CN103663143A - 吊重防摇控制设备、方法、系统及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吊重防摇控制设备、方法、系统及工程机械，其中，吊重由臂架通过吊绳吊起，所述设备包括：接收装置，用于接收所述臂架的顶端水平位置和/或所述吊重的摆角及摆角速度；以及控制装置，用于执行以下至少一者：在所述顶端水平位置发生变化的情况下，控制一防摇装置对吊绳中的一段吊绳的水平位移进行补偿，以使其水平位置相比于所述臂架的顶端水平位置发生变化之前不变；以及在所述吊重的摆角及摆角速度大于预设值的情况下，采用模糊PID控制算法控制所述防摇装置对所述吊绳中的一段吊绳的水平位移进行控制，以抑制所述摆角及摆角速度。通过上述技术方案，可以抵消各种干扰并抑制较大幅度的摇摆，且能达到较高的定位精度。

Description

吊重防摇控制设备、方法、系统及工程机械

技术领域

本发明涉及工程机械，具体地，涉及一种吊重防摇控制设备、吊重防摇控制方法、吊重防摇系统、以及包含该系统的工程机械。

背景技术

起重机械在吊装过程中，由于臂架回转、俯仰及风载荷等原因，吊重将会发生明显的摇摆。当摆动幅度较大时，一方面不利于快速稳定地完成吊装任务，影响工作效率；另一方面将会对臂架或货物产生较大的冲击，影响臂架的寿命或货物的质量，增大了安全隐患。

现有的防摇装置以被动防摇为主，或主动控制能力较低，对干扰的防摇能力也较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种吊重防摇控制设备、吊重防摇控制方法、吊重防摇系统、以及包含该系统的工程机械，其可实现主动防摇。

为了实现上述目的，本发明提供一种吊重防摇控制设备，该吊重由臂架通过吊绳吊起，该设备包括：接收装置，用于接收所述臂架的顶端水平位置和/或所述吊重的摆角及摆角速度；以及控制装置，用于执行以下至少一者：在所述顶端水平位置发生变化的情况下，控制一防摇装置对吊绳中的一段吊绳的水平位移进行补偿，以使其水平位置相比于所述臂架的顶端水平位置发生变化之前不变；以及在所述吊重的摆角及摆角速度大于预设值的情况下，采用模糊PID控制算法控制所述防摇装置对所述吊绳中的一段吊绳的水平位移进行控制，以抑制所述摆角及摆角速度。

相应的，本发明还提供一种吊重防摇系统，该系统包括：上述吊重防摇控制设备；摆角检测装置，用于检测所述吊重的摆角及摆角速度；位置传感器，用于检测所述臂架的顶端水平位置；以及防摇装置，该防摇装置包括：套绳机构，套在所述吊绳上；及驱动机构，安装于所述臂架上，用于驱动套绳机构运动。

相应的，本发明还提供一种工程机械，该工程机械包含上述吊重防摇系统。

相应的，本发明还提供一种吊重防摇控制方法，该吊重由臂架通过吊绳吊起，该方法包括：接收所述臂架的顶端水平位置和/或所述吊重的摆角及摆角速度；以及执行以下至少一者：在所述顶端水平位置发生变化的情况下，控制一防摇装置对吊绳中的一段吊绳的水平位移进行补偿，以使其水平位置相比于所述臂架的顶端水平位置发生变化之前不变；以及在所述吊重的摆角及摆角速度大于预设值的情况下，采用模糊PID控制算法控制所述防摇装置对所述吊绳中的一段吊绳的水平位移进行控制，以抑制所述摆角及摆角速度。

通过上述技术方案，可以抵消各种干扰并抑制较大幅度的摇摆，且能达到较高的定位精度。

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1a为本发明提供的防摇装置的整体安装示意图；

图1b为图1a的局部放大图；

图2为防摇装置中的套绳机构的结构示意图；

图3为防摇装置中的驱动机构的结构示意图；

图4为套绳机构与驱动机构的连接关系示意图；

图5为防摇装置中的连接机构的结构示意图；

图6为本发明提供的吊重防摇系统的结构示意图；

图7为在臂架顶端水平位置发生变化的情况下的控制过程示意图；

图8为在所述吊重的摆角及摆角速度大于预设值的情况下的控制过程示意图；以及

图9为模糊PID控制的框图。

附图标记说明

10    吊重        20    臂架

30    吊绳        400   防摇装置

410   套绳机构    420   驱动机构

411   滚轮        412   滚轮支座

412   作用杆      414   铰接轴

421   箱体        422a  第一滑槽

423a  第一滑块    424a  第一驱动杆

425   作用杆      426a  第一液压缸

422b  第二滑槽    423b  第二滑块

424b  第二驱动杆  426   第二液压缸

430   连接机构    431   安装支座

432   夹板        433   液压缸

434   回转支座    435   铰接轴

436   曲柄        437   铰接轴

438   回转轴      50    摆角检测装置

60    传感器      70    防摇控制设备

71    接收装置    72    控制装置

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。

图1a为本发明提供的防摇装置的整体安装示意图，图1b为图1a的局部放大图。如图1a及图1b所示，本发明提供了一种吊重防摇装置400，该吊重10由臂架20通过吊绳30吊起，该防摇装置400包括：套绳机构410，套在所述吊绳30上；及驱动机构420，安装于所述臂架20上，用于驱动套绳机构410运动，进而该套绳机构带动吊绳运动，以达到主动防摇的目的。以下结合图2-5对本发明所提供的防摇装置进行详细介绍。

图2为防摇装置中的套绳机构的结构示意图。如图2所示，所述套绳机构410包括：至少一对滚轮411，该至少一对滚轮411之间形成一由所述吊绳30穿过的间隙；滚轮支座412，用于支承所述滚轮211；以及作用杆413，用于固定所述滚轮支座412，且与所述驱动机构420相连，用于在所述驱动机构420的驱动下带动所述滚轮211移位，进而移动所述吊绳30。其中所述滚轮支座412通过铰接轴414而被安装在所述作用杆413上。通过该套绳机构410，可保证在吊重无摇摆时吊绳可以自由升降，而在吊重存在摇摆时，可在驱动机构420的驱动下控制所述吊绳30在水平面上移动，进而抑制摆动。

优选地，所述套绳机构410包括两对滚轮411，该两对滚轮411相互正交布置，以在该两对滚轮411之间形成一供所述吊绳30穿过的孔。藉此，无论吊绳在水平面的哪一方向上与该套绳机构相接触，均可保证该吊绳在升降时不会受到吊绳机构420的过大阻力。

图3为防摇装置中的驱动机构的结构示意图。如图3所示，所述驱动机构420包括：箱体421，安装于所述臂架20上；第一滑槽422a；第一滑块423a，位于所述第一滑槽422a内；第一驱动杆424a，该驱动杆424a可由液压缸426a驱动，进而驱动所述第一滑块423a在所述第一滑槽422a内滑动；以及作用杆425，与所述第一滑块423a固定连接，用于在所述第一滑块423a在所述第一滑槽422a内滑动的情况下，驱动所述套绳机构410运动。藉此，可在水平面的一方向驱动所述吊绳移动，进而抑制摇摆。

优选地，所述驱动机构420还包括：第二滑槽422b，安装于所述箱体421上，且该第二滑槽422b的延伸方向与所述第一滑槽422a的延伸方向不同；第二滑块423b，位于所述第二滑槽422b内，且所述第一滑槽422a固定于该第二滑块423b上；以及第二驱动杆424b，该驱动杆424b可由液压缸426b驱动，用于驱动所述第二滑块423b在所述第二滑槽422b内滑动。藉此，可在水平面的两个方向驱动所述吊绳移动，以达到抑制摇摆的目的。

其中所述第一滑槽422a与第二滑槽422b的延伸方向可分别为左右方向与前后方向，而所述第二滑槽422b、第二驱动杆424b以及液压缸426b可均为2个。整体而言，所述驱动机构420的数量可为两个，分别位于所述臂架20的左右两侧，从而驱动套绳机构410作前后运动的液压缸一共四个（臂架左右两侧一侧两个），该四个液压缸作同步运动；驱动套绳机构410作左右运动的液压缸则一侧一个，该两个液压缸作反向运动。通过驱动机构420的此种对称安装方式，可减小防摇过程中对臂架产生的不平衡力矩。

另外，上述第一滑槽422a及第二滑槽422b可为滑动滑槽，亦可为滚珠支撑的滑槽。所述液压缸426a及426b以及驱动杆424a及424b的组合可被替换为电机及滚珠丝杠或涡轮蜗杆。当然，以上只是对驱动机构420的示例性说明，本发明并不限于此，任何可实现驱动套绳机构410运动的装置均可适用于此。

图4为套绳机构与驱动机构的连接关系示意图。如图4所示，套绳机构410内的作用杆413与驱动机构420内的作用杆425可采用铰接方式相连。

图5为防摇装置中的连接机构的结构示意图。如图5所示，所述防摇装置400还包括连接机构430，该连接机构430包含：安装支座431，通过夹板432安装于所述臂架30上；调平油缸433，其缸底通过回转支座434与所述安装支座431铰接（亦可采用球铰支撑的形式），具体可为调平油缸433的缸底通过铰接轴435与回转支座434铰接，回转支座434可绕安装支座431转动；以及曲柄436，该曲柄436的大端通过回转轴438与所述安装支座431铰接，小端通过铰接轴437与所述调平油缸433铰接，且该曲柄436与所述驱动机构420（具体为驱动机构420内的箱体421）相连接，用于使该驱动机构420处于水平姿态。借由该连接机构，可对所述套绳机构410及驱动机构420进行调平，使其处于水平面上，从而保证驱动机构420对所述套绳机构410的驱动力均处于水平面上，保证驱动力施加的准确性，进而达到较好的防摇摆效果。另外，可很方便地安装及拆卸防摇装置。

图6为本发明提供的吊重防摇系统的结构示意图。如图6所示，本发明还提供了一种吊重防摇系统，该吊重由臂架通过吊绳吊起，该系统包括：摆角检测装置50，用于检测所述吊重10的摆角及摆角速度；位置传感器60，用于检测所述臂架20的顶端水平位置；防摇装置，防摇装置可为上述防摇装置400，亦可为其他可施加力以实现主动防摇的装置；以及防摇控制设备70，该设备包括：接收装置71，用于接收所述臂架的顶端水平位置和/或所述吊重的摆角及摆角速度；以及控制装置72，用于执行以下至少一者：在所述顶端水平位置发生变化的情况下，控制一防摇装置对吊绳中的一段吊绳的水平位移进行补偿，以使其水平位置相比于所述臂架的顶端水平位置发生变化之前不变；以及在所述吊重的摆角及摆角速度大于预设值的情况下，采用模糊PID控制算法控制所述防摇装置对所述吊绳中的一段吊绳的水平位移进行控制，以抑制所述摆角及摆角速度。通过该系统，可以抵消各种干扰并抑制较大幅度的摇摆，且能达到较高的定位精度。

当起重机基座发生干扰运动、臂架因启制动惯性或风载荷等干扰发生往复晃动时，臂架顶端会发生水平运动，从而导致吊绳-吊重发生摇摆。图7为在臂架顶端水平位置发生变化的情况下的控制过程示意图。如图7所示，以臂架顶端O点为中心点建立坐标系O-XYZ，其中XOZ平面平行于水平面。当臂架顶端从O点运动至O′点时，控制装置72可获得臂架顶端的水平位移（Sx,Sz），之后控制驱动机构420的液压缸伸缩，以对该水平位移进行补偿，使套绳机构410的中心点A的水平位置保持不变，从而吊绳-吊重将不会因臂架顶端的运动发生摇摆。其中，在顶端水平位移为（Sx，Sz）的情况下，所述控制装置控制所述防摇装置对所述吊绳中的一段吊绳的水平位移补偿量为（Lx1,Lz1），其中Lx1=-Sx,Lz1=-Sz。

当存在臂架启制动加速、回转、变幅或外界风载荷等因素时，吊绳-吊重会发生摇摆。图8为在所述吊重的摆角及摆角速度大于预设值的情况下的控制过程示意图。如图8所示，所述吊重在XOY平面及YOZ平面上的投影的摆角以及摆角速度分别为（αz,αx）及（ωz,ωx）,此时所述控制装置72可控制驱动装置420，使套绳机构410的中心点A发生水平位移(Lx2，Lz2)。其中Lx2=fx(αz,ωz)，Lz2=fz(αx,ωx，fx及fz为函数关系式，其由所述模糊PID控制算法决定。

当同时存在以上两种情形时，所述驱动机构420使套绳机构410的中心点A的控制位移为O点运动的补偿量与摆角抑制的控制量之和，即：

Lx=Lx1+Lx2

Lz=Lz1+Lz2

在所述PID模糊控制算法中，偏差及偏差变化率为摆角及摆角速度，摆角变量模糊语言集合为角度变量模糊语言集合为{NB,NS,Z,PS,PB}，角速度变量模糊语言集合为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，控制位移模糊语言集合为{NB,NS,Z,PS,PB}，所述摆角及摆角速度采用梯形隶属度函数表示，

所述模糊PID控制算法所采用的比例系数模糊规则表如下：

积分系数模糊规则表如下：

微分系数模糊规则表如下：

。

图9为模糊PID控制的框图。如图9所示，αz及ωz分别作为偏差及偏差变化率而被输入；之后，对该输入量进行模糊化处理，将输入量转化为用隶属度函数表示的模糊语言变量；之后，按照上述模糊规则表，对模糊语言变量的一系列条件进行综合评估，得到模糊输出量；之后，对该模糊输出量进行解模糊化，得到模糊PID参数增益；之后，按照该增益对PID参数进行增益调节，得到调整之后比例系数、积分系数及微分系数（Kp，Ki，Kd）；之后将该比例系数、积分系数及微分系数输入至PID控制器，以进行PID控制，该PID控制器输出一使套绳机构410的中心点A位移为Lx2的控制信号至防摇装置，以进行防摇控制；之后，摆角检测装置检测吊绳-吊重摆角及摆角速度，并将该摆角及摆角速度输入至防摇控制设备70，以循环上述步骤。以上介绍了有关x轴方向的模糊PID防摇控制，关于z轴方向上的模糊PID防摇控制与上述相类似，于此不再赘述。

优选地，所述接收装置71还用于接收所述防摇装置400的倾角（例如，可来自布置与所述驱动机构420的箱体421上的倾角传感器）；以及所述控制装置72还用于根据所述倾角对所述防摇装置400进行调平。具体可通过控制连接机构430中的调平油缸433来实现，通过调节调平油缸433，可使得曲柄436进行转动，进而调节整个驱动机构420的倾角，使其在防摇定位时处于水平姿态，保证驱动力施加的准确性，进而达到较好的防摇摆效果。

相应的，本发明还提供了一种工程机械，该工程机械包含上述吊重防摇系统。

相应的，本发明还提供了一种吊重防摇控制方法，该吊重由臂架通过吊绳吊起，该方法包括：接收所述臂架的顶端水平位置和/或所述吊重的摆角及摆角速度；以及执行以下至少一者：在所述顶端水平位置发生变化的情况下，控制一防摇装置对吊绳中的一段吊绳的水平位移进行补偿，以使其水平位置相比于所述臂架的顶端水平位置发生变化之前不变；以及在所述吊重的摆角及摆角速度大于预设值的情况下，采用模糊PID控制算法控制所述防摇装置对所述吊绳中的一段吊绳的水平位移进行控制，以抑制所述摆角及摆角速度。有关该方法的具体细节及益处与上述针对防摇控制设备的相类似，于此不在赘述。

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 (19)

1.一种吊重防摇控制设备，该吊重由臂架通过吊绳吊起，其特征在于，该设备包括：

接收装置，用于接收所述臂架的顶端水平位置和/或所述吊重的摆角及摆角速度；以及

控制装置，用于执行以下至少一者：

在所述顶端水平位置发生变化的情况下，控制一防摇装置对吊绳中的一段吊绳的水平位移进行补偿，以使其水平位置相比于所述臂架的顶端水平位置发生变化之前不变；以及

在所述吊重的摆角及摆角速度大于预设值的情况下，采用模糊PID控制算法控制所述防摇装置对所述吊绳中的一段吊绳的水平位移进行控制，以抑制所述摆角及摆角速度。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，

设一以所述臂架的顶端O点为中心点建立坐标系O-XYZ，其中XOZ平面平行于水平面，

在所述顶端水平位置的位移为（Sx，Sz）的情况下，所述控制装置控制所述防摇装置对所述吊绳中的一段吊绳的水平位移补偿量为（Lx1,Lz1），其中Lx1=-Sx,Lz1=-Sz。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，

设一以所述臂架的顶端O点为中心点建立坐标系O-XYZ，其中XOZ平面平行于水平面，所述吊重在XOY平面及YOZ平面上的投影的摆角以及摆角速度分别为（αz,αx）及（ωz,ωx）,

所述控制装置控制所述防摇装置对所述吊绳中的一段吊绳的水平位移控制量为（Lx2,Lz2），其中Lx2=fx(αz,ωz)，Lz2=fz(αx,ωx)，fx及fz为函数关系式，其由所述模糊PID控制算法决定。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，在所述PID模糊控制算法中，偏差及偏差变化率为摆角及摆角速度。

5.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的设备，其特征在于，

所述接收装置还用于接收所述防摇装置的倾角；以及

所述控制装置还用于根据所述倾角对所述防摇装置进行调平。

6.一种吊重防摇系统，其特征在于，该系统包括：

根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的控制设备；

摆角检测装置，用于检测所述吊重的摆角及摆角速度；

位置传感器，用于检测所述臂架的顶端水平位置；以及

防摇装置，该防摇装置包括：

套绳机构，套在所述吊绳上；及

驱动机构，安装于所述臂架上，用于驱动套绳机构运动。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述套绳机构包括：

至少一对滚轮，该至少一对滚轮之间形成一由所述吊绳穿过的间隙；

滚轮支座，用于支承所述滚轮；以及

作用杆，用于固定所述滚轮支座，且与所述驱动机构相连，用于在所述驱动机构的驱动下带动所述滚轮移位，进而移动所述吊绳。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述套绳机构包括两对滚轮，该两对滚轮相互正交布置，以在该两对滚轮之间形成一供所述吊绳穿过的孔。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述驱动机构包括：

箱体，安装于所述臂架上；

第一滑槽；

第一滑块，位于所述第一滑槽内；

第一驱动杆，用于驱动所述第一滑块在所述第一滑槽内滑动；以及

作用杆，与所述第一滑块固定连接，用于在所述第一滑块在所述第一滑槽内滑动的情况下，驱动所述套绳机构运动。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述驱动机构还包括：

第二滑槽，安装于所述箱体上，且该第二滑槽的延伸方向与所述第一滑槽的延伸方向不同；

第二滑块，位于所述第二滑槽内，且所述第一滑槽固定于该第二滑块上；以及

第二驱动杆，用于驱动所述第二滑块在所述第二滑槽内滑动。

11.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述防摇装置还包括连接机构，该连接机构包含：

安装支座，安装于所述臂架上；

调平油缸，其缸底通过回转支座与所述安装支座铰接；以及

曲柄，该曲柄的大端与所述安装支座铰接，小端与所述调平油缸铰接，且该曲柄与所述驱动机构相连接，用于使该驱动机构处于水平姿态。

12.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述套绳机构与所述驱动机构铰接。

13.根据权利要求6-12中任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述驱动机构为两个，对称安装于所述臂架的左右侧，共同驱动所述套绳机构运动。

14.一种工程机械，其特征在于，该工程机械包含根据权利要求6-13中任一项权利要求所述的系统。

15.一种吊重防摇控制方法，该吊重由臂架通过吊绳吊起，其特征在于，该方法包括：

接收所述臂架的顶端水平位置和/或所述吊重的摆角及摆角速度；以及

执行以下至少一者：

在所述顶端水平位置发生变化的情况下，控制一防摇装置对吊绳中的一段吊绳的水平位移进行补偿，以使其水平位置相比于所述臂架的顶端水平位置发生变化之前不变；以及

在所述吊重的摆角及摆角速度大于预设值的情况下，采用模糊PID控制算法控制所述防摇装置对所述吊绳中的一段吊绳的水平位移进行控制，以抑制所述摆角及摆角速度。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，

设一以所述臂架的顶端O点为中心点建立坐标系O-XYZ，其中XOZ平面平行于水平面，

在所述顶端水平位置的位移为（Sx，Sz）的情况下，控制所述防摇装置对所述吊绳中的一段吊绳的水平位移补偿量为（Lx1,Lz1），其中Lx1=-Sx,Lz1=-Sz。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，

设一以所述臂架的顶端O点为中心点建立坐标系O-XYZ，其中XOZ平面平行于水平面，所述吊重在XOY平面及YOZ平面上的投影的摆角以及摆角速度分别为（αz,αx）及（ωz,ωx）,

控制所述防摇装置对所述吊绳中的一段吊绳的水平位移控制量为（Lx2,Lz2），其中Lx2=fx(αz,ωz)，Lz2=fz(αx,ωx)，fx及fz为函数关系式，其由所述模糊PID控制算法决定。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在所述PID模糊控制算法中，偏差及偏差变化率为摆角及摆角速度。

19.根据权利要求15-18中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

接收所述防摇装置的倾角；以及

根据所述倾角对所述防摇装置进行调平。

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