CN103608282A - 用于使起重机系统的可动的起重机元件低振动地运动的方法以及控制装置 - Google Patents
用于使起重机系统的可动的起重机元件低振动地运动的方法以及控制装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于借助于马达(2)来低振动地控制起重机系统(10)的可动的起重机元件(14,16,18)例如起重机悬臂(18)的运动的方法和控制装置，起重机系统(10)可被激励成以固有频率(fEIG)振动并且具有阻尼率(ζ)，其中，利用这样的控制信号(VSOLL)操控可动的起重机元件(14,16,18)，即控制信号的频谱基本上不包含起重机系统(10)的固有频率(fEIG)，其中，在考虑起重机系统(10)的系统参数的情况下从操作者的操作信号(SBED)中计算出控制信号(VSOLL)。为了在开头提及的类型的方法和控制装置中在摆动运动期间减小在旋转塔式起重机的结构中的振动并且简化控制装置的配置，设置成，在运行期间自动地计算以起重机系统(10)的固有频率(fEIG)以及阻尼率(ζ)的形式的系统参数，并且实时地从实施操作者的操作信号(SBED)以及计算出的起重机系统的固有频率(fEIG)和阻尼率(ζ)中计算出控制信号(VSOLL)以作为主动的速度参考曲线(VSOLL)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于借助于马达来低振动地(schwingungsarm)控制起重机系统的可动的起重机元件例如起重机悬臂的运动的方法，该起重机系统可被激励成以固有频率振动并且具有阻尼率，其中，利用这样的控制信号操控该可动的起重机元件，即该控制信号的频谱基本上不包含起重机系统的固有频率，其中，在考虑起重机系统的系统参数的情况下从操作者的操作信号中计算出控制信号，本发明也涉及一种用于低振动地控制起重机系统的可动的起重机元件例如起重机悬臂的运动的控制装置，该起重机系统可被激励以固有频率振动并且具有阻尼率，其中，可利用这样的信号操控该可动的起重机元件，即其频谱基本上不包含固有频率，其中，在理论值计算单元中在考虑系统参数的情况下从操作者的操作信号中计算出控制信号，并且其中，将在理论值计算单元的输出部处的控制信号输送到马达控制部处以用于操控马达。
背景技术
在文献DE-A-10 2004 052 616中描述了开头提及的类型的方法和控制装置。该方法用于控制起重机系统的可动的起重机元件的运动，其中，可激励起重机系统的至少一些部件进行摇摆振动。在此，该起重机系统具有至少一个固有频率，其可通过可动的起重机元件的运动改变。借助于操控回路产生控制信号，该控制信号操控起重机系统的驱动单元以用于使可动的起重机元件例如以吊运车(Laufkatze)的形式的起重机单元运动。在此，基本上在没有起重机系统的摆动振动的固有频率的情况下产生控制信号，从而尽可能不发生摇摆振动的激励。
储存在旋转塔式起重机(Turmdrehkran)的柔性的结构中的能量在摆动运动的加速和减速期间引起在该结构中的振动。与起重机悬臂的摆动速度重叠的该振动能够被起重机驾驶员作为悬臂端部的不稳定的速度感觉到。这种特性使起重机的控制、特别是在较低摆动速度时摆动运动的手动控制和精确的定位变得困难。
旋转塔式起重机在摆动运动期间如弹簧一样作用。由马达给出的能量引起塔和悬臂的扭转。储存在机械系统中的能量引起结构的振动，例如这在图1b中示出。
存在不同的用于处理通过摆动运动引起的振动的可能性。
对于不带频率转换器的驱动部：
- 流体联结(在马达和摆动轴之间的间接联结)
- 涡流制动，其中，通过涡流制动施加制动力矩，
对于带有频率转换器的驱动部：
- V/f马达控制模式(软式马达控制模式，通过扭矩影响马达速度)，
- 限制发电机扭矩(如果在发电机象限(Quadranten)中，通过扭矩影响马达速度)，
通过以上列举的可能性应通过减小作为振动的主要诱因的力解决该问题。但是这意味着，驱动马达确切地说驱动轴的速度通过由振动在结构中引起的扭矩影响。所提出的被动的解决方案都不是最优的，因为为了减小振动而牺牲了反应性能。
此外已知这样的方法，即，在其中使用速度特征曲线的主动产生，例如由O.J.M. Smith提出的“Posicat”控制和由N.C. Singer、W.E. Singose和W.P. Seering提出的Input-Shaping(输入整形)或者T. Sing等的“Tutorial on input shaping/time delay control of maneuvering flexible structures, N. Singer: An input shaping Controller enabling crans to move about sway”(操纵柔性机构的输入整形/时间延迟控制指南，N. Singer：使起重机来回摆动运动的输入整形控制器)，整体地参考其内容。
然而，上述论文涉及悬挂在起重机悬臂处的负载的摇摆运动。
文献DE 41 30 970 A1公开了一种用于电马达的控制系统，该电马达驱动矿石绞车或输送系统的绳鼓轮，该输送系统具有被绳承载的运输器件并且形成起振动作用的系统。该控制系统具有用于监视绳的负载的负载传感器、用于监视从绳鼓轮上绕开的绳长度的绳长度传感器、对传感器的信号反应的马达控制单元，该马达控制单元计算用于起振动作用的系统的转速、加速度和压力运动的理论值。该控制单元产生控制信号，该控制信号被置于与起振动作用的系统的固有振动特性成关系，以防止在系统中产生振动并且相应于控制信号控制马达驱动装置。由此，应实现用于正常运行和用于紧急制动过程的控制系统，其在纵向上减小振动。
在文献DE 10 2006 048 988 A1中描述了一种用于带有塔和可摆动地安装在塔处的悬臂的悬臂起重机。该悬臂起重机包括用于产生悬臂的摇摆运动的第一执行器、用于使塔旋转的第二执行器、用于通过测量获得悬臂头部的位置和/或速度的第一器件、用于通过测量获得塔的旋转角度和/或旋转速度的第二器件，其中，该控制系统控制第一和第二执行器。在此，由于通过悬臂的摇摆运动造成的起重机的旋转引起的在径向方向上的负载的加速取决于通过第二器件获得的塔的转速平衡。应提供用于悬臂起重机的控制系统，该控制系统具有更高的精度并且尤其地导致对负载的摇摆振动的减振的更好的控制。
文献DE 10 2009 032 270 A1涉及一种用于操控起重机的驱动部的方法。在此，悬臂顶端的理论运动用作输入参数，以该输入参数为基础计算出用于操控驱动部的控制参数。为了提供用于操控起重机的驱动部的方法(其减小由于振动引起的起重机结构的负载)，设置成，在计算控制参数时考虑由驱动部和其起重机机构组成的系统的动态振动，以减小固有振动。基于起重机结构的数学模型计算控制参数。该数学模型的建立和计算带来显著的成本。
文献DD 260 052涉及一种用于起重机的弹性的、有间隙的行驶机构驱动部的运动过程的控制，特别是用于这种过程的控制，即在其中通过在驱动部中的间隙或者通过支承装置的弹性在起动和制动时产生不期望的振动应力。这种控制部具有的目的是，在弹性的起重机结构的驱动部中或在带有间隙的驱动部中如此自动地控制运动过程，即，保持不期望的振动应力远离支承装置和驱动部。被视为有利的是，通过应力减小降低由于驱动部或支承机构的组件由于过载引起的破坏而造成的起重机停机时间，并且减小支承机构在目的地处的稳定时间。
发明内容
基于此本发明的目的为，如此改进开头提及的类型的方法和控制装置，即减小在摆动运动期间在旋转塔式起重机的结构中的振动并且简化控制装置的配置方案。
根据本发明，该目的通过以下方式实现，即在运行期间自动地计算以起重机系统的固有频率以及阻尼率的形式的系统参数，并且实时地从操作者的操作信号以及计算出的起重机系统的固有频率和阻尼率中计算出控制信号以作为主动的(aktiv)速度参考曲线。
根据本发明的方法使用自动产生的速度参考曲线用于驱动马达例如摆动马达，以用于抑制在起重机系统的结构的固有频率时的振动。
作为开环控制方法实施该方法。实时地从操作者的控制命令确切地说操作信号、系统的固有频率及其阻尼率中计算出修正的速度参考曲线。
这些参数在使用自动的识别和配置算法的情况下被计算出来。
与现有技术相比该方法以此而出众，即起重机结构的数学模型不一定是必要的。
用于自动地计算参数的尤其优选的方法基于当前马达扭矩和/或马达电流的值，该值在带有可变的速度的马达控制部处探测。马达扭矩和/或马达电流的值以与起重机的机械结构振动相同的频率波动。因此实现，在使用扫描的扭矩曲线的情况下导出起重机结构的参数。优选地，从测得的马达的电流和/或扭矩中计算出固有频率fEIG和阻尼率(ζ)。
用于旋转塔式起重机的优选的自动配置方法具有以下方法步骤：
a) 通过借助于可自由选择的速度曲线例如带有线性走向的加速斜坡进行加速来实施可动的起重机元件的第一运动，该加速斜坡足够倾斜以用于激励起重机系统的振动，
b) 扫描(Abtasten)扭矩和/或电流值，
c) 优选地借助于傅里叶变换进行探测的扭矩和/或电流值的频谱分析，并且获得频谱分布，
d) 找出(Auffinden)频谱分布的主频作为起重机系统的固有频率，
e) 从最初扫描的电流和/或扭矩值中计算出阻尼率。
优选地，可利用在相应之前的循环中获得的加速斜坡有规律地重复这些方法步骤。
在加速结束之后在电流和/或扭矩振动的至少一个周期上扫描电流和/或扭矩值。
一种优选的方法由此而出众，即通过由操作者预定的操作信号与抑制在起重机系统的结构的固有频率时的振动的频率消除信号的数学卷积计算出速度参考曲线，其中，实时地从获得的固有频率和阻尼率中导出该频率消除信号。
通过来自操作者的任意速度命令与消除在起重结构的固有频率时的振动的频率消除信号的卷积得到期望的速度参考曲线。该卷积运算的结果是速度参考信号，其在系统的固有频率时不激发振动并且由此允许悬臂的柔和的摆动运动。
根据优选的方法设置成，频率消除信号具有两个时间上错开的分别带有幅度的脉冲，其中，这些脉冲彼此通过以下公式错开时间t，
其中，f表示计算出的固有频率并且ζ表示计算出的阻尼率。
存在多个满足对在系统的给出的固有频率时的振动进行除去的要求的信号，其中，最简单的信号通过两个在时间上错开的脉冲反映出来。使用该信号，因为其提供最短的加速和减速斜坡，用于操作者的最重要的标准之一。
优选地，使用矩形信号或梯形信号作为操作者的操作信号。
如此修正用于操控驱动或摆动马达的速度曲线，即使该速度曲线与结构的机械的频率特性相匹配，从而有更少的应力作用到该结构上，产生更少的干扰并且实现起重机悬臂的稳定的速度。与已知的方法(其优选使用V(电压)/F(频率)马达控制或其它用于限制扭矩的方法)相反，马达控制与起重机结构“抗衡”，而是以最优的方式控制马达。在已知的方法中，仅仅通过扭矩影响马达速度，该扭矩通过结构的扭转产生以使运动平滑。
使用主动的曲线发生器需要预定系统参数例如固有频率和阻尼率。可行的是，在使用附加的传感器的情况下进行起重机结构的频率和其阻尼率的测量。然而，该方式需要附加的硬件，其减小了简单性并且提高用于解决方案的成本。
优选地设置成，在旋转塔式起重机的运行期间连续地计算系统参数并且在结构的机械特性变化时对速度参考曲线进行匹配。
优选地，配置算法也可在机械的通常的运行期间运行，并且例如当系统的机械性能改变时速度发生器的系统参数变化。这可通过“在运行中(on-the-fly)”探测增加的振动和测量频率来实现。
用于执行该方法的软件被实现在SoMachine(注册商标)软件中并且如此发展，即在支持32位浮点数学运算的PC上运行。该功能或方法必须以周期性的任务实现。该控制算法在离散的时间上实施。实施周期用于计算速度参考曲线。在以可变的速度驱动时使用该方法，其在矢量控制模式中刚好可跟随该速度参考曲线。
所描述的方法允许需要固有频率和阻尼率作为输入参数的速度曲线发生器的自动配置。
在该方法中，省去了配置参数的必要性，在没有附加的设备的情况下，找寻该系统参数是困难的。由此，简化了旋转塔式起重机的优化的摆动运动的命令施加/开始运行。
控制装置由此而出众，即控制装置具有用于探测隐性地包含起重机元件的固有频率fEIG和阻尼率ζ的振动曲线尤其为马达电流和/或马达扭矩的测量装置以及与该测量装置相连接的用于从所获得的测量值尤其地电流/扭矩值中实时计算以固有频率以及阻尼率的形式的系统参数的参数计算单元，该参数计算单元与构造成速度参考曲线发生器的理论值计算单元相连接，在该理论值计算单元中可在考虑实时地获得的起重机系统的固有频率和阻尼率的情况下从由操作者预定的输入信号中计算出作为主动的速度参考曲线的控制信号。
测量装置可构造成电流/扭矩装置或振动传感器。
在优选的实施形式中设置成，参数计算单元具有构造成频谱分析器例如快速傅里叶变换单元的计算单元，并且计算单元的输出部与用于计算系统参数固有频率和阻尼率的计算单元相连接。
在构造成频谱分析器的计算单元中，借助于傅里叶变换分析所探测的测量值，其中，优选地通过与预定的平均值相比较确定在电流/扭矩曲线的频谱中的主频。
此外设置成，理论值计算单元的输出部与马达控制部相连接，并且该马达控制部构造成开环控制部，其包括速度调节器、优选地下级的(überlagert)扭矩/电流调节器以及测量装置，其中，马达电流和/或马达扭矩通过布置在速度调节器和扭矩/电流调节器之间的加法器被输送回扭矩/电流调节器中。
该马达控制部此外具有速度估算元件，该速度估算元件从在测量装置中获得的电流/扭矩值中导出速度实际值，将其与速度参考值相结合并且输送到速度调节器。
优选地，操作信号可通过修正单元与理论计算单元相连接。
该方法具有的优点是，以最优的方式操控起重机的驱动或摆动马达，其中，被引入结构中的能量不是被浪费以激发振动，而是用于实施柔性的、平稳的摆动运动。
通过根据本发明的方法实现以下优点：
- 悬臂的柔和的无震荡的运动，
- 作用到结构上的应力减小，
- 在运动期间产生的噪声减小，
- 可提供全扭矩用于驱动悬臂，
- 明显地且高效能地减小了通过震荡浪费的能量。
附图说明
不仅从可从中得到特征(单独和/或以组合的方式)的权利要求中而且也从以下对从附图中得到的优选的实施例进行的描述中得到本发明的其它细节、优点和特征。
其中：
图1a显示了旋转塔式起重机的示意图，
图1b显示了理论和实际角速度在起重机悬臂的时间上的时间曲线，
图2显示了控制系统的示意图，
图3显示了在时间上速度曲线的图示，
图4显示了在时间上的振动波动的图示，
图5显示了衰减的振动，
图6a)-d)显示了作为操纵脉冲与斜坡函数的卷积结果的速度理论曲线，
图7显示了作为输入脉冲与带有线性增加的斜坡的斜坡函数的卷积结果的速度曲线，
图8a),b)显示了起重机悬臂的带有上升的斜坡的速度曲线、合成的速度曲线以及驱动马达的电流/扭矩曲线，
图9显示了根据图8b)的扭矩/电流曲线的频谱分布，
图10a)显示了驱动马达的扭矩/电流曲线，
图10b)-c)显示了根据图10a)的扭矩/电流曲线的时间段的频谱分布，
图11a),b)显示了修正的速度曲线以及起重机悬臂的合成的速度曲线和马达的扭矩/电流曲线的，以及
图12显示了根据图11b)的扭矩/电流曲线的频谱分布。
具体实施方式
图1a仅仅示意性地显示了起重机系统例如旋转塔式起重机10的柔性的、机械的结构，其包括从基座12中引出的塔14，悬臂18通过铰接部16可旋转地支承在该塔14处。悬臂18借助于电动马达20可在箭头23的方向上绕摆动轴线22摆动。被储存在旋转塔式起重机10的柔性的结构中的能量在加速或减速过程期间引起在机械结构中的振动，其以参考标号24表示。与起重机悬臂18的摆动速度重叠的振动由起重机驾驶员例如作为悬臂端部的不稳定的速度感觉到。
图1b显示了根据曲线26的期望的理论速度VSOLL的走向和根据曲线28的实际速度VIST的走向。
旋转塔式起重机10的机械结构在摆动运动期间如弹簧那样作用。由马达20给出的能量引起塔14和悬臂18的扭转。被储存在机械的结构中的能量引起实际速度28的波动，例如这在图1b中示出。
图2仅仅示意性地显示了用于借助于马达20来低振动地操控旋转塔式起重机10的起重机悬臂18或塔14。
控制装置30包括带有速度调节器34的马达控制部32，在输入侧通过加法器36将速度理论值VSOLL以及速度实际值VIST输送到该速度调节器34处。
速度调节器34在输出侧通过加法器38与电流/扭矩调节器40相连接，该电流/扭矩调节器40在输出侧提供电流/扭矩值I/M以用于操控马达20。该电流/扭矩值I/M借助于测量装置42探测并且以调节回路的形式一方面被输送给加法器38并且另一方面被输送给速度估算装置44，该速度估算装置44为加法器36提供速度实际值VIST。
通过所描述的速度和电流调节回路，提供带有可变的速度的可变的马达控制部32。
根据本发明，借助于测量装置42探测相应于马达20的扭矩M的或与其成比例的值例如马达20的电流值，并且将其输送到速度曲线产生和识别单元46。该速度曲线产生和识别单元46包括频谱分析单元例如傅里叶变换单元48，在该傅里叶变换单元48中所探测的测量值经受频谱分析例如傅里叶变换。之后，将分析的值输送到计算单元50，在该计算单元50中计算出系统参数例如起重机系统10的固有频率fEIG和/或阻尼率ζ。所计算出的系统参数用作用于速度曲线发生器52的第一输入参数。起重机驾驶员或操作者的控制命令SBED如有可能在事先通过修正单元54进行匹配的情况下作为第二输入参数被输送到速度曲线发生器50处。
之后，从系统参数和起重机驾驶员的控制命令SBED中计算出用于速度理论值VSOLL的速度曲线。
从现有技术中已经充分已知用于低振动地操控马达20的速度曲线发送器52的应用。
然而根据本发明，基于在运行期间借助于测量装置42探测的当前的马达电流I和/或马达扭矩M的值自动地计算系统参数。
在此利用的是，马达扭矩M和由此马达电流I以与旋转塔式起重机10的机械结构相同的频率波动。因此实现，在使用扫描的电流/扭矩曲线的情况下导出机械结构的系统参数尤其地固有频率fEIG和阻尼率ζ。
图3显示了两个用于速度理论值VSOLL的速度曲线56,58，其中，速度曲线56表示线性斜坡并且速度曲线58表示相同持续时间的阶梯形的斜坡。在2秒至6秒的时间段中示出了加速，并且在16秒至21秒的时间段中示出了减速。
对于在图3中示出的速度曲线56,58，在图4中相应地示出了悬臂18的端部的速度的振动曲线60,62，其中，振动曲线60从带有速度斜坡58的操控中得到并且振动曲线62从带有速度曲线56的操控中得到。
上述振动曲线60,62说明，与例如带有速度斜坡56的操控相比，速度斜坡58在机械的结构中产生更少的振动。
期望的速度参考曲线58通过从控制命令SBED中产生的控制信号SSTEU与频率消除信号SFREQ的数学卷积产生，频率消除信号在起重机结构的固有频率时消除其振动。如果利用速度参考曲线58作为速度理论值VSOLL操控马达20，则在机械结构的固有频率时不激励振动并且由此实现悬臂18的柔和的摆动运动。
存在多个频率消除信号SFREQ，其满足对在结构的给出的固有频率时的振动进行除去的要求，其中，简单的信号SFREQ具有两个在时间上错开了时间t1的脉冲68,70;72,74;76,78;80,82;84,86。该脉冲可具有不同的幅度A和持续时间Δt，如在图6a)-6d)中示出的那样。
如以上解释的那样，频率消除信号SFREQ包括两个脉冲例如脉冲68,70。该第一脉冲68在时刻t=0秒时产生，以保持修正的加速和减速斜坡的总长度尽可能短。第二脉冲70在时间上错开了时间t1，该时间t1与起重机结构10的固有频率fEIG及其阻尼率ζ相关。
用于设定第二脉冲的时间t相应于起重机结构的固有频率fEIG的振动周期的一半，通过阻尼率ζ补偿。
其中，f表示起重机结构的固有频率[Hz]并且ζ表示阻尼率。
阻尼率ζ限定在固有频率fEIG时根据图5的振动的阻尼的比率。为了计算阻尼率ζ，需要对数的衰减量δ，其作为两个相继的幅度A1,A2的比例的对数定义成：
用于计算阻尼率ζ的公式是：
在脉冲的幅度A1,A2之间的关系是：
两个脉冲的幅度A1,A2的和必须等于1，以对于产生的控制命令实现用于未变形的控制命令的值
A
1
+A
2
=1
然后，使得到的脉冲频率与惯用的控制信号卷积。
f = 操作者的控制命令
g = 预计算的脉冲频率。
柔性的系统10的固有频率fEIG是这样的频率，即在该频率下当动能作用到结构上时(例如该结构加速时)旋转塔式起重机10的机械结构振动。优化的用于测量频率的方法与测量系统相关。最简单的方式是，在时间周期上为振动计数。之后，可根据以下公式计算该频率：
fEIG = 振动的数量/时间间隔[Hz]
-在此，T是固有频率fEIG的振动的周期持续时间。
可根据以下方式简化地获得旋转塔式起重机10的结构的固有频率fEIG：
- 在使用线性加速斜坡的情况下使马达控制部32置于加速，该加速斜坡足够倾斜以用于在结构中产生明显的振动；
- 预设用于悬臂18以小的速度摆动的控制命令并且主动地保持该控制命令；
- 借助于振动传感器探测系统的振动，并且相应于信号(例如噪声、振荡、扭矩/马达电流峰值)的一些振动相位(Schwingungsphase)探测特征性的重复特性；
- 为相应于振动的数量的事件计数并且测量相关的时间；
- 使用以上公式计算固有频率。
在输入整形的理论中限定的简单脉冲在该实现方案中被扩大到可变的长度(图6a)-6d))。可行的是，通过脉冲长度的修正影响加速/减速阶段的持续时间、加速度的持续时间和震荡的量。两个脉冲的幅度A1,A2总和必须等于1的必要性导致这样的必要性，即在脉冲之下的面积的和同样必须为1。
图6显示了计算出的脉冲68, 70; 72, 74; 76, 78; 80, 82的形状对输出的速度参考曲线58的影响。脉冲的面积和第二脉冲的时间t与结构的固有频率fEIG和阻尼率ζ相关并且在四个示例中是恒定的。附图示出，持续时间短的脉冲和更大的幅度增大了加速的陡度并且同样(在一定程度上)缩短了过渡阶段的时间。带有斜坡的平衡的陡度及其持续时间的优化的设置与起重机10的机械特性相关。
在图6中示出的速度参考曲线适合用于抑制在限定频率下的振动。然而导致“冲击(Zuckung)”的过度值的曲线可激励系统的更高的振动模式。
代替陡的信号，图7显示了线性增大的控制信号SSTEU的使用。该控制信号SSTEU通过在单元52中对操作信号SBED的修正产生。出于实际性原因，用于控制信号SSTEU 68, 70; 72, 74; 76, 78; 80, 82和脉冲频率66的卷积的算法在时域中实现并且使用已知的卷积积分的离散的形式。
用于旋转塔式起重机10的另一优选的自动配置方法具有以下方法步骤：
- 借助于马达20在使用任意或任何速度曲线56,88如根据图3或图8a)的加速斜坡的情况下使起重机悬臂18实施绕摆动轴线22的运动，该加速斜坡如此陡，即使得在旋转塔式起重机10的机械结构中激励振动，
- 对马达20的扭矩M和/或电流值I进行扫描，
- 进行借助于测量装置42探测的电流值I和/或扭矩值M的频谱分析，例如傅里叶变换，
- 在计算单元(48)中寻找(aufsuchen)被变换的值的频谱的主频f d ，
- 计算机械的结构10的固有频率fEIG，
- 使用固有频率fEIG和初始被扫描的扭矩和/或电流数据以用于计算旋转塔式起重机10的机械结构的阻尼率ζ，
- 优选地，利用分别在上一循环中获得的加速斜坡有规律地重复所描述的方法步骤。
当加速斜坡结束也就是说系统不再加速且自由振动时，以时间tA开始扭矩和/或电流值的扫描。
下面，应详细解释优选的自动设置方法。在图8a中仅仅示意性地示出了用于操控马达20的速度理论值VSOLL的可能的速度曲线88。在利用线性斜坡操控时，该速度曲线88与马达轴的角速度成比例。为此应指出的是，马达的真正的角速度高得多，并且为了图示的目的以减小的方式被示出。根据图8a的曲线90显示了以衰减的振动的形式的起重机悬臂18的端部的角速度。
图8b显示了电流-扭矩曲线92，其借助于测量装置42探测。该曲线也具有衰减的振动的走向。电流或扭矩值I/M被扫描并且在计算单元48中借助于傅里叶变换经受频谱分析。在图9中示出了电流或扭矩曲线92的能量谱94。该能量谱在主频f d 时具有最大值96。此外，绘出了用于示出平均值MW1,MW2,MW3的平均值线98,100,102，其中，平均值MW2相应于平均值MW1的值的两倍，并且平均值MW3相应于平均值MW1的三倍。通过平均值线100,102反映的平均值MW2,MW3可被用于确定主频f d 是否被包含在频谱94中。例如，主频f d 必须具有幅度A，其至少相应于平均值MW3并且其它频率的幅度都不能等于或大于平均值MW2。
由此获得的主频f d 相应于旋转塔式起重机10的机械结构的固有频率fEIG。
此外，可基于衰减的幅度值从电流或扭矩值I/M的曲线92中获得阻尼率ζ。
备选地，可在考虑以下条件的情况下获得固有频率fEIG：
- 主频或识别出的频率f d 的幅度必须大于平均值MW1，
- 识别出的频率或主频f d 必须在这样的频率带之内，即该频率带对于旋转塔式起重机来说是似乎可信的(plausible)，其中，根据经验获得的界限在约0.03Hz≤f d ≤0.25Hz的范围中，
- 识别出的频率或主频f d 必须满足奈奎斯特-香农-原理，也就是说，频率必须小于1/2×采样周期并且大于1/整个扫描时间。
可在考虑驱动扭矩的平均值的情况下基于衰减的幅度值的最大和最小幅度从电流或扭矩值I/M的曲线92中获得阻尼率ζ。
备选地，可借助于傅里叶变换FFT1,FFT2从带有固有频率的周期P1,P2的长度的两个相继的时间段中获得阻尼率ζ。在图10a)至10c)中示出了该过程。
图10a)显示了在时间t上的电流或扭矩值I/M的振动曲线104。第一周期P1的区段108的傅里叶变换FFT1的曲线106在图10b)中在频率f上示出。图10c)显示了电流或扭矩值M,I的周期P2的区段112的曲线110。在计算对数衰减量时，使用在额定频率或主频fn时的两个频谱106,110的幅度最大值x1,x2的值
并且紧接着用于计算阻尼率
之后，可从固有频率fEIG和阻尼率ζ中计算出频率消除信号SFREQ尤其地在单个脉冲之间的时间位移t。紧接着，与控制信号SSTEU一起在速度曲线发生器52中相应于输入参数计算出根据图3的速度曲线58或根据图11a)的速度曲线114。在图11a)中示出了相应地计算出的速度曲线114。根据图11a)的起重机悬臂的端部的合成的速度曲线116表明，已经消除了振动。相同地也适用于电流/扭矩曲线，其通过在图11b)中的曲线118示出。与根据图8b)的曲线92相比，曲线118表明仅仅小的振动。
图12显示了根据图11d的电流/扭矩曲线118的频谱120，从其中得出，不包含主频，因为已经通过使用修正的加速斜坡114消除了该主频。
应指出的是，当加速斜坡114结束时，开始电流/扭矩值的扫描。使用该操作用于测量真实的固有频率并且滤除由于通过加速斜坡引起的强制频率造成的振动。
通过速度曲线单元和识别单元46在旋转塔式起重机10的通常的运行期间实施配置算法，从而当例如旋转塔式起重机10的机械的特性变化时，可在运行期间获得用于速度曲线发生器52的系统参数。
这可通过“在运行中”探测增加的振动和测量频率实现。因此，根据本发明的方法允许自动地设配置速度曲线发生器52，其需要旋转塔式起重机10的固有频率fEIG和阻尼率ζ作为输入参数。
因此，省去了从现有技术中已知的在运行之前必要的系统参数配置，在没有附加的设备时找寻系统参数可能是有困难的。也简化了旋转塔式起重机的开始运转。
期望的功能产生用于操控马达20的速度曲线。该速度曲线如此计算出来，即抑制在旋转塔式起重机的固有频率时的活性的振动。
使用该功能的优点是，以最优的方式进行起重机结构的摆动运动，其中，被引入结构中的能量不是通过振动消耗，而是引起一致的高效能的摆动运动。
Claims (21)
1.一种用于借助于马达(2)来低振动地控制起重机系统(10)的可动的起重机元件(14,16,18)例如起重机悬臂(18)的运动的方法，所述起重机系统可被激励成以固有频率(fEIG)振动并且具有阻尼率(ζ)，其中，利用这样的控制信号(VSOLL)操控所述可动的起重机元件(14,16,18)，即所述控制信号的频谱基本上不包含所述起重机系统(10)的固有频率(fEIG)无，其中，在考虑所述起重机系统(10)的系统参数的情况下从操作者的操作信号(SBED)中计算出所述控制信号(VSOLL)，
其特征在于，
在运行期间自动地计算以所述起重机系统(10)的固有频率(fEIG)以及阻尼率(ζ)的形式的系统参数，并且实时地从操作者的操作信号(SBED)以及计算出的起重机系统的固有频率(fEIG)和阻尼率(ζ)中计算出所述控制信号(VSOLL)以作为主动的速度参考曲线(VSOLL)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从测得的所述马达(20)的电流(I)和/或扭矩(M)中计算出所述起动机系统(10)的固有频率(fEIG)和阻尼率(ζ)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据以下方法步骤获得所述系统参数：
a) 通过借助于可自由选择的速度曲线(56,88)例如带有线性走向的加速斜坡使起重机系统加速来实施所述可动的起重机元件(18)的第一运动，所述加速斜坡足够倾斜以用于激励所述起重机系统(10)的振动，
b) 扫描扭矩和/或电流值(M/I)，
c) 优选地借助于离散的傅里叶变换进行所探测的扭矩和/或电流值的频谱分析，并且获得频谱分布(94)，
d) 找出所述频谱分布(94)的主频(fd)作为起所述重机系统的固有频率(fEIG)，以及
e) 从最初扫描的电流和/或扭矩值中计算出所述阻尼率(ζ)。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在所述加速结束之后在至少一个周期上扫描所述扭矩和/或电流值(M/I)。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，通过由所述操作者预定的操作信号(SBED)与抑制在所述起重机系统(10)的结构的固有频率(fEIG)时的振动的频率消除信号(SFREQ)的数学卷积计算所述速度参考曲线(VSOLL)，其中，实时地从所获得的固有频率(fEIG)和阻尼率(ζ)中导出所述频率消除信号(SFREQ)。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，使用矩形信号或梯形信号作为所述操作者的操作信号(SBED)。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述频率消除信号(SFREQ)具有两个时间上错开的分别带有幅度(A1,A2)的脉冲(68, 70; 72, 74; 76, 78; 80, 82; 84, 86)，其中，所述脉冲通过以下公式彼此错开时间t，
其中，f表示计算出的固有频率(fEIG)并且ζ表示计算出的阻尼率(ζ)。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在所述起重机系统(10)的运行期间连续地计算以所述固有频率(fEIG)和阻尼率(ζ)的形式的系统参数并且在所述结构的机械特性变化时对所述速度参考曲线(VSOLL)进行匹配。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，以周期性的节拍在离散的时间段上实施以所述固有频率(fEIG)和阻尼率(ζ)的形式的系统参数的计算，其中，使用实施周期以用于计算所述速度参考曲线(VSOLL)。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，为了找出所述频谱分布(94)的主频(fd)，获取所述频谱分布(94)的最大值(96)，其中，所述最大值(96)必须至少相应于所述频谱分布(94)的平均值(MW1)的三倍，并且其中，其它频率都不可具有大于所述频谱分布(94)的平均值(MW1)的两倍的幅度。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，根据以下条件获得所述频谱分布(94)的主频(fd)：
- 所述主频(fd)的幅度必须大于所述平均值(MW1)，
- 所述主频(fd)必须在这样的频率带之内，即所述频率带对于所述起重机系统(10)来说是似乎可信的，优选地在约0.03Hz≤fd≤0.25Hz的范围中，
- 所述主频(fd)必须满足奈奎斯特-香农-原理的条件，也就是说，所述频率必须小于1/2×采样周期并且大于1/整个扫描时间。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，根据以下公式计算所述阻尼率(ζ)
其中，
其中，A1,A2为衰减的扭矩/电流曲线的最大和最小幅度值(A1,A2)，并且优选地在考虑所述驱动扭矩的平均值的情况下进行所述计算，其中，在时域中进行所述计算。
13.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，借助于傅里叶变换(FFT1,FFT2)从带有所述电流/扭矩曲线(I,M)的周期(P1,P2)的长度的两个相继的时间段中获得所述阻尼率(ζ)，其中，从所述第一周期(P1)的傅里叶变换(FFT1)中获得带有最大值(x1)的频谱分布(106)，其中，借助于所述第二周期(P2)的傅里叶变换(FFT2)获得带有最大值(x2)的频谱分布(110)，其中，所述频谱分布(106,110)的幅度最大值(x1,x2)位于所述主频(fn)处，其中，借助于以下公式计算对数的衰减量
并且利用以下公式计算所述阻尼率(ζ)
14.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在矢量控制模式中利用可变的速度操控所述马达(20)。
15.一种用于低振动地控制起重机系统(10)的可动的起重机元件(14,16,18)例如起重机悬臂(18)的运动的控制装置(30)，所述起重机系统(10)可被激励成以固有频率(fEIG)振动并且具有阻尼率(ζ)，其中，利用这样的控制信号(VSOLL)操控所述可动的起重机元件(14,16,18)，即所述控制信号的频谱基本上不包含固有频率(fEIG)，其中，在理论值计算单元(52)中在考虑系统参数的情况下从操作者的操作信号(SBED)中计算出所述控制信号(VSOLL)，并且其中，将在所述理论值计算单元(52)的输出部处的控制信号(VSOLL)输送到马达控制部处以用于操控所述马达(20)，
其特征在于，
所述控制装置(30)具有用于探测隐性地包含所述起重机系统的固有频率(fEIG)和阻尼率(ζ)的振动曲线(62,92,90)的测量装置(42)以及与所述测量装置相连接的参数计算单元(48,50)以用于从所探测的测量值(I,M)中实时计算以固有频率(fEIG)以及阻尼率(ζ)的形式的系统参数，
所述参数计算单元(48,50)与构造成速度参考曲线发生器的理论值计算单元(52)相连接，在所述理论值计算单元中在考虑实时地获得的所述起重机系统(10)的固有频率(fEIG)和阻尼率(ζ)的情况下从由操作者预定的输入信号中可计算出所述控制信号以作为主动的速度参考曲线(VSOLL)。
16.根据权利要求15所述的控制装置，其特征在于，所述测量装置(42)构造成探测所述马达电流(I)或所述马达扭矩(M)的测量装置。
17.根据权利要求15所述的控制装置，其特征在于，所述测量装置(42)包括用于探测所述起重机系统(20)的机械结构的振动的振动传感器。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述参数计算单(48,50)元具有构造成频谱分析器例如快速傅里叶变换单元的计算单元(48)，并且所述计算单元(48)的输出部与用于计算所述系统参数固有频率(fEIG)和阻尼率(ζ)的计算单元(50)相连接。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述理论值计算单元(52)的输出部与马达控制部(32)相连接，所述马达控制部(32)构造成开环控制部，其包括速度调节器(34)、优选地下级的扭矩/电流调节器(40)以及测量装置(42)，其中，所述马达电流和/或马达扭矩通过布置在所述速度调节器和扭矩/电流调节器(40)之间的加法器(38)被输送回所述扭矩/电流调节器(40)中。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述马达控制部(32)此外具有速度估算元件(44)，所述速度估算元件从在所述测量装置(42)中获得的电流-扭矩值中导出速度实际值(VIST)，将该速度实际值与所述速度参考值(VSOLL)相结合并且输送到所述速度调节器(34)。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述操作信号(SBED)通过修正单元(54)与所述理论计算单元(52)相连接。
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