CN108275571A - 一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统及其方法 - Google Patents

一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于输入整形法的起重机防摇控制系统及其方法，包括控制系统、角度测量装置和位置测量装置；所述角度测量装置测量吊载摆动角度并传输至控制系统；所述位置测量装置在所述小车运行过程中实时测量所述小车位置信号，并将小车位置信号反馈至所述控制系统；所述控制系统将吊载摆动角度与小车位置信号进行输入整形前馈处理，将处理后的信号传输至起重机的小车，用来控制起重机中小车的运行，实现起重机防摇控制。本发明创造性的结合了输入整形法与小车精确定位，高效精确的控制小车吊载高速运行，有效抑制起重机吊载摆动，且鲁棒性高，精确驱动小车到达指定目标位置。

Description

一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统及其方法
技术领域
本发明涉及防摇控制的技术领域，尤其是一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统及其方法。
背景技术
随着经济贸易全球化的发展，集装箱运输迅速增长，集装箱船舶尺度相应地增大，集装箱起重机向大型化发展，起重机行走小车的运行速度及集装箱的起升高度也相应提高。由于悬吊钢丝绳的长度增大，钢丝绳在垂直和水平2个方向的速度提高，司机视距的不断加大，跟钩操作越来越困难，使得在消除集装箱摆动和迅速正确对箱(吊具与集装箱对箱，起吊的集装箱与底盘车、AGV小车、堆场或船舱对箱)环节上花费越来越多的时间，极大地影响了生产效率和装卸速度。如何稳定吊具、平稳操作成为共同关注的问题，能够有效提高集装箱起重机作业的“防摇”技术也得到了各起重机制造厂家和研究机构的重点关注和研究。现阶段集装箱起重机的吊具及集装箱系统采用防摇技术包括：机械方式和电子方式。
机械式防摇是通过机械手段消耗摆动的能量以达到最终消除摇摆的目的，或通过增加悬挂系统刚性抑制摇摆，现有的机械式防摇方式主要是通过钢丝绳缠绕系统的不同设计达到抑制摇摆的目的；但是机械式防摇装置存在机构复杂、可靠性差、维修保养工作量大等缺点，同时，在起升钢丝绳较长的情况下防摇效果很不理想。而且，机械式防摇手段在满载时防摇效果比较明显，但在空载时，摆幅衰减较慢，反应迟钝。
电子式防摇又分为传统电子式防摇与现代电子式防摇，传统电子式防摇方法通常采用PLC实现“闭环PID控制”，“闭环PID控制”是通过各种传感器和检测元件将检测到的信息(如摆角、角速度等)传送至控制系统的微机，经微机内部控制软件处理后将最佳的控制参数(如PD/PID控制参数)提供给小车调速系统来控制小车的运行，从而减少吊具及载荷的摆动幅度。传统电子式防摇通常能有效地控制摇摆，但港口经常有风浪影响，常规的PD控制往往难以奏效，在实际应用中常出现小车速度调整太频繁，在有人驾驶的情况下，司机室会随着电子防摇系统的作用，到达目标位置后，来回地晃动，出现司机感到不舒服的现象。
现代电子式防摇主要包括“模糊逻辑控制”、“模糊逻辑控制”的改进方法“基于自适应的模糊神经网络控制方法”、“滤波控制”和“输入整形法”，现代电子式防摇方法克服了传统电子式防摇方法的问题，但是单纯的模糊控制必须具备较完善的控制规则和系统自学习能力，而将神经网络与模糊控制技术的结合又需要前期进行大量的神经网络训练。Ziyad等人在2006年发表的《A Graphical Approach to Input-Shaping ControlDesign forContainer Cranes With Hoist》分别采用输入整形法和数字滤波器对桥式起重机进行控制，证明了输入整形法在抑制桥式起重机吊载摆动上比数字滤波器响应更快，但是现有的输入整形法大多以小车的加速度作为输入信号输入整形控制器，对起重机运行进行控制，在吊臂加速完成时实现吊重残余摆动为0，实现消摆防摇。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，克服现有起重机在有人驾驶的情况下，由于司机室会随着电子防摇系统的作用，到达目标位置后，来回地晃动，导致司机很不舒适的问题，提供一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统及其方法，在抑制起重机摇摆的同时，控制小车精确定位。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统，包括控制系统、角度测量装置和位置测量装置；
所述角度测量装置包括第一角度测量装置；所述第一角度测量装置测量所述小车运行方向吊载摆动角度得到第一角度信号，将第一角度信号传输至控制系统；
所述位置测量装置在所述小车运行过程中实时测量所述小车位置信号，并将小车位置信号反馈至所述控制系统；
所述控制系统将第一角度信号与小车位置信号进行输入整形前馈处理，将处理后的信号传输至起重机的小车，用来控制起重机中小车的运行，实现起重机防摇控制。
优选的，所述控制系统采用PLC控制。
优选的，所述第一角度测量装置包括角度传感器、磁性轴套、耐磨管、卷筒、支架、轴承，所述角度传感器穿在起升钢丝绳上，所述角度传感器的上端铰接在小车架底部，所述耐磨管套接于起重机的钢丝绳上，所述耐磨管与长轴固定连接，长轴端部安装磁性套轴，所述磁性套轴的位置与所述角度传感器位置相配合，所述磁性套轴将钢丝绳摆动的角度实时传递至所述角度传感器测量得到第一角度信号。
优选的，所述角度测量装置包括第二角度测量装置，所述第二角度测量装置测量大车运行方向吊载摆动角度得到第二角度信号，将第二角度信号传输至控制系统。
优选的，所述第二角度测量装置设置于所述第一角度测量装置的垂直方向。
优选的，所述位置测量装置采用线性编码器，所述线性编码器包括读取头与磁尺，所述读取头安装在小车车架中部，所述磁尺设置于龙门架主梁上，在小车运行过程中，读取头实时读取小车位置信号，并且将小车位置信号传输至控制系统。
一种基于输入整形法的起重机防摇控制方法，包括以下步骤：
(1)将小车的初始位置归零；
(2)在小车运行过程中，通过第一角度测量装置实时检测吊载摆动角度得到第一角度信号α，并将第一角度信号α传输至所述控制系统；
(3)在小车运行过程中，通过所述位置测量装置实时获取小车位置信号x，并将小车位置信号x传输至所述控制系统；
(4)在小车运行控制系统中植入输入整形模块，控制系统对步骤(2)及步骤(3)中获取的第一角度信号α与小车位置信号x进行计算得到吊载位置信号作为输入整形模块的输入信号，根据输入整形模块整形后的输出结果对小车的运行位置进行实时控制。
优选的，所述步骤(4)中的吊载位置包括吊载的水平位移与吊载的竖直位移。
优选的，所述步骤(4)中吊载的水平位移为小车位置信号与钢丝绳长度与第一角度信号α的正弦值乘积之和；所述吊载的竖直位移为钢丝绳长度与第一角度信号α的余弦值的相反数。
优选的，所述输入整形模块内部采用智能的第二输入指令产生新的振荡与所述输入整形模块的输入信号进行合成，得到整形后的吊载位置信号作为所述输入整形模块的输出信号，在所述控制系统内将所述输入整形模块的输出信号计算为小车位置的控制信号对小车的运行位置进行实时控制。
本发明的有益效果是：
本发明在基于输入整形法抑制起重机吊载摆动的基础上，控制小车精确定位，输入整形法是一种有效的振荡衰减方法，但是输入整形法不能单独使用来驱动小车到达指定目标位置，本发明创造性的结合了输入整形法与小车精确定位，高效精确的控制小车吊载高速运行，有效抑制起重机吊载摆动，且鲁棒性高，精确驱动小车到达指定目标位置。
附图说明
图1是本发明的第一角度测量装置的结构示意图；
图2是本发明的位置测量装置的结构示意图；
图3是现有技术中小车运行过程中吊载的摆动角度示意图；
图4是本发明中输入整形法原理示意图；
图5是本发明中实施例1的仿真模型框图；
图6是本发明中实施例1的仿真结果示意图；
其中，1-角度传感器，2-磁性轴套，3-耐磨管，4-钢丝绳卷筒，5-支架，6-轴承，7-钢丝绳，8-读取头，9-读取头零位标记，10-磁尺测量单元，11-磁尺测量单元零位标记，12-模拟振动，13-第二输入振动，14-合成振动。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统，包括控制系统、角度测量装置和位置测量装置；
所述角度测量装置包括第一角度测量装置；所述第一角度测量装置测量所述小车运行方向吊载摆动角度得到第一角度信号，将第一角度信号传输至控制系统；
所述位置测量装置在所述小车运行过程中实时测量所述小车位置信号，并将小车位置信号反馈至所述控制系统；
所述控制系统将第一角度信号与小车位置信号进行输入整形前馈处理，将处理后的信号传输至起重机的小车，用来控制起重机中小车的运行，实现起重机防摇控制。
在本实施例中，所述控制系统采用PLC控制。但本发明的控制系统不限制于PLC控制。
如图1所示的本发明的第一角度测量装置，所述第一角度测量装置包括角度传感器1、磁性轴套2、耐磨管3、卷筒4、支架5、轴承6，所述角度传感器1穿在起升钢丝绳上，所述角度传感器1的上端铰接在小车架底部，所述耐磨管3套接于起重机的钢丝绳7上，所述耐磨管3与长轴固定连接，长轴端部通过轴承6安装磁性套轴2，所述磁性套轴2的位置与所述角度传感器1位置相配合，所述磁性套轴2将钢丝绳7摆动的角度实时传递至所述角度传感器1中测量得到第一角度信号。在本实施例中，角度传感器1采用非接触式磁阻角度传感器，所述非接触式磁阻角度传感器通过连接支架5固定于在小车架底部，所述磁性套轴2通过单键连接在长轴上，所述耐磨管3采用高分子耐磨管，所述高分子耐磨管穿在钢丝绳7上，所述高分子耐磨管固定连接长轴，长轴端部安装有磁性套轴2。
第一角度测量装置的测量原理：套接于起重机的钢丝绳7上的所述耐磨管3跟随钢丝绳7摆动，实时感知钢丝绳7摆动的角度，耐磨管3上固定连接长轴，长轴端部通过轴承6安装磁性套轴2，所述磁性轴套2将钢丝绳7摆动角度信息实时地传递给所述非接触式磁阻角度传感器1，所述非接触式磁阻角度传感器1检测到钢丝绳7摆动角度得到第一角度信号，将所述第一角度信号传输至控制系统。
如图2所示的本发明的位置测量装置的结构示意图，所述位置测量装置采用线性编码器，所述线性编码器包括读取头8与磁尺测量单元10，所述读取头8安装在小车车架中部，所述磁尺测量单元10设置于龙门架主梁上。在小车运行过程中，读取头实时读取小车位置信号，并且将小车位置信号传输至控制系统。
所述位置测量装置测量误差±10mm，小车运行速度可达6.6m/s，位置读取时间1.1ms。
在现有技术的实际应用中，起重机的小车通常在梯形速度曲线控制模式下运行，相应地，其加速度就是方波单脉冲信号，因为加速度信号与系统自然频率有相同的谐波成分，所以，在小车的运行过程中，小车加、减速过程后吊载的摇摆响应角如图3所示，图3中的第一幅图为小车运行过程中的速度示意图，图3中的第二幅图为小车运行过程中的加速度示意图，图3中的第三幅图为小车运行过程中吊载摇摆角度的示意图，从图3中的第三幅图可以看出，在现有技术中随着小车的运行的起重机吊载摇摆明显，这显然将对起重机操作不利。
一种基于输入整形法的起重机防摇控制方法，包括以下步骤：
(1)将小车的初始位置归零；
(2)在小车运行过程中，通过第一角度测量装置实时检测吊载摆动角度得到第一角度信号α，并将第一角度信号α传输至所述控制系统；
(3)在小车运行过程中，通过所述位置测量装置实时获取小车位置信号x，并将小车位置信号x传输至所述控制系统；
(4)在小车运行控制系统中植入输入整形模块，控制系统对步骤(2)及步骤(3)中获取的第一角度信号α与小车位置信号x进行计算得到吊载位置信号作为输入整形模块的输入信号，根据输入整形模块整形后的输出结果对小车的运行位置进行实时控制。
所述步骤(1)中，在小车的初始位置处，所述读取头8的读取头零位标记9与磁尺测量单元10的磁尺测量单元零位标记11相对应。
所述步骤(4)中的吊载位置包括吊载的水平位移xm与吊载的竖直位移ym。
所述步骤(4)中吊载的水平位移xm为小车位置信号x与钢丝绳长度L与第一角度信号α的正弦值sin(α)乘积之和；
所述步骤(4)中所述吊载的竖直位移ym为钢丝绳长度L与第一角度信号α的余弦值cos(α)的相反数。在所述控制系统中，基于接收到的第一角度信号α与小车位置信号x对起重机的小车运行进行数学建模：
xm＝x+L*sin(α)
ym＝-L*cos(α)
其中，x为小车位移，xm为吊载水平位移，ym为吊载竖直位移，L为钢丝绳长度，α为钢丝绳摆角。
输入整形法是一种前馈开环控制方法。它采用一种预期输入控制信号来改善系统运行，产生防摇效果，系统输出没有反馈。在本实施例中对于集装箱龙门起重机仿真模拟中，对于脉冲或阶跃输入指令，采用轻度阻尼系统模拟振动。
如图4所示，真实的输入整形使用一种智能的第二输入指令产生新的振荡。模拟振动12被第二输入振动13补偿到合成振动14。模拟振动12和第二输入振动13都是由脉冲产生(如柱形描述)。
在小车高速运行的控制中，为了高效、精确运行，不仅需要抑制摇摆，也要控制小车精确定位。输入整形是一种有用的振荡衰减方法。但是，输入整形不能单独使用来驱动小车到达指定目标位置。
所述步骤(4)中所述输入整形模块内部采用智能的第二输入指令产生新的振荡与所述输入整形模块的输入信号进行合成，得到整形后的吊载位置信号作为所述输入整形模块的输出信号，在所述控制系统内将所述输入整形模块的输出信号计算为小车位置的控制信号对小车的运行位置进行实时控制。
如图5所示，在Matlab/simulink软件平台上，建立仿真模型(1:45)，具体参数也是经过1:45比例模型作相应换算并输入。其中，包含了封装的输入整形模块。将步骤(2)获取的吊载摆动的第一角度信号α与步骤(3)获取的小车位置信号x(这里设置为X_PID)计算得到吊载位置信号Y_PID作为输入信号输入至输入整形封装模块IS_FCN，输入整形封装模块IS_FCN计算得到新的吊载位置Y_SHAPED，控制系统根据新的吊载位置Y_SHAPED计算出小车位置X，钢丝绳摆角Alpha以及吊载位置Y，控制小车的运行。步骤(2)中获取的小车位置信号X_PID与通过输入整形封装模块IS_FCN后反馈的小车位置信号X之和通过输入整形模块。
在这个输入整形仿真过程中，输入整形封装模块IS_FCN采用一种简单的双脉冲设计方法，脉冲值都是0.5，时间分别是t1＝0和t2＝T/4(T为载荷摇摆周期)，对输入整形控制的性能，最重要的参数是系统的周期T，它又依赖于绳长L，设定绳长为L0＝5m，Matlab仿真结果如图6所示，图6中的第一幅图为小车运行过程中的小车位置的曲线示意图，图6中的第二幅图为小车运行过程中的吊载摆动角度的曲线示意图，图6中的第三幅图为小车运行过程中吊载位置的曲线示意图，图6中的第一幅图、第二幅图与第三幅图中均包括两条曲线，两条曲线分别代表：不基于输入整形法的起重机防摇控制系统响应的曲线，以及基于输入整形法的起重机防摇控制系统响应的曲线。
如图6中的第一幅图所示，由于输入整形法分为两步控制信号，有基于输入整形法的起重机防摇控制系统中的小车到达终点位置要迟于没有输入整形的系统中的小车。但是，基于图6中第二幅图与第三幅图所示，没有基于输入整形法的起重机防摇控制系统的小车到达终点位置早，但是由于大的晃动超出了误差限制，而基于输入整形法的起重机防摇控制系统的小车虽然到达期望位置较晚，但是它可以限制晃动并保持在误差范围内。
实施例2：
在实施例1中的一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统仅设置测量吊载在小车运行方向摆动角度的第一角度测量装置的基础上，进一步的，在与小车运行方向的垂直的方向上设置一套角度测量装置用于测量大车运行方向上吊载的摆动角度。设置第二角度测量装置，所述第二角度测量装置测量大车运行方向吊载摆动角度得到第二角度信号，将第二角度信号传输至控制系统。所述第二角度测量装置设置于所述第一角度测量装置的垂直方向。
所述第二角度测量装置包括第二角度传感器、第二磁性轴套、第二耐磨管、第二卷筒、第二支架、第二轴承，所述第二角度传感器穿在起升钢丝绳上，所述第二角度传感器的上端铰接在小车架底部，所述第二耐磨管套接于起重机的钢丝绳上，所述第二耐磨管与长轴固定连接，长轴端部通过第二轴承安装第二磁性套轴，所述第二磁性套轴的位置与所述第二角度传感器位置相配合，所述第二磁性套轴将钢丝绳摆动的角度实时传递至所述第二角度传感器测量得到第二角度信号。
本实施例2中的所述第二角度测量装置中的所述第二耐磨管、第二卷筒、第二支架可与所述第一角度测量装置中的所述耐磨管、卷筒、支架共用，在此基础上在所述第一角度测量装置的角度传感器、磁性轴套垂直方向上设置第二角度传感器、第二磁性轴套用于测量大车运行方向吊载摆动角度。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统，其特征是：
包括控制系统、角度测量装置和位置测量装置；
所述角度测量装置包括第一角度测量装置；所述第一角度测量装置测量所述小车运行方向吊载摆动角度得到第一角度信号，将第一角度信号传输至控制系统；
所述位置测量装置在所述小车运行过程中实时测量所述小车位置信号，并将小车位置信号反馈至所述控制系统；
所述控制系统将第一角度信号与小车位置信号进行输入整形前馈处理，将处理后的信号传输至起重机的小车，用来控制起重机中小车的运行，实现起重机防摇控制。
2.如权利要求1所述的一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统，其特征是：所述控制系统采用PLC控制。
3.如权利要求1所述的一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统，其特征是：所述第一角度测量装置包括角度传感器、磁性轴套、耐磨管、卷筒、支架、轴承，所述角度传感器穿在起升钢丝绳上，所述角度传感器的上端铰接在小车架底部，所述耐磨管套接于起重机的钢丝绳上，所述耐磨管与长轴固定连接，长轴端部安装磁性套轴，所述磁性套轴的位置与所述角度传感器位置相配合，所述磁性套轴将钢丝绳摆动的角度实时传递至所述角度传感器测量得到第一角度信号。
4.如权利要求1所述的一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统，其特征是：所述角度测量装置包括第二角度测量装置，所述第二角度测量装置测量大车运行方向吊载摆动角度得到第二角度信号，将第二角度信号传输至控制系统。
5.如权利要求4所述的一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统，其特征是：所述第二角度测量装置设置于所述第一角度测量装置的垂直方向。
6.如权利要求1所述的一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统，其特征是：所述位置测量装置采用线性编码器，所述线性编码器包括读取头与磁尺，所述读取头安装在小车车架中部，所述磁尺设置于龙门架主梁上，在小车运行过程中，读取头实时读取小车位置信号，并且将小车位置信号传输至控制系统。
7.如权利要求1-6任一所述的一种基于输入整形法的起重机防摇控制系统的控制方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)将小车的初始位置归零；
(2)在小车运行过程中，通过第一角度测量装置实时检测吊载摆动角度得到第一角度信号α，并将第一角度信号α传输至所述控制系统；
(3)在小车运行过程中，通过所述位置测量装置实时获取小车位置信号x，并将小车位置信号x传输至所述控制系统；
(4)在小车运行控制系统中植入输入整形模块，控制系统对步骤(2)及步骤(3)中获取的第一角度信号α与小车位置信号x进行计算得到吊载位置信号作为输入整形模块的输入信号，根据输入整形模块整形后的输出结果对小车的运行位置进行实时控制。
8.如权利要求7所述的一种基于输入整形法的起重机防摇控制方法，其特征是：所述步骤(4)中的吊载位置包括吊载的水平位移与吊载的竖直位移。
9.如权利要求7所述的一种基于输入整形法的起重机防摇控制方法，其特征是：所述步骤(4)中吊载的水平位移为小车位置信号与钢丝绳长度与第一角度信号α的正弦值乘积之和；所述吊载的竖直位移为钢丝绳长度与第一角度信号α的余弦值的相反数。
10.如权利要求7所述的一种基于输入整形法的起重机防摇控制方法，其特征是：所述输入整形模块内部采用智能的第二输入指令产生新的振荡与所述输入整形模块的输入信号进行合成，得到整形后的吊载位置信号作为所述输入整形模块的输出信号，在所述控制系统内将所述输入整形模块的输出信号计算为小车位置的控制信号对小车的运行位置进行实时控制。
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