CN112141888A

CN112141888A - 一种用于桥式起重机的开环防摇控制装置和时滞滤波器

Info

Publication number: CN112141888A
Application number: CN202011026299.XA
Authority: CN
Inventors: 张晓燕; 张永超; 张宁
Original assignee: Shenzhen Hpmont Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Hpmont Technology Co Ltd
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2020-12-29

Abstract

一种用于桥式起重机的开环防摇控制装置，包括起重机控制器、小车电力拖动系统和大车电力拖动系统。其中，小车电力拖动系统和大车电力拖动系统分别通过时滞滤波器和变频器将起重机控制器发送的小车预设速度信号和大车预设速度信号转化为具有防摇效果的小车给定速度信号和大车给定速度信号，以依据小车给定速度信号和大车给定速度信号获取小车电机驱动电压和大车电机驱动电压，来驱动小车电机和大车电机。由于小车给定速度信号和大车给定速度信号具有防摇效果，从而抑制桥式起重机的载荷摆动。

Description

一种用于桥式起重机的开环防摇控制装置和时滞滤波器

技术领域

本发明涉及起重机技术领域，具体涉及一种用于桥式起重机的开环防摇控制装置和时滞滤波器。

背景技术

桥式起重机是一种应用十分广泛的工业起重吊运装备。作为一种特种大型机械设备，在各种各样的工业环境使用过程中，也对一系列保障其安全、高效、稳定运行的自动化控制技术有相当的需求。然而，桥式起重机在运输过程中的长时间摆动与桥式起重机工作效率的矛盾日益突出，严重影响了桥式起重机的工作效率。因此对桥式起重机的防摇控制作为抑制负载摆动的关键技术开始受到制造商和研究学者的大量关注。起重机作为一种柔性系统，在加速度和惯性的作用下，载荷在移位过程中会产生一定程度的摆动，轻则降低生产效率，重则危害人身安全。所以，抑制起重机工作中的载荷摆动是其安全作业的保障。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种用于桥式起重机的开环防摇控制装置，以提高起重机的防摇效果。

根据第一方面，一种实施例中提供一种用于桥式起重机的开环防摇控制装置，包括起重机控制器、小车电力拖动系统和大车电力拖动系统；

所述起重机控制器用于依据所述桥式起重机预设的移动速度和轨迹，向所述小车电力拖动系统发送小车预设速度信号,和/或向所述大车电力拖动系统发送大车预设速度信号；

所述小车电力拖动系统包括时滞滤波器、小车变频器和小车电机；

所述小车电力拖动系统的时滞滤波器用于对所述小车预设速度信号进行时滞滤波，以获取小车给定速度信号；

所述小车变频器用于依据所述小车给定速度信号获取小车电机驱动电压，以驱动所述小车电机；

所述大车电力拖动系统包括时滞滤波器、大车变频器和大车电机；

所述大车电力拖动系统的时滞滤波器用于对所述大车预设速度信号进行时滞滤波，以获取大车给定速度信号；

所述大车变频器用于依据所述大车给定速度信号获取大车电机驱动电压，以驱动所述大车电机；

所述大车给定速度信号是幅值为非负的矩形脉冲信号；

所述小车给定速度信号是幅值为非负的矩形脉冲信号；

所述大车电力拖动系统的时滞滤波器和所述小车电力拖动系统的时滞滤波器相同。

一实施例中，所述时滞滤波器的时滞滤波信号为：

其中，A_i表示时滞滤波器的幅值，t_i表示时滞滤波器幅值A_i对应的时刻，是滤波器脉冲时滞参数，n表示时滞滤波器的脉冲个数，C(s)表示时滞滤波信号。

一实施例中，当所述时滞滤波器的脉冲个数n为2时，该时滞滤波信号的幅值和时间位置为：

T₁＝0；

其中，T₁为第一个脉冲的时间，T₂为第二个脉冲的时间，A₁为第一个脉冲的幅值，A₂为第二个脉冲的幅值，ξ₀为时滞滤波器的系统阻尼，ω_n0为时滞滤波器的系统振荡频率。

一实施例中，当所述时滞滤波器的脉冲个数n为3时，该时滞滤波信号的幅值和时间位置为：

T₁＝0；

T2_＝ΔT；

T₃＝2ΔT；

其中，T₁为第一个脉冲的时间，T₂为第二个脉冲的时间，T₃为第三个脉冲的时间，A₁为第一个脉冲的幅值，A₂为第二个脉冲的幅值，A₃为第三个脉冲的幅值，ξ₀为时滞滤波器的系统阻尼，ω_n0为时滞滤波器的系统振荡频率。

一实施例中，所述时滞滤波器的系统振荡频率和系统阻尼为：

其中，ξ₀为系统阻尼，ω_n0为系统振荡频率，l为所述桥式起重机的起吊绳长，Δl_max为所述桥式起重机的起吊绳的变化长度的最大值,Δl_min为所述桥式起重机的起吊绳的变化长度的最小值,g为重力加速度常数。

一实施例中，所述时滞滤波器为带有可编程控制器的嵌入式系统实现。

根据第二方面，一种实施例中提供一种时滞滤波器，用于桥式起重机的电力拖动系统，所述时滞滤波器的时滞滤波信号为：

一种实施例中，当所述时滞滤波器的脉冲个数n为2时，该时滞滤波信号的幅值和时间位置为：

T₁＝0；

一种实施例中，当所述时滞滤波器的脉冲个数n为3时，该时滞滤波信号的幅值和时间位置为：

T₁＝0；

T2＝ΔT；

T₃＝2ΔT；

一种实施例中，所述时滞滤波器的系统振荡频率和系统阻尼为：

其中，ξ₀为系统阻尼，ω_n0为系统振荡频率，l为所述桥式起重机的起吊绳长，Δl_max为所述桥式起重机的起吊绳的变化长度的最大值,Δl_min为所述桥式起重机的起吊绳的变化长度的最小值,g为重力加速度常数。。

一种实施例中，所述时滞滤波器为带有可编程控制器的嵌入式系统实现。

依据上述实施例的一种用于桥式起重机的开环防摇控制装置，由于通过小车电力拖动系统和大车电力拖动系统的时滞滤波器对小车预设速度信号和大车预设速度信号进行滤波形成具有防摇效果的小车给定速度信号和大车给定速度信号，再依据小车给定速度信号和大车给定速度信号获取小车电机和大车电机的驱动电压，进而抑制桥式起重机的载荷摆动。

附图说明

图1为一种桥式起重机的结构示意图；

图2为一种实施例中开环防摇控制装置的结构示意图；

图3为一种桥式起重机的机构示意图；

图4为一种实施例中大车电力拖动系统的结构示意图；

图5为一种实施例中大车给定速度信号获取示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

现阶段起重机防摇手段主要有手动防摇、机械防摇和电子防摇。其中，手动防摇是由操作工人依据经验，在载荷具有超前或滞后的摆角时，进行减速或加速调节，机械防摇是增加机械结构限制载荷摆动幅度，电子防摇是采用防摇控制算法抑制载荷摆动，分为开环防摇和闭环防摇两种。在开环控制方面，主要采用变分法、极小值原理，随着技术发展，时滞滤波作为一种前馈型的开环控制方法，由于其实现方式简单及可靠性高的特点，在起重机防摇摆控制及高精度定位系统获得了广泛的应用；相对于开环控制系统，闭环控制系统的鲁棒性更好，目前也得到了更广泛的研究。主要的控制方法有PID控制，最优控制，LQG/LQR控制，自适应控制，滑模变结构控制，模糊控制及神经网络控制等。关于闭环防摇控制方法，国内外研究学者做了大量的研究和尝试，但主要工作集中在对不同控制算法的优化设计与仿真模拟上，具体体现为控制理论较为先进，控制算法较为智能，同时带来算法结构较为复杂的问题。控制算法比较依赖于起重机精确地数学模型，而且难以适应起重机工作时所处的复杂环境(所受外界干扰较多且较复杂)，以及对各种参数的变化适应，例如绳长，速度，加速度等等，难以在工程实际中得到应用。

如上所述，现有的桥式起重机防摇摆技术依赖的条件过多，手动防摇方式需要操作员有丰富的实践经验做加减速调节，因受人为因素的影响，可靠性低；机械防摇通过增加机械装置来消耗载荷摆动过程中产生的能量，成本较高，且需定期检修，维修过程繁琐，使用存在局限性。闭环防摇控制需要添加相应的测量装置，此装置一旦损坏，信号便得不到有效反馈，防摇系统就会失控。开环控制无需额外添加测量设备，依据起重机的模型调节运行速度，进而消摆或使载荷的摆动幅度控制在较小范围内，实现防摇的目的。

在本申请实施例中，用于桥式起重机的开环防摇控制装置包括起重机控制器、小车电力拖动系统和大车电力拖动系统。小车电力拖动系统通过小车时滞滤波器和小车变频器将起重机控制器发出的小车预设速度信号转化为具有防摇效果的小车给定速度信号，再依据小车给定速度信号获取小车电机驱动电压来驱动小车电机。大车电力拖动系统通过大车时滞滤波器和大车变频器将起重机控制器发出的大车预设速度信号转化为具有防摇效果的大车给定速度信号，再依据大车给定速度信号获取大车电机驱动电压来驱动大车电机。其中，大车给定速度信号和小车给定速度信号是幅值为非负的矩形脉冲信号。由于小车给定速度信号和大车给定速度信号具有防摇效果，从而抑制桥式起重机的载荷摆动。

实施例一

请参考图1，为一种桥式起重机的结构示意图，桥式起重机包括小车1、大车2及用于连接负载4和小车1的起吊绳3。其中，大车2可以沿大车导轨作前后运动，小车1可以沿着大车2上的小车导轨作垂直于大车2运行方向的左右移动，起吊绳3受固定于小车1上的卷绳机构的控制，能够进行提升或下降动作，带动负载4的上下移动。通过大车2、小车1及起吊绳4的运动，桥式起重机实现了对负载4在三维位置上的自由移动。

请参考图2，为一种实施例中开环防摇控制装置的结构示意图，桥式起重机的开环防摇控制装置包括起重机控制器11、大车电力拖动系统12和小车电力拖动系统13。起重机控制器11用于依据桥式起重机预设的移动速度和轨迹，向小车电力拖动系统13发送小车预设速度信号,和向大车电力拖动系统12发送大车预设速度信号。小车电力拖动系统13包括时滞滤波器20、变频器21和电机22。小车电力拖动系统13的时滞滤波器20用于对小车预设速度信号进行时滞滤波，以获取小车给定速度信号。小车电力拖动系统的变频器21用于依据小车给定速度信号获取小车电力拖动系统13的电机驱动电压，以驱动小车电力拖动系统13的电机22。大车电力拖动系统12包括时滞滤波器20、变频器21和电机22。大车电力拖动系统12的时滞滤波器20用于对大车预设速度信号进行时滞滤波，以获取大车给定速度信号。大车电力拖动系统12的变频器21用于依据大车给定速度信号获取大车电力拖动系统12的电机驱动电压，以驱动大车电力拖动系统12的电机22。其中，大车给定速度信号是幅值为非负的矩形脉冲信号，小车给定速度信号是幅值为非负的矩形脉冲信号。

大车电力拖动系统12的时滞滤波器20和小车电力拖动系统13的时滞滤波器20相同，作为前馈环节修改桥式起重机的预设速度信号，在保证输入的预设速度信号修改前后对桥式起重机输出响应一致的情况下，消除负载的残留摆角。时滞滤波器的一种设计方法是根据模型得到桥式起重机起重系统的系统振荡频率和系统阻尼，并据此计算出一系列不同幅值和时滞的脉冲序列，即给定速度信号，将给定速度信号与桥式起重机设定预设速度信号信息做卷积和，得到的结果作为实际速度控制桥式起重机的电机。可见，时滞滤波器的设计关键是根据模型得到的系统振荡频率和系统阻尼是否准确，也就是建立的模型是否准确。事实上不可能建立十分精确的数学模型，也没法抹去测量过程中带来的误差，获得十分精准的测量参数。所以本申请考虑到现实中各种因素可能对起桥式重机模型的影响，其中，考虑到因起吊绳的绳长参数变化而产生影响，起吊绳的绳长会因负载的重量、运行速度和运行轨迹的变化而变化，因此建立含有起吊绳的绳长参数不确定性变量的桥式起重机载荷摆动系统数学模型。基于建立的不确定系统模型，得到系统振荡频率和系统阻尼变化的范围。可根据实际应用场合的概率特性灵活选择或自定义系统振荡频率和系统阻尼的概率密度函数。本申请公开的时滞滤波器是基于系统振荡频率和系统阻尼的概率密度变化，结合桥式起重机载荷的残留摆动方程，建立了系统目标函数。以获得性能指标最小为目标求解时滞滤波器各个参数，设计出囊括不确定性条件的最优时滞滤波器。而现有技术中，防摇控制装置过分依赖理想化的系统数学模型，例如零振荡(ZV)、零振荡微分(ZVD)等时滞滤波器，因为设计的零点与理想零点存在偏差，且这种偏差可能会使防摇控制装置出现阶段性摆动响应叠加的缺点。本申请综合一定范围内变化的系统极点位置，择优设计滤波器幅值参数和时滞参数，从而抑制起重机载荷摆动，提高防摇控制的鲁棒性。本申请公开的时滞滤波器的涉及方法包括：

建立数学模型,摆动系统数学模型不可能完全复现现实中的各种干扰、采集数据也不可避免的存在测量误差、且载荷会伴有起升运动，这种种情况导致获取的绳长l是不确定的，所以载重系统是一个参数不确定系统，用Δl表示绳长的不确定部分，请参考图3，为一种桥式起重机的机构示意图，起重机包括小车15、大车14、起吊绳16和负载17，该起重机的摆动系统数学模型为：

其中，g表示重力加速度，l表示理想条件下测量的起吊绳的绳长，

表示起重机提升速度，

表示小车或大车水平运行加速度，θ表示载荷摆角，

表示载荷摆角θ的速度，

表示载荷摆角θ的加速度。

结合起重机操作情形，大车或小车水平运行加速度给定值较小，载荷摆角符合范围|θ|≤10°，基于此摆动系统数学模型公式(1)线性化处理，再拉普拉斯变换得到系统传递函数形式：

其中s表示复数。将传递函数公式(2)与标准二阶阻尼系统对比，得到系统振荡频率：

和系统阻尼：

设计时滞滤波器，最优的时滞滤波器由比例和多个时滞环节组成，形式如下：

其中，A_i表示时滞滤波器的幅值，是滤波器脉冲幅值参数，t_i表示时滞滤波器幅值A_i对应的时刻，是滤波器脉冲时滞参数，n表示时滞滤波器的脉冲个数。

将C(s)作用于起重机系统公式(2)，载荷的残留摆动可以描述为：

其中，

输入信号在滤波整形后，输出响应幅值必须与滤波前输出响应幅值保持一致，故时滞滤波器必须满足幅值约束条件：

起吊绳的绳长不确定性描述为绳长误差在区间Δl内变化，由公式(2-1)、公式(2-2)知，Δl影响着系统振荡频率和系统阻尼，使得ω_n和ξ也在一个范围内变化，且所指范围是：

其中，

系统振荡频率和系统阻尼的变化规律可根据实际情况用函数表示。一实施例中，时滞滤波器的系统振荡频率和系统阻尼为：

其中，ξ₀为系统阻尼，ω_n0为系统振荡频率，l为桥式起重机的起吊绳长，Δl_max为桥式起重机的起吊绳的变化长度的最大值,Δl_min为桥式起重机的起吊绳的变化长度的最小值,g为重力加速度常数。

若同时关心频率和阻尼的影响，且选取的分布规律遵从均匀分布，用函数f(ω_n,ξ)描述频率和阻尼的平均分布概率密度函数：

特别的，分布函数f(ω_n,ξ)也可选择高斯分布、指数分布，以及由实际情况自定义，即可根据起重机应用场所灵活修改。由系统的残留摆动方程V(ω_n,ξ)和概率密度函数f(ω_n,ξ)，构造如下性能指标函数：

结合约束条件公式(4)和公式(8)，采用最优化算法求解目标函数J最小时的系统振荡频率ω_n0和系统阻尼ξ₀；

将确定的ω_n0、ξ₀代入公式(4)，且等于0，在满足公式(5)的约束下计算出时滞滤波器的脉冲幅值参数A_i和时滞参数T_i。

当时滞滤波器的脉冲个数n为2时，该时滞滤波信号的幅值和时间位置为：

当时滞滤波器的脉冲个数n为3时，该时滞滤波信号的幅值和时间位置为：

完成时滞滤波器的设计。一实施例中，时滞滤波器为带有可编程控制器的嵌入式系统实现。在本申请一实施例中的时滞滤波器的脉冲个数n是可设置的，若设置的脉冲个数少，则起重机运送负载到达目标位置的时间就短，若设置的脉冲个数多，可以提高起重机防摇控制的鲁棒性，但代价是运送负载到达目标位置的时间就会加长。所以脉冲个数n可根据起重机现场对负载运送效率的要求，增加或减少。

请参考图4，为一种实施例中大车电力拖动系统的结构示意图，包括时滞滤波器20、变频器21和电机22，时滞滤波器20对大车预设速度信号进行时滞滤波，以获取大车给定速度信号，在经变频器21输出电机驱动电压驱动电机。

请参考图5，为一种实施例中大车给定速度信号获取示意图，输入信号(即大车预设速度信号)与时滞滤波器20脉冲序列的卷积和作为整形后的信号(即大车给定速度信号)，整形后的信号传送至变频器21，进而控制大车电力拖动系统的电机。小车电力拖动系统的电机驱动电压获取流程与大车电力拖动系统相同。特别的，在一般操作中，起重机大小车的水平运动和载荷的起升运动不发生在同一时间内，即，在小车或大车移动时不做升降运动，那么Δl变化范围很小，可认定桥式起重机的起吊绳的长度变化率为0，由公式(2-2)知此时系统阻尼变化不影响消摆效果，计算可做简化处理，系统振荡频率为：

系统阻尼为：

ξ₀＝0，

则ω_n函数可描影响下的概率密度述为：

进一步构造如下性能指标函数：

同样的，结合约束条件公式(4)、公式(5)、公式(12)并采用最优化算法，求解目标函数J最小的脉冲幅值参数和时滞参数，得到时滞滤波器的最优参数。

在本申请一实施例中，将时滞滤波器有意识地在系统中引入时滞环节，将期望的输入与不同幅值的脉冲序列进行卷积，产生一个整形的输入来驱动系统，达到消除柔性系统残留振荡的目的。当柔性模态具有很小的振动频率时，时滞滤波器引入很大的时滞，使系统的响应速度变慢。为了提高系统的响应速度，在设计时滞滤波器的过程，希望在消除柔性模态残留振荡的同时，滤波器的时滞越短越好，保证系统具有合理的响应速度，这些性能指标可以通过优化理论来实现。

本申请公开了一种用于桥式起重机的开环防摇控制装置，包括起重机控制器、小车电力拖动系统和大车电力拖动系统。其中，小车电力拖动系统和大车电力拖动系统分别通过时滞滤波器和变频器将起重机控制器发送的小车预设速度信号和大车预设速度信号转化为具有防摇效果的小车给定速度信号和大车给定速度信号，以依据小车给定速度信号和大车给定速度信号获取小车电机驱动电压和大车电机驱动电压，来驱动小车电机和大车电机。由于小车给定速度信号和大车给定速度信号具有防摇效果，从而抑制桥式起重机的载荷摆动

实施例二

本申请还公开了一种时滞滤波器，用于桥式起重机的电力拖动系统，时滞滤波器的时滞滤波信号为：

T₁＝0；

T₁＝0；

T₂＝ΔT；

T₃＝2ΔT；

一实施例中，时滞滤波器的系统振荡频率和系统阻尼为：

上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。