CN1046483C - 阻止悬挂式起重机摆动的方法 - Google Patents

Abstract

在一种悬挂式起重机中，一个用于阻尼负载摆动的条件方程是作为下列诸因素的函数而推导出来的：用于移动装置的操作速度命令，来自用于检测负载在其移动方向上的速度的检测器的信号，和提升负载所用索长度的测量值；吊运车的移动速度是根据一个移动速度命令信号来控制的。这使人们有可能抑制由吊运车加速和减速引起的索的摆动，并且在保持吊运车高移动速度的情况下自动地操作起重机。

Description

阻止悬挂式起重机摆动的方法

本发明涉及一种控制起重机摆动阻滞的方法，适用于有着一个吊运车和一个提升绞车的悬挂式起重机，和有着一个索控式起重小车传动横向装置和一个提升绞车的集装箱起重机。

一般说来，悬挂式起重机具有如图8所示的配置，其中吊运车1在轮2上沿轨3移动。轮2由一个装在吊运车1上的移动马达11通过减速器12来驱动旋转。在马达11的旋转轴上连接一个电磁制动器12，和一个用于检测移动马达11速度的速度检测器14。

在吊运车1上装有一个具有提升卷筒41的提升绞车4。提升卷筒41由提升马达42通过减速器43来驱动旋转。在提升马达42的旋转轴上连接一个电磁制动器44，和一个用于检测该马达速度脉冲信号发生器45。索5被绕在提升卷筒41上，用于通过一个提升附件51来提升负载6。

通过使用一个移动驱动控制器20控制移动马达11，可实现对吊运车1移动速度的控制。图10是移动驱动控制器20的方块图。来自速度命令器21的速度命令信号被输入到，一个可提供斜坡速度命令N_RF的线性命令器22。来自由速度检测器14检测并通过作为一阶滞后元件的滤波器26所生成的一个马达速度反馈信号N_MFB与斜坡速度命令N_RF的偏差，被输入到一个具有积分器的速度控制器23中并被它放大，该积分器具有比例增益A和时间常数τ_I，而后作为转矩命令信号T_RF而被输出。转矩命令信号T_RF被输入到一个马达转矩控制器24，以便以所加的一阶滞后时间常数τ_Y来控制马达的转矩。这样，移动马达11的转矩T_M被调整以控制移动马达11的速度。速度反馈信号N_MFB是使马达旋转速度通过一阶滞后元件而生成的。25表示一个代表移动马达11的机械时间常数τ_M的方块，N_M表示马达的速度(p.u)。27表示一个代表负载动态模型的方块，以及28表示一个代表马达负载转矩T_L(p.u)模型的方块。

在方块27中，θ代表索5的摆动角(rad)。

当图10中的移动驱动控制器20，根据一个通过把高速或低速的速度命令信号从速度命令器21输入到线性命令器22而得到的斜坡加速/减速的速度命令N_RF，来控制吊运车1的移动速度时，则响应于吊运车1的加速与减速而发生负载的周期性摆动。索5的摆动角随着吊运车1的加速与减速的增加而增加。

作为这一问题的解决办法，操作者在吊运车加速或减速期间，根据负载的摆动，手工地改变吊运车的移动速度，以阻止负载的周期性摆动。

图11说明了速度命令、马达速度、索摆动角和负载转矩之间的关系，并表明：负载在吊运车加速与减速期间连续发生周期性摆动，使吊运车的变速特征不稳定。索摆动角θ是用符“°”表示的。

在上述配置情况下，为了阻止负载的周期性摆动，起重机操作者必须依据负载的摆动来加速和减速吊运车。当起重机被遥控地或自动地操作时，必须很慢地改变吊运车的加速度和减速度。这就大大降低了起重机的搬运能力。

本发明的一个目的是抑制由于吊运车加速与减速而引起的负载周期性摆动，从而使起重机可在保持吊运车高速移动的情况下自动地操作。

根据本发明，提供一种阻止悬挂式起重机摆动的方法，这种起重机具有一个移动马达，用于驱使吊运车移动；一个移动驱动控制器，它具有控制马达速度的控制功能，方法是使用一个只有一个比例积分器或比例增益的速度控制器，根据从移动马达上速度检测器所检测的一个移动马达速度反馈信号N_MFB和从移动马达速度命令器所输出的一个速度命令信号N_RF0之间的偏差的信号来计算转矩命令；一个提升马达，用于驱动一个装在吊运车上的提升绞车；一个提升附件，用于在索端悬挂一个要由提升绞车提升的负载；和一个用于提升马达的驱动控制器，其中：

按照一个移动速度命令信号N_RF1，通过使用移动马达速度控制器控制移动马达速度，在负荷摆动时生成一个阻尼因数；修正N_RF1，使吊运车位置与抑制负载摆动的最佳移动位置的误差E_RR1接近于0；进行修正的方法是，把一个用比例积分放大器或比例放大器放大位置误差E_RR1而得到的一个速度修正信号N_RFDP，加到由速度命令器输出的速度命令信号N_RF0上；从下列因素按下式计算可得出位置误差E_RR1：由连接提升附件的速度检测器检测的负载在其移动方向上的速度V_LE，设置的阻尼系数δ，移动速度命令信号N_RF0，马达速度反馈信号N_MFB和提升速度检测器得出的从提升卷筒至负载索长度的侧量值L_E：

E_RR1=N_RF0/s-N_MFB/s-{2δ/(V_Rω_E)}V_LE式中W_E=(g/L_E)^1/2；V_R代表相应于移动马达额定速度的吊运车速度；g代表重力加速度；和S代表一个拉普拉斯算子。

现在按照本发明对用于抑制负载周期性摆动的控制器操作，和对索摆动抑制所依据的原理进行描述。

参照图9，从下面作为方程1给出的众所周知的运动方程，可得到索摆动角(rad)，在方程中用V₁(m/sec)表示吊运车的移动速度，并用L(m)表示索长。 $\frac{d^2\mathrm{\θ}}{d{t}^2}+{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\θ}=\left(\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{g}\right)\frac{d{V}_1}{\mathrm{dt}},\mathrm{where\ω}=\sqrt{\frac{g}{L}}---\left(1\right)$

吊运车的移动速度V₁和移动马达的速度N_M满足下述方程2所定义的关系。

V₁=V_RN_M                       (2)

将方程(2)代入方程(1)，得到如下所述的方程(3)。 $\frac{d^2\mathrm{\θ}}{d{t}^2}+{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\θ}=\left(\frac{{\mathrm{\ω}}^2{V}_R}{g}\right)\frac{d{N}_M}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$ 用拉普拉斯算子S可改变方程(3)如下。 $s^2\mathrm{\θ}+{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\θ}=\left(\frac{{\mathrm{\ω}}^2{V}_R}{g}\right)s{N}_M\left(s\right)---\left(4\right)$ 从方程(4)能够求出θ(S)，如下面方程(5)所示。 $\mathrm{\θ}=\left(\frac{{\mathrm{\ω}}^{2}s}{s^2+{\mathrm{\ω}}^2}\right)\left(\frac{V_R}{g}\right)N_M\left(s\right)---\left(5\right)$

方程(5)与图1方块27中索摆动角的动态模型等效。因为t=0时θ=0，故移动马达处于预定加速度(p.u/sec)时的θ(t)，能够从方程(4)得出，如下面方程(6)所示。 $\mathrm{\θ}=\left(\frac{V_R\mathrm{\α}}{g}\right)(1-\cos \mathrm{\ωt})---\left(6\right)$

方程(6)表明，摆角θ是振动性的。在吊运车开始加速时，振动开始；在加速停止以后，振动持续一段相当长的时间，因为只存在空气阻力或类似阻力，该阻力施加一个力以阻尼负载周期性摆动。

如果负载在其移动方向上的以吊运车移动起点作原点的移动位置用χ表示，并且索摆角(rad)由于很小而用sinθ=θ近似地表示，则可得到方程(7)。 $\mathrm{\θ}=\frac{V_R{N}_M}{\mathrm{Ls}}-\frac{x}{L}---\left(7\right)$ 式中L表示提升索的长度。

在把方程7代入方程4中的θ以后，方程4变成一个关于负载在其移动方向上的位置χ的方程(下述方程8)。 $s^{2}x+{\mathrm{\ω}}^{2}x=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{V}_R{N}_M}{s}---\left(8\right)$ 式中W=(g/L)^1/2

方程8表明，负载在其移动方向上的位置x是一个周期变化的函数。

通过控制使吊运车移动的马达的速度，能够阻尼使负载位置周期性改变的上述运动；因此，方程8的右边会包含一个-sx的函数。于是，方程8的右边被分成如下述方程9的右边所示。 $\frac{{\mathrm{\ω}}^2{V}_R{N}_M}{s}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{V}_R{N}_{\mathrm{MO}}}{s}-2\mathrm{\δ\ωsx}---\left(9\right)$ 式中δ表示一个用于负载摆动运动的阻尼系数的设置值；N_M0表示马达速度N_M中的一个速度分量，该分量正比于由速度命令器输出的速度命令N_RF0。用N_RF0来替换N_M0，方程9能够变成如下所示的方程10。 $\frac{N_{\mathrm{RF}0}}{s}-\frac{N_M}{s}-\left(\frac{2\mathrm{\δ}}{V_R\mathrm{\ω}}\right)\mathrm{sx}=0---\left(10\right)$

方程10左边第3项的sx是负载位置x的一个微分信号，并且等于负载的运动速度V_L。因此，通过用V_L来替换sx和用E_RR来代替方程10的左边，得出方程11如下。 $E_{\mathrm{RR}}=\frac{N_{\mathrm{RF}0}}{s}-\frac{N_M}{s}-\left(\frac{2\mathrm{\δ}}{V_R\mathrm{\ω}}\right)V_L---\left(11\right)$

方程11右边第1项表示位置命令值，因为它是移动马达的速度命令信号的时间积分。

方程11右边第2项表示吊运车的位置，因为它是移动马达速度的时间积分。

方程11右边第3项是一个正比于负载运动速度的信号。

方程11左边的E_RR表示与用于抑制方程10所示负载摆动的最佳位置条件有关的吊运车的位置误差。

方程11能够变成如下所述的方程13，方程13给出吊运车的位置误差E_RR1,E_RR1与用于抑制负载摆动的最佳位置条件有关，其改变方法是：用移动马达反馈信号N_MFB替换方程11右边第2项的N_M；用负载的运动速度检测信号V_LE替换第3项的V_L；用根据如下所述的方程12，从提升索的测量长度L_E和重力加速度g算出的负载摆动的角速度ω_E，来替换第3项的ω。 ${\mathrm{\ω}}_E=\sqrt{\frac{g}{L_E}}---\left(12\right)$ $E_{\mathrm{RR}1}=\frac{N_{\mathrm{RF}0}}{s}-\frac{N_{\mathrm{RFB}}}{s}-\left(\frac{2\mathrm{\δ}}{V_R{\mathrm{\ω}}_E}\right)V_{\mathrm{LE}}---\left(13\right)$

通过使用一个被修正到使其位置误差信号E_RR1接近于零的移动速度命令信号来控制移动马达的速度，可在负载摆动运动时生成一个阻尼因数，以抑制周期性摆动。

如上所述，本发明能够使吊运车在加速与减速期间产生的负载的周期性摆动受到抑制，从而无需用手工操作去阻止摆动。这就使吊运车可在高速下移动，并能通过自动操作来大大提高起重机的搬运能力。

图1是一个方块图，根据本发明示出移动驱动控制器的第一实施例。

图2是一个方块图，根据本发明示出移动驱动控制器的第二实施例。

图3是一个方块图，根据本发明示出移动驱动控制器的第三实施例。

图4是一个方块图，根据本发明示出移动驱动控制器的第四实施例。

图5是一个方块图，根据本发明示出移动驱动控制器的第五实施例。

图6是一个方块图，根据本发明示出移动驱动控制器的第六实施例。

图7根据本发明说明一个用于吊运车的移动驱动控制器的加速与减速特性。

图8说明悬挂式起重机的一种配置，一个其上装有提升绞车的吊运车可在该起重机上移动。

图9说明吊运车移动装置与负载重量之间的动态关系。

图10是一个方块图，说明一个常规的移动驱动装置。

图11说明一个常规移动驱动装置的加速与减速特性。

图12说明一个索驱动起重机的配置，该起重机有装于其固定侧的一个横向驱动装置和一个提升驱动装置。

现在参照附图所示的诸实施例来描述本发明。

图1是一个根据本发明的移动驱动器的方块图，用于一个具有速度控制器的吊运车。相关技术描述部分所参考与图10中部件相同的部件用同样的名称与标号给出，故不再重述。

现在参照图1叙述本发明的第一实施例。

马达速度检测反馈信号N_RFB是一个来自于连接在移动马达11旋转轴的速度检测器14的信号，该信号通过一个具有一阶滞后元件的滤波器26反馈到信号N_RF1；而N_RF1是通过把一个用于阻尼控制的速度命令修正信号N_RFDP加到一个速度命令器21的输出信号N_RF0而得到的。

把速度命令N_RF1与马达速度检测信号N_MFB的偏差输入到一个速度控制器23中，该控制器又输出一个转矩命令信号T_RF，该T_RF是通过把一个把速度偏差信号乘以比例增益A而完成的信号和一个以时间常数τ_I对速度偏差信号积分而得到的信号相加，来得出的。如果速度控制器23只有比例增益A，就把一个通过把速度偏差信号乘以A而得到的信号作为马达转矩命令信号T_RF输出到转矩控制器24中。

转矩控制器24按照转矩命令信号T_RF，使用一阶滞后元件τ_T来控制马达转矩T_M的转矩。

30表示一个角速度计算器，用于计算负载摆动的角频率ω_B。角频率ω_B是由从提升卷筒算起的索长度测量值(L_E)和由提升速度检测器得到的负载值，按照方程12计算的。

下面叙述阻尼控制器29的操作。

在阻尼控制器29中，一个由一个比例增益器G和一个积分时间常数器τ_DP组成的比例积分放大器，放大一个吊运车偏离抑制其摆动的最佳位置的位置误差E_RR1，该位置误差是按照方程13基于以下信号得到的：移动速度命令信号N_RF0，马达速度反馈信号N_MFB，角频率信号ω_B，一个检测信号L_E，该信号显示负载在其移动方向上的速度，它是由一个连接于提升附件51的负载速度检测器31来检测的，以及一个预置的阻尼系数δ。结果，得到用于阻止摆动的阻尼控制速度命令修正信号N_RFDP。

把阻尼控制速度命令修正信号N_RFDP加到由速度命令器21输出的移动速度命令信号N_RF0(p.u)中，就得到速度命令信号N_RF1(p.u)；把它与速度检测信号N_MFB(p.u)的偏差输入到速度控制器23中。然后，速度控制器23控制马达速度N_M，使它跟踪速度命令信号N_RF1。

上述控制使负载的摆动运动以预置的阻尼系数δ受到阻尼，这可抑制负载的周期性摆动。

现在参照图2，叙述本发明的第二实施例。

用一个加速度检测器32检测负载在其移动方向上的加速度/减速度α_VLE，去代替第一实施例中的一个显示负载在其移动方向上的速度的检测信号V_LE。像第一实施例一样，吊运车离开抑制摆动的最佳位置的位置误差E_RR1，是用负载在其移动方向的速度V_LE1计算的，而V_LE1是用一个负载速度计算器36通过对加速度/减速度检测信号α_LVB进行积分而得到的。这样，以与第一实施例相同的方式进行控制。

现在参照图3叙述本发明的第三实施例。

在此第三实施例中，是使用负载在其移动方向的速度V_LE2去代替第一实施例中的移动速度检测信号V_LE。V_LE2是按照如下所示的方程14，基于来自移动速度控制器的马达速度反馈信号N_MFB，提升索长度测量值L_E，和由索摆角检测器38检测的摆角信号θ_E计算的。使用速度V_LE2，吊动车离开抑制摆动的最佳位置的位置误差E_RR1，像第一实施例一样进行计算，以便按照与第一实施例相同的方式进行控制。

V_LE2=V_RN_MFB-sL_Eθ_E      (14)

现在参照图4叙述本发明的第四实施例。

如本发明第一实施例所述，在控制起重机摆动的方法中，阻尼系数转换开关34的从SW₁至SW_n的诸开关，是根据移动马达的操作状态进行操作的，以便在从δ₁至δ_n的多个阻尼系数预置值中选择任何一个，从而输出一个阻尼系数预置值信号。

在把一个由阻尼系数转换开关34选择的阻尼系数预置值信号输入到一个阻尼系数切换调整器35中时，通过一个一阶滞后元件产生所选择的阻尼系数预置值信号作为一个阻尼系数预置值δ。

例如，假定阻尼系数转换开关34的输出信号是从δ₁切换到δ₂。那么，即使阻尼系数转换开关34的输出信号被马上从δ₁切换到δ₂，但来自阻尼系数切换调整器35输出侧的信号却变化缓慢。结果，在由阻尼控制器进行的用于阻尼控制的速度修正信号N_RFDP的计算中，不发生直接的延迟。这就容许对阻止起重机摆动进行稳定的控制。

作为本发明的第五和第六实施例，可进行如图5和图6所示的配置，其中，第四实施例所述的阻尼系数转换开关34和阻尼系数切换调整器35，被设置在根据第二和第三实施例的配置中。这样，操作阻尼系数转换开关34的从SW₁至SW_n的诸开关，以选择从δ₁至δ_n的多个阻尼系数预置值中的任何一个值，从而输出一个阻尼系数预置值信号；把由阻尼系数转换开关34选择的阻尼系数预置值信号输入到阻尼系数切换调整器35中；通过一个一阶滞后元件产生所选择的阻尼系数预置值信号作为一个阻尼系数预置值δ。

虽然参照一种具有装于一个吊运车上的一个移动驱动装置和一个提升驱动装置的起重机，描述了本发明的诸优选实施例，但如图12所示，本发明可以原封不动地用于一些其他类型的起重机，例如集装箱起重机，该起重机具有一个使用一个索吊运驱动系统的横向吊运车，其中一个横向驱动装置和一个提升驱动装置都装于其固定侧。在图12中，51表示一个横动装置；56表示轨道；58表示一个横向吊运车；53表示一个提升装置；54表示一个集装箱，它是一个负载；55表示一个控制器；60表示一个横动索；59表示诸轮；61表示一个卷筒，用于驱动索绳；62表示一个减速器；63表示一个横向马达；64表示一个电磁制动器；65表示一个速度检测器；67和69表示导向控制器；71表示一个提升卷筒；72表示一个减速器；73表示一个提升马达；74表示一个电磁制动器；75表示一个速度检测器；76表示一个提升索；77表示一个提升部件；80表示一个提升附件；81至89表示导辊；以及90表示一个卷筒。如果“移动”一词被修正成“横动”，则迄今所述皆适用于对图12中所示的横向驱动装置进行控制的方法。可以在“移动”一词被“横动”所取代的情况下理解所公开的内容和所附的权利要求书，以便以同样的方式针对一种起重机把本发明用于这样一种方法，在这种起重机中一个移动驱动装置和一个提升驱动装置装在一个吊运车上。

图7是一个相应于说明先有技术的图11的特性曲线图，它根据本发明说明用抑制摆动的方法得到的吊运车的操作特性。从此图明显看出，同说明先有技术的图11所示特性相比，其负载摆是受到充分抑制的，并且吊运车的变速特性是稳定的。

本发明可用于悬挂式起重机和集装箱起重机的自动化操作领域；前者具有一个用于驱动吊运车的移动装置和一个提升装置，而后者具有一个索吊运驱动式的横动装置和一个提升绞车等。

Claims (4)

1．一种阻止悬挂式起重机摆动的方法，该起重机包括一个移动马达，用于驱动一个移动用的吊运车；一个移动驱动控制器，它具有控制马达速度的控制功能，方法是：使用一个只有一个比例积分器或比例增益的速度控制器，从移动马达上一个速度检测器所检测的一个移动马达速度反馈信号N_MFB与从移动马达的一个速度命令器所输出的一个速度命令信号N_RF0的偏差所显示的一个信号，来计算一个转矩命令信号T_RF；一个提升马达，用于驱动一个装在吊运车上的提升绞车；一个提升附件，用于在索端悬挂一个将要由提升绞车提升的负载；和一个驱动控制器，用于提升马达；其中：

按照一个已被修正成使吊运车离开抑制负载摆动的最佳移动位置的位置误差E_RR1接近0的移动速度命令信号，通过移动马达速度控制器来控制移动马达的速度，可在负载摆动时生成一个阻尼因数；进行修正的方法是，把一个用一个比例积分放大器或比例放大器放大位置误差E_RR1所得的速度修正信号N_RFDP，加到一个由速度命令器输出的速度命令信号N_RF0上；得出位置误差E_RR1的方法是按照下式用下列因素进行计算：在连接于提升附件的速度检测器所检测出的负载在其移动方向上的速度V_LE，一个设置的阻尼系数δ，移动速度命令信号N_RF0，马达速度反馈信号N_MFB，和一个由提升速度检测器测得的从提升卷筒到负载的索长测量值L_E：E_RR1=N_RF0/s-N_MFB/s-{2δ/(V_Rω_E)}V_LE式中ω_E=(g/L_E)^1/2；V_R表示相应于移动马达额定速度的吊运车速度；g表示重力加速度；以及S表示拉普拉斯算子。

2．根据权利要求1所述的阻止起重机摆动的方法，其中吊运车离开其抑制负载摆动的最佳移动位置的位置误差E_RR1，是用对来自一个连接于提升附件且用于检测负载在其移动方向上的加速度的检测器的检测信号α_VL进行时间积分得出的一个速度信号V_LE1代替根据权利要求1所述的由连接于提升附件的速度检测器的检测的负载在其移动方向上的速度信号V_LE，而计算出来的。

3．根据权利要求1所述的阻止起重机摆动的方法，其中吊运车离开其抑制负载摆动的最佳移动位置的位置误差E_RR1，是用一个通过进行以下计算得到速度信号V_LE2来计算的：

V_LE2=V_RN_MFB-sL_Eθ_E上式基于从移动速度控制器得出的马达速度反馈信号N_MPB，由索摆角检测器所检测的摆动角信号θ_E，和一个由提升马达速度检测器所得的提升索长度侧量值L_E；用速度信号V_LE2代替根据权利要求1所述的由连接于提升附件的速度检测器所检测的负载在其移动方向上的移动速度检测信号V_LE。

4．根据权利要求1、2和3中任何一项所述的阻止起重机摆动的方法，其中一个根据马达操作状态从多个阻尼系数预置值中任意选择的信号是通过一个一阶滞后元件而生成的；并且其中该信号被用作最终阻尼系数预置值。

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