CN111847240B - 一种起重机同步误差测量装置及其纠偏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起重机同步误差测量装置，包含：第一类同步误差测量装置，设置有绝对值编码器；第一类同步误差，为起重机的左右两侧车轮位置控制器提供位置偏差输入；第二类同步误差测量装置，设置在两个车轮上侧；第二类同步误差，为车轮中心线相对于轨道中心线的偏转角；为了同时纠正两类同步误差，设计以交叉耦合同步控制策略为核心的起重机纠偏方法，位置控制器同时接收两类同步误差信号，共同参与控制器的调节，纠正偏差。本发明解决了起重机在工作状态中的同步误差的测量及其位置纠偏；控制系统具有响应快、平稳性好等良好的控制性能；具有结构简单、成本低廉、可靠性高、便于维护等特点。

Description

一种起重机同步误差测量装置及其纠偏方法

技术领域

本发明涉及自动化集装箱码头堆场起重机的控制方法，具体涉及一种起重机同步误差测量装置及其纠偏方法。

背景技术

自动化的集装箱码头堆场有若干个箱区组成，每个箱区配置一个或多个起重机，用于装卸和搬运作业。由于堆场配置的起重机的跨度较大，分别由两台电动机驱动两侧大车机构的主动轮，依靠桥架本身的刚性和控制系统保持两侧车轮的同步。

在起重机的同步控制系统搭建方面，主从控制和并行控制是当前最广泛的控制方案，控制算法多采用传统PID。然而，以上的控制方案和控制算法存在一定的缺陷，对于主从控制而言，每个从动轴的输入信号来自于主动轴的输出信号，在动态调节过程中，加在主电机的输入信号或外界扰动都将通过信号传递影响从动电机并实现对主轴的跟随，由于信号传递的单一性，每个从动电机受到的扰动无法传递影响主电机运行，因此，同步性受到影响和冲击；对于并行控制而言，每个轴电机均接受相同的输入信号，由于整个系统非闭环，与其他轴之间没有耦合作用，当其中一个轴受到外界扰动，其他轴并不会对其扰动做出响应，造成电机之间产生同步误差；而对于传统PID控制算法而言，在运行过程中不能实现参数的自整定与自校正，即系统因外界扰动等发生参数漂移后，该控制算法无法在线调整控制器参数以适应当前的系统参数，导致的误差累积无法及时调整，同步控制失效。

基于以上控制方案和控制算法的缺陷，引申出两个问题：1)由于加减速时大车机构速度的突变，导致车轮打滑，编码器读数与实际位置产生误差，从而导致控制系统的反馈环节出现问题，影响控制器系统的调节；2)起重机由于某种原因使大车机构的车轮相对钢轨产生横向滑动，车轮轮缘与导轨侧面发生相互挤压和摩擦，即啃轨现象。啃轨现象将降低车轮使用寿命、增加维修费用，甚至导致安全事故的发生。为了保证起重机运行的安全性和平稳性，设计一种起重机同步误差测量装置，解决上述两个问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种起重机同步误差测量装置，可以更有效更精确地测量出同步误差；与此同时，设计了基于起重机同步误差测量装置的纠偏方法，通过交叉耦合同步控制策略实现同步误差的校正，快速调节并纠正系统运行过程中的偏差，克服上述缺点。本发明基于平行板电容器的电压-电容特性，根据两极板间的距离与车轮相对于轨道中心线的偏转角变换关系，通过计算获取车轮中心线相对于轨道中心线的偏移距离，作为车轮横向滑动的误差信息。此误差信息与绝对值编码器的误差信息相结合，共同为控制系统提供同步误差值的反馈，与此同时，该误差信息与纠偏过程可以传送到控制中心，为起重机的控制系统及其运行提供可靠参数。

为了达到上述目的，本发明提供了一种起重机同步误差测量装置，包含：

第一类同步误差测量装置，起重机的左右两侧大车车轮分别设置有绝对值编码器；所述第一类同步误差值，通过输入位置和绝对值编码器所测的位置两者做差得到；所述做差的结果，作为位置控制器的一部分输入，参与控制系统的调节。

第二类同步误差测量装置，起重机的左右两侧大车车轮上方分别设置有平行板电容器；车轮通过杠杆机构与平行板电容器连接，两个车轮相对于轨道中心线的偏移距离，为平行板电容器两极板的距离；通过两个极板之间的距离和平行板电容器的电压-电容特性，计算出偏转角；所述偏转角，作为控制系统附加的位置反馈信号，传送至控制器的输入端，作为控制器的另一部分输入，参与控制系统的调节。

最优选地，起重机左右两侧大车分别通过异步电机驱动，所述异步电机通过减速箱及其动力传输机构输出力矩，驱动两个大车的车轮沿轨道往复运动。

最优选地，所述第一类同步误差测量装置(绝对值编码器)设置在电机后部，通过转轴实现刚性连接；所述绝对值编码器，通过对主电机的速度在时间上的积分，计算出其驱动车轮运动的距离。

最优选地，左右两侧电机的绝对值编码器所计算的距离分别与输入位置做差，做差的结果，为控制器的其中一部分输入，参与控制器的调节。在同步状态下，左右两侧绝对值编码器所计算的距离在理论上是相等的；否则，其差值即为同步误差。

最优选地，为了消除由于车轮打滑在编码器上所产生的误差，在大车车轮上方设置激光测距仪以校正所述编码器误差；激光测距仪和绝对值编码器两者所测得车轮的当前位置的差值，即为误差值。

最优选地，若激光测距仪和绝对值编码器之间的误差值在允许校正的范围内，则校正绝对值编码器；若误差超过允许校正的范围内，则起重机停车，重新标定两个车轮的位置。

最优选地，所述第二类同步误差测量装置(平行板电容器)设置在大车两侧车轮正上方，通过杠杆机构，把车轮中心线偏离轨道中心线的距离传递给平行板电容器的其中一个极板，用于改变所述平行板电容器两个极板的间距d；所述距离d通过公式变换为车轮偏离轨道中心线的偏转角α，所述偏转角α即为起重机的第二类同步误差。

最优选地，所述第二类同步误差的计算方法，包含以下步骤：

步骤1：已知平行板电容器的介电系数ε、静电力常量k与两个极板的正对面积S；

步骤2：起重机开车前，对电容器进行充电，充满电的电容器所带电荷量为Q；

步骤3：根据当前两个极板的距离d，计算电容值

步骤4：根据当前的电容C，计算两个极板间电压

步骤5：假设AB为初始状态下极板的位置，两个极板距离为AC，d＝L1；EF为车轮相对于轨道中心线发生偏转后极板的位置，偏转后两个极板之间的距离d＝L2；

步骤6：根据反三角函数公式，可得偏转角

又BE＝L1-L2，故

偏转角α即为第二类同步误差。

最优选地，第二类同步误差作为控制器的另一部分输入，即为附加的反馈信号，参与控制器的调节。

本发明还提供了一种采用如上述两类误差测量装置的纠偏方法，用于校正起重机同步误差，该方法的核心为交叉耦合同步控制策略，该策略的特点为：第一类同步误差作为其中一部分反馈信号，输入到位置控制器，参与控制系统的调节；与此同时，第二类同步误差，即，将车轮偏移轨道中心线的距离所对应的偏转角作为附加的反馈信号，从而实现信号的跟踪，系统中任何一台主电机的负载发生变化都将影响其他电机的运行，同步控制的精度有效地提高。

在上述交叉耦合同步控制策略下，同步误差的纠偏方法包含以下步骤：

步骤1：根据调度计划分配的任务包含的起始位置和目标位置参量，起重机依次作业调度计划内的任务；

步骤2：控制系统的输入位置为任务的起始位置(或目标位置)，两个输出位置为左右两侧驱动电机后侧绝对值编码器当前计算的行进距离，另外，左右两侧编码器的差值为第一类同步误差；与此同时，输出位置反馈到控制器的输入端，作为其中一部分输入信号，参与控制器的调节；

步骤3：控制器输入端的另一部分信号，也即第二类同步误差信号，作为控制器附加的反馈信号，参与控制器的调节；

步骤4：控制器在实现信号跟踪的同时，纠正由于两个车轮不同步所造成的偏差。

步骤5：若绝对值编码器和激光测距仪两者的偏差超出允许校正的范围时，起重机停车，检修绝对值编码器或激光测距仪，在重新标定大车两个车轮的位置后，才允许其继续作业。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的两类同步误差检测装置结构简单、可靠性高，在技术上易于实现，此外，该装置的建设成本低廉且便于维护。

2、本发明起重机的同步控制方法采用交叉耦合策略，该策略下同步控制的精度高、响应速度快，具备良好的控制性能，适用于集装箱码头等紧张、繁忙的工况中。

3、本发明的绝对值编码器误差自校正环节，在允许校正的误差范围内，校正运行过程中由于车轮打滑所产生的误差，消除由于绝对值编码器误差所导致的控制系统误判。

附图说明

图1为本发明提供的起重机同步误差测量装置整体结构示意图；

图2为本发明提供的平行板电容器具体结构示意图；

图3为本发明提供的起重机位置控制与纠偏方法实现流程图；

图4为本发明提供的编码器误差自校正流程图；

图5为本发明提供的偏转角测量示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明起重机同步误差测量装置包含：第一类同步误差测量装置3、第二类同步误差测量方法5。本发明的起重机包含大车机构1、车轮6、运行轨道7、驱动电机2和激光测距仪4。第一类同步误差测量装置3和第二类同步误差测量装置5分别设置在驱动电机2后侧、车轮6上侧。

其中，大车机构1通过左右两侧驱动电机2驱动两侧车轮6在轨道7上前后行走，实现整个起重机沿着轨道7往复运动。大车机构1是第一类同步误差测量装置和第二类同步误差测量装置的搭载平台。

第一类同步误差测量装置3主要部件为绝对值编码器，其位置测量原理为：驱动电机2的速度相对于时间的积分，积分结果即位移。位移通过比例变换为左右两个车轮的行进距离，进而实现起重机的定位。第一类同步误差为左右两个车轮行进距离的差值，即由于左右两侧车轮运行不同步所产生的误差。

起重机开车前，对左右两侧车轮的位置进行标定，同时重置绝对值编码器。

如图4所示，由于起重机在加减速时存在速度突变等现象，左右两侧车轮6可能发生打滑。当打滑产生时，绝对值编码器转换后的值不等于车轮6的实际行进距离，产生误差。误差的测量通过设置在大车机构1上的激光测距仪4实现，激光测距仪和绝对值编码器均为定位装置，在起重机运行过程中，两者单独测量车轮6的位置，测量结果分别记为X1和X2，误差Δ＝|X1-X2|。

当误差较小时，即0<Δ<a，为了保证控制系统的快速性并消除抖振，不进行误差的校正；当a≤Δ<b时，校正绝对值编码器，消除误差，保证控制系统的稳定性和平稳性；当Δ≥b时，误差超出可校正的范围，要求起重机停车，检修绝对值编码器及其相关机构。

第二类同步误差测量装置5的具体结构如图2所示。平行板电容器由两块平行且相互绝缘的金属板8和9构成，金属板8、9的面积均为S，两者的间距为d。另外，已知平行板电容器的介电系数ε、静电力常量k。

系统运行前，对电容器进行充电，充电完成后的电荷量固定为Q。

平行板电容器电容的决定式

和电容与电压的决定式

式中，U为平行板电容器两个极板间的电压值。当两个极板间距离改变时，极板间电压U随之改变，以此特性来测量的两极板间的距离。其中，极板间电压通过转换处理装置(10)输出相对应的电信号。

第二类同步误差定义为车轮6中心线偏离轨道7中心线的偏转角α，所述偏转角α的测量如图5所示。图5为平行板电容器的正视图，AB、CD分别为两个极板平面的在正视图方向上的投影，其中，O为AB的中点，L1为不发生偏转时的两极板间距d，L1＝AC＝BD。当车轮6相对于轨道7的中心线发生偏离时，两极板的间距d发生改变：极板AB偏转为EF，偏转角为α，d＝DE＝L2

由上述两个决定式合并，可得

即在平行板电容器电荷量恒定条件下，两个极板的间距d与极板间电压U为线性关系。

再根据距离d的数值，计算车轮相对与轨道中心线的偏转角α；

根据反三角函数公式，可得

又BE＝L1-L2，故

图3为本发明起重机位置控制与纠偏方法实现流程，控制方案的核心为交叉耦合同步控制策略，即控制器的输入有两个部分组成，共同决定控制器的调节。控制器调节的具体的步骤如下：

步骤1：控制系统的输入位置11为起重机的目标位置(任务的起止位置)，输出位置15和输出位置20分别为左右两侧大车机构当前运行的实际位置。

步骤2：第一类同步误差测量装置和第二类同步误差测量装置分别测量当前左右两个车轮6的位置。

步骤2.1：第一类同步误差测量装置的绝对值编码器3分别测量左右两侧车轮6的位置，作为主要反馈信号16和21；第二类同步误差测量装置的平行板电容器5分别测量左右两侧车轮6相对于轨道7中心线的偏转角22，作为附加的反馈信号23；

步骤2.2：所述两类反馈信号16和21、23与输入位置11做差，得到偏差信号作为左侧位置控制器12和右侧位置控制器17的输入信号，参与控制器的调节；

步骤2.3：左右两侧位置控制器12和17经过计算后，分别输出相应的控制信号给左右两侧主电机13和18，两个主电机接收控制信号后输出一定的力矩驱动左右两侧传动装置14和19，进而驱动车轮6在轨道7上行进一定的距离；

步骤2.4：偏差信号和输入位置信号11不断迭代，左右两侧位置控制器12和17的调节，不断缩减偏差信号；直到起重机运行至目标位置，偏差信号为0。

步骤3：当车轮6发生打滑等造成绝对值编码器的测量值与实际位置存在误差时，借助激光测距仪的测量数值，校正绝对值编码器。若误差超出允许校正的范围，则系统立即停车，进行检修与维护。

综上所述，本发明解决了起重机左右两侧大车机构行进距离不一致、车轮相对轨道中心线偏转两个因素所产生的同步误差检测与纠偏问题，实现了起重机控制系统的平稳性和快速性调节；与此同时，本发明所提供的传感器误差自校正处理过程，不仅保证了系统运行的稳定性，而且降低了系统出现故障的可能性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种起重机同步误差测量装置，其特征在于，包含：

起重机左右两侧大车(1)分别通过左右两侧主电机(2)驱动，所述主电机(2)通过减速箱及其动力传输机构输出力矩，驱动两侧大车(1)的车轮(6)沿轨道(7)往复运动；

所述起重机两侧车轮(6)的位置，在起重机开车前标定；所述开车前标定的位置，作为起重机开车时的输出位置(15、20)，并反馈到左右两侧位置控制器的输入端；

第一类同步误差测量装置(3)，为绝对值编码器，分别设置在左右两侧主电机(2)上；第一类同步误差定义为：当前左右两侧绝对值编码器的值(16、21)与输入位置(11)的差值；所述第一类同步误差值，分别作为左右两侧位置控制器(12、17)的一部分输入，参与控制器的调节；

第二类同步误差测量装置(5)，分别设置在左右两侧车轮(6)上侧；第二类同步误差定义为：车轮(6)中心线与轨道(7)中心线的偏转角；所述第二类同步误差测量装置设置有平行板电容器，所述平行板电容器的极板(8、9)两端施加一定的直流电压进行充电，充电完成后，所述带电的平行板电容器根据极板之间的距离变化，产生对应的电压值，通过转换处理为同步误差具体值；

第二类同步误差测量装置(5)，车轮(6)的偏转通过杠杆机构传递给平行板电容器的其中一个极板(8或9)，；所述两个极板(8、9)的距离d，作为参与计算偏转角α的输入；

通过第二类误差测量装置，计算起重机车轮(6)的中心线与轨道(7)中心线的偏转角α；所述偏转角α，为附加的反馈信号(23)，作为左右两侧位置控制器(12、17)的另一部分输入，参与控制器的调节；

所述控制器的输入端共有两种类型的信号，输出端分别连接左侧主电机(13)和右侧主电机(18)；第一类信号，为起重机左右两侧主电机的输出位置(15、20)与输入位置(11)的差值；第二类信号，为左右两侧起重机的位置偏转角(22)所对应的附加的反馈信号(23)；所述输入端的两类信号同时为左右两侧控制器提供精准的偏差信号，从而实现信号的跟踪。

2.如权利要求1所述的起重机同步误差测量装置，其特征在于，进一步包括激光测距仪(4)，作为绝对值编码器误差自校正测量装置，设置在第一类同步误差测量装置(3)上端。

3.一种同步误差纠偏方法，采用如权利要求1-2任意一项所述的起重机同步误差测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在起重机开车之前，重置绝对值编码器，并重新标定起重机的两个车轮(6)的位置；

步骤2：计算第一类同步误差；

步骤2.1：绝对值编码器在起重机运行时，对主电机(2)的速度在时间上进行积分；所述积分结果，为每个车轮(6)的行进距离，进而确定左右两侧大车机构(1)的当前位置(15、20)；

步骤2.2：左右两侧大车机构(1)的当前位置(15、20)分别与输入位置(11)做差，所述差值作为第一类同步误差，并把该类误差分别作为左右两侧位置控制器(12、17)的一部分输入；

步骤3：当大车车轮(6)发生打滑时，绝对值编码器(16、21)存在累积误差；所述累积误差的消除，通过激光测距仪(4)的测量结果，实现所述绝对值编码器(16、21)的误差自校正；

步骤3.1：若绝对值编码器(3)和激光测距仪(4)的测量值的误差超出最小临界偏差，则校正绝对值编码器(3)；

步骤3.2：若偏差范围过大，则要求起重机停车，重新标定两侧车轮(6)的位置；

步骤4：计算第二类同步误差；当车轮(6)相对于轨道(7)中心线发生偏移时，其偏转角α通过平行板电容器测量，偏转角α的计算步骤，包含：

步骤4.1：已知平行板电容器的介电系数ε、静电力常量k与两个极板的正对面积S；

步骤4.2：起重机开车前，对电容器进行充电，充满电的电容器所带电荷量为Q；

步骤4.3：根据当前两个极板的距离d，计算电容值

步骤4.4：根据当前的电容C，计算两个极板间电压

步骤4.5：假设AB为初始状态下极板的位置，两个极板距离为AC，d＝L1；EF为车轮相对于轨道中心线发生偏转后极板的位置，偏转后两个极板之间的距离d＝L2；

步骤4.6：根据反三角函数公式，可得偏转角

又BE＝L1-L2，故

偏转角α即为第二类同步误差；

步骤5：纠偏操作通过交叉耦合同步控制方法实现；所述纠偏方法，为第一类同步误差和第二类同步误差同时作为位置控制器的输入值，参与控制系统的调节；调节过程及其结果以维持控制系统的快速性和平稳性。

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