CN105016210B - 一种起重机防摇控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重机防摇控制方法，其中采用余弦函数进行吊臂吊重加速，抑制了执行元件频繁启停过程中能量冲击，根据起重机的吊重摆动数学模型B和吊臂加速度计算出吊重摆角θ(t)，通过求导得到吊重摆角速度根据吊重摆角θ(t)、吊重摆角速度和吊重残余摆动幅值计算公式计算出输入整形控制器频率ω_c，根据起重机操作者操作的吊臂速度和输入整形控制器频率ω_c，计算出起重机的加速度幅值A；最后计算出加速度作为输入信号输入至输入整形控制器，得到控制信号；控制信号经过驱动放大单元进而控制执行元件，实现起重机吊臂加速后的吊重残余摆角为0。有益效果：在起重机控制系统中，对起重机进行消摆，减少执行元件能量冲击，提高起重机控制系统的转运效率。

Description

一种起重机防摇控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，特别是涉及一种起重机防摇控制方法，属于起重机控制技术领域。

背景技术

随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，起重机作为物料搬运的重要设备在现代化生产过程中应用越来越广，它的运行性能将直接影响到整个生产过程的效率与安全性。

然而，起重机由于吊重惯性与悬索构成的摆系统，因此在其运行过程中，尤其是在起动和制动阶段，吊重会产生摆动，其摆动幅度与加减速度成一定的比例关系，因此效率要求越高的应用场合，吊重的摆动幅度也越大。

目前，起重机的自动化程度普遍不高，虽然国内外也有一些具有一定自动化程度的起重机设备，但是由于起重机往往作业在诸如船厂、机械加工车间和建筑工地等非结构化的环境中，环境对现有大多数吊重消摆技术的实际应用带来困难，起重机作业更多的还需要依靠司机经验，误差难以控制。在起重机进行装卸作业时，平均有超过30％的时间浪费在起重机的对位上。此外，对海上作业的大型起重机设备来说，由于起重量大，运行速度快以及受风浪的作用，吊重摆动问题更加突出，一旦发生与结构物的碰撞，将引发灾难性的后果，所以对装卸作业平稳性及安全性提出了更高的要求。一般来说，海况等级达到3级时，吊重摆动幅度所引起的危险性将直接导致海上作业的大型起重机不得不停止作业。据统计，我国东海适合起重机安全作业的时间仅占总数的34％，而在国外，北海适合起重机安全作业的时间也不到总时间的一半。

因此近些年来，发展出起重机消摆实用开环控制技术，其主要有：输入指令滤波、输入指令整形控制等。

但是，现有许多快速有效的输入整形控制器，是在系统执行元件输入规划中引入开关函数，其频繁的开关操作将引起执行元件发生抖动；这些抖动是执行元件能量冲击的表现，对执行元件的性能和使用寿命是不利的因素。如果电机工作在频繁启停模式，由于浪涌电流的作用，所以其对电机的性能和使用寿命是显著的缺点。当第一次启动时，浪涌电流、输入浪涌和开关浪涌，被定义为电气设备的最大瞬态电流。交流电动机和变压器在启动的几个周期，瞬态电流是正常满负荷电流的几倍，由于高浪涌电流的存在，过流保护装置的选择就变得非常复杂，既要保证对过载和短路的快速响应，还必须保证设备能够正常启动。

因此瞬时过流对所有电器设备都是有害的，尤其是电机。在一个电路中的突然变化，大量的能量储存在电感或电容中，这些能量以一种高幅值短上升时间波的形式在电路中传播。众所周知，峰值电流或电压的上升将破坏电机转子的绝缘性能，通常对一些回转电机要求补充浪涌保护防止瞬间过流对电机转子的破坏，其中一种方法就是加入电容滤波器，电容可以增加上升时间防止浪涌快速增长。然而电容滤波器并不能限制浪涌的幅值，需要放电管来限制过压的幅值。由于引入了额外的浪涌保护装置，电机的特性和电机操作的浪涌环境需要进一步分析，还要考虑引入额外保护装置的经济影响。

为了实现平滑过渡，现有技术中设计了一些平滑命令规划，如S曲线、三角函数、高斯曲线和凸轮多项式曲线等，这些规划可以提供低通滤波效果，进而可以降低残余摆动，但是这些规划曲线将增加响应的上升时间，降低运行效率。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种起重机防摇控制方法，对起重机采用余弦函数进行吊臂加速，抑制了执行元件频繁启停过程中能量冲击，根据起重机操作者操作的吊臂运行加速度幅值和输入整形控制器频率得出加速度，将加速度作为输入信号输入至输入整形控制器，对起重机运行进行控制，在吊臂加速完成时实现吊重残余摆动为0，实现消摆，提高了起重机控制系统的转运效率，同时减少了执行元件的能量冲击。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种起重机防摇控制方法，根据起重机操作者操作的吊臂运行加速度幅值和输入整形控制器频率，计算出起重机的加速度；将加速度作为输入信号输入至输入整形控制器，得到控制信号；控制信号经过驱动放大单元进而控制执行元件，实现起重机吊臂加速后的吊重残余摆角A_CS为0。

其中，所述起重机的吊重摆动数学模型为B；所述加速度为作为输入信号的加速度公式为其中A是吊臂运行加速度幅值，ω_c是输入整形控制器频率，t为加速时间；

根据计算出吊重摆角θ(t)，通过对吊重摆角θ(t)进行求导计算出吊重摆角速度其中l为钢丝绳的长度；

根据吊重摆角θ(t)、吊重摆角速度以及当起重机操作者操作吊臂经加速时间t进行加速后的吊重残余摆动幅值计算公式计算出输入整形控制器频率ω_c，其中ω_n为吊重摆动自然频率；所述吊重摆动自然频率可得出

根据ω_c和吊臂经加速时间t加速完成后吊臂速度v，计算出吊臂运行加速度幅值A，从而计算出起重机的加速度

进一步的：所述起重机的吊重摆动数学模型B为其中为阻尼比；根据计算出吊重摆角θ(t)。

进一步的：当阻尼比时，将带入后，吊重摆动数学模型简化后得计算公式为

所述加速度中的加速时间t选择一个输入整形周期，即t＝0～2π/ω_c，对在加速时间t内进行积分得出加速完成后吊臂速度

$v={\∫}_0^{\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_c}}\stackrel{\·\·}{x}\left(t\right)dt=A\mathrm{\π}/{\mathrm{\ω}}_c,$

从而可以根据起重机操作者的吊臂速度求出吊臂运行加速度幅值A＝vω_c/π；

将输入信号加速度代入吊重摆动数学模型简化后的计算公式得通过对计算公式这一微分方程求解得出吊重摆角对吊重摆角θ(t)进行求导得出吊重摆角速度

吊臂经一个输入整形周期加速完成后，即当t＝2π/ω_c＝τ时，吊重残余摆动幅值为

引入一个频率系数c，用于表示输入整形控制器频率与吊重摆动自然频率的比值，即c＝ω_c/ω_n；

再将计算得的θ(τ)和代入A_CS，则有

当或c＝1/(n+1)n＞0时，吊重残余摆动幅值为0，从而计算得出ω_c；

由计算得的ω_c代入A＝vω_c/π计算得A，从而根据计算出起重机的输入信号加速度

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

在起重机控制系统中，对起重机采用余弦函数进行吊重加速，抑制了执行元件频繁启停过程中能量冲击，采用输入整形原理对起重机的输入信号进行控制，在吊臂加速完成时实现吊重残余摆动为0，实现消摆的同时大幅提高起重机控制系统的转运效率。

上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1为起重机摇摆的原理示意图；

图2为本发明起重机防摇控制方法的控制框图；

图3为本发明起重机防摇控制方法的输入整形控制原理图；

图4为本发明起重机防摇控制方法仿真的输入整形周期对应吊重摆角响应。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，小车沿吊臂水平运行，x(t)为小车的位移，l为钢丝绳的长度，m为吊重的质量，θ(t)为吊重摆角；采用起重机的吊重摆动数学模型B为其中为阻尼比，ω_n为吊重摆动自然频率，t为加速时间；当阻尼比吊重摆动数学模型可以简化为根据其中为加速度；以及吊重摆动自然频率得出进而得出

如图2和图3所示，将加速度作为输入信号输入至输入整形控制器，得到控制信号；控制信号经过驱动放大单元进而控制执行元件，实现起重机吊臂加速后的吊重残余摆动为0。

作为输入信号的加速度公式为其中A是吊臂运行加速度幅值，ω_c是输入整形控制器频率；当起重机操作者操作吊臂经加速时间t进行加速后，吊重残余摆动幅值为

所述加速度中的加速时间t选择一个输入整形周期，即t＝0～2π/ω_c，对在加速时间t内进行积分得出加速完成后吊臂速度

$v={\∫}_0^{\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_c}}\stackrel{\·\·}{x}\left(t\right)dt=A\mathrm{\π}/{\mathrm{\ω}}_c,$

从而可以根据起重机操作者的吊臂速度求出吊臂运行加速度幅值A＝vω_c/π。

将输入信号加速度代入吊重摆动数学模型简化后的计算公式得通过对计算公式这一微分方程求解得出吊重摆角对吊重摆角θ(t)进行求导得出吊重摆角速度

在起重机吊臂经一个输入整形周期加速完成后，即当t＝2π/ω_c＝τ时，吊重残余摆动幅值为为了计算简便，引入一个频率系数c，用于表示输入整形控制器频率与吊重摆动自然频率的比值，即c＝ω_c/ω_n。

再将计算得的θ(τ)和代入A_CS，则有而当或c＝1/(n+1)n＞0时，吊重残余摆动幅值为0，从而可计算得出ω_c。

最后由计算得的ω_c代入A＝vω_c/π计算得A，从而根据计算出起重机的输入信号加速度

如图4所示，仿真中，起重机钢丝绳的长度l＝0.5m，吊臂运行加速度幅值A＝0.6m/s²，仿真结果表明，采用余弦加减速实现了吊臂平滑启停运动，利用输入整形原理对起重机的输入信号进行控制，在吊臂加速完成时实现了吊重残余摆动为0，不仅有效消摆，而且消摆时间短，可大幅提高起重机控制系统的转运效率。

本发明的创新点在于，在起重机控制系统中，对起重机采用余弦函数进行吊重加速，抑制了执行元件频繁启停过程中能量冲击，采用输入整形原理对起重机的输入信号进行控制，在吊臂加速完成时实现吊重残余摆动为0，从而实现消摆和提高起重机转运效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种起重机防摇控制方法，其特征在于：根据起重机操作者操作的吊臂运行加速度幅值和输入整形控制器频率，计算出起重机的加速度；将加速度作为输入信号输入至输入整形控制器，得到控制信号；控制信号经过驱动放大单元进而控制执行元件，实现起重机吊臂加速后的吊重残余摆角A_CS为0；

所述起重机的吊重摆动数学模型为B；所述加速度为作为输入信号的加速度公式为其中A是吊臂运行加速度幅值，ω_c是输入整形控制器频率，t为加速时间；

根据计算出吊重摆角θ(t)，通过对吊重摆角θ(t)进行求导计算出吊重摆角速度其中l为钢丝绳的长度；

根据吊重摆角θ(t)、吊重摆角速度以及当起重机操作者操作吊臂经加速时间t进行加速后的吊重残余摆动幅值计算公式计算出输入整形控制器频率ω_c，其中ω_n为吊重摆动自然频率；

所述吊重摆动自然频率可得出

根据ω_c和吊臂经加速时间t加速完成后吊臂速度v，计算出吊臂运行加速度幅值A，从而计算出起重机的加速度

2.根据权利要求1所述的一种起重机防摇控制方法，其特征在于：所述起重机的吊重摆动数学模型B为其中为阻尼比；

根据计算出吊重摆角θ(t)。

3.根据权利要求2所述的一种起重机防摇控制方法，其特征在于：当阻尼比时，将带入后，吊重摆动数学模型简化后得计算公式为

所述加速度中的加速时间t选择一个输入整形周期，即t＝0～2π/ω_c，对在加速时间t内进行积分得出加速完成后吊臂速度

$v={\∫}_0^{\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_c}}\stackrel{\·\·}{x}\left(t\right)dt=A\mathrm{\π}/{\mathrm{\ω}}_c,$

从而可以根据起重机操作者的吊臂速度求出吊臂运行加速度幅值A＝vω_c/π；

将输入信号加速度代入吊重摆动数学模型简化后的计算公式得通过对计算公式这一微分方程求解得出吊重摆角对吊重摆角θ(t)进行求导得出吊重摆角速度

吊臂经一个输入整形周期加速完成后，即当t＝2π/ω_c＝τ时，吊重残余摆动幅值为

引入一个频率系数c，用于表示输入整形控制器频率与吊重摆动自然频率的比值，即c＝ω_c/ω_n；

再将计算得的θ(τ)和代入A_CS，则有

当或c＝1/(n+1)n＞0时，吊重残余摆动幅值为0，从而计算得出ω_c；

由计算得的ω_c代入A＝vω_c/π计算得A，从而根据计算出起重机的输入信号加速度