CN103303799A - 起重机控制器和起重机及其应用、及启动起重机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于起重机的起重机控制器、具有该起重机控制器的起重机、该起重机或起重机控制器的应用、以及用于启动起重机的方法。所述起重机控制器包括用于提升悬挂在缆索上的负载的升降装置，其中，起重机控制器具有缆索力模式，在该模式中，起重机控制器启动升降装置以便获得缆索力的设定值。

Description

起重机控制器和起重机及其应用、及启动起重机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于包括用于提升悬挂在缆索上的负载的升降装置（hoisting gear）的起重机的起重机控制器。

背景技术

在已知的起重机控制器中，通常使用控制装置或调节装置，其中，负载的期望位置或速度用作设定值。例如，起重机操作员经由手柄确定负载的期望速度，然后，将该速度用作起重机控制器的输入变量。

本发明的发明人已经认识到，升降装置的这种启动在某些组合体（constellation）中是不利的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种改进的起重机控制器。

通过根据本发明的实施方式解决此目的。

本发明示出了一种用于包括用于提升悬挂在缆索上的负载的升降装置的起重机的起重机控制器。根据本发明，起重机控制器具有缆索力模式（cable force mode），在该模式中，起重机控制器启动升降装置，以便获得缆索力的设定值。与参考负载的目标位置或目标速度操作的起重机控制器相比，对于某些升降情况，升降装置的这种基于作用在缆索中的期望力的启动可能具有优点。特别地，可通过根据本发明的起重机控制器的缆索力模式，来防止当放下负载时缆索产生松弛。有利地，自动地实现该启动。

优选地，启动绞车的速度和/或位置。特别地，可通过考虑系统的弹性来启动绞车的速度和/或位置，以便获得缆索力的设定值。

有利地，在缆索力模式中，可将缆索力保持在恒定设定值处。有利地，在缆索力模式中，起重机控制器启动升降装置，使得将缆索力自动地调节至指定的设定值。

可提供一种确定缆索力的实际值的缆索力确定单元。有利地，随后基于缆索力的实际值和设定值的比较来实现启动。

根据本发明，在缆索力模式中，可通过至少一个测量值的反馈来控制缆索力。有利地，缆索力确定单元基于缆索力传感器的测量信号来确定缆索力的实际值。

根据本发明，可将缆索力传感器布置在升降装置处，特别是在升降绞车的底座（mount，安装座）和/或索轮的底座处。例如，可将缆索力传感器布置在凸出部（tab）中，所述凸出部将升降绞车固定在升降绞车基部上，或者所述突出部保持引导起重索的索轮。

此外，缆索力确定单元可经由测量值的过滤或基于模型的评估，来确定缆索力的实际值。特别地，可提供观察器，所述观察器基于测量值以及缆索的动态的物理模型，来确定缆索力。

此外，根据本发明的起重机控制器可包括设定值确定单元，所述设定值确定单元参考测量值和/或控制信号和/或用户的输入，来确定缆索力的设定值。

例如，设定值确定单元可确定在提升过程中作用于缆索上的静力。特别地，可确定在缆索力模式之前的提升操作过程中作用于缆索上的静力。特别地，该静力与所提升的负载的重量相应。例如，可通过过滤来去除作用于缆索中的力的动态部分。

此外，在根据本发明的设定值确定单元中可包括缆索长度。特别是在提升较大缆索长度的过程中，作用于缆索悬挂点处的负载还分别取决于解开缆索的长度及其重量。有利地，设定值确定单元因此考虑解开缆索的重量。

特别地，可确定所提升负载的重量，因为可利用自由悬挂的负载，从测量的力的静态部分中推导出解开缆索的重量。有利地，设定值确定单元于是考虑所提升负载的重量，从而确定在缆索力模式中目前解开的缆索的重量。

当经由未布置在起重吊钩上而是例如布置在升降装置上的传感器测量缆索力时，考虑缆索长度的设定值确定单元是特别有利的。

此外，根据本发明的起重机控制器可包括输入元件，经由该输入元件，起重机操作员可改变缆索力的设定值。从而，起重机操作员在缆索力模式过程中可设置在缆索中将保持何种张紧。

有利地，可输入对应的因数（factor），所述因数确定提升过程中的缆索力的设定值和静力之间的比。例如，起重机操作员由此可规定，在缆索力模式的过程中，缆索力的至少一部分应该与之前作用于缆索上的负载的重力成一定比例。

有利地，缆索力的设定值确定成其始终大于由解开的负载缆索所产生的重力。因此，可确保，在缆索力模式中不会导致缆索松弛。如上面已经描述的，有利地，为此目的考虑缆索长度，并确定解开的缆索的重量。特别地，缆索力的设定值可包括解开的负载缆索产生的重力和与之前作用于缆索上的负载的重力成特定比例的力的总和。

在缆索力模式中，根据本发明的起重机控制器可包括：导航控制部件，所述导航控制部件考虑缆索的动态性；以及反馈部件，由缆索力确定单元确定的缆索力经由该反馈部件反馈回来。例如，导航控制部件可以描述缆索的振动动态性的模型的反转为基础。有利地，导航控制部件考虑解开的缆索的重量。然后，经由反馈部件使启动稳定。

此外，根据本发明的起重机控制器可包括状态检测，其中，起重机控制器参考该状态检测而自动地切换入缆索力模式和/或从缆索力模式切换出。有利地，该状态检测可检测负载的放下和/或拾起。因此，当起重机控制器识别到负载的这种放下或拾起时，其可自动地切换入缆索力模式或从缆索力模式切换出。

替换地，也可由起重机操作员手动地实现一个或两个方向上的切换。

有利地，状态识别每个均可指示当前的状态。

有利地，该状态检测监控缆索力，以检测起重机的状态，特别是检测负载的放下和/或拾起。有利地，当存在负的负载变化时和/或当缆索力的导数低于一定阈值时，会识别到负载的放下，然而，起重机操作员经由输入装置规定负载的降低。相反地，当存在正的负载变化时和/或当缆索力的导数高于一定阈值时，会识别到负载的拾起，然而，起重机操作员经由输入装置规定负载的提升。

此外，根据本发明的起重机控制器可包括提升模式，在该提升模式中，基于负载位置和/或负载速度的设定值，和/或基于缆索位置和/或缆索速度的设定值，来启动提升装置。可提供一种控制器，该控制器在提升模式中反馈回负载位置和/或负载速度和/或缆索位置和/或缆索速度的实际值。

有利地，当起重机控制器检测到负载的放下时，所述起重机控制器从提升模式转换到缆索力模式中。

此外，当起重机控制器检测到并可能指示负载的拾起时，起重机控制器或起重机操作员可从缆索力模式转换到提升模式中。

在缆索悬挂点或负载堆放点移动的提升过程中，可特别优选地使用根据本发明的起重机控制器，这种情况通常是由于例如布置在船上的起重机中的升起，或由于待堆放在船上的负载。

由于根据本发明的缆索力模式的原因，可防止出现缆索的松弛，不管缆索悬挂点或负载堆放点如何运动，因为经由缆索力模式在缆索中保持恒定的张力。从而避免作用于缆索上和起重机上的部分巨大的负载，该负载会在缆索松弛的情况中产生。

根据本发明的起重机控制器可包括主动升起补偿，通过启动升降装置，所述主动升起补偿可至少部分地补偿缆索悬挂点和/或负载堆放点由于升降而产生的移动。从而，在升起过程中可实现起重机的甚至进一步改进的启动。

有利地，基于预测缆索悬挂点或负载堆放点由于升起而产生的将来的移动的预测，而实现主动升起补偿，并所述主动升起补偿通过升降装置的相应启动来至少部分地对所述将来的移动进行补偿。

可在根据本发明的起重机控制器的提升模式中和/或缆索力模式中使用主动升起补偿。

此外，本发明包括具有如上面已经描述的起重机控制器的起重机。

特别地，根据本发明的起重机可以是甲板起重机。甲板起重机是布置在浮船上的起重机。在这种起重机中，缆索悬挂点由此可由于升降的原因而移动。

替换地，例如，根据本发明的起重机还可以是港口起重机或近岸（offshore，近海）起重机或塔式缆索挖掘机，特别是移动式港口起重机。用港口起重机将负载装载在船上，或从船上卸载负载。因此，还可将根据本发明的起重机安装在钻井平台上。在这种用于对船装载或卸载的起重机中，负载堆放点可由于升起的原因而移动。

此外，本发明包括在提升情况中使用根据本发明的起重机控制器，在该提升情况中，缆索悬挂点和/或负载堆放点由于外部影响的原因而运动，例如，由于升起的原因。然而，外部影响还可能是使缆索悬挂点运动的风力负载。

这里，根据本发明的缆索力模式可防止由于此外部运动的原因而导致的缆索松弛。特别地，缆索悬挂点可以是起重机顶部，将起重索从该起重机顶部引导至负载。当所受缆索悬挂点例如由于升起的原因而运动时，将此运动传递至缆索并由此传递至负载。例如，负载堆放点可以是浮船（特别是海船）的装载区域。当负载堆放点随着负载放下而运动时，可导致缆索松弛或可提升负载。

此外，本发明包括一种在负载放下的情况下根据本发明的起重机控制器的应用。特别地，根据本发明的缆索力模式自动地确保对缆索力的期望设定值进行保持。有利地，这通过根据本发明的缆索力的控制来实现。

此外，本发明包括一种用于启动包括用于提升悬挂在缆索上的负载的升降装置的起重机的方法。根据本发明，基于缆索力的设定值而启动升降装置。这也提供已经在上面针对起重机控制器及其应用而详细阐述的优点。

有利地，如已经在上面针对根据本发明的起重机控制器及其应用而详细描述的那样来实现该方法。

特别地，可用如上面已经描述的起重机控制器来执行根据本发明的方法。

有利地，根据本发明的起重机控制器在检测到堆放操作时，自动地切换入缆索力模式。有利地，实现从在检测到堆放操作时当前测量的力到实际目标力的斜面形状的过渡，以避免参考变量中的设定值跳跃。

此外，为了提升负载，一开始可将目标力升高至使得提升被负载的程度。此外，有利地，利用自由悬挂负载执行从目标力模式到提升模式的切换。

有利地，起重机操作员可手动地从缆索力模式切换到提升模式。替换地，这由起重机控制器自动地实现。

此外，有利地，在缆索力模式中，还自动地禁用输入装置，其中起重机操作员可经由该输入装置规定提升模式中的负载的运动。

此外，本发明包括具有用于执行如上所述的方法的代码的软件。可将该软件储存在机器可读的数据存储介质上。有利地，当将根据本发明的软件安装在起重机控制器上时，根据本发明的起重机控制器可通过该软件来实施。

有利地，用电子控制单元来实现根据本发明的起重机控制器，特别是缆索力模式。特别地，可提供一种控制计算机，其与输入元件和/或传感器连接，并产生用于启动提升装置的启动信号。此外，可将控制计算机与显示装置连接，显示装置将与起重机控制器的状态相关的信息可视地显示给起重机操作员。有利地，显示装置根据本发明指出起重机控制器是否处于缆索力模式中和/或处于提升模式中。此外，可根据本发明而显示设定值。有利地，可将控制计算机与输入元件连接，可经由该输入元件设定期望缆索力。进一步有利地，将控制计算机与缆索力传感器连接。

附图说明

现在将参考示例性实施方式和附图来详细地说明本发明。

在图中：

图1示出了根据本发明的布置在浮船上的起重机，

图2示出了用于升起补偿和操作员控制的分离轨迹规划（trajectoryplanning，轨迹设计）的结构，

图3示出了用于规划具有稳定摆动（jerk，跳动）的轨迹的四阶积分链，

图4示出了用于轨迹规划的非等距离散化，与时间时界的开始处相比，该非等距离散化朝着时间时界的结束处使用更大的距离，

图5示出了在时间时界的结束时如何使用速度的实例来首先考虑变化约束，

图6示出了用于操作员控制的轨迹规划的三阶积分链，其参考摆动增加而工作，

图7示出了操作员控制的路径规划的结构，其考虑驱动器的约束，

图8示出了具有相关联的切换时间的示例性摆动曲线，参考路径规划从该摆动曲线中计算出升降装置的位置和/或速度和/或加速度的轨迹，

图9示出了用摆动增加产生的速度和加速度轨迹的路线，

图10示出了具有主动升起补偿和目标力模式的启动概念的概略图，这里叫做恒定张力模式，

图11示出了用于主动升起补偿的启动的电路框图，以及

图12示出了目标力模式的启动的电路框图。

具体实施方式

图1示出了具有用于启动升降装置5的根据本发明的起重机控制器的起重机1的一个示例性实施方式。升降装置5包括移动缆索4的升降绞车。在缆索悬挂点2上引导缆索4，在该示例性实施方式中，所述缆索悬挂点是起重机处的起重机吊杆的端部处的偏转滑轮。通过移动缆索4，可提升或降低悬挂在缆索上的负载3。

可提供测量升降装置的位置和/或速度并将相应信号传递至起重机控制器的至少一个传感器。

此外，可提供测量缆索力并将相应信号传递至起重机控制器的至少一个传感器。可将该传感器布置在起重机本体的区域中，特别是绞车5的底座中和/或索轮2的底座中。

在该示例性实施方式中，将起重机1布置在浮船6上，在这里是海船。如图1中同样地示出的，浮船6由于升起的原因而围绕其六个自由度运动。从而，还移动布置在浮船6上的起重机1和缆索悬挂点2。

根据本发明的起重机控制器可包括主动升起补偿，该主动升起补偿通过启动升降装置来至少部分地补偿缆索悬挂点2由于升起而产生的运动。特别地，至少部分地补偿缆索悬挂点由于升起而产生的竖直运动。

该升起补偿可包括从传感器数据确定当前升起运动的测量装置。该测量装置可包括布置在起重机基座处的传感器。特别地，这可以是陀螺仪和/或倾角传感器。特别优选地，提供三个陀螺仪和三个倾角传感器。

此外，可提供预测装置，该预测装置参考确定的升起运动和升起运动的模型来预测缆索悬挂点2的将来的运动。特别地，预测装置仅预测缆索悬挂点的竖直运动。与该测量和/或预测装置结合，可能能够将船在测量装置的传感器的点处的运动转换成缆索悬挂点的运动。

有利地，该预测装置和测量装置例如如在DE102008024513A1中更详细地描述的那样配置。

替换地，根据本发明的起重机还可以是用于从布置在浮船上的负载堆放点提升负载和/或将负载降低至该负载堆放点的起重机，该浮船由此随着升起而运动。在此情况中，预测装置必须预测负载堆放点的将来的运动。这可与上述过程类似地实现，其中，将测量装置的传感器布置在负载堆放点的浮船上。例如，该起重机可以是港口起重机、近岸起重机或塔式缆索挖掘机。

在示例性实施方式中，用液压方式驱动升降装置5的升降绞车。特别地，提供液压泵和液压电机的液压回路，经由该液压回路驱动升降绞车。优选地，可提供液压储蓄器（accumulator），经由该液压储蓄器在降低负载时储存能量，使得当提升负载时此能量是可用的。

替换地，可以使用电驱动器。该电驱动器也可以与蓄能器连接。

在下文中，现在将示出本发明的一个示例性实施方式，其中，共同实现本发明的多个方面。然而，各个方面也可各自独立地用于开发如在本申请的总括部分中描述的本发明的实施方式。

1.参考轨迹的规划

为了执行主动升起补偿的所需的预测行为，使用包括导航控制和反馈的两个自由度的结构形式的连续控制。通过微分参数化计算导航控制，并且，该导航控制需要可稳定微分两次的参考轨迹。

为了进行规划，决定驱动器可遵循特定轨迹。因此，还必须考虑升降装置的约束。所考虑的起始点是缆索悬挂点的竖直位置

和/或速度例如，这通过在DE102008024513中描述的算法在固定时间界限（horizon，时界）上预测。另外，在轨迹规划中还包括起重机操作员的手柄信号，操作员通过该信号在惯性坐标系中移动负载。

为了安全的原因，在主动升起补偿失效的情况中，还仍然需要可经由手柄信号移动绞车。利用轨迹规划所用的概念，因此实现补偿运动的参考轨迹的规划与由于手柄信号的结果而产生的那些规划之间的分离，如图2所示。

在图中，

和表示对补偿所规划的位置、速度和加速度，并且，

和表示缆索的有层理解开或缠绕的位置、速度和加速度，如基于手柄信号所规划的。在进一步执行的过程中，针对升降绞车的运动的规划参考轨迹总是分别用

和

表示，因为这些规划参考轨迹用作针对驱动动态的系统输出的参考。

由于分离轨迹规划的原因，对于升起补偿切断的情况，或者，在手动操作中手柄控制的升起补偿完全失效的情况中（例如，由于IMU的失效），可能使用相同的轨迹规划以及相同连续控制器，从而利用升降补偿的接通产生相同的操作行为。

不管完全独立的规划如何，为了不违反速度的设定约束v_max和加速度的设定约束a_max，通过加权因子0≤k_l≤1（参考图2）分离v_max和a_max。所述加权因子由起重机操作员规定，因此，使得单独地分离进行补偿和/或移动负载可用的功率。因此，补偿运动的最大速度和加速度是(1-k_l)v_max和(1-k_l)a_max，用于缆索的有层理解开和缠绕的轨迹是k_lv_max和k_la_max。在操作过程中，可执行k_l的变化。由于最大可能的行进速度和加速度取决于缆索和负载的总质量，所以v_max和a_max在操作中也会变化。因此，同样地，将相应的可用值移交（hand over）给轨迹规划。

通过分离功率，可能不完全利用控制变量约束，但是，起重机操作员可轻松地并直观地调节主动升起补偿的影响。

k_l=1的加权等于切断主动升起补偿，由此，接通和切断的补偿之间的平稳过渡变得可能。

本章节的第一部分在开始说明了用于补偿缆索悬挂点的竖直运动的参考轨迹

和

的产生。在这里，本质的方面是，利用所规划的轨迹竖直运动被补偿，只要由于通过kl设置的设定约束所述竖直运动是可能的。

因此，通过在整个时间时界上预测的缆索悬挂点的竖直位置和速度 ${\tilde{z}}_a^h={[{\tilde{z}}_a^h(t_k+T_{p,1})...{\tilde{z}}_a^h(t_k+T_{p,K_p})]}^T$ 和 ${\stackrel{\stackrel{\·}{~}}{z}}_a^h={[{\stackrel{\stackrel{\·}{~}}{z}}_a^h(t_k+T_{p,1})...{\stackrel{\stackrel{\·}{~}}{z}}_a^h(t_k+T_{p,K_p})]}^T,$ 由此可用公式表示最优控制问题，其是周期性解决的，其中，K_p表示所预测时间步骤的数量。随后将讨论相关联的数值解法和实现方式。

本章节的第二部分涉及用于使负载行进的轨迹

和

的规划。该规划直接从起重机操作员的手柄信号w_hh产生。通过增加最大容许摆动来实现该计算。

1.1用于补偿的参考轨迹

在用于升降绞车的补偿运动的轨迹规划中，必须考虑有效的驱动约束，从缆索悬挂点的所预测竖直位置和速度产生足够平滑的轨迹。随后，将此任务看作是约束的优化问题，其在每个时间步骤可在线地解决。因此，该方法就像是一种模型预测控制的设计，但是是在模型预测轨迹产生的意义上。

用缆索悬挂点的竖直位置 ${\tilde{z}}_a^h={[{\tilde{z}}_a^h(t_k+T_{p,1})...{\tilde{z}}_a^h(t_k+T_{p,K_p})]}^T$ 和速度 ${\stackrel{\stackrel{\·}{~}}{z}}_a^h={[{\stackrel{\stackrel{\·}{~}}{z}}_a^h(t_k+T_{p,1})...{\stackrel{\stackrel{\·}{~}}{z}}_a^h(t_k+T_{p,K_p})]}^T,$ 作为用于优化的参考值或设定值值，所述参考值或设定值值在整个时间时界上的时间t_k处时以K_p时间步骤预测，并用相应的预测时间计算，例如，通过在DE102008024513中描述的算法。

考虑通过k_l、v_max和a_max而有效的约束，于是，可确定对于补偿运动的最优时间顺序。

然而，与模型预测控制类似，仅仅将由此计算的轨迹的第一值用于后续的控制。在下一个时间步骤中，用缆索悬挂点的竖直位置和速度的更新的且由此更精确的预测来重复该优化。

与经典的模型预测控制相比，利用连续控制的模型预测轨迹产生的优点一方面是，与轨迹产生相比，可用更高的扫描时间计算控制部分和相关的稳定性。因此，可将计算密集的优化转移至更慢的任务中。

在此概念中，另一方面，对于该优化无法找到有效解决方案的情况，可独立于控制来实现紧急功能。该紧急功能包括简化的轨迹规划，其中，控制依赖于这种紧急情况并进一步启动绞车。

1.1.1用于规划补偿运动的系统模型

为了满足补偿运动的参考轨迹的稳定性的需求，可将其最早的三阶导数

认为是能够跳跃的。然而，关于绞车的使用寿命而言，在补偿运动中应避免摆动中的跳跃，由此，仅可将四阶导数

认为是能够跳跃的。

因此，摆动

至少被规划成是稳定的，并且，参考图3所示的四阶积分链来实现用于补偿运动的轨迹产生。在该优化中，可将所述轨迹产生用作系统模型并且可在状态空间中表达为：

y_a=X_a

这里，输出

包括针对补偿运动的规划轨迹。为了用公式表示优化控制问题并且对于将来的实施，一开始将此时间连续模型在点阵上离散化。

${\mathrm{\&tau;}}_0<{\mathrm{\&tau;}}_1<...<{\mathrm{\&tau;}}_{K_p-1}<{\mathrm{\&tau;}}_{K_p}---\left(1.2\right)$

其中，K_p表示用于预测缆索悬挂点的竖直运动的预测步骤的数量。为了将轨迹产生中的离散时间表达与离散系统时间t_k区分开，所述离散时间表达用τ_k=kΔτ表示，其中，k=0,…,K_p并且，Δτ是用于轨迹产生的时界K_p的离散间隔。

图4示出，所选择的点阵是不等距的，使得时界上的必要支撑点的数量减小。因此，有可能将待解决的优化控制问题的尺度保持较小。朝向时界结束处的更粗糙离散的影响不会对所规划的轨迹产生不利的效果，因为竖直位置和速度的预测朝着预测时界的结束更不精确。

可参考以下分析解法精确地计算对此点阵有效的时间离散系统表达：

$x_a\left(t\right)=e^{A_{a}t}{x}_a\left(0\right)+\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}{e}^{A_a(t-\mathrm{\&tau;})}{B}_a{u}_a\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}---\left(1.3\right)$

对于图3中的积分链，其遵循：

$x_a\left({\mathrm{\&tau;}}_{k+1}\right)=\left[\begin{array}{cccc}1& \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&tau;}}_k& \frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&tau;}}_k^2}{2}& \frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&tau;}}_k^3}{6}\\ 0& 1& \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&tau;}}_k& \frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&tau;}}_k^2}{2}\\ 0& 0& 1& \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&tau;}}_k\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&tau;}}_k^4}{24}\\ \frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&tau;}}_k^3}{6}\\ \frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&tau;}}_k^2}{2}\\ \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&tau;}}_k\end{array}\right]u_a\left({\mathrm{\&tau;}}_k\right),x_a\left(0\right)=x_{a,0,}---\left(1.4\right)$

y_a(τ_k)=x_a(τ_k),k=0,...,K_p-1,

其中，Δτ_k=τ_k+1-τ_k描述了对相应时间步骤有效的离散步骤宽度。

1.1.2优化控制问题的公式化和解法

通过解决优化控制问题，将规划一条轨迹，其尽可能接近地遵循缆索悬挂点的预测竖直运动，同时，满足设定约束。

为了满足此需求，特征函数如下所述：

$J=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{K_p}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left\{{[y_a\left({\mathrm{\&tau;}}_k\right)-w_a\left({\mathrm{\&tau;}}_k\right)]}^T{Q}_w\left({\mathrm{\&tau;}}_k\right)\right[y_a\left({\mathrm{\&tau;}}_k\right)-w_a\left({\mathrm{\&tau;}}_k\right)]+u_a\left({\mathrm{\&tau;}}_{k-1}\right)r_u{u}_a\left({\mathrm{\&tau;}}_{k-1}\right)\}---\left(1.5\right)$

其中，w_a(τ_k)表示相应时间步骤处有效的参考。由于这里仅可获得缆索悬挂点的预测位置

和速度所以将相关联的加速度和摆动设定为零。然而，通过加速度和摆动偏离的相应加权，可将此不一致规格的影响保持较小。因此：

$w_a\left({\mathrm{\&tau;}}_k\right)={\left[{\tilde{z}}_a^h(t_k+T_{p,k}){\stackrel{\stackrel{\&CenterDot;}{~}}{z}}_a^h(t_k+T_{p,k})00\right]}^T,k=1,...,K_p.---\left(1.6\right)$

在正半定的对角矩阵上，

Q_w(τ_k)=diag(q_w,1(τ_k),q_w,2(τ_k)，q_w,3，q_w,4),k=1，...，K_p        (1.7)

在特征函数中对与参考的偏离加权。标量因子r_u估算校正作用。虽然r_u、q_w,3和q_w,4在整个预测时界上是恒定的，但是，根据时间步骤τ_k来选择q_w,1和q_w,2。因此，与预测时界结束时的参考值相比，可对预测时界开始时的参考值更大地加权。因此，可在特征函数中描述随着增加的预测时间而减小的竖直运动预测的精度。由于对于加速度和摆动不存在参考，所以权重q_w,3和q_w,4仅整治与零的偏离，这是为什么将这些权重选择得比位置q_w,1(τ_k)和速度q_w,2(τ_k)的权重小的原因。

用于优化控制问题的相关约束从可用的驱动功率和当前所选择的加权因子k_l（参考图2）得出。因此，所述相关约束应用于(1.4)中的系统模型的状态：

-δ_a(τ_k)(1-k_l)v_max≤x_a,2(τ_k)≤δ_a(τ_k)(1-k_l)v_max，

-δ_a(τ_k)(1-k_l)a_max≤x_a,3(τ_k)≤δ_a(τ_k)(1-k_l)a_max,k=1,...,K_p,

-δ_a(τ_k)j_max≤x_a,4(τ_k)≤δ_a(τ_k)j_max       (1.8)

并且，对于输入：

$-{\mathrm{\&delta;}}_a\left({\mathrm{\&tau;}}_k\right)\frac{d}{\mathrm{dt}}{j}_{\max }\&le;u_a\left({\mathrm{\&tau;}}_k\right)\&le;{\mathrm{\&delta;}}_a\left({\mathrm{\&tau;}}_k\right)\frac{d}{\mathrm{dt}}{j}_{\max },k=0,...,K_p-1.---\left(1.9\right)$

这里，δ_a(τ_k)代表归约因子，归约因子选择为使得时界结束时的相应约束相当于时界开始时的约束的95%。对于中间时间步骤，δ_a(τ_k)从线性插值得出。约束沿着时界的归约相对于存在的容许解法增加该方法的鲁棒性。

虽然速度和加速度约束在操作中会变化，但是摆动的约束j_max和摆动的导数

是恒定的。为了增加升降绞车和整个起重机的使用寿命，相对于最大容许冲击负载来选择摆动的约束和摆动的导数。对于位置状态，没有可应用的约束。

由于在外部确定操作中的功率kl的加权因子以及最大速度v_max和加速度a_max，所以，对于优化控制问题，也必须改变速度和加速度约束。所提出的概念考虑相关的时变约束，如下所述：一旦改变约束，便仅在时间步骤

的预测时界结束时首先考虑更新的值。随着时间的增加，随后将更新的值推动至预测时界的开始处。

图5参考速度约束示出了此过程。当对约束进行归约时，应另外考虑，即所述约束与其最大容许导数相配。这意味着，例如，可与当前加速度约束(1-k_l)a_max所允许地一样快地最大程度地归约速度约束(1-k_l)v_max。因为更新的约束完成，所以总是存在用于存在于约束中的初始条件x_a(τ₀)的解法，随之，所述初始条件不会违反更新的约束。然而，所述初始条件将采用整个预测时界，直到改变的约束最后影响时界开始时的所规划的轨迹为止。

因此，通过要最小化的二次特征函数(1.5)、系统模型(1.4)以及来自(1.8)和(1.9)的线性-二次优化问题（QP问题，或二次编程问题）形式的不等式约束，来完全给出优化控制问题。当第一次执行优化时，将初始条件选择为x_a(τ₀)=[0,0,0,0]^T。然后，将针对最后一次优化步骤中的时间步骤τ₁计算的值x_a(τ₁)作为初始条件。

在每个时间步骤，经由称为QP解算器的数字方法，来实现QP问题的实际解法的计算。

由于对该优化进行的计算工作的原因，用于补偿运动的轨迹规划的扫描时间比主动升起补偿的所有剩余成分的离散时间都大；因此：Δτ>Δt。

为了确保参考轨迹可用于更快速度的控制，图3中的积分链的模拟在该优化之外以更快的扫描时间Δt出现。一但从该优化能获得新的值，便将状态x_a(τ₀)用作模拟的初始条件，并将预测时界开始时的校正变量u_a(τ₀)作为常数输入写在积分链上。

1.2用于移动负载的参考轨迹

与补偿运动类似，对于叠加的手柄控制（参考图2）来说，两次可稳定微分的参考轨迹是需要的。与起重机操作员可规定的这些运动一样，对于绞车而言通常将不会期望出现较快的方向变化，也发现稳定规划的加速度&y&l*的最小需求相对于绞车的使用寿命来说是足够的。因此，与针对补偿运动规划的参考轨迹相反，可将与摆动相对应的三阶导数

认为是能够跳跃的。

如图6所示，所述三阶导数还用作三阶积分链的输入。除了关于稳定性的需求以外，所规划的轨迹还必须满足当前有效的速度和加速度约束，对于手柄控制来说，上述速度和加速度约束是k_lv_max和k_la_max。

将起重机操作员的手柄信号-100≤w_hh≤100解释为相对于当前最大的容许速度k_lv_max的相对速度规格。因此，根据图7，手柄所规定的目标速度是：

${v_{\mathrm{hh}}^{*}=k}_l{v}_{\max }\frac{w_{\mathrm{hh}}}{100}.---\left(1.10\right)$

如可看到的，手柄当前规定的目标速度取决于手柄位置w_hh、可变的加权因子k_l和当前最大的容许绞车速度v_max。

现在，可如下所述地指出用于手柄控制的轨迹规划的任务：可从手柄所规定的目标速度中产生可稳定微分的速度曲线，使得加速度具有稳定路线。可推荐将所谓的摆动增加作为此任务的过程。

基本想法是，在第一阶段中，最大容许摆动j_max作用于积分链的输入上，直到达到最大容许加速度为止。在第二阶段中，速度以恒定的加速度而增加；在最后一个阶段中，最大容许负摆动增加为使得达到所需的最终速度。

因此，在摆动增加时，必须仅确定各个阶段之间的切换时间。图8示出了对于随切换时间一起的速度变化的摆动的示例性路线。T_l,0表示重新规划发生的时间。时间T_l,1，T_l,2和T_l,3各自指的是各个阶段之间的所计算的切换时间。在以下段落中阐述了这些切换时间的计算。

一旦对于手柄控制出现新情况，便发生所产生轨迹的重新规划。一旦改变手柄控制的目标速度

或当前有效的最大加速度k_la_max，便出现新的情况。目标速度会由于新的手柄位置w_hh或由于k_l或v_max的新规格而变化（参考图7）。类似地，有可能将最大有效加速度改变k_l或a_max。

当重新规划轨迹时，最初从当前规划速度

和对应加速度

计算该速度，通过将加速度减小至零来获得所述速度：

$\tilde{v}={\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)+\mathrm{\&Delta;}{\tilde{T}}_1{\stackrel{..}{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)+\frac{1}{2}\mathrm{\&Delta;}{\tilde{T}}_1^2{\tilde{u}}_{l,1,}---\left(1.11\right)$

其中，这样给出最小必要时间：

$\mathrm{\&Delta;}{\tilde{T}}_1=-\frac{{\stackrel{..}{y}}_l^{*}}{{\tilde{u}}_{l,1}},{\tilde{u}}_{l,1}\&NotEqual;0---\left(1.12\right)$

并且，表示积分链的输入，即，增加的摆动（参考图6）：根据当前规划加速度将发现：

${\tilde{u}}_{l,1}=\left\{\begin{array}{cc}{j}_{\max },& \mathrm{for}{\stackrel{..}{y}}_l^{*}<0\\ -j_{\max },& \mathrm{for}{\stackrel{..}{y}}_l^{*}>0.\\ 0,& \mathrm{for}{\stackrel{..}{y}}_l^{*}=0\end{array}\right.---\left(1.13\right)$

根据理论计算的速度和期望目标速度，现在可表示输入曲线。如果

那么

不达到期望值

并且，可进一步增加加速度。然而，如果

那么

会过快，并且必须立即减小加速度。

从这些考虑中，可对三个阶段得出摆动的以下切换顺序：

$u_l=\left\{\begin{array}{cc}\left[\begin{array}{ccc}{j}_{\max }& 0& -j_{\max }\end{array}\right].& \mathrm{for}\tilde{v}\&le;v_{\mathrm{hh}}^{*}\\ \left[\begin{array}{ccc}-j_{\max }& 0& j_{\max }\end{array}\right].& \mathrm{for}\tilde{v}{>v}_{\mathrm{hh}}^{*}\end{array}\right.---\left(1.14\right)$

其中，

并且，在相应阶段中增加输入信号u_l,i。发现一阶段的持续时间将是ΔT_i=T_l,i-T_l,i-1，其中，i=1,2,3。因此，第一阶段结束时的所规划速度和加速度是：

${\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right)={\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)+\mathrm{\&Delta;}{T}_l{\stackrel{..}{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)+\frac{1}{2}\mathrm{\&Delta;}{T}_1^2{u}_{l,1,}---\left(1.15\right)$

${\stackrel{..}{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right)={\stackrel{..}{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)+\mathrm{\&Delta;}{T}_1{u}_{l,1}---\left(1.16\right)$

并且，在第二阶段之后：

${\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_l^{*}\left(T_{l,2}\right)={\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right)+\mathrm{\&Delta;}{T}_2{\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right),$

              (1.17)

${\stackrel{..}{y}}_l^{*}\left(T_{l,2}\right)={\stackrel{..}{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right),$

            (1.18)

其中，假设u_l,2=0。在第三阶段之后，最后，所规划速度和加速度遵循：

${\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_l^{*}\left(T_{l,3}\right)={\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_l^{*}\left(T_{l,2}\right)+\mathrm{\&Delta;}{T}_3{\stackrel{..}{y}}_l^{*}\left(T_{l,2}\right)+\frac{1}{2}\mathrm{\&Delta;}{T}_3^2{u}_{l,3},$

             (1.19)

${\stackrel{..}{y}}_l^{*}\left(T_{l,3}\right)={\stackrel{..}{y}}_l^{*}\left(T_{l,2}\right)+\mathrm{\&Delta;}{T}_3{u}_{l,3}.$

                   (1.20)

为了精确地计算切换时间T_l,i，最初忽略加速度约束，由此ΔT₂=0。由于此简化的原因，如下所述，可将两个剩余时间间隔的长度表示为如下形式：

$\mathrm{\&Delta;}{T}_1=\frac{\tilde{a}-{\stackrel{..}{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)}{u_{l,1}},---\left(1.21\right)$

$\mathrm{\&Delta;}{T}_3=\frac{0-\tilde{a}}{u_{l,3}},---\left(1.22\right)$

其中，

表示所达到的最大加速度。通过将(1.21)和(1.22)插入(1.15)、(1.16)和(1.19)，可获得等式系统，可将该等式系统对进行分解。考虑

最终获得以下等式：

$\tilde{a}=\&PlusMinus;\sqrt{\frac{u_{l,3}[2{\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)u_{l,1}-{\stackrel{..}{y}}_l^{*}{\left(T_{l,0}\right)}^2-2v_{\mathrm{hh}}^{*}{u}_{l,1}]}{u_{l,1}-u_{l,3}}}.---\left(\text{1.23}\right)$

从(1.21)和(1.22)中的ΔT₁和ΔT₃必须为正的条件下得出

的符号。

在第二步骤中，

和最大容许加速度k_la_max导致实际的最大加速度：

$\stackrel{-}{a}={\stackrel{..}{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right)={\stackrel{..}{y}}_l^{*}\left(T_{l,2}\right)=\min \{k_l{a}_{\max },\max \{-k_l{a}_{\max },\tilde{a}\left\}\right\}.---\left(1.24\right)$

由于此原因，最后可计算真正出现的时间间隔ΔT₁和ΔT₃。利用

的条件从(1.21)和(1.22)产生这些时间间隔。现在利用来自(1.21)和(1.22)的ΔT₁和ΔT₃从(1.17)和(1.19)中将仍未知的时间间隔ΔT₂确定为如下形式：

$\mathrm{\&Delta;}{T}_2=\frac{2v_{\mathrm{hh}}^{*}{u}_{l,3}+{\stackrel{\&OverBar;}{a}}^2-2{\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right)u_{l,3}}{2\stackrel{\&OverBar;}{a}{u}_{l,3}},---\left(1.25\right)$

其中，

自(1.15)得到。可直接从时间间隔中得到切换时间：

T_l,i=T_l,i-1+ΔT_i,i=1,2,3.

                  (1.26)

可用各个切换时间分析地计算将规划的速度和加速度曲线

和

应提到，不完全穿过通过切换时间频繁规划的轨迹，因为，在达到切换时间T_l,3之前，出现新的情况，从而，出现重新规划，并且必须计算新的切换时间。如上所述，由于w_hh、v_max、a_max或k_l的变化，而出现新的情况。

图9示出了通过以实例给出的方法产生的轨迹。轨迹的路线包括由于(1.24)而会出现的两种情况。在第一种情况中，在时间t=1s时达到最大容许加速度，之后是具有恒定加速度的阶段。在时间t=3.5s时出现第二种情况。这里，由于手柄位置的原因，而未完全达到最大容许加速度。结果是，第一和第二切换时间重合，并且，ΔT₂=0适用。根据图6，用速度曲线的积分来计算相关的位置路线，其中，用当前从升降绞车解开的缆索长度来初始化系统启动时的位置。

2.绞车的启动概念

原则上，该启动包括两种不同的操作模式：主动升起补偿，用于将竖直负载运动与具有自由悬挂负载的船运动分离；以及恒定张力控制，用于在将负载放置在海床上时就避免缆索松弛。在深海提升过程中，升起补偿初始是主动式的。参考堆放操作的检测，自动地实现切换至恒定张力控制。图10示出了具有相关的参考和控制变量的总体概念。

然而，也可在没有其他操作模式的情况下各自实施这两种不同的操作模式中的每一种。此外，如下面将描述的，还可独立于在船上使用起重机并且独立于主动升起补偿而使用恒定张力模式。

由于主动升起补偿的原因，应这样启动升降绞车，使得绞车运动补偿缆索悬挂点的竖直运动

并且，起重机操作员通过手柄在被认为是惯性的h坐标系中移动负载。为了确保该启动具有用于最小化补偿误差所需的预测行为，所述启动通过为两个自由度的结构形式的导航控制和稳定部件来执行。通过绞车动态的平坦输出（flat output），从微分参数化中计算导航控制，并且，从用于移动负载的规划轨迹

和

以及用于补偿运动的负轨迹

和

中产生所述导航控制（参考图10）。用

和

表示用于驱动动态和绞车动态的系统输出的所产生的目标轨迹。这些目标轨迹代表绞车运动的以及由此代表缆索的缠绕和解开的目标位置、速度和加速度。

在恒定张力阶段的过程中，将负载处的缆索力F_sl控制为恒定量，以避免缆索松弛。因此，在此操作模式中禁用手柄，并且，基于手柄信号规划的轨迹不再增加。接着，通过具有导航控制和稳定部件的两个自由度的结构来实现绞车的启动。

精确的负载位置z_l和负载处的缆索力F_sl不可用作控制的测量量，因为，由于长缆索长度和大深度的原因，起重机吊钩不装配有传感器单元。此外，没有与所悬挂的负载的种类和形状相关的信息。因此，一般不知道各个负载特定性参数，例如，负载质量m_l、质量的液压增加系数C_a、阻力系数C_d和浸入体积

由此，可靠地估计负载位置实际上几乎是不可能的。

因此，仅可将解开的缆索长度l_s和相关的速度以及缆索悬挂点处的力F_c用作控制的测量量。从用增量编码器测量的绞车角度

和与缠绕层j_l相关的绞车半径r_h(j_l)来间接地获得长度l_s。可用具有适当低通过滤的数值微分计算相关的缆索速度

通过测力销来检测施加至缆索悬挂点的缆索力F_c。

2.1用于主动升起补偿的启动

图11示出了针对主动升起补偿的升降绞车启动，具有处于频率范围中的电路框图。如可看到的，仅从驱动的部分系统G_h(s)实现了缆索长度y_h=l_s和速度的反馈。结果，作为输入干涉的、作用于缆索系统G_s,z(s)上的缆索悬挂点

的竖直运动的补偿仅作为导航控制而出现；忽略缆索和负载动态。由于输入干涉的不完全补偿或绞车运动的原因，激励固有的缆索动态，但是实际上，可假设所产生的负载运动在水中大量衰减并非常快地衰退。

可将驱动系统的从校正变量U_h(s)到解开缆索长度Y_h(s)的转移函数近似为IT₁系统，并利用绞车半径r_h(j_l)产生：

$G_h\left(s\right)=\frac{Y_h\left(s\right)}{U_h\left(s\right)}=\frac{K_h{r}_h\left(j_l\right)}{T_h{s}^2+s}---\left(2.1\right)$

因为与此同时的系统输出Y_h(s)代表平坦输出，所以倒转的导航控制F(s)将是：

$F\left(s\right)=\frac{U_{\mathrm{ff}}\left(s\right)}{Y_h^{*}\left(s\right)}=\frac{1}{G_h\left(s\right)}=\frac{T_h}{K_h{r}_h\left(j_l\right)}{s}^2+\frac{1}{K_h{r}_h\left(j_l\right)}s---\left(2.2\right)$

并可在时域中以微分参数化的形式写出：

$u_{\mathrm{ff}}\left(t\right)=\frac{T_h}{K_h{r}_h\left(j_l\right)}{\stackrel{..}{y}}_h^{*}\left(t\right)+\frac{1}{K_h{r}_h\left(j_l\right)}{\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_h^{*}\left(t\right)---\left(2.3\right)$

(2.3)表明，用于导航控制的参考轨迹必须可稳定地至少两次微分。

从图11中可得到闭合回路的转移函数，包括稳定性K_a(s)和绞车系统G_h(s)，

$G_{\mathrm{AHC}}\left(s\right)=\frac{K_a\left(s\right)G_h\left(s\right)}{1+K_a\left(s\right)G_h\left(s\right)}---\left(2.4\right)$

通过忽略补偿运动

可将参考变量

近似为斜面形状的信号，具有常数或固定的手柄偏转，如同存在恒定目标速度

的情况那样。为了在这种参考变量中避免固定的控制偏离，开链K_a(s)G_h(s)由此必须表现出I₂行为[9]。例如，这可用PID控制器以如下公式来实现：

$K_a\left(s\right)=\frac{T_h}{K_h{r}_h\left(j_l\right)}(\frac{{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{AHC},0}}{s}+{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{AHC},1+}{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{AHC},2^s}),{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{AHC},i}>0---\left(2.5\right)$

因此，对于闭合回路，其遵循：

$G_{\mathrm{AHC}}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{AHC},0}+{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{AHC},1^{\text{s}}}+{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{AHC},2^{s^2}}}{s^3+(\frac{1}{T_h}+{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{AHC},2})s^2+{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{AHC},1^s}+{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{AHC},0}},---\left(2.6\right)$

其中，根据相应的时间常数T_h来选择κ_AHC,i的精确值。

2.2堆放操作的检测

一旦负载碰撞海床，便应当实现从主动升起补偿到恒定张力控制的切换。为此目的，堆放操作的检测是必要的（参考图10）。对于上述恒定张力控制和后续的恒定张力控制，将缆索近似为简单的弹簧-质量元件。因此，如下式那样近似计算在缆索悬挂点处作用的力：

F_c=k_cΔl_c,         (2.7)

其中，k_c和Δl_c表示与缆索的弹性相当的弹簧常数和弹簧的偏转。对于弹簧的偏转，其适用：

$\mathrm{\&Delta;}{l}_c=\underset{0}{\overset{1}{\&Integral;}}{\mathrm{\&epsiv;}}_s(\stackrel{\&OverBar;}{s},t)d\stackrel{\&OverBar;}{s}={\stackrel{\&OverBar;}{z}}_{s,\mathrm{stat}}\left(1\right)-{\stackrel{\&OverBar;}{z}}_{s,\mathrm{stat}}\left(0\right)-l_s=\frac{{\mathrm{gl}}_s}{E_s{A}_s}(m_e+\frac{1}{2}{\mathrm{\&mu;}}_s{l}_s).---\left(2.8\right)$

可从以下固定观察中确定等效的弹簧常数k_c。对于装载有质量m_f的弹簧，其在固定情况中适用：

k_cΔl_c=m_fg.

                    (2.9)

(2.8)的转换产生：

$\frac{E_s{A}_s}{l_s}\mathrm{\&Delta;}{l}_c=(m_e+\frac{1}{2}{\mathrm{\&mu;}}_s{l}_s)g.---\left(2.10\right)$

参考(2.9)和(2.10)之间的系数比较，可将等效的弹簧常数看作是：

$k_c=\frac{E_s{A}_s}{l_s}---\left(2.11\right)$

在(2.9)中，还可看到，固定情况中的弹簧偏转Δl_c受到有效负载质量m_e和缆索质量的一半

影响。这是由于这样的事实：在弹簧中，假设悬挂的质量m_f集中在一个点中。然而，缆索质量沿着缆索长度不均匀地分布，从而，其不会使弹簧完全加载。然而，在缆索悬挂点处的力测量中包括缆索的全部重力μ_sl_sg。

通过缆索系统的此近似，现在可得出用于检测海床上的堆放操作的条件。在静止状态中，作用于缆索悬挂点上的力包括解开的缆索的重力μ_sl_sg和负载质量的有效重力m_eg。因此，通过位于海床上的负载将测量力F_c近似为：

F_c=(m_e+μ_sl_s)g+ΔF_c

                 (2.12)

其中，

ΔF_c=-k_cΔl_s,

         (2.13)

其中，Δl_s表示在到达海床之后解开的缆索。从(2.13)中，遵循Δl_s与所测量的力的变化成比例，因为负载位置在到达地面之后是恒定的。参考(2.12)和(2.13)，现在可得出用于检测的以下条件，这些条件必须同时满足：

负弹簧力的减小必须比阈值小：

$\mathrm{\&Delta;}{F}_c<\mathrm{\&Delta;}{\hat{F}}_c.---\left(2.14\right)$

弹簧力的时间导数必须比阈值小：

${\stackrel{\&CenterDot;}{F}}_c<{\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{F}}}_c.---\left(2.15\right)$

起重机操作员必须降低负载。参考利用手柄信号规划的轨迹来检查此条件：

${\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_l^{*}\&GreaterEqual;0.---\left(2.16\right)$

为了避免在浸入水中时错误地检测，必须解开最小的缆索长度：

l_s＞l_s,min.

            (2.17)

参考所测量的力信号F_c中的最后高点来计算每个负弹簧力的减小ΔF_c。为了抑制测量噪声和高频干涉，用相应的低通滤波器来预处理力信号。

由于必须同时满足条件(2.14)和(2.15)，所以排除由于动态固有缆索振荡而导致的错误检测：由于动态固有缆索振荡的结果，力信号F_c振荡，由此，弹簧力相对于最后高点

的变化ΔF_c以及弹簧力的时间导数具有移动的相位。因此，通过适当地选择阈值

和

在动态固有缆索振荡的情况中，无法同时满足两个条件。为此目的，缆索力的静态部分必须下降，如浸入水中或堆放在海床上的情况那样。然而，通过条件(2.17)防止浸入水中时的错误检测。

如下所述，根据在所测量力信号中的最后高点来计算弹簧力变化的阈值：

$\mathrm{\&Delta;}{\hat{F}}_c=\min \{-{\mathrm{\&chi;}}_1{\stackrel{\&OverBar;}{F}}_c,\mathrm{\&Delta;}{\hat{F}}_{c,\max }\},---\left(\text{2.18}\right)$

其中，χ₁＜1，并且，实验性地确定最大值

如下列出的，可从(2.7)的时间导数和最大容许手柄速度k_lv_max来估计力信号的导数

的阈值：

${\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{F}}}_c=\min \{-{\mathrm{\&chi;}}_2{k}_c{k}_l{v}_{\max },{\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{F}}}_{c,\max }\}---\left(2.19\right)$

同样地，实验性地确定两个参数χ₂＜1和

由于在恒定张力控制中应用力控制而不是位置控制，所以将目标力

规定为参考变量，这取决于作用于负载上的所有静力F_l,stat的和。为此目的，在升起补偿的阶段中、考虑已知的缆索质量μ_sl_s来计算F_l,stat：

F_l,stat=F_c,stat-μ_sl_sg.

                (2.20)

F_c,stat表示缆索悬挂点处的所测量力的静力分量F_c。该静力分量来自于所测量力信号的对应低通过滤。在过滤时获得的群延迟不是问题，因为，仅对静力分量感兴趣，并且，延时对其没有明显的影响。从作用于负载上的所有静力的总和中，考虑另外作用于缆索悬挂点上的缆索的重力来如下这样得出目标力：

$F_c^{*}=p_s{F}_{l,\mathrm{stat}}+{\mathrm{\&mu;}}_s{l}_{s}g,---\left(2.21\right)$

其中，由起重机操作员规定在缆索中产生的张力，0＜p_s＜1。为了避免参考变量的设定值跳跃，在检测堆放操作之后，实现从在检测时当前测量的力到实际目标力

的斜面形状的过渡。

为了从海床拾起负载，起重机操作员利用自由悬挂负载手动地执行从恒定张力模式到主动升起补偿的改变。

2.3用于恒定张力模式的启动

图12以频率范围中的电路框图示出了在恒定张力模式中升降绞车所执行的启动。与图11所示的控制结构相反，这里，将缆索系统的输出F_c(s)（即，在缆索悬挂点处测量的力），而不是绞车系统的输出Y_h(s)反馈回。根据(2.12)，所测量的力F_c(s)包括力的变化ΔF_c(s)和静态重力m_eg+μ_sl_sg，其在图中用M(s)表示。对于实际控制，随之将缆索系统近似为弹簧-质量系统。

两个自由度的结构的导航控制F(s)与用于主动升起补偿的导航控制相同，并分别用(2.2)和(2.3)给出。然而，在恒定张力模式中，不增加手柄信号，这是为什么参考轨迹仅包括补偿运动的负目标速度

和加速度

的原因。接着，导航控制部件在初始补偿缆索悬挂点的竖直运动

然而，不用Y_h(s)的反馈来实现绞车位置的直接稳定。这通过所测量的力信号的反馈来间接地实现。

如下所述，从图12中获得所测量的输出F_c(s)：

具有两个转移函数：

$G_{\mathrm{CT},1}\left(s\right)=\frac{G_{s,F}\left(s\right)}{1+K_s\left(s\right)G_h\left(s\right)G_{s,F}\left(s\right)},---\left(2.23\right)$

$G_{\mathrm{CT},2}\left(s\right)=\frac{K_s\left(s\right)G_h\left(s\right)G_{s,F}\left(s\right)}{1+K_s\left(s\right)G_h\left(s\right)G_{s,F}\left(s\right)},---\left(2.24\right)$

其中，从(2.12)中得出用于位于地面上的负载的缆索系统的转移函数：

G_s,F(s)=-k_c.

        (2.25)

如可从(2.22)中得到的，用稳定转移函数G_CT,1(s)校正补偿误差E_a(s)，并间接地使绞车位置稳定。而且，在此情况中，控制器的需求K_s(s)从预期的参考信号

得到，该参考信号在过渡阶段之后由来自(2.21)的恒定目标力

给出。为了避免具有这种恒定参考变量的固定控制偏离，开链K_s(s)G_h(s)G_s,F(s)必须具有I行为。由于绞车的转移函数G_h(s)已经隐含地具有这种行为，所以可用P反馈实现此需求；因此，其适用：

$K_s\left(s\right)=-\frac{T_h}{K_h{r}_h\left(j_l\right)}{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{CT}},{\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{CT}}>0---\left(2.26\right)$

Claims (15)

1.一种用于起重机的起重机控制器，所述起重机包括用于提升悬挂在缆索上的负载的升降装置，

其特征在于，

所述起重机控制器具有缆索力模式，在所述缆索力模式中，所述起重机控制器启动升降装置以便获得缆索力的设定值。

2.根据权利要求1所述的起重机控制器，其中，特别地，通过考虑系统的弹性来启动所述绞车的速度和/或位置，以便获得所述缆索力的设定值。

3.根据权利要求1或2所述的起重机控制器，其中，在所述缆索力模式中，所述缆索力能够保持在恒定设定值处，其中有利地，提供确定所述缆索力的实际值的缆索力确定单元，其中有利地，基于所述缆索力的实际值和设定值的比较来实现所述启动。

4.根据前述权利要求中任一项所述的起重机控制器，其中，在所述缆索力模式中，通过至少一个测量值的反馈来控制所述缆索力，其中有利地，提供基于缆索力传感器的测量信号来确定所述缆索力的实际值的缆索力确定单元，其中有利地，将所述缆索力传感器布置在所述升降装置处，特别是布置在所述绞车的底座和/或索轮的底座处。

5.根据前述权利要求中任一项所述的起重机控制器，其中，提供缆索力确定单元，所述缆索力确定单元经由测量值的过滤或基于模型的估计来确定所述缆索力的实际值。

6.根据前述权利要求中任一项所述的起重机控制器，包括设定值确定单元，所述设定值确定单元参考测量值和/或控制信号和/或用户的输入来确定所述缆索力的设定值。

7.根据权利要求6所述的起重机控制器，其中，所述缆索力确定单元确定在提升过程中作用于所述缆索上的静力，并且/或者其中，在所述目标力确定单元中包括所述缆索的长度，其中有利地，所述目标力确定单元考虑解开的缆索的重量，并且/或者其中，所述起重机控制器包括输入元件，起重机操作员能够经由所述输入元件改变所述缆索力的设定值，其中有利地，能够输入确定提升过程中所述缆索力的设定值与所述静力之间的比的因数。

8.根据前述权利要求中任一项所述的起重机控制器，其中，在所述缆索力模式中，所述起重机控制器包括：导航控制部件，所述导航控制部件考虑所述缆索的动态性；以及反馈部件，经由所述反馈部件反馈回由所述缆索力确定单元确定的所述缆索力。

9.根据前述权利要求中任一项所述的起重机控制器，包括状态检测，其中，所述起重机控制器参考所述状态检测而自动地切换入所述缆索力模式和/或从所述缆索力模式切换出，其中有利地，所述状态检测能够检测所述负载的放下和/或拾起。

10.根据前述权利要求中任一项所述的起重机控制器，具有提升模式，在所述提升模式中，基于所述负载位置和/或负载速度和/或缆索位置和/或缆索速度的设定值来启动所述提升装置，其中有利地，提供控制器，所述控制器在所述提升模式中反馈回所述负载位置和/或负载速度和/或缆索位置和/或缆索速度的实际值。

11.根据前述权利要求中任一项所述的起重机控制器，具有主动升起补偿，通过启动所述升降装置，所述主动升起补偿至少部分地补偿所述缆索悬挂点和/或负载堆放点由于所述升起而引起的运动。

12.一种具有根据前述权利要求中任一项所述的起重机控制器的起重机，特别是甲板起重机、港口起重机、近岸起重机或塔式缆索挖掘机，特别是移动式港口起重机。

13.根据前述权利要求中任一项所述的起重机或起重机控制器在提升条件下的应用，其中，通过外力、和/或与堆放的负载一起使用，来移动所述缆索悬挂点和/或所述负载堆放点。

14.一种用于启动起重机的方法，所述起重机包括用于提升悬挂在缆索上的负载的升降装置，特别是通过根据权利要求1至12中的任一项权利要求所述的起重机控制器来启动起重机，

其特征在于，

基于所述缆索力的设定值来启动所述升降装置。

15.具有用于执行根据权利要求14所述的方法的代码的软件。

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