CN110294414B - 一种基于开环防摇控制算法的起重机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开环防摇控制算法的起重机控制试验方法，采用开环前馈控制方法，在起吊作业的起始阶段和准停阶段分别采用多段加速和多段减速的方法来控制吊重的摇摆幅度，能较好地抑制吊重的摇摆，且对吊重绳长变化不敏感，具有一定的鲁棒性。

Description

一种基于开环防摇控制算法的起重机控制方法

技术领域

本发明涉及起重机控制领域，具体地说，特别涉及到一种基于开环防摇控制算法的起重机控制方法。

背景技术

在桥式起重机，门式起重机和行车的起吊作业过程中，吊重在机械惯性力作用下将不可避免地产生摇摆和晃动。若不加控制，在到达指定位置后吊重的残余摇摆运动需要较长时间才能逐渐衰减，严重影响作业效率甚至作业安全。随着现代物流业对起重机起吊货物的速度要求越来越高，防摇控制问题已引起业界的高度关注。当前，起重机的摇摆控制分为机械防摇控制和电子防摇控制两大类。其中，机械防摇控制设备复杂且多依赖于操作人员的经验，其精确性、可重复性以及可靠性难以保证；电子防摇具有较好的精确性，代表着防摇控制的主流方向；当前，电子防摇控制系统多采用LQR，FUZZY，PID等闭环控制方法，控制器设计复杂且需要安装光学测量传感器来测量吊重摆角的变化，其安装、调试成本以及后期的运行维护费用较高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种基于开环防摇控制算法的起重机控制方法，以解决现有技术中存在的问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种基于开环防摇控制算法的起重机控制方法，所述开环防摇控制算法的模型建立过程如下：

设小车M沿x方向运动，吊重m在惯性力的作用下产生左右摇摆运动，系统受到的外力有小车驱动力F，小车与轨道之间的摩擦力f；则以小车位移x，绳长l，摆角θ为广义坐标，得到系统的动力学微分方程为：

由于重机实际工作时一般提升到一定高度后小车再动作；到达准停位置后再缓缓放下重物，故可不考虑绳长l变化；另外，在安全操作条件下θ＜10°；

上式可进一步简化为：

以小车加速度

为输入，吊摆角度θ为输出，进行拉普拉斯变换得系统传递函数：

由式(3)可知，其为二阶动力学系统；

对于二阶动力学系统而言，当间隔半个振荡周期施加2个脉冲激励并调整脉冲激励信号的幅值，在线性系统的叠加原理作用下，在半个振荡周期后让2条呈指数衰减的脉冲响应曲线的正半周和负半周将叠加归零，即吊重的摆角快速归零；

所述二阶动力学系统，其残余振动的幅值为：

其中，

上式中，ω为“小车-吊重”振荡固有角频率；ξ为系统阻尼系数；n为脉冲个数；A_i，t_i为第i个脉冲的幅度和作用时刻；

为了在理论上完全消除残余振荡，可令V(w，ξ)＝0，进一步推导可得：

式中，

T_d为防摇系统固有振荡周期；

若起重机在作业过程中绳长和阻尼不变，即ω，ζ保持恒定，式(7)的算法可在0.5T_d内完全消除由小车加速引起的吊重摆角振动。

进一步的，为了提高开环控制系统的鲁棒性，增加约束条件：

其物理含义是让残余振动幅值对系统的振荡频率变化不敏感；此时，防摇控制器参数为：

式(9)中第一行表示加速度发生改变的时间点，由系统的振荡周期唯一决定；第二行表示在对应时刻加速度的大小，由系统的阻尼比唯一决定。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

采用开环前馈控制方法，在起吊作业的起始阶段和准停阶段分别采用多段加速和多段减速的方法来控制吊重的摇摆幅度；给出相应的控制系统软硬件设计方案；本发明通过在搭建的实验平台上进行了验证实验，证明了本发明算法能较好地抑制吊重的摇摆，且对吊重绳长变化不敏感，具有一定的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明所述的小车-吊重防摇系统力学模型示意图。

图2为本发明所述的分段加减速防摇控制小车速度规划曲线图。

图3为本发明所述的分段加减速防摇控制实验平台布局图。

图4为本发明所述的分段加减速防摇控制系统电气连线图。

图5为本发明所述的分段加减速防摇控制程序功能划分示意图。

图6为本发明所述的分段加减速防摇控制实验曲线图。

图7为本发明所述的分段加减速防摇控制算法对绳长变化不敏感示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

1.分段加减速防摇控制数学模型的建立

如图1所示，小车M沿x方向运动，吊重m在惯性力的作用下产生左右摇摆运动，系统受到的外力有小车驱动力F，小车与轨道之间的摩擦力f。以小车位移x，绳长l，摆角θ为广义坐标，可得起重机防摇系统的动力学微分方程：

由于重机实际工作时一般提升到一定高度后小车再动作；到达准停位置后再缓缓放下重物，故可不考虑绳长l变化；另外，在安全操作条件下θ＜10°；

上式可进一步简化为：

以小车加速度

为输入，吊摆角度θ为输出，进行拉普拉斯变换得系统传递函数：

由式(3)可知，其为二阶动力学系统；

对于二阶动力学系统而言，当间隔半个振荡周期施加2个脉冲激励并调整脉冲激励信号的幅值，在线性系统的叠加原理作用下，在半个振荡周期后让2条呈指数衰减的脉冲响应曲线的正半周和负半周将叠加归零，即吊重的摆角快速归零；

所述二阶动力学系统，其残余振动的幅值为：

其中，

上式中，ω为“小车-吊重”振荡固有角频率；ξ为系统阻尼系数；n为脉冲个数；A_i，t_i为第i个脉冲的幅度和作用时刻；

为了在理论上完全消除残余振荡，可令V(w，ξ)＝0，进一步推导可得：

式中，

T_d为防摇系统固有振荡周期；

若起重机在作业过程中绳长和阻尼不变，即ω，ζ保持恒定，式(7)的算法可在0.5T_d内完全消除由小车加速引起的吊重摆角振动。

进一步的，为了提高开环控制系统的鲁棒性，增加约束条件：

其物理含义是让残余振动幅值对系统的振荡频率变化不敏感；此时，防摇控制器参数为：

式(9)中第一行表示加速度发生改变的时间点，由系统的振荡周期唯一决定；第二行表示在对应时刻加速度的大小，由系统的阻尼比唯一决定。

(9)式所对应的小车速度规划曲线如图2所示：在起始阶段采用三段加速的过程达到小车最大允许速度Vmax，每段加速时间为半个振荡周期；这与一般伺额服控制单段加速方法有明显区别。在准停阶段采用对称的三段减速方法让吊重的摆角平稳归零。

2.防摇控制系统软硬件设计方案

为了对分段加减速防摇控制效果进行评估，本发明搭建了实验装置，主要包括3部分：a)实验装置布置图；b)控制系统电气连线图；c)防摇控制软件功能框图。据此，本专业技术人员可方便实现实物的搭建。

a)实验装置布置图

一种基于开环防摇控制算法的起重机控制试验平台，包括

小车-吊重系统，其包括吊重，吊重通过缆线与滑块连接，滑块安装在同步带上，吊重在机械惯性力作用下产生摇摆运动；

步进电机，其用于在开环防摇控制算法的控制下带动同步带上的滑块按速度规划曲线运动，吊重在机械惯性力作用下产生摇摆运动；

控制系统，其包括依次设置在步进电机控制端的驱动器、PLC控制器和工控机，所述工控机用于向PLC控制器发出控制指令，PLC控制器产生频率可变脉冲信号，并通过驱动器控制步进电机转动；

MEMS惯性测量模块，其用于对防摇效果进行评估，MEMS惯性测量模块安装在吊重上，MEMS惯性测量模块通过WiFi等无线数传模块将吊重摆角实时传输到工控机。

实验平台布局如图3所示，其工作流程为：

1)工控机向可编程逻辑控制器PLC发出控制指令，PLC产生频率可变脉冲信号通过驱动器控制步进电机转动。

2)采用步进电机驱动方案，在保证控制精度的前提下降低控制成本。步进电机带动同步带上的滑块(小车)按照图2所示的速度规划曲线运动；滑块通过缆绳连接吊重，吊重在机械惯性力作用下产生摇摆运动。

3)在吊重上安装了MEMS惯性姿态测量模块，通过WiFi等无线数传模块将吊重摆角实时传输到工控机。MEMS惯性测量模块只对防摇效果进行评估而不参与控制算法的解算。

b)控制系统电气连线图

如图4所示，IPC工控机通过RS-232接口与PLC通信,工控机端采用组态软件编写控制界面。PLC的输出管脚y0,y1,y2分别输出脉冲信号、使能信号和方向控制信号，分别与两相混合式步进电机驱动器M415B对应引脚PUL,ENA和DIR相连。步进电机采用24VDC电源供电。

c).控制软件功能框图

用组态软件开发防摇控制程序界面如图5所示，分为3个功能模块：(1)运动参数输入：根据起重机的实际作业参数输入，包括：小车最大速度，缆绳长度，起重机跨度等。(2)运动规划参数输出：程序参照公式(9)自动计算分段加减速运动参数并自动写入PLC寄存器。(3)调试控制区：包括电机的起停和转向控制按钮。

3.实验方案设计

为了对防摇算法的防摇控制效果进行评估，本发明设计了二个防摇控制实验：

1)对小车进行二段加减速和三段加减速防摇控制，与传统的单段加速防摇控制效果做比较。

2)改变吊重绳长而保持控制器参数不变，分析分段加减防摇控制效果的鲁棒性。

主要实验步骤如下：

1)确定实验参数，主要包括：吊重绳长，小车(滑块)最大允许速，系统阻尼比。阻尼比可由吊重的有阻尼自由振荡曲线参数识别获得。

2计算“小车-吊重”的有阻尼自由振荡周期

以三段加减速为例，按照公式(9)计算防摇控制器参数；利用安装在吊重上的无线MEMS惯性传感器实时测量摆角θ值、绘制出摆角随时间的变化曲线。

改变吊重绳长，控制器参数不改变，观察控制器防摇效果的变化规律。

下面给出一实验实例

实验参数：吊重绳长1.5米，小车最大允许速度4m/s，阻尼比0.01，振荡周期T＝2.458s。由公式(9)得到三段加减速防摇控制器参数

分段加减速防摇控制实验曲线如图6所示：可见，二段加减速与单段加减速防摇效果接近，在半个振荡周期时达到最大摆角幅度接近20°，但消除了单段加减速造成的吊重摆角小幅振荡现象；三段加减速防摇控制效果较好：在三个半振荡周期内其吊重摆角幅度始终小于10°,且不存在残余振荡。

当小幅改变吊重绳长(L+2％L)，三段加减速防摇控制效果变化不明显，只是在第二个半振荡周期内其最大摆角有小幅变化。这也证明了三段加减速防摇控制算法具有较好的鲁棒性。这在工程实际中有重要的现实意义：因为在起重机起吊现场，吊重绳长一般由光电编码器测得，我们无法确保吊重绳长的测量100％接近其真实值，较小的测量误差(在本例是2％)并不影响本发明所提出的防摇控制效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种基于开环防摇控制算法的起重机控制方法，其特征在于，所述开环防摇控制算法的模型建立过程如下：

设小车M沿x方向运动，吊重m在惯性力的作用下产生左右摇摆运动，系统受到的外力有小车驱动力F，小车与轨道之间的摩擦力f；则以小车位移x，绳长l，摆角θ为广义坐标，得到系统的动力学微分方程为：

由于重机实际工作时一般提升到一定高度后小车再动作；到达准停位置后再缓缓放下重物，故可不考虑绳长l变化；另外，在安全操作条件下θ＜10°；

上式可进一步简化为：

以小车加速度

为输入，吊摆角度θ为输出，进行拉普拉斯变换得系统传递函数：

由式(3)可知，其为二阶动力学系统；

对于二阶动力学系统而言，当间隔半个振荡周期施加2个脉冲激励并调整脉冲激励信号的幅值，在线性系统的叠加原理作用下，在半个振荡周期后让2条呈指数衰减的脉冲响应曲线的正半周和负半周将叠加归零，即吊重的摆角快速归零；

所述二阶动力学系统，其残余振动的幅值为：

其中，

上式中，ω为“小车-吊重”振荡固有角频率；ξ为系统阻尼系数；n为脉冲个数；A_i，t_i为第i个脉冲的幅度和作用时刻；

为了在理论上完全消除残余振荡，可令V(w，ξ)＝0，进一步推导可得：

式中，

T_d为防摇系统固有振荡周期；

若起重机在作业过程中绳长和阻尼不变，即ω，ζ保持恒定，式(7)的算法可在0.5T_d内完全消除由小车加速引起的吊重摆角振动。

2.根据权利要求1所述的基于开环防摇控制算法的起重机控制方法，其特征在于，为了提高开环控制系统的鲁棒性，增加约束条件：

其物理含义是让残余振动幅值对系统的振荡频率变化不敏感；此时，防摇控制器参数为：

式(9)中第一行表示加速度发生改变的时间点，由系统的振荡周期唯一决定；第二行表示在对应时刻加速度的大小，由系统的阻尼比唯一决定。

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