CN110467109A - 一种起重机时间最优防摇控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种起重机时间最优防摇控制方法，设定小车或大车的指定运行速度、加速运行时间、以及最大运行加速度；实时测量负载起吊绳的绳长，计算负载偏摆频率；根据加速运行时间和负载偏摆频率之间的关系，分别对大车和小车加减速过程进行消摆。本发明以起吊绳长和指定运行速度作为输入，利用时间最优控制原理，求解起重机系统由静止状态加速到指定运行速度，或者由指定运行速度减速到零时的最优控制输入，进而基于负载偏摆频率的相轨迹，分析得到加速过程中加速和减速的切换时间，或者减速过程中减速和加速的切换时间，从而控制大车和小车在最短时间内加速到指定运行速度，或者减速到零，并消除负载摆动，从而提高起重机系统的工作效率。

Description

一种起重机时间最优防摇控制方法及系统

技术领域

本发明属于起重机控制领域，具体涉及一种起重机时间最优防摇控制方法及系统。

背景技术

桥式起重机系统包括大车、小车、起升机构和导轨等，广泛应用在车间仓库、钢铁冶金、垃圾处理等工业场所。然而起重机的柔性特点使得其在速度发生改变的过程中，负载不可避免的摆动，起重机工作过程中负载的摆动将严重影响起重机的工作效率，威胁周围工作人员和设备的安全。因此为抑制负载的摆动，传统人工操作采用“跟钩”来抑制负载的摆动，即当负载摆动角度增大时，控制大车或小车跟随负载的运行，从而减小负载与小车和大车的相对水平位移来消除负载的摆动。但是，现在起重机运行速度的增加和起重机工作效率要求的提高，使得人工防摇方式不能满足现代的工业生产需求。起重机防摇技术开始成为研究的热点。

目前起重机防摇技术的应用主要以开环防摇为主，其中以输入整形算法应用最广泛。输入整形开环防摇通过在初始时刻作用一个脉冲，负载角度开始增大，然后延时半个负载偏摆周围再次作用一个脉冲，此时负载角度开始减小。当起重机加速到期望速度或者减速到零时，负载将偏摆到零，此时负载与起重机大车和小车相对静止，则有负载的偏摆角度得到有效抑制。然而基于输入整形的开环优化防摇为消除负载摆动而运行的位移和时间与大车和小车的期望运行速度和起吊绳长成正比，大车和小车较大的期望运行速度和起吊绳长将使得抑制负载而运行的位移增大，运行时间增加，这将严重影响起重机的运行安全性，使得起重机操作变得困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种起重机时间最优防摇控制方法及系统，提高起重机防摇过程中的工作效率。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种起重机时间最优防摇控制方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

S1、预设：设定小车或大车的指定运行速度v_max、加速运行时间t_a、以及最大运行加速度a_max；

S2、负载偏摆频率ω计算：

实时测量负载起吊绳的绳长l，根据公式计算负载偏摆频率ω；g为重力加速度；

S3、按以下规则进行消摆：

3.1、当t_a＜π/ω时，小车或大车加速过程的消摆：当小车或大车接收到运行指令时，小车或大车由静止状态开始以最大加速度a_max加速运行，此时负载由静止状态开始摆动，偏摆角度逐渐增大；加速运行时间t_a后，小车或大车开始以最大加速度a_max减速运行；同时，负载偏摆角度继续增大，当小车或大车减速运行时间为t_d/2时，负载偏摆角度最大，然后负载偏摆角度开始减小；小车或大车的减速运行时间t_d后，再次以最大运行加速度a_max加速运行时间t_a到达指定运行速度v_max，此时负载角度减小到0，即实现小车或大车加速过程中负载摆动的抑制；

3.2、当t_a＜π/ω时，小车或大车减速过程的消摆：当小车或大车接收到减速运行指令时，记小车或大车匀速运行时间为t_c，小车或大车由指定运行速度v_max开始以最大加速度a_max减速运行，此时负载偏摆角度由零逐渐增大；减速运行时间t_a后，小车或大车开始以最大加速度a_max加速运行；同时，负载偏摆角度继续增大，当小车或大车加速运行时间为t_d/2时，负载偏摆角度最大，然后负载偏摆角度开始减小；小车或大车的加速运行时间t_d后，再次以最大运行加速度a_max减速运行时间t_a减速到零，此时负载角度减小到零，即实现小车或大车减速过程中负载摆动的抑制；

3.3、当t_a＝π/ω时，小车或大车加速过程的消摆：当小车或大车接收到运行指令时，小车或大车由静止状态开始以最大加速度a_max加速运行，此时负载由静止状态开始摆动，偏摆角度逐渐增大；当小车或大车加速运行时间为t_a时，负载偏摆角度最大，然后负载偏摆角度开始减小；小车或大车加速运行时间2t_a后，加速到指定运行速度v_max，此时负载角度减小到零，即实现小车或大车加速过程中负载摆动的抑制；

3.4、当t_a＝π/ω时，小车或大车减速过程的消摆：当小车或大车接收到减速运行指令时，记小车或大车匀速运行时间为t_c，小车或大车由指定运行速度v_max开始以最大加速度a_max减速运行，此时负载偏摆角度由零开始逐渐增大；当小车或大车减速运行时间为t_a时，负载偏摆角度最大，然后负载偏摆角度开始减小；小车或大车加速运行时间2t_a后，减速到零，此时负载角度减小到零，即实现小车或大车加速过程中负载摆动的抑制；

所述的t_d＝2tan^-1(sinωt_a/(2-cosωt_a))/ω。

一种起重机最优防摇控制系统，其特征在于：它包括绳长测量传感器、防摇控制器、大车变频器、小车变频器、大车运行机构和小车运行机构；其中，

绳长测量传感器实时测量起吊绳的长度，并传递给防摇控制器；防摇控制器用于采用所述的起重机最优防摇控制方法，输出大车和/或小车的运行速度轨迹，通过大车变频器和/或小车变频器，分别驱动大车运行机构和/或小车运行机构。

按上述系统，所述的绳长测量传感器为编码器或测距传感器。

按上述系统，所述的防摇控制器为工控机、PLC或嵌入式控制系统。

本发明的有益效果为：本发明在加速度允许的范围内，基于起重机系统动力学分析，建立起重机系统状态方程。以起吊绳长和指定运行速度作为输入，利用时间最优控制原理，求解起重机系统由静止状态加速到指定运行速度，或者由指定运行速度减速到零时的最优控制输入。进而基于负载角度和角速度/偏摆频率的相轨迹，分析得到加速过程中加速和减速的切换时间，或者减速过程中减速和加速的切换时间，从而控制大车和小车在最短时间内加速到指定运行速度，或者减速到零，并消除负载摆动。起重机系统防摇运行过程中加速度恒定，易于工程应用，防摇运行时间短，实现简单，可以提高起重机系统的工作效率。

附图说明

图1为本发明一实施例的控制示意图。

图2为本发明一实施例的最优控制输入示意图。

图3为起重机负载角度和角速度/负载偏摆频率的相轨迹。

图4是本发明一实施例的一段加速或减速时的速度轨迹。

图5是本发明一实施例的一段加速或减速时的负载角度。

图6是本发明一实施例的两段加速或减速时的速度轨迹。

图7是本发明一实施例的两段加速或减速时的负载角度。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

起重机的大车指起重机的桥架运行机构，小车是起升机构的运行部分。

本发明起重机时间最优防摇控制方法采用的控制系统主要包括绳长测量传感器、防摇控制器、大车变频器、小车变频器、大车运行机构和小车运行机构。其中绳长测量传感器可以是编码器、测距传感器等，用来实时测量起吊绳长长度，并实时传递给防摇控制器。防摇控制器可以是工控机、PLC、嵌入式控制系统等，根据实时测量绳长、设定大车和小车运行速度，利用时间最优防摇控制算法输出大车和小车运行速度轨迹，通过大车和小车变频器分别驱动大车和小车运行机构的运行来抑制负载摆动。

起重机系统负载偏摆频率ω的确定：假定g为重力加速常数，l为负载绳长，起重机系统动力学方程分析可得负载的振荡频率ω满足方程式中，θ是负载相对竖直起吊中心的偏摆角度，为负载的角加速度。

最优控制uo(t)的确定：起重机系统的状态方程为，式中，x是3维状态矢量， 是x的一阶微分。其中是小车或大车运行机构的运行速度，是负载的角速度，A是3×3起重机系统内部矩阵，|u|≤a_max，a_max为小车或大车最大加速度。B是3×1控制输入矩阵，则有设定起重机系统在小车和大车加速过程中由静止状态加速到指定运行速度，运行时间最短且最终负载相对小车和大车静止，即负载无摆动。根据时间最优控制可得小车或大车最优控制输入如图2所示，其求解方程为uo＝-a_maxsgn{c₁cos(ωt+c₂)}，式中，sgn(·)为符号函数，c₁和c₂是待定系数。

角度和角速度/偏摆频率相轨迹的确定：根据小车或大车最优控制输入方程可得分别以(a_max/l,0)和(-a_max/l,0)为圆心，半径为R的角度和角速度/偏摆频率相轨迹方程为其不同半径的相轨迹如图3所示。

起重机系统小车或大车的加速过程中的消摆规律：根据小车或大车最优控制输入方程、负载角度和角速度/偏摆频率相轨迹可得，小车或大车由静止状态开始以最大加速度a_max加速运行，此时负载由静止状态开始以偏摆频率ω沿圆心(a_max/l,0)、半径a_max/l的相轨迹顺时针运行。当小车或大车加速运行时间为t_a且t_a≤π/ω，小车或大车开始以最大加速度a_max减速运行，此时，负载以负载偏摆频率ω沿圆心(-a_max/l,0)、半径2a_max/l的相轨迹顺时针运行，小车或大车的减速运行时间为t_d，其计算公式为t_d＝2tan^-1(sinωt_a/(2-cosωt_a))/ω。然后小车或大车再次以负载偏摆频率ω沿圆心(a_max/l,0)、半径a_max/l的相轨迹顺时针运行，运行t_a时间后，小车或大车加速到指定运行速度v_max，此时负载回到相平面原点O，负载角度和角度为零，则有负载的摆动得到抑制。特别地当t_a＝π/ω时，t_d为0，则有小车或大车加速运行过程中以最大运行加速度a_max加速运行至指定运行速度v_max。

起重机系统小车或大车的减速过程中的消摆规律：根据小车或大车最优控制输入加速度方程、负载角度和角速度/偏摆频率相轨迹可得，小车或大车由指定运行速度v_max开始以最大加速度a_max减速运行，此时负载由摆角为0开始以负载偏摆频率ω沿圆心(-a_max/l,0)、半径a_max/l的相轨迹顺时针运行，当小车或大车减速运行时间为t_a且t_a≤π/ω时，小车或大车开始以最大加速度a_max加速运行，此时，负载以偏摆频率ω沿圆心(a_max/l,0)、半径2a_max/l的相轨迹顺时针运行，小车或大车的加速运行时间td的计算公式为t_d＝2tan-¹(sinωt_a/(2-cosωt_a))/ω。然后小车或大车再次以负载偏摆频率ω沿圆心(-a_max/l,0)、半径a_max/l的相轨迹顺时针运行，运行t_a时间后，小车或大车减速到零，此时负载回到相平面原点O，负载角度和角度为零，则有负载的摆动得到抑制。特别地当t_a＝π/ω时，t_d为0，则有小车或大车减速运行过程中以最大运行加速度a_max减速运行到0。

本发明具体实现步骤如下：

S1、预设：设定小车或大车的指定运行速度v_max、加速运行时间t_a、以及最大运行加速度a_max；

S2、负载偏摆频率ω计算：

实时测量负载起吊绳的绳长l，根据公式计算负载偏摆频率ω；g为重力加速度；

S3、按以下规则进行消摆：

3.1、当t_a＜π/ω时，小车或大车运行速度轨迹如图6所示，对应的负载摆动角度如图7所示。具体地小车或大车加速过程的消摆：当小车或大车接收到运行指令时，小车或大车由静止状态开始以最大加速度a_max加速运行，此时负载由静止状态开始摆动，偏摆角度逐渐增大；加速运行时间t_a后，小车或大车开始以最大加速度a_max减速运行；同时，负载偏摆角度继续增大，当小车或大车减速运行时间为t_d/2时，负载偏摆角度最大，然后负载偏摆角度开始减小；小车或大车的减速运行时间t_d后，再次以最大运行加速度a_max加速运行时间t_a到达指定运行速度v_max，此时负载角度减小到0，即实现小车或大车加速过程中负载摆动的抑制；

3.2、当t_a＜π/ω时，小车或大车减速过程的消摆：当小车或大车接收到减速运行指令时，记小车或大车匀速运行时间为t_c，小车或大车由指定运行速度v_max开始以最大加速度a_max减速运行，此时负载偏摆角度由零逐渐增大；减速运行时间t_a后，小车或大车开始以最大加速度a_max加速运行；同时，负载偏摆角度继续增大，当小车或大车加速运行时间为t_d/2时，负载偏摆角度最大，然后负载偏摆角度开始减小；小车或大车的加速运行时间t_d后，再次以最大运行加速度a_max减速运行时间t_a减速到零，此时负载角度减小到零，即实现小车或大车减速过程中负载摆动的抑制；

3.3、当t_a＝π/ω时，小车或大车运行速度轨迹如图4所示，对应的负载摆动角度如图5所示。具体地小车或大车加速过程的消摆：当小车或大车接收到运行指令时，小车或大车由静止状态开始以最大加速度a_max加速运行，此时负载由静止状态开始摆动，偏摆角度逐渐增大；当小车或大车加速运行时间为t_a时，负载偏摆角度最大，然后负载偏摆角度开始减小；小车或大车加速运行时间2t_a后，加速到指定运行速度v_max，此时负载角度减小到零，即实现小车或大车加速过程中负载摆动的抑制；

3.4、当t_a＝π/ω时，小车或大车减速过程的消摆：当小车或大车接收到减速运行指令时，记小车或大车匀速运行时间为t_c，小车或大车由指定运行速度v_max开始以最大加速度a_max减速运行，此时负载偏摆角度由零开始逐渐增大；当小车或大车减速运行时间为t_a时，负载偏摆角度最大，然后负载偏摆角度开始减小；小车或大车加速运行时间2t_a后，减速到零，此时负载角度减小到零，即实现小车或大车加速过程中负载摆动的抑制；

所述的t_d＝2tan^-1(sinωt_a/(2-cosωt_a))/ω。

起重机时间最优防摇控制系统的实施过程3.1-3.4应理解只是为了说明本防摇摆控制系统的全部实施过程，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设定即可。

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)

1.一种起重机时间最优防摇控制方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

S1、预设：设定小车或大车的指定运行速度v_max、加速运行时间t_a、以及最大运行加速度a_max；

S2、负载偏摆频率ω计算：

实时测量负载起吊绳的绳长l，根据公式计算负载偏摆频率ω；g为重力加速度；

S3、按以下规则进行消摆：

3.1、当t_a＜π/ω时，小车或大车加速过程的消摆：当小车或大车接收到运行指令时，小车或大车由静止状态开始以最大加速度a_max加速运行，此时负载由静止状态开始摆动，偏摆角度逐渐增大；加速运行时间t_a后，小车或大车开始以最大加速度a_max减速运行；同时，负载偏摆角度继续增大，当小车或大车减速运行时间为t_d/2时，负载偏摆角度最大，然后负载偏摆角度开始减小；小车或大车的减速运行时间t_d后，再次以最大运行加速度a_max加速运行时间t_a到达指定运行速度v_max，此时负载角度减小到0，即实现小车或大车加速过程中负载摆动的抑制；

3.2、当t_a＜π/ω时，小车或大车减速过程的消摆：当小车或大车接收到减速运行指令时，记小车或大车匀速运行时间为t_c，小车或大车由指定运行速度v_max开始以最大加速度a_max减速运行，此时负载偏摆角度由零逐渐增大；减速运行时间t_a后，小车或大车开始以最大加速度a_max加速运行；同时，负载偏摆角度继续增大，当小车或大车加速运行时间为t_d/2时，负载偏摆角度最大，然后负载偏摆角度开始减小；小车或大车的加速运行时间t_d后，再次以最大运行加速度a_max减速运行时间t_a减速到零，此时负载角度减小到零，即实现小车或大车减速过程中负载摆动的抑制；

3.3、当t_a＝π/ω时，小车或大车加速过程的消摆：当小车或大车接收到运行指令时，小车或大车由静止状态开始以最大加速度a_max加速运行，此时负载由静止状态开始摆动，偏摆角度逐渐增大；当小车或大车加速运行时间为t_a时，负载偏摆角度最大，然后负载偏摆角度开始减小；小车或大车加速运行时间2t_a后，加速到指定运行速度v_max，此时负载角度减小到零，即实现小车或大车加速过程中负载摆动的抑制；

3.4、当t_a＝π/ω时，小车或大车减速过程的消摆：当小车或大车接收到减速运行指令时，记小车或大车匀速运行时间为t_c，小车或大车由指定运行速度v_max开始以最大加速度a_max减速运行，此时负载偏摆角度由零开始逐渐增大；当小车或大车减速运行时间为t_a时，负载偏摆角度最大，然后负载偏摆角度开始减小；小车或大车加速运行时间2t_a后，减速到零，此时负载角度减小到零，即实现小车或大车加速过程中负载摆动的抑制；

所述的t_d＝2tan^-1(sinωt_a/(2-cosωt_a))/ω。

2.一种起重机最优防摇控制系统，其特征在于：它包括绳长测量传感器、防摇控制器、大车变频器、小车变频器、大车运行机构和小车运行机构；其中，

绳长测量传感器实时测量起吊绳的长度，并传递给防摇控制器；防摇控制器用于采用权利要求1所述的起重机最优防摇控制方法，输出大车和/或小车的运行速度轨迹，通过大车变频器和/或小车变频器，分别驱动大车运行机构和/或小车运行机构。

3.根据权利要求2所述的起重机时间最优防摇控制系统，其特征在于：所述的绳长测量传感器为编码器或测距传感器。

4.根据权利要求2所述的起重机时间最优防摇控制系统，其特征在于：所述的防摇控制器为工控机、PLC或嵌入式控制系统。