CN106865416A - 一种桥式起重机行走过程中的自动防摆控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种桥式起重机行走过程中的自动防摆控制方法，该方法包括：将基于桥式起重机特性参数建立的防摆控制模型的控制信号输入起重机控制器，对桥式起重机行走过程中产生的负载摆动进行自动防摆。本发明使桥式起重机在行走过程中可以维持负载较小的摆动幅度，有效解决了桥式起重机行走过程中负载摆动幅度过大、影响生产运行的问题，该方法可以实现桥式起重机在电解车间的安全高效运行，降低了维护成本，提高了生产效率。

Description

一种桥式起重机行走过程中的自动防摆控制方法

技术领域

本发明涉及起重机行走安全控制技术领域，更具体地，涉及一种桥式起重机行走过程中的自动防摆控制方法。

背景技术

桥式起重机是一种典型的非线性、强耦合及欠驱动系统，主要包括桥架、起升装置、大车行车机构、小车架、小车行车机构、驾驶室及电气部分，桥架一般由一根或两根主梁以及两端的端梁组成，且铺设在固定的轨道上。桥式起重机具有负载能力强、操作灵活、节能显著等优点，已经被广泛地应用于多种现代化工业生产场所，比如工厂、车间、码头等，用来完成货物的运送与集成加工等任务，可以减轻人工体力劳动，起着节省人力、提高生产率和促进生产的作用。

桥式起重机的任务是实现货物的快速、准确、无大幅摆动点对点运送。然而，使用桥式起重机进行极板的运输工作时，台车的运动无疑会引起负载的摆动，这不仅会降低整体的效率，影响负载在落吊过程中的精确放置，还可能会使设备遭到破坏，极板之间相互碰撞发生危险，进而可能引发安全事故。因此为了保证货物的平稳运输，桥式起重机对于抑制摇摆有很高的要求。

在桥式起重机的实际运行中，主要期望目标有：其一是起重机的高效率运行和快速精准的定位：其二是在起重机运行过程中，负载的摆动尽可能的减小。一般在控制过程中，二者要求是相互制约的。在生产过程中，负载的摆动可能会造成安全隐患，所以为了抑制起重机负载的摆动，常常把起重机的速度限制在一定范围内，在一定程度上降低了生产效率，目前起重机在运行速度和负载摆动方面难以达到一个平衡。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的桥式起重机行走过程中的自动防摆控制方法，该方法解决了现有桥式起重机在运输过程中难以有效抑制负载摆动的问题，实现电解车间中的桥式起重机自动防摆控制。

根据本发明的技术方案，提供一种桥式起重机行走过程中的自动防摆控制方法，该方法包括：将基于桥式起重机特性参数建立的防摆控制模型的控制信号输入起重机控制器，对桥式起重机行走过程中产生的负载摆动进行自动防摆。

作为上述技术方案的进一步改进方案，上述方法进一步包括：

S1：基于桥式起重机的特性参数，建立起重机数学模型；

S2：根据起重机数学模型，利用反推法建立防摆控制模型；

S3：将防摆控制模型的控制信号输入起重机控制器，对桥式起重机行走过程中产生的负载摆动进行自动防摆。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述步骤S1中，分析桥式起重机的模型特性获得相关参数，再通过拉格朗日方程获得起重机的数学模型，其利用的拉格朗日方程普遍形式为：

其中，k＝1，2，…n，L为拉格朗日算子，T是质点系的动能，V是系统的势能，q_k是质点系的一组广义坐标，Q_k是质点系的广义惯性力。

作为上述技术方案的进一步改进方案，基于桥式起重机抽象出来的系统模型是一个欠驱动的系统，即控制输入数少于其自由度，模型较为复杂且为非线性，通过拉格朗日方程对起重机进行分析，其具体过程如下：

S11：依据起重机实际运行情况，建立桥式起重机的平面直角坐标系；

S12：依据建立的平面直角坐标系，分别得到起重机小车和负载的水平方向位移、竖直方向位移、水平速度和竖直速度；

小车在水平方向的位移为x_M＝x，那么水平速度为在垂直方向上的位移为y_M＝0，垂直速度也为负载在水平方向上的位移为x_m＝x+l sinθ，水平速度为负载在垂直方向上的位移为y_m＝l cosθ，垂直速度为

S13：基于水平速度和垂直速度，获得系统的动能方程和重力势能方程；系统的动能方程为系统的势能方程为V＝E_p；

S14：依据系统动能方程和重力势能方程，获得拉格朗日算子方程L＝T-V；

S15：分别以桥式起重机的小车位移、负载角度、负载绳长为广义坐标，并结合拉格朗日算子得到拉格朗日方程，从而得到起重机系统的防摆数学模型。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述步骤S2中，基于S1中所建立的起重机数学模型，运用反推法对桥式起重机进行防摆控制器设计，建立的防摆控制模型如下：

其中，g_i(z)、g₄(z)是关于z＝[z₁ z₂ z₃ z₄]的非线性函数，u是控制输入。

作为上述技术方案的进一步改进方案，本发明提供的桥式起重机自动消摆控制方法的基本思路是将复杂的系统分解成低阶的子系统，为每一个子系统设计李雅普诺夫函数和中间虚拟控制量，从而完成系统控制器的设计，它的具体步骤如下：

S21：根据反推法的基本思想，在进行控制器设计时，起重机系统结构满足严格反馈条件，因此，先将系统转化为满足严格反馈结构的系统，严格反馈结构为：

S22：将系统分解成低阶子系统，对子系统定义跟踪误差获得它的动态方程，依据动态方程设计得到虚拟控制器；

S23：基于李雅普诺夫稳定性定理，对子系统的虚拟控制器的稳定性进行验证；

S24：依据验证后的子系统虚拟控制器，得到总系统的控制输入。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述步骤S3中，借助传感器反馈起重机的实时信息，通过信号滤波后经桥式起重机控制器处理得到防摆控制输入。

基于上述技术方案，本发明提出的桥式起重机行走过程中的自动防摆控制方法，针对起重机运输负载过程，建立起重机的相关数学模型，采用非线性的反推控制法，获取起重机行走时的负载摆动角度和行走距离，通过对起重机建立数学模型来模拟实际运行的情况，经过分析处理，最终实现桥式起重机的自动防摆功能，运用此方法可以有效地解决桥式起重机在行走过程中负载出现过度摆动的问题，克服了现有起重机运行速度和负载摆动的控制难以达到平衡的情况，可以实现桥式起重机在电解车间的安全高效运行，降低维护成本，提高生产效率。

附图说明

图1是本发明实施例中的桥式起重机的自动防摆控制方法流程图；

图2是本发明实施例中的桥式起重机控制原理框图；

图3是本发明实施例中的桥式起重机行走运送极板的二维平面图；

图4是本发明实施例中防摆控制器控制输出曲线示意图；

图5是本发明实施例中在防摆控制器作用下位移变化曲线示意图；

图6是本发明实施例中在防摆控制器作用下角度变化曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例及其之间任意组合，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在根据本申请的一个实施例中，参考图1，提供一种桥式起重机行走过程中的自动防摆控制方法，该方法包括：将基于桥式起重机特性参数建立的防摆控制模型的控制信号输入起重机控制器，对桥式起重机行走过程中产生的负载摆动进行自动防摆。

在根据本申请的一个实施例中，上述方法进一步包括：

S1：基于桥式起重机的特性参数，建立起重机数学模型；

S2：根据起重机数学模型，利用反推法建立防摆控制模型；

S3：将防摆控制模型的控制信号输入起重机控制器，对桥式起重机行走过程中产生的负载摆动进行自动防摆。

在根据本申请的一个实施例中，所述步骤S1中，起重机在运行过程中，随着速度的变化，因为惯性的作用，负载极板会产生一定的摇摆，将摇摆角度定义为θ，同时在起重机运行过程中，通过两侧的激光测距仪以及起重机上的挡板可以实时获得当前的位移x。

通过对实例中的桥式起重机系统进行分析，获得起重机重量、起重机负载绳长以及负载重量范围等起重机相关信息。通过拉格朗日方程获得起重机的数学模型。其利用的拉格朗日方程普遍形式为：

其中，k＝1，2，…n，L为拉格朗日算子，T是质点系的动能，V是系统的势能，q_k是质点系的一组广义坐标，Q_k是质点系的广义惯性力。

在根据本申请的一个实施例中，基于桥式起重机抽象出来的系统模型是一个欠驱动的系统，即控制输入数少于其自由度，模型较为复杂且为非线性，通过拉格朗日方程对起重机进行分析，所述S1的具体过程如下：

S11：依据起重机实际运行情况，建立桥式起重机的平面直角坐标系。参考图3，为桥式起重机行走运送极板的二维平面图，以o点为原点，起重机的行走距离为x，θ代表负载摆角的大小，l代表吊绳的长度，一般情况下认为吊绳长度是不变的。

S12：依据建立的平面直角坐标系，分别得到起重机小车和负载的水平方向位移、竖直方向位移、水平速度和竖直速度。

小车在水平方向的位移为x_M＝x，那么水平速度为在垂直方向上的位移为y_M＝0，垂直速度也为负载在水平方向上的位移为x_m＝x+l sinθ，水平速度为负载在垂直方向上的位移为y_m＝l cosθ，垂直速度为

S13：基于水平速度和垂直速度，获得系统的动能方程和重力势能方程，系统的动能方程为

系统的势能方程为V＝E_p＝mg(h-l cosθ)。

S14：依据系统动能方程和重力势能方程，获得拉格朗日算子方程L＝T-V＝E_K-E_P。

S15：由系统的拉格朗日算子，可以获得以桥式起重机小车位移x为广义坐标的拉格朗日方程：

以负载摆角θ为广义坐标的拉格朗日方程：

以绳长l为广义坐标的拉格朗日方程：

由以上步骤，可获得起重机的防摆控制模型。

由于桥式起重机实际运行时，绳长是不变化的，所以有简化后的起重机模型为：

在根据本申请的一个实施例中，所述步骤S2中，基于所建立的起重机数学模型，运用反推法对桥式起重机进行防摆控制器设计，建立的防摆控制模型，如下：

其中，g_i(z)、g₄(z)是关于z＝[z₁ z₂ z₃ z₄]的非线性函数，u是控制输入。

在根据本申请的一个实施例中，桥式起重机自动消摆控制方法的基本思路是将复杂的系统分解成低阶的子系统，为每一个子系统设计李雅普诺夫函数和中间虚拟控制量，从而完成系统控制器的设计，具体控制器设计步骤如下：

S21：对于重写后的起重机模型，令x₁＝θ，x₃＝x，从而得到：

其中：

上式中，u是控制输入，f₁，f₂，b₁，b₂是非线性的函数，至此得到了起重机控制模型的微分方程表达形式。

将控制器转化为严格反馈形式，定义z₁＝x₁；z₃＝x₃；z₄＝x₄；可以得到严格反馈形式：

其中：

g_i(z)＝1 i＝1，2，3

g₄(z)＝b₂(x)。

S22：将上述系统分解成低阶子系统，定义跟踪误差为e₁＝z₁-z_1d。从而可以得到方程的虚拟控制器

进一步可以得到，

从而获得系统的控制输入

S23：为了保证控制器的控制效果，需要对控制器进行稳定性验证。一般选用合适的李雅普诺夫函数来进行稳定性判断，构造的函数为

S24：依据验证后的子系统虚拟控制器，得到总系统的控制输入。

在根据本申请的一个实施例中，所述步骤S3中，借助传感器反馈起重机的实时信息，通过信号滤波后经桥式起重机控制器处理得到防摆控制输入，从而达到桥式起重机在行走过程中自动防摆的目的。图2是本发明实施例中的桥式起重机控制原理框图。

利用本实施例进行防摆控制：桥式起重机小车重量2000kg，负载重量1000kg，负载绳长3m。设计得到的控制器控制输入曲线图如图4所示，将设计的防摆控制器运用到此起重机防摆实例上，在控制器作用下的位移、角度偏差曲线图如图5、图6所示。

从图5、图6可以看出，顺着时间的增加，起重机小车位移增加，同时对应的角度图中，在起重机启动阶段，因为惯性的作用，负载偏离角度较大，经过防摆控制器的作用后，角度逐渐趋于平稳。控制效果良好。运用此方法可以有效的坚决起重机运行过程中负载摆动过大的问题，改善了起重机运行的平稳性，提高了生产效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种桥式起重机行走过程中的自动防摆控制方法，其特征在于，包括：将基于桥式起重机特性参数建立的防摆控制模型的控制信号输入起重机控制器，对桥式起重机行走过程中产生的负载摆动进行自动防摆。

2.根据权利要求1所述的自动防摆控制方法，其特征在于，进一步包括：

S1：基于桥式起重机的特性参数，建立起重机数学模型；

S2：根据起重机数学模型，利用反推法建立防摆控制模型。

3.根据权利要求2所述的自动防摆控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，分析桥式起重机的模型特性获得相关参数，再通过拉格朗日方程获得起重机的数学模型。

4.根据权利要求3所述的自动防摆控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，包括：

S11：依据起重机实际运行情况，建立桥式起重机的平面直角坐标系；

S12：依据建立的平面直角坐标系，分别得到起重机小车和负载的水平方向位移、竖直方向位移、水平速度和竖直速度；

S13：基于水平速度和垂直速度，获得系统的动能方程和重力势能方程；

S14：依据系统动能方程和重力势能方程，获得拉格朗日算子方程；

S15：分别以桥式起重机的小车位移、负载角度、负载绳长为广义坐标，结合拉格朗日算子得到拉格朗日方程，得到起重机系统的防摆数学模型。

5.根据权利要求2所述的自动防摆控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，防摆控制模型为：

${\stackrel{\·}{z}}_i={\stackrel{\‾}{f}}_i\left(z\right)+g_i\left(z\right)z_{i+1},i=1,2,3$

${\stackrel{\·}{z}}_4={\stackrel{\‾}{f}}_4\left(z\right)+g_4\left(z\right)u,$

其中，g_i(z),g₄(z)是关于z＝[z₁ z₂ z₃ z₄]的非线性函数，u是控制输入。

6.根据权利要求5所述的自动防摆控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，包括：

S21：将系统转化为满足严格反馈结构的系统；

S22：将系统分解成低阶子系统，对子系统定义跟踪误差获得它的动态方程，依据动态方程得到虚拟控制器；

S23：基于李雅普诺夫稳定性定理，对子系统的虚拟控制器的稳定性进行验证；

S24：依据验证后的子系统虚拟控制器，得到总系统的控制输入。

7.根据权利要求1所述的自动防摆控制方法，其特征在于，进一步包括：借助传感器反馈起重机的实时信息，通过信号滤波后经桥式起重机控制器处理得到防摆控制输入。

8.根据权利要求3所述的自动防摆控制方法，其特征在于，拉格朗日方程普遍形式为：

$L(q,\stackrel{\·}{q})=T(q,\stackrel{\·}{q})-V(q,\stackrel{\·}{q})$

$\frac{d}{dt}\left(\frac{\∂L}{\∂{\stackrel{\·}{q}}_k}\right)-\frac{\∂L}{\∂q_k}-Q_k=0;$

其中，k＝1，2，…n，L为拉格朗日算子，T是质点系的动能，V是系统的势能，q_k是质点系的一组广义坐标，Q_k是质点系的广义惯性力。

9.根据权利要求4所述的自动防摆控制方法，其特征在于，所述步骤S12中，小车的水平方向位移为x_M＝x，水平速度为垂直方向位移为y_M＝0，垂直速度为负载的水平方向位移为x_m＝x+l sinθ，水平速度为负载的垂直方向位移为y_m＝l cosθ，垂直速度为

10.根据权利要求6所述的自动防摆控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，严格反馈结构为：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1=g_1\left(x_1\right)x_2+f_1\left(x_1\right)\\ {\stackrel{\·}{x}}_2=g_2\left(x_1,x_2\right)x_2+f_2\left(x_1,x_2\right)\\ \mathrm{...}\\ {\stackrel{\·}{x}}_n=g_n\left(x_1,\mathrm{...},x_n\right)u+f_n\left(x_1,\mathrm{...},x_n\right)\\ y=x_1\end{array}.$