CN103774849B - 混凝土泵车及其臂架的回转制动控制方法、装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种混凝土泵车及其臂架的回转制动控制方法、装置。回转制动控制方法,包括:获取臂架在开始停止转动时的初始动量矩;计算初始动量矩与臂架的临界动量矩之间的差值;根据差值确定制动时间;根据制动时间确定制动级数、制动级数中的每一级所持续的控制时间、每一级所对应的动量矩变化量、及每一级所对应的制动力矩;根据每一级所对应的控制时间和制动力矩进行制动。本发明从臂架在回转过程中的动量矩入手,采用分级控制的方式,根据向臂架做出停止回转操作时臂架具有的初始动量矩,进行对应分级控制,防止出现控制过量或控制不足而出现制动不住的现象。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土设备领域,更具体地,涉及一种混凝土泵车及其臂架的回转制动控制方法、装置。
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。
图1示了出混凝土泵车的结构示意图。如图1所示,混凝土泵车包括底盘1、用于驱动泵车回转的执行机构2、安装在执行机构2上的臂架3、以及安装在臂架3末端的末端软管4。请参考图2,执行机构2包括回转马达5、回转减速机6、小齿轮7、回转支承8等。工作时,回转马达带动减速机,减速机带动小齿轮,小齿轮驱动回转支承外圈实现回转支承内外圈的旋转。这样,通过回转马达的转动即可实现臂架的水平转动。
由于混凝土泵车的臂架为图1所示的多关节铰接的细长柔性悬臂梁结构,在对臂架进行回转方向操作时,当发出停止操作时,臂架2由于运动惯性会继续回转。
请参考图2,现有技术中的混凝土泵车在制动时,采用的制动信号是斜坡+大阶跃制动信号的方式。其中,斜坡信号的斜率和阶跃信号的幅值等都是固定的。然而,混凝土泵车实际操作过程中,作出停止回转操作时,臂架所对应的角速度是不确定的,因此,现有技术中的制动方法只能适应臂架在某一角速度以下时的制动情况,适应性有限。当臂架的角速度较高时,采用固定的制动信号,由于惯性会产生较大的定位误差和较长的定位时间,还会带来安全隐患。
发明内容
本发明旨在提供一种制动定位精度高、时间短的混凝土泵车及其臂架的回转制动控制方法、装置。
为解决上述技术问题,根据本发明的第一个方面,提供了一种臂架的回转制动控制方法,包括:获取臂架在开始停止转动时的初始动量矩;计算初始动量矩与臂架的临界动量矩之间的差值;根据差值确定制动时间;根据制动时间确定制动级数、制动级数中的每一级所持续的控制时间、每一级所对应的动量矩变化量、及每一级所对应的制动力矩;根据每一级所对应的控制时间和制动力矩进行制动。
进一步地,根据差值确定制动时间包括:根据预先存储的差值/制动时间之间的映射关系,确定制动时间。
进一步地,根据制动时间确定制动级数、制动级数中的每一级所持续的控制时间、每一级所对应的动量矩变化量、及每一级所对应的制动力矩包括:根据下式确定控制时间、动量距变化量和制动力矩:
其中,
i为制动级数的各个级,且i=1,2,…..,n,n为制动级数;
Li为制动级数的第i级开始时臂架的动量矩;
Li-1为制动级数的第i-1级控制开始时臂架的动量矩;
Mi为每一级所对应的制动力矩;
Δt为每一级所对应的控制时间。
进一步地,根据每一级所对应的控制时间和制动力矩制动包括:获取电流转换因子;根据制动力矩和电流转换因子得到控制电流,通过控制电流控制执行机构制动。
进一步地,获取电流转换因子包括:向执行机构发出回转电流;获取执行机构的液压马达两侧的压力差;根据压力差计算液压马达的驱动力矩;建立驱动力矩与回转电流之间的关系;根据关系得到电流转换因子。
根据本发明的第二个方面,提供了一种臂架的回转制动控制装置,包括:动量矩计算模块,用于获取臂架在开始停止转动时的初始动量矩;差值计算模块,用于计算初始动量矩与臂架的临界动量矩之间的差值;制动时间确定模块,用于根据差值确定制动时间;参数确定模块,用于根据制动时间确定制动级数、制动级数中的每一级所持续的控制时间、每一级所对应的动量矩变化量、及每一级所对应的制动力矩;制动控制模块,用于根据每一级所对应的控制时间和制动力矩进行制动。
进一步地,参数确定模块根据下式确定控制时间、动量矩变化量和制动力矩:
其中,
i为制动级数的各个级,且i=1,2,…..,n,n为制动级数;
Li为制动级数的第i级开始时臂架的动量矩;
Li-1为制动级数的第i-1级控制开始时臂架的动量矩;
Mi为每一级所对应的制动力矩;
Δt为每一级所对应的控制时间。
进一步地,制动控制模块包括:获取模块,用于获取电流转换因子;控制模块,用于根据制动力矩和电流转换因子得到控制电流以控制执行机构制动。
进一步地,获取模块包括:驱动模块,用于向执行机构发出回转电流;压力差获取模块,用于获取执行机构的液压马达两侧的压力差;驱动力矩计算模块,用于根据压力差计算液压马达的驱动力矩;映射关系建立模块,用于建立驱动力矩与回转电流之间的关系;电流转换因子计算模块,用于根据关系得到电流转换因子。
根据本发明的第三个方面,提供了一种混凝土泵车,包括臂架和回转制动控制装置,回转制动控制装置是上述的回转制动控制装置。
本发明从臂架在回转过程中的动量矩入手,采用分级控制的方式,根据向臂架做出停止回转操作时臂架具有的初始动量矩,进行对应分级控制,防止出现控制过量或控制不足而出现制动不住的现象,并可基于现有的回转执行机构进行制动控制,没有添加额外的作动设备,大大节约成本,并可使臂架快速制动,这对于提高泵车操纵效率和安全性有重大的意义。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1示意性示出了现有技术中的混凝土泵车的结构示意图;
图2示意性示出了图1的执行机构的结构示意图;
图3示意性示出了现有技术中的制动信号的波形图;
图4示意性示出了本发明中的回转制动控制方法的控制流程图;
图5示意性示出了电流转换因子的实验流程图;以及
图6示意性示出了本发明中的混凝土泵车的结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明,但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
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。例如,可以通过遥控器对臂架的回转进行操作,当然也可以采用其他手动控制的方式进行操作。以遥控器为例,在按下遥控器上的控制按钮,向回转制动控制装置发出停止回转的指令时,臂架由于运动惯性会继续往复摆动,从而影响臂架的精确定位、以及定位时间,同时,也会带来安全隐患。
臂架的回转系统(执行机构)的动量矩满足以下关系式:
其中,L1和L2分别为臂架在t1和t2时刻相对于回转中心的动量矩,Me o为相对于同一点的外部的制动力矩。
进一步地,L1和L2由下式得到:
L1=Jω1,L2=Jω2
其中,J为臂架系统的转动惯量,ω1和ω2分别为t1和t2时刻臂架的角速度。
臂架回转运动的执行机构是回转马达,马达两侧压力不同,会产生背压,即产生驱动力矩,推动臂架回转。臂架回转过程中,臂架的角速度时变化的,因此臂架的动量矩也是变化的。要实现臂架的快速制动,即要实现臂架的动量矩快速变为零,因此,需要足够大的控制力矩,控制时间要尽量短。
开始对臂架进行制动时,制动力矩和控制时间t是不确定的。根据制动力矩和控制时间t之间的关系,可以首先确定一个变量,然后再计算另一个变量。
一般的,控制时间t受影响的因素很多,比如和系统的反应时间、反馈量和控制量之间的滞后时间等。本发明采用分级控制的方式,即将控制时间分成n段,每一段对应一级控制。其中,第i级的制动力矩Mi和控制时间△t由下式计算得到:
其中,
i为所述制动级数的各个级,且i=1,2,…..,n,n为所述制动级数;
Li为所述制动级数的第i级开始时臂架的动量矩;
Li-1为所述制动级数的第i-1级控制开始时臂架的动量矩;
Mi为所述每一级所对应的制动力矩;
Δt为所述每一级所对应的控制时间。
通过遥控器做出停止回转的操作与利用本发明开始对臂架进行制动控制之间,会存在一个时间间隔,这个时间间隔由系统反应时间、反馈量和控制量之间的滞后时间等决定。
在本发明制动控制过程中,当臂架的回转角速度小于预定设定的角速度阈值时,结束制动控制。进一步地,该角速度阈值对应于臂架系统的临界动量矩,该临界动量矩表明臂架处于运动与静止之间的一个临界状态。这样,本发明可以根据临界动量矩与遥控器发出停止回的操作时的初始动量矩之间的差值,来设定一个控制时间。该差值越大,则控制时间越长。优选地,控制时间与分级的级数成正比。
作为本发明的第一方面,提供了一种臂架的回转制动控制方法,包括:获取所述臂架在开始停止转动时的初始动量矩;计算所述初始动量矩与所述臂架的临界动量矩之间的差值;根据所述差值确定制动时间;根据所述制动时间确定制动级数、所述制动级数中的每一级所持续的控制时间、所述每一级所对应的动量矩变化量、及所述每一级所对应的制动力矩;根据所述每一级所对应的控制时间和制动力矩进行制动。
本发明首先获取在做出停止转动的操作时,臂架的初始动量矩,当作出停止转动的操作后,臂架开始进入制动阶段,即开始采用本发明中的回转制动控制方法进行制动,直到将臂架的动量矩减小到等于或低于临界动量矩的情况下,停止采用本发明进行制动控制。其中,临界动量矩是反映臂架由静止状态进入运动状态时的一个临界状态的动量矩,因此,当臂架的动量矩等于或低于临界动量矩时,臂架处于临界状态或即将进入停止状态。特别地,临界动量矩可以表示在静止状态与运动状态之间过渡时的动量矩。在实际操作过程中,可设定一个在静止状态与运动状态之间变化的足够小的角速度阀值,从而由该角速度阈值计算得到相应的临界动量矩的值。
当进行制动阶段后,本发明首先计算初始动量矩与临界动量矩之间的差值,这个差值可以从一定程度上反映出需要的制动总时间。例如,当差值较大时,需要的制动总时间较长,反之,则较短。因此,优选地,根据所述差值确定制动时间包括:根据预先存储的差值/制动时间之间的映射关系,确定所述制动时间。例如,可以事先预定差值与制动时间之间的映射关系,这样,当获取到差值后,即可根据该映射关系,例如,可以根据预定的公式或查表的方式等,确定出制动时间的值。
接着,可以根据制动时间,将整个制动时间划分为多个控制时间段,每个时间段对应一个制动级别。这样,制动级数中的每一级都对应有一个控制时间,可以对每个制动级别施加不同的制动力矩,从而可以针对不同的初始动量矩作出不同的制动方案,从而提高了制动的灵活性,使不同的初始动量矩下的臂架都能在多个制动级别下,逐渐变化为静止状态,因而,实现了对制动控制的精确控制,与现有技术中固定不变的制动力矩来说,本发明适应不同的初始动量矩,因而相对于现有技术来说,可以缩短制动时间,提高制动定位的精度。
由于确定出了制动时间,因此,可以确定出具体采用多少级的制动来将臂架最终停止下来。为此,优选地,根据所述制动时间确定制动级数、所述制动级数中的每一级所持续的控制时间、所述每一级所对应的动量矩变化量、及所述每一级所对应的制动力矩包括:根据下式确定所述控制时间、所述动量距变化量和所述制动力矩:
其中,
i为所述制动级数的各个级,且i=1,2,…..,n,n为所述制动级数;
Li为所述制动级数的第i级开始时臂架的动量矩;
Li-1为所述制动级数的第i-1级控制开始时臂架的动量矩;
Mi为所述每一级所对应的制动力矩;
Δt为所述每一级所对应的控制时间。
上式中,存在三个变量,一个是制动力矩,另一个是制动时间(控制时间),还有一个是动量矩的变化值(即Li-Li-1)。在一个实施例中,可以先根据差值确定制动级数,这样就可以根据制动阶段的制动级数、初始动量矩和临界动量矩得到动量矩的变化值。因此,只要确定了制动力矩,即可得到制动时间(控制时间);只要确定了制动时间(控制时间),即可得到制动力矩。
优选地,根据所述每一级所对应的控制时间和制动力矩制动包括:获取电流转换因子;根据所述制动力矩和所述电流转换因子得到控制电流,通过所述控制电流控制执行机构制动。这样,当得到制动力矩后,即可通过下式方便地计算理到控制电流:
IC=fMi
其中,f为电流转换因子,Mi为所述每一级所对应的制动力矩,Ic为控制电流。
得到控制电流后,利用该控制电流来激励执行机构,从而控制执行机构中按控制电流的大小产生相应大小的驱动力矩,从而使臂架的转速阶梯式地降低。
优选地,请参考图5,获取电流转换因子包括:向所述执行机构发出回转电流;获取所述执行机构的液压马达两侧的压力差;根据所述压力差计算所述液压马达的驱动力矩;建立所述驱动力矩与所述回转电流之间的关系;根据所述关系得到所述电流转换因子。这样,即可通过上述的方法,以实验的方式,建立控制电流(回转电流)与驱动力矩之间的关系,从而获得电流转换因子。
作为本发明的第二方面,请参考图6,提供了一种臂架的回转制动控制装置,包括:动量矩计算模块,用于获取所述臂架在开始停止转动时的初始动量矩;差值计算模块,用于计算所述初始动量矩与所述臂架的临界动量矩之间的差值;制动时间确定模块,用于根据所述差值确定制动时间;参数确定模块,用于根据所述制动时间确定制动级数、所述制动级数中的每一级所持续的控制时间、所述每一级所对应的动量矩变化量、及所述每一级所对应的制动力矩;制动控制模块,用于根据所述每一级所对应的控制时间和制动力矩进行制动。
首先,动量矩计算模块获取在做出停止转动的操作时,臂架的初始动量矩,当作出停止转动的操作后,臂架开始进入制动阶段,即开始采用本发明中的回转制动控制装置进行制动,直到将臂架的动量矩减小到等于或低于临界动量矩的情况下,停止采用本发明进行制动控制。其中,临界动量矩是反映臂架由静止状态进入运动状态时的一个临界状态的动量矩,因此,当臂架的动量矩等于或低于临界动量矩时,臂架处于临界状态或即将进入停止状态。
当进行制动阶段后,差值计算模块计算初始动量矩与临界动量矩之间的差值,这个差值可以从一定程度上反映出需要的制动总时间。例如,当差值较大时,需要的制动总时间较长,反之,则较短。因此,制动时间确定模块即确定出一个制动时间来,例如,可根据预先存储的差值/制动时间之间的映射关系,确定所述制动时间。例如,可以事先预定差值与制动时间之间的映射关系,这样,当获取到差值后,即可根据该映射关系,例如,可以根据预定的公式或查表的方式等,确定出制动时间的值。
接着,参数确定模块可以根据制动时间,将整个制动时间划分为多个控制时间段,每个时间段对应一个制动级别。这样,制动级数中的每一级都对应有一个控制时间,可以对每个制动级别施加不同的制动力矩,从而可以针对不同的初始动量矩作出不同的制动方案,从而提高了制动的灵活性,使不同的初始动量矩下的臂架都能在多个制动级别下,逐渐变化为静止状态,因而,实现了对制动控制的精确控制,与现有技术中固定不变的制动力矩来说,本发明适应不同的初始动量矩,因而相对于现有技术来说,可以缩短制动时间,提高制动定位的精度。
优选地,所述参数确定模块根据下式确定所述控制时间、所述动量距变化量和所述制动力矩:
其中,
i为所述制动级数的各个级,且i=1,2,…..,n,n为所述制动级数;
Li为所述制动级数的第i级开始时臂架的动量矩;
Li-1为所述制动级数的第i-1级控制开始时臂架的动量矩;
Mi为所述每一级所对应的制动力矩;
Δt为所述每一级所对应的控制时间。
优选地,所述制动控制模块包括:获取模块,用于获取电流转换因子;控制模块,用于根据所述制动力矩和所述电流转换因子得到控制电流以控制执行机构制动。这样,当得到制动力矩后,即可通过下式方便地计算理到控制电流:
IC=fMi
其中,f为电流转换因子,Mi为所述每一级所对应的制动力矩,Ic为控制电流。
得到控制电流后,利用该控制电流来激励执行机构,从而控制执行机构中按控制电流的大小产生相应大小的驱动力矩,从而使臂架的转速阶梯式地降低。
优选地,所述获取模块包括:驱动模块,用于向所述执行机构发出回转电流;压力差获取模块,用于获取所述执行机构的液压马达两侧的压力差;驱动力矩计算模块,用于根据所述压力差计算所述液压马达的驱动力矩;映射关系建立模块,用于建立所述驱动力矩与所述回转电流之间的关系;电流转换因子计算模块,用于根据所述关系得到所述电流转换因子。
作为本发明的第三方面,提供了一种混凝土泵车,包括臂架和回转制动控制装置,该回转制动控制装置是上述的回转制动控制装置。
请参考图6,在一个优选的实施例中,混凝土泵车还包括角度检测单元9(例如,可以包括角度编码器等),其用于检测臂架的回转角度信号,并对回转角度信号进行在线滤波,然后将滤波后的回转角度信号换算成臂架的角速度信号。混凝土泵车还可以包括倾角检测单元10,用于检测各节臂架与水平线之间的夹角,以得到臂架的姿态。
优选地,回转制动控制装置接收来自角度检测单元的角速度信号,并计算每一级的制动力矩,其中,预先设置好控制时间和制动级数,并根据制动力矩计算利到控制电流,并将控制电流发送给执行机构。同时,在正常回转过程中,回转制动控制装置还接收遥控器发出的回转电流信号,并发送给执行机构。也就是说,通过遥控器,可以向回转制动控制发出控制执行机构回转速度的控制电流信号,回转制动控制根据该控制电流信号向执行机构发出具体的控制电流。
优选地,执行机构11包括电磁阀、回转马达、齿轮传动机构和回转台。其中,电磁阀接收回转制动控制装置发出的控制电流,以控制回转马达两侧的压力,进而使回转马达产生预期的控制力矩(制动力矩),控制力矩通过齿轮传动机构作用于回转台,从而使转台制动。
本发明从臂架在回转过程中的动量矩入手,运用动力学的方法解决运动制动的问题,因而,更直接有效。本发明采用分级控制的方式,根据向臂架做出停止回转操作时臂架具有的初始动量矩,进行对应分级控制,防止出现控制过量或不足而出现制动不住的现象,并可基于现有的回转执行机构进行制动控制,没有添加额外的作动设备,大大节约成本,并可使臂架快速制动,这对于提高泵车操纵效率和安全性有重大的意义。
显然,本领域的技术人员应该明白,上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现,它们可以集中在单个的计算装置上,或者分布在多个计算装置所组成的网络上,可选地,它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现,从而,可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行,或者将它们分别制作成各个集成电路模块,或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样,本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种臂架的回转制动控制方法,其特征在于,包括:
获取所述臂架在开始停止转动时的初始动量矩;
计算所述初始动量矩与所述臂架的临界动量矩之间的差值;
根据所述差值确定制动时间;
根据所述制动时间确定制动级数、所述制动级数中的每一级所持续的控制时间、每一级所对应的动量矩变化量、及每一级所对应的制动力矩;
根据所述每一级所对应的控制时间和制动力矩进行制动。
2.根据权利要求1所述的回转制动控制方法,其特征在于,根据所述差值确定制动时间包括:
根据预先存储的差值/制动时间之间的映射关系,确定所述制动时间。
3.根据权利要求1所述的回转制动控制方法,其特征在于,根据所述制动时间确定制动级数、所述制动级数中的每一级所持续的控制时间、所述每一级所对应的动量矩变化量、及所述每一级所对应的制动力矩包括:根据下式确定所述控制时间、所述动量距变化量和所述制动力矩:
其中,
i为所述制动级数的各个级,且i=1,2,…..,n,n为所述制动级数;
Li为所述制动级数的第i级开始时臂架的动量矩;
Li-1为所述制动级数的第i-1级控制开始时臂架的动量矩;
Mi为所述每一级所对应的制动力矩;
Δt为所述每一级所对应的控制时间。
4.根据权利要求1所述的回转制动控制方法,其特征在于,根据所述每一级所对应的控制时间和制动力矩制动包括:
获取电流转换因子;
根据所述制动力矩和所述电流转换因子得到控制电流,通过所述控制电流控制执行机构制动。
5.根据权利要求4所述的回转制动控制方法,其特征在于,获取电流转换因子包括:
向所述执行机构发出回转电流;
获取所述执行机构的液压马达两侧的压力差;
根据所述压力差计算所述液压马达的驱动力矩;
建立所述驱动力矩与所述回转电流之间的关系;
根据所述关系得到所述电流转换因子。
6.一种臂架的回转制动控制装置,其特征在于,包括:
动量矩计算模块,用于获取所述臂架在开始停止转动时的初始动量矩;
差值计算模块,用于计算所述初始动量矩与所述臂架的临界动量矩之间的差值;
制动时间确定模块,用于根据所述差值确定制动时间;
参数确定模块,用于根据所述制动时间确定制动级数、所述制动级数中的每一级所持续的控制时间、所述每一级所对应的动量矩变化量、及所述每一级所对应的制动力矩;
制动控制模块,用于根据所述每一级所对应的控制时间和制动力矩进行制动。
7.根据权利要求6所述的回转制动控制装置,其特征在于,所述参数确定模块根据下式确定所述控制时间、所述动量矩变化量和所述制动力矩:
其中,
i为所述制动级数的各个级,且i=1,2,…..,n,n为所述制动级数;
Li为所述制动级数的第i级开始时臂架的动量矩;
Li-1为所述制动级数的第i-1级控制开始时臂架的动量矩;
Mi为所述每一级所对应的制动力矩;
Δt为所述每一级所对应的控制时间。
8.根据权利要求6所述的回转制动控制装置,其特征在于,所述制动控制模块包括:
获取模块,用于获取电流转换因子;
控制模块,用于根据所述制动力矩和所述电流转换因子得到控制电流以控制执行机构制动。
9.根据权利要求8所述的回转制动控制装置,其特征在于,所述获取模块包括:
驱动模块,用于向所述执行机构发出回转电流;
压力差获取模块,用于获取所述执行机构的液压马达两侧的压力差;
驱动力矩计算模块,用于根据所述压力差计算所述液压马达的驱动力矩;
映射关系建立模块,用于建立所述驱动力矩与所述回转电流之间的关系;
电流转换因子计算模块,用于根据所述关系得到所述电流转换因子。
10.一种混凝土泵车,包括臂架和回转制动控制装置,其特征在于,所述回转制动控制装置是权利要求6至9中任一项所述的回转制动控制装置。
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