CN105317217B - 臂架回转振动抑制设备、系统、方法及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种臂架回转振动抑制设备、系统、方法及工程机械，该设备包括：接收装置，用于接收停止操作臂架回转时的各节臂架与参考面之间的夹角以及臂架的回转速度；以及控制装置，根据所述夹角及回转速度，预测所述臂架的末端位移：及根据所预测的臂架末端位移，施加一控制电流给所述臂架的回转执行机构，以抑制所述臂架回转振动。

Description

臂架回转振动抑制设备、系统、方法及工程机械

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种臂架回转振动抑制设备、系统、方法及工程机械。

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。由于混凝土泵车臂架为多关节铰接的细长柔性悬臂梁结构，在通过遥控器控制臂架停止回转操作时，臂架由于运动惯性会继续往复摆动，影响臂架精确定位、定位时间的同时，也带来了安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种臂架回转振动抑制设备、系统、方法及工程机械，其可有效抑制臂架回转振动。

为了实现上述目的，本发明提供一种臂架回转振动抑制设备，该设备包括：接收装置，用于接收停止操作臂架回转时的各节臂架与参考面之间的夹角以及臂架的回转速度；以及控制装置，用于执行以下操作：根据所述夹角及回转速度，预测所述臂架的末端位移；及根据所预测的臂架末端位移，施加一控制电流给所述臂架的回转执行机构，以抑制所述臂架回转振动。

相应地，本发明还提供一种臂架回转振动抑制系统，该系统包括：角度传感器，用于检测各节臂架与一参考面之间的夹角；速度传感器，用于检测臂架的回转速度；以及上述臂架回转振动抑制设备。

相应地，本发明还提供一种工程机械，该工程机械包括上述臂架回转振动抑制系统。

相应地，本发明还提供一种臂架回转振动抑制方法，该方法包括：接收停止操作臂架回转时的各节臂架与参考面之间的夹角以及臂架的回转速度；根据所述夹角及回转速度，预测所述臂架的末端位移；以及根据所预测的臂架末端位移，施加一控制电流给所述臂架的回转执行机构，以抑制所述臂架回转振动。

通过上述技术方案，可根据臂架振幅、相对阻尼系数及固有圆频率实现臂架末端位移的准确预测，并可根据该提前预测的臂架末端位移(即，振动)的趋势，并施加一控制电流，从而增加臂架的相对阻尼系数，以达到抑制振动的目的。这对于提高泵车操纵效率和安全性有重大的意义。

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1为本发明提供的臂架回转振动抑制系统的结构示意图；

图2示出了臂架在被施加一回转方向的激励之后的自由振动位移曲线；

图3示出了确定控制电流的方法流程图；

图4示出了不同大小的控制电流所导致的臂架末端位移及相对阻尼系数；

图5示出了本发明提供的臂架回转振动抑制方法的流程图；以及

图6示出了未采用本发明的臂架回转振动抑制方法的臂架末端位移曲线与采用本发明的臂架回转振动抑制方法之后的臂架末端位移曲线。

附图标记说明

10 角度传感器 20 速度传感器

30 控制设备 310 接收装置

320 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1为本发明提供的臂架回转振动抑制系统的结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种臂架回转振动抑制系统，该系统包括：角度传感器10，用于检测各节臂架与一参考面(例如，水平面)之间的夹角(例如，倾角)；速度传感器20，用于检测所述臂架的回转速度(例如，回转角速度)；以及臂架回转振动抑制设备30，该设备30包括：接收装置310，用于接收停止操作臂架回转时的各节臂架与参考面之间的夹角以及臂架的回转速度；以及控制装置320，用于执行以下操作：根据所述夹角及回转速度，预测所述臂架的末端位移；及根据所预测的臂架末端位移，施加一控制电流给所述臂架的回转执行机构(包含例如电磁阀、回转马达等)，以抑制所述臂架回转振动。藉此，通过考虑臂架振幅、相对阻尼系数及固有圆频率，可实现臂架末端位移的准确预测，并可根据该提前预测的臂架末端位移(即，振动)的趋势，并施加一控制电流，从而增加臂架的相对阻尼系数，以达到抑制振动的目的。

具体而言，可通过以下步骤来预测所述臂架的末端位移：根据所述夹角，确定与所述臂架的当前姿态相对应的相对阻尼系数ξ及固有圆频率ω_n；根据所述回转速度，确定所述臂架的振幅A；及根据所述相对阻尼系数ξ、固有圆频率ω_n以及振幅A，预测所述臂架的末端位移。

对于泵车而言，其臂架在回转方向(即水平方向)产生振动的原因主要是泵车施工操作者通过遥控器或泵车电控柜内操控手柄操作回转执行机构使臂架旋转至指定位置急停后，类似悬臂结构的泵车臂架的巨大惯性会导致臂架末端产生较大幅度摆动，加之臂架是很长的柔性体，回转支撑与小齿轮之间存在间隙配合，使得自由摆动持续较长时间。臂架在回转振动过程中受到阻尼作用，其振动形式属于欠阻尼振动(0<ξ<1，ξ为相对阻尼系数)，其振动幅值逐渐衰减。臂架末端位移可被表示为：

其中，t为当前时刻；

n为衰减系数，其可决定振幅衰减的快慢，减小臂架回转振动即要增大该衰减系数n，由于n＝ξω_n且固有圆周率ω_n为定值，因此衰减系数n取决于相对阻尼系数ξ；

ω_d为衰减振动的自由振动圆频率，且另外，固有圆频率ω_n与臂架的固有频率f_n满足：

为停止操作臂架回转时臂架的初始相位角。

通过上述(1)式可知，臂架回转振动位移只与振幅A、自由振动圆频率ω_d、相对阻尼系数ξ、初始相位角有关，只要这几个参数确定了，臂架末端的位移就可以利用(1)式来预测。本发明即基于以上思想，根据当前的振幅A、自由振动圆频率ω_d、相对阻尼系数ξ来预测下一段时间臂架的位移，并根据该位移来施加一控制电流至回转执行机构，以改变相对阻尼系数ξ，更新当前的当前振动圆频率ω_d；之后，预测下一段时间的位移，并重复上述过程，直到预测的位移满足控制要求为止。

以下对如何确定固有圆频率、相对阻尼系数以及振幅进行详细介绍。

1)相对阻尼系数ξ及固有圆频率ω_n

对于臂架振动而言，臂架在有阻尼时的振动周期为：

其中，T_n为无阻尼时的振动周期。

由(2)式可知，有阻尼时的振动周期T_d大于无阻尼时的振动周期T_n，随着相对阻尼系数ξ增大，有阻尼时的振动周期T_d也增大。

在进行本发明的控制之前，可给臂架施加一回转方向的激励，采集臂架末端位移，具体位移曲线如图2所示。之后，对该位移进行分析，得到相邻两个振幅A₁与A₂以及振动周期T_d。

之后，根据下式计算相邻两个振幅之比：

对(3)式取对数，结合(2)式及n＝ξω_n，可得到：

根据(4)式，可计算得到在进行本发明的控制之前臂架的相对阻尼系数ξ；之后根据该相对阻尼系数ξ及(2)式，可得出固有圆频率ω_n。

由于相对阻尼系数ξ及固有圆频率ω_n均与臂架姿态有关，可针对不同的臂架姿态，计算不同的相对阻尼系数ξ及固有圆频率ω_n，并将其预先存储于数据库中。随后，在采用本发明的控制时，可根据臂架姿态(由各节臂架的倾角决定)来确定当前臂架姿态所对应的相对阻尼系数ξ及固有圆频率ω_n。

2)振幅A

由于臂架回转摆动幅度大小与停止操作臂架回转时臂架的回转速度υ₀相关，回转速度υ₀越大，振幅A越大。可通过多次试验，测量在不同回转速度下停止臂架操作时臂架的位移数据，分析数据，得到不同回转速度υ_i对应的振幅A_i，从而建立回转速度与振幅关系数据库。在采用本发明的控制时，可根据停止臂架操作时的臂架回转速度来确定对应于该速度的振幅。

以下介绍如何确定控制电流的施加时刻、持续时间以及大小，具体流程如图3所示。

1)控制电流的施加时刻

所述控制电流的施加时刻通过以下公式来确定：

其中，与分别表示当前时刻的相位角以及每间隔预定控制间隔时间T之后施加所述控制电流时刻的相位角；t为当前时刻；ω_d为衰减振动的自由振动圆频率，且 为停止操作臂架回转时臂架的初始相位角，其由停止操作臂架回转时臂架运动的初始条件决定，本发明取停止操作臂架回转时臂架的位置作为控制的平衡位置，故可取T_d为臂架的振动周期；表示对取整。

由于控制电流的施加至臂架开始响应之间存在一定的时间滞后，因此，臂架由上述控制电流而产生响应的初始相位角通过下式计算：

其中，t₀为臂架响应与控制系统之间的滞后时间，为臂架响应的初始相位角。

2)控制电流的持续时间

所述控制电流的持续时间通过以下公式来确定：

其中，为臂架响应的初始相位角，t₀为施加控制电流至臂架响应之间的滞后时间，T_d为臂架的振动周期。

该控制电流的方向确定如下：当控制电流的方向为顺时针方向，即该控制电流使臂架产生顺时针方向的回转；当控制电流的方向为逆时针方向，即该控制电流使臂架产生逆时针方向的回转。

3)控制电流的大小

所述控制电流的大小可通过以下公式来确定：

I＝kI₀ (8)

其中，I₀为臂架开始运动所需的最小电流，k根据臂架响应位移相位角为时的臂架回转速度υ_c的大小来取值，υ_c越大，k取的值也越大。k的取值区间可[1,1.5]。

如图3所示，首先，由控制装置读取当前时间t，由(5)式计算当前时刻相位角再根据控制间隔时间T，由(6)式计算由控制产生响应的初始相位角再由(7)式、(8)式计算控制电流持续时间和大小。以上确定控制电流的过程中，考虑控制电流的施加与臂架响应之间的滞后时间，保证了控制响应相位与臂架振动相位的一致性。

优选地，所述控制装置还用于执行以下操作：根据所施加的控制电流的大小，确定该控制电流所增加的相对阻尼系数Δξ；根据该增加的相对阻尼系数Δξ，更新所述相对阻尼系数ξ；以及根据更新后的相对阻尼系数ξ，执行上述预测所述臂架的末端位移以及施加控制电流的步骤。藉此，可通过循环执行上述操作，不断施加控制电流至回转执行机构以抑制振动。

其中，所施加的控制电流的大小与相对阻尼系数ξ之间存在一函数关系。如图4所示，施加大小不同但持续时间相同的电流可产生不同的相对阻尼系数ξ，图中ξ₁<ξ₂。可施加多个大小不同但持续时间相同的控制电流I_i，采集臂架末端的位移数据，对位移数据进行分析，根据(4)式计算得到对应的ξ_i。通过多次上述实验，可建立I与ξ之间的函数关系式。从而，可通过函数关系式，得出所施加的控制电流所增加的相对阻尼系数Δξ。

进一步的，所述控制装置可在所述末端位移的最大值大于一预设值的情况下，施加所述控制电流给所述臂架的回转执行机构，以抑制所述臂架回转振动。从而，可在臂架末端振幅较小的情况下，不进行振动控制。

图5示出了本发明提供的臂架回转振动抑制方法的流程图。如图5所示，可在停止操作臂架回转时，根据此时的臂架回转速度确定振幅A，根据此时的臂架姿态确定与该姿态对应的相对阻尼系数ξ及固有圆频率ω_n，进一步确定衰减系数n及有阻尼振动圆频率ω_d。根据以上所得到的振幅A、衰减系数n及有阻尼振动圆频率ω_d，可确定臂架末端位移(此时假设停止操作臂架回转时臂架的初始相位角为0)：x(t)＝e^-ntAsinω_dt。

之后，判断位移最大值是否超出是否超过一预设值，当不超过时，不启动控制或结束控制；当超过时，启动控制，计算并发送控制电流。之后，根据I与ξ之间的函数关系式计算所发送控制电流增加的相对阻尼系数Δξ，更新当前的相对阻尼系数ξ＝ξ+Δξ，同时也更新n和ω_d，再进行下一次臂架末端位移预测，重复上述过程，直至x(t)的最大值不超过所述预设值，结束控制。不同臂架姿态预测控制过程类似，仅仅只需根据不同臂架姿态，在数据库中选择与之对应的相对阻尼系数ξ₀和固有圆频率ω_n，再按上述过程进行预测控制。

图6示出了未采用本发明的臂架回转振动抑制方法的臂架末端位移曲线与采用本发明的臂架回转振动抑制方法之后的臂架末端位移曲线。如图6所示，采用本发明的振动抑制方法之后的臂架末端位移迅速衰减，振动抑制控制效果明显。

相应地，本发明还提供一种工程机械，该工程机械包括上述臂架回转振动抑制系统。

相应地，本发明还提供一种臂架回转振动抑制方法，该方法包括：接收停止操作臂架回转时的各节臂架与参考面之间的夹角以及臂架的回转速度；根据所述夹角与回转速度，预测所述臂架的末端位移；以及根据所预测的臂架末端位移，施加一控制电流给所述臂架的回转执行机构，以抑制所述臂架回转振动。有关该方法的具体细节及益处与上述针对臂架回转振动抑制系统的细节及益处相同，于此不再赘述。

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 (16)

1.一种臂架回转振动抑制设备，其特征在于，该设备包括：

接收装置，用于接收停止操作臂架回转时的各节臂架与参考面之间的夹角以及臂架的回转速度；以及

控制装置，用于执行以下操作：

根据所述夹角及回转速度，预测所述臂架的末端位移；及

根据所预测的臂架末端位移，施加一控制电流给所述臂架的回转执行机构，以抑制所述臂架回转振动 ；

其中，所述根据所述夹角及回转速度预测所述臂架的末端位移包括：

根据所述夹角，确定与所述臂架的当前姿态相对应的相对阻尼系数ξ及固有圆频率ω_n；

根据所述回转速度，确定所述臂架的振幅A；及

根据所述相对阻尼系数ξ、固有圆频率ω_n以及振幅A，预测所述臂架的末端位移。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述臂架的末端位移为：

其中，t为当前时刻；n为衰减系数，且n＝ξω_n；ω_d为衰减振动的自由振动圆频率，且 为停止操作臂架回转时臂架的初始相位角。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制电流的施加时刻通过以下公式来确定：

其中，与分别表示当前时刻的的相位角以及每间隔预定控制间隔时间T施加所述控制电流时刻的相位角；t为当前时刻；ω_d为衰减振动的自由振动圆频率，且 为停止操作臂架回转时臂架的初始相位角；T_d为臂架的振动周期，且 表示对取整。

4.根据权利要求3所述的控制设备，其特征在于，所述控制电流的持续时间通过以下公式来确定：

其中，为臂架响应的初始相位角，t₀为施加控制电流至臂架响应之间的滞后时间。

5.根据权利要求4所述的控制设备，其特征在于，所述控制电流的大小通过以下公式来确定：

I＝kI₀

其中，其中，I₀为臂架开始运动所需的最小电流，k根据臂架响应位移相位角为时的臂架回转速度υ_c的大小来取值。

6.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的控制设备，其特征在于， 所述控制装置还用于执行以下操作：

根据所施加的控制电流的大小，确定该控制电流所增加的相对阻尼系数Δξ；

根据该增加的相对阻尼系数Δξ，更新所述相对阻尼系数ξ；以及

根据更新后的相对阻尼系数ξ，执行上述预测所述臂架的末端位移以及施加控制电流的步骤。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制装置在所述末端位移的最大值大于一预设值的情况下，施加所述控制电流给所述臂架的回转执行机构，以抑制所述臂架回转振动。

8.一种臂架回转振动抑制系统，其特征在于，该系统包括：

角度传感器，用于检测各节臂架与一参考面之间的夹角；

速度传感器，用于检测臂架的回转速度；以及

根据权利要求1-7中任一项权利要求所述的控制设备。

9.一种工程机械，其特征在于，该工程机械包括根据权利要求8所述的系统。

10.一种臂架回转振动抑制方法，其特征在于，该方法包括：

接收停止操作臂架回转时的各节臂架与参考面之间的夹角以及臂架的回转速度；

根据所述夹角及回转速度，预测所述臂架的末端位移；以及

根据所预测的臂架末端位移，施加一控制电流给所述臂架的回转执行机构，以抑制所述臂架回转振动 ；

其中，所述根据所述夹角及回转速度预测所述臂架的末端位移包括：

根据所述夹角，确定与所述臂架的当前姿态相对应的相对阻尼系数ξ及固有圆频率ω_n；

根据所述回转速度，确定所述臂架的振幅A；以及

根据所述相对阻尼系数ξ、固有圆频率ω_n以及振幅A，预测所述臂架的末端位移。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述臂架的末端位移为：

其中，t为当前时刻；n为衰减系数，且n＝ξω_n；ω_d为衰减振动的自由振动圆频率，且 为停止操作臂架回转时臂架的初始相位角。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述控制电流的施加时刻通过以下公式来确定：

其中，与分别表示当前时刻的相位角以及每间隔预定控制间隔时间T施加所述控制电流时刻的相位角；t为当前时刻；ω_d为衰减振动的自由振动圆频率，且 为停止操作臂架回转时臂架的初始相位角；T_d为臂架的振动周期，且 表示对取整。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述控制电流的持续时间通过以下公式来确定：

其中，为臂架响应的初始相位角，t₀为施加控制电流至臂架响应之间的滞后时间。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述控制电流的大小通过以下公式来确定：

I＝kI₀

其中，其中，I₀为臂架开始运动所需的最小电流，k根据臂架响应位移相位角为时的臂架回转速度υ_c的大小来取值。

15.根据权利要求10-14中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

根据所施加的控制电流的大小，确定该控制电流所增加的相对阻尼系数Δξ；

根据该增加的相对阻尼系数Δξ，更新所述相对阻尼系数ξ；以及

根据更新后的相对阻尼系数ξ，执行上述预测所述臂架的末端位移以及施加控制电流的步骤。

16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述末端位移的最大值大于一预设值的情况下，施加所述控制电流给所述臂架的回转执行机构，以抑制所述臂架回转振动。