CN106365043B - 桥式起重机半开环定速防摇控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于减少或防止载荷纵向或横向摆动的起重机领域，具体为一种桥式起重机半开环定速防摇控制方法。1.一种桥式起重机半开环定速防摇控制方法，根据桥式起重机的实际运行速度控制桥式起重机的吊钩摆角和角速度，其特征是：按如下步骤依次实施：a.测速；b.计算期望极点；c.控制。本发明成本低，控制方便，控制精度高。

Description

桥式起重机半开环定速防摇控制方法

技术领域

本发明涉及用于减少或防止载荷纵向或横向摆动的起重机领域，具体为一种桥式起重机半开环定速防摇控制方法。

背景技术

桥式起重机是横架在高空轨道上运行的一种起重机，也叫做天车，桥式起重机包括大车和小车，它能够沿着铺设在两侧高架上的轨道纵向运行同时小车可以沿着铺设在桥架上的轨道横向运行，这样就可以充分利用桥架下面的空间来吊运货物，在室内外仓库、厂房、码头、炼钢厂等场所应用广泛。可是，起重机在工作过程中，由于大车、小车的速度变化以及环境因素的影响，会使得吊钩晃动，在影响生产效率的同时造成了一定的安全隐患。由此可见，研究一套起重机防摇系统，实现吊具平稳装卸、起吊以及运送是一个极其具有实用性的课题，目前也已成为起重机制造商和研究机构密切关注的问题。一个好的防摇系统能起良好的减摇效果，极大的提高劳动生产率。合格的桥式起重机防摇技术能够保证大车、小车在整个运行过程中吊钩摇动的偏角始终在规定范围内。只有做到这一点，桥式起重机的工作效率才能够得到提升，在特殊工作环境下的安全性才能够得到保障。可见，对桥式起重机的防摇技术展开研究是十分有意义的。

防摇装置的形式主要分机械防摇和电子防摇。机械防摇主要是通过机械手段来消耗摆动能量以达到最终消除摇摆的目的，因此是一种被动防摇方式。目前的机械式防摇装置大多设置在港口的集装箱起重机上，对吊重起升或水平移动过程进行防摇控制，原理大多侧重于增加系统阻尼、利用多根钢丝绳辅助来达到防摇目的，主要形式有交叉钢丝绳减摇装置、分离小车式减摇装置和跷板梁式减摇装置。因此，机械式防摇方法往往具有非常复杂的机械结构，维修麻烦，不具泛用性和鲁棒性。此外，由于需要在起重机上附加机械装置，对起重机本身的结构、性能可能会带来不良影响，且机械装置本身也面临寿命、可靠性、维护等问题。电子防摇是一种主动防摇方式，它能将减摇和小车的运行控制结合起来考虑，不依赖于司机的操作经验。电子式防摇又分为开环和闭环两大类。闭环防摇系统的防摇效果较为可靠，鲁棒性好，但需要在起重机上安装检测诸多变量的传感器，需要许多外围设备辅助实现。此外，控制系统相对开环系统复杂得多，系统维护困难，成本高昂，目前应用于实际起重机的例子较少。开环防摇系统虽然成本低，但由于起重机的运行环境的不可测，诸多未考虑的因素会干扰大小车的实际运行，可靠性无法得到保障。此外，起重机操作员的操作往往是随机的，开环防摇技术面对随机操作造成的吊钩摇摆束手无策。同时，开环的方法很难考虑到精确定位的问题。

公开号为102502403A的中国发明专利申请，于2012年06月20日公开了一种“起重机防摇摆控制方法”，所述发明根据起重机作业的需要，操作器发给控制器有关小车的运行指令，控制器根据小车加和减速公式，计算出小车的运行速度，经变频器和小车驱动电机，控制小车的运行速度，实现起重机的防摇摆控制。所述发明得出的小车运行速度并不能与司机挂入速度档位匹配，不适应于人工操作的桥式起重机。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，提供一种成本低、控制方便、控制精度高的防摇方法，本发明公开了一种桥式起重机半开环定速防摇控制方法。

本发明通过如下技术方案达到发明目的：

一种桥式起重机半开环定速防摇控制方法，根据桥式起重机的实际运行速度控制桥式起重机的吊钩摆角和角速度，其特征是：按如下步骤依次实施：

a.测速：通过速度传感器测得桥式起重机的运行速度，进而计算中桥式起重机的加速时间t_a；

b.计算期望极点：期望极点由两个闭环主导极点和两个远极点组成，两个闭环主导极点μ_1,2由(i)式确定：

两个远极点μ_3,4由(ii)式确定：

(i)式和(ii)式中：i为虚数单位；ζ为阻尼比，取0.7～0.9；ω_n为自然频率，由(iii)式确定：

c.控制：根据两个闭环主导极点和两个远极点的数值，控制变频器，进而控制桥式起重机的电动机，在桥式起重机运行的同时控制吊钩的摆角和角速度，以抑制吊钩和吊重的摆动。

所述的桥式起重机半开环定速防摇控制方法，其特征是：步骤b在观测器中完成。

本发明是基于当前起重机多采用的人工操作方式的前提，设计的一种用于人工控制桥式起重机的半开环定速防摇控制方案。

本发明基于小车-吊重系统进行描述。由于桥式起重机的大车、小车运动对吊钩、吊重摇摆的影响具有独立性，因此本控制方案对小车吊重系统的防摇效果同样适用于大车吊重系统。本发明所采用的控制系统中，控制量为变频器输出频率。要求获取大车、小车位置信息，其一阶导数即为小车运行速度；无需获取吊重摆角、角速度信息，只需使用观测器进行估计。因此，本发明中的控制策略实际上为半开环。

首先，本发明给出了防摇控制整体方案，整体方案具体描述如下：

人工操作的桥式起重机大、小车是根据司机将控制器手柄挂入某一速度档位运行的，将速度档位对应的目标速度作为系统输入。控制目标在于实现桥式起重机大、小车的定速和吊钩的防摇，将其运行速度和吊重摆角作为系统输出。为了避免对较难获得的吊重摆角、角速度进行检测，采用状态观测器对状态变量进行估计。控制器为插入变频器的防摇卡，控制变频器的输出频率，实现对大、小车的精确定速，抑制吊重摆动。

其次，本发明给出了防摇控制策略的确定方法。防摇控制策略按如下步骤确定：

第一步，建立桥式起重机数学模型；

第二步，选取状态变量，将系统模型在状态空间中描述；

第三步，设计观测器；

第四步，求取状态反馈增益。

控制策略具体描述如下：

1.建立桥式起重机数学模型。大车、小车的运行速度由变频调速系统控制，控制量应为变频器的输出频率。由于不关注小车的位置，因此，小车吊重系统为三阶。控制系统不检测吊重摆角、角速度，因此，需要设置状态观测器，以估计状态量。

根据小车-吊重系统模型，可以通过合理的简化方法得到小车(或大车)-吊重系统的运动学方程为

式中：

M——小车(或大车)质量；

m——吊重质量；

v——小车(或大车)速度；

——小车(或大车)加速度；

D_x——摩擦系数；

l——钢丝绳长；

θ——吊重摆角；

——吊重摆角加速度；

F——小车(或大车)牵引力；

g——重力加速度。

人工操作的桥式起重机一般由变频器和交流异步电动机驱动。考虑到变频器和交流异步电动机的调速特性与直流电动机相似，可以得出变频器输出频率与小车(或大车)牵引力的关系为

式中：

K_a,K_b,K_c——与桥式起重机变频调速系统有关的结构参数；

v——小车速度；

——小车加速度；

F——小车牵引力；

f——变频器输出频率。

2.将系统在状态空间中描述。结合式(1)和式(2)，可知系统为三阶，取小车速度v、吊重摆角θ、角速度为状态变量，使用状态反馈进行定速和防摇控制。取可控量变频器输出频率f＝u为输入，并令x₁＝v,x₂＝θ,则可得到系统的状态方程和输出方程为

y＝Cx.——(3)

式中：

3.设计观测器。此系统对于小车速度x₁为0型，为了提升系统的稳态性能，应该在速度纠偏通道中插入一个积分器。由此可构建如图3所示的控制器框图。

观测器的系统矩阵输入矩阵和输出矩阵取实际系统的系统矩阵、输入矩阵和输出矩阵，即观测器输入为变频器输出频率，观测器的输出与实际系统输出的差值通过观测器矩阵G反馈。观测器矩阵G可以通过极点配置的方法确定。可以证明，矩阵的极点应为所期望的极点。

4.求取状态反馈增益。对各结构参数已知的桥式起重机，系统矩阵A和输入矩阵B就是确定的。反馈矩阵K以及积分器增益常数k可以采用极点配置的方法确定。由控制系统可得：

y₁＝C₁x,

u＝-Kx+kξ,

记可以证明，当不考虑观测器的跟踪误差时，矩阵的极点应为所期望的闭环极点。为了使设计的系统获得适当的响应速度和阻尼，可以取合适的阻尼比ζ。系统的自然频率ω_n由小车的加速时间t_a确定。系统输出的上升时间接近于小车的加速时间，可查询起重机设计手册得到小车的加速时间。由

可以确定系统自然频率。事实上，变频器频率加速时间受限，且电动机输出扭矩也不能超过最大值，所取的系统自然频率应略小于式(5)的计算结果。闭环主导极点由

确定，j为虚数符号。综合变频器频率加速时间、电动机最大扭矩的限制以及系统输出的稳定性，远极点绝对值可取为10倍闭环主导极点幅值，即

解

可确定反馈矩阵K以及积分器增益常数k。

根据公式(4)编程，将控制策略编入防摇卡，插入变频器，便可以实现在精确控制人工操作的桥式起重机大、小车运行速度的同时抑制吊钩和吊重的摆动。

本发明的意义在于：

设计了一种应用于桥式起重机的定速防摇控制方案，只需检测大、小车运行速度，无需检测吊钩摆角，是一种半开环控制。因此，本方案相比于闭环控制成本大大降低，相比于开环控制更可靠。此外，本方案是定速控制，更适用于人工操作的桥式起重机的防摇控制。

附图说明

图1为防摇控制整体方案；

图2为小车吊重系统简化的物理模型示意图；

图3为控制系统框图。

具体实施方式

以下通过具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

一种桥式起重机半开环定速防摇控制方法，根据桥式起重机的实际运行速度控制桥式起重机的吊钩摆角和角速度，按如下步骤依次实施：

a.测速：通过速度传感器测得桥式起重机的运行速度，进而计算中桥式起重机的加速时间t_a；

b.计算期望极点：期望极点由两个闭环主导极点和两个远极点组成，两个闭环主导极点μ_1,2由(i)式确定：

两个远极点μ_3,4由(ii)式确定：

(i)式和(ii)式中：i为虚数单位；ζ为阻尼比，取0.7～0.9；ω_n为自然频率，由(iii)式确定：

c.控制：根据两个闭环主导极点和两个远极点的数值，控制变频器，进而控制桥式起重机的电动机，在桥式起重机运行的同时控制吊钩的摆角和角速度，以抑制吊钩和吊重的摆动。

本实施例中：步骤b在观测器中完成。

现以应用于人工操作的32t桥式起重机的防摇控制为例作具体说明。

本实施例的关键点在于针对人工操作的桥式起重机设计了半开环的定速防摇控制方案，给出了控制策略的确定方法。应当说明，由于桥式起重机大车、小车运动对吊重摇摆的影响具有独立性，因此，本实施例在描述中以小车-吊重系统为例，其结论可推广至大车-吊重系统。整体控制方案如图1所示。司机挂入某一速度档位时，即相当于给定了小车的目标速度。此目标速度作为系统输入，经过控制器，通过变频调速，使小车达到目标速度，同时吊重不摇摆，即吊重的摆角、角速度都为零。

针对整体方案，本实施例给出了如下控制策略确定步骤：

第一步，建立桥式起重机数学模型；

第二步，选取状态变量，将系统模型在状态空间中描述；

第三步，设计观测器；

第四步，求取状态反馈增益。

1.建立目标桥式起重机的数学模型，并在状态空间中描述。

2.取小车速度v、吊重摆角θ、角速度为状态变量，取可控量变频器输出频率f＝u为输入，并令x₁＝v,x₂＝θ,则可得到系统的状态方程和输出方程为

y＝Cx.——(3)

其中

式中

K_a,K_b,K_c——与桥式起重机变频调速系统有关的结构参数；

M——小车(或大车)质量；

m——吊重质量；

D_x——摩擦系数；

l——钢丝绳长；

g——重力加速度。

3.设计观测器。此系统对于小车速度x₁为0型，为了提升系统的稳态性能，应该在速度纠偏通道中插入一个积分器。由此可构建如图3所示的控制器框图。

图3中，观测器的系统矩阵输入矩阵和输出矩阵取实际系统的系统矩阵、输入矩阵和输出矩阵，即观测器输入为变频器输出频率，观测器的输出与实际系统输出的差值通过观测器矩阵G反馈。观测器矩阵G可以通过极点配置的方法确定。可以证明，矩阵的极点应为所期望的极点。

4.求取状态反馈增益。对各结构参数已知的桥式起重机，系统矩阵A和输入矩阵B就是确定的。反馈矩阵K以及积分器增益常数k可以采用极点配置的方法确定。由图3可得

y₁＝C₁x,

u＝-Kx+kξ,

记可以证明，当不考虑观测器的跟踪误差时，矩阵的极点应为所期望的闭环极点。为了使设计的系统获得适当的响应速度和阻尼，可以取合适的阻尼比ζ。系统的自然频率ω_n由小车的加速时间t_a确定。系统输出的上升时间接近于小车的加速时间，可查询起重机设计手册得到小车的加速时间。由

可以确定系统自然频率。事实上，变频器频率加速时间受限，且电动机输出扭矩也不能超过最大值，所取的系统自然频率应略小于式(5)的计算结果。闭环主导极点由

确定，j为虚数符号。综合变频器频率加速时间、电动机最大扭矩的限制以及系统输出的稳定性，远极点绝对值可取为10倍闭环主导极点幅值，即

解

可确定反馈矩阵K以及积分器增益常数k。

安装公式4编写算法，制作成防摇卡，插入变频器即可进行防摇控制。

Claims (1)

1.一种桥式起重机半开环定速防摇控制方法，其特征是：

首先，给出了防摇控制方法如下：人工操作的桥式起重机大、小车是根据司机将控制器手柄挂入某一速度档位运行的，将速度档位对应的目标速度作为系统输入；控制目标在于实现桥式起重机大、小车的定速和吊钩的防摇，将其运行速度和吊重摆角作为系统输出；为了避免对较难获得的吊重摆角、角速度进行检测，采用状态观测器对状态变量进行估计；控制器为插入变频器的防摇卡，控制变频器的输出频率，实现对大、小车的精确定速，抑制吊重摆动；

其次，给出了防摇控制策略的确定方法：

第一步，建立桥式起重机数学模型；

大车、小车的运行速度由变频调速系统控制，控制量应为变频器的输出频率；根据小车-吊重系统模型，得到小车或大车-吊重系统的运动学方程为

式中：

M——小车或大车质量；

m——吊重质量；

v——小车或大车速度；

——小车或大车加速度；

D_x——摩擦系数；

l——钢丝绳长；

θ——吊重摆角；

——吊重摆角加速度；

F——小车或大车牵引力；

g——重力加速度；

得出变频器输出频率与小车或大车牵引力的关系为

式中：

K_a,K_b,K_c——与桥式起重机变频调速系统有关的结构参数；

v——小车速度；

——小车加速度；

F——小车牵引力；

f——变频器输出频率；

第二步，选取状态变量，将系统模型在状态空间中描述：

结合式(1)和式(2)，取小车速度v、吊重摆角θ、角速度为状态变量，使用状态反馈进行定速和防摇控制；取可控量变频器输出频率f＝u为输入，并令x₁＝v,x₂＝θ,则得到系统的状态方程和输出方程为

y＝Cx.——(3)

式中：

第三步，设计观测器:

此系统对于小车速度x₁为0型，为了提升系统的稳态性能，在速度纠偏通道中插入一个积分器；

观测器的系统矩阵输入矩阵和输出矩阵取实际系统的系统矩阵、输入矩阵和输出矩阵，即观测器输入为变频器输出频率，观测器的输出与实际系统输出的差值通过观测器矩阵G反馈；观测器矩阵G通过极点配置的方法确定；矩阵的极点应为所期望的极点；

第四步，求取状态反馈增益:

对各结构参数已知的桥式起重机，系统矩阵A和输入矩阵B就是确定的；反馈矩阵K以及积分器增益常数k采用极点配置的方法确定,由控制系统可得：

y₁＝C₁x,

u＝-Kx+kξ,

记C₁＝[1 0 0]

当不考虑观测器的跟踪误差时，矩阵的极点应为所期望的闭环极点；系统的自然频率ω_n由小车的加速时间t_a确定；系统输出的上升时间接近于小车的加速时间，可查询起重机设计手册得到小车的加速时间；由

确定系统自然频率，所取的系统自然频率应略小于式(5)的计算结果；闭环主导极点由

确定，j为虚数符号；综合变频器频率加速时间、电动机最大扭矩的限制以及系统输出的稳定性，远极点绝对值可取为10倍闭环主导极点幅值，即

解

确定反馈矩阵K以及积分器增益常数k；

根据公式(4)编程，将控制策略编入防摇卡，插入变频器，实现在精确控制人工操作的桥式起重机大、小车运行速度的同时抑制吊钩和吊重的摆动。