CN105329788B - 臂架式起重机匀速变幅控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种臂架式起重机匀速变幅控制方法，包括步骤一、臂架变幅系统数学模型的建立；步骤二、变幅机构驱动速度与工作幅度的函数确定；步骤三、FC功能块的增加，PLC中增加FC功能块，输入Matlab计算确定的函数，将主令开关预设的设定值通过函数发生器转换为一个取决于工作幅度的转速设定值；步骤四、实时修正速度的计算，通过PLC实时读取臂架角度，计算修正速度，然后将修正后的转速设定值输出到变频器，控制驱动速度。本发明采用逆向思维控制方式，根据变幅过程中幅度的变化，改变驱动输出速度，进而达到货重在变幅过程中匀速运动。采用此控制方法的起重机的操控性、稳定性大大提高，生产效率较传统方式有极大提升。

Description

臂架式起重机匀速变幅控制方法

技术领域

本发明属于起重机技术领域，尤其涉及一种臂架式起重机匀速变幅控制方法。

背景技术

起重机变幅速度的精确控制是起重机设计中一个繁复的问题，臂架头部吊点运行速度为结构几何尺寸优化的重要因素。一般起重机在整个工作幅度内最大速度与最小速度能达到2倍的关系；在变幅速度要求较高的场合，起重机的性能大打折扣。

臂架变幅形式起重机变幅过程存在两个问题：一、随着臂架工作幅度的改变，变幅驱动作用在臂架上的铰点或作用点沿X轴和Y轴两个方向进行移动；二、随着臂架工作幅度的改变，臂架头部吊点沿X轴和Y轴两个方向进行移动。目前行业内变幅机构均采用恒速驱动，货重在变幅过程中的水平速度变化很大，即，主令开关预设为一个固定值，变幅电机驱动速度为预设的恒定值，而货重变幅速度为不恒定值。

目前，不管是设计厂家还是用户对变幅速度要求均为平均速度，达不到匀速的要求。这对司机操作水平要求非常高，对整机稳定性影响很大，大大降低了起重机的运行精度和使用效率。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

发明内容

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种能精确的控制起重机变幅机构的驱动速度，实时改变驱动电机的转速，从而达到货重在变幅过程中匀速运动的臂架式起重机匀速变幅控制方法。

本发明所采用的技术方案为：

臂架式起重机匀速变幅控制方法，包括如下步骤：

步骤一、臂架变幅系统数学模型的建立

利用臂架本身的几何关系和平面运动理论参数化数学模型，建立函数关系式，函数关系式为多个多元多次方程式；

步骤二、变幅机构驱动速度与工作幅度的函数确定

通过Matlab对步骤一中的函数关系式进行简化，该简化过程需对各个幅度驱动速度值进行大量的取样、计算、拟合、评价及修正，通过简化，将臂架变幅系统的函数关系式简化为变幅机构驱动速度与工作幅度的一元高阶多项式函数f(α)＝aαⁱ+bα^i-1+cα^i-2+······+dα¹，其中，a、b、c……d为实常数；

步骤三、FC功能块的增加

PLC中增加FC功能块，输入Matlab计算确定的函数，将主令开关预设的设定值通过函数发生器转换为一个取决于工作幅度的转速设定值；同时在臂架上设置用于实时监测臂架角度的臂架角度传感器；

步骤四、实时修正速度的计算

通过PLC实时读取臂架角度，计算修正速度，然后将修正后的转速设定值输出到变频器，控制驱动速度。

所述步骤一中，函数关系式的建立过程包括如下步骤：

步骤1，根据平面几何参数确定臂架变幅系统的函数关系，具体过程为：

根据臂架变幅系统中齿轮齿条的参数确定电机的转速与齿条的运行速度的函数关系V_电机＝f₁(V_齿)，其中V_电机为电机的转速，V_齿为齿条的运行速度；

根据变幅驱动机构与臂架结构的几何关系建立函数关系V_齿＝f₂(ω)，其中，ω为臂架转动角速度；

根据臂架结构的几何构成形式建立函数关系R＝f₃(α)，其中，R为臂架工作幅度，α为臂架俯仰角度；

步骤2，根据平面运动理论确定货重变幅速度函数关系，具体过程为：

使用速度瞬心法推导出参数化变幅输出速度数学公式V_货＝f₄(ω，α)，其中，V_货为货重速度，ω为上述的臂架转动角速度，α为上述的臂架俯仰角度，

至此，建立起臂架变幅系统数学模型：

所述步骤二中，臂架变幅系统函数关系的简化过程具体为：

通过MATLAB进行分点取样，其中取样分两部分进行，第一部分将取样数量无限放大得出实际曲线图；第二部分设定初始优化取样数为200，求出变幅机构对应的驱动速度；

根据分点取样，采用二项式拟合法拟合变幅机构驱动速度与工作幅度的函数曲线，函数曲线初始拟合阶数为2阶；

对拟合的函数进行评定，根据工作幅度范围，利用拟合后的函数取样，对应同样的幅度在原始数学模型上取值，统计拟合函数与实际数学模型值的平均误差和最大误差，其中，平均误差的计算用于反映拟合函数与实际数学模型的重合度，拟合函数能否代表实际数学模型，平均误差要求满足小于或等于1％，最大误差的计算用于检验整个函数范围内取样点数是否足够，是否遗漏某些特殊区间，最大误差要求满足小于或等于1％；

平均误差与最大误差评定公式如下：

平均误差

最大误差V_MAX＝MAX{|V_拟1-V_实1|，|V_拟2-V_实2|，…|V_拟N-V_实N|}≤1％

其中，V_拟代表的是拟合后的变幅机构驱动速度，V_实代表的是实际的变幅机构驱动速度；

拟合函数的评定过程具体包括以下步骤：

步骤1，评定拟合函数的最大误差，如果最大误差大于1％，将初始取样点数增加，阶数不变，重新拟合，直至最大误差满足要求；

步骤2，评定拟合函数的平均误差，如果平均误差大于1％，将函数阶数提高，取样点数不变，重新拟合，拟合后的函数重新从步骤1开始评定；如果平均误差也满足要求，输出变幅机构驱动速度与工作幅度的函数式。

所述步骤三中，需将Matlab确定的函数次数及各次函数的系数a、b、c……d输入到PLC的针脚中，FC功能块根据各个针脚设定的数值进行计算，输出修正系数。

所述步骤四中，实时修正速度的计算具体包括输入变量、FC功能块程序执行和输出刷新三个阶段，其中，输入变量为手柄预设值和臂架角度的输入，FC功能块程序执行时要实时读取臂架角度，输出刷新为PLC根据臂架角度的变化实时刷新修正速度输出值，并将修正速度实时传输至变频器。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

1、本发明中变幅驱动的方式为非线性驱动方式，对臂架式起重机变幅机构控制采用逆向思维，考虑的不再是固定变幅电机驱动速度，计算货重变幅速度变化对系统的影响，而是固定货重变幅速度，计算电机的驱动速度，即改变了传统的线性输入、非线性输出的控制方式，采取更为先进的非线性输入、线性输出的控制方式，该控制方式是对起重机行业传统控制方式的升级。

2、本发明中PLC的变量输出方式，可实时修正变幅驱动速度，充分扩展了PLC的运算功能，将目前简单的输入输出方式设计为带变量的函数式输出方式，实时读取工作幅度，计算修正速度输出到变频器，实现了货重在变幅过程中的匀速运动。

3、本发明采用参数化臂架式变幅驱动模型的方式，不再单一的取几个幅度进行计算，而是将臂架式变幅驱动机构采用参数化方式建立模型，更适合电算优化。

4、本发明采用了Matlab仿真，拟合确定驱动速度与变幅速度函数的方法，针对PLC运算速度的特点，简化了数学模型，确定了最简单的一元多次函数；确定驱动速度与变幅速度函数时，本发明采用了Matlab二项式拟合的方法，逐一递加函数式次数，直至找出最简单的函数，这种确定简单函数的方法填补了起重机行业的空白。

5、本发明对通用的PLC进行了二次开发，在PLC内增加了FC功能块，将主令开关预设的设定值通过一个函数发生器转换为一个取决于工作幅度的转速设定值，并经计算得到修正系数，为后续修正转速的取得奠定了基础。

6、本发明采用逆向思维的控制方式，根据变幅过程中幅度的变化，改变驱动输出速度，进而达到货重在变幅过程中的匀速运动；采用此控制方法的起重机的操控性、稳定性均得到了大大的提高，生产效率较传统方式也有极大的提升。

7、本发明不仅适用于臂架式起重机，还可适用于门座式起重机。运用本发明的方法对货重速度进行控制的起重机用于集装箱、散货、件杂货等卸船作业时，其作业量均可得到大幅提升。

附图说明

图1为臂架式起重机匀速变幅控制方法。

图2为变幅机构驱动速度与工作幅度函数简化流程图。

图3为传统变幅机构驱动流程图。

图4为变幅机构驱动速度与工作幅度函数初始拟合曲线图。

图5为变幅机构驱动速度与工作幅度函数最终拟合曲线图。

图6为FC功能块针脚设定方式。

图7为FC功能块参数赋值图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，臂架式起重机匀速变幅控制方法，主要包括变幅系统数学模型建立、变幅机构驱动速度与工作幅度的函数确定、PLC中FC功能块的增加、实时修正速度的计算四大部分，其中，变幅系统数学模型建立、变幅机构驱动速度与工作幅度的函数确定是由Matlab实现，PLC中FC功能块增加、实时修正速度的计算是在PLC内编程实现，具体为：

步骤一、臂架变幅系统数学模型的建立

要利用臂架本身的几何关系和平面运动理论来推导函数关系式。一般情况下，起重机的臂架结构形式和变幅驱动形式都比较复杂，要么无法建立简单的显性函数，要么建立的显性函数非常复杂无法在PLC中计算，因此初步数学模型要根据相互关系建立多个多元多次方程式。

下面以四连杆式起重机为例介绍数学模型的建立过程：

首先，根据平面几何参数确定臂架变幅系统函数关系

1、根据齿轮齿条的参数确定电机的转速与齿条的运行速度的函数关系，V_电机＝f₁(V_齿)，其中V_电机为电机的转速，V_齿为齿条的运行速度；

2、再根据变幅驱动机构与臂架结构的几何关系建立V_齿＝f₂(ω)，其中，ω为臂架转动角速度；

3、根据臂架结构几何形式建立R＝f₃(α)，R为工作幅度，其中，R为臂架工作幅度，α为臂架俯仰角度；

其次，根据平面运动理论确定货物变幅速度函数关系；

目前，速度瞬心法计算起重机变幅输出速度，多用于检验变幅输出速度值，因此使用图解法较多。本系统要对变幅输出速度进行电算优化，需要使用速度瞬心法推导出参数化输出速度数学公式V_货＝f₄(ω，α)。

臂架变幅系统数学模型建立如下：

步骤二、变幅机构驱动速度与工作幅度的函数确定

变幅机构驱动速度与工作幅度的函数确定是利用Matlab完成的，电控系统采用PLC处理器，PLC系统属于微处理器，为提高电控系统的响应速度，需将臂架变幅系统数学模型简化为最简单的一元多次方程式f(α)＝aαⁱ+bα^i-1+cα^i-2+······+dα¹，其中，a、b、c……d为实常数，方程式次数越低对控制系统越有利。

简化变幅机构驱动速度与工作幅度的函数流程图如图2所示：

首先，通过Matlab进行分点取样，其中取样分两部分进行，第一部分将取样数量无限放大得出实际曲线图，如图4中的曲线1所示，V_电机＝[V_电机1·····V_电机N]；第二部分设定初始优化取样数为200。将货重速度在工作幅度范围内设定为恒定速度，求出变幅机构对应的驱动速度V_电机＝[V_电机1·····V_电机200]。

第二，根据分点取样，采用二项式拟合法拟合变幅机构驱动速度与工作幅度的函数曲线，函数曲线初始拟合阶数为2阶，得到初步拟合的拟合曲线图，如图4所示，其中曲线1代表实际曲线，曲线2代表拟合曲线；

第三，对拟合的函数进行评定，根据工作幅度范围，利用拟合后的函数取样，对应同样的幅度在原始数学模型上取值，统计拟合函数与实际数学模型值的平均误差和最大误差，其中，平均误差的计算用于反映拟合函数与实际数学模型的重合度，拟合函数能否代表实际数学模型，平均误差要求满足小于或等于1％，最大误差的计算用于检验整个函数范围内取样点数是否足够，是否遗漏某些特殊区间，最大误差要求满足小于或等于1％；

平均误差与最大误差评定公式如下：

平均误差

最大误差V_MAX＝MAX{|V_拟1-V_实1|，|V_拟2-V_实2|，…|V_拟N-V_实N|}≤1％

其中，V_拟代表的是拟合后的变幅机构驱动速度，V_实代表的是实际的变幅机构驱动速度；

拟合函数的评定过程具体包括以下步骤：

步骤1，评定拟合函数的最大误差，如果最大误差大于1％，将初始取样点数增加，阶数不变，重新拟合，直至最大误差满足要求；

步骤2，评定拟合函数的平均误差，如果平均误差大于1％，将函数阶数提高，取样点数不变，重新拟合，拟合后的函数重新从步骤1开始评定；如果平均误差也满足要求，输出变幅机构驱动速度与工作幅度的函数式，拟合后得到图5；

其中取样数值为1000，拟合后函数为一元五次方程式，从图5中可以看出代表实际曲线的曲线1与代表拟合曲线的曲线2基本完全重合。

步骤三、PLC中FC功能块的增加

首先，设置臂架角度测定传感器，用于实时测量臂架角度。有的起重机设有超载力矩限制器，可以利用力矩限制系统中的角度传感器读取数据，如果没有，需单独设置臂架角度传感器。根据输出速度的精度要求需选择不同精度的角度传感器。目前角度传感器采用常规电位计式角度传感器，角度输出为模拟量4～20ma，角度范围-10°～110°，为线性输出信号。

其次，在PLC中增加FC功能块，输入Matlab计算确定的函数。先将Matlab确定的函数次数及各次函数的系数输入到PLC中特定的针脚中，FC功能块根据各个针脚设定的数值进行计算，输出修正系数。图6为FC功能块的针脚设定方式，图7为FC功能块的参数赋值图，具体的计算过程以及输入输出流程可由PLC梯形图编程实现。

步骤四，实时修正速度的计算

原PLC执行流程如图3所示，为手柄输入命令到PLC，PLC输出固定命令到变频器，增加PLC功能块后，实时修正速度的计算具体包括输入变量、FC功能块程序执行和输出刷新三个阶段，其中，输入变量为手柄预设值和臂架变幅角度的输入，FC功能块程序执行为上述FC模块根据臂架角度计算修正系数，输出刷新为PLC根据臂架角度的变化实时刷新修正速度输出值，并将修正速度实时传输至变频器，控制驱动速度。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.臂架式起重机匀速变幅控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、臂架变幅系统数学模型的建立

利用臂架本身的几何关系和平面运动理论参数化数学模型，建立函数关系式，函数关系式为多个多元多次方程式；

步骤二、变幅机构驱动速度与工作幅度的函数确定

通过Matlab对步骤一中的函数关系式进行简化，该简化过程需对各个幅度驱动速度值进行大量的取样、计算、拟合、评价及修正，通过简化，将臂架变幅系统的函数关系式简化为变幅机构驱动速度与工作幅度的一元高阶多项式函数f(α)＝aαⁱ+bα^i-1+cα^i-2+······+dα¹，其中，a、b、c……d为实常数，α为臂架俯仰角度；

步骤三、FC功能块的增加

PLC中增加FC功能块，输入Matlab计算确定的函数，将主令开关预设的设定值通过函数发生器转换为一个取决于工作幅度的转速设定值；同时在臂架上设置用于实时监测臂架角度的臂架角度传感器；

步骤四、实时修正速度的计算

通过PLC实时读取臂架角度，计算修正速度，然后将修正后的转速设定值输出到变频器，控制驱动速度。

2.根据权利要求1所述的臂架式起重机匀速变幅控制方法，其特征在于，所述步骤一中，函数关系式的建立过程包括如下步骤：

步骤1，根据平面几何参数确定臂架变幅系统的函数关系，具体过程为：

根据臂架变幅系统中齿轮齿条的参数确定电机的转速与齿条的运行速度的函数关系V_电机＝f₁(V_齿)，其中V_电机为电机的转速，V_齿为齿条的运行速度；

根据变幅驱动机构与臂架结构的几何关系建立函数关系V_齿＝f₂(ω)，其中，ω为臂架转动角速度；

根据臂架结构的几何构成形式建立函数关系R＝f₃(α)，其中，R为臂架工作幅度，α为臂架俯仰角度；

步骤2，根据平面运动理论确定货重变幅速度函数关系，具体过程为：

使用速度瞬心法推导出参数化变幅输出速度数学公式V_货＝f₄(ω，α)，其中，V_货为货重速度，ω为上述的臂架转动角速度，α为上述的臂架俯仰角度，

至此，建立起臂架变幅系统数学模型：

3.根据权利要求1所述的臂架式起重机匀速变幅控制方法，其特征在于，所述步骤二中，臂架变幅系统的函数关系式的简化过程具体为：

通过Matlab进行分点取样，其中取样分两部分进行，第一部分将取样数量无限放大得出实际曲线图；第二部分设定初始优化取样数为200，求出变幅机构对应的驱动速度；

根据分点取样，采用二项式拟合法拟合变幅机构驱动速度与工作幅度的函数曲线，函数曲线初始拟合阶数为2阶；

对拟合的函数进行评定，根据工作幅度范围，利用拟合后的函数取样，对应同样的幅度在原始数学模型上取值，统计拟合函数与实际数学模型值的平均误差和最大误差，其中，平均误差的计算用于反映拟合函数与实际数学模型的重合度，拟合函数能否代表实际数学模型，平均误差要求满足小于或等于1％，最大误差的计算用于检验整个函数范围内取样点数是否足够，是否遗漏某些特殊区间，最大误差要求满足小于或等于1％；

平均误差与最大误差评定公式如下：

平均误差

最大误差V_MAX＝MAX{|V_拟1-V_实1|，|V_拟2-V_实2|，…|V_拟N-V_实N|}≤1％

其中，V_拟代表的是拟合后的变幅机构驱动速度，V_实代表的是实际的变幅机构驱动速度；

拟合函数的评定过程具体包括以下步骤：

步骤1，评定拟合函数的最大误差，如果最大误差大于1％，将初始取样点数增加，阶数不变，重新拟合，直至最大误差满足要求；

步骤2，评定拟合函数的平均误差，如果平均误差大于1％，将函数阶数提高，取样点数不变，重新拟合，拟合后的函数重新从步骤1开始评定；如果平均误差也满足要求，输出变幅机构驱动速度与工作幅度的函数式。

4.根据权利要求1所述的臂架式起重机匀速变幅控制方法，其特征在于，所述步骤三中，需将Matlab确定的函数次数及各次函数的系数a、b、c……d输入到PLC的针脚中，FC功能块根据各个针脚设定的数值进行计算，输出修正系数。

5.根据权利要求4所述的臂架式起重机匀速变幅控制方法，其特征在于，所述步骤四中，实时修正速度的计算具体包括输入变量、FC功能块程序执行和输出刷新三个阶段，其中，输入变量为手柄预设值和臂架角度的输入，FC功能块程序执行时要实时读取臂架角度，输出刷新为PLC根据臂架角度的变化实时刷新修正速度输出值，并将修正速度实时传输至变频器。