CN110436347A - 一种桥式起重机双摆系统优化防摇控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种桥式起重机双摆系统优化防摇控制方法，通过根据负载重量和实时测量的绳长，计算大车和小车的运行速度；基于起重机动力学微分方程，得到桥式起重机单摆模型的解析解；利用三脉冲作用下解析解的二次型目标函数，计算得到初始状态为零时的优化输入整形器；进而根据双模态输入整形器求解的级联法，设计桥式起重机双摆系统的优化输入整形器，并分别通过大车变频器和小车变频器驱动大车运行机构和小车运行机构运行来消除负载的摆动，实现起重机双级摆的优化防摇控制。本发明实现了长型负载水平起吊的优化防摇，提高了桥式起重机的工作效率和操作安全性，使大小车的运行速度和运行轨迹更为合理，易于工程应用。

Description

一种桥式起重机双摆系统优化防摇控制方法

技术领域

本发明属于起重机技术领域，具体涉及一种桥式起重机双摆系统优化防摇控制方法。

背景技术

桥式起重机作为重要的特殊工程机械，在物料搬运过程中发挥着重要的作用。同时，随着工业的现代化和数字化，桥式起重机开始向大型化、高速化等方向发展。然而，桥式起重机在运输过程中的长时间摆动与桥式起重机工作效率的矛盾日益突出，严重影响了桥式起重机的工作效率。因此对桥式起重机的防摇控制作为抑制负载摆动的关键技术开始受到制造商和研究学者的大量关注。

目前桥式起重机防摇技术主要分为开环防摇和闭环防摇两种。其中，开环防摇控制技术基于起重机系统负载的摆动规律，通过控制大、小车的运动来消除负载的摆动；闭环防摇控制技术基于高精度传感器实时测量桥式起重机的各种状态信息，利用智能控制算法如模糊控制、滑模控制、鲁棒控制等，实现桥式起重机系统工作过程中负载的抑制和大、小车的定位。然而目前桥式起重机防摇控制技术主要是按照桥式起重机单摆系统建立的，在桥式起重机的实际工作过程中，负载需要通过辅助绳索或吊具与吊钩相连，即桥式起重机的实际应用过程多为双级摆；特别当桥式起重机起吊长型负载，如型材、棒材等时，基于单摆模型设计的桥式起重机防摇控制方法将不再适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种桥式起重机双摆系统优化防摇控制方法，实现桥式起重机双摆系统和吊装长型负载时的优化防摇控制，提高桥式起重机的工作效率和运行稳定性。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种桥式起重机双摆系统优化防摇控制方法，包括以下步骤：

S1：建立桥式起重机双摆系统物理模型，包括运行方向两两垂直的三坐标运行机构、通过绳索吊在小车下方的吊钩和通过绳索吊在吊钩下方的负载；三坐标运行机构包括大车运行机构、小车运行机构和起升运行机构，大车运行机构设置在大车即桥架上，沿两侧轨道方向移动，小车运行机构和起升运行机构设置在小车上，小车运行机构沿桥架方向运行，与大车运行机构运行的方向垂直，起升运行机构运行的方向与地平面垂直；吊钩与起升运行机构构成一级摆即单摆，负载与吊钩构成二级摆即双摆；

S2：根据包括大车和小车的期望运行速度、时滞时间、吊钩的起吊长度、负载到吊钩的斜拉绳长度、吊钩的偏摆角度、负载的偏摆角度、吊钩质量、负载质量的输入参数分别得到吊钩和负载偏摆的角频率、单摆和双摆的幅值、小车和大车的加速度参数；

S3：在约束条件中设置负载的摆动角度，根据步骤S2得到的参数设置小车优化防摇输入整形器，向小车优化防摇输入整形器输入小车的运行速度和运行时间得到小车的运行加速度，按小车的运行加速度控制小车的运行使负载的摆动角度得到抑制；

S4：在约束条件中设置负载的摆动角度，根据步骤S2得到的参数设置大车优化防摇输入整形器，向大车优化防摇输入整形器输入大车的运行速度和运行时间得到大车的运行加速度，按大车的运行加速度控制大车的运行使负载的摆动角度得到抑制。

按上述方案，所述的步骤S2中，具体步骤为：

S21：根据桥式起重机动力学分析确定桥式起重机双摆系统的偏摆的角频率；

在桥式起重机双摆系统物理模型中，设静止状态的起吊绳所在直线为竖直起吊中心，设θ₁为吊钩相对竖直起吊中心的偏摆角度，θ₂为负载偏离起吊绳长的角度，θ₃为负载偏离竖直起吊中心的角度，l₁为桥式起重机起吊绳长，l₂为负载斜拉钢丝绳长度，l_l为起吊负载长度，m₁为吊钩质量，m₂为负载质量；设为吊钩的角加速度，为负载的角加速度，小车加速度为u，g为重力加速度常数；设为起吊负载绕负载中点O的转矩，为吊钩到起吊负载的垂直距离；则根据桥式起重机动力学分析建立桥式起重机双摆系统线性动力学微分模型为：

设则吊钩偏摆的角频率ω₁和负载偏摆的角频率ω₂分别为：

S22：根据桥式起重机动力学微分方程建立桥式起重机的单摆模型，并得到解析解；根据三脉冲作用下解析解的二次型目标函数，得到初始状态为零时单摆系统的幅值和优化输入整形器；

设x为二维状态矢量，为x的一阶微分形式，是吊钩的角速度，则：

设A＝[0 1； -ω₁ 0]，则桥式起重机系统的单摆状态方程为：

设T₁为系统的时滞时间，A_1i为单摆的第i个脉冲的幅值，则：

设s为传递函数复变量，i为脉冲个数，在三脉冲输入整形器的作用下，设传递函数为设Q为正定对称加权矩阵，δ为单位脉冲，t为系统时间；则满足二次型目标函数的优化输入整形器为：

f₁(t)＝A₁₁δ(t)+A₁₂δ(t-T₁)+A₁₃δ(t-2T₁)；

S23：根据双模态输入整形器求解的级联法，得到桥式起重机双摆系统的幅值和优化输入整形器；

设y为二维状态矢量，是y的一阶微分形式，是负载的角速度，则：

设C＝[0 1； -ω₂ 0]，则桥式起重机系统的双摆状态方程为：

设A_2i为双摆的第i个脉冲的幅值，则：

在三脉冲输入整形器的作用下，设传递函数为则满足二次型目标函数的优化输入整形器为：

f₂(t)＝A₂₁δ(t)+A₂₂δ(t-T₁)+A₂₃δ(t-2T₁)；

S24：分别计算小车和大车的加速度；

设桥式起重机的小车的期望运行速度为v_maxx，则小车的加速度为：

设桥式起重机的大车的期望运行速度为v_maxd，则大车的加速度为：

进一步的，所述的步骤S3中，具体步骤为：

S31：设优化脉冲幅值分别为：

根据级联法得到传递函数为：

则桥式起重机双摆系统的小车优化防摇输入整形器为：

f_opx(t)＝a_x(B₁δ(t)+B₂δ(t-T₁)+B₃δ(t-2T₁)+B₄δ(t-3T₁)+B₅δ(t-4T₁))；

S32：设置负载的摆动角度为零的约束条件，向小车优化防摇输入整形器输入小车的运行速度和运行时间得到小车的运行加速度；

S33：按小车的运行加速度控制小车的运行使负载的摆动角度得到抑制。

进一步的，所述的步骤S4中，具体步骤为：

S41：设优化脉冲幅值分别为：

根据级联法得到传递函数为：

则桥式起重机双摆系统的小车优化防摇输入整形器为：

f_opd(t)＝a_d(B₁δ(t)+B₂δ(t-T₁)+B₃δ(t-2T₁)+B₄δ(t-3T₁)+B₅δ(t-4T₁))；

S42：设置负载的摆动角度为零的约束条件，向小车优化防摇输入整形器输入小车的运行速度和运行时间得到小车的运行加速度；

S43：按小车的运行加速度控制小车的运行使负载的摆动角度得到抑制。

本发明的有益效果为：

1.本发明的一种桥式起重机双摆系统优化防摇控制方法，实现了桥式起重机双摆系统和长型负载情况下的优化防摇控制，提高了桥式起重机的工作效率和运行稳定性。

2.本发明提高了桥式起重机操作安全性。

3.本发明通过任意设置时滞时间，使桥式起重机的大小车的运行速度和运行轨迹更为合理，易于工程应用。

附图说明

图1是本发明实施例的功能框图。

图中：1.防摇控制器；2.大车变频器；3.大车运行机构；4.小车变频器；5.小车运行机构；6.起升变频器；7.起升运行机构；11.绳长传感器；12.测重传感器。

图2是本发明实施例的物理模型图。

图中：8.运行轨道；9.吊钩质点m₁；10.负载。

图3是本发明实施例的小车的加速度-时间示意图；

图4是本发明实施例的小车的速度-时间示意图；

图5是本发明实施例的桥式起重机双摆系统吊钩和负载的摆动角度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1和图2，本发明的桥式起重机双摆系统优化防摇控制系统包括传感器、控制器、变频器和三坐标运行机构，传感器的信号输出端与控制器的信号输入端连接，控制器的信号输出端与变频器的信号输入端连接，变频器的信号输出端与运行机构的信号输入端连接；其中传感器包括测重传感器和绳长传感器，测重传感器用于测量负载重量m₂，绳长传感器用于实时测量绳长l₁，两种传感器将测得的数据发送给控制器；控制器即防摇控制器，用于接收传感器发送的数据并计算运行机构的运行参数；变频器包括大车变频器、小车变频器和起升变频器；三坐标运行机构包括大车运行机构、小车运行机构和起升运行机构，在桥式起重机中，大车运行机构设置在大车即桥架上，沿两侧轨道方向移动，小车运行机构和起升运行机构设置在小车上，小车运行机构沿桥架方向运行，与大车运行机构运行的方向垂直，起升运行机构运行的方向与地平面垂直；大车变频器、小车变频器和起升变频器分别对应控制大车运行机构、小车运行机构和起升运行机构。

在桥式起重机双摆系统中，小车下方通过绳索吊有吊钩，吊钩与起升运行机构构成一级摆即单摆；吊钩通过绳索吊有负载，负载与吊钩构成二级摆即双摆。绳索为钢丝绳；负载为长型负载，如型材、棒材等。

本发明的一种桥式起重机双摆系统优化防摇控制方法，包括以下步骤：

S1：建立桥式起重机双摆系统物理模型，包括运行方向两两垂直的三坐标运行机构、通过绳索吊在小车下方的吊钩和通过绳索吊在吊钩下方的负载；三坐标运行机构包括大车运行机构、小车运行机构和起升运行机构，大车运行机构设置在大车即桥架上，沿两侧轨道方向移动，小车运行机构和起升运行机构设置在小车上，小车运行机构沿桥架方向运行，与大车运行机构运行的方向垂直，起升运行机构运行的方向与地平面垂直；吊钩与起升运行机构构成一级摆即单摆，负载与吊钩构成二级摆即双摆；

S2：根据包括大车和小车的期望运行速度、时滞时间、吊钩的起吊长度、负载到吊钩的斜拉绳长度、吊钩的偏摆角度、负载的偏摆角度、吊钩质量、负载质量的输入参数分别得到吊钩和负载偏摆的角频率、单摆和双摆的幅值、小车和大车的加速度参数：

S21：根据桥式起重机动力学分析确定桥式起重机双摆系统的偏摆的角频率；

在桥式起重机双摆系统物理模型中，设静止状态的起吊绳所在直线为竖直起吊中心，设θ₁为吊钩相对竖直起吊中心的偏摆角度，θ₂为负载偏离起吊绳长的角度，θ₃为负载偏离竖直起吊中心的角度，绳长传感器测得桥式起重机起吊绳长为l₁，负载斜拉钢丝绳长度为l₂，l_l为起吊负载长度，测重传感器测得吊钩质量为m₁，负载质量为m₂，两种传感器将测得数据发送至防摇传感器；设为吊钩的角加速度，为负载的角加速度，小车加速度为u，g为重力加速度常数；设 为起吊负载绕负载中点O的转矩，为吊钩到起吊负载的垂直距离；防摇控制器根据桥式起重机动力学分析建立桥式起重机双摆系统线性动力学微分模型为：

设得到吊钩偏摆的角频率ω₁和负载偏摆的角频率ω₂分别为：

S22：防摇控制器根据桥式起重机动力学微分方程建立桥式起重机的单摆模型，并得到解析解；根据三脉冲作用下解析解的二次型目标函数，得到初始状态为零时单摆系统的幅值和优化输入整形器；

设x为二维状态矢量，为x的一阶微分形式，是吊钩的角速度，则：

设A＝[0 1； -ω₁ 0]，则桥式起重机系统的单摆状态方程为：

设T₁为系统的时滞时间，A_1i为单摆的第i个脉冲的幅值，则：

设s为传递函数复变量，i为脉冲个数，在三脉冲输入整形器的作用下，设传递函数为设Q为正定对称加权矩阵，δ为单位脉冲，t为系统时间；则满足二次型目标函数的优化输入整形器为：

f₁(t)＝A₁₁δ(t)+A₁₂δ(t-T₁)+A₁₃δ(t-2T₁)；

S23：防摇控制器根据双模态输入整形器求解的级联法，得到桥式起重机双摆系统的幅值和优化输入整形器；

设y为二维状态矢量，是y的一阶微分形式，是负载的角速度，则：

设C＝[0 1； -ω₂ 0]，则桥式起重机系统的双摆状态方程为：

设A_2i为双摆的第i个脉冲的幅值，则：

在三脉冲输入整形器的作用下，设传递函数为则满足二次型目标函数的优化输入整形器为：

f₂(t)＝A₂₁δ(t)+A₂₂δ(t-T₁)+A₂₃δ(t-2T₁)；

S24：防摇控制器分别计算小车和大车的加速度；

设桥式起重机的小车的期望运行速度为v_maxx，则小车的加速度为：

设桥式起重机的大车的期望运行速度为v_maxd，则大车的加速度为：

S3：防摇控制器根据步骤S2得到的参数设置小车优化防摇输入整形器，向防摇控制器输入小车的运行速度和运行时间得到小车的运行加速度，防摇控制器向小车变频器输出控制指令，小车变频器控制小车的运行使负载的摆动角度得到抑制：

S31：设优化脉冲幅值分别为：

根据级联法得到传递函数为：

则桥式起重机双摆系统的小车优化防摇输入整形器为：

f_opx(t)＝a_x(B₁δ(t)+B₂δ(t-T₁)+B₃δ(t-2T₁)+B₄δ(t-3T₁)+B₅δ(t-4T₁))；

参见图3、图4和图5，在小车由静止开始的加速过程中，每次小车加速运行的时间为T₁，加速度大小分别为a_xB₁、a_xB₂、a_xB₃、a_xB₄、a_xB₅；当小车加速运行5T₁时，小车速度达到期望运行速度v_maxx，负载相对小车静止即负载的摆动角度得到抑制。同样在小车由期望运行速度v_maxx开始的减速过程中，每次小车减速运行的时间为T₁，加速度大小分别为a_xB₁、a_xB₂、a_xB₃、a_xB₄、a_xB₅；当小车减速运行5T₁时，小车速度达到零，负载摆动角度为零即负载的摆动角度得到抑制。

S32：防摇控制器向小车变频器输出控制指令；

S33：小车变频器控制小车的运行使负载的摆动角度得到抑制。

S4：防摇控制器根据步骤S2得到的参数设置大车优化防摇输入整形器，向防摇控制器输入大车的运行速度和运行时间得到大车的运行加速度，防摇控制器向大车变频器输出控制指令，大车变频器控制大车的运行使负载的摆动角度得到抑制：

S41：设优化脉冲幅值分别为：

根据级联法得到传递函数为：

则桥式起重机双摆系统的小车优化防摇输入整形器为：

f_opx(t)＝a_x(B₁δ(t)+B₂δ(t-T₁)+B₃δ(t-2T₁)+B₄δ(t-3T₁)+B₅δ(t-4T₁))；

在大车由静止开始的加速过程中，每次大车加速运行的时间为T₁，加速度大小分别为a_dB₁、a_dB₂、a_dB₃、a_dB₄、a_dB₅；当大车加速运行5T₁时，大车速度达到期望运行速度v_maxd，负载相对大车静止即负载的摆动角度得到抑制。同样在大车由期望运行速度v_maxx开始的减速过程中，每次大车减速运行的时间为T₁，加速度大小分别为a_dB₁、a_dB₂、a_dB₃、a_dB₄、a_dB₅；当大车减速运行5T₁时，大车速度达到零，负载摆动角度为零即负载的摆动角度得到抑制。

S42：防摇控制器向大车变频器输出控制指令；

S43：大车变频器控制大车的运行使负载的摆动角度得到抑制。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种桥式起重机双摆系统优化防摇控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：建立桥式起重机双摆系统物理模型，包括运行方向两两垂直的三坐标运行机构、通过绳索吊在小车下方的吊钩和通过绳索吊在吊钩下方的负载；三坐标运行机构包括大车运行机构、小车运行机构和起升运行机构，大车运行机构设置在大车即桥架上，沿两侧轨道方向移动，小车运行机构和起升运行机构设置在小车上，小车运行机构沿桥架方向运行，与大车运行机构运行的方向垂直，起升运行机构运行的方向与地平面垂直；吊钩与起升运行机构构成一级摆即单摆，负载与吊钩构成二级摆即双摆；

S2：根据包括大车和小车的期望运行速度、时滞时间、吊钩的起吊长度、负载到吊钩的斜拉绳长度、吊钩的偏摆角度、负载的偏摆角度、吊钩质量、负载质量的输入参数分别得到吊钩和负载偏摆的角频率、单摆和双摆的幅值、小车和大车的加速度参数；

S3：在约束条件中设置负载的摆动角度，根据步骤S2得到的参数设置小车优化防摇输入整形器，向小车优化防摇输入整形器输入小车的运行速度和运行时间得到小车的运行加速度，按小车的运行加速度控制小车的运行使负载的摆动角度得到抑制；

S4：在约束条件中设置负载的摆动角度，根据步骤S2得到的参数设置大车优化防摇输入整形器，向大车优化防摇输入整形器输入大车的运行速度和运行时间得到大车的运行加速度，按大车的运行加速度控制大车的运行使负载的摆动角度得到抑制。

2.根据权利要求1所述的一种桥式起重机双摆系统优化防摇控制方法，其特征在于：所述的步骤S2中，具体步骤为：

S21：根据桥式起重机动力学分析确定桥式起重机双摆系统的偏摆的角频率；

在桥式起重机双摆系统物理模型中，设静止状态的起吊绳所在直线为竖直起吊中心，设θ₁为吊钩相对竖直起吊中心的偏摆角度，θ₂为负载偏离起吊绳长的角度，θ₃为负载偏离竖直起吊中心的角度，l₁为桥式起重机起吊绳长，l₂为负载斜拉钢丝绳长度，l_l为起吊负载长度，m₁为吊钩质量，m₂为负载质量；设为吊钩的角加速度，为负载的角加速度，小车加速度为u，g为重力加速度常数；设 为起吊负载绕负载中点O的转矩，为吊钩到起吊负载的垂直距离；则根据桥式起重机动力学分析建立桥式起重机双摆系统线性动力学微分模型为：

设则吊钩偏摆的角频率ω₁和负载偏摆的角频率ω₂分别为：

S22：根据桥式起重机动力学微分方程建立桥式起重机的单摆模型，并得到解析解；根据三脉冲作用下解析解的二次型目标函数，得到初始状态为零时单摆系统的幅值和优化输入整形器；

设x为二维状态矢量，为x的一阶微分形式，是吊钩的角速度，则：

设A＝[0 1；-ω₁ 0]，则桥式起重机系统的单摆状态方程为：

设T₁为系统的时滞时间，A_1i为单摆的第i个脉冲的幅值，则：

设s为传递函数复变量，i为脉冲个数，在三脉冲输入整形器的作用下，设传递函数为设Q为正定对称加权矩阵，δ为单位脉冲，t为系统时间；则满足二次型目标函数的优化输入整形器为：

f₁(t)＝A₁₁δ(t)+A₁₂δ(t-T₁)+A₁₃δ(t-2T₁)；

S23：根据双模态输入整形器求解的级联法，得到桥式起重机双摆系统的幅值和优化输入整形器；

设y为二维状态矢量，是y的一阶微分形式，是负载的角速度，则：

设C＝[0 1；-ω₂ 0]，则桥式起重机系统的双摆状态方程为：

设A_2i为双摆的第i个脉冲的幅值，则：

在三脉冲输入整形器的作用下，设传递函数为则满足二次型目标函数的优化输入整形器为：

f₂(t)＝A₂₁δ(t)+A₂₂δ(t-T₁)+A₂₃δ(t-2T₁)；

S24：分别计算小车和大车的加速度；

设桥式起重机的小车的期望运行速度为v_maxx，则小车的加速度为：

设桥式起重机的大车的期望运行速度为v_maxd，则大车的加速度为：

3.根据权利要求2所述的一种桥式起重机双摆系统优化防摇控制方法，其特征在于：所述的步骤S3中，具体步骤为：

S31：设优化脉冲幅值分别为：

根据级联法得到传递函数为：

则桥式起重机双摆系统的小车优化防摇输入整形器为：

f_opx(t)＝a_x(B₁δ(t)+B₂δ(t-T₁)+B₃δ(t-2T₁)+B₄δ(t-3T₁)+B₅δ(t-4T₁))；

S32：设置负载的摆动角度为零的约束条件，向小车优化防摇输入整形器输入小车的运行速度和运行时间得到小车的运行加速度；

S33：按小车的运行加速度控制小车的运行使负载的摆动角度得到抑制。

4.根据权利要求2所述的一种桥式起重机双摆系统优化防摇控制方法，其特征在于：所述的步骤S4中，具体步骤为：

S41：设优化脉冲幅值分别为：

根据级联法得到传递函数为：

则桥式起重机双摆系统的小车优化防摇输入整形器为：

f_opd(t)＝a_d(B₁δ(t)+B₂δ(t-T₁)+B₃δ(t-2T₁)+B₄δ(t-3T₁)+B₅δ(t-4T₁))；

S42：设置负载的摆动角度为零的约束条件，向小车优化防摇输入整形器输入小车的运行速度和运行时间得到小车的运行加速度；

S43：按小车的运行加速度控制小车的运行使负载的摆动角度得到抑制。