CN112173967A - 一种重物初始摇摆的抑制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重物初始摇摆的抑制方法及装置，该方法包括：当平移或变幅机构运行速度达到控制器的给定速度值后，获取电机输出转矩波形数据；对所述转矩波形数据进行滤波计算，分离得到转矩角度；将所述转矩角度在预设时刻复位数学模型的计算角度，计算获得吊重摇摆角度；基于所述摇摆角度消除摆动。该方法可使起重机无需安装额外的传感器，可降低起重机系统的成本和复杂性；可在复杂的作业环境下准确抑制由于平移机构歪拉斜吊造成的初始摇摆，也能够抑制带旋转机构的臂架类起重机在旋转时变幅方向上离心力造成的初始摇摆；从而提高了作业的安全性和工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及起重机控制技术领域，特别涉及一种重物初始摇摆的抑制方法及装置。
背景技术
目前，起重机的平移或者旋转机构下吊重物的摇摆抑制技术应用广泛，既有不需要任何角度传感器的开环摇摆抑制技术，也有需要角度传感器的闭环摇摆抑制技术，这其中，闭环摇摆抑制技术所采用的角度传感器都是额外安装的传感器，例如光学传感器、基于机器视觉的传感器和基于加速度计的传感器。
开环摇摆抑制技术能够抑制由于平移机构或者旋转机构自身驱动力造成的吊重摇摆，但是对于歪拉斜吊造成的重物初始摇摆却无法抑制，如图1所示 (其中θ表示初始摆角)。另外，在如图2的带旋转机构的臂架类起重机上，旋转机构旋转时，会在其变幅机构上(即图中小车所在机构)产生离心力，导致吊重在变幅方向上产生初始摇摆。这种初始摇摆，目前的开环摇摆抑制技术都是无法抑制的。
闭环摇摆抑制技术虽然可以抑制图1和图2中的初始摇摆，但是所额外增加的传感器增加了系统的成本和复杂性，在很多应用场合，传感器甚至无法安装在起重机上。例如基于光学原理的传感器无法在粉尘大或者是有雨雾的户外环境使用等等。
因此，如何在不需要额外角度传感器的前提下，能够抑制由于平移机构歪拉斜吊造成的初始摇摆，也能够抑制带旋转机构的臂架类起重机在旋转时，变幅方向上离心力造成的初始摇摆，目前亟需解决。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种重物初始摇摆的抑制方法及装置，能够抑制由于平移机构歪拉斜吊造成的初始摇摆，也能够抑制带旋转机构的臂架类起重机在旋转时，变幅方向上离心力造成的初始摇摆。
第一方面，本发明实施例提供一种重物初始摇摆的抑制方法，包括：
当平移或变幅机构运行速度达到控制器的给定速度值后，获取电机输出转矩波形数据；
对所述转矩波形数据进行滤波计算，分离得到转矩角度；
将所述转矩角度在预设时刻复位数学模型的计算角度，计算获得吊重摇摆角度；基于所述摇摆角度消除摆动。
在一个实施例中，所述数学模型为：
其中，d为微分算子；θ为计算的初始摆动角度；t为时间；g为重力加速度值；A为变幅机构的加速度；R为吊重到旋转轴的距离；L为吊重钢丝绳的等效绳长。
在一个实施例中，对所述转矩波形数据进行滤波计算，分离得到转矩角度；包括：
根据所述电机输出转矩波形数据，以得到摆动频率；
将所述转矩波形数据依次输入低通滤波器和高通滤波器；所述低通滤波器和高通滤波器的截止频率为所述摆动频率；
将所述高通滤波器的输出输入移相滤波器，所述移相滤波器不改变输入信号的频率，只改变输入信号相位；
将所述移相滤波器的输出与所述高通滤波器的输出相加，得到的结果与比例系数相乘，得到相乘结果；
将所述高通滤波器的输出减去所述相乘结果，以得到转矩角度。
在一个实施例中，将所述转矩角度在预设时刻复位数学模型的计算角度，计算获得吊重摇摆角度；包括：
在转矩角度过零点时刻，将所述转矩角度的一阶导数和二阶导数赋值给所述公式(1)中的一阶变量和二阶变量，计算获得吊重摇摆角度。
第二方面，本发明实施例还提供一种重物初始摇摆的抑制装置，包括：
获取模块，用于当平移或变幅机构运行速度达到控制器的给定速度值后，获取电机输出转矩波形数据；
计算模块，用于对所述转矩波形数据进行滤波计算，以得到转矩角度；
消除模块，用于将所述转矩角度在预设时刻复位数学模型的计算角度，计算获得吊重摇摆角度；基于所述摇摆角度消除摆动。
在一个实施例中，所述数学模型为：
其中，d为微分算子；θ为计算的初始摆动角度；t为时间；g为重力加速度值；A为变幅机构的加速度；R为吊重到旋转轴的距离；L为吊重钢丝绳的等效绳长。
在一个实施例中，所述计算模块，包括：
分离单元，用于根据所述电机输出转矩波形数据，分离得到摆动频率；
第一滤波单元，用于将所述转矩波形数据依次输入低通滤波器和高通滤波器；所述低通滤波器和高通滤波器的截止频率为所述摆动频率；
第二滤波单元，用于将所述高通滤波器的输出输入移相滤波器，所述移相滤波器不改变输入信号的频率，只改变输入信号相位；
计算单元，用于将所述移相滤波器的输出与所述高通滤波器的输出相加，得到的结果与比例系数相乘，得到相乘结果；将所述高通滤波器的输出减去所述相乘结果，以得到转矩角度。
在一个实施例中，所述消除模块具体用于：在转矩角度过零点时刻，将所述转矩角度的一阶导数和二阶导数赋值给所述公式(1)中的一阶变量和二阶变量，计算获得吊重摇摆角度；基于所述摇摆角度消除摆动。
本发明的优点在于，与现有技术相比，本发明实施例提供的一种重物初始摇摆的抑制方法，包括：当平移或变幅机构运行速度达到控制器的给定速度值后，获取电机输出转矩波形数据；对所述转矩波形数据进行滤波计算，分离得到转矩角度；将所述转矩角度在预设时刻复位数学模型的计算角度，计算获得吊重摇摆角度；基于所述摇摆角度消除摆动。该方法可使起重机无需安装额外的传感器，可降低起重机系统的成本和复杂性；可在复杂的作业环境下准确抑制由于平移机构歪拉斜吊造成的初始摇摆，也能够抑制带旋转机构的臂架类起重机在旋转时变幅方向上离心力造成的初始摇摆；从而提高了作业的安全性和工作效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为说明现有技术中歪拉斜吊造成吊重初始摇摆的示意图；
图2为说明现有技术中臂架类起重机在旋转时，变幅方向上离心力造成的初始摇摆的示意图；
图3为本发明实施例提供的重物初始摇摆的抑制方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的步骤200的流程图；
图5为本发明实施例提供的由负载转矩得到吊重初始摆动角度的原理图；
图6为在桥门式起重机上平移机构低速运行时的给定速度和反馈速度的实录波形图；
图7为在桥门式起重机上平移机构低速运行时的电机输出转矩的实录波形图；
图8为在门座式四连杆起重机上平移机构低速运行时的给定速度和反馈速度的实录波形图；
图9为在门座式四连杆起重机上平移机构低速运行时的电机输出转矩的实录波形图；
图10为图9的实录电机输出转矩经过低通滤波器和高通滤波器后的波形图；
图11为图9的实录电机输出转矩经过本发明方法计算后的波形图；
图12为转矩角度复位模型角度算法仿真例子中平移机构加速度的波形图；
图13为转矩角度复位模型角度算法仿真例子中错误复位方式的转矩角度和模型角度的波形图；
图14为转矩角度复位模型角度算法仿真例子中采用本发明复位方式的转矩角度和模型角度的波形图；
图15为本发明的一个实施例消除重物初始摇摆的流程图；
图16本发明实施例提供的重物初始摇摆的抑制装置的框图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示的起重机将吊重从地面拉起时，重物会在空中摆动，此时图中的行走机构电机在变频器的控制下如果以低速运动，速度给定和速度反馈如图 6所示，横坐标表示时间即速度发生变化的时刻，单位秒s；纵坐标表示速度/ 额定速度；变频器通常运行在开环矢量控制方式下或者闭环矢量控制方式下，此时由变频器采集到的电机输出转矩波形如图7所示，横坐标表示时间，单位秒s；纵坐标表示转矩/额定转矩；由于从起重机到吊重的钢丝绳长度可通过起升机构驱动电机配备的编码器获取，进而获取吊重和钢丝绳所等效的单摆的摆动频率fp。可以看见图7的波形中存在着显著的摆动频率成分，但是在整个波形中还存在着除摆动频率成分以外的其他的直流成分，高频成分和低频成分。
另外如图2的带旋转机构的臂架类起重机上，旋转机构旋转时，会在其变幅机构上(即图中小车所在机构)产生离心力，导致吊重在变幅方向上产生初始摇摆。如图8所示，横坐标表示时间，单位秒s；纵坐标表示速度/额定速度；是如图2的一台门座式四连杆起重机上采集到的由于旋转机构旋转情况下的速度给定和速度反馈的实录波形图，产生变幅机构方向的离心力造成的初始摆动。如图9所示，横坐标表示时间，单位秒s；纵坐标表示转矩/额定转矩；变幅机构的驱动电机在变频器的控制下同样以低速运动，在整个波形中同样存在着除摆动频率成分以外的其他的直流成分，高频成分和低频成分，而且低频成分的幅值与摆动频率成分的幅值的比值要远大于图7中同类比值。所以，虽然能显著观察到转矩波形中的摆动频率成分，但由于混合了其他频率成分，因此这种摆动频率成分无法等同于摆动角度，更无法用于摆动的消除控制。
本发明实施例提供了一种重物初始摇摆的抑制方法，参照图3所示，包括：
S100、采用当平移或变幅机构运行速度达到控制器的给定速度值后，获取电机输出转矩波形数据；
S200、对所述转矩波形数据进行滤波计算，分离得到转矩角度；
S300、将所述转矩角度在预设时刻复位数学模型的计算角度，计算获得吊重摇摆角度；基于所述摇摆角度消除摆动。
该方法可使起重机无需安装额外的传感器，可降低起重机系统的成本和复杂性；可在复杂的作业环境下准确抑制由于平移机构歪拉斜吊造成的初始摇摆，也能够抑制带旋转机构的臂架类起重机在旋转时变幅方向上离心力造成的初始摇摆；从而提高了作业的安全性和工作效率。
进一步地，如图4步骤S200包括：
S201、根据所述电机输出转矩波形数据，以得到摆动频率；
S202、将所述转矩波形数据依次输入低通滤波器和高通滤波器；所述低通滤波器和高通滤波器的截止频率为所述摆动频率；
S203、将所述高通滤波器的输出输入移相滤波器，所述移相滤波器不改变输入信号的频率，只改变输入信号相位；
S204、将所述移相滤波器的输出与所述高通滤波器的输出相加，得到的结果与比例系数相乘，得到相乘结果；
S205、将所述高通滤波器的输出减去所述相乘结果，以得到转矩角度。
如图5所示，将图7或图9中的摆动频率成分从其他频率成分中分离出来，得到真正的摆动角度信息。
首先，电机输出转矩1会经过低通滤波器2和高通滤波器3，这两种滤波器的截止频率为前述获得的摆动频率fp，初步滤除电机输出转矩1中的高频和低频成分，经过这两步的处理后，得到的结果仍未能完全去除转矩波形中的低频分量，图10展示了相应的波形，为了完全去除波形中的低频分量，将高通滤波器3的输出输入到移相滤波器中，该移相滤波器不改变输入信号的频率，只改变输入信号相位。在具体实施中，可采用第一移相滤波器4和第二移相滤波器5(分别为90度移相，目的是180度移相，因此应用两个90度的移相滤波器)，该两个移相滤波器具有不改变输入信号的频率特性，只改变输入信号相位特性的特点。即：先将高通滤波器3的输出输入到第一移相滤波器4中，之后再经过第二移相滤波器5，得到的结果与高通滤波器3的输出相加，得到的结果与比例系数K相乘，得到的结果从高通滤波器3的输出中减去，最终可得到以摆动频率为绝对主要成分的转矩角度θTorque，如图11所示。其中，上述比例系数K是一个让调试人员可设置的参数，设置的大小与转矩波形中低频分量的去除效果相关，取值范围：0～1。
此时得到的转矩角度仍不能直接用于摆动的消除，因为摆动的消除需要通过平移机构或旋转机构的变频器，控制平移机构或旋转机构的电机，输出转矩来使平移机构或旋转机构做加减速运动来消除。而这种加减速运动会产生附加转矩叠加到电机输出转矩上，导致上述的摆动角度信息错误，无法真正消除摆动。
众所周知，开环摇摆抑制技术是采用数学模型来计算摇摆角度的，而且该计算出来的角度用于摇摆的抑制是有效的，该数学模型会假设所有的变量初始状态为0。这里本发明实施例会用上述低速运行得到的转矩角度信息在合适的时刻复位数学模型的计算角度，复位成功后，得到的模型角度就表示了真正的吊重摇摆角度，且可用于消除摆动。本发明采用的摇摆角度数学模型是考虑类似图2情况下得到的二阶数学模型，如公式1所示，推理过程不再赘述。
其中，d为微分算子；θ为计算的初始摆动角度；t为时间；g为重力加速度值；A为变幅机构的加速度；R为吊重到旋转轴的距离；L为吊重钢丝绳的等效绳长。
上述的利用转矩角度信息在合适的时刻复位如公式(1)所示模型的计算角度可以选择转矩角度过零点，但是复位并不是将数学模型里的所有变量置零，而是需要将转矩角度的一阶导数和二阶导数值赋给公式(1)所示模型的一阶变量和二阶变量。
图12-图14用仿真说明了错误的复位会导致数学模型的计算错误(横坐标均表示时间，单位秒s，图12纵坐标表示加速度m/s；图13-图14纵坐标表示弧度rad)。仿真中采用了两个按照公式(1)构建的模型，一个模型从0(θ＝0)开始计算，用于模拟上述的转矩角度，在1秒～5秒期间施加一个恒定加速度，产生摇摆角度。第二个模型在第一个模型加速度消失后，在角度的过零时刻6.25秒开始计算角度。在16秒～17秒期间，第二个恒定加速度施加到两个模型上，用于试验两种模型角度的计算是否一致。图13是在复位时将数学模型的所有变量置零，可以看到，在第二个恒定加速度施加后，第二个模型的计算与第一个模型发生了不一致，也就是说采用这种复位方式得到的模型角度用于消除摆动不会成功。图14是在复位时将第一个模型转矩角度的一阶导数和二阶导数值赋给第二个模型的一阶变量和二阶变量，可以看到，在第二个恒定加速度施加后，第二个模型的计算与第一个模型完全一致，也就是说采用这种复位方式得到的模型角度用于消除摆动可以成功。
图15展示了本发明消除重物初始摇摆的完整流程图，该流程图可以以程序的形式存放在平移或变幅机构的控制器中，这里的控制器可以是PLC，也可以是变频器。流程开始后，控制器首先控制平移或变幅机构低速运行，当实际速度达到控制器的给定速度值后，进行转矩角度的滤波计算，当计算出来的转矩角度在过零点时采用上述方法对模型角度进行复位，此时再用模型角度来消除摆动。在模型角度准确反映吊重摆动角度时，有多种公知的方式可以消除摆动，因此不在本发明描述范围内。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种重物初始摇摆的抑制装置，由于该装置所解决问题的原理与前述重物初始摇摆的抑制方法相似，因此该装置的实施可以参见前述方法的实施，重复之处不再赘述。
参照图16所示，本发明实施例还提供了一种重物初始摇摆的抑制装置，包括：
获取模块161，用于当平移或变幅机构运行速度达到控制器的给定速度值后，获取电机输出转矩波形数据；
计算模块162，用于对所述转矩波形数据进行滤波计算，以得到转矩角度；
消除模块163，用于将所述转矩角度在预设时刻复位数学模型的计算角度，计算获得吊重摇摆角度；基于所述摇摆角度消除摆动。
在一个实施例中，所述消除模块163中的数学模型为：
其中，d为微分算子；θ为计算的初始摆动角度；t为时间；g为重力加速度值；A为变幅机构的加速度；R为吊重到旋转轴的距离；L为吊重钢丝绳的等效绳长。
在一个实施例中，所述计算模块162，包括：
分离单元1621，用于根据所述电机输出转矩波形数据，分离得到摆动频率；
第一滤波单元1622，用于将所述转矩波形数据依次输入低通滤波器和高通滤波器；所述低通滤波器和高通滤波器的截止频率为所述摆动频率；
第二滤波单元1623，用于将所述高通滤波器的输出输入移相滤波器，所述移相滤波器不改变输入信号的频率，只改变输入信号相位；
计算单元1624，用于将所述移相滤波器的输出与所述高通滤波器的输出相加，得到的结果与比例系数相乘，得到相乘结果；将所述高通滤波器的输出减去所述相乘结果，以得到转矩角度。
在一个实施例中，所述消除模块163具体用于：在转矩角度过零点时刻，将所述转矩角度的一阶导数和二阶导数赋值给所述公式(1)中的一阶变量和二阶变量，计算获得吊重摇摆角度；基于所述摇摆角度消除摆动。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种重物初始摇摆的抑制方法，其特征在于，包括：
当平移或变幅机构运行速度达到控制器的给定速度值后，获取电机输出转矩波形数据；
对所述转矩波形数据进行滤波计算，分离得到转矩角度；
将所述转矩角度在预设时刻复位数学模型的计算角度，计算获得吊重摇摆角度；基于所述摇摆角度消除摆动。
2.根据权利要求1所述的一种重物初始摇摆的抑制方法，其特征在于，所述数学模型为：
其中，d为微分算子；θ为计算的初始摆动角度；t为时间；g为重力加速度值；A为变幅机构的加速度；R为吊重到旋转轴的距离；L为吊重钢丝绳的等效绳长。
3.根据权利要求2所述的一种重物初始摇摆的抑制方法，其特征在于，对所述转矩波形数据进行滤波计算，分离得到转矩角度；包括：
根据所述电机输出转矩波形数据，以得到摆动频率；
将所述转矩波形数据依次输入低通滤波器和高通滤波器；所述低通滤波器和高通滤波器的截止频率为所述摆动频率；
将所述高通滤波器的输出输入移相滤波器，所述移相滤波器不改变输入信号的频率，只改变输入信号相位；
将所述移相滤波器的输出与所述高通滤波器的输出相加，得到的结果与比例系数相乘，得到相乘结果；
将所述高通滤波器的输出减去所述相乘结果，以得到转矩角度。
4.根据权利要求2所述的一种重物初始摇摆的抑制方法，其特征在于，将所述转矩角度在预设时刻复位数学模型的计算角度，计算获得吊重摇摆角度；包括：
在转矩角度过零点时刻，将所述转矩角度的一阶导数和二阶导数赋值给所述公式(1)中的一阶变量和二阶变量，计算获得吊重摇摆角度。
5.一种重物初始摇摆的抑制装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于当平移或变幅机构运行速度达到控制器的给定速度值后，获取电机输出转矩波形数据；
计算模块，用于对所述转矩波形数据进行滤波计算，以得到转矩角度；
消除模块，用于将所述转矩角度在预设时刻复位数学模型的计算角度，计算获得吊重摇摆角度；基于所述摇摆角度消除摆动。
6.根据权利要求5所述的一种重物初始摇摆的抑制装置，其特征在于，所述数学模型为：
其中，d为微分算子；θ为计算的初始摆动角度；t为时间；g为重力加速度值；A为变幅机构的加速度；R为吊重到旋转轴的距离；L为吊重钢丝绳的等效绳长。
7.根据权利要求6所述的一种重物初始摇摆的抑制装置，其特征在于，所述计算模块，包括：
分离单元，用于根据所述电机输出转矩波形数据，分离得到摆动频率；
第一滤波单元，用于将所述转矩波形数据依次输入低通滤波器和高通滤波器；所述低通滤波器和高通滤波器的截止频率为所述摆动频率；
第二滤波单元，用于将所述高通滤波器的输出输入移相滤波器，所述移相滤波器不改变输入信号的频率，只改变输入信号相位；
计算单元，用于将所述移相滤波器的输出与所述高通滤波器的输出相加，得到的结果与比例系数相乘，得到相乘结果；将所述高通滤波器的输出减去所述相乘结果，以得到转矩角度。
8.根据权利要求6所述的一种重物初始摇摆的抑制装置，其特征在于，所述消除模块具体用于：在转矩角度过零点时刻，将所述转矩角度的一阶导数和二阶导数赋值给所述公式(1)中的一阶变量和二阶变量，计算获得吊重摇摆角度；基于所述摇摆角度消除摆动。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113071989A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-07-06 | 安徽工程大学 | 一种起重机的电机控制方法 |
| CN113071989B (zh) * | 2021-03-25 | 2022-03-11 | 安徽工程大学 | 一种起重机的电机控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112173967B (zh) | 2023-01-03 |
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 430000 workshop D, no.6, ligongyuan Road, Science Park, Wuhan University of technology, Donghu Development Zone, Wuhan City, Hubei Province Applicant after: Wuhan Gangdi Technology Co.,Ltd. Address before: 430000 workshop D, no.6, ligongyuan Road, Science Park, Wuhan University of technology, Donghu Development Zone, Wuhan City, Hubei Province Applicant before: WUHAN GUIDE ELECTRIC DRIVE TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Xie Ming Inventor after: Chi Jinsheng Inventor after: Li Xiaosong Inventor after: Zeng Guoqing Inventor after: Mao Rongfang Inventor after: Wang Jun Inventor before: Xie Ming Inventor before: Li Xiaosong Inventor before: Zeng Guoqing Inventor before: Mao Rongfang Inventor before: Wang Jun |
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| GR01 | Patent grant | ||
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