CN111295354A - 起重机及用于控制这种起重机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种起重机，特别是塔式旋臂起重机，其包括从起重机悬臂(202)卷开并具有负载悬吊机构(208)的起重索(207)、用于使多个起重机元件运动且使负载悬吊机构(208)行进的驱动装置、用于控制驱动装置使得负载悬吊机构(208)沿行进路径行进的控制设备(3)以及用于阻尼负载悬吊机构(208)和/或起重索(207)的摆荡运动的摆动阻尼装置(340)。其中，摆动阻尼装置(340)具有用于检测起重索(207)和/或负载悬吊机构(208)的摆荡运动的摆动传感系统(60)以及包括闭合调节回路的调节模块(341)，该调节模块根据反馈到调节回路的摆动传感系统(60)的信号来影响对驱动装置的控制。本发明的特征在于，摆动阻尼装置(340)具有用于检测起重机的结构部件的变形和/或内在动态运动的结构动态传感系统(342)，并且摆动阻尼装置(340)的调节模块(341)设计为当影响对驱动装置的控制时，考虑摆动传感系统(60)的摆动信号以及反馈到调节回路并指示结构部件的变形和/或内在动态运动的结构动态信号。本发明还涉及一种用于控制起重机、特别是塔式旋臂起重机的相应方法，通过驱动装置使该起重机的附接至起重索(207)的负载悬吊机构(208)行进，由起重机的控制设备(3)控制该驱动装置，其中，由摆动阻尼装置(340)根据摆动相关的参数影响对驱动装置的控制，该摆动阻尼装置包括具有闭合调节回路的调节模块(341)。

Description

起重机及用于控制这种起重机的方法

技术领域

本发明涉及一种起重机、特别是塔式旋臂起重机，其具有从悬臂卷开并承载负载悬吊机构的起重索、用于使多个起重机元件运动且使负载悬吊机构行进的驱动装置、用于控制驱动装置使得负载悬吊机构沿着行进路径行进的控制设备以及用于阻尼负载悬吊机构的摆荡运动的摆动阻尼装置，其中，所述摆动阻尼装置具有用于检测起重索和/或负载悬吊机构的摆荡运动的摆动传感系统以及带有闭合调节回路的调节模块，该调节模块根据指示由摆动传感系统检测到的摆荡运动并反馈到调节回路的摆动信号来影响对驱动装置的控制。本发明还涉及一种用于控制起重机的方法，其中，由摆动阻尼装置根据摆动相关的参数来影响对驱动装置的控制。

背景技术

为了能够使起重机的负载吊钩沿着行进路径或在两个目标点之间行进，通常必须操纵和控制各种驱动装置。例如，对于起重索从能够在起重机的悬臂上行进的滑轮卷开的塔式旋臂起重机而言，使得塔架与设置于其上的悬臂一起或者悬臂相对于塔架绕直立转动轴线转动的转动机构、使得滑轮可以沿着悬臂行进的滑轮驱动器以及可以调整起重索并因此使负载吊钩可以升降的起重机构通常必须分别操纵和控制。对于具有变幅伸缩悬臂的起重机，除了使得悬臂或承载悬臂的上部结构绕直立轴线转动的转动机构以及用于调整起重索的起重机构之外，还需操纵用于上仰和下俯悬臂的变幅驱动器以及用于收缩和伸出伸缩节段的伸缩驱动器，在伸缩悬臂上存在变幅动臂时，还可能操纵变幅动臂驱动器。在这种起重机与例如具有变幅悬臂的塔式旋臂起重机或具有变幅对配悬臂的桅杆起重机的相似类型起重机的混合形式下，还可能分别控制其他驱动装置。

这里所所述的驱动装置通常由起重机操作员经由例如以操纵杆、摇杆开关、旋钮和滑阀和类似形式的相应操作元件来操纵和控制，如经验所示，这需要凭借许多感觉和经验才能在负载吊钩无大幅摆荡运动的情况下快速而平缓地行进到目标点。在目标点之间应尽量快速行进来实现高工作绩效，而在相应的目标点处应平缓停住，负载吊钩与其所附的负载不继续摆动。

这样控制起重机的驱动装置导致起重机操作员因需要集中注意力而疲惫，特别是由于经常持续重复完成行进路径和单调的工作。另外，如果起重机操作员未能足够熟练地操作起重机的操作杆或操作元件，当注意力下降或对相应类型的起重机经验不足时，则可能发生更大的悬挂负载的摆荡运动并且因此发生相应的潜在风险，。在实践中，即使对于有经验的起重机操作员，有时也会因对起重机的控制而一再发生负载的快速大幅摆荡振动，而使其衰减却十分缓慢。

为了克服不理想的摆荡运动问题，目前已经提出，起重机的控制设备设置有摆动阻尼装置，该摆动阻尼装置借助控制模块干预控制并影响对驱动装置的控制，例如阻止或减弱因对操作杆的过快或过强致动所致的驱动装置的过大加速度，或者限制较大负载时的特定行进速度，或者以类似方式主动干预行进运动，以便阻止负载吊钩的过大摆动。

这种用于起重机的摆动阻尼装置已知各种不同的实施例，例如通过根据例如倾角信号和/或陀螺仪信号的特定传感器信号来控制转动机构驱动器、变幅驱动器和滑轮驱动器。例如，文件DE 20 2008 018 260 U1或DE 10 2009 032 270 A1揭示了已知的起重机的负载摆动阻尼装置，并且其主题明确涉及这一范围，即关于摆动阻尼装置的原理。例如，在DE 20 2008 018 206 U1中，例如借助陀螺仪单元测量相对于垂线的缆索角度及其缆索角速度形式的变化，以在超过相对于垂线的缆索角速度的限制值时自动干预操控。

此外，文件EP 16 28 902 B1、DE 103 24 692 A1、EP 25 62 125 B1、US 2013 0161 279 A、DE 100 64 182 A1或US 55 26 946 B分别揭示了考虑摆动动态或者摆动与驱动动态的起重机的闭合回路调节的构思。然而，将这类已知构思应用于具有细长屈曲结构的“软质”挠性起重机、例如应用于具有结构动态的塔式旋臂起重机，通常会导致可激发的结构动态迅速陷入危险的失稳振动。

这种考虑到摆动动态的对起重机的闭合回路调节也是各种科学文献的主题，例如参阅加拿大安大略省尼亚加拉瀑布城2005年召开的IEEE机电一体化与自动化国际会议，2005版第3卷第1533-1538页，E.Arnold、O.Sawodny、J.Neupert和K.Schneider所著的《Anti-sway system for boom cranes based on a model predictive controlapproach(基于模型预测控制方法的悬臂起重机防摆系统)》，以及《Automatisierungstechnik(自动技术期刊)》第56(8/2008)期，E.Arnold、J.Neupert、O.Sawodny所著的《Modell-

Trajektoriengenerierung für flachheitsbasierte Folgeregelungen am Beispiel eines Hafenmobilkrans(例如移动式港口起重机的基于平坦度的随动调节的模型预测轨迹生成》，或者《Control EngineeringPractice(控制工程实践)》2010年第18期第31-44页，doi：10.1016/j.conengprac.2009.08.003，J.Neupert、E.Arnold、K.Schneider和O.Sawodny所著的《Tracking and anti-sway control for boom cranes(悬臂起重机的跟踪与防摆控制)》。

此外，利勃海尔(Liebherr)公司提出一种名为“Cycoptronic”的用于海上起重机用负载摆动阻尼系统，该系统预先计算负载运动和比如风力的影响，并且基于这种预先计算自动启动补偿运动，以避免任何负载摇摆。具体而言，该系统还借助陀螺仪来检测缆索相对于垂线的角度及其变化，以便根据陀螺仪信号来干预操控。

但是，对于具有极重有效负载构造的细长起重机结构(比如尤其塔式旋臂起重机)以及具有可以绕直立轴线转动的悬臂的其他起重机(如变幅伸缩悬臂式起重机)而言，常规的摆动阻尼装置有时难以通过正确的方式干预对驱动器的控制来实现期望的摆动阻尼作用。这时，当使驱动器加速或减速时，可能在结构部件、特别是塔架和悬臂的区域内发生结构部件的动态效应和弹性变形，使得对驱动装置的干预——例如滑轮驱动器或转动机构的减速或加速——不会直接以期望的方式影响负载吊钩的摆动运动。

一方面，当以摆动阻尼的方式操纵驱动器时，结构部件中的动态效应会在传递到起重索和吊钩时发生时延。另一方面，所述动态效应也可能对负载摆动产生过度甚至负面的影响。例如，如果首先因过快地操纵滑轮驱动器而使负载向后朝向塔架摆动，并且摆动阻尼装置通过使滑轮驱动器减速而将其抵消，则可能发生悬臂的俯仰运动，因为塔架会相应变形，从而影响期望的摆动阻尼效应。

特别是对于塔式旋臂起重机而言，因其构造轻巧而可能出现这样的问题：与其他一些类型的起重机相比，钢结构的摆动无法忽略，但出于安全原因应当执行(闭合回路)调节，因为否则通常会导致钢结构发生危险的失稳振动。

发明内容

以此为出发点，本发明的目的是提供一种改进的起重机及其控制方法，以克服现有技术中的缺陷并且以有利的方式改进现有技术。优选地应当实现，根据起重机操作员的期望值来移动有效负载，并且在此情形下经由调节主动地阻尼不理想的摆荡运动，同时不激发不理想的结构动态运动，而且还通过调节进行阻尼来实现提高的安全性、简化的操作性和自动化能力。对于塔式旋臂起重机而言，特别是应当实现更好地考虑起重机结构的多重影响的改进摆动阻尼。

根据本发明，所述目的通过根据权利要求1所述的起重机以及根据权利要求22所述的方法来实现。本发明的优选实施例是从属权利要求的主题。

因此提出，在摆动阻尼措施中不仅考虑缆索本身的本征摆动运动，而且还考虑起重机结构或起重机及其驱动系的钢结构的动态。不再将起重机视为将驱动装置的驱动运动直接等同(即1:1)转换为起重索的悬置点的运动的固定刚体。相反，摆动阻尼装置将起重机视为一种软性结构，该软性结构的钢构件或结构部件(比如塔架桁架和悬臂)及其传动系在加速时表现出弹性和挠性，并且在以摆动阻尼的方式影响对驱动装置的控制时考虑这种起重机的结构部件的动态。

在此情形下，借助闭合调节回路来主动地阻尼摆荡动态以及结构动态。特别是，主动地调节作为塔式旋臂起重机的摆荡、驱动与结构动态的耦合结果的整体系统动态，以便根据期望的规格移动有效负载。在此情形下，传感器一方面用于测量摆荡动态的系统参数，而另一方面用于测量结构动态的系统参数，其中，可以在基于模型的观测器中将不可测的系统参数估计为系统状态。驱动器的控制信号通过基于模型的调节系统计算为系统状态的反馈，从而调节回路闭合，并产生改变的系统动态。该调节系统构造为使得闭合调节回路的系统动态稳定，并迅速补偿调节误差。

根据本发明，在起重机、特别是塔式旋臂起重机上，通过不仅对摆荡动态而且对结构动态的测量值的反馈，来提供具有结构动态的闭合调节回路。除了用于检测起重索运动和/或负载悬吊机构运动的摆动传感系统之外，摆动阻尼装置还包括用于检测起重机结构或至少其结构部件的动态变形和运动的结构动态传感系统，其中，摆动阻尼装置的调节模块以摆动阻尼的方式影响对驱动装置的控制并构造为当影响对驱动装置的控制时，考虑由摆动传感系统所检测到的摆荡运动以及由结构动态传感系统所检测到的起重机结构部件的动态变形。向闭合调节回路反馈摆动传感器信号以及结构动态传感器信号。

因此，摆动阻尼装置不再将起重机结构或机械结构视为刚性，即所谓的无限刚性结构，而是将其视为可弹性变形和/或易弯和/或相对软质的结构，其——除了机械的调节运动轴线(比如悬臂变幅轴线或塔架转动轴线)之外，还允许因结构部件的变形而进行运动和/或改变位置。

对于细长且从静态和动态边缘条件有意地(考虑到必要的安全特性)屈曲(ausgereizt)的结构，比如塔式旋臂起重机或伸缩式起重机，考虑机械结构因负载或动态负载下的结构变形而引起的自身内在可动性尤其重要，因为这里结构部件的变形足以引起例如悬臂以及因此负载吊钩的位置明显参与运动。为了能够更好地抵消摆动起因，摆动阻尼应当考虑机械结构在动态负载下的这种变形和运动。

这样能够实现的显著优势在于：

首先通过控制装置的调节性能来降低结构部件的摆动动态。这里通过操纵性能主动阻尼摆动，或通过调节性能甚至完全不引起摆动。

钢结构同样受到保护并受到更小的应变。特别是通过调节性能减小冲击负载。

另外，通过这种方法还能限定操纵性能的影响。

通过了解结构动态和调节方法，特别是可以减少并阻尼俯仰摆动。由此负载表现得更加平稳并且稍后在静止位置不再上下往复摇摆。通过考虑塔架的扭转和悬臂的摆转弯曲变形，也能更好地监控绕悬臂的直立转动轴线在圆周方向上的横摆运动。

基本上能够以各种不同方式确定上述结构部件和传动系的弹性变形和运动以及由此产生的内在运动。

特别是，为此设置的结构动态传感系统可以构造为检测结构部件在动态负载下的弹性变形和运动。

这样的结构动态传感系统可以例如包括变形传感器，比如起重机钢结构(例如塔架和/或悬臂的桁架)上的应变仪。

替代地或附加地，可以设置特别是陀螺仪、陀螺传感器和/或陀螺计形式的转动速率传感器和/或加速度计和/或速度计，以便检测结构部件的某些运动，比如悬臂尖端的俯仰运动和/或悬臂的转动动态效应和/或塔架的扭转和/或弯曲运动。

此外，可以设置倾斜计，以便检测悬臂的倾斜度和/或塔架的倾斜度，特别是悬臂从水平线的偏转度和/或塔架从垂线的偏转度。

原则上，这里结构动态传感系统可以与不同类型的传感器协作，特别是也可以将不同类型的传感器相互组合。有利地，可以使用应变仪和/或加速度计和/或转动速率传感器，特别是采用陀螺仪、陀螺传感器和/或陀螺计形式来检测起重机结构部件的变形和/或内在动态运动，其中，加速度计和/或转动速率传感器优选构造为进行三轴检测。

这样的结构动态传感器可以设置于悬臂和/或塔架处，特别是其支承悬臂的上段处，以检测塔架的动态。例如，猛升的起重运动导致悬臂的俯仰运动，伴随着塔架的弯曲运动，其中，塔架的加速振动又导致悬臂的俯仰振动，伴随着相应的负载吊钩运动。

特别是可以设置角度传感系统，用于确定塔架上端部段与悬臂之间的转动差角，其中，塔架上端部段和悬臂例如可以分别附接有角度传感器，所述角度传感器的信号在观测差异时可以指示所述转动差角。另外，还可以有利地设置转动速率传感器，用于确定悬臂和/或塔架上端部段的转动速度，以便能够确定与上述转动差角相关的塔架扭转运动的影响。由此既能更准确地估计负载位置，又能在运行操作期间主动地阻尼塔架扭转。

在本发明的有利改进方案中，双轴或三轴转动速率传感器和/或加速度计可以在起重机直立转动轴线的区域中附接至悬臂尖端和/或悬臂，以便能够确定悬臂的结构动态运动。

替代地或附加地，传动系也可以与运动传感器和/或加速度计相关联，以便能够检测传动系的动态。例如，滑轮中用于起重索的转向滑轮和/或变幅臂中用于牵拉索的转向滑轮可以与转动编码器相关联，以便能够检测相关点的实际缆索速度。

有利地，驱动装置本身也与适当的运动和/或速度和/或加速度计相关联，以便相应地检测驱动装置的驱动运动并可以将它们与所估计和/或检测到的结构部件(比如钢结构)的变形以及传动系的屈曲值相关联。

特别是，通过将与驱动装置直接相关联的运动和/或加速度计的信号与了解结构几何形状的结构动态传感器的信号进行比较，可以确定结构部件的运动和/或加速度分量，该分量不仅可以追溯到起重机结构的动态变形或扭转，而且还可追溯到比如由驱动运动引起而且在完全刚性的硬起重机中也会发生的起重机自身运动。例如，如果将塔式旋臂起重机的转动机构调整10°，但在悬臂尖端处仅检测到约9°的转动，则可以推断出塔架的扭转和/或悬臂的弯曲变形，又可以同时将其与例如附接至塔顶的转动速率传感器的转动信号进行比较，以便能够区分塔架扭转和悬臂弯曲。如果负载吊钩从起重机构提升一米，但同时在悬臂处确定例如约1°的向下俯仰运动，则考虑到滑轮的伸出长度，可以推断出实际的负载吊钩运动。

有利地，结构动态传感系统可以检测结构变形的不同运动方向。特别是，结构动态传感系统可以具有用于检测起重机结构在与起重机悬臂平行的直立平面中的动态运动的至少一个径向动态传感器以及用于检测起重机结构绕起重机直立转动轴线、特别是塔架轴线的动态运动的至少一个摆转动态传感器。在此情形下，摆动阻尼装置的调节模块构可以造为根据所检测的起重机结构在与悬臂平行(特别是与悬臂纵向方向平行)的直立平面中的动态运动以及所检测的起重机结构绕起重机直立转动轴线的动态运动，影响对驱动装置的控制，特别是对滑轮驱动器和转动机构驱动器的控制。

另外，结构动态传感系统可以至少具有起重动态传感器，用于检测起重机悬臂的竖直动态变形，并且摆动阻尼装置的调节模块构造为根据所检测的悬臂的竖直动态变形来影响对驱动装置的控制，特别是对起重机构驱动器的控制。

有利地，结构动态传感系统构造检测起重机悬臂和/或起重机塔架的动态扭转的本征频率处于预定频率范围内的全部本征模式。为此，结构动态传感系统可以具有与塔架本征振动的节点间隔布置并用于检测塔架扭转的至少一个、优选多个塔架传感器以及与悬臂本征振动的节点间隔布置并用于检测悬臂扭转的至少一个、优选多个悬臂传感器。

特别是，用于检测结构运动的多个传感器可以放置成能够确保观察到本征频率位于相关频率范围内的全部本征模式。原则上，每一摆荡运动方向上，一个传感器便足矣，但实践中建议使用多个传感器。例如，在结构本征模式的测量变量的节点(例如滑轮在第一悬臂本征模式的转动节点处的位置)放置单个传感器可能导致丧失观察性，通过在另一位置添加传感器能够避免这一点。特别是，建议在悬臂尖端处以及转动机构附近的悬臂上使用三轴转动速率传感器或加速度计。

原则上，结构动态传感系统可以与不同类型的传感器协作来检测本征模式，特别是也可以将不同类型的传感器相互结合。有利地，上述结构动态传感系统可以使用用于检测起重机结构部件的变形和/或内在动态运动的应变仪和/或加速度计和/或转动速率传感器，特别是采用陀螺仪形式，其中，加速度计和/或转动速率传感器优选构造为进行三轴检测。

特别是，结构动态传感系统可以具有至少一个用于检测塔架动态变形的转动速率和/或加速度计和/或应变仪、至少一个转动速率和/或加速度计和/或用于检测悬臂动态变形的应变仪。有利地，转动速率和/或加速度计可以设置于不同的塔架部段处，特别是至少设置于塔架尖端和悬臂的铰接点处，并且视情况设置于悬臂下方的塔架中段中。替代地或附加地，转动速率和/或加速度计可以设置于悬臂的不同部段处，特别是至少设置于悬臂尖端和/或滑轮和/或悬臂所铰接的悬臂支脚处和/或起重机构中的悬臂部段处。有利地，所述传感器布置于各个结构部件处，使得它们能够检测其弹性扭转的本征模式。

在本发明的改进方案中，所述摆动阻尼装置也可以包括估计装置，其考虑到起重机结构的特征条件，估计根据所确定的驱动装置的驱动动作和/或根据所确定的驱动装置的速度和/或加速度曲线而得出的机械结构在动态负载下的变形和运动。特别是，借助这种估计装置可以估计传感器无法或难以检测到的结构动态的系统变量，视情况也可估计摆动动态的系统变量。

这样的估计装置可以例如访问存储和/或彼此关联例如塔架高度、悬臂长度、刚度、截面惯性矩等起重机结构变量的数据模型，以便随后基于具体负载情况，即负载吊钩上负载的重量和当前跨距，估计哪些动态效应(即钢结构和传动系中的变形)对驱动装置产生一定致动。根据这样估计的动态作用，摆动阻尼装置则可以干预对驱动装置的控制并影响驱动装置的驱动调节器的调节变量，以便避免或减少负载吊钩和起重索的摆荡运动。

特别是，用于确定这种结构变形的确定装置可以具有计算单元，该计算单元基于所存储的计算模型根据在控制台输入的控制命令来计算这些结构变形和由此所得的结构部分运动。这样的模型可以类似于有限元模型构建或者作为有限元模型，但有利地，使用与有限元模型相比明显简化的模型，该模型例如可以凭经验来确定，这是通过检测某些控制命令下的结构变形和/或真实起重机或真实机械的负载状态。这样的计算模型可以例如与表格协作，该表格中将某些控制命令与某些变形相关联，其中，可以借助插值器件将控制命令的中间值换算成相应的变形。

根据本发明的另一有利方面，调节模块可以在闭合调节回路中包括滤波器装置或观测器，其一方面观察起重机的结构动态反应以及起重索或负载吊钩的摆荡运动，如它们由结构动态传感系统和摆动传感系统检测并用来设置驱动调节器的某些调节变量，以便观测器或过滤器装置考虑到起重机动态模型的预定定律，该动态模型可以原则上具有不同性质并可以通过分析和模拟钢结构获得，因此可以基于观察到的起重机结构和摆动反应影响调节器的调节变量。

这样的滤波器或观测器装置可以特别是采用所谓的卡尔曼滤波器形式构造，既能向该卡尔曼滤波器馈送起重机的驱动调节器的调节变量又能向其馈送摆动传感器的摆动信号以及反馈到调节回路并指示结构部件的变形和/或内在动态运动的结构动态信号作为输入变量，并且该卡尔曼滤波器从这些输入变量基于卡尔曼方程(它们对起重机结构、特别是其钢部件和传动系的动态系统进行建模)相应地影响驱动调节器的调节变量，以便实现期望的摆动阻尼作用。

在卡尔曼滤波器中，有利地实现所检测和/或估计和/或计算和/或模拟的表征起重机的结构部件动态的函数。

特别是向上述卡尔曼滤波器馈送借助结构动态传感系统检测到的动态的悬臂变形和塔架变形以及借助摆动传感系统检测到的吊钩位置，特别是其相对于垂线的斜拉，即起重索相对于垂线的偏转。有利地，用于检测负载吊钩的位置的检测装置可以包括成像传感系统，例如相机，其从起重索、例如滑轮的悬置点基本上竖直俯视。图像评估装置可以在由成像传感系统提供的图像中识别吊钩并确定其偏心距或其距图像中心的偏移量，这是吊钩相对于垂线偏转的量度并因此表征负载摆动。替代地或附加地，陀螺传感器可以检测起重索与悬臂和/或相对于垂线的牵拉角并将其馈送到卡尔曼滤波器。

作为这样借助成像传感系统检测负载吊钩摆动的替代或补充，摆动传感系统也可以与惯性检测装置协作，该惯性检测装置附接至负载吊钩或负载悬吊机构并提供加速度与转动速率信号，这些信号反映负载吊钩的平移加速度和转动速率。

这样附接至负载悬吊机构的惯性测量单元(有时又称IMU)可以具有用于提供加速度与转动速率信号的加速度与转动速率传感机构，该加速度与转动速率传感机构既指示沿不同空间轴的平移加速度又指示关于不同空间轴的转动速率或陀螺信号。在此情形下，可以提供转动速度，原则上也可以提供转动加速度，或者也可以提供这两者。

有利地，惯性测量单元可以检测三个空间轴上的加速度以及绕至少两个空间轴的转动速率。加速度传感机构可以采用三轴工作构造，而陀螺传感机构可以采用双轴工作构造。

附接至负载吊钩的惯性测量单元可以将其加速度与转动速率信号和/或从中导出的信号有利地无线传递到控制和/或评估装置，该控制和/或评估装置可以附接至起重机的结构部件或者也可以单独布置于起重机附近。特别是，可以进行传递到接收器，该接收器可以附接至滑轮和/或起重索自其卷开的悬臂。有利地，可以例如经由WLAN连接进行传输。

通过这样无线连接惯性测量单元，也能非常简便地在现有起重机上改装摆动阻尼，而无需为此采取复杂的改装措施。实质上，仅需将惯性测量单元附接至负载吊钩和与其通信的接收器，该接收器将信号传递到控制或调节装置。

根据惯性测量单元的信号，可以有利地以分两步的方法确定负载吊钩或起重索相对于垂线的偏转度。首先确定吊钩的倾斜度，因为这不必与负载吊钩相对于滑轮或悬置点的偏转度以及起重索相对于垂线的偏转度相匹配，然后根据吊钩的倾斜及其加速度，确定所需的负载吊钩或起重索相对于垂线的偏转度。惯性测量单元紧固至负载吊钩，因此加速度与转动速率信号会受到起重索的摆荡运动以及吊钩相对于起重索倾斜的动态影响。

特别是，可以通过三个计算步骤进行对负载摆角的准确估计，然后调节器可以将其用于主动摆动阻尼。这三个计算步骤特别是可以包括以下步骤：

i.例如通过互补滤波器确定吊钩倾斜度，该互补滤波器可以由陀螺信号确定高频分量并由重力向量的方向确定低频分量并且可以进行互补拼合以确定吊钩倾斜度；

ii.轮换加速度测量值或从地固坐标系转换成惯性坐标系；

iii.借助扩展卡尔曼滤波器和/或借助摆角与横向加速度测量值和重力常数之商的简单关系来估计负载摆角。

有利地，首先借助互补滤波器由惯性测量单元的信号确定负载吊钩的倾斜度，该互补滤波器利用惯性测量单元的平移加速度信号和陀螺信号的不同特点，其中替代地或附加地，也可以利用卡尔曼滤波器来由加速度与转动速率信号确定负载吊钩的倾斜度。

然后，根据所检测的负载悬吊机构的倾斜度，可以借助卡尔曼滤波器和/或借助由水平惯性加速度和重力加速度的静态计算来确定负载吊钩相对于滑轮或相对于起重索的悬置点的偏转度和/或起重索相对于垂线的偏转度。

特别是，摆动传感系统可以具有具有用于由惯性测量单元的加速度与转动速率信号来确定和/或估计负载悬吊机构的倾斜度的第一确定机构以及用于由所检测的负载悬吊机构的倾斜度和负载悬吊机构的惯性加速度来确定起重索和/或负载悬吊机构相对于垂线的偏转度的第二确定机构。

所述第一确定机构可以特别是具有互补滤波器，该互补滤波器具有用于惯性测量单元的转动速率信号的高通滤波器以及用于惯性测量单元的加速度信号或从中导出的信号的低通滤波器，其中，所述互补滤波器可以构造为将基于经高通滤波的转动速率信号得出的负载悬吊机构基于转动速率的倾斜度估值与基于经低通滤波的加速度信号得出的负载悬吊机构基于加速度的倾斜度估值相互关联，并由关联后的负载悬吊机构基于转动速率与基于加速度的倾斜度估值来确定所需的负载悬吊机构的倾斜度。

在此情形下，负载悬吊机构基于转动速率的倾斜度估值可以包括经高通滤波的转动速率信号的积分。

负载悬吊机构基于加速度的倾斜度估值可以是基于测得的水平加速度分量与测得的竖直加速度分量之商，由此基于以下关系式来获取基于加速度的倾斜度估值：

用于基于所检测的负载吊钩的倾斜度来确定负载吊钩或起重索相对于垂线的偏转度的第二确定机构可以具有滤波器和/或观测器装置，该滤波器和/或观测器装置将所检测的负载悬吊机构的倾斜度作为输入变量来考虑并由负载悬吊机构的惯性加速度确定起重索和/或负载悬吊机构相对于垂线的偏转度。

所述滤波器和/或观测器装置可以特别是包括卡尔曼滤波器，尤其是扩展卡尔曼滤波器。

作为这样卡尔曼滤波器的替代或补充，第二确定机构也可以具有计算机构，用于由加速度的静态关系式、特别是由水平惯性加速度与重力加速度之商计算起重索和/或负载悬吊机构相对于垂线的偏转度。

根据本发明的另一有利方面，在摆动阻尼中采用两自由度调节结构，使得上述状态反馈(feedback)通过预控(feedforward)得到补充。在此情形下，状态反馈用于确保稳定性并快速补偿调节误差，而预控具有良好的领导行为，由此在理想情况下不会出现任何调节误差。

预控可以有利地经由本身公知的微分平坦法来确定。关于所述的微分平坦法，参阅Ralf Rothfuβ1997年在VDI出版社出版的论文《Anwendung der flachheitsbasiertenAnalyse und Regelung nichtlinearer

ensysteme(基于平坦分析和调节非线性多变量系统的应用)》，即本公开的主题涉及上述微分平坦法。

与驱动的起重机运动和摆荡运动相比，结构运动的偏转度很小，因此确定预控可忽略结构动态，由此起重机、特别是塔式旋臂起重机可以表示为负载坐标作为平坦输出的平坦系统。

有利地，与闭合调节回路的反馈调控相比，忽略结构动态来计算两自由度结构的预控和基准状态，即，出于预控目的，将起重机视为刚性或所谓的无限刚性结构。由于弹性结构的偏转度很小，远小于驱动器执行的起重机运动，这会导致预控中的偏差度极小并因此可忽略不计。然而，为此能够将对出于预控目的视为刚性的塔式旋臂起重机、特别是塔式旋臂起重机表达为平坦系统，可易于对其求逆。负载位置的坐标是该系统的平坦输出。根据平坦输出及其时间导数，可以通过代数方法(逆系统)精确计算调节变量和系统状态的必要期望路线，而无需进行模拟或优化。这样就能将负载带到目标位置而不会过摆。

负载位置所需的基于平坦的预控及其导数可以有利地由轨迹规划模块和/或通过期望值滤波来计算。如果经由轨迹规划或期望值滤波确定负载位置的期望路线及其前四个时间导数，则可以由此在预控中经由代数方程式计算用于控制驱动器的必要调节信号的确切路线以及相应系统状态的确切路线。

为了使得预控不会激发任何结构运动，可以有利地在轨迹规划与预控之间切换陷波滤波器，以便从规划的轨迹信号中消除结构动态的可激发本征频率。

调节基础模型可以原则上具有不同性质。有利地，利用整个系统动态的紧凑表示作为耦合的摆动、驱动与结构动态，其适合作为观测器和调节的基础。在本发明的有利改进方案中，通过建模法确定起重机调节模型，其中将整个起重机动态分成若干独立的部分，而有利地，对于塔式旋臂起重机而言，全部运动中的一部分基本上是由转动机构驱动器激发(摆转动态)，全部运动中的一部分基本上是由滑轮机构驱动器激发(径向动态)，以及起重索方向上的动态是由绞盘机构驱动器激发。

独立观察这些部分而忽略耦合就能允许实时计算系统动态，特别是简化紧凑地表示摆转动态作为分布参数系统(通过线性偏微分方程来表达)，其精确地表达悬臂结构动态并且经由公知方法很容易就能缩减到所需本征模数。

在此情形下，有利地将驱动器动态建模为一阶滞后项或静态增益因数，其中，可以为驱动器预定扭矩、转速、作用力或速度作为调节变量。通过在各个驱动器的变频器中进行从属调节来调准该调节变量。

可以将摆动动态建模为理想化的单摆/双摆，其具有一点/两点形式的负载质量以及假定无质量或模态降阶为缆索的最重要本征模的有质量的一条/两条单索。

结构动态可以通过将连梁形式的钢结构近似为分布参数模型来推导，该分布参数模型可以通过公知方法来离散化并按系统顺序减小，由此采取紧凑的形式，可以快速计算，并简化观测器和调节设计。

所述摆动阻尼装置可以在通过操纵例如操纵杆等相应的操作元件手动操纵起重机时监视起重机操作员的输入命令并在必要时过调，特别是在某种意义上，即当由起重机操作员预定的起重机运动已经导致或即将导致负载吊钩摆动时，由起重机操纵员减小例如过强预设的加速度或自动导入反向运动。有利地，调节模块尝试尽量保持接近起重机操作员期望的运动和运动曲线，以便为起重机操作员赋予控制感，并且手动输入的控制信号仅在必要的范围内过调才能尽量无摆动且无振荡地执行期望的起重机运动。

替代地或附加地，即使在自动操纵起重机时也能使用所述摆动阻尼装置，其中起重机的控制设备在自动驾驶(Autopilot)的意义上使起重机的负载悬吊机构自动在至少两个目标点之间沿着行进路径行进。在这样的自动运行中，其中控制设备的行进路径确定模块例如在连续轨迹控制(Bahnsteuerung)的意义上确定期望的行进路径且控制设备的自动行进控制模块如此控制驱动调节器或驱动装置，使得负载吊钩沿着所确定的行进路径行进，所述摆动阻尼装置可以通过所述行进控制模块干预对驱动调节器的控制，以使起重机吊钩无摆动地行进或阻尼摆荡运动。

附图说明

下面结合优选实施例和附图对本发明予以详细说明。图中：

图1示出塔式旋臂起重机的示意图，其中通过成像传感系统检测相对于垂线的吊钩位置和缆索角度，且其中摆动阻尼装置影响对驱动装置的控制，以阻止吊钩及其起重索的摆荡运动；

图2示出摆动阻尼装置的两自由度调节结构以及由其进行对驱动调节器的调节变量的影响的示意图；

图3示出塔式旋臂起重机在负载下的变形和振动形式以及通过斜拉调节阻尼或阻止变形和振动的示意图，其中，子图a)示出塔式旋臂起重机在负载下的俯仰变形以及与此关联的起重索的斜拉，子图b)和c)以示出塔式旋臂起重机的横向变形的透视图和自上而下的俯视图，而子图d)和e)示出起重索与这种横向变形相关联的斜拉；

图4示出参考系中以转动速率转动的弹性悬臂的示意图；

图5示出连梁形式的悬臂在塔架中受到张紧的示意图，其中考虑塔架弯曲和塔架扭转；

图6示出弹性塔架以及横向于悬臂的塔架弯曲的弹簧质量置换模型的示意图；

图7示出具有集中负载质量和无质量索的起重机在摆转方向上的摆动动态的示意图；

图8示出塔式旋臂起重机的三个最重要本征模式的示意图；

图9示出起重机在径向方向上的摆动动态并借助多个耦合刚体对其进行建模的示意图；

图10示出摆动的起重索与负载吊钩的示意图，该负载吊钩上紧内在惯性测量单元，该惯性测量单元将其测量信号无线传递到起重所卷开的滑轮处的接收器；

图11示出不同负载吊钩的示意图，以说明负载吊钩相对于起重索的可能倾斜；

图12示出前两图中的负载吊钩悬置的摆动动态的二维模型示意图；

图13示出负载吊钩的倾斜度或倾斜角的示图，描述惯性坐标和负载吊钩坐标之间的轮转；

图14示出用于由惯性测量单元的加速度与转动速率信号确定负载吊钩的倾斜度的具有高通滤波器和低通滤波器的互补滤波器的框图；

图15示出借助扩展卡尔曼滤波器并借助静态估计确定的摆角曲线与在万向节处测得的摆角曲线的比较图；以及

图16示出用于自动影响驱动器以阻止摆荡的两自由度控制或调节结构的示意图。

具体实施方式

如图1所示，起重机可以构造为塔式旋臂起重机。图1所示的塔式旋臂起重机可以例如以本身公知的方式具有塔架201，该塔架承载的起重臂202由对配起重臂203来平衡，该对配起重臂上设有配重204。通过转动机构可以使所述悬臂202与对配悬臂203一起围绕直立转动轴线205转动，该转动轴线可以与塔架轴线同轴。通过滑轮驱动器可以使滑轮206在悬臂202上行进，其中，从滑轮206卷开起重索207，该起重索上紧固有负载吊钩208。

另如图1所示，起重机2可以具有电子控制设备3，该电子控制设备可以例如包括布置于起重机本身上的控制计算机。这里，所述控制设备3可以控制相应建筑机械处的各种促动器、液压回路、电动机、驱动设备和其他工作机组。例如，它们在所示的起重机中可以是其起重机构、转动机构、滑轮驱动器、悬臂变幅驱动器(如有)或类似机构。

这里，所述电子控制设备3可以与终端4进行通信，该终端可以布置于控制站或操纵室中并可以例如采用具有触摸屏和/或操纵杆、旋钮、滑动开关等操作元件的平板型计算机的形式，以便一方面将来自控制计算机3的不同信息显示在终端4上，反之可以经由终端4将控制命令输入控制设备3。

起重机1的所述控制设备3特别是可以构造成当摆动阻尼装置340检测到摆动相关的运动参数时也控制起重机构、滑轮和转动机构的所述控制设备。

为此，起重机1可以具有摆动传感系统或检测设备60，其检测起重索207的斜拉和/或负载吊钩208相对于垂线61的偏转度，该垂线穿过负载吊钩208的悬置点，即滑轮206。特别是，参见图1，可以检测缆索相对于重力作用线(即垂线62)的牵拉角

。

为此设置的摆动传感系统60的确定机构62例如可以采用光学方式工作，以便确定所述偏转度。特别是，滑轮206处可以附接有从滑轮206竖直向下俯视的相机63或另一成像传感系统，以便当负载吊钩208未偏转时，其图像再现位于由相机63提供的图像的中央。然而，如果例如因滑轮206剧烈运行或转动机构突然制动而使负载吊钩208相对于垂线61发生偏转，则负载吊钩208的图像重现从相机图像的中央移开，这可以由图像评估装置64来确定。

作为这样光学检测的替代或补充，也可以借助惯性测量单元IMU来实现起重索的倾拉或负载吊钩相对于垂线的偏转，该惯性测量单元附接至负载吊钩208并且其测量信号可以有利地无线传递到滑轮206处的接收器，参见图10。下文将详细说明惯性测量单元IMU及其加速度与转动速率信号的评估。

根据所检测的相对于垂线61的偏转度，特别是考虑偏转的方向和大小，控制设备3可以借助摆动阻尼装置340来控制转动机构驱动器和滑轮驱动器，以将滑轮206或多或少地精确带到负载吊钩208上方并补偿或减少摆荡运动，或根本不让摆荡运动发生。

为此，摆动阻尼装置340包括用于确定结构部件的动态变形的结构动态传感系统344，其中，摆动阻尼装置340的调节模块341以摆动阻尼的方式影响对驱动装置的控制并构造为当影响对驱动装置的控制时考虑所确定的起重机的结构部件的动态变形。

在此，也可以设置估计装置343，其考虑到起重机结构的特征条件，估计根据所确定的驱动装置的驱动动作和/或根据所确定的驱动装置的速度和/或加速度曲线而得出的机械结构在动态负载下的变形和运动。特别是，计算单元348可以基于所存储的计算模型根据在控制台输入的控制命令来计算结构变形和由此所得的结构部分运动。

有利地，摆动阻尼装置340借助结构动态传感系统344检测这样的结构部件在动态负载下的弹性变形和运动。这样的传感系统344可以例如包括变形传感器，比如起重机钢结构(例如塔架201或悬臂202的桁架)处的应变仪。替代地或附加地，可以设置加速度和/或速度传感器和/或转动速率传感器，以便检测结构部件的特定运动，例如悬臂尖端的俯仰运动或悬臂202的转动动态效应。替代地或附加地，这样的结构动态传感器也可以设置于塔架201处，特别是其支承悬臂的上段处，以便检测塔架201的动态。替代地或附加地，传动系也可以与运动和/或加速度计相关联，以便能够检测传动系的动态。例如，滑轮206中用于起重索的转向滑轮和/或变幅臂中用于牵拉索的转向滑轮与转动编码器相关联，以便能够检测相关点的实际缆索速度。

如图2所示，结构动态传感器344和摆动传感系统60的信号y(t)被反馈到调节模块341，以便实现闭合调节回路。所述调节模块341根据反馈的结构动态信号和摆动传感系统信号来影响用于控制起重机驱动器、特别是转动机构驱动器、起重机构驱动器和滑轮驱动器的控制信号u(t)。

如图2所示，调节器结构还具有滤波器装置或观测器345，其观察反馈的传感器信号或起重机反应，它们用来设置驱动调节器的某些调节变量，并考虑到起重机动态模型的预定定律，该动态模型可以原则上具有不同性质并可以通过分析和模拟钢结构获得，因此基于观察到的起重机反应影响调节器的调节变量。

这样的滤波器或观测器装置345b可以特别是采用所谓的卡尔曼滤波器346的形式构造，向其馈送起重机的驱动调节器347的调节变量u(t)以及反馈的传感器信号y(t)，即所检测的起重机运动，特别是缆索相对于垂线62的牵拉角

和/或其随时间的变化或所述斜拉的角速度以及悬臂202和塔架201的结构动态扭转，作为输入变量，并且该卡尔曼滤波器由这些输入变量基于卡尔曼方程(它们对起重机结构、特别是其钢部件和传动系的动态系统进行建模)相应地影响驱动调节器347的调节变量，以便实现期望的摆动阻尼作用。

借助这样的闭合回路调节，可以阻尼或从一开始就避免塔式旋臂起重机在负载下的变形和振动形式，如图3举例示出，其中，本图的子图a)首先示意性示出塔式旋臂起重机在负载下因塔架201弯曲和与之伴随的悬臂202下降以及与之相关的起重索斜拉而导致的俯仰变形。

另外，图3的子图b)和c)示意性举例示出塔式旋臂起重机的横向变形的透视图以及塔架201和悬臂202发生变形的自上而下的俯视图。

最后，图3的子图d)和e)示出与这种横向变形相关的起重索斜拉的局部视图。

另如图2所示，调节器结构采用两自由度调节形式的构造并且除了反馈摆动传感系统和结构动态的传感器信号的所谓“闭合回路”调节外还包括预控制或前馈控制级350，其尝试通过最佳的领导行为以理想方式允许根本不出现任何调节误差。

如前文已提及，所述预控模块350有利地基于平坦构造并根据所谓的微分平坦法来确定。

与代表期望行进路径的所驱动的起重机运动相比，结构运动以及摆荡运动的偏转极小，因此为了确定预控信号u_d(t)和x_d(t)可忽略结构动态信号和摆荡运动信号，即，摆动传感系统和结构动态传感系统60或344的信号y(t)未被反馈到预控模块350。

如图2所示，向预控模块350馈送负载悬吊机构208的期望值，其中，这些期望值可以是所述负载悬吊机构208的位置信息和/或速度信息和/或轨迹参数并限定期望的行进运动。

特别是，可以将期望的负载位置及其时间导数的期望值有利地馈送到轨迹规划模块351和/或期望值滤波器352，借此可以确定负载位置的期望路线及其前四个时间导数，由此在预控模块350中可以经由代数方程式计算出用于控制驱动器的必要调节信号的精确曲线u_d(t)以及相应系统状态的精确曲线x_d(t)。

为了通过预控不会激发任何结构运动，有利地，预控模块350可以前置有陷波滤波装置353，以便相应地对馈送给预控模块350的输入变量进行滤波，其中，这种陷波滤波装置353特别是既设置于所述轨迹规划模块351或期望值滤波模块352之间又设置于其与预控模块350之间。所述陷波滤波装置353特别是可以构造为从馈送给预控模块的期望值信号中消除结构动态的可激发本征频率。

为了减少振动动态或使其起初就根本不会发生，摆动阻尼装置340可以构造为校正转动机构和滑轮起落机构以及可能起重机构，以便即使起重机随着负载力矩增大而逐渐向前倾斜，缆索也能尽量始终铅直于负载。

例如，当从地面提升起负载时，可以考虑起重机因其在负载下的变形所致的俯仰运动，并在考虑所检测到的负载位置的情况下跟踪滑轮起落机构或者在预测性估计的情况下定位俯仰变形，以使起重索在起重机产生变形时保持铅垂于负载。在负载离开地面的一点发生最大静态变形。通过相应的方式，替代地或附加地，也可以在考虑所检测的负载位置的情况下和/或在预测性估计横向变形的情况下跟踪转动机构，以使起重索在起重机产生变形时保持铅垂于负载。

以摆动阻尼方式进行调节所基于的模型可以具有不同性质。

在此，以解耦方式观察摆转方向上和塔架悬臂平面内的动态有益于弹性回转起重机面向调节的力学建模。通过转动机构驱动器来激励和调节摆转动态，而通过滑轮机构驱动器和起重机构驱动器来激发和调节塔架悬臂平面的动态。负载在两个方向上摆动-既横向于悬臂(摆转方向)，又沿悬臂纵向(径向)。由于起重索的低弹性，负载的竖直运动很大程度上对应于悬臂的竖直运动，在塔式旋臂起重机中，该悬臂的竖直运动小于摆荡运动引起的负载偏转。

为了稳定负载摆荡运动，必须考虑因转动机构和滑轮机构激发的系统动态分量。这些分量称为摆转动态或径向动态。只要摆角非零，摆转动态和径向动态都会受到起重机构影响。但这对于调节设计、特别是对于摆转动态而言可忽略不计。

摆转动态特别是包括钢结构运动、比如塔架扭转、悬臂绕竖直轴线横向弯曲和塔架横向于悬臂纵向弯曲以及横向于悬臂的摆动动态和转动机构的驱动动态。径向动态包括悬臂方向上的塔架弯曲、悬臂方向上的摆动动态以及视观察方式还包括竖直方向上的悬臂弯曲。此外，径向动态还加算滑轮机构以及可能起重机构的驱动动态。

为了进行调节，有利地寻求一种线性设计方法，该方法是基于非线性力学模型方程围绕静止位置的线性化。通过这样的线性化，无需摆转动态与径向动态之间的全部耦合。这就表明，即使首先以耦合方式推导出模型，在线性调节的设计中也不会考虑耦合。可以从一开始将解耦地观察两个方向，因为这会显著简化力学建模。此外，针对摆转动态实现紧凑形式的清晰模型，能够快速评估该模型，由此既能节省计算能力，又能加快调节设计的开发过程。

为了将摆转动态推导为紧凑、清晰又精确的动态系统模型，可以将悬臂视为欧拉-伯努利梁，因此起初将其视为具有分布质量的系统(分布参数系统)。另外，起重动态对摆转动态的反作用也可忽略不计，这是由于水平力分量消失而对小摆角的合理假设。如果出现大摆角，则也可以将绞盘机构对摆转动态的作用作为干扰变量而考虑在内。

如图4所示，悬臂在运动的参考系中建模为梁，通过转动机构驱动器使该参考系以转动速率

转动。

与此同时，该参考系内有三个视加速度，即科氏加速度、离心加速度和欧拉加速度。参考系绕固定点转动，因此对于参考系内的每个点：

得出视加速度a′：

其中，x表示叉积

该点相对于转动参考系的转动向量和速度向量v′。

在这三个视加速度中，只有科氏加速度代表摆转动态与径向动态之间的双向耦合。这与参考系的转动速度和相对速度成正比。塔式旋臂起重机的典型最大转动速率处于约

的范围内，因此与塔式旋臂起重机的驱动加速度相比，科氏加速度通常取较小值。在将负载摆荡运动稳定在固定位置期间，转动速率极低，在大幅引导运动期间，可以通过预控预先规划并明确考虑科氏加速度。因此，在这两种情况下，忽略科氏加速度只会导致较小的近似误差，因此如下可以将其忽略不计。

根据转动速率，离心加速度仅作用于径向动态，并可将其作为干扰变量考虑在内。它由于转动速率很慢而几乎不会作用于摆转动态，因此可忽略不计。但重要的是线性欧拉加速度，它作用于切线方向，因此在考虑摆转动态时发挥核心作用。

由于悬臂的横截面积很小且剪切应变很小，因此可以将悬臂视为欧拉-伯努利梁。与此同时，该梁绕竖直轴线转动的转动动能可忽略不计。假设公知如悬臂元件的欧拉-伯努利近似的单位长度质量和截面惯性矩等力学参数，并可用于进行计算。

A形框架与悬臂之间的牵拉几乎不会作用于摆转动态，因此未计入建模。悬臂在纵向上的变形同样很小，可忽略不计。这样，在转动参考系中，对于时间t在点x处的悬臂偏转度w(x,t)，通过如下公知的偏微分方程：

指示悬臂的无阻尼动态。在此，μ(x)为单位长度质量，I(x)为点x处的截面惯性矩，E为弹性模量，

为分布于悬臂上的作用力。对于该推导，位置坐标x的零点位于对配悬臂的尖端。这里，表达式

表达局部差异。下文将介绍阻尼参数。

为了表达惯性系中的悬臂动态，从分布力中分出欧拉力，这就得出如下偏微分方程：

这里，l_cj为悬臂长度，q(x,t)为悬臂上无欧拉力的实际分布力。梁的两端为自由端且未夹紧。因此适用如下边界条件：

w″(0，t)＝0，w″(L，t)＝0 (6)

w″′(0，t)＝0 w″′(L，t)＝0 (7)

其中悬臂和对配悬臂的总长为L。

图5示出悬臂的概略图。弹簧刚度c_t和c_b代表塔架的扭转刚度和弯曲刚度，如下详述。

为了对摆转动态进行建模，有利地考虑横向于悬臂方向的塔架扭转和塔架弯曲。基于塔架的几何形状，可以首先将其假定为均质的欧拉-伯努利梁。为了简化建模，此处通过刚体置换模型来表示塔架。考虑塔架弯曲的一个本征模式和塔架扭转的一个本征模式。基本上只有塔顶的运动与摆转动态有关，因此塔架动态可以通过具有匹配本征频率的弹簧质量系统而用作弯曲或扭转的置换系统。对于塔架弹性更高的情况，则此时通过添加相应数量的质量块和弹簧，能够轻松为弹簧质量系统补充更多的本征模式，参见图6。

选择参数弹簧刚度c_b和质量m_T，以使尖端的偏转度和本征频率与代表塔架动态的欧拉-伯努利梁的偏转度相匹配。对于塔架，如果公知恒定的截面惯性矩I_T、塔架高度l_T和单位长度质量μ_T，则能根据静态梁端偏转度

以及均质欧拉-伯努利梁的第一本征频率

解析计算参数

对于塔架扭转，能够类似地推导出具有惯性J_T和扭转弹簧刚度c_t的刚体置换模型，如图5所示。

对于塔架，如果公知极阻截面惯性矩I_p、扭转惯性矩J_T(其对应于圆形横截面的极阻截面惯性矩)、质量密度ρ和剪切模量G，则能确定置换模型的参数：

以便达成匹配的第一本征频率。

为了考虑悬臂的附加单位长度质量形式的等效质量m_T和等效惯性J_T，可以使用纤细对象的惯性近似值，由此得出纤细梁段的长度

质量m_T及关于其重心的惯性J_T。也就是说，在长度b的塔架张紧点，悬臂的单位长度质量μ(x)增大恒定值

塔式旋臂起重机的有效负载的规格和惯性矩通常未知，因此还可以将有效负载建模为集中质量点。缆索质量可忽略不计。与起重臂相比，欧拉力、科氏力和离心力会对有效负载产生略强的影响。离心加速度仅作用于悬臂方向，就此无关紧要，科氏加速度的结果是从负载到塔架的距离x_L：

悬臂转动速率很低，因此特别是当应将负载定位时，负载上的科氏加速度可忽略不计。但它仍需进行几个步骤才能必要时实现接入干扰变量。

为了推导出摆动动态，将其投影到正交于悬臂并与滑轮的位置相交的切向平面上。

欧拉加速度得出：

由于摆角通常较小，适用近似法：

x_L/x_tr≈1 (15)

从中得出近似值：

a_Euler，L＝a_Euler (16)

由于参考系转动而产生的欧拉加速度以大致相同的方式影响负载和滑轮。

图7示出负载加速度。

在此，

s(t)＝x_trγ(t)+w(x_tr，t). (17)

是滑轮在切向平面中的y位置。这里，由于径向动态与摆转动态解耦，滑轮在悬臂x_tr上的位置近似为常值参数。

很容易就能从拉格朗日形式得出摆动动态。对此，首先设定势能：

U＝-m_Ll(t)gcos(φ(t)) (18)

负载质量为m_L，重力为g且缆索长度为l(t)，并且设定动能：

其中，

为负载在切向平面中的y位置。对于拉格朗日函数：

L＝T-U (21)

以及第二类拉格朗日方程：

非守恒科氏力为：

摆转方向上的摆动动态如下：

随之通过

线性化，由此忽略缆索长度变化i≈0和科氏加速度a_Coriolis，y≈0，简化的摆动动态为：

为了表达摆动动态对悬臂和塔架结构动态的反作用，须确定缆索作用力F_R。最简单地，通过重力加速度将其主要分量近似为：

F_R，h＝m_Lgcos(φ)sin(φ)， (26)

与此同时，其在y方向上的水平分量得出：

F_R，h＝m_Lgcos(φ)sin(φ)， (27)

或通过

线性化为：

F_R,h＝m_Lgφ. (28)

悬臂动态的分布参数模型(5)表达悬臂的无限多个本征模式，并且该形式尚不适于调节设计。只有少数频率最低的本征模式与观测器和调节相关，因此提供模态转换，随后模态阶数缩减到这几个本征模式。但方程式(5)的解析模态转换相当困难。取而代之，首先借助有限差分或有限元法局部离散方程式(5)，从而获得一个常微分方程式。

借助有限差分进行离散化时，在悬臂位置：

x_i，i∈[1...N] (29)

梁分成N个等距分布的质量点。梁在每个位置的偏转度记为：

w_i＝w(x_i，t) (30)

使用中心差商：

近似局部导数，其中，Δ_x＝x_i+1-x_i表达离散质点w′_i与局部导数w′(x_i，t)的距离。

为了离散化w″(x)，边界条件(6)-(7)

w_i-1-2w_i+w_i+1＝0，i∈{1，N} (33)

-w_i-2+2w_i-1-2w_i+1+w_i+2＝0，i∩{1，N} (34)

需根据w_-1、w_-2、w_N+1和w_N+2来求解。在方程式(5)中离散化项(I(x)w″)″得出：

其中，

η_i＝I(x_i)w_i″. (36)

通过选择中心差分近似值，方程式(35)两边取决于值I_-1和I_N+1，实践中可用值I₁和I_N代替。

建议后续程序使用向量符号(以粗体显示)。悬臂偏转度的向量标为：

由此可用向量表达式将项(I(x)w″)″离散化为：

刚度矩阵为：

同样地，将单位长度质量的质量矩阵(单位kgm)定位为对角矩阵：

M₀＝diag([μ(x₁)...(x_N)]) (39)

其向量：

表达每个节点到塔架的距离。

对于分布的作用力，向量

以元q_i＝q(x_i)来定义，以便可以离散化形式：

指示梁的偏微分方程式(5)的离散化。

此时应表达钢结构运动与摆动动态的相互作用。

为此，首先在悬臂上添加附加点质量，即对配压载质量m_cj，塔架等效质量m_T以及滑轮质量m_tr，分布质量矩阵为：

此外，可以表达塔架和负载作用于悬臂的力和力矩。因塔架弯曲产生的力通过如下置换模型给出：

q_TΔ_x＝-c_bw(x_T). (44)

其中，q_T＝q(I_cj)。为了确定塔架扭转产生的力矩，首先需使悬臂梁在张紧点扭转：

然后由此给出扭转力矩：

例如，可以通过从塔架等距作用(杠杆臂)的两个等大的力近似得出该扭转力矩。这两个力的值为：

其中Δx为杠杆臂。这样就能通过悬臂上的力向量

表达力矩。为此，仅设置两个元：

q_T-1Δ_x＝-F_r，q_r+1Δ_x＝F_i， (48)

通过缆索水平力(28)，

中得出元：

q_trΔ_x＝m_Lgφ (49)

此时，全部力取决于

或

可以通过矩阵表达式将结构动态与摆动动态的耦合表达为：

其中，

以及

就此应注意，在运行操作中，三个滑轮在悬臂上的参数位置x_tr、起重索长度l和负载质量m_L会发生变化。因此，(50)为线性参数变量微分方程，其具体形式只能在运行时尤其在线测定。在稍后的观测器和调节设计中必须考虑到这一点。

应选择足够多的离散点数N，以便确保精确表达梁的变形和动态。这将(50)变成大型微分方程组。但调节建议缩减模态阶数，以将大量系统状态缩减到更少的数目。

模态阶数缩减是最常用的缩减法之一。基本构思在于，首先进行模态转换，即基于本征模式(形式)和本征频率来指示系统的动态。随后，仅选择相关的本征模式(通常具有最低频率)，而忽略全部更高频率的模式。在下文中，所考虑的本征模数标为ξ。

首先，必须计算特征向量

其中i∈[1，N+1]，将其与相应的本征频率ω_i一起满足特征值问题：

通过公知的标准方法可以轻松求解该计算。此后，按本征频率升序，将特征向量分类写入模态矩阵：

然后，可以通过如下计算进行模态转换：

其中，新的状态向量

包含本征模幅。模态变换刚度矩阵

具有对角形式，因此简单地通过限制到该系统的前ξ个列和行：

能够求得模态缩减系统，其中，状态向量

此时仅表达少数ξ个模幅。还能通过实验识别来测定对角阻尼矩阵

中的元。

图8示出其中三个最重要的本征模式。最上面表达最慢的本征模式，其中负载的摆荡运动占主导。所示的第二种本征模式具有明显的塔架弯曲，而在第三种本征模式中，悬臂明显弯曲。应当保持考虑转动机构驱动器可激发其本征频率的全部本征模式。

有利地，将转动机构驱动器的动态近似为PT1项，其动态为：

时间常数为T_γ。结合方程式(57)，得出：

新的状态向量为

且转动机构期望速度的调节信号为u。

对于摆转动态的观测器和调节，系统(59)可以通过输出向量

补充为：

以便可观察该系统，即，向量

中的全部状态都可通过输出

以及输出的有限多个时间导数来重建并因此可在运行时进行估计。

在此，输出向量

表达通过起重机上传感器测量的转动速率、应变或加速度。

基于模型(61)，观测器345(参见图2)例如能够设计为卡尔曼滤波器的形式：

其中，值P可以取自黎卡提代数方程：

0＝PA+PA^T+Q-PC^TR^-1CP (63)

其能够通过标准方法来轻松求解。Q和R代表过程噪声和测量噪声的协方差矩阵并用作卡尔曼滤波器的设计参数。

方程式(60)和(61)表达一个参数变量系统，因此方程式(63)的解P仅对相应的参数集{x_tr,l,m_L}有效。但求解黎卡提代数方程的标准方法的计算量极大。为了不必在运行时评估方程式(63)，可以针对精解的参数x_tr,l,m_L的特征场离线预算解P。在运行时(在线)，从特征场中选择其参数集{x_tr,l,m_L}最接近当前参数的值。

观测器345可以估计全部系统状态

因此调节能够实现为状态反馈形式：

在此，向量

包含期望状态，这些期望状态在静止位置通常全零(转动角度γ除外)。沿路径行动期间，这些值可为非零，但不应偏离静止位置，以使模型线性化。

对此，例如适用线性二次法，其中选择反馈增益K，以便优化质量函数：

对于线性调节设计，得出最优反馈增益：

K＝R^-1B^TP， (66)

其中，类似于卡尔曼滤波器，能够通过如下黎卡提代数方程确定P：

0＝PA+A^Tp-PBR^-1B^TP+Q (67)

由于方程式(66)中的增益K也取决于参数集{x_tr,l,m_L}，为此类似于观测器的程序生成特征场。在调节的上下文中，这种方法称为“增益调度”。

为了将调节应用于塔式旋臂起重机，可以在运行时模拟控制单元上的观测器动态(62)。为此，可以既使用驱动器的调节信号u又使用传感器的测量信号

。进而根据(62)由反馈增益和估计的状态向量计算调节信号。

径向动态也能由(60)-(61)形式的线性模型来表示，因此可以类似于摆转动态进行径向动态调节。然后，考虑到驱动动态和结构动态，这两种调节相互独立地作用于起重机，并使摆动动态在径向方向和悬臂横向上稳定下来。

下面描述一种建模径向动态的方法。这与上述建模摆转动态的方法的区别在于，此时通过多个耦合刚体组成的置换系统而非连梁来表达起重机。在此，塔架可以分为两个刚体，其中，另外一个刚体代表悬臂，参见图9。

在此，α_y和β_y表示刚体之间的角度，而

表示负载的径向摆角。P表示重心位置，其中，角标_CJ代表对配悬臂，_J代表悬臂，_TR代表滑轮，_T代表塔架(在此情况下为塔架的上部刚体)。在此，位置至少部分地取决于驱动器设定的x_TR和l。刚体之间的接合处存在刚度为

的弹簧以及阻尼器，其粘滞摩擦力由参数d_αy和d_βy来表示。

能够通过公知的拉格朗日形式推导出动态。在此，合并三个向量自由度：

它们能够用来表达转化动能：

以及由于重力和弹簧刚度所产生的势能：

转动能量与平移相比可忽略不计，因此拉格朗日函数可以表示为：

L＝T_kin-T_pot

由此得出欧拉-拉格朗日方程：

其中广义力为

其表达非守恒力，例如阻尼力。写出三个方程式：

通过插值L并计算相应的导数，这些方程式中会产生极多项，从而这里的显式无意义。

通过如下一阶PT1动态通常能够良好地近似滑轮机构驱动器和起重机构驱动器的动态：

其中，τ_i表示相应的时间常数，且u_i表示期望速度。

如果此时将全部驱动器相关的变量保留在向量中：

则驱动动态、摆动动态和结构动态的耦合径向动态可以表示为：

或通过在运行时重置为非线性动态形式：

径向动态就处于最小坐标，因此无需降阶。但由于通过(75)表达的方程的复杂性，无法对雅可比矩阵

进行离线解析预算。为了由(75)获得用于调节的形式(60)的线性模型，就能在运行时进行数字线性化。对此，可以首先确定静止位置

为此满足：

然后能够通过方程式：

将模型线性化，得出如方程式式(60)所示的线性系统。通过例如借助陀螺仪为结构动态和摆动动态选择适用的传感系统，得出如(61)所示的测量输出，通过该测量输出可观察径向动态。

观测器和调节设计的进一步程序对应于摆转动态的程序。

如前所述，可以不仅通过滑轮处的成像传感系统而且通过负载吊钩处的惯性测量单元来确定起重索相对于垂线62的偏转度。

这样的惯性测量单元IMU特别是可以具有用于提供加速度与转动速率信号的加速度与转动速率传感机构，其既指示沿不同空间轴的平移加速度又指示关于不同空间轴的转动速率或陀螺信号。在此情形下，可以提供转动速度，原则上也可以提供转动加速度，或者也可以提供这两者。

有利地，惯性测量单元IMU可以检测三个空间轴上的加速度以及绕至少两个空间轴的转动速率。加速度传感机构可以采用三轴工作构造，而陀螺传感机构可以采用双轴工作构造。

附接至负载吊钩的惯性测量单元IMU可以将其加速度与转动速率信号和/或从中导出的信号有利地无线传递到控制和/或评估装置3或其摆动阻尼装置340，其可以附接至起重机的结构部件或者也可以单独布置于起重机附近。特别是，可以进行传递到接收器REC，该接收器可以附接至滑轮206和/或起重索自其卷开的悬臂。有利地，可以例如经由WLAN连接进行传输，参见图10。

如图13所示，根据连接，负载吊钩208可以相对于起重索207以不同的方向和不同的方式倾斜。起重索207的偏绕角β未必与负载吊钩的取向相同。在此，倾斜角ε_β表示负载吊钩207相对于起重索2017的斜拉β倾斜或转动或者惯性坐标与负载吊钩坐标之间的转动。

为了建模起重机的摆动行为，可以独立考虑沿滑轮行进方向的两个摆动方向，即悬臂纵向以及绕塔架轴线的转动或弯曲方向，即横向于悬臂纵向的两个摆动方向，因为这两个摆荡运动几乎不会互相影响。因此，每个摆动方向可以二维建模。

如果考虑图12所示的模型，则能借助拉格朗日方程来表达摆动动态。在此，滑轮位置s_x(t)、缆索长度l(t)和索角或摆角β(t)定义为时间t的函数(t)，在下文中，为了简化并提高可读性，不再由项(t)指示时间依赖性。首先，负载吊钩的位置的惯性坐标可以定义为：

其中，利用

表达惯性速度的时间导数：

吊钩加速度

不是推导负载动态所必需的，而是用于设计滤波器，如下所述。

确定动能是通过：

其中，稍后消除负载吊钩和负载的质量m。重力产生的势能对应于：

V＝-mr^Tg，g＝(0-g)^T， (105)

其中重力加速度为g。

V不依赖于

因此欧拉-拉格朗日方程为：

其中，向量

表达广义坐标。这就得出摆动动态，作为关于β的二阶非线性微分方程：

可以类似地表达y-z平面中的动态。

在下文中，滑轮或龙门起重机滑车的加速度

视为公知的系统输入变量。有时允许直接测量，或者基于测得的滑轮速度进行估计。替代地或附加地，如果已知驱动动态，则可以使用单独的滑轮加速计来测量或估计滑轮加速度。电动起重机驱动器的动态行为可以基于一阶负载行来估计：

其中，输入信号u_x对应于期望速度，T_x为时间常数。如果精度足够，则无需进一步测量加速度。

由倾斜角ε_β表示负载吊钩的倾斜方向，参见图13。

通过陀螺仪测量转动速率或倾斜速度，因此倾斜估计所基于的模型对应于所测得的转动速率ω_β与倾斜角的简单积分：

IMU测量由前缀角标K标识的负载吊钩随之运动并转动的地固坐标系中的全部信号，而惯性坐标中的向量则用I标识或完全无角标。一旦估计出ε_β，则所测得的负载吊钩坐标K a的加速度K a＝[_K a_{x K} a₂]^T可以转换为惯性坐标，而且使用

然后可以使用该惯性加速度，以基于(107)和(103)估计摆角。

估计索角β需要精确估计负载吊钩ε_β的倾斜度。为了能够基于根据(109)的简单模型来估计该角度，需要绝对参考值，因为陀螺仪的精度有限且原始值未知。此外，陀螺仪的测量值周期性叠加测量原理中固有的近似恒定的偏差。另外，也可以不假设ε_β通常在零附近振荡。因此，加速度计用于通过评估重力加速度常数(在低频信号中出现)，已知惯性坐标为：

_lg＝[0-g]^T. (111)

并可将其转换为负载吊钩坐标：

_Kg＝-g[-sin(ε_β)cos(ε_β)]^T. (112)

所测得的加速度为(103)与(112)之和：

K g的负号得自于以下事实：基于传感器原理，重力加速度被测量为虚拟的向上加速度。

全部分量

一般都显著小于g且在零附近振荡，因此应用衰落频率足够低的低通滤波器，允许近似：

_Ka≈-_kg. (114)

如果将x分量除以z分量，则获得低频参考倾斜角：

根据(109)的线性摆动动态的简单结构允许使用各种滤波器来估计定向。在此，一种选择是所谓的时间连续的卡尔曼-布西滤波器，其可以通过更改方法参数和噪声测量来设置。而在下文中，使用如图14所示的互补滤波器，其可以通过选择高通和低通传递函数来设置其频率特性。

如图14的框图所示，互补滤波器可以构造为估计负载吊钩倾斜度ε_β的方向。陀螺仪信号ω_β的高通滤波G_hpl(s)给出无偏差转动速率

以及积分后的第一倾斜角估值ε_β,ω。更多的估值ε_β,ω源自由加速度计的信号_Ka。

特别是，首先可以对陀螺仪信号ω_β应用简单的高通滤波，其传递函数为：

其衰落频率ω₀极低，以便消除恒定的测量偏差。积分给出基于陀螺仪的倾斜角估值ε_β,ω，其对于高频相对准确，而对于低频则相对不准确。互补滤波器的基本构思在于，将ε_β,ω与ε_β,α相加或组合，其中，通过使用高通滤波器对高频ε_β,ω赋予更大的权重，而通过使用低通滤波器对低频ε_β,α赋予更大的权重，因为(115)表示关于低频的良好估计。传递函数可以选择为简单的一阶滤波器，即

其中，衰落频率ω选择为低于摆频。因为对于所有频率适用：

G_hp2(s)+G_lp(s)＝1 (118)

估值ε_β未错误缩放。

基于估计的负载吊钩取向，可以由测量值_Ka确定负载吊钩的惯性加速度_Ia，而且使用(110)，这允许观测器的设计基于摆动动态(107)以及转动加速度测量值：

尽管该方程式的两个分量都能同样用于摆角估计，但是仅用x分量(与g无关)才能获得良好的结果。

下面假定通过过程相关的背景噪声w:N(0,Q)和测量噪声v:N(0,R)叠加摆动动态，以使其可表达为非线性随机系统，即

y＝h(x，u)+v

其中，状态向量为

为了确定状态，可以使用时间连续的扩展卡尔曼滤波器：

根据(107)的摆动动态的空间状态表示为：

其中，滑轮加速度

视为系统输入变量。为了定义系统输出，可以根据系统状态由(119)表达负载吊钩加速度的水平分量，由此得出：

在此，重力加速度的水平分量_lg_x自然为零。在此，例如使用根据(108)的驱动动态，可以由测量值l重构

。使用(123)作为测量函数：

h(x)＝_Ia_x， (124)

此时得出线性化项：

在此，过程噪声的协方差矩阵估计值为Q＝I_2x2，测量噪声的协方差矩阵估计值为R＝1000，且初始误差的协方差矩阵为P＝0_2x2。

如图15所示，借助扩展卡尔曼滤波器(EKF)估计或也借助简单的静态法确定的摆角绝佳对应于借助滑轮上的转角编码器对万向节摆角进行的验证测量值。

有益的是，借助相对简单的静态方法进行计算所得出的结果可与扩展卡尔曼滤波器提供的结果相媲美。因此，根据(122)的摆动动态和根据(123)的输出方程可以通过稳定状态

来线性化。此外，如果假设缆索长度l为常数，即

则对于线性化系统得出：

y＝[g 0]x (128)

_Iα_x用作输出参考值。忽略根据(127)的动态效应并仅考虑静态输出函数(128)，摆角可以得自简单的静态关系式：

有益地，其与l无关。图15示出由此获得的结果与卡尔曼滤波器的结果一样准确。

使用β和方程式(101)，就能准确实现负载位置的估值。

当根据(108)来建模基于速度的起重机驱动器的动态以及参数确定时，根据

所得的时间常数变得极小。就此而言，驱动器的动态效应可忽略不计。

为了指定以驱动速度

代替驱动加速度

作为系统输入变量的摆动动态，可以通过积分根据(127)来“提高”线性化的动态系统，由此得出：

在此，新的状态向量为

动态显然相同，而物理意义和输入却发生变化。有别于(127)，β和

应稳定为零，而非时间积分∫β。调节器应能保持期望的速度

因此期望的稳定状态应始终由

计算为：

这也可以视为频域中的静态前置滤波器F，其确保从速度输入到第一状态的传递函数

其中速度输入为：

可以借助基于(130)的卡尔曼-布西滤波器估计新状态向量

的第一分量，其中系统输出变量

如果基于(127)设计调节器，并且由积分输入信号

控制电动机调节器，则结果相似。

可以将获得的反馈确定为线性平方调节器(LQR)，其可以与卡尔曼-布西滤波器一起表示线性平方高斯调节器结构(LQG)。例如使用调节因素规划，可以使反馈和卡尔曼调节因素都适应于缆索长度l。

为了控制负载吊钩沿轨迹靠近，类似于前文所述，如图6所示设有两自由度的结构可以与轨迹规划器配合使用，该轨迹规划器为负载吊钩位置提供C³可微分参考轨迹。可以根据(130)将滑轮位置添加到动态系统中，由此得出系统：

其中，

从而平坦输出变量为：

＝[0 -l 1]＝s_x-lβ， (135)

这与线性化反事实分析的吊钩位置相对应。可以通过平坦输出及其导数将状态和输入代数参数化，而且通过

变为：

这样就能由z的规划轨迹对参考状态和标称输入调节信号进行代数计算。设定点的变更表明标称误差可以保持逼近零，从而调节器K的反馈信号u_fb显著小于标称输入调节变量u_ff。实践中，如果无线惯性测量单元的信号丢失，则可以将输入调节变量设置为u_fb＝0。

如图16所示，设有两自由度的调节器结构可以具有轨迹规划器TP，用于导数有限的平坦输出的平缓轨迹z∈C³，输入变量Ψ_u，状态参数化Ψ_x，以及调节器K。

Claims (31)

1.一种起重机，特别是塔式旋臂起重机，其具有从起重机悬臂(202)卷开并且承载负载悬吊机构(208)的起重索(207)、用于使多个起重机元件运动且使所述负载悬吊机构(208)行进的驱动装置、用于控制所述驱动装置使得所述负载悬吊机构(208)沿行进路径行进的控制设备(3)以及用于阻尼所述负载悬吊机构(208)和/或所述起重索(207)的摆荡运动的摆动阻尼装置(340)，其中，所述摆动阻尼装置(340)具有用于检测所述起重索(207)和/或所述负载悬吊机构(208)的摆荡运动的摆动传感系统(60)以及带有闭合调节回路的调节模块(341)，所述调节模块根据反馈到所述调节回路的所述摆动传感系统(60)的摆动信号来影响对所述驱动装置的控制，其特征在于，所述摆动阻尼装置(340)具有用于检测所述起重机的结构部件的变形和/或内在动态运动的结构动态传感系统(342)，并且所述摆动阻尼装置(340)的所述调节模块(341)构造为当影响对所述驱动装置的控制时，考虑所述摆动传感系统(60)的摆动信号以及反馈到所述调节回路并指示所述结构部件的变形和/或内在动态运动的结构动态信号。

2.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述调节模块(341)具有两自由度的调节结构和/或除所述闭合调节回路之外还具有用于预控所述驱动装置的调整信号的预控模块(350)。

3.根据前一项权利要求所述的起重机，其中，所述预控模块(350)构造为微分平坦模型。

4.根据前两项权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述预控模块(350)构造为在不考虑所述摆动传感系统(60)的所述摆动信号和所述结构动态传感系统(342)的所述结构动态信号的情况下执行预控。

5.根据前述权利要求2至4中任一项所述的起重机，其中，所述预控模块(350)与陷波滤波装置(353)相关联，以对馈送到所述预控的输入信号进行滤波，其中，所述陷波滤波装置(353)构造为从所述输入信号中消除结构动态的可激发本征频率。

6.根据前述权利要求2至5中任一项所述的起重机，其中，所述预控模块(350)与轨迹规划模块(351)和/或期望值滤波模块(352)相关联，以根据所述负载悬吊机构的预定期望值来确定负载悬吊机构位置的期望路线及其时间导数。

7.根据前述两项权利要求所述的起重机，其中，所述陷波滤波装置(353)一方面设置在所述轨迹规划模块(351)与所述期望值滤波模块(352)之间，另一方面设置在所述轨迹规划模块与所述预控模块(350)之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述调节模块(341)具有调节模型，所述调节模型将所述起重机的结构动态分成相互独立的部分，所述相互独立的部分至少包括摆转动态部分以及径向动态部分，所述摆转动态部分考虑关于所述悬臂(202)绕起重机直立摆转轴线摆转的结构动态，所述径向动态部分考虑平行于与所述悬臂平行的竖直平面的结构动态运动。

9.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述结构动态传感系统(342)至少具有：

-用于检测所述起重机结构在平行于所述起重机悬臂(202)的直立平面中的动态运动的径向动态传感器；以及

-用于检测所述起重机结构绕所述起重机的直立转动轴线、特别是塔架轴线(205)的动态运动的摆转动态传感器，

并且所述摆动阻尼装置(340)的所述调节模块(341)构造为根据所检测的所述起重机结构在与所述悬臂平行的直立平面中的动态运动以及所检测的所述起重机结构绕所述起重机的直立转动轴线的动态运动，影响对所述驱动装置的控制，特别是对滑轮驱动器和转动机构驱动器的控制。

10.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述结构动态传感系统(342)进一步具有：

-起重动态传感器，用于检测所述起重机悬臂(202)的竖直动态变形，并且所述摆动阻尼装置(340)的所述调节模块(341)构造为根据所检测的所述起重机悬臂(202)的竖直动态变形来影响对所述驱动装置的控制，特别是对起重机构驱动器的控制。

11.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述结构动态传感系统(342)构造为确定承载所述起重机悬臂的起重机塔架(201)和/或所述起重机悬臂(202)的动态扭转，并且所述摆动阻尼装置(340)的所述调节模块(341)构造为根据所检测的所述起重机悬臂(202)和/或所述起重机塔架(201)的动态扭转来影响对所述驱动装置的控制。

12.根据前一项权利要求所述的起重机，其中，所述结构动态传感系统(342)构造为检测所述起重机悬臂(202)和/或所述起重机塔架(201)的动态扭转的本征频率处于预定频率范围内的全部本征模式。

13.根据前一项权利要求所述的起重机，其中，所述结构动态传感系统(342)具有与塔架本征摆动的节点间隔布置并用于检测塔架扭转的至少一个、优选多个塔架传感器以及与悬臂本征摆动的节点间隔布置并用于检测悬臂扭转的至少一个、优选多个悬臂传感器。

14.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述结构动态传感系统(342)具有用于检测所述起重机的结构部件的变形和/或内在动态运动的应变仪和/或加速度计和/或转动速率传感器，特别是采用陀螺仪形式，其中，所述加速度计和/或转动速率传感器优选构造为进行三轴检测。

15.根据前一项权利要求所述的起重机，其中，所述结构动态传感系统(344)具有用于检测塔架动态变形的至少一个转动速率传感器和/或加速度计和/或应变仪、以及用于检测悬臂动态变形的至少一个转动速率传感器和/或加速度计和/或应变仪。

16.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述摆动传感系统(60)具有用于检测和/或估计所述起重索(207)和/或所述负载悬吊机构(208)相对于垂线(61)的偏转度

的检测装置，并且所述摆动阻尼装置(340)的所述调节模块(341)构造为根据所检测的所述起重索(207)和/或所述负载悬吊机构(208)相对于所述垂线(61)的偏转度

来影响对所述驱动装置的控制。

17.根据前一项权利要求所述的起重机，其中，所述检测装置(60)具有成像传感系统，特别是相机(62)，其在所述起重索(207)、特别是滑轮(206)的悬置点的区域中基本上竖直向下俯视，其中，设置图像评估装置(64)用于关于所述负载悬吊机构(208)在所述成像传感系统提供的图像中的位置评估所提供的图像，并确定所述负载悬吊机构(208)和/或所述起重索(207)的偏转度

和/或相对于所述垂线(61)的偏转速度。

18.根据前两项权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述检测装置(60)具有附接至所述负载悬吊机构(208)的惯性测量单元(IMU)，所述惯性测量单元具有用于提供加速度信号与转动速率信号的加速度与转动速率传感机构、用于由所述惯性测量单元(IMU)的加速度信号与转动速率信号来确定和/或估计所述负载悬吊机构(208)的倾斜度(ε_β)的第一确定机构(401)以及用于由所检测的所述负载悬吊机构(208)的倾斜度(ε_β)和所述负载悬吊机构(208)的惯性加速度(_Iα)来确定所述起重索(207)和/或所述负载悬吊机构(208)相对于所述垂线(61)的偏转度(β)的第二确定机构(410)。

19.根据前一项权利要求所述的起重机，其中，所述第一确定机构(401)具有互补滤波器(402)，所述互补滤波器具有用于所述惯性测量单元(IMU)的转动速率信号的高通滤波器(403)以及用于所述惯性测量单元(IMU)的加速度信号或从中导出的信号的低通滤波器(404)，所述互补滤波器(402)构造为将基于经高通滤波的转动速率信号得出的所述负载悬吊机构(208)基于转动速率的倾斜度估值(ε_β,ω)与基于经低通滤波的加速度信号得出的所述负载悬吊机构(208)基于加速度的倾斜度估值(ε_β,α)相互关联，并由关联后的所述负载悬吊机构(208)基于转动速率与基于加速度的倾斜度估值(ε_β,ω；ε_β,α)来确定所需的所述负载悬吊机构(208)的倾斜度(ε_β)。

20.根据前一项权利要求所述的起重机，其中，所述负载悬吊机构(208)基于转动速率的倾斜度估值(ε_β,ω)包括经高通滤波的转动速率信号的积分；和/或所述负载悬吊机构(208)基于加速度的倾斜度估值(ε_β,α)是基于测得的水平加速度(_kα_x)与测得的竖直加速度(_kα_z)之商，由此基于以下关系式来获取基于加速度的倾斜度估值(ε_β,α)：

21.根据前述权利要求18至20中任一项所述的起重机，其中，所述第二确定机构(410)具有滤波器和/或观测器装置，其将所检测的所述负载悬吊机构(208)的倾斜度(ε_β)视为输入变量来考虑并由所述负载悬吊机构(208)的惯性加速度(_Iα)来确定所述起重索(207)和/或所述负载悬吊机构(208)相对于所述垂线(61)偏转度

22.根据前一项权利要求所述的起重机，其中，所述滤波器和/或观测器装置包括卡尔曼滤波器(411)，特别是扩展卡尔曼滤波器。

23.根据前述权利要求18至22中任一项所述的起重机，其中，所述第二确定机构(410)具有计算机构，用于由水平惯性加速度(_Iα_x)与重力加速度(g)之商计算所述起重索(207)和/或所述负载悬吊机构(208)相对于所述垂线(61)的偏转度(β)。

24.根据前述权利要求18至23中任一项所述的起重机，其中，所述惯性测量单元(IMU)具有无线通信模块，用于将测量信号和/或从中导出的信号无线传递到接收器，其中，所述通信模块与所述接收器优选能够经由WLAN连接彼此互连，并且所述接收器布置在所述起重索从中卷开的滑轮处。

25.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述调节模块(341)具有滤波器和/或观测器装置(345)，用于影响用于控制所述驱动装置的驱动调节器(347)的调节变量，其中，所述滤波器和/或观测器装置(345)构造为一方面接收所述驱动调节器(347)的调节变量，并且另一方面接收所述摆动传感系统(60)的摆动信号以及反馈到所述调节回路并指示所述结构部件的变形和/或内在动态运动的结构动态信号作为输入变量，并根据针对特定控制器调节变量接收到的起重机元件的动态诱导运动和/或结构部件的变形来影响所述调节器调节变量。

26.根据前一项权利要求所述的起重机，其中，所述滤波器和/或观测器装置(345)构造为卡尔曼滤波器(346)。

27.根据前一项权利要求所述的起重机，其中，在所述卡尔曼滤波器(346)中实现所检测的和/或所估计的和/或所计算的和/或所模拟的表征所述起重机的结构部件动态的函数。

28.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述调节模块(341)构造为根据参数组负载质量(m_L)、起重机索长度(I)、滑轮位置(x_tr)和跨距中的至少一个参数的变化来跟踪和/或调整至少一个特征调节参数，特别是调节增益。

29.一种用于控制起重机、特别是塔式旋臂起重机的方法，通过驱动装置使所述起重机的附接至起重索(207)的负载悬吊机构(208)行进，由所述起重机的控制设备(3)控制所述驱动装置，其中，由摆动阻尼装置(340)根据摆动相关的参数来影响对所述驱动装置的控制，所述摆动阻尼装置包括具有具有闭合调节回路的调节模块(341)，其特征在于，向所述闭合调节回路反馈摆动传感系统(60)的摆动信号以及结构动态传感系统(342)的结构动态信号，借助所述摆动信号检测所述起重索和/或所述负载悬吊机构的摆荡运动，借助所述结构动态信号检测所述结构部件的变形和/或内在动态运动，并由所述调节模块(341)根据所反馈的所述摆动传感系统(60)的摆动信号以及所反馈的所述结构动态传感系统(342)的结构动态信号来影响用于控制所述驱动装置的控制信号(u(t))。

30.根据前一项权利要求所述的方法，其中，将所反馈的所述摆动传感系统(60)的摆动信号以及所反馈的所述结构动态传感系统(342)的结构动态信号馈送至卡尔曼滤波器(346)，还将用于控制所述驱动装置的驱动调节器(347)的调节变量作为输入变量馈送至所述卡尔曼滤波器，其中，所述卡尔曼滤波器(346)根据所述摆动传感系统(60)的摆动信号、所述结构动态传感系统(342)的结构动态信号和所反馈的所述驱动调节器(347)的调节变量来进行对所述驱动调节器(347)的调节变量的影响。

31.根据前两项权利要求中任一项所述的方法，其中，由前置于所述调节模块(341)的预控模块(350)预控用于控制所述驱动装置的控制信号，其中，所述预控模块(350)构造为在不考虑所述摆动传感系统(60)的摆动信号和所述结构动态传感系统(342)的结构动态信号的情况下执行预控。

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