CN109384149B - 一种桥式吊车运行末段防摇定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种桥式吊车运行末段防摇定位方法及系统，工业运行环境中的桥式吊车在运行末段难以保证位置精度且负载无残余摆动，本发明针对这一特点，在运行末段设计基于专家规则的角度反馈控制器，根据采集到的负载摆角及角速度来抑制负载摆角，设计PD控制器作为位置反馈控制器来保证位置精度，同时设计前向通道补偿将位置控制和角度控制耦合，提高了工业生产中桥式吊车吊运载物的安全性、可靠性及工作效率。所述一种桥式吊车运行末段防摇定位系统包括角度测量仪模块(101)、激光测距仪模块(102)、PLC模块(103)、上位机模块(104)、变频器模块(105)、电机模块(106)。

Description

一种桥式吊车运行末段防摇定位方法及系统
所属领域
本发明专利涉及一种桥式吊车运行末段防摇定位方法及系统，属于桥式吊车防摇定位控制领域。
背景技术
桥式吊车是一种重要的重物装卸搬运设备，在各个工业现场具有广泛应用。桥式吊车在吊运过程中总是不可避免地造成吊物的摇摆，吊物的摇摆会加速机械磨损、增加吊物的转运时间，甚至造成安全事故。近年来提出的多种防摇定位策略，用来实现更快地完成吊物的转运，特别是带有定位功能的自动化工业级桥式吊车，有效的防摇定位系统可以使桥式吊车的操作变得更加高效安全。
受制于工业现场的复杂性和成本因素，目前投入到现场应用的无人桥式吊车大都由可编程逻辑控制器(PLC)编程实现开环或简单闭环防摇定位，复杂的算法难以真正进入桥式吊车防摇定位领域。这些方法使得桥式吊车在运行末段出现偏移目标位置、消除载物摆动困难的情况，且系统对参数变化敏感、抗干扰性能差，难以使桥式吊车在准确定位的同时载物摆动也衰减至安全范围内。
基于输入整形方法等的开环防摇定位策略抗干扰性能较差，因没有角度和位置反馈，难以保证桥式吊车停在目标位置时载物的摇摆角度在允许范围之内。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种桥式吊车运行末段防摇定位方法及系统，本发明提出在抑制摆动方面采用专家规则控制器，在精确定位方面采用PD结构的位置反馈控制器，同时在前向通道内加入一个比例环节将专家规则防摇控制器和位置反馈控制器耦合，起到快速防摇精确定位的目的，同时具有较强的抗干扰性能，方法方便可编程逻辑控制器(PLC)编程实现，也降低桥式吊车改造成本，大幅提升桥式吊车的作业效率。
技术方案：本发明提出一种桥式吊车运行末段防摇定位方法及系统，使用专家规则和输出反馈实现在桥式吊车运行末端的快速防摇和精确定位，包括以下步骤：
步骤1：对角度测量仪采集到的载物角度信号进行限幅滤波，设定两次采样之间允许的最大偏差值ΔD，角度测量仪检测到新值F(n)时进行判断：当F(n)-F(n-1)＜ΔD，则输出值Fo＝F(n)，本周期检测值有效；当F(n)-F(n-1)＞ΔD，则输出值Fo＝F(n-1)，使用上周期检测值代替本周期检测值，限幅滤波可有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰；
步骤2：设计基于专家规则的角度反馈控制器，设小车加速度与载物角速度方向相同，当载物角速度θ'＜0，小车加速度a＜0，小车减速；当载物角速度θ'＞0，小车加速度a＞0，小车加速，设计角度反馈控制器的传递函数为G(s)＝K*(T*s+1)，s为拉普拉斯算子，载物角度的门限值为0＜θ1＜θ2，载物角速度门限值为0＜θ'1＜θ'2，角度反馈控制器的比例系数K遵从如下的自适应法则：
Figure BDA0001881271440000021
角度反馈控制器的时间常数T遵从如下的自适应法则：
Figure BDA0001881271440000022
步骤3：设计位置反馈控制器，对于位置反馈控制器，角度反馈控制器的调节时间相对较小，将角度反馈控制器等效为一个比例环节，设计传递函数为的控制器作为位置反馈控制器，同时将控制器放在反馈通道消除PD环节中零点对系统动态性能的影响；
步骤4：设计前向通道补偿，在前向通道内加入一个比例环节K3，调节前向通道增益使得在快速抑制载物摆动的同时使桥式吊车准确定位；
步骤5：设计负载角度幅值采集器，在载物做类单摆运动的一个周期内，分别采集载物角度的最高值θmax和最低值θmin，得出载物在做类单摆运动的一个周期内的摆动幅度Δθ＝θmax-θmin；
步骤6：根据工业现场要求确定桥式吊车小车位置精度和载物摆角限值θ0，当桥式吊车在运行末段小车的位置误差在允许范围内且Δθ＜θ0时，停止向变频器模块发送加速度大小及方向指令，整个防摇定位系统运行结束。
本发明还提出一种桥式吊车运行末段防摇定位方法及系统，上位机给定一个目标位置后，经过在线计算后将速度值、方向传送至桥式吊车小车变频器中。整个系统采用双闭环控制思想，将角度环设置为内环，位置环设置为外环。该系统主要包括：角度测量仪模块(101)、激光测距仪模块(102)、PLC模块(103)、上位机模块(104)、变频器模块(105)、电机模块(106)。上位机模块(104)给定一个桥式吊车小车目标位置值后，角度测量仪模块(101)与激光测距仪模块(102)实时测量载物的摆动角度和小车的实时位置并反馈至PLC模块(103)；所述PLC模块(103)将得到的反馈值和上位机模块(104)给定的目标位置值在线计算得到桥式吊车小车的加速度大小及方向并传送至变频器模块(105)；所述变频器模块(105)控制桥式吊车小车电机模块(106)实现桥式吊车运行末段的防摇定位。
由于系统对于角度抑制的实时性要求较高，需要设计具有较强跟随性能的内环。使用基于专家规则的角度反馈控制器可以满足在工业现场条件的要求，具有较好的抗干扰能力。目前使用的CCD相机测角仪或者加速度传感器都可将可靠且实时性较高的载物角速度值传送至上位机，成本可控且可靠性高。考虑到桥式吊车系统为非线性欠驱动系统，外环采用反馈控制器，反馈矫正控制具有以下特点：
1)吊运过程中绳长发生变化后，系统的参数也会发生变化，反馈矫正控制可以降低参数变化对系统的影响
2)提高系统的动态性能，减少系统的时间常数
3)有效抑制扰动对系统的影响
有益效果：针对现有桥式吊车在运行末段容易出现偏移目标位置、消除载物摆动困难的情况，本发明提出在抑制摆动方面采用专家规则控制器，在精确定位方面采用PD结构的位置反馈控制器，同时在前向通道内加入一个比例环节将专家规则防摇控制器和位置反馈控制器耦合，起到快速防摇精确定位的目的，同时具有较强的抗干扰性能，方法方便可编程逻辑控制器(PLC)编程实现，也降低桥式吊车改造成本，大幅提升桥式吊车的作业效率。
附图说明
图1为本发明的防摇定位方法流程图；
图2为本发明的防摇定位方法结构框图；
图3位本发明的防摇定位系统框图。
具体实施方式
下面对本发明方法和系统进行详细的阐述。
本发明提出一种桥式吊车运行末段防摇定位方法及系统，该装置主要包括：SATECSTAD-2000角度测量仪，SCIYON NT6000V3A控制器，SICK DL-100激光测距仪，SCIYON KD-200变频器，三相异步交流电机，其特征在于使用专家规则和输出反馈实现在桥式吊车运行末端的快速防摇和精确定位，包括以下步骤：
步骤1：对SATEC STAD-2000角度测量仪采集到的载物角度信号进行限幅滤波，设定两次采样之间允许的最大偏差值ΔD＝4.5°，角度测量仪检测到新值F(n)时进行判断：当F(n)-F(n-1)＜ΔD，则输出值Fo＝F(n)，本周期检测值有效；当F(n)-F(n-1)＞ΔD，则输出值Fo＝F(n-1)，使用上周期检测值代替本周期检测值，限幅滤波可有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰；
步骤2：设计基于专家规则的角度反馈控制器，设小车加速度与载物角速度方向相同，当载物角速度θ'＜0，小车加速度a＜0，小车减速；当载物角速度θ'＞0，小车加速度a＞0，小车加速，设计角度反馈控制器的传递函数为G(s)＝K*(T*s+1)，载物角度的门限值为0＜θ1＜θ2，载物角速度门限值为0＜θ'1＜θ'2，角度反馈控制器的比例系数K遵从如下的自适应法则：
Figure BDA0001881271440000041
角度反馈控制器的时间常数T遵从如下的自适应法则：
Figure BDA0001881271440000042
步骤3：设计位置反馈控制器，对于位置反馈控制器，角度反馈控制器的调节时间相对较小，将角度反馈控制器等效为一个比例环节，设计传递函数为的控制器作为位置反馈控制器，同时将控制器放在反馈通道消除PD环节中零点对系统动态性能的影响；
步骤4：设计前向通道补偿，在前向通道内加入一个比例环节K3，调节前向通道增益使得在快速抑制载物摆动的同时使桥式吊车准确定位；
步骤5：设计负载角度幅值采集器，在载物做类单摆运动的一个周期内，分别采集载物角度的最高值θmax和最低值θmin，得出载物在做类单摆运动的一个周期内的摆动幅度Δθ＝θmax-θmin；
步骤6：根据工业现场要求确定桥式吊车小车位置精度和载物摆角限值θ0＝0.5°，当桥式吊车在运行末段小车的位置误差在允许范围内且Δθ＜θ0时，SCIYON NT6000V3A控制器停止向SCIYON KD-200变频器发送加速度大小及方向指令，三相异步交流电机停止工作，整个系统防摇定位工作结束。
整个系统包括角度测量仪模块、激光测距仪模块、PLC模块、上位机模块、变频器模块、电机模块。上位机模块给定一个桥式吊车小车目标位置值后，角度测量仪模块与激光测距仪模块实时测量载物的摆动角度和小车的实时位置并反馈至PLC模块；PLC模块将得到的反馈值和上位机模块给定的目标位置值在线计算得到桥式吊车小车的加速度大小及方向并传送至变频器模块；变频器模块控制桥式吊车小车电机模块实现桥式吊车运行末段的防摇定位。

Claims (3)

1.一种桥式吊车运行末段防摇定位方法，其特征在于该方法为设计专家规则和输出反馈实现在桥式吊车运行末端的快速防摇和精确定位，包括以下步骤：
步骤1：对角度测量仪采集到的载物角度信号进行限幅滤波，设定两次采样之间允许的最大偏差值ΔD，角度测量仪检测到新值F(n)时进行判断：当F(n)-F(n-1)＜ΔD，则输出值Fo＝F(n)，本周期检测值有效；当F(n)-F(n-1)＞ΔD，则输出值Fo＝F(n-1)，使用上周期检测值代替本周期检测值，限幅滤波可有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰；
步骤2：设计基于专家规则的角度反馈控制器，设小车加速度与载物角速度方向相同，当载物角速度θ'＜0，小车加速度a＜0，小车减速；当载物角速度θ'＞0，小车加速度a＞0，小车加速，设计角度反馈控制器的传递函数为G(s)＝K*(T*s+1)，s为拉普拉斯算子，载物角度的门限值为0＜θ1＜θ2，载物角速度门限值为0＜θ′1＜θ′2，角度反馈控制器的比例系数K遵从如下的自适应法则：
Figure FDA0002167755780000011
角度反馈控制器的时间常数T遵从如下的自适应法则：
Figure FDA0002167755780000012
步骤3：设计位置反馈控制器，对于位置反馈控制器，角度反馈控制器的调节时间相对较小，将角度反馈控制器等效为一个比例环节，设计传递函数为
Figure FDA0002167755780000013
的控制器作为位置反馈控制器，同时将控制器放在反馈通道消除PD环节中零点对系统动态性能的影响；
步骤4：设计前向通道补偿，在前向通道内加入一个比例环节K3，调节前向通道增益使得在快速抑制载物摆动的同时使桥式吊车准确定位；
步骤5：设计负载角度幅值采集器，在载物做类单摆运动的一个周期内，分别采集载物角度的最高值θmax和最低值θmin，得出载物在做类单摆运动的一个周期内的摆动幅度Δθ＝θmax-θmin；
步骤6：根据工业现场要求确定桥式吊车小车位置精度和载物摆角限值θ0，当桥式吊车在运行末段小车的位置误差在允许范围内且Δθ＜θ0时，停止向变频器模块发送加速度大小及方向指令，整个防摇定位系统运行结束。
2.根据权利要求书1所述的一种桥式吊车运行末段防摇定位方法，其特征在于该方法采用的系统主要包括：角度测量仪模块(101)、激光测距仪模块(102)、PLC模块(103)、上位机模块(104)、变频器模块(105)、电机模块(106)；所述上位机模块(104)给定桥式吊车小车目标位置值后，角度测量仪模块(101)对采集到的载物角度信号进行限幅滤波并反馈至PLC模块(103)；所述激光测距仪模块(102)实时小车的实时位置并反馈至PLC模块(103)；所述PLC模块(103)将得到的反馈值和上位机模块(104)给定的目标位置值在线计算得到桥式吊车小车的加速度大小及方向并传送至变频器模块(105)；所述变频器模块(105)控制桥式吊车小车电机模块(106)实现桥式吊车运行末段的防摇定位。
3.根据权利要求书2所述的一种桥式吊车运行末段防摇定位方法，其特征在于：所述上位机模块(104)与角度测量仪模块(101)和激光测距仪模块(102)相连；所述角度测量仪模块(101)和激光测距仪模块(102)输出端和PLC模块(103)输入端相连；所述PLC模块(103)输出端和变频器模块(105)输入端相连；所述变频器模块(105)输出端和电机模块(106)输入端相连。
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