CN112429640A - 一种控制天车防摇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制天车防摇的方法，通过测角度仪测量天车摇摆偏角数据，防摇摆控制器根据测角度仪测得的天车在XY轴晃动角度来计算出控制天车停摆的最佳速度模型，天车PLC不再需要单独计算天车速度，而是直接将防摇摆控制器给出的最佳速度值传递到变频器，通过变频器控制天车大车、小车速度，实现对天车的自动控制。本发明具有控制精度高、实时性强的特点。

Description

一种控制天车防摇的方法

技术领域

本专利申请属于机械控制技术领域，更具体地说，是涉及一种控制天车防摇的方法。

背景技术

行车在运行过程中总是不可避免地造成吊物的摇摆，通常需要非常熟练的行车操作工手动操作控制吊物的摇摆，这也是目前最为常用的做法。吊物的摇摆会加速机械磨损，增长吊物的转运时间，甚至造成安全事故。因此多种防摇摆控制策略已经开发多年，防摇摆控制可以自动消除吊物在运行过程中产生的摇摆，可以更快地完成吊物的转运，特别是带有定位功能的自动化行车，防摇摆系统可以使行车的操作变得更高效、更安全。

但目前的防摇摆控制精度不够高，安全性不够强，继续研究一种更高效、安全的控制天车防摇的方法。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种控制天车防摇的方法，具有更高效、更安全的天车防摇控制策略。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种控制天车防摇的方法，包括通过防摇摆控制装置实现，防摇摆控制装置包括测角度仪、防摇摆控制器、天车PLC，上述各模块之间通过通讯连接，测角度仪通过有线方式连接到天车PLC中，防摇摆控制器直接接入天车PLC的PLC柜中，测角度仪安装在天车和钩头上；

本方法的控制过程为：测角度仪测量天车摇摆偏角数据，防摇摆控制器根据测角度仪测得的天车在XY轴晃动角度来计算出控制天车停摆的最佳速度值，天车PLC不再需要单独计算天车速度，而是直接将防摇摆控制器给出的最佳速度值传递到变频器，通过变频器控制天车的大车和小车速度，实现对天车的自动控制。

本发明技术方案的进一步改进在于：包括如下步骤：

S1、定义夹角：

天车实际运行中，吊具速度变化会迟滞于大车、小车速度变化，导致吊具的摇摆，在吊物不升降的情况下，小车或大车单独运行时，吊物的运行轨迹类似于单摆运动；在吊物不升降的情况下，大车、小车同时运行时，吊物运行轨迹类似在两个垂直平面里做单摆运动的复合运动；在吊物上升或下降并且大车、小车同时运动时，吊物运行轨迹类似球冠面的圆周摆运动，因此控制了夹角就能控制天车吊物的摇摆幅度，夹角θ可以分别沿x轴和y轴分解成θx和θy，θx是大车运行方向上的摆动夹角；θy是小车运行方向上的摆动夹角，通过对夹角θ、θx和θy的分析，结合大车、小车运行的实际情况，得出θx和θy之间的运动是相互独立和同效的，在吊物不上升或下降的情况下，可以选取其中一个方向研究该吊物系统；

S2、建立拉格朗日(Lagrange)系统方程来研究天车吊物系统的数学模型，以小车运动方向为例：

S21、理想状态下，对数学模型进行理想的假设，具体如下：

S211.不考虑风载荷和空气阻力；钢丝绳质量为零；不考虑桥架主梁的下绕；

S212.大车、小车不同时运行，只考虑小车运行对吊物的影响；

S213.钢丝绳不可拉伸，在任何情况下不会伸长；

S214.吊钩滑轮组和吊物看作一个质点，忽略其体积大小；

S22、在建立拉格朗日系统方程之前，将数学模型所需的参数进行整理：

小车位移为x、起升钢丝绳长度为l、吊物摆角为θy，

小车位置坐标为(y，0)，吊物系统中有以下关系：

y_m＝y+lsinθ_y z_m＝-lcosθ_y

其中Ym、Zm分别为表示吊物m在坐标系中Y轴与Z轴的坐标值；

吊物m沿y和z轴的速度分量为：

系统动能为：

选取点O为零势能点，可推出系统势能方程为：

V＝-mglcosθ_y

通过分别建立小车位移x、起升钢丝绳长度l、吊物摆角θy的拉格朗日系统方程计算得到天车防摇摆的动力方程组：

S23、设定模型的绳长参数l在吊物随小车运行时保持不变，绳长变化速度和加速度为零，并考虑到小车与轨道运行摩擦力f，f与小车速度近似呈线性关系，则动力方程组可以简化为：

S24、定义摆角中心值β与加速度a存在的关系

设摆角中心值为β，经仿真可发现β与加速度a存在如下关系：tanβ＝-a/g，对上述拉格朗日系统方程进一步分析，作三角转换，则可得如下方程：

取

可进一步化为：

对比单摆运动方程在绳长固定、加速度输入为常量时，本系统的这种摆动其实是一种单摆的等效运动，等效单摆周期近似为：

S25、将加速过程宏观上分为三个阶段：

第一阶段在零初始条件下，根据限制摆角给出系统的加速度a1；半个周期后，在摆角处于最大值时将加速度改为a2，保持时间由期望的中间匀速阶段速度决定；第三个阶段将加速度变回a1,持续半个周期后结束加速过程；

设加速过程三个阶段的时长分别为T1、T2、T3，对应的加速度分别为a1、a2、a3，第三阶段T3＝T1，a3＝a1，行驶距离为X_加；中间匀速过程速度为V_匀，持续时间为T，行驶距离为X_匀；减速过程为加速过程的逆过程，所以X_减＝X_加；当给定总的行驶距离X_总，限定最大摆角θ以及期望的匀速过程速度时，可以对整个运动过程给出运动规划；

S26、在天车小车及钩头上安装防摇摆控制装置，防摇摆控制装置在天车移动过程当中，通过测角度仪得到的天车晃动角度来计算天车最佳速度，防摇摆控制器产生的最佳速度传递到天车PLC，天车PLC不再需要单独计算天车速度，直接将防摇摆控制器给出的速度值传递到变频器即可控制天车的大车、小车速度，防摇摆控制器保证天车平稳运行到目标位。

本发明技术方案的进一步改进在于：在保证天车运行效率的前提下，确保天车在运行过程中钩头及夹钳的左右、前后摇摆角度始终控制±3°以内，保证夹钳稳定下降，避免夹钳的摇摆碰伤钢卷。

本发明技术方案的进一步改进在于：防摇摆控制装置还包括传感器，传感器安装在天车和钩头上并通过有线方式连接到天车PLC中。

本发明技术方案的进一步改进在于：传感器为红外传感器。对于不同的吊装材料，传感器利用红外标记辅助测角度仪进行多种参数测量，以实现角度测量及校准。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果是：

本发明结构简单、易于安装实施，防摇摆控制器根据测角度仪测定的数据计算出最佳速度模型，大幅缩短了物料吊运时间，天车自动控制系统通过防摇摆控制器给出的速度模型对天车进行自动控制，从而实现了对天车防摇摆的准确有效的控制，具有控制精度高，实时性强、安全可靠的特点。

附图说明

图1是本发明的天车吊物系统模型；

图2是本发明的两自由度单摆系统模型；

图3是本发明的天车系统在恒加速度下的周期摆动模型图；

图4是本发明的天车周期防摇模型图；

图5是本发明的防摇摆控制装置的结构示意图；

图6是本发明的摆动角度与加速度的关系曲线图；

其中：M、小车拟坐标点，m、吊物拟坐标点，1、测角度仪器，2、卷筒电缆，3、凸轮开关，4、主钩编码器，5、小车，6、大车，7、桥架。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明公开了一种控制天车防摇的方法，参见图1-图6，通过防摇摆控制装置实现，防摇摆控制装置包括测角度仪、防摇摆控制器、天车PLC，上述各模块之间通过通讯连接，测角度仪通过有线方式连接到天车PLC中，防摇摆控制器直接接入天车PLC的PLC柜中，测角度仪安装在天车和钩头上；

本方法的控制过程为：测角度仪测量天车摇摆偏角数据，防摇摆控制器根据测角度仪测得的天车在XY轴晃动角度来计算出控制天车停摆的最佳速度值，天车PLC不再需要单独计算天车速度，而是直接将防摇摆控制器给出的最佳速度值传递到变频器，通过变频器控制天车的大车和小车速度，实现对天车的自动控制。

具体过程为：

S1、定义夹角：

天车实际运行中，吊具速度变化会迟滞于大、小车速度变化，导致吊具的摇摆，在吊物不升降的情况下，小车或大车单独运行时，吊物的运行轨迹类似于单摆运动；在吊物不升降的情况下，大车、小车同时运行时，吊物运行轨迹类似在两个垂直平面里做单摆运动的复合运动；在吊物上升或下降并且大车、小车同时运动时，吊物运行轨迹类似球冠面的圆周摆运动。因此控制夹角就能控制天车吊物的摇摆幅度。夹角θ可以分别沿x轴和y轴分解成θx和θy。θx是大车运行方向上的摆动夹角；θy是小车运行方向上的摆动夹角。通过对夹角θ、θx和θy的分析，结合大车、小车运行的实际情况，得出θx和θy之间的运动是相互独立和同效的。天车吊物系统模型如图1所示。

S2、建立拉格朗日(Lagrange)系统方程来研究天车吊物系统的数学模型，以小车运动方向为例：

天车吊物系统具有非线性，在运行过程中由于自身摩擦力和外界风载荷等因素使该系统运行中呈现出突变性。在研究之前忽略一些非重要的因素，然后采用分析力学的方法，建立拉格朗日(Lagrange)方程来研究天车吊物系统的数学模型。通过对夹角θ、θx和θy的分析，结合大车、小车运行的实际情况，得出θx和θy之间的运动是相互独立和同效的。两自由度单摆系统模型如图2所示。在吊物不上升或下降的情况下，可以选取其中一个方向研究该吊物系统，这里以小车运动方向为例。

按照实际情况，天车防摇摆系统是比较复杂的，需要对力学模型进行一些理想的假设，具体如下：

1.不考虑风载荷和空气阻力；钢丝绳质量为零；不考虑桥架主梁的下绕；

2.大车、小车不同时运行，只考虑小车运行对吊物的影响；

3.钢丝绳不可拉伸，在任何情况下不会伸长；

4.吊钩滑轮组和吊物看作一个质点，忽略其体积大小。

在建立拉格朗日系统方程之前，将模型所需的参数整理：

小车位置坐标为(y，0)吊物系统中有以下关系：

y_m＝y+lsinθ_y z_m＝-lcosθ_y

m沿y和z轴的速度分量为：

系统动能为：

选取点O为零势能点，可推出系统势能方程为：

V＝-mglcosθ_y

通过分别建立小车位移x、起升钢丝绳长度l、吊物摆角θy的系统拉格朗日方程算子方程计算得天车防摇摆的动力方程组：

天车吊运货物的过程一般是先将货物起吊到一定高度，然后通过小车运行机构前进到目标位置，再将货物放下。为了简化动力方程组，设定模型的绳长参数l在吊物随小车运行时保持不变，那么绳长变化速度和加速度为零。另外，该系统应考虑到小车与轨道运行摩擦力 f，其与小车速度近似呈线性关系。由于钢丝绳拉力不是额外输入的影响因素，是随其它外界因素变化而变化的，其与摆动角度的关系对研究摆动作用不突出，故不考虑其影响。动力方程组可以简化为：

在实际应用过程中我们发现，当输入加速度a为常量时系统摆角呈现等周期摆动。初始角度与角加速度为零时，对该系统在零初始条件下的周期摆动特性进一步分析。经仿真发现，当加速度固定时，摆角中心值和摆角最大值不会随绳长变化而变化；但摆动周期会随绳长的增大而增大，如绳长变为原来的四倍，周期会增大一倍。这一特点与单摆运动类似。而当绳长固定时，摆角中心值和摆角最大值会随着加速度的增大而增大。天车系统在恒加速度下的周期摆动如图3所示。

设摆角中心值为β，经仿真可发现β与加速度a存在如下关系：tanβ＝-a/g。对上述系统方程进一步分析，作三角转换，则可得如下方程：

取

可进一步化为：

对比单摆运动方程在绳长固定、加速度输入为常量时本系统的这种摆动其实是一种单摆的等效运动。等效单摆周期近似为：

因此我们在控制钩头摇摆时所建立的速度模型将加速过程宏观上分为三个阶段：第一阶段在零初始条件下，根据限制摆角给出系统的加速度a1；半个周期后，在摆角处于最大值时将加速度改为a2，保持时间由期望的中间匀速阶段速度决定；然后将加速度变回a1,持续半个周期后结束加速过程，此为加速过程第三个阶段,如图4所示：

设加速过程三个阶段的时长分别为T1、T2、T3，对应的加速度分别为a1、a2、a3，第三阶段T3＝T1，a3＝a1，行驶距离为X_加；中间匀速过程速度为V_匀，持续时间为T，行驶距离为X_匀；减速过程为加速过程的逆过程，所以X_减＝X_加。当给定总的行驶距离X_总，限定最大摆角θ以及期望的匀速过程速度时，可以对整个运动过程给出运动规划。

为了最大限度的消除摇摆所带来的磕碰，实现上述理论分析，我们在天车小车及钩头上安装了防摇摆控制装置，防摇摆控制装置包括角度检测仪、天车PLC和防遥控制器。此系统在天车移动过程当中，通过测角度仪得到的天车晃动角度来计算天车最佳速度，保证天车平稳运行到目标位的控制器。防遥控制器产生的最佳速度传递到天车PLC，天车PLC不再需要单独计算天车速度，直接将防摇摆控制器给出的速度值传递到变频器即可控制天车的大车、小车速度。

此外防摇摆控制装置还包括红外传感器及配套的红外标记，因为对于不同的吊装材料，可以通过红外传感器和红外标记辅助测角度仪进行多种参数测量，以实现角度测量及校准，提高角度测量的精确度，

在实际的设定中存在各种阻力阻尼因素，我们通过不断的测试调整得到了最优速度参数，在保证天车运行效率的前提下，确保天车在运行过程中钩头及夹钳的左右、前后摇摆角度始终控制±3°以内，保证夹钳稳定下降，避免夹钳的摇摆碰伤钢卷。具体结构参见图5.

图5中，1为测角度仪器，安装在小车上，方向冲下，用以扫描吊具及吊物的偏转角度。

2为卷筒电缆，主钩上安装的传感器的线缆通过卷筒进行伸缩。3为凸轮开关，用以控制主钩升降及限位。4为主钩编码器，用以读取主钩升降位，方便控制主钩升降。此图5主要描述测角度仪的结构位置。

例，由图3可知，简易模型中，当加速度固定时，摆角中心值和摆角最大值不会随绳长变化而变化。故要限制摆角最大角度，则通过限定加速度实现。取天车小车绳长约为10m，限制最大摆角为3°将计算公式导入仿真软件中，代入参数，即可计算得出摆动角度与加速度的关系曲线图。如图6，最上边的曲线表示摇摆角度变化曲线，标度尺为-2500～2500，以-2500、-2000、-1500、-1000、-500的规律依次递增，1000＝1度。中间的曲线表示加速度输出曲线，标度尺为-600～500，以-600、-500、-400、-300、-200的规律依次递增。最下边的曲线表示速度输出曲线，标度尺为5000、10000、15000、20000、25000的规律依次递增，10000＝1m/s。

Claims (5)

1.一种控制天车防摇的方法，其特征在于：通过防摇摆控制装置实现，防摇摆控制装置包括测角度仪、防摇摆控制器、天车PLC，上述各模块之间通过通讯连接，测角度仪通过有线方式连接到天车PLC中，防摇摆控制器直接接入天车PLC的PLC柜中，测角度仪安装在天车和钩头上；

本方法的控制过程为：测角度仪测量天车摇摆偏角数据，防摇摆控制器根据测角度仪测得的天车在XY轴晃动角度来计算出控制天车停摆的最佳速度值，天车PLC不再需要单独计算天车速度，而是直接将防摇摆控制器给出的最佳速度值传递到变频器，通过变频器控制天车的大车和小车速度，实现对天车的自动控制。

2.根据权利要求1所述的一种控制天车防摇的方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、定义夹角：

天车实际运行中，吊具速度变化会迟滞于大车、小车速度变化，导致吊具的摇摆，在吊物不升降的情况下，小车或大车单独运行时，吊物的运行轨迹类似于单摆运动；在吊物不升降的情况下，大车、小车同时运行时，吊物运行轨迹类似在两个垂直平面里做单摆运动的复合运动；在吊物上升或下降并且大车、小车同时运动时，吊物运行轨迹类似球冠面的圆周摆运动，因此控制了夹角就能控制天车吊物的摇摆幅度，夹角θ可以分别沿x轴和y轴分解成θx和θy，θx是大车运行方向上的摆动夹角；θy是小车运行方向上的摆动夹角，通过对夹角θ、θx和θy的分析，结合大车、小车运行的实际情况，得出θx和θy之间的运动是相互独立和同效的，在吊物不上升或下降的情况下，可以选取其中一个方向研究该吊物系统；

S2、建立拉格朗日系统方程来研究天车吊物系统的数学模型，以小车运动方向为例：

S21、理想状态下，对数学模型进行理想的假设，具体如下：

S211.不考虑风载荷和空气阻力；钢丝绳质量为零；不考虑桥架主梁的下绕；

S212.大车、小车不同时运行，只考虑小车运行对吊物的影响；

S213.钢丝绳不可拉伸，在任何情况下不会伸长；

S214.吊钩滑轮组和吊物看作一个质点，忽略其体积大小；

S22、在建立拉格朗日系统方程之前，将数学模型所需的参数进行整理：

小车位移为x、起升钢丝绳长度为l、吊物摆角为θy，

小车位置坐标为(y，0)，吊物系统中有以下关系：

y_m＝y+l sinθ_y z_m＝-lcosθ_y

其中Ym、Zm分别为表示吊物m在坐标系中Y轴与Z轴的坐标值；

吊物m沿y和z轴的速度分量为：

系统动能为：

选取点O为零势能点，可推出系统势能方程为：

V＝-mglcosθ_y

通过分别建立小车位移x、起升钢丝绳长度l、吊物摆角θy的拉格朗日系统方程计算得到天车防摇摆的动力方程组：

S23、设定模型的绳长参数l在吊物随小车运行时保持不变，绳长变化速度和加速度为零，并考虑到小车与轨道运行摩擦力f，f与小车速度近似呈线性关系，则动力方程组可以简化为：

S24、定义摆角中心值β与加速度a存在的关系

设摆角中心值为β，经仿真可发现β与加速度a存在如下关系：tanβ＝-a/g，对上述拉格朗日系统方程进一步分析，作三角转换，则可得如下方程：

取

可进一步化为：

对比单摆运动方程在绳长固定、加速度输入为常量时，本系统的这种摆动其实是一种单摆的等效运动，等效单摆周期近似为：

S25、将加速过程宏观上分为三个阶段：

第一阶段在零初始条件下，根据限制摆角给出系统的加速度a1；半个周期后，在摆角处于最大值时将加速度改为a2，保持时间由期望的中间匀速阶段速度决定；第三个阶段将加速度变回a1,持续半个周期后结束加速过程；

设加速过程三个阶段的时长分别为T1、T2、T3，对应的加速度分别为a1、a2、a3，第三阶段T3＝T1，a3＝a1，行驶距离为X_加；中间匀速过程速度为V_匀，持续时间为T，行驶距离为X_匀；减速过程为加速过程的逆过程，所以X_减＝X_加；当给定总的行驶距离X_总，限定最大摆角θ以及期望的匀速过程速度时，可以对整个运动过程给出运动规划；

S26、在天车小车及钩头上安装防摇摆控制装置，防摇摆控制装置在天车移动过程当中，通过测角度仪得到的天车晃动角度来计算天车最佳速度，防摇摆控制器产生的最佳速度传递到天车PLC，天车PLC不再需要单独计算天车速度，直接将防摇摆控制器给出的速度值传递到变频器即可控制天车的大车、小车速度，防摇摆控制器保证天车平稳运行到目标位。

3.根据权利要求2所述的一种控制天车防摇的方法，其特征在于：在保证天车运行效率的前提下，确保天车在运行过程中钩头及夹钳的左右、前后摇摆角度始终控制±3°以内。

4.根据权利要求2所述的一种控制天车防摇的方法，其特征在于：防摇摆控制装置还包括传感器，传感器安装在天车和钩头上并通过有线方式连接到天车PLC中。

5.根据权利要求4所述的一种控制天车防摇的方法，其特征在于：传感器为红外传感器。

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