CN105934401B - 用于控制从电动可滑动件悬吊载荷的摆动设备、工序和起重装置的控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例公开了一种用于控制从能沿基本上水平轴线移动的电动可滑动件悬吊的载荷的摆动的设备，该控制设备包括控制单元和惯性平台，惯性平台能够检测支承载荷的缆索相对于垂直方向的倾角的代表值并设有用于将该值通信到控制单元的装置，其中，控制单元设有测量并控制电动可滑动件的速度的装置，并能够处理代表缆索相对于垂直方向的倾角的值，以便计算并赋予控制动作以使电动可滑动件的速度根据缆索相对于垂直方向的期望倾角动态地变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制通过诸如桥式起重机、建筑用起重机、电动起重机以及用于起吊并移动载荷的类似装置的缆索起重装置或链条起重装置悬吊的载荷的摆动的设备和方法。
背景技术
如已知的，桥式起重机是指定在不仅室外环境而且室内环境中起吊并移动物料和货物的机器，并通常由可在水平方向上沿一对导轨移动并设有滑架安装在其上的横向构件的桥架构成，滑架容纳可沿横向构件水平移动的提升机。绞车连接到提升机，绞车具有用来抓持并升高物体的抓持件，例如吊钩。
绞车具有施加到其上的一条或多条缆索，提升机、中继设备和吊钩的系统通过缆索使得能够起吊并移动重物。
与这些设备的使用有联系的又一般涉及缆索起重装置或链条起重装置的主要问题之一是在其使用过程中保证操作员的全面安全，并考虑到待移动的大重物。
这些问题的解决方案已经由为进一步细节作参考的意大利专利IT 1 386 901和IT 1 387 564所述的设备提供。
本文所述的起重装置的安全设备包括用于检测离开支承载荷的抓持件的缆索的至少一条的垂直方向的位移的装置。
实施例包括加速度计组的使用，每个加速度计能够确定载荷抓持件在相应正交迪卡尔轴线上的位移。
具体而言，加速度计位于缆索的固定头部上，即在支承载荷的抓持件的缆索固定且保证操作员不移动，即不滑动的点。
关于检测垂直方向的位移的装置，声音和/或可视警告装置或者起吊或移动操作的停止装置可与离开垂直方向的位移的确定装置关联并当离开缆索的垂直方向的位移超过至少预定阈值时能够起作用。
在为更多细节作参考的意大利专利IT 1 393 950中描述了另一解决方案。
简言之，上述文献涉及使得能够集成管理起吊设备的的系统，该系统表示为起重机集成管理服务(CIMS)。
系统使得能够检测并登记分类涉及起吊设备的诸部件的数据，以便提高其安全性，例如，为了能够以对客户端来说清晰且简单的方式管理维护操作。
例如，通过位于起重装置的机载加速度计检测系统，可以检测到涉及载荷抓持件的位移的数据、涉及载荷的抓持件在至少正交迪卡尔轴线 (Cartesian axis)上的位移的数据和/或涉及起重装置的单一事件或历史事件系列的数据。
其中，系统使得能够提高在管理维护方面上的效率、尤其是在设备存在多样性的所有那些工业情况下。
所采集的数据可以直接在网上进行访问而不使用安装在PC上的程序，这使能从任何互联网站的最大总体可访问性。
然而，尽管桥式起重机是经受不仅构造的而且涉及周期性检查的特定标准的起重装置的事实，下列技术问题保持公开，基本上与使用装置的操作员的安全性相关联。
这些问题之一由事实产生，该事实是现有技术的设备虽然能够确定载荷相对于垂直方向的位移，但执行基本上以使操作员能够在过大位移的情况下采取恰当决定为目标的确定。然而，它们没有主动操作以最小化或在任何情况下减小在桥式起重机的操作过程中的载荷摆动。
同样地，虽然有存在解决涉及起重装置中的载荷摆动的问题的理论研究，但研究一般基于仿真或实验室原型，而一般不考虑工业领域中例如由于操作员和参照标准及其它因素由其发送的指令的存在而产生的需求。
在文献US 2005/103738中描述了另一已知设备，该文献描述了载荷摆动的控制系统的几个实施例。
在这种已知控制系统的典型实施例中，提供了两个惯性平台。
第一惯性平台被联接以测量从诸如起重小车的第二物体悬吊的诸如载荷的第一物体的加速度，第一惯性平台产生代表第一物体的加速度的第一信号。
第二惯性平台被联接以测量第二物体的加速度，第二惯性平台产生代表第二物体的加速度的第二信号。
US 2005/103738的设备还包括与第一和第二惯性平台通信的处理器，该处理器可工作以至少部分地基于第一和第二信号确定第一物体相对于第二物体的摇摆，摇摆代表第一物体相对于第二物体的相对位移。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于控制并稳定不仅在正常操作过程中而且由于粗鲁制动或加速步骤引起的载荷摆动的设备和工序。
本发明的另一目的在于揭示了一种用于工业上可适用的控制设备和工序。
本发明的各种实现方式的最重要目的是提供桥式起重机的稳定性的控制过程，该控制过程利用当今可用的计算能力。
本发明的诸目的通过控制从能沿基本上水平轴线移动的电动可滑动件悬吊的载荷的摆动的设备来实现，控制设备包括控制单元和惯性平台，惯性平台能够检测支承载荷的缆索相对于垂直方向的倾角的代表值并设有用于将代表值通信到控制单元的装置，其中，控制单元能够处理代表缆索相对于垂直方向的倾角的值，以便计算并赋予控制动作以使电动可滑动件的速度根据缆索相对于垂直方向的期望倾角动态地变化。
该实施例的优点是其使对起重装置的滑动件的操作能够与装载运动同时发生，以便减小摆动并保持所悬吊的载荷尽可能靠近期望位置。
在本发明的另一实施例中，惯性平台能够检测在为起重装置的相应电动可滑动件限定滑动轴线的两个相互垂直的摆动角中载荷相对于垂直方向的摆动角，并且控制单元能够处理诸值，以便计算和赋予电动机控制动作，以便最小化载荷摆动。
该实施例的优点是，其使得能够同时在沿相互垂直方向操作的诸如例如在桥式起重机的情况下滑架和桥架的滑动件上工作，以便减小悬吊载荷的摆动并保持其尽可能接近期望空间位置。
在本发明的另一实施例中，惯性平台包括加速度计和陀螺仪。
这种实现方式的优点是，其使得能够检测关于载荷位置的信息并且通过结合加速度计的读数与陀螺仪的读数，测量具有其代数符号的载荷摆动角，以便精确确定载荷位置，又计算诸如例如速度和角加速度之类的动态参数。
在本发明的另一实施例中，惯性平台位于支承载荷抓持件的缆索或链条的固定头部。
该实施例的优点是，其使得能够精确测量由惯性平台测量的物理值，位置不受起重装置的机构的运动，诸如例如可在相应缆索上自由滑动的滑轮的运动影响。
在本发明的另一实施例中，远程处理单元可以与控制单元关联。
该实施例的优点是，通过使用远程处理单元，使得能够使用由控制单元通过系统控制和配置软件以及后处理程序处理的数据，以及与CIMS平台对接且与例如PLC、PC等等的其它数据处理系统对接。
本发明还包括起重装置，该起重装置包括可联合到能够对起重装置起作用的控制设备的惯性平台。
本发明的另一实施例涉及通过起重装置控制悬吊载荷的摆动的工序，其中，包括下列步骤：
-监测支承载荷的缆索相对于垂直方向的倾角的代表值；
-确定监测到的倾角与期望倾角之间的差异以便减小或消除该差异；
-计算施加到电动可滑动件的马达中的至少一个的控制动作；
-根据缆索相对于垂直方向的期望倾角，将控制动作施加到电动可滑动件的马达中的至少一个。
在本发明的另一实施例中，计算控制动作的步骤通过考虑载荷与起重装置的滑动件的距离的变化来进行。
该实施例的优点由事实给定，该事实是，其使得能够在所有起重装置上工作，在起重装置中，载荷可以经受例如通过能够升高或降低载荷的提升机或绞车的作用从降低位置传到升高位置的相当大偏移。
在本发明的另一实施例中，其中，对于起重装置的滑动件的每次启动，计算步骤和所计算出的控制动作的施加步骤独立进行。
该解决方案的优点是，其使得能够简化不仅控制动作的计算而且其实际执行方式。
该工序的各个方面都可以是借助于包括执行过程的步骤的源代码的计算机程序的致动器。计算机程序可以例如存储于与控制单元关联的存储器中。
附图说明
阅读下面以非限制性实例的方式提供的描述并借助于附图的各图，可以了解本发明的另外特征和优点。
-图1是根据本发明实施例的控制设备应用于的桥式起重机的透视图；
-图2是图1所示桥式起重机的示意图；
-图3是本发明的控制设备的实施例的示意图；
-图4是本发明的控制系统的某些相关参数的示意图；
-图5示出了涉及控制系统的实施例的架构的框图；
-图6示出了描述载荷运动的参数的测量元件；
-图7是本发明的控制系统的某些相关参数的单一维度上的示意图；
-图8示出了涉及控制系统的另一实施例的架构的框图。
具体实施方式
本发明涉及控制通过诸如桥式起重机、建筑塔式起重机、电动起重机以及起吊并移动载荷的类似装置的缆索起重装置或链条起重装置悬吊的载荷的摆动的设备和工序。为了清楚起见，将参照桥式起重机描述。
图1示意性示出了呈现桥架19的桥式起重机10，桥架19包括两个相互平行梁15、16，桥架19可沿图1中用X表示的第一方向移动，该移动通过两个头部13、14沿两个梁33、34的移动来实现。
滑架20安装在桥架19上，该滑架可以在两个导轨15'、16'上滑动，每个导轨位于桥架19的相应梁15、16上。滑架20可以沿与第一方向X垂直用Y表示的垂直方向滑动。
桥架19与装有变频器24'的马达24关联，马达24使桥架19能够沿图 1的X轴线移动，而滑架20与也装有相应变频器的相关马达(为了简单起见未示出)关联。
如下面更详细示出的，控制设备与桥式起重机关联，该控制设备包括控制单元40，控制单元40将控制动作赋予桥式起重机的马达并指令(每个马达的)相应变频器，该变频器调节与其关联的发动机的速度。
在本发明的变型中，控制单元40可以通过PLC(可编程逻辑控制器) 或另一控制单元来指令，这又对马达的变频器起作用。
滑轮11与滑架20关联，该滑轮又设有抓持件12，例如吊钩，并且可以使用由安装在横向构件17上的提升机18操作的缆索27的系统升高或降低载荷(为了简单起见未示出)。
因此，根据工作条件，例如当桥架19和/或滑架20运动时，或由操作者施加力时，载荷的抓持件12可以沿垂直方向升高或降低，但也可以经受载荷偏离垂直方向的移动。
在图2中，图1所示的起重机用其主要部件表示，以突显惯性平台30，惯性平台30能够测量支承载荷的抓持件的缆索的移动，如下面描述所示。
根据本发明的各实施例的主动控制稳定性的设备也与桥式起重机10 关联。
参照图3，注意，控制设备包括惯性平台30和控制单元40，控制单元能够将运动指令赋予控制桥式起重机马达启动的变频器。
控制单元40可以接着不仅给调整启动桥架19的移动的马达24的变频器24'而且给调节驱动滑架20的移动的马达的变频器发出指令；这些指令相互独立并且可以通过模拟控制器局域网总线或其它以太网总线连接发送给马达的变频器。
具体地说，惯性平台30包括加速度计39和陀螺仪36，两者都可以由微处理器32管理。
在优选实施例中，控制单元40可以安装在实际桥式起重机上(如图3 的左部分所示)并且通过电缆42或以无线的方式与惯性平台30连接。
在另一优选实施例中，控制单元40可以与例如并入服务器80中的远程控制单元关联，其中，远程单元可以操作控制和系统配置软件以及数据后处理软件并且可以与起重机集成管理服务(CIMS)式平台对接。
在本发明的变型中，惯性平台30和控制单元40可以集成在单一单元中。
现参照惯性平台30，加速度计39能够测量支承载荷的抓持件12的缆索27的倾角；然而，所测得的角度仅指示缆索相对于垂直方向的倾斜度，而不包含相对于缆索倾斜的方向的信息。
为了完成抓持件12的移动的空间表示，惯性平台30还包括陀螺仪36。
如已知的，陀螺仪36是往往保持其旋转轴线定向在固定方向上并因此使得能够测量相对于固定方向的定向角度的仪表。
因此，从由加速度计39和陀螺仪36作出的测量结果得到的信息的组合用于确定抓持件12在空间中的位置，如例如用图2的角度θ表示的，又用于计算角度随时间的变化以及角加速度
在本发明的优选实施例中，惯性平台放置在支承抓持件的缆索的固定头部上。
惯性平台的这种布置对惯性平台在滑轮11上的定位来说是优选的，因为滑轮11在缆索27上自由滑动并且抓持件12具有总是保持基本垂直定向的趋势。因此，滑轮上的加速度计会有测量比当其放置在缆索头部上时所测得的加速度小得多的加速度的趋势。
在任何情况下，来自惯性平台30的数据发送给控制单元40以允许控制设备确认必须提供给滑架20和桥架19的校正。这些校正接着通过操作相应驱动马达的变频器以移动滑架20和/或桥架19来触发，以便在比没有控制存在的情况下的时间更短的时间内将载荷的抓持件带到垂直位置或期望角度。
控制设备也可以与桥架和/或滑架的移动结合动作以将缆索的倾角保持在允许安全操作的小值内。
为了说明控制系统的功能，现参照图4，图4是根据仅考虑起重机的部件之一的水平移动的实例说明的系统的某些相关参数的示意图。
由于桥式起重机可以包括沿第一轴线的滑架20的移动以及沿垂直于第一轴线的第二轴线的由桥架19给定的另一移动，因此采用的所有想法都可以应用于两个轴线上。
因为，然而，这些轴线的运动因其由可独立于彼此操作的相应马达产生而彼此分离，为了简化，可以单独参照沿一条轴线，即在本实例中，图4 所示的X轴线的移动的情况，而沿第二轴线的移动图式化并可独立地且以完全类似的方式控制。
因此，桥式起重机的部件之一，其可以是滑架20或桥架19，作为实例在图4中示意性地示出，指示质量块M及其位置x，即质量块M的重心与固定参考点的距离。质量块M可沿轴线X移动。
重量m通过具有长度l的缆索或链条束缚于质量块M。重量m因此可以像单摆一样摆动并且因此可以以角度θ偏离垂直方向。
重量m因此表示起重机必须起吊的重量，其中，根据个别情况，重量可以由支承载荷的抓持件或未装载的抓持件的重量给定。系统的逻辑在两者情况下保持一样。
因此，为了建立图4所示的动态性能的模型，可以采用下列过程。
首先，图4的系统的拉格朗日函数L可以定义为：
L＝T—U
其中，如已知的，T是系统的动能，而U是其势能。
对于图4所示的系统，使用广义拉格朗日坐标系，可以写出下列方程：
以及
U＝mgl(1-cosθ)
其中，是沿轴线X的速度以及是具有长度l和重量m的摆的角速度。
在这种情况下，已经假设，缆索具有l的恒定长度以及可以被认为是不相关的重量。
在这种前提下，图4的系统的欧拉-拉格朗日方程可以写为，即：
其中b是代表摩擦力的参数，以及F是施加到系统的力。
经过计算，下列方程结果为：
将马达沿图4的轴线X移动质量块M的参考速度用作控制变量，并且，在速度控制是快速且正确的假设下，可以假设如下：
将控制动作定义为并且用条件线性化，得到由方程 (1)定义的动态模型，方程(1)代表控制动作u和定义重量m的位置、速度和加速度的动态参数之间的关系，即：
方程(1)：
参照图5，描述涉及本发明的控制系统的实施例的框图。
具体地说，在载荷抓持件将被带到垂直位置的假设下，即得到θref(t)＝0，在图5的块形图中，示出了控制器C(s)(框110)和桥式起重机操作员的可能输入(框100)。
控制器C(s)接收通过期望角度θref(t)与由惯性平台30测得的角度，即θm(t)之间的差异给定的角度误差θe作为输入。
控制器C(s)基于角度误差θe计算旨在减小或消除角度误差θe的设定给滑架的参考速度或期望速度Vref(t)。
控制系统还包括桥式起重机的操作员的最终输入的考虑(框100)，如果存在的话。参考速度或期望速度Vref(t)通过相关变频器控制的马达的作用转换成滑架的有效速度V(t)，该作用包括马达的内部机构并且用框120 的转移函数M(s)图示。在很多情况下，为了简单起见，可以假设M(s)～1。
滑架的有效速度V(t)又用作桥式起重机的动态模型(上述方程(1)) 的输入，该动态模型在输出中提供了由支承载荷抓持件的缆索假设的有效角度θ(t)。
这个角度可以通过惯性平台30测得，惯性平台返回待用于计算角度误差θe的新值的值θm(t)。
控制器C(s)可以是比例的，即C(s)＝Kp，其中，增益Kp将角度误差与用来操纵马达的参考速度Vref(t)相关联。
待应用的Kp的有效值取决于系统。一般地说，在高Kp的情况下，有摆动的快速减小，但付出了滑架的速度减小的成本，反之亦然。
此外，为了提高系统的性能，另一想法必须是缆索长度的变化，该想法可以通过增益调度比例控制器来考虑，在下文中更详细描述。
替代地，控制器C(s)可以是PI控制器，即比例积分控制器。
当载荷的抓持件所需的倾斜度不是垂直方向时，例如在整个桥式起重机在工作场地上从一个位置到另一位置的移动过程中，控制系统的功能完全一样。仅有差异将是设定不同期望倾斜度，即在该实例中θref(t)＝1°。
图6示出了使用惯性平台30进行的描述抓持件运动的参数的测量实例。
在这种情况下，第一测量可以通过加速度计39进行，加速度计39在所述情况下测量载荷沿轴线Y的加速度变化。同时，陀螺仪36可以测量载荷沿轴线X的姿态角变化。
测量结果可以通过已知滤波方法，例如使用扩展卡尔曼滤波器来组合，以便得到具有其代数符号的沿轴线Y的角度θ变化的测量结果。
为了改善控制系统的性能，控制器的增益Kp可以被认为也取决于载荷与滑架的距离l，如图7示意性所示。
在这种情况下，操作上可以使用增益调度比例控制器。
如已知的，增益调度控制方法涉及为待控制的系统的各功能点设计控制器。以这种的方式得到的参数可以接着以这样的方式插值处理，以便设计具有取决于各功能点的可变增益的控制器。
图7通过示例的方式示出了在导轨上移动的滑架20以及通过被认为具有微不足道的质量的缆索或链条连接到滑架的重量m的载荷。
增益调度控制所需的变量是：
在固定情况下(没有摆动)头部的吊钩与形成在滑架和载荷之间的轴线之间的距离d，
使用惯性平台估测的角度θ，其等于支承载荷的缆索的倾角。
以及范围hmax和hmin，在该范围内，重量m可以沿垂直轴线移动。
图8图示了比例控制器的功能。摆动角由惯性平台得到并用高通滤波器滤波以便消除连续分量，同时期望角是零，即，根本没有摆动。所得到的差异误差乘以取决于载荷的高度h的系数kp(h)，以便得到待发送给指令马达的变频器的速度校正。
从可变数据开始，载荷的高度被估测(被理解为与滑架的距离)，以便调度控制增益：
在这点上，h被估测并在h_max和h_min之间饱和，即，以这样的方式使得h总是包含在这些值之间。
从最初系统设定步骤开始，可以得到待应用于最大高度和最小高度的两个值Kp，即Kp_max和Kp_min。
在这点上，下列公式可以用于计算Kp的值：
这个解决方案使得能够在载荷经受例如通过提升机18的作用从降低位置传到升高位置的显著偏离的所有情况下操作。
最后，一般地说，通过将控制单元相对于起重装置定位在远程位置、与远程控制操作分开，装置可以与实时数据采集集成在一起，以便控制起吊操作的功能及其维护的计划。
如可想到的，本发明易受很多修改和变型影响，所有修改和变型都落入本发明想法的范围内。此外，所有细节都可以被其它技术上等效的元件替换。
Claims (12)
1.一种用于控制从能沿水平轴线移动的电动可滑动件悬吊的载荷的摆动的设备，所述设备包括控制单元和惯性平台(30)，所述惯性平台(30)能够检测支承所述载荷的缆索相对于垂直方向的倾角的代表值并设有用于将所述值通信到所述控制单元(40)的装置，其中，所述控制单元(40)设有测量并控制所述电动可滑动件的速度的装置，并能够处理代表所述缆索相对于所述垂直方向的所述倾角的所述值，以便计算并赋予控制动作以根据所述缆索相对于所述垂直方向的期望倾角动态地控制所述电动可滑动件的所述速度，以及其中，所述控制单元(40)包括增益调度比例控制器，所述增益调度比例控制器设有根据所述载荷与所述电动可滑动件的距离计算待应用于所述电动可滑动件的所述速度的所述控制的可变增益的装置，所述距离包含在最大值和最小值之间。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述惯性平台(30)能够检测在限定相应的电动可滑动件的滑动轴线的两个相互垂直摆动方向上的支承所述载荷的所述缆索(27)相对于所述垂直方向的所述倾角，并且所述控制单元能够以根据所述缆索(27)相对于所述垂直方向的期望倾角计算并赋予所述电动可滑动件的马达控制动作为目的来对所述值进行处理。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述控制单元(40)通过对所述电动可滑动件的每个马达(24)指令相应变频器(24')将所计算的控制动作赋予所述马达(24)，所述变频器(24')调节与其相关联的所述马达(24)的速度。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述惯性平台(30)包括加速度计(39)和陀螺仪(36)。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述惯性平台(30)位于支承载荷抓持件的所述缆索(27)的固定头部。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，远程处理单元能够与所述控制单元(40)关联。
7.一种用于通过电动可滑动件控制悬吊载荷的摆动的工序，其特征在于，包括下列步骤：
-监测支承所述载荷的缆索相对于垂直方向的倾角的代表值；
-确定监测到的倾角与期望倾角之间的差异，以便减小或消除所述差异；
-计算施加到所述电动可滑动件的马达(24)中的至少一个的控制动作；
-根据所述缆索(27)相对于垂直方向的期望倾角，将所述控制动作施加到所述电动可滑动件的所述马达(24)中的至少一个；
以及
-根据所述载荷与所述电动可滑动件的距离计算待应用于所述电动可滑动件的速度的控制的可变增益，所述距离包含在最大值和最小值之间，其中，所述计算通过增益调度比例控制器进行。
8.如权利要求7所述的工序，其特征在于，监测代表所述倾角的值的步骤使用惯性平台(30)进行。
9.如权利要求7所述的工序，其特征在于，计算待施加到所述电动可滑动件的所述马达(24)中的至少一个的所述控制动作的步骤根据数学模型进行，所述数学模型考虑了所监测到的倾角的所述代表值及其随时间的变化。
10.如权利要求7所述的工序，其特征在于，所述控制动作的计算步骤在考虑所述载荷与所述电动可滑动件的所述距离的变化的情况下进行。
11.如权利要求7所述的工序，其特征在于，对于所述电动可滑动件的每个马达(24)，控制动作的计算步骤和所计算出的施加步骤通过指令相应变频器(24')独立进行。
12.一种用于起重装置的控制装置，所述控制装置包括控制单元、存储器以及存储所述存储器中用于执行如权利要求7-11中任一项所述的工序的计算机程序。
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