CN112010175B - 起重机多轴联动防摇控制方法和控制系统 - Google Patents

起重机多轴联动防摇控制方法和控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种起重机多轴联动防摇控制方法和控制系统，该方法包括：获取小车实际运行速度和吊绳绳长，确定吊绳的第一摆角、第一摆角角速度和小车实际运行加速度并进行整定运算形成反馈，利用第一PID控制器对小车行走电机速度给定值进行调节，以调整小车实际运行速度；获取大车实际运行速度和吊绳绳长，确定吊绳的第二摆角、第二摆角角速度和大车实际运行加速度并进行整定运算形成反馈，利用第二PID控制器对大车行走电机速度给定值进行调节，以调整大车实际运行速度。本发明的控制方法和控制方法能够使小车实际运行速度和大车实际运行速度平稳运行至给定速度以满足起重机运行的要求，并有效地消除吊绳在左右方向和前后方向上的过度摇摆。

Description

起重机多轴联动防摇控制方法和控制系统
技术领域
本发明涉及起重机技术领域，尤其涉及一种起重机多轴联动防摇控制方法和控制系统。
背景技术
起重机是横架于车间、仓库和料场上空进行物料吊运的起重设备，现有的起重机主要包括桥架、提升机构、小车、大车移行机构、小车移行机构和控制室等部件，桥架又称为大车。起重机在运行过程中，重物在提升机构的吊钩上能够随着卷筒的旋转，即吊绳的伸缩，而实现上下方向的移动，能够随着小车在车间的宽度方向的运动实现左右方向的移动，以及能够随着大车在车间的长度方向的运动实现前后方向的移动。起重机在运行过程中，通过控制提升机构、小车和大车，能够实现重物在上下、前后和左右三个方向的运动，把重物移至车间任意位置，完成起重运输任务。
目前在利用起重机吊运重物时，当通过小车带动吊绳上的重物沿左右方向移动时，若小车的运动控制不当，则会使吊绳在左右方向上出现较大幅度的摆动；当通过大车带动吊绳上的重物沿前后方向移动，若大车的运动控制不当，同样会使吊绳在前后方向上出现较大幅度的摆动；而当吊绳出现较大幅度的摆动时，既会影响吊运效率，又可能导致安全事故发生。
因此，开发一种起重机多轴联动防摇控制方法和控制系统，以防止起重机的运行过程中吊绳的过度摇摆，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种起重机多轴联动防摇控制方法和控制系统。
为此本发明公开了一种起重机多轴联动防摇控制方法，所述方法包括：
获取小车实际运行速度和吊绳绳长，根据小车实际运行速度和吊绳绳长确定吊绳在左右方向上的第一摆角、第一摆角角速度和小车实际运行加速度，对第一摆角、第一摆角角速度和小车实际运行加速度进行整定运算形成反馈，基于反馈利用第一PID控制器对小车行走电机速度给定值进行调节，以调整小车实际运行速度；
获取大车实际运行速度和吊绳绳长，根据大车实际运行速度和吊绳绳长确定吊绳在前后方向上的第二摆角、第二摆角角速度和大车实际运行加速度，对第二摆角、第二摆角角速度和大车实际运行加速度进行整定运算形成反馈，基于反馈利用第二PID控制器对大车行走电机速度给定值进行调节，以调整大车实际运行速度。
进一步地，在上述起重机多轴联动防摇控制方法中，在不考虑自身摩擦力和外界风载荷因素的基础上，吊绳在左右方向上的第一摆角可以利用以下公式计算确定；
2l′θ1′+lθ1″+x1″+gθ1′＝0
其中，l表示吊绳绳长，l′表示吊绳伸缩速度，θ1表示第一摆角，θ1′表示第一摆角角速度，θ1″表示第一摆角角加速度，x1″表示小车实际运行加速度，g表示重力加速度。
进一步地，在上述起重机多轴联动防摇控制方法中，在不考虑自身摩擦力和外界风载荷因素的基础上，吊绳在前后方向上的第二摆角可以利用以下公式计算确定；
2l′θ2′+lθ2″+x2″+gθ2′＝0
其中，l表示吊绳绳长，l′表示吊绳伸缩速度，θ2表示第二摆角，θ2′表示第二摆角角速度，θ2″表示第二摆角角加速度，x2″表示大车实际运行加速度，g表示重力加速度。
进一步地，在上述起重机多轴联动防摇控制方法中，在考虑外界风载荷因素的基础上，吊绳在左右方向上的第一摆角通过安装角度测量摄像头进行测量，第一摆角角速度由第一摆角对时间进行微分计算获取，小车实际运行加速度由小车实际运行速度对时间进行微分计算获取。
进一步地，在上述起重机多轴联动防摇控制方法中，在考虑外界风载荷因素的基础上，吊绳在前后方向上的第二摆角通过安装角度测量摄像头进行测量，第二摆角角速度由第二摆角对时间进行微分计算获取，大车实际运行加速度由大车实际运行速度对时间进行微分计算获取。
此外，本发明还公开了一种起重机多轴联动防摇控制系统，所述系统包括：小车实际运行速度获取模块、大车实际运行速度获取模块、吊绳绳长获取模块、第一摆角计算模块、第二摆角计算模块、第一反馈整定模块、第二反馈整定模块、第一PID控制器和第二PID控制器；
小车实际运行速度获取模块用于获取小车实际运行速度；
大车实际运行速度获取模块用于获取大车实际运行速度；
吊绳绳长获取模块用于获取吊绳绳长；
第一摆角计算模块用于根据小车实际运行速度和吊绳绳长确定吊绳在左右方向上的第一摆角、第一摆角角速度和小车实际运行加速度；
第一反馈整定模块用于对第一摆角、第一摆角角速度和小车实际运行加速度进行整定运算形成反馈；
第二摆角计算模块用于根据大车实际运行速度和吊绳绳长确定吊绳在前后方向上的第二摆角、第二摆角角速度和大车实际运行加速度；
第二反馈整定模块用于对第二摆角、第二摆角角速度和大车实际运行加速度进行整定运算形成反馈；
第一PID控制器用于对小车行走电机速度给定值进行调节，以调整小车实际运行速度；
第二PID控制器用于对大车行走电机速度给定值进行调节，以调整大车实际运行速度。
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明的起重机多轴联动防摇控制方法和控制方法通过在小车速度控制过程中计算确定吊绳在左右方向上的第一摆角，第一摆角角速度和小车运行加速度，并对三个参数进行整定运算形成反馈，基于反馈利用PID控制器对小车行走电机速度给定进行调节；同时，通过在大车控制过程中计算确定吊绳在前后方向上的第二摆角，第二摆角角速度和大车运行加速度，并对三个参数进行整定运算形成反馈，基于反馈利用PID控制器对大车行走电机速度给定进行调节，能够有效地消除吊绳在前后方向上的过度摇摆，能够使小车实际运行速度和大车实际运行速度平稳运行至给定速度以满足起重机运行的要求，并有效地消除吊绳在左右方向和前后方向上的过度摇摆。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一实施例的起重机多轴联动防摇控制方法的控制原理图；
图2为本发明一实施例的一种吊绳绳长不变化时小车速度给定值与小车实际运行速度的相互关系示意图；
图3为图2对应的吊绳的第一摆角曲线图；
图4为本发明一实施例的一种吊绳绳长变化方式示意图；
图5为基于图4的一种吊绳绳长变化时小车速度给定值与小车实际运行速度的相互关系示意图；
图6为图5对应的吊绳的第一摆角曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
如附图1所示，本发明一实施例提供了一种起重机多轴联动防摇控制方法，该方法包括：
获取小车实际运行速度和吊绳绳长，根据小车实际运行速度和吊绳绳长确定吊绳在左右方向上的第一摆角、第一摆角角速度和小车实际运行加速度，对第一摆角、第一摆角角速度和小车实际运行加速度进行整定运算形成反馈，基于反馈利用第一PID控制器对小车行走电机速度给定值进行调节，以调整小车实际运行速度；
获取大车实际运行速度和吊绳绳长，根据大车实际运行速度和吊绳绳长确定吊绳在前后方向上的第二摆角、第二摆角角速度和大车实际运行加速度，对第二摆角、第二摆角角速度和大车实际运行加速度进行整定运算形成反馈，基于反馈利用第二PID控制器对大车行走电机速度给定值进行调节，以调整大车实际运行速度。
本发明一实施例提供的起重机多轴联动防摇控制方法通过在小车速度控制过程中计算确定吊绳在左右方向上的第一摆角，第一摆角角速度和小车运行加速度，并对三个参数进行整定运算形成反馈，基于反馈利用PID控制器对小车行走电机速度给定进行调节；同时，通过在大车控制过程中计算确定吊绳在前后方向上的第二摆角，第二摆角角速度和大车运行加速度，并对三个参数进行整定运算形成反馈，基于反馈利用PID控制器对大车行走电机速度给定进行调节，能够使小车实际运行速度和大车实际运行速度平稳运行至给定速度以满足起重机运行的要求，并有效地消除吊绳在左右方向和前后方向上的过度摇摆。
本发明一实施例中，基于公式K1θ1+K2θ1′+K3x1″对第一摆角、第一摆角角速度和小车实际运行加速度三个参数进行整定运算以确定反馈值，基于公式K1θ2+K2θ2′+K3x2″对第二摆角、第二摆角角速度和大车实际运行加速度进行整定运算以确定反馈值。K1表示第一整定系数，K2表示第二整定系数，K3表示第三整定系数，各个整定系数根据实际试验数据进行确定。
本发明一实施例中，在不考虑自身摩擦力和外界风载荷因素的基础上，吊绳在左右方向上的第一摆角可以利用以下公式计算确定；
2l′θ1′+lθ1″+x1″+gθ1′＝0
其中，l表示吊绳绳长，l′表示吊绳伸缩速度，θ1表示第一摆角，θ1′表示第一摆角角速度，θ1″表示第一摆角角加速度，x1″表示小车实际运行加速度，g表示重力加速度。
小车实际运行速度可以利用安装在小车上的编码器检测获取，小车实际运行加速度可以由小车实际运行速度对时间进行微分计算获取，吊绳绳长可以利用安装在提升机构中卷筒上的编码器检测获取，吊绳伸缩速度可以由吊绳绳长对时间进行微分计算获取，第一摆角角速度可以由第一摆角对时间进行微分计算获取，第一摆角角加速度可以由第一摆角角速度对时间进行微分计算获取。
同理，本发明一实施例中，吊绳在前后方向上的第二摆角可以利用以下公式计算确定；
2l′θ2′+lθ2″+x2″+gθ2′＝0
其中，l表示吊绳绳长，l′表示吊绳伸缩速度，θ2表示第二摆角，θ2′表示第二摆角角速度，θ2″表示第二摆角角加速度，x2″表示大车实际运行加速度，g表示重力加速度。
大车实际运行速度可以利用安装在大车上的编码器检测获取，大车实际运行加速度可以由大车实际运行速度对时间进行微分计算获取，吊绳绳长可以利用安装在提升机构中卷筒上的编码器检测获取，吊绳伸缩速度可以由吊绳绳长对时间进行微分计算获取，第二摆角角速度可以由第二摆角对时间进行微分计算获取，第二摆角角加速度可以由第二摆角角速度对时间进行微分计算获取。
进一步地，本发明一实施例中，在考虑外界风载荷因素的基础上，吊绳在左右方向上的第一摆角可以通过安装角度测量摄像头进行测量，第一摆角角速度可以由第一摆角对时间进行微分计算获取，小车实际运行加速度可以由小车实际运行速度对时间进行微分计算获取。
同理，在考虑外界风载荷因素的基础上，吊绳在前后方向上的第二摆角也可以通过安装角度测量摄像头进行测量，第二摆角角速度可以由第二摆角对时间进行微分计算获取，大车实际运行加速度可以由大车实际运行速度对时间进行微分计算获取。
如附图2和附图3所示，附图2给出了一种利用本发明一实施例提供的起重机多轴联动防摇控制方法进行小车速度控制时，当吊绳绳长不变化时小车速度给定值与小车实际运行速度的相对关系，附图3给出了附图2对应的吊绳第一摆角；当吊绳绳长不变化时，利用本发明一实施例提供的起重机多轴联动防摇控制方法进行小车速度控制时，小车实际运行速度既能够平稳运行至给定速度以满足起重机运行的要求，又能够使吊绳的第一摆角在过零位时稳定消除，无持续震荡过程；并且，即使在吊绳摇摆过程中给定速度发生变化，依然可以有效将第一摆角消除。
如附图4-6所示，附图4给出一种吊绳绳长变化方式，附图5给出了基于附图4所示的吊绳绳长变化方式利用本发明一实施例提供的起重机多轴联动防摇控制方法进行小车速度控制时，当吊绳绳长变化时小车速度给定值与小车实际运行速度的相对关系，附图6给出了附图5对应的吊绳第一摆角；当吊绳绳长变化时，利用本发明一实施例提供的起重机多轴联动防摇控制方法进行小车速度控制时，小车实际运行速度既能够平稳运行至给定速度以满足起重机运行的要求，又能够使吊绳的第一摆角在过零位时稳定消除，无持续震荡过程；并且，即使在吊绳摇摆过程中给定速度发生变化，依然可以有效将第一摆角消除。
本发明一实施例还提供了一种起重机多轴联动防摇控制系统，该系统包括：小车实际运行速度获取模块、大车实际运行速度获取模块、吊绳绳长获取模块、第一摆角计算模块、第二摆角计算模块、第一反馈整定模块、第二反馈整定模块、第一PID控制器和第二PID控制器；
小车实际运行速度获取模块用于获取小车实际运行速度；
大车实际运行速度获取模块用于获取大车实际运行速度；
吊绳绳长获取模块用于获取吊绳绳长；
第一摆角计算模块用于根据小车实际运行速度和吊绳绳长确定吊绳在左右方向上的第一摆角、第一摆角角速度和小车实际运行加速度；
第一反馈整定模块用于对第一摆角、第一摆角角速度和小车实际运行加速度进行整定运算形成反馈；
第二摆角计算模块用于根据大车实际运行速度和吊绳绳长确定吊绳在前后方向上的第二摆角、第二摆角角速度和大车实际运行加速度；
第二反馈整定模块用于对第二摆角、第二摆角角速度和大车实际运行加速度进行整定运算形成反馈；
第一PID控制器用于对小车行走电机速度给定值进行调节，以调整小车实际运行速度；
第二PID控制器用于对大车行走电机速度给定值进行调节，以调整大车实际运行速度。
通过该起重机多轴联动防摇控制系统对小车行走电机速度给定值和大车行走电机速度给定值进行调节，能够使小车实际运行速度和大车实际运行速度平稳运行至给定速度以满足起重机运行的要求，同时能够有效地消除吊绳在左右方向和前后方向上的过度摇摆。
其中，小车实际运行速度获取模块、大车实际运行速度获取模块和吊绳绳长获取模块可以为编码器。
进一步地，本发明一实施例中，该系统还可以包括角度测量摄像头，角度测量摄像头用于测量吊绳在左右方向和前后方向上的摆角。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种起重机多轴联动防摇控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取小车实际运行速度和吊绳绳长，根据小车实际运行速度和吊绳绳长确定吊绳在左右方向上的第一摆角、第一摆角角速度和小车实际运行加速度，对第一摆角、第一摆角角速度和小车实际运行加速度进行整定运算形成反馈，基于反馈利用第一PID控制器对小车行走电机速度给定值进行调节，以调整小车实际运行速度；
获取大车实际运行速度和吊绳绳长，根据大车实际运行速度和吊绳绳长确定吊绳在前后方向上的第二摆角、第二摆角角速度和大车实际运行加速度，对第二摆角、第二摆角角速度和大车实际运行加速度进行整定运算形成反馈，基于反馈利用第二PID控制器对大车行走电机速度给定值进行调节，以调整大车实际运行速度；
基于公式K1θ1+K2θ1′+K3x1″对第一摆角θ1、第一摆角角速度θ1′和小车实际运行加速度x1″三个参数进行整定运算以确定反馈值，基于公式K1θ2+K2θ2′+K3x2″对第二摆角θ2、第二摆角角速度θ2′和大车实际运行加速度x2″进行整定运算以确定反馈值，K1表示第一整定系数，K2表示第二整定系数，K3表示第三整定系数，各个整定系数根据实际试验数据进行确定。
2.根据权利要求1所述的起重机多轴联动防摇控制方法，其特征在于，在不考虑自身摩擦力和外界风载荷因素的基础上，吊绳在左右方向上的第一摆角可以利用以下公式计算确定；
2l′θ1′+lθ1″+x1″+gθ1′＝0
其中，l表示吊绳绳长，l′表示吊绳伸缩速度，θ1表示第一摆角，θ1′表示第一摆角角速度，θ1″表示第一摆角角加速度，x1″表示小车实际运行加速度，g表示重力加速度。
3.根据权利要求1所述的起重机多轴联动防摇控制方法，其特征在于，在不考虑自身摩擦力和外界风载荷因素的基础上，吊绳在前后方向上的第二摆角可以利用以下公式计算确定；
2l′θ2′+lθ2″+x2″+gθ2′＝0
其中，l表示吊绳绳长，l′表示吊绳伸缩速度，θ2表示第二摆角，θ2′表示第二摆角角速度，θ2″表示第二摆角角加速度，x2″表示大车实际运行加速度，g表示重力加速度。
4.根据权利要求1所述的起重机多轴联动防摇控制方法，其特征在于，在考虑外界风载荷因素的基础上，吊绳在左右方向上的第一摆角通过安装角度测量摄像头进行测量，第一摆角角速度由第一摆角对时间进行微分计算获取，小车实际运行加速度由小车实际运行速度对时间进行微分计算获取。
5.根据权利要求1所述的起重机多轴联动防摇控制方法，其特征在于，在考虑外界风载荷因素的基础上，吊绳在前后方向上的第二摆角通过安装角度测量摄像头进行测量，第二摆角角速度由第二摆角对时间进行微分计算获取，大车实际运行加速度由大车实际运行速度对时间进行微分计算获取。
6.一种起重机多轴联动防摇控制系统，其特征在于，所述系统包括：小车实际运行速度获取模块、大车实际运行速度获取模块、吊绳绳长获取模块、第一摆角计算模块、第二摆角计算模块、第一反馈整定模块、第二反馈整定模块、第一PID控制器和第二PID控制器；
小车实际运行速度获取模块用于获取小车实际运行速度；
大车实际运行速度获取模块用于获取大车实际运行速度；
吊绳绳长获取模块用于获取吊绳绳长；
第一摆角计算模块用于根据小车实际运行速度和吊绳绳长确定吊绳在左右方向上的第一摆角、第一摆角角速度和小车实际运行加速度；
第一反馈整定模块用于对第一摆角、第一摆角角速度和小车实际运行加速度进行整定运算形成反馈；
第二摆角计算模块用于根据大车实际运行速度和吊绳绳长确定吊绳在前后方向上的第二摆角、第二摆角角速度和大车实际运行加速度；
第二反馈整定模块用于对第二摆角、第二摆角角速度和大车实际运行加速度进行整定运算形成反馈；
第一PID控制器用于对小车行走电机速度给定值进行调节，以调整小车实际运行速度；
第二PID控制器用于对大车行走电机速度给定值进行调节，以调整大车实际运行速度；
其中，基于公式K1θ1+K2θ1′+K3x1″对第一摆角θ1、第一摆角角速度θ1′和小车实际运行加速度x1″三个参数进行整定运算以确定反馈值，基于公式K1θ2+K2θ2′+K3x2″对第二摆角θ2、第二摆角角速度θ2′和大车实际运行加速度x2″进行整定运算以确定反馈值，K1表示第一整定系数，K2表示第二整定系数，K3表示第三整定系数，各个整定系数根据实际试验数据进行确定。
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