CN108584723A - 起重机开环优化防摇控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重机开环优化防摇控制方法，它基于起重机动力学分析，利用起重机运行状态参数作为边界约束条件，实现起重机运行距离最小、加速或减速运行时间最短和运行轨迹最优的防摇控制；同时基于数值分析和计算机模拟技术，建立起重机运行速度、运行时间和起吊绳长之间的数学模型。本发明基于运行距离和加速或减速时间最优建立开环优化控制方法，具有防摇距离短、响应速度快等特点，可有效抑制负载偏摆，提高起重机的操作安全性和运行稳定性，控制方法实施简单，易于工程应用，控制精度高，有助于起重机的智能化和自动化运输。

Description

起重机开环优化防摇控制方法

技术领域

本发明属于起重机智能控制技术领域，具体涉及一种起重机开环优化防摇控制方法。

背景技术

起重机系统由大车运行机构、小车运行机构和起升运行机构组成，结构简单，可以十分方便的实现货物的运输，因此在冶金制造、钢铁生产、加工车间、生物制药、垃圾处理等场所得到大范围应用。然而起重机为欠阻尼柔性控制柔性控制系统，在起重机运行过程中，若起重机运行速度发生变化将不可避免的使得负载摆动，这将严重影响起重机的工作安全性。同时运行机构停止运行后，负载将存在长时间的摆动，严重降低了起重机的工作效率。起重机防摇控制技术通过控制大小车的运行来抑制负载的摆动，可有效提高起重机工作效率，适应起重机自动化、快速化和大型化应用需求，因此受到国内外学者和制造商的极大关注。

《中国制造2025》中指出基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革。其战略任务和重点为在重点领域试点建设智能工厂/数字化车间，并将依托优势企业，进口关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能优化控制、供应链优化，建设重点领域智能工厂/数字化车间作为智能制造专栏进行描述。而起重机是智能工厂/数字化车间的重要组成部分，因此提高起重机防摇控制的稳定性和控制准确性显得尤为重要。起重机开环防摇因其应用方便，易于设计和改造而得到广泛应用。但是起重机开环防摇需控制大小车在加速或减速过程中运行一段距离来抑制和小车负载摆动。过大的防摇距离将严重影响起重机的操作安全性，特别是起重机停止过程，过大的防摇距离可能造成设备损坏和财产损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种起重机开环优化防摇控制方法，它可以实现起重机运行距离最小、运行时间最短和运行轨迹最优的快速稳定防摇，进而提高了起重机开环防摇控制方法的适应性和工程应用性，增强了起重机的操作安全性和工作效率，有助于促进起重机的智能化和快速化运输。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种起重机开环优化防摇控制方法，包括以下步骤：

S1、设定小车最终运行速度v_1max＝1m/s，获取k米绳长下小车的速度运行曲线，k为不同的自然数；

S2、对步骤S1中获得的所有速度运行曲线进行拟合，得到速度拟合方程v₁＝(P₀t+b₀),P₀为初始的行列式系数矩阵，b₀为初始的行列式常数项，0≤t≤t_f，t_f为小车最优加速运行时间；

S3、对P₀的每一列分别进行拟合，得到行列式系数矩阵的拟合方程P＝A₁l+B₁，A₁是该拟合方程的行列式系数矩阵，B₁是该拟合方程的行列式常数项矩阵，l为起重机的绳长；

S4、设定起重机开环优化防摇算法轨迹方程比例系数v_max为小车设定运行速度；

S5、根据P和a修正速度拟合方程得到v＝a(Pt+b₀),0≤t≤t_f。

按上述技术方案，步骤S1中，k为2-15之间的自然数。

按上述技术方案，步骤S2中，

t_f＝0.000003l⁵-0.000178l⁴+0.003759l³-0.0436819l²+0.413941l+0.465815，l为起重机的绳长。

按上述技术方案，步骤S4中，0＜v_max≤2.5m/s。

本发明产生的有益效果是：针对起重机开环防摇加速防摇和减速防摇运行距离过大的问题，本发明基于起重机动力学分析，利用起重机运行状态参数作为边界约束条件，实现起重机运行距离最小、加速或减速运行时间最短和运行轨迹最优的防摇控制，可有效抑制和消除负载偏摆，提高起重机运行稳定性；同时基于数值分析和计算机模拟技术，建立起重机运行速度、运行时间和起吊绳长之间的数学模型，提高了起重机开环防摇控制方法的适应性和工程应用性，控制精度高，相应速度快，易于实现，操作简单，可极大的提高起重机的自动化、智能化和数字化水平。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是起重机开环优化防摇系统结构示意图；

图2是起重机开环优化防摇加速运行速度轨迹曲线；

图3是起重机开环优化防摇加速运行距离；

图4是起重机开环优化防摇负载偏摆角度；

图5是起重机开环优化防摇最优速度运行轨迹曲线；

图6是起重机开环优化防摇速度优化效果对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种起重机开环优化防摇控制方法，包括以下步骤：

S1、如图2、图5所示，设定小车最终运行速度v_1max＝1m/s，获取k米绳长下小车的速度运行曲线，k为不同的自然数；

S2、对步骤S1中获得的所有速度运行曲线进行拟合，得到速度拟合方程v₁＝(P₀t+b₀),P₀为初始的行列式系数矩阵，b₀为初始的行列式常数项，0≤t≤t_f，t_f为小车最优加速运行时间；

S3、对P₀的每一列分别进行拟合，得到行列式系数矩阵的拟合方程P＝A₁l+B₁，A₁是该拟合方程的行列式系数矩阵，B₁是该拟合方程的行列式常数项矩阵，l为起重机的绳长；

S4、设定起重机开环优化防摇算法轨迹方程比例系数v_max为小车设定运行速度；

S5、根据P和a修正速度拟合方程得到v＝a(Pt+b₀),0≤t≤t_f。

在本发明的优选实施例中，步骤S1中，k为2-15之间的自然数。

在本发明的优选实施例中，步骤S2中，

t_f＝0.000003l⁵-0.000178l⁴+0.003759l³-0.0436819l²+0.413941l+0.465815，l为起重机的绳长，l为任意正数。

在本发明的优选实施例中，步骤S4中，0＜v_max≤2.5m/s。

本发明在具体应用时，包括以下步骤：

S1、起重机开环优化防摇控制系统初始参数设置：设定大车、小车和起升机构各档位运行速度；

S2、编码器标定：首先将负载降低到最低点，记录编码器测量值x₁和负载底端距地面h₁，然后控制起升机构自动运行10s，待起升机构停止运行后再次记录编码器测量值x₂和负载底端距地面距离h₂，则有编码器测量值和负载起升高度的比值m＝(x₁-x₂)/(h₂-h₁)，进而利用负载偏摆规律测量负载偏摆周期，从而确定负载偏摆绳长l₁，同时记录测试编码器测量值x₃，则有编码器测量值和负载实际起升高度之间的差值n＝|l₁-x₃|；

S3、小车开环优化防摇轨迹方程计算：小车起重机开环优化防摇控制方法轨迹方程计算过程中，编码器实时测量负载起吊绳长，并将其传输至工控机，工控机基于测量绳长，利用m和n，计算得到负载有效起吊绳长l，进而基于最优加速时间方程计算得到小车加速过程中的最优加速时间t_f，同时根据负载有效起吊绳长判断小车开环优化方程参数求解方程，则有根据行列式系数矩阵P₁求解方程P₁＝A₁l+B₁2≤l≤15计算得到小车运行速度v₁时的起重机开环优化防摇算法轨迹方程系数，最后比例系数计算公式0＜v_i1≤2.5计算得到小车各档位开环优化算法轨迹方程，同样，小车减速防摇是小车加速防摇的相反过程，所以小车减速开环优化防摇过程与小车加速开环优化防摇过程控制规律相同，方向相反；

S4、小车开环优化防摇轨迹方程计算：大车方向开环优化防摇控制算法与小车方向开环优化防摇控制算法相似，因此起重机开环优化防摇控制方法轨迹方程计算过程中，编码器实时测量负载起吊绳长，并将其传输至工控机，工控机基于测量绳长，利用m和n，计算得到负载有效起吊绳长l，进而基于最优加速时间方程计算得到大车加速过程中的最优加速时间t_f。同时根据负载有效起吊绳长判断大车开环优化方程参数求解方程，则有根据行列式系数矩P₂求解方程P₂＝A₂l+B₂,2＜l≤15计算得到大车运行速度v₁时的起重机开环优化防摇算法轨迹方程系数，最后比例系数计算公式0＜v_i2≤2.5计算得到大车各档位开环优化算法轨迹方程，同样，大车减速防摇是大车加速防摇的相反过程，所以大车减速开环优化防摇过程与大车加速开环优化防摇过程控制规律相同，方向相反；

S5、开环优化防摇轨迹方程离散化：为实现开环优化防摇控制系统的工程应用，开环优化防摇控制系统在开环优化时间范围内将开环优化防摇控制算法轨迹方程进行离散化，起重机开环优化防摇控制方法运行过程中，工控机将离散化的轨迹方程传输至PLC，PLC根据最优时间内时间的不同控制输出不同的离散化运行速度，从而通过改变变频器频率实现大车和小车开环优化控制。

以上步骤只是为了距离说明本发明的全部实施过程，在实际应用中只需要根据使用需求在安装调试过程中进行初始系统参数设定和编码器标定即可。

如图1所示，本发明中起重机开环防摇控制系统主要包括编码器8、PLC控制器1、工控机9、起升变频器2、起升机构5、大车变频器3、大车6、小车变频器4和小车等，其中编码器8固定在起升机构5上的卷筒一端，可实现负载起吊绳长的实时测量，工控机9根据起吊绳长计算得到大车和小车优化防摇控制轨迹方程，PLC作为运行控制中心通过改变变频的频率控制大小车的运行。为确保系统数据的稳定传输，编码器、PLC、起升变频器、大车变频器和小车变频器之间采用现场总线通信，PLC和工控机之间采用Modbus RTU串行通信。

具体的开环优化防摇控制过程为：首先进行开环优化防摇控制系统初始化，根据起重机使用需求，设定大车、小车和起升机构各控制开关对应速度，并根据工控机中标定界面指示步骤，标定编码器。起重机运行过程中，编码器实时采集负载起吊绳长并传输至工控机。工控机通过对负载起吊绳长的处理，根据开环防摇控制算法数学模型计算得到大车和小车运行轨迹和运行时间，然后通过串口将数据发送至下位机。下位机PLC接收控制参数数据，通过控制变频器频率变化率驱动大车和小车的优化防摇控制。同时PLC将起重机大车、小车和起升机构运行状态数据实时传输至上位机工控机进行显示输出和状态监控。

起重机开环优化防摇算法轨迹方程确定：假定小车运行速度为v，负载起吊绳长为l，小车加速运行时间为t，则有在小车加速过程中起重机开环优化算法轨迹方程可表示为：v＝a(Pt+b₀),2≤l≤15,0≤t≤t_f，式中，a为比例系数，P为行列式系数矩阵，t为时间变量列向量，b为行列式常数项，其具体数值根据起重机实际应用情况进行确定，t_f为小车最优加速运行时间。同时小车减速过程与小车加速过程控制规律相似，控制方向相反。进一步有大车开环优化防摇控制过程与小车开环优化防摇过程相似，因此同样根据大车设定参数同样可以得到大车开环优化防摇轨迹方程。

起重机开环优化防摇控制方法最优加速时间t_f确定：为提高起重机开环优化防摇控制方法的适应性，通过分析不同起吊绳长情况下小车最优加速时间的变化规律，建立了起重机开环优化防摇控制方法最优加速时间和负载起吊绳长之间的数学模型，其表达式为：t_f＝0.000003l⁵-0.000178l⁴+0.003759l³-0.0436819l²+0.413941l+0.465815。

行列式系数矩阵P求解方程确定：为实现起重机开环优化防摇控制方法的工程应用，针对起重机开环优化防摇控制方法，基于数值分析理论和计算机模拟方法，建立起重机开环优化防摇控制方法轨迹方程参数求解方程，其表达式为P＝Al+B,2≤l≤15，式中A为参数求解方程系数矩阵，B为参数求解方程的常系数矩阵。

起重机开环优化防摇算法轨迹方程比例系数a的确定：为了得到不同起重机运行速度下的起重机开环优化防摇控制方法的轨迹方程，本发明中引入比例系数a，其计算方程为：式中，v_max为小车设定运行速度，0＜v_max≤2.5m/s，v_1max＝1m/s。

如图3、图4、图6所示，本发明基于起重机动力学分析，利用大小车运行速度参数作为边界条件，建立大小车在加速或减速过程中最小运行距离、最短运行时间和最优控制轨迹的开环优化防摇控制算法，同时为实现起重机开环优化防摇控制方法的工程应用，提高其适应性，基于数值分析和计算机模拟，建立起重机运行速度、运行时间和起吊绳长的数学模型。本发明基于运行距离和加速或减速时间最优建立开环优化控制方法，具有防摇距离短、响应速度快等特点，可有效抑制负载偏摆，提高起重机的操作安全性和运行稳定性，控制方法实施简单，易于工程应用，控制精度高，有助于起重机的智能化和自动化运输。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种起重机开环优化防摇控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设定小车最终运行速度v_1max＝1m/s，获取k米绳长下小车的速度运行曲线，k为不同的自然数；

S2、对步骤S1中获得的所有速度运行曲线进行拟合，得到速度拟合方程v₁＝(P₀t+b₀),P₀为初始的行列式系数矩阵，b₀为初始的行列式常数项，0≤t≤t_f，t_f为小车最优加速运行时间；

S3、对P₀的每一列分别进行拟合，得到行列式系数矩阵的拟合方程P＝A₁l+B₁，A₁是该拟合方程的行列式系数矩阵，B₁是该拟合方程的行列式常数项矩阵，l为起重机的绳长；

S4、设定起重机开环优化防摇算法轨迹方程比例系数v_max为小车设定运行速度；

S5、根据P和a修正速度拟合方程得到v＝a(Pt+b₀),0≤t≤t_f。

2.根据权利要求1所述的起重机开环优化防摇控制方法，其特征在于，步骤S1中，k为2-15之间的自然数。

3.根据权利要求1所述的起重机开环优化防摇控制方法，其特征在于，步骤S2中，t_f＝0.000003l⁵-0.000178l⁴+0.003759l³-0.0436819l²+0.413941l+0.465815，l为起重机的绳长。

4.根据权利要求1所述的起重机开环优化防摇控制方法，其特征在于，步骤S4中，0＜v_max≤2.5m/s。