CN103264970A - 基于自学习的塔式起重机危险状态回转控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自学习的塔式起重机危险状态回转控制方法，具体步骤是：步骤1：在塔机上对塔机惯性、以及回转运行特性进行自学习；步骤2：根据塔机当前运行状态，视情进行减速或停车控制；步骤3：塔机低速截断控制后，将执行闭环控制；如果此时塔机危险角大于理想停车位置，系统将重新开启塔机控制方向的低速，允许塔机继续低速前行，靠近目标位置；步骤4：塔机失控，进入危险警戒线，立即采取刹车制动，直接停止塔机运动，刹车延时一定时间，然后打开刹车，允许塔机向安全方向转动。本发明方法，对塔机回转实行被动控制，停车调整并结合刹车控制，保证了停车的平稳性，避免了塔机回转惯性的冲击。

Description

基于自学习的塔式起重机危险状态回转控制方法

技术领域

本发明属于塔机起升自动控制技术领域，用于处理塔机在危险状态下的回转平稳减速、停止的被动控制，具体涉及一种基于自学习的塔式起重机危险状态回转控制方法。

背景技术

塔式起重机（亦称塔机）是建设房屋和桥梁的主要运输作业工具。一方面，工作重心高、起重载荷大、运行速度快，塔机工作中蕴藏较多的危险因素，特别是在现代大型建筑工地，多塔机协同工作的条件下，塔机工作情况更加复杂，塔机更容易发生恶性事故。另一方面，塔机操作属于高空作业，司机注意力长时间高度集中，劳动强度大，容易疲劳，经常处于接近极限状态作业，为塔机重大事故埋下隐患。目前，欧洲国家以及东南亚的香港、台湾、韩国、新加坡等城市均有强制的法规，要求施工塔机必须安装塔机安全监控装置。塔机安全监控设备的一个核心功能之一就是：防止塔机与周边建筑以及与协同作业塔机之间发生碰撞，上述功能需要在危险状态下对塔机的危险运行施行控制，从而避免碰撞事故发生。

塔机起重臂转动惯性大，不同型号塔机的转动惯性不同，回转控制困难，同时，塔机的现场环境复杂，如现场风速，载荷惯性等，都会影响塔机的回转控制，如果塔机回转控制不当将会对塔机钢结构产生冲击，还可能导致塔机的作业范围变小，影响施工进度。因此，塔机的回转控制方法是塔群防碰撞的重点，近几年已有高校以及研究所对塔群防碰撞装置进行研究，实现了塔机对危险状态的判断以及报警，然而系统一般不会对塔机进行控制，主要就是因为塔机回转的平稳控制相当困难。

塔机的运动状态是受塔机司机的操控，它是一种人的主观行为，一般情况司机发现危险，会提前采取减速、停车的行为，然而，有些情况下，司机没有发现危险，此时，防碰撞装置将会根据危险情况，做出避障控制，这种控制将会是一种被动控制，是一种辅助控制的原则，基本原理是：在安全状态下，不干预人的操作，当发生危险，系统截断人为操作行为的实施，也就是提前切断人的危险操作行为，从而避免危险发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于自学习的塔式起重机危险状态回转控制方法，解决了现有技术中的司机没有发现危险情况，导致危险发生的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于自学习的塔式起重机危险状态回转控制方法，依赖一种防碰撞装置，首先对塔机的惯性进行自学习，然后借助对塔机危险状态的识别，利用预设的被动控制方案，对塔机回转实行控制，具体按照以下步骤实施：

步骤1：在塔机上对塔机惯性、以及回转运行特性进行自学习；

步骤2：根据塔机当前运行状态，视情进行减速或停车控制；

步骤3：塔机低速截断控制后，将执行闭环控制，进入停止位置调整过程，系统实时检测塔机当前转速，当塔机转速为零，停止回转；如果此时塔机危险角大于理想停车位置，系统将重新开启塔机控制方向的低速，允许塔机继续低速前行，靠近目标位置；

步骤4：塔机失控，进入危险警戒线，立即采取刹车制动，直接停止塔机运动，刹车延时一定时间，然后打开刹车，允许塔机向安全方向转动。

本发明的有益效果是：

1）系统采用被动、辅助控制方式，只对塔机危险行为进行截断控制，避免危险发生，不会主动引起塔机运行，这样，充分发挥司机行为的自主性，以及人的灵活性，通过辅助的方式，避免人的错误行为。

2）通过自学习的方式了解塔机的回转性能，在此基础上，当塔机回转进入危险状态，系统提前对塔机施行减速、停车控制，有利于停车的平稳，避免了回转控制的冲击。

3）由于塔机的运行状态复杂，受当前的环境影响比较大，采取固定的开环减速停止控制，会导致塔机控制位置不好，影响塔机作业范围，本发明利用塔机速度以及危险状态的反馈信息，当塔机进入截止低速后，采取闭环控制，施行低速重启策略，调整塔机回转停止位置，保证了平稳性停车的同时，保证了塔机的作业空间。

附图说明

图1是本发明塔机回转控制方法中的控制结构框图；

图2是本发明塔机回转控制方法中的被动控制原理框图；

图3是本发明塔机回转控制方法中的控制原理示意图。

图中，1.主控制器，2.回转角度检测仪，3.回转角速度检测仪，4.小车变幅检测仪，5.无线通讯模块，6.司机操作手柄，7.电气控制柜，8.塔机回转电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1、图2，本发明方法利用一套防碰撞装置，该防碰撞装置的结构是，包括在司机操作手柄6输出端设置有主控制器1，主控制器1输出端与电气控制柜7输入端连接，电气控制柜7输出端与塔机回转电机8连接，塔机回转电机8与塔机回转机构传动连接；主控制器1通过串口连接有无线通讯模块5，主控制器1另外与回转角度检测仪2、回转角速度检测仪3、小车变幅检测仪4分别连接。

主控制器1中内置有塔机防碰撞控制的程序。主控制器1通过无线通讯模块5获得协同塔机位置，以及自身当前位置进行自身危险状态判断，然后，给出危险状态的输出控制。主控制器1的输出采用开关量输出控制，用于截断塔机司机的手柄控制信号。

回转角度检测仪2用于检测塔机自身的回转角度，回转角速度检测仪3用于检测塔机自身的回转角速度，小车变幅检测仪4用于检测塔机小车幅度；无线通讯模块5与主控制器1通过串口连接，用于接收协同作业其他塔机的状态，同时，该模块也将塔机自身的状态发送给别的协同塔机。

参照图2，本发明方法的防碰撞装置被动控制过程是，司机操作手柄6用于控制塔机回转的方向以及转速档位；主控制器1的开关控制量即为防碰撞装置输出的控制信号，正常情况下，该控制信号导通，塔机的运行完全由司机的手柄信号通过电气控制柜7控制；当危险将要发生时，防碰撞装置主控制器1根据情况发出控制信号，截断司机操作手柄6的相应手柄信号通路，避免塔机继续向危险方向运行，实现被动控制。

参照图3，是本发明控制方法实施例的塔机回转控制原理示意图，假设塔机当前危险位置的角度为θ，当前转动角速度为ω，警戒停止位置为θ₄，失控状态的刹车位置为θ₀；根据塔机的惯性，为了减少冲击，采用分级减速，防碰撞装置首先进行自学习，设置三个速度档安全控制位置角度分别为θ₃、θ₂以及θ₁，对应于塔机的高速、中速以及低速（逐级减速）的安全控制；由于塔机当前状态不同，在主控制器1中预装的基本控制程序，其控制逻辑如下：

1）主控制器1检测到当前危险角度θ，如果当前危险角度θ小于塔机的3速控制角θ₃，主控制器1将输出开关量信号截止塔机向危险方向的3速（高速）转动；

2）如果当前危险角度θ小于塔机的2速控制角θ₂，主控制器1将输出开关量信号截止塔机向危险方向的3速以及2速的转动；

3）如果当前危险角度θ小于塔机的1速控制角θ₁，主控制器1将输出开关量信号截止塔机向危险方向的全部运行，此时，塔机进入完全惯性转动过程，主控制器1进入反馈控制状态，防碰撞装置通过实时检测塔机塔前危险角θ，以及当前转动角速度ω，调整停车位置，

如果：当角速度ω＝0，当前危险角θ≥θ₄，则主控制器1将输出开关量信号重新开启1速（低速），允许塔机继续低速前行，直到θ≤θ₄，塔机截断低速停止运行；

如果：当角速度ω＝0，当前危险角θ≤θ₄，则主控制器1将输出开关量信号保持控制状态，塔机停止运行；

如果：当角速度ω≥0，则主控制器1将输出开关量信号保持控制状态，直至塔机停止；

上述控制逻辑是在塔机进入低速控制后，为了保证塔机作业区域，自动调整停止位置。

4）塔机失控，危险角θ小于刹车角，主控制器1将输出开关量信号直接采取刹车，此时，（刹车装置）紧急启动抱闸刹车，并持续抱闸时间2秒，确保塔机向危险方向的运动停止，然后送开刹车，允许塔机向安全方向低速安全转动。

本发明的塔机自适应回转控制方法，依赖上述的防碰撞装置，利用人工智能控制的原理，首先对塔机的惯性进行自学习，然后借助对塔机危险状态的识别，利用上述的被动控制方案，对塔机实行控制，具体按照以下步骤实施：

步骤1：在塔机上对塔机惯性、以及回转运行特性进行自学习，对塔机状态自学习过程分为三步：

1.1）塔机在1速运动中，突然截断1速，塔机靠惯性转动，记录从截止到停止，塔机的回转惯性角θ₁；并将该角度θ₁设置为回转1速控制角；

1.2）塔机在2速运动中，突然截断2速，塔机先降低到1速中运行，然后截止1速，塔机靠惯性转动，记录从截止2速到塔机转动停止，塔机2速的控制角θ₂；并将该角度θ₂设置为回转2速控制角；

1.3）塔机在3速运动中，突然截断3速，塔机先降低到2速中运行，然后截止2速降低到1速中运行，最后截止1速，塔机靠惯性转动，记录从截止3速到塔机停止转动，塔机3速的控制角θ₃；并将该角度θ₃设置为回转3速控制角；

步骤2：根据塔机当前运行状态，视情进行减速或停车控制；

当前危险角度θ小于塔机的3速控制角θ₃，主控制器1将输出信号截止塔机向危险方向的3速转动；

当前危险角度θ小于塔机的2速控制角θ₂，主控制器1将输出信号截止塔机向危险方向的3速以及2速转动；

当前危险角度θ小于塔机的1速控制角θ₁，主控制器1将输出信号截止塔机向危险方向的全部转动，此时，塔机进入全惯性状态；

步骤3：塔机1速截断控制后，将执行闭环控制，进入停止位置调整过程，在该调整过程中，塔机已经没有转动动力的输入，塔机完全处于惯性滑行，此时，系统实时检测塔机当前转速，当塔机转速为零，停止回转，如果此时塔机危险角大于理想停车位置，系统将重新开启塔机控制方向的低速，允许司机继续低速前行，靠近目标位置。（需要强调的是，由于整个控制方法中均采取被动控制，在没有达到完全危险状态，塔机的运行还是由司机的操作动作来控制，但一旦进入警戒状态，司机的操作行为将被截止。）

步骤4：塔机失控，进入危险警戒线，立即采取刹车制动，直接停止塔机运动。

实施例

以某型16吨塔机为例，起重臂长50米，通过自学习，塔机3个档速控制角以及刹车角的参数分别是：

θ₃为45°；θ₂为25°；θ₁为15°；θ₄为10°；θ₀为5°；刹车时间为2秒。

利用本发明上述的回转控制方法，塔机回转控制停车平稳，停车位置相对准确，有效利用了塔机的工作范围，保证了安全工作。

综上所述，本发明的塔机防碰回转控制方法，采用被动控制方式，提高了塔机控制的可靠性；同时本发明采用分段逐级减速制动，实现先减速再停车，减少冲击，保证了回转停车的平稳性。

Claims (5)

1.一种基于自学习的塔式起重机危险状态回转控制方法，其特征在于，依赖一种防碰撞装置，首先对塔机的惯性进行自学习，然后借助对塔机危险状态的识别，利用预设的被动控制方案，对塔机回转实行控制，具体按照以下步骤实施：

步骤1：在塔机上对塔机惯性、以及回转运行特性进行自学习；

步骤2：根据塔机当前运行状态，视情进行减速或停车控制；

步骤3：塔机低速截断控制后，将执行闭环控制，进入停止位置调整过程，系统实时检测塔机当前转速，当塔机转速为零，停止回转；如果此时塔机危险角大于理想停车位置，系统将重新开启塔机控制方向的低速，允许塔机继续低速前行，靠近目标位置；

步骤4：塔机失控，进入危险警戒线，立即采取刹车制动，直接停止塔机运动，刹车延时一定时间，然后打开刹车，允许塔机向安全方向转动。

2.根据权利要求1所述的基于自学习的塔式起重机危险状态回转控制方法，其特征在于，所述的步骤1中，对塔机状态自学习过程分为三步：

1.1）塔机在1速运动中，突然截断1速，塔机靠惯性转动，记录从截止到停止，塔机的回转惯性角θ₁；并将该角度θ₁设置为回转1速控制角；

1.2）塔机在2速运动中，突然截断2速，塔机先降低到1速中运行，然后截止1速，塔机靠惯性转动，记录从截止2速到塔机转动停止，塔机2速的控制角θ₂；并将该角度θ₂设置为回转2速控制角；

1.3）塔机在3速运动中，突然截断3速，塔机先降低到2速中运行，然后截止2速降低到1速中运行，最后截止1速，塔机靠惯性转动，记录从截止3速到塔机停止转动，塔机3速的控制角θ₃；并将该角度θ₃设置为回转3速控制角。

3.根据权利要求1所述的基于自学习的塔式起重机危险状态回转控制方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体判断过程是：

当前危险角度θ小于塔机的3速控制角θ₃，主控制器（1）将输出信号截止塔机向危险方向的3速转动；

当前危险角度θ小于塔机的2速控制角θ₂，主控制器（1）将输出信号截止塔机向危险方向的3速以及2速转动；

当前危险角度θ小于塔机的1速控制角θ₁，主控制器（1）将输出信号截止塔机向危险方向的全部转动，此时，塔机进入全惯性状态。

4.根据权利要求1所述的基于自学习的塔式起重机危险状态回转控制方法，其特征在于，所述的防碰撞装置结构是，在司机操作手柄（6）输出端设置有主控制器（1），主控制器（1）输出端与电气控制柜（7）输入端连接，电气控制柜（7）输出端与塔机回转电机（8）连接；

所述的主控制器（1）通过串口连接有无线通讯模块（5），主控制器（1）另外与回转角度检测仪（2）、回转角速度检测仪（3）、小车变幅检测仪（4）分别连接。

5.根据权利要求1所述的基于自学习的塔式起重机危险状态回转控制方法，其特征在于，所述的主控制器（1）中预装有控制程序，其控制逻辑如下：

1）主控制器（1）检测到当前危险角度θ，当前危险角度θ小于塔机的3速控制角θ₃，主控制器（1）将输出开关量信号截止塔机向危险方向的3速转动；

2）当前危险角度θ小于塔机的2速控制角θ₂，主控制器（1）将输出开关量信号截止塔机向危险方向的3速以及2速的转动；

3）当前危险角度θ小于塔机的1速控制角θ₁，主控制器（1）将输出开关量信号截止塔机向危险方向的全部运行，此时，塔机进入完全惯性转动过程，主控制器（1）进入反馈控制状态，防碰撞装置通过实时检测塔机塔前危险角θ，以及当前转动角速度ω，调整停车位置，

如果：当角速度ω＝0，当前危险角θ≥θ₄，则主控制器（1）将输出开关量信号重新开启转动1速，允许塔机继续低速前行，直到θ≤θ₄，塔机截断低速；

如果：当角速度ω＝0，当前危险角θ≤θ₄，则主控制器（1）将输出开关量信号保持控制状态，塔机停止；

如果：当角速度ω≥0，则主控制器（1）将输出开关量信号保持控制状态，直至塔机停止；

4）塔机失控，危险角小于刹车角，主控制器（1）将输出开关量信号直接采取刹车，此时，启动机械抱闸刹车，并持续抱闸时间2秒，然后打开刹车，允许塔机向安全方向转动。

Images