CN104296862B - 起重机负载摆动的在线检测方法及其检测系统 - Google Patents

Abstract

一种起重机负载摆动的在线检测方法，包括:将从t_j时刻到t_j+1时刻的起重机控制系统的控制周期作为计算负载摆动的足够小的时间间隔；在每个控制周期内，从所述起重机控制系统获取t_j时刻的绳长l_j、提升速度i_j以及平移加速度a_j，分别作为对应控制周期内绳长l、提升速度i以及平移加速度的近似值；在每个控制周期内利用线性化摆动方程以及t_j时刻的初始摆动角度θ_j和初始摆动角速度计算t_j+1时刻的负载摆动角度θ_j+1和摆动角速度本发明检测精度高，能精确检测负载的摆动角度和角速度，能够满足大型、高速起重机的摆动检测要求，检测结果可以方便地用作起重机负载摆动控制的反馈信号；不需要增加额外的传感器，成本低，适用范围广。

Description

起重机负载摆动的在线检测方法及其检测系统

技术领域

本发明属于负载摆动检测技术领域，尤其涉及一种起重机负载摆动的在线检测方法及其检测系统。

背景技术

工业场合用于物料搬运的起重机通常利用一个或一个以上的提升和平移运动移动负载。起重机的运动执行机构与负载之间通常采用柔性的钢丝绳连接，容易引起负载摆动，使作业效率受到影响，容易引发安全事故。因此，如何消除负载的摆动是起重机控制的重点，而如何准确地检测负载的摆动是有效控制负载摆动的前提。

起重机负载摆动的检测方法可以分为两类：传感器检测法和模型估算法。传感器检测法包括采用安装在摆动中心附近的接触式摆角传感器，采用实时摄像、激光扫描等技术的非接触式视觉传感器，采用加速度计的力觉传感器等。接触式传感器和加速度传感器检测结果精度不高，视觉传感器检测精度较高，但成本也很高。传感器检测法的优点是可以检测外部扰动引起的摆动，缺点是安装、维护困难，在实际应用中受到限制。

模型检测法根据摆动的模型来估算负载摆动，优点是不需要安装传感器，但检测精度受到模型精度的影响。提升和平移同时运动时，起重机摆动的动力学方程是时变二阶非线性的，为了能够应用现代控制理论的方法，许多研究采用了简化的线性模型，假设绳长不变或者用等效绳长来近似变化的绳长，这就使得以这些线性模型为基础的摆动控制效果受到影响，实用性降低。随着起重机越来越大型化和快速化，提升绳长变化范围变大，同时提升运动速度提高，绳长和提升速度的影响已经不能被忽略。

基于上述问题，有必要提出一种起重机负载摆动的在线检测方法，在考虑绳长和提升速度影响，并且提升机构和平移机构同时快速运动的情况下，仍能精确检测负载的摆动角度和角速度。

发明内容

基于此，本发明针对上述技术问题，提供一种起重机负载摆动的在线检测方法及其检测系统。

本发明采用如下技术方案：

一种起重机负载摆动的在线检测方法，包括:

将从t_j时刻到t_j+1时刻的起重机控制系统的控制周期t作为计算负载摆动的足够小的时间间隔；

在每个控制周期t内，从所述起重机控制系统获取t_j时刻的绳长l_j、提升速度i_j以及平移加速度a_j，分别作为对应控制周期内绳长l、提升速度i以及平移加速度的近似值；

在每个控制周期t内利用线性化摆动方程的下列解以及t_j时刻的初始摆动角度θ_j和初始摆动角速度计算t_j+1时刻的负载摆动角度θ_j+1和摆动角速度

其中，g为重力加速度，t_j时刻的初始负载摆动角度θ_j和初始摆动角速度在前一个控制周期采用上述公式计算获得。

所述起重机控制系统通过位置传感器以及速度传感器获得绳长以及提升速度，且通过加速度给定获得平移加速度。

所述起重机控制系统通过提升速度给定、提升加速度给定以及初始绳长和初始提升速度计算得到绳长以及提升速度，且通过加速度给定获得平移加速度。

本方案还涉及一种起重机负载摆动的在线检测系统，其特征在于，包括：

时间控制单元，用于将从t_j时刻到t_j+1时刻的起重机控制系统的控制周期t作为计算负载摆动的足够小的时间间隔；

参数获取单元，用于在每个控制周期t内，从所述起重机控制系统获取t_j时刻的绳长l_j、提升速度i_j以及平移加速度a_j，分别作为对应控制周期内绳长l、提升速度i以及平移加速度的近似值；

计算单元，用于在每个控制周期t内利用线性化摆动方程的下列解以及t_j时刻的初始摆动角度θ_j和初始摆动角速度计算t_j+1时刻的负载摆动角度θ_j+1和摆动角速度

其中，g为重力加速度，t_j时刻的初始负载摆动角度θ_j和初始摆动角速度在前一个控制周期采用上述公式计算获得。

所述起重机控制系统通过位置传感器以及速度传感器获得绳长以及提升速度，且通过加速度给定获得平移加速度。

所述起重机控制系统通过提升速度给定、提升加速度给定以及初始绳长和初始提升速度计算得到绳长以及提升速度，且通过加速度给定获得平移加速度。

本发明基于非线性时变动力学模型，考虑了绳长变化的影响，将起重机控制周期作为足够小的摆动角度和角速度的检测间隔，检测精度高，在绳长变化范围大，提升高速运行的情况下，仍能精确检测负载的摆动角度和角速度，能够满足大型、高速起重机的摆动检测要求，本发明的检测结果可以方便地用作起重机负载摆动控制的反馈信号；此外，不需要增加额外的传感器，成本低，适用范围广。

具体实施方式

一种起重机负载摆动的在线检测方法，包括:

将从t_j时刻到t_j+1时刻的起重机控制系统的控制周期t作为计算负载摆动的足够小的时间间隔。

桥式或门座式起重机通常采用起升机构带动负载上升或下降，采用大车或小车机构带动负载作平移运动，在实际操作时，提升运动和平移运动常常同时进行，平移运动容易引起负载摆动，提升运动容易加剧负载摆动。忽略钢丝绳质量，滑轮大小，将负载近似为点负载，这类起重机系统可以简化为图1所示的模型。其动力学方程为：

式中，m为负载质量，l为摆长，x为平移运动的位移，二者均是时间的函数，g为重力加速度。

在小摆角的假设前提下，上式可以简化为：

当绳长l变化时，(2)式是一个时变二阶非线性方程。

故本发明针对起重机绳长变化时的动力学方程呈非线性时变的特点，提出一种时间离散化的摆角检测方法，将时间分割为足够小的时间段，每个时间段为起重机控制系统的一个控制周期。本发明在每一个从t_j时刻到t_j+1时刻的控制周期t内，从起重机控制系统获取t_j时刻的绳长l_j、提升速度i_j以及平移加速度a_j，分别作为对应控制周期内绳长l、提升速度i以及平移加速度的近似值，从而将非线性时变方程简化为二阶线性方程，以t_j时刻的摆长l_j、提升速度i_j以及平移加速度a_j为参数，以t_j时刻的摆动角度θ_j和摆动角速度为初始值，通过求解线性化摆动方程计算出下一时刻t_j+1的摆动角度θ_j+1和摆动角速度并作为下一个控制周期的初始摆动角度和角速度，如此循环，就可以随着时间的推移，计算出每个控制周期当前的摆动角度和角速度。

其中，起重机控制系统可以通过位置传感器以及速度传感器获得绳长以及提升速度，或者通过提升速度给定、提升加速度给定以及初始绳长和初始提升速度计算得到绳长以及提升速度，而平移加速度则通过加速度给定获得，故不需要增加额外的传感器，成本低，适用范围广。

具体地，本发明在每个从t_j时刻到t_j+1时刻的控制周期t内利用线性化摆动方程的下列解以及t_j时刻的初始摆动角度θ_j和初始摆动角速度计算t_j+1时刻的负载摆动角度θ_j+1和摆动角速度

其中，g为重力加速度，t_j时刻的初始负载摆动角度θ_j和初始摆动角速度在前一个控制周期采用上述公式计算获得。

需要指出的是，在一般情况下，起重机从静止状态开始搬运负载，负载也是从静止状态开始运动，初始摆动角度和初始摆动角速度为零，即在第一个控制周期中，t₀时刻的初始负载摆动角度和初始摆动角速度都是0。

若初始时刻t₀的绳长为l₀，提升速度i₀＝0，加速度负载没有摆动，则

经过一个控制周期的时间到达t₁时刻，

用上述公式(3)～(5)计算此时的摆动角度和角速度：

进而从控制系统获得t₁时刻的绳长l₁，提升速度i₁，加速度以为初始摆动角度和角速度，可以用上述公式(3)～(5)计算t₂时刻的摆动角度和角速度，如此循环，就可以随着时间的推移，计算出每一个运动控制周期的摆动角度和摆动角速度，从而实现摆动角度和摆动角速度的在线检测。

本发明基于非线性时变动力学模型，考虑了绳长变化的影响，将起重机控制周期作为检测负载摆动角度和摆动角速度的足够小的时间间隔，检测精度高，在绳长变化范围大，提升高速运行的情况下，仍能精确检测负载的摆动角度和角速度，能够满足大型、高速起重机的摆动检测要求。

此外，本发明的检测结果(摆动角度和摆动角速度)可以方便地用作起重机负载摆动控制的反馈信号。

需要指出的是，公式(3)的推导过程如下：

将公式(2)改写为

令

公式(8)可以化为

在一个控制周期内，可以近似认为绳长l，起升速度i，平移加速度为常数，上述方程是一个二阶奇次线性微分方程，其特征方程为：

该方程可以进一步改写为

由于通常起升速度<3m/s，绳长通常>1m，因此满足

因此，特征方程(11)有两个共轭复解λ＝α±iβ (14)

其中

方程(10)的通解为y＝e^αt(c₁cosβt+c₂sinβt) (16)

将公式(9)代回公式(16)，设初始时刻平移加速度可得摆角的通解

摆动角速度的通解

设上一时刻摆动状态为可计算出摆角的特解系数

本方案还涉及一种起重机负载摆动的在线检测系统，包括：

时间控制单元，用于将从t_j时刻到t_j+1时刻的起重机控制系统的控制周期t作为计算负载摆动的足够小的时间间隔。

参数获取单元，用于在每个从t_j时刻到t_j+1时刻的控制周期t内，从起重机控制系统获取t_j时刻的绳长l_j、提升速度i_j以及平移加速度a_j，分别作为对应控制周期内绳长l、提升速度i以及平移加速度的近似值，从而将非线性时变方程简化为二阶线性方程，以t_j时刻的初始摆长l_j、提升速度i_j以及平移加速度a_j为参数，以t_j时刻的摆动角度θ_j和摆动角速度为初始值，通过求解线性化摆动方程计算出下一时刻t_j+1的摆动角度θ_j+1和摆动角速度并作为下一个控制周期的初始摆动角度和角速度，如此循环，就可以随着时间的推移，计算出每个控制周期当前的摆动角度和角速度。

其中，起重机控制系统可以通过位置传感器以及速度传感器获得绳长以及提升速度，或者通过提升速度给定、加速度给定以及初始绳长和初始提升速度计算得到绳长以及提升速度，而平移加速度则通过加速度给定获得。

计算单元，用于在每个从t_j时刻到t_j+1时刻的控制周期t内利用线性化摆动方程的下列解以及t_j时刻的初始摆动角度θ_j和初始摆动角速度计算t_j+1时刻的负载摆动角度θ_j+1和摆动角速度

其中，g为重力加速度，t_j时刻的初始负载摆动角度θ_j和初始摆动角速度在前一个控制周期采用上述公式计算获得。

需要指出的是，在一般情况下，起重机从静止状态开始搬运负载，负载也是从静止状态开始运动，初始摆动角度和初始摆动角速度为零，即在第一个控制周期中，t₀时刻的初始负载摆动角度和初始摆动角速度都是0

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.一种起重机负载摆动的在线检测方法，其特征在于，包括:

将从t_j时刻到t_j+1时刻的起重机控制系统的控制周期t作为计算负载摆动的足够小的时间间隔；

在每个控制周期t内，从所述起重机控制系统获取t_j时刻的绳长l_j、提升速度以及平移加速度a_j，分别作为对应控制周期内绳长l、提升速度以及平移加速度的近似值；

在每个控制周期t内利用线性化摆动方程的下列解以及t_j时刻的初始摆动角度θ_j和初始摆动角速度计算t_j+1时刻的负载摆动角度θ_j+1和摆动角速度

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{j+1}=e^{\mathrm{\&alpha;}t}(c_{1}cos\mathrm{\&beta;}t+c_{2}sin\mathrm{\&beta;}t)-\frac{a_j}{g}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{j+1}=e^{\mathrm{\&alpha;}t}\&lsqb;({\mathrm{\&alpha;c}}_1+{\mathrm{\&beta;c}}_2)cos\mathrm{\&beta;}t+({\mathrm{\&alpha;c}}_2-{\mathrm{\&beta;c}}_1)sin\mathrm{\&beta;}t\&rsqb;\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}=-\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{l}}_j}{l_j}\\ \mathrm{\&beta;}=\sqrt{\frac{g}{l_j}-{\left(\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{l}}_j}{l_j}\right)}^2}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{c}_1={\mathrm{\&theta;}}_j+\frac{a_j}{g}\\ c_2=\frac{1}{\mathrm{\&beta;}}\&lsqb;{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_j-\mathrm{\&alpha;}({\mathrm{\&theta;}}_j+\frac{a_j}{g})\&rsqb;\end{array}\right.,$

其中，g为重力加速度，t_j时刻的初始负载摆动角度θ_j和初始摆动角速度在前一个控制周期采用上述公式计算获得。

2.根据权利要求1所述的一种起重机负载摆动的在线检测方法，其特征在于，所述起重机控制系统通过位置传感器以及速度传感器获得绳长以及提升速度，且通过加速度给定获得平移加速度。

3.根据权利要求1所述的一种起重机负载摆动的在线检测方法，其特征在于，所述起重机控制系统通过提升速度给定、提升加速度给定以及初始绳长和初始提升速度计算得到绳长以及提升速度，且通过加速度给定获得平移加速度。

4.一种起重机负载摆动的在线检测系统，其特征在于，包括：

时间控制单元，用于将从t_j时刻到t_j+1时刻的起重机控制系统的控制周期t作为计算负载摆动的足够小的时间间隔；

参数获取单元，用于在每个控制周期t内，从所述起重机控制系统获取t_j时刻的绳长l_j、提升速度以及平移加速度a_j，分别作为对应控制周期内绳长l、提升速度以及平移加速度的近似值；

计算单元，用于在每个控制周期t内利用线性化摆动方程的下列解以及t_j时刻的初始摆动角度θ_j和初始摆动角速度计算t_j+1时刻的负载摆动角度θ_j+1和摆动角速度

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{j+1}=e^{\mathrm{\&alpha;}t}(c_{1}cos\mathrm{\&beta;}t+c_{2}sin\mathrm{\&beta;}t)-\frac{a_j}{g}\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{j+1}=e^{\mathrm{\&alpha;}t}\&lsqb;({\mathrm{\&alpha;c}}_1+{\mathrm{\&beta;c}}_2)cos\mathrm{\&beta;}t+({\mathrm{\&alpha;c}}_2-{\mathrm{\&beta;c}}_1)sin\mathrm{\&beta;}t\&rsqb;\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}=-\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{l}}_j}{l_j}\\ \mathrm{\&beta;}=\sqrt{\frac{g}{l_j}-{\left(\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{l}}_j}{l_j}\right)}^2}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{c}_1={\mathrm{\&theta;}}_j+\frac{a_j}{g}\\ c_2=\frac{1}{\mathrm{\&beta;}}\&lsqb;{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_j-\mathrm{\&alpha;}({\mathrm{\&theta;}}_j+\frac{a_j}{g})\&rsqb;\end{array}\right.,$

其中，g为重力加速度，t_j时刻的初始负载摆动角度θ_j和初始摆动角速度在前一个控制周期采用上述公式计算获得。

5.根据权利要求4所述的一种起重机负载摆动的在线检测系统，其特征在于，所述起重机控制系统通过位置传感器以及速度传感器获得绳长以及提升速度，且通过加速度给定获得平移加速度。

6.根据权利要求4所述的一种起重机负载摆动的在线检测系统，其特征在于，所述起重机控制系统通过提升速度给定、提升加速度给定以及初始绳长和初始提升速度计算得到绳长以及提升速度，且通过加速度给定获得平移加速度。