CN103234002B - 抑制臂架回转振动的设备、方法、系统及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制臂架回转振动的设备、方法、系统及工程机械，所述设备包括：接收装置，用于接收臂架在回转方向上的位移；以及控制装置，用于在臂架回转动作结束后，计算所述位移与一参考位移之间的位移差，并根据该位移差通过比例微分算法生成用于减振执行机构的控制信号。通过上述技术方案，可通过检测回转方向上的位移并根据位移差确定控制信号，之后将该控制信号施加至减振执行机构，以抑制臂架的回转振动。这对于提高泵车操纵效率和安全性有重大意义。

Description

抑制臂架回转振动的设备、方法、系统及工程机械

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种用于抑制臂架回转振动的设备、方法、系统及工程机械。

背景技术

混凝土泵车在施工过程中，经常需要对臂架进行回转操作以满足施工定位需要。然而，由于混凝土泵车的臂架为多关节铰接的细长柔性悬臂梁结构，因此，通过操作遥控器对臂架进行回转操作时，虽然遥控器已经发出停止回转操作的信号，但是臂架会由于运动惯性而继续往复摆动。这样的往复摆动在影响臂架精确定位、定位时间的同时，也使得臂架的末端软管大幅摆动，对附近工作的工作人员带来了安全隐患。

目前针对回转操作的各种控制方法或装置均是针对回转操作进行的，没有针对回转振动进行的减振控制方法或装置。其他减振控制方法或装置也是针对竖直方向（即重力加速度方向）的臂架振动的，而不是针对回转方向。因此，有必要提供一种针对回转方向的振动进行减振控制的方法和装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对现有技术中混凝土泵车的回转操作所引起的回转振动进行减振控制的控制装置、系统和方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于抑制臂架的回转振动的设备，该设备包括：接收装置，用于接收臂架在回转方向上的位移；以及控制装置，用于在臂架回转动作结束后，计算所述位移与一参考位移之间的位移差，并根据该位移差通过比例微分算法生成用于减振执行机构的控制信号。

相应地，本发明还提供一种用于抑制臂架的回转振动的方法，该方法包括：接收臂架在回转方向上的位移；以及在臂架回转动作结束后，计算所述位移与一参考位移之间的位移差，并根据该位移差通过比例微分算法生成用于减振执行机构的控制信号。

相应地，本发明还提供一种用于抑制臂架的回转振动的系统，该系统包括：位移传感器；减振执行机构；以及上述用于抑制臂架的回转振动的设备。

相应地，本发明还提供一种工程机械，该工程机械包括上述系统。

通过上述技术方案，可通过检测回转方向上的位移并根据位移差确定控制信号，之后将该控制信号施加至减振执行机构，以抑制臂架的回转振动。这对于提高泵车操纵效率和安全性有重大意义。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的用于抑制臂架回转振动的系统的结构示意图；

图2为构建比例微分控制参数数据库的流程图；

图3为用于抑制臂架回转振动的算法流程图；

图4为未启动减振控制时臂架末端位移变化曲线图；以及

图5为启动减振控制时臂架末端位移变化曲线图。

附图标记说明

10  接收装置       20  控制装置

30  减振执行机构   40  遥控器

51  位移传感器     52  速度传感器

53  倾角传感器

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明所针对的是臂架回转动作结束之后所产生的回转振动，即当操作机手操作遥控器停止臂架的回转时，回转执行机构会立即停止工作，这时臂架会由于惯性而产生振动。本发明旨在抑制该振动。

图1为本发明提供的用于抑制臂架回转振动的系统的结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种用于抑制臂架回转振动的系统，该系统包括位移传感器51、减振执行机构30以及用于抑制臂架回转振动的设备。该设备包括：接收装置10，用于接收来自所述位移传感器51的臂架在回转方向上的位移（优选为臂架末端在回转方向的位移）；以及控制装置20，用于在臂架回转动作结束后，计算所述位移与一参考位移之间的位移差，并根据该位移差通过比例微分算法生成用于减振执行机构30的控制信号。藉此，可通过检测回转方向上的位移并根据位移差确定控制信号，之后将该控制信号施加至减振执行机构30，以抑制臂架的回转振动。

在计算位移差时，提到了“参考位移”，该参考位移是评价振动幅度的一个参考量，所述参考位移可为所述臂架在回转动作结束时在回转方向上的初始位移或所述臂架在回转动作结束之后的振动过程中在回转方向上的平衡位置所对应的位移。在臂架回转动作结束之初，不具有足够的回转振动位移数据（例如，至少一回转振动波峰所对应的位移及至少一回转振动波谷所对应的位移）来计算臂架振动过程中的平衡位置所对应的位移，此时可以以臂架回转动作结束时在回转方向上的初始位移来作为参考位移；而在臂架回转动作结束一段时间之后，可获取足够的回转振动位移数据，此时可根据该臂架的回转振动波峰所对应的位移以及回转振动波谷所对应的位移来计算臂架在回转方向上的平衡位置所对应的位移（例如，等于回转振动波峰所对应的位移与回转振动波谷所对应的位移之差除以2），并以该位移来作为参考位移。

由于臂架回转振动与臂架的姿态及泵送档位均存在关联，优选地，所述接收装置10还接收臂架的姿态信号（例如，该姿态信号可为来自用于检测各臂架倾角的倾角传感器53的信号，该信号可反映出臂架姿态）和/或泵送档位信号（该泵送档位信号可来自遥控器40）；所述控制装置20根据所述姿态信号和/或泵送档位信号，从一存储有比例系数K_p、微分时间常数T_D与姿态和/或泵送档位之间的映射关系的比例微分控制参数数据库获取臂架的当前姿态和/或当前档位所对应的比例系数K_p、微分时间常数T_D，并根据以下公式生成所述控制信号：

i(t)=K_P[Δdisp+T_D(Δdisp/dt)]

其中，t代表时间，i代表施加至所述减振执行机构的控制电流，Δdisp代表所述位移差。藉此，可通过结合臂架姿态及泵送档位，实现对回转振动进行更为精准的控制。

所述比例微分控制参数数据库的建立过程如图2所示。以下以姿态信号为例进行介绍。首先，选择一臂架姿态，然后给臂架系统输入一回转激励信号，并由位移传感器采集臂架末端的位移信号作为响应信号，然后对所述回转激励信号和响应信号进行动态特性分析，求得该臂架系统的幅频特性和相频特性。同时，根据回转激励信号和响应信号求得二者之间的关系，结合幅频特性得到比例系数K_p，结合相频特性得到微分时间常数T_D。最后，将臂架姿态、比例系数K_p、微分时间常数T_D对应地存储到数据库中。重复上述过程，选择不同的臂架姿态，从而得到针对不同臂架姿态的各个参数（即，比例系数K_p与微分时间常数T_D）。

类似的，也可针对泵送档位信号采用以上过程，从而得到针对不同泵送档位的比例系数K_p及微分时间常数T_D。优选地，可同时考虑臂架姿态与泵送档位，以建立针对该两者的比例系数K_p及微分时间常数T_D，藉此可更为细化臂架的工况，从而得到更为精确的参数。

在实际减振控制过程中，并不是所有回转方向上的振动都需要减振控制，有些振动过小可以忽略不对其进行减振控制以减小计算量。因此，优选情况下，所述接收装置还用于接收臂架在回转方向上的速度；所述控制装置用于在所述位移差不小于位移阈值或所述速度不小于速度阈值的情况下，根据所述位移差通过比例微分算法生成用于减振执行机构的控制信号，以进行减振控制；在所述位移差小于位移阈值且所述速度小于速度阈值的情况下，则不进行减振控制，即不生成所述控制信号。本发明通过同时考虑位移差及速度，可避免在单独以位移差或速度为判断是否实施减振控制的条件时所出现的不进行减振控制的死区，扩大了减振控制的控制范围，使得减振控制过程更加合理。

优选地，所述减振执行机构为回转执行机构。藉此，可无需添加额外的做东设备，大大节省成本。

下面结合图3所示的一个具体的流程图来说明本发明的一个优选实施方式，该实施方式结合了上面多种优选情况。

首先，控制装置20进行参数初始化，设置FlagC=0、FlagA=0，其中FlagC为是否存在遥控器电流（该电流是由遥控器产生的，当操作机手操纵遥控器手柄执行回转操作时，遥控器会产生该电流，而当停止操作遥控器时，该电流就消失）的标识符，其在存在遥控器电流时为1，不存在遥控器电流时为0。之后，监测遥控器产生的电流以及臂架末端的回转方向位移及回转方向速度，在当前时刻存在遥控器产生的电流的情况下，设置FlagC=1，不启动减振控制，继续上述监测操作；在当前时刻不存在遥控器产生的电流的情况下，设置FlagC=0，并继续判断上一时刻是否存在遥控器产生的电流。

在上一时刻存在遥控器产生的电流的情况下（即，代表回转动作刚刚结束），存储当前时刻回转方向位移disp0作为参考位移，并置FlagA=1，k=0；否则，判断是否FlagC=0且FlagA=1。如果不满足FlagC=0且FlagA=1，则不启动减振控制，继续上述监测操作；如果满足，则判断是否k<2。如果k<2，则表明尚不存在足够的回转振动位移数据来计算平衡位置所对应的位移，此时一方面需要以disp0作为参考位移来计算该参考位移与当前时刻的回转方向位移之差Δdisp，并在回转方向速度不小于速度阈值或位移差Δdisp不小于位移阈值的情况下，根据该位移差Δdisp进行PD控制；另一方面，需要继续判断是否回转方向速度等于0，如果是，则表明此时回转振动达到波峰或波谷位置，可设置k=k+1，并记录当前时刻回转位移dispk以用于之后计算平衡位置所对应的位移，如果回转方向速度不等于0，则继续上述监测操作。

如果不满足k<2，则表明存在足够的回转振动位移数据来计算平衡平衡位置所对应的位移，此时可计算平衡位置所对应的位移，并以该位移作为参考位移来计算位移差Δdisp。之后，判断是否回转方向速度小于速度阈值且位移差Δdisp小于位移阈值，如果回转方向速度小于速度阈值且位移差Δdisp小于位移阈值，则表明回转振动已到达理想状态，不需要进行减振控制，流程结束；否则，表明需要进行减振控制，可根据该位移差Δdisp进行PD控制。

图4为未启动减振控制时臂架末端位移变化曲线图，图5为启动减振控制时臂架末端位移变化曲线图。如图4所示，当遥控器电流停止之后，由于惯性作用，臂架还会继续向同一方向运动，臂架从最大振幅到基本稳定经历了11个周期。而在图5中，启动减振控制之后，臂架摆动的最大振幅大大减小，且经历5个周期之后趋于稳定。通过比较图4和图5可知，本发明的减振效果非常明显。

相应地，本发明还提供了一种用于抑制臂架的回转振动的方法，该方法包括：接收臂架在回转方向上的位移；以及在臂架回转动作结束后，计算所述位移与一参考位移之间的位移差，并根据该位移差通过比例微分算法生成用于减振执行机构的控制信号。有关该方法的具体细节及有益效果与上述针对用于抑制臂架的回转振动的设备相对应，于此不再赘述。

相应地，本发明还提供了一种工程机械，该工程机械包括上述用于抑制臂架的回转振动的系统。该工程机械可为各种具有回转台的工程机械，例如混凝土泵车等。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于抑制臂架的回转振动的设备，其特征在于，该设备包括：

接收装置，用于接收臂架在回转方向上的位移；以及

控制装置，用于在臂架回转动作结束后，计算所述位移与一参考位移之间的位移差，并根据该位移差通过比例微分算法生成用于减振执行机构的控制信号；

在臂架回转动作结束之初，不具有足够的回转振动位移数据来计算臂架振动过程中的平衡位置所对应的位移时，以臂架回转动作结束时在回转方向上的初始位移作为参考位移；或者，在臂架回转动作结束一段时间之后，可获取足够的回转振动位移数据时，将臂架在回转方向上的平衡位置所对应的位移作为参考位移。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述接收装置还接收臂架的姿态信号和/或泵送档位信号；

所述控制装置根据所述姿态信号和/或泵送档位信号，从一存储有比例系数K_p、微分时间常数T_D与姿态和/或泵送档位之间的映射关系的比例微分控制参数数据库获取臂架的当前姿态和/或当前泵送档位所对应的比例系数K_p、微分时间常数T_D，并根据以下公式生成所述控制信号：

i(t)＝K_P[Δdisp+T_D(Δdisp/dt)]

其中，t代表时间，i代表施加至所述减振执行机构的控制电流，Δdisp代表所述位移差。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述接收装置还用于接收臂架在回转方向上的速度；

所述控制装置用于在所述位移差不小于位移阈值或所述速度不小于速度阈值的情况下，根据所述位移差通过比例微分算法生成用于减振执行机构的控制信号。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述减振执行机构为回转执行机构。

5.一种用于抑制臂架的回转振动的方法，其特征在于，该方法包括：

接收臂架在回转方向上的位移；以及

在臂架回转动作结束后，计算所述位移与一参考位移之间的位移差，并根据该位移差通过比例微分算法生成用于减振执行机构的控制信号；

在臂架回转动作结束之初，不具有足够的回转振动位移数据来计算臂架振动过程中的平衡位置所对应的位移时，以臂架回转动作结束时在回转方向上的初始位移作为参考位移；或者，在臂架回转动作结束一段时间之后，可获取足够的回转振动位移数据时，将臂架在回转方向上的平衡位置所对应的位移作为参考位移。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

接收臂架的姿态信号和/或泵送档位信号；以及

根据所述姿态信号和/或泵送档位信号，从存储有比例系数K_p、微分时间常数T_D与姿态和/或泵送档位之间的映射关系的比例微分控制参数数据库中获取臂架的当前姿态和/或当前泵送档位所对应的比例系数K_p、微分时间常数T_D，

所述控制信号根据以下公式而被生成：

i(t)＝K_P[Δdisp+T_D(Δdisp/dt)]

其中，t代表时间，i代表施加至所述减振执行机构的控制电流，Δdisp代表所述位移差。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

该方法还包括接收臂架在回转方向上的速度，

根据该位移差通过比例微分算法生成用于减振执行机构的控制信号包括：在所述位移差不小于位移阈值或所述速度不小于速度阈值的情况下，根据所述位移差通过比例微分算法生成用于减振执行机构的控制信号。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述减振执行机构为回转执行机构。

9.一种用于抑制臂架的回转振动的系统，该系统包括：

位移传感器；

减振执行机构；以及

根据权利要求1-4中任一项所述的用于抑制臂架的回转振动的设备。

10.一种工程机械，其特征在于，该工程机械包括根据权利要求9所述的系统。