调节小车的加速度或减速度来减少吊具的摆动幅度。吊具摆角的检测可采用微加速度计的无视觉传感检测，也可采用摄/照像机和反光板组成的传感器检测到吊具的图像，经处理后得到吊具的摆角，再将吊具的摆角信号引入到防摇控制系统中，从而构成闭环控制系统，防摇控制系统根据吊具摆角的大小给出小车速度切换指令来消除吊具的摆角。以上现有技术的公开技术内容可见于论文《集装箱桥吊防摇切换控制研究》——电机与控制学报2009年11月第6期第13卷。

现有技术中的电子防摇控制方法存在的问题是，吊具运行中的摆长变化对防摇控制的影响较大。如图3所示，吊具从A到F点的运行过程中，B到F点之间为主要的防摇控制段，而其中的C到D点的吊具钢丝的长度即吊具的摆长为不变量，B到C点和D到E点的吊具摆长是变量，由于吊具的摆长与吊具单摆运动的摆动周期直接相关，因此摆长将影响到控制系统所计算出的加速时间，现有技术中的摆长可通过与传动轴相连的脉冲数字编码器获得小车行走位置和起升位置等信号并算出吊具的实时摆长并代入小车-吊具数学模型中进行计算，或者采用基于固定摆长的小车-吊具数学模型进行计算，上述两种方式在实际应用中常因模型失配造成的小车速度的频繁调整，出现小车速度调整太频繁而降低了操作人员的操纵舒适性。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种不对小车运行过程分段的桥吊防摇控制方法，以及一种集装箱岸边桥吊防摇控制方法，以减少吊具摆长变化对控制的不利影响。

本发明的控制方法的第一种技术方案是不对小车运行过程分段的桥吊防摇控制方法，包括以下步骤：

将小车运行时的吊具摆长或摆长变化量的总范围划分成至少两段连续的判断区间，从各判断区间的范围内获取代表该区间的定量的摆长代表值，基于所述的摆长代表值建立与每个判断区间一一对应的控制模型，控制模型是反映小车运动与吊具摆动的动态关系的数学模型；

当升降吊具时，防摇控制器实时获取由相应传感器采集并经转换所得到的小车速度、小车位置、吊具起升速度、吊具摆长和吊具摆角的参数，防摇控制器将吊具的摆动角度与预设值比对，当摆动角度大于预设值时进行如下的防摇控制：防摇控制器根据吊具摆长或摆长变化量所落入的判断区间，选取与判断区间相对应的控制模型及摆长代表值，然后在选取的控制模型下，防摇控制器根据摆长代表值以及实时获取的吊具摆动角度参数计算出小车调速参数，然后向小车行走控制器提供调速信号而进行小车加速度，进而抑制吊具的摆动角度实现防摇控制。

所述判断区间为吊具摆长变化量判断区间，所述摆长代表值是由各段判断区间的摆长变化量的中间值加上摆长的最小值获得。

所述判断区间为吊具摆长判断区间，所述摆长代表值是由各段判断区间的摆长中间值。

所述各判断区间是在吊具摆长或摆长变化量的总范围中等分划分出的区间。

本发明的第二种技术方案是对小车运行过程分段控制的集装箱岸边桥吊防摇控制方法，包括以下步骤：

将小车运行过程划分成起升段、起升移动段、水平移动段、下降移动段和下降段五个阶段；根据吊具摆长建立小车在水平移动段运行时的控制模型，将小车在起升段、起升移动段、下降移动段和下降段运行时的吊具摆长或摆长变化量的总范围划分成至少两段连续的判断区间，从各判断区间的范围内获取代表该区间的定量的摆长代表值，基于所述的摆长代表值建立与每个判断区间一一对应的控制模型，所述的控制模型均是反映小车运动与吊具摆动的动态关系的数学模型；

当升降吊具时，防摇控制器实时获取由相应传感器采集并经转换所得到的小车速度、小车位置、吊具起升速度、吊具摆长和吊具摆角的参数，防摇控制器将吊具的摆动角度与预设值比对，当摆动角度大于预设值时进行如下的防摇控制：

当小车在水平移动段运行时，防摇控制器控制系统使用由最小摆长建立的控制模型，根据实时获取的吊具摆动角度参数计算出小车调速参数，然后向小车行走控制器提供调速信号而进行小车加速度，进而抑制吊具的摆动角度实现防摇控制；

当小车在起升段、起升移动段、下降移动段和下降段运行时，防摇控制器根据吊具摆长或摆长变化量所落入的判断区间，选取与判断区间相对应的控制模型及摆长代表值，然后在选取的控制模型下，防摇控制器根据摆长代表值以及实时获取的吊具摆动角度参数计算出小车调速参数，然后向小车行走控制器提供调速信号而进行小车加速度，进而抑制吊具的摆动角度实现防摇控制。

本发明的有益效果是：既保留了传统控制方法的控制简单实用、易于调试的优点，又避免了因模型失配造成的小车速度的频繁调整，进而提高了操作人员的舒适性；原有机械电气设备得到了极大保留，改造的费用低廉；重新设计了防摇控制模块，提升了集装箱岸边桥吊系统自动化操作水平，降低了对操作员熟练程度的要求，将带来巨大的经济效益和社会效益。

附图说明：

图1是采用本发明的方法的实施例的在实施时的结构框图；

图2是本发明的方法的实施例的多模型切换参考防摇控制原理框图；

图3本发明的方法的实施例所应用的集装箱岸边桥吊系统传输顺序示意图。

具体实施方式：

本发明的方法的第一种实施例，用于小车运行的全过程控制，如图1所示，实施防摇控制方法的防摇控制系统共用到了5个需要测量的信号：小车速度、吊具起升速度、小车位置、吊具摆长和吊具摆角，以上测量信号依次分别由行走绝对式旋转编码器、起升绝对式旋转编码器和由智能相机、反光板等组成的机器视觉传感器测量，并通过现场总线传输至防摇控制器进行算法运算和控制，由于引入传感器进行吊具摆角的实时测量，防摇控制效果有所提高，并且不受重物初始状态的影响，而且对风力等因素的影响也可补偿。机器视觉传感器是通过在小车1底部安装的智能相机5和在吊具2上安装的反光板6组成，见图1，智能相机5安装在小车1中部，镜头朝下，反光板6安装在吊具2的中间，反光面朝上。吊具2前后摆动时，由智能相机5和反光板6组成的传感器将检测到的图像经过处理运算后，可以实时检测吊具的准确摆动角度。小车位置和小车速度由行走绝对式旋转编码器测量，吊具摆长和吊具起升速度由起升绝对式旋转编码器测量，然后通过各种传感器和信号处理元件将检测到的信息通过现场总线传送到防摇控制器中，经防摇控制器内部软件处理后将最佳的PID控制参数，即小车调速参数提供给小车行走控制器，通过调节小车的速度和方向，控制小车的运行，来减少吊具及集装箱的摆动幅度。

如图3所示，将小车1及其吊具2从岸边的集装箱卡车底盘3向货轮4的运行过程A～F划分成起升段AB、起升移动段BC、水平移动段CD、下降移动段DE和下降段EF五个阶段；如果吊具摆角θ≤θ_max(θ_max为吊具最大允许摆角)，防摇控制器不启动；反之，一旦检测到吊具摆角θ＞θ_max，则防摇控制器启动。当防摇控制器启动时的控制方法如下：

小车在水平移动段CD的运行过程中，吊具摆长为吊具牵引钢丝绳引出的最小绳长l₀，由于最小绳长l₀即吊具摆长没有发生变化，在水平移动段CD中防摇控制器采用固定控制模型的控制方法，此种控制方法采用定量摆长建立小车运行-吊具摆动的数学模型，属于现有技术，当机器视觉传感器检测到的摆角超出预设的允许角度时，自动切换到防摇控制程序，否则不启动防摇程序；防摇控制器使用由定量摆长建立的固定控制模型，根据获取的小车速度、吊具起升速度、小车位置、吊具摆长和吊具摆角向小车行走控制器提供调速信号而进行速度调节。控制模型是用来根据吊具摆角与摆长计算小车速度控制参数的小车-吊具数学模型。

当小车在起升段AB、起升移动段BC、下降移动段DE和下降段EF的运行过程中，由于既有吊具摆长变化，又有小车的水平运动或外部扰动，外部扰动如风扰，如果控制系统使用固定的控制模型，会造成模型失配，此时，需采用多控制模型切换的防摇控制方法：

首先，由具体工作场所中的吊具在各移动段运行时的吊具实时摆长与吊具摆长最小值l₀的差值来获得吊具摆长变化量的总范围，然后将运行时的吊具摆长变化量的总范围划分成至少两段连续的变化量判断区间，从各判断区间的范围内获取代表该区间的定量的摆长代表值。在划分变化量判断区间时，为便于划分，选取摆长的某一变化量Δl作为每个划分区间的跨度而将总范围等分为n段，每段的跨度均为Δl，Δl的选取范围为1m-2m，Δl的选取原则为：在保证系统稳定的前提下，选取范围不能太大或太小，太大会引起模型失配，太小会造成频繁切换。当然，在本发明的其他实施例中，也可以采用区间跨度不等的划分方式，如在总范围两端值附近的区间与总范围中间值附近的区间为大小不等的区间。由于变化量判断区间的变量摆长无法建立控制模型，因此需要在变化量判断区间中选取定量的摆长变化量代表值，当钢丝绳长即吊具摆长由初值l₀在一个Δl的范围内变化时(l₀就是指水平移动段CD对应的吊具摆长，具体指图3中的l₀)，对应该变化范围的第一个控制模型所用摆长代表值

摆长代表值的摆长变量部分取第一个摆长变化量区间范围的中间值，即Δl的一半，选择小车-吊具模型M₁，图2中简称吊具模型M₁；当摆长的变化范围超出了Δl但小于2倍的Δl时，则相应的控制模型所用的参考模型的摆长代表值的选取方法与前面的相同，此时的代表值选择相应的小车-吊具模型M₂，图2中简称吊具模型M₁。依次类推，当第i个控制模型所用的参考模型的摆长的代表值

(i＝1，2，…，n)，当然，在本发明的其他实施例中，也可以采用区间范围平均值以外的值作为摆长变量部分来获得摆长代表值，如在范围中间值附近选取。由各个定量的摆长代表值可建立吊具运行过程中的n个小车-吊具模型M₁，M₂，…，M_n。各控制模型为使用定量摆长的数学模型，因此在确定摆长代表值后的控制模型的建立与现有技术的原理基本相同，为便于理解，这里给出根据拉格朗日方程推导数学模型的推导过程：

在上述假设前提下，集装箱桥吊系统有三个自由度，分别取

和θ作为广义坐标，利用拉格朗日动态方程，可推导出系统模型的运动方程为：

引入如下新的变量：

其中：x——小车的移动距离，l——钢丝绳长度(吊具摆长)。同时定义如下关系式：

J_{1} = m_{1} r_{1}^{2},

J_{2} = m_{2} r_{2}^{2},

T₁＝u₁r₁，T₂＝u₂r₂ (3)

这里，m₁和m₂分别表示小车和起升驱动系统的等效质量。

将(2)和(3)式分别代入到(1)式可以得到：

\{\begin{matrix} (m_{1} + m_{T} + m_{L}) \overset{. .}{x} + m_{L} \overset{. .}{l} \sin θ - m_{L} l {\dot{θ}}^{2} \sin θ + 2 m_{L} \dot{l} \dot{θ} \cos θ + m_{L} l \overset{. .}{θ} \cos θ = u_{1} \\ \frac{1}{2} m_{L} \overset{. .}{x} \sin θ + 2 (m_{2} + \frac{1}{4} m_{L}) \overset{. .}{l} - \frac{1}{2} m_{L} l {\dot{θ}}^{2} - \frac{1}{2} m_{L} g \cos θ = u_{2} \\ l \overset{. .}{θ} + 2 \dot{l} \dot{θ} + g \sin θ + \overset{. .}{x} \cos θ = 0 \end{matrix} - - - (4)

假定摆角θ足够小，则有近似关系：

sinθ≈θ，cosθ≈1，

(α≥0，β≥0，α+β≥2) (5)

方程(4)可以简化为：

\{\begin{matrix} (m_{1} + m_{T} + m_{L}) \overset{. .}{x} + m_{L} θ \overset{. .}{l} = u_{1} \\ (2 m_{2} + \frac{1}{2} m_{L}) \overset{. .}{l} - \frac{1}{2} m_{L} g + \frac{1}{2} m_{L} θ \overset{. .}{x} = u_{2} \\ l \overset{. .}{θ} + 2 \dot{l} \dot{θ} + gθ = - \overset{. .}{x} \end{matrix} - - - (6)

多控制模型切换的防摇控制方法的原理图如图2所示，整个控制系统采用双闭环控制，内环控制小车的运行规律，外环控制吊具的摆动角度，同时，小车的运动会带来吊具的摆动。“-”表示负反馈，u₁代表小车的控制输入，u₂代表起升电机的控制输入，u_r代表外部扰动(如风扰等)所引起的吊具摆角的变化，σ代表事件驱动切换规则。事件驱动切换规则σ是指：判断摆长变化量所落入的变化量判断区间，根据判断结果，从基于变化量判断区间的各摆长代表值所建立的n个小车-吊具模型M₁，M₂，…，M_n中选取相应的小车-吊具模型。在图2中，通过吊具钢丝绳卷筒传动轴相连的起升绝对式旋转编码器获取吊具摆长的变化量，同时，小车的水平运动、吊具的起升运动以及外部的扰动均会引起吊具的摆动，进而使吊具摆角θ产生相应的变化，吊具摆角θ的变化由机器视觉传感器测量，送入到防摇控制器中。然后在选取的控制模型下的防摇控制器根据获取的吊具摆角与摆长代表值计算出小车调速参数并向小车行走控制器提供调速信号而进行速度调节。

上述实施例中的判断区间是以摆长变化量为判断值，实时的摆长变化量可由实时摆长减去摆长初值l0获得，当然在本发明的其他实施例中也可以采用摆长为判断值而建立摆长判断区间，摆长判断区间建立方式与摆长变化量判断区间的建立方式类似，摆长判断区间与摆长变化量判断区间相比，仅是原数值上增加了一个l0。

上述的多控制模型切换的防摇控制方法可以推广到用于其他场合的桥式起重机，桥式起重机简称桥吊，即本发明的桥吊防摇控制方法的实施例，由于小车运行过程不唯一而可以不对小车运行过程分段，只划分摆长变化范围的区间，仅包含上述的多控制模型切换的防摇控制方法即可完成防摇控制。

Claims

1.一种桥吊防摇控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

将小车运行时的吊具摆长或摆长变化量的总范围划分成至少两段连续的判断区间，从各判断区间的范围内获取代表该区间的定量的摆长代表值，基于所述的摆长代表值建立与每个判断区间一一对应的控制模型，控制模型是反映小车运动与吊具摆动的动态关系的数学模型；所述摆长代表值可选择以下两种方法中的其中一种获取：第一种方法：所述判断区间为吊具摆长变化量判断区间，所述摆长代表值是由各段判断区间的摆长变化量的中间值加上摆长的最小值获得；第二种方法：所述判断区间为吊具摆长判断区间，所述摆长代表值是各段判断区间的摆长中间值；

2.根据权利要求1所述的桥吊防摇控制方法，其特征在于，所述各判断区间是在吊具摆长或摆长变化量的总范围中等分划分出的区间。

3.一种集装箱岸边桥吊防摇控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

将小车运行过程划分成起升段、起升移动段、水平移动段、下降移动段和下降段五个阶段；根据吊具摆长建立小车在水平移动段运行时的控制模型，将小车在起升段、起升移动段、下降移动段和下降段运行时的吊具摆长或摆长变化量的总范围划分成至少两段连续的判断区间，从各判断区间的范围内获取代表该区间的定量的摆长代表值，基于所述的摆长代表值建立与每个判断区间一一对应的控制模型，所述的控制模型均是反映小车运动与吊具摆动的动态关系的数学模型；所述摆长代表值可选择以下两种方法中的其中一种获取：第一种方法：所述判断区间为吊具摆长变化量判断区间，所述摆长代表值是由各段判断区间的摆长变化量的中间值加上摆长的最小值获得；第二种方法：所述判断区间为吊具摆长判断区间，所述摆长代表值是各段判断区间的摆长中间值；

4.根据权利要求3所述的集装箱岸边桥吊防摇控制方法，其特征在于，所述各判断区间是在吊具摆长或摆长变化量的总范围中等分划分出的区间。