CN110775819B - 一种塔式起重机防摇摆控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种塔式起重机防摇摆控制系统及其控制方法，其中方法包括以下步骤：根据载荷摆角估算模型计算或根据陀螺仪检测获取实际载荷摆角；根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值计算电机辅给定速度；根据设定的电机加减速曲线计算电机主给定速度；根据电机主给定速度和电机辅给定速度计算电机给定速度，并根据电机给定速度驱动电机运行，从而使实际载荷摆角快速趋近于给定载荷摆角。本发明塔式起重机防摇摆控制系统及其控制方法有效消除了负载水平移动时的摇摆，不仅控制简单，调试方便，而且无需增加设备成本。

Description

一种塔式起重机防摇摆控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电动机控制技术领域，特别是涉及一种塔式起重机防摇摆控制方法及系统。

背景技术

传统塔式起重机的运行机构，其在运行过程中，如启动、停止、加速、减速等运动，由钢绳下的负载会不断地摇摆，这样不但会使塔式起重机的工作效率严重下降，而且增加了塔式起重机在运动过程中的安全隐患。

目前，大多数塔式起重机采用机械设计消除负载水平移动时的摇摆，例如采用多股钢绳相互缠绕以抵消各自的相对作用力，该防摇摆方法不仅设计复杂、成本高，而且维修麻烦。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种塔式起重机防摇摆控制方法及系统，以解决现有塔式起重机负载水平移动时所存在的摇摆问题。

本发明提出了一种塔式起重机防摇摆控制方法，该方法包括以下步骤：

根据载荷摆角估算模型计算或根据陀螺仪检测获取实际载荷摆角；

根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值计算电机辅给定速度；

根据设定的电机加减速曲线计算电机主给定速度；

根据电机主给定速度和电机辅给定速度计算电机给定速度，并根据电机给定速度驱动电机运行，从而使实际载荷摆角快速趋近于给定载荷摆角。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述载荷摆角估算模型的计算公式为：

其中，θ为实际载荷摆角，β_mt为电机角加速度，m为负载质量，g为重力加速度，L为钢绳绳长，k_f为阻尼系数，r为卷筒半径，k₁为减速机的减速比，s代表微分。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值计算电机辅给定速度具体包括：

根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值进行PID调节以计算出电机辅给定速度。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述电机实际运行过程中由电机给定速度驱动运行，电机给定速度由电机主给定速度加上电机辅给定速度计算得到。

根据本发明的另一方面，本发明还提出了一种塔式起重机防摇摆控制系统，该系统包括：

实际载荷摆角获取模块，用于根据载荷摆角估算模型计算或根据陀螺仪检测获取实际载荷摆角；

电机辅给定速度计算模块，用于根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值计算电机辅给定速度；

电机主给定速度计算模块，用于根据设定的电机加减速曲线计算电机主给定速度；

电机给定速度计算模块，用于根据电机主给定速度和电机辅给定速度计算电机给定速度，并根据电机给定速度驱动电机运行，从而使实际载荷摆角快速趋近于给定载荷摆角。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述载荷摆角估算模型的计算公式为：

其中，θ为实际载荷摆角，β_mt为电机角加速度，m为负载质量，g为重力加速度，L为钢绳绳长，k_f为阻尼系数，r为卷筒半径，k₁为减速机的减速比，s代表微分。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述系统还包括：

PID调节模块，用于根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值进行PID调节以计算出电机辅给定速度。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述电机实际运行过程中由电机给定速度驱动运行，电机给定速度由电机主给定速度加上电机辅给定速度计算得到。

本发明提出的一种塔式起重机防摇摆控制方法及系统，其通过包括上述技术方案，使得其在负载水平移动时，特别是在加减速过程中，可使实际载荷摆角可快速趋近于给定载荷摆角，从而有效消除负载水平移动时的摇摆，不仅控制简单，调试方便，而且无需增加设备成本。

附图说明

图1为塔式起重机的结构示意图。

图2为本发明塔式起重机防摇摆控制方法的流程图。

图3为本发明塔式起重机防摇摆控制系统的结构示意图。

图4为载荷摆角估算模型中速度及受力分析示意图。

图5为现有技术的塔式起重机防摇摆控制方法的载荷摆角仿真结果。

图6为本发明塔式起重机防摇摆控制方法的载荷摆角仿真结果。

图中：1、起重臂，2、小车，3、钢绳，4、负载，5、拉绳，6、卷筒；

301、实际载荷摆角获取模块，302、电机辅给定速度计算模块，303、电机主给定速度计算模块，304、电机给定速度计算模块。

具体实施方式

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

参阅图1，塔式起重机包括高出地面且水平设置的起重臂1、设置于起重臂1上并可沿起重臂1水平移动的小车2、悬吊于小车2下方以用于吊起负载4的钢绳3、设置在起重臂1上并通过拉绳5带动小车2水平移动的卷筒6、与卷筒6传动连接的减速机以及驱动所述减速机运行的电机，该塔式起重机通过电机运转使卷筒6转动，卷筒6转动过程中通过拉绳5带动小车2水平移动从而实现负载的水平移动。实际使用过程中，其电机可由变频器、伺服控制器等控制器驱动，在此不做限定。本发明的塔式起重机防摇摆控制方法及系统通过对电机的速度进行控制，使负载水平运动时的摆动角度(载荷摆角)θ快速趋近于零，以消除负载水平移动时的摇摆。

本发明中关键术语定义如下：

实际载荷摆角：通过计算或检测得到的载荷摆角，即塔式起重机的钢绳偏离竖直方向的夹角。

给定载荷摆角：负载水平移动中所期望的理想摆角，给定载荷摆角设为零，因为摆动的物体在阻尼的作用下最终会回到零位。

电机主给定速度：修正前的电机给定速度。

电机辅给定速度：电机主给定速度的修正量。

电机给定速度：修正后的电机给定速度。

如图2所示，本发明公开了一种塔式起重机防摇摆控制方法，该方法包括以下步骤：

S101、根据载荷摆角估算模型计算或根据陀螺仪检测获取实际载荷摆角；

具体实施中，所述载荷摆角估算模型的计算公式为：

其中，θ为实际载荷摆角，β_mt为电机角加速度，m为负载质量，g为重力加速度，L为钢绳绳长，k_f为阻尼系数，r为卷筒半径，k₁为减速机的减速比，s代表微分。

在此需要说明的是，通过载荷摆角估算模型计算可得到的实际载荷摆角，当然，还可通过陀螺仪直接测量出实际载荷摆角。通过陀螺仪测量实际载荷摆角属于现有技术，具体测量方法在此不再敷述。

S102、根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值计算电机辅给定速度；

具体实施中，所述根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值计算电机辅给定速度具体包括：

根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值进行PID调节以计算出电机辅给定速度，其中，PID调节的计算过程属于现有技术，因此在此不做敷述。

电机辅给定速度的计算规律为：当实际载荷摆角小于给定载荷摆角时，逐步增加电机辅给定速度；当实际载荷摆角大于给定的载荷摆角时，逐步减小电机辅给定速度。

S103、根据设定的电机加减速曲线计算电机主给定速度；

电机加减速曲线即电机从某一运行速度加速或减速到另一运行速度的加速曲线或减速曲线，可由设定的电机加减速时间、设定的电机目标速度和加减速曲线类型计算得到，此为现有技术，在此不再赘述。

S104、根据电机主给定速度和电机辅给定速度计算电机给定速度，并根据电机给定速度驱动电机运行，从而使实际载荷摆角快速趋近于给定载荷摆角。

具体实施中，所述电机实际运行过程中由电机给定速度驱动运行，电机给定速度由电机主给定速度加上电机辅给定速度计算得到，电机实际运行过程中，按照修正后的电机给定速度驱动电机运动，实时调整小车水平移动速度，使载荷摆角快速趋近于给定的载荷摆角，从而消除了负载水平移动时的摇摆。

如图3所示，基于同一发明构思，本发明还公开了一种塔式起重机防摇摆控制系统，该系统包括：

实际载荷摆角获取模块301，用于根据载荷摆角估算模型计算或根据陀螺仪检测获取实际载荷摆角；

电机辅给定速度计算模块302，用于根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值计算电机辅给定速度；

电机主给定速度计算模块303，用于根据设定的电机加减速曲线计算电机主给定速度；

电机给定速度计算模块304，用于根据电机主给定速度和电机辅给定速度计算电机给定速度，并根据电机给定速度驱动电机运行，从而使实际载荷摆角快速趋近于给定载荷摆角。

具体实施中，所述载荷摆角估算模型的计算公式为：

其中，θ为实际载荷摆角，β_mt为电机角加速度，m为负载质量，g为重力加速度，L为钢绳绳长，k_f为阻尼系数，r为卷筒半径，k₁为减速机的减速比，s代表微分。

优选地，所述系统还包括：

PID调节模块，用于根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值进行PID调节以计算出电机辅给定速度。

具体实施中，所述电机实际运行过程中由电机给定速度驱动运行，电机给定速度由电机主给定速度加上电机辅给定速度计算得到。

为了让本领域的技术人员进一步理解本发明，下面对载荷摆角估算模型的推导过程进行详细描述。

载荷摆角估算模型参阅图4所示，其具体推导过程如下：

由于塔式起重机在实际作业中允许的载荷摆角幅度很小，所以本模型可做如下近似处理：

sinθ＝θ，cosθ＝1 (2)

小车平移速度和负载摇摆速度满足如下公式：

v_m＝v_ccosθ-Lsθ≈v_c-Lsθ (3)

其中，v_c为小车平移速度，v_m为负载摇摆速度，L为钢绳绳长，θ为载荷摆角，s为微分算子。

公式(3)两边取微分得到：

a_m＝sv_m＝sv_c-Ls²θ＝a_c-Ls²θ (4)

其中，a_m为负载摇摆加速度，a_c为小车平移加速度。

沿负载摇摆方向的受力满足如下公式：

mgsinθ+k_fLsθ≈mgθ+k_fLsθ＝m(a_c-Ls²θ) (5)

整理公式(5)得到：

mLs²θ+k_fLsθ+mgθ＝ma_c (6)

整理公式(6)得到：

小车平移加速度与电机角加速度满足如下公式：

其中，r为卷筒半径，k₁为减速机的减速比，β_mt为电机角加速度。

在此需要说明的是，电机用于带动减速机运行，减速机用于驱动卷筒旋转，而卷筒旋转时通过拉绳的拉力带动小车水平移动，卷筒、减速机及电机等部分在图4中未给出。

将公式(8)代入公式(7)得到：

传动塔式起重机，其未采用本专利控制方法的仿真结果如图5所示。由图5可知，载荷摆角出现了严重的振荡，收敛时间长，最大的实际载荷摆角将近0.12rad。

采用本发明控制方法的仿真结果如图6所示。由图6可知，载荷摆角控制稳定，未出现振荡，且收敛快速，最大实际载荷摆角不到0.07rad，因此，其充分证明了本专利控制方法的准确性和有效性。

本发明提出的一种塔式起重机防摇摆控制方法及系统，其通过包括上述技术方案，使负载水平移动时，载荷摆角快速趋近于给定的载荷摆角，从而有效消除了负载水平移动时的摇摆，因此，本发明不仅控制简单，调试方便，而且无需增加设备成本。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种塔式起重机防摇摆控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据载荷摆角估算模型计算获取实际载荷摆角，所述载荷摆角估算模型的计算公式为：

，

其中，θ为实际载荷摆角，βmt为电机角加速度，m为负载质量，g为重力加速度，L为钢绳绳长，kf为阻尼系数，r为卷筒半径，k1为减速机的减速比，s代表微分；

根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值计算电机辅给定速度；

根据设定的电机加减速曲线计算电机主给定速度；

根据电机主给定速度和电机辅给定速度计算电机给定速度，并根据电机给定速度驱动电机运行，从而使实际载荷摆角快速趋近于给定载荷摆角。

2.根据权利要求1所述的塔式起重机防摇摆控制方法，其特征在于，所述根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值计算电机辅给定速度具体包括：

根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值进行PID调节以计算出电机辅给定速度。

3.根据权利要求1或2所述的塔式起重机防摇摆控制方法，其特征在于，所述电机实际运行过程中由电机给定速度驱动运行，电机给定速度由电机主给定速度加上电机辅给定速度计算得到。

4.一种塔式起重机防摇摆控制系统，其特征在于，包括：

实际载荷摆角获取模块，用于根据载荷摆角估算模型计算实际载荷摆角，所述载荷摆角估算模型的计算公式为：

，

其中，θ为实际载荷摆角，βmt为电机角加速度，m为负载质量，g为重力加速度，L为钢绳绳长，kf为阻尼系数，r为卷筒半径，k1为减速机的减速比，s代表微分；

电机辅给定速度计算模块，用于根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值计算电机辅给定速度；

电机主给定速度计算模块，用于根据设定的电机加减速曲线计算电机主给定速度；以及

电机给定速度计算模块，用于根据电机主给定速度和电机辅给定速度计算电机给定速度，并根据电机给定速度驱动电机运行，从而使实际载荷摆角快速趋近于给定载荷摆角。

5.根据权利要求4所述的塔式起重机防摇摆控制系统，其特征在于，所述系统还包括：

PID调节模块，用于根据给定载荷摆角和实际载荷摆角的差值进行PID调节以计算出电机辅给定速度。

6.根据权利要求4或5所述的塔式起重机防摇摆控制系统，其特征在于，所述电机实际运行过程中由电机给定速度驱动运行，电机给定速度由电机主给定速度加上电机辅给定速度计算得到。

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