CN112585079A - 起重机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种起重机，特别是塔式起重机或桥式起重机，以及一种用于控制这种起重机的方法，该起重机具有：提升绳索(207)，其从起重机吊臂(202)延伸并且承载有货物承载装置(208)；驱动装置，其用于移动多个起重机元件和货物承载装置(208)；控制装置(3)，其用于控制驱动装置使得货物承载装置(208)沿行进路径移动；以及摆动阻尼装置(340)，其用于抑制货物承载装置(208)和/或提升绳索(207)的摆动运动，其中，摆动阻尼装置(340)具有摆动传感器(60)和控制器模块(341)，该摆动传感器用于检测和/或估计提升绳索(207)和/或货物承载装置(208)相对于竖直方向(61)的偏移运动，该控制器模块具有根据所确定的偏移来影响驱动装置的控制的闭环控制回路。根据本发明，传感装置(60)具有：惯性测量单元(IMU)，其被安装到货物承载装置(208)上并具有用于提供加速度和旋转速率信号的加速度和旋转速率传感装置；第一确定装置(401)，其用于根据惯性测量单元(IMU)的加速度和旋转速率信号来确定和/或估计货物承载装置(208)的倾斜度；以及第二确定装置(410)，其用于根据所确定的货物承载装置(208)的倾斜度和货物承载装置(208)的惯性加速度来确定提升绳索(207)和/或货物承载装置(208)相对于竖直方向(61)偏移。

Description

起重机及其控制方法
本发明涉及一种起重机，特别是塔式起重机，其具有：提升绳索，其从吊臂延伸并承载货物承载装置；驱动装置，其用于移动多个起重机元件的和货物承载装置；控制装置，其用于控制驱动装置，使得货物承载装置沿行进路径移动；以及摆动阻尼装置，其用于抑制货物承载装置的摆动运动，其中，所述摆动阻尼装置具有摆动传感器和控制器模块，该摆动传感器用于检测提升绳索和/或货物承载装置的摆动运动，该控制器模块具有根据摆动信号来影响对驱动装置的控制的闭环控制回路，该摆动信号通过摆动传感器检测的摆动运动来指示并被反馈到控制回路。本发明还涉及一种用于控制起重机的方法，其中，根据与摆动相关的参数，通过摆动阻尼装置来影响对驱动装置的控制。
为了能够使起重机的起重吊钩沿着路径或在两个目标点之间移动，通常必须操作和控制各种驱动装置。
桥式起重机(或装载桥)的操作员通常直接控制驱动器，因此需要大量的实践和集中精力才能将负载快速移动到卸载位置并能够将其安全地放到卸载位置。特别地，当起重机被操作时，会迅速产生负载的大幅的摆动振动，由于较低的阻尼，该摆动振动仅非常缓慢地消失。手动避免这种情况非常困难，即使是经验丰富的起重机操作员也不总是成功或几乎不会成功。
对于某些类型的起重机还存在的事实是，它们自身是可挠曲的并且自身能够振动，这些是起重机操作员面对不同运动轴线时很难预测的。例如，对于塔式起重机，其中，可在起重机的吊臂处行进的提升绳索通常必须分别操作和控制旋转机构、起重机小车驱动器和升降机构来从起重机小车上延伸，其中：带有吊臂的塔借助于旋转机构相对于塔绕立式的旋转轴线旋转；起重机小车借助于该起重机小车驱动器能够沿着吊臂移动；借助于升降机构能够调节提升绳索。在带有可摆动的伸缩臂的起重机中，除了旋转机构和提升机构外，还有摆动驱动装置以及伸缩驱动装置，所述旋转机构使吊臂或承载吊臂的上部结构围绕旋转轴线旋转，所述升降机构用于调节提升绳索，所述摆动驱动器用于使吊臂的提升摆动或下降摆动，所述伸缩驱动装置用于伸缩连接的进入或驶出，如果在伸缩臂架处存在俯仰臂时，也存在是俯仰臂驱动装置。在这种起重机和类似类型的起重机的混合形式的情况下(例如具有可摆动的吊臂的塔式起重机或具有可摆动的平衡臂的塔式起重机)，还必须控制其他驱动装置。
所提到的驱动装置通常由起重机操作员使用适当的操作元件进行操作和控制，例如以操纵杆、拨动开关、旋钮和滑块等形式，其经验表明，需要大量的感觉和经验才能快速而又温和地接近目标点，而不会引起起重吊钩的大幅摆动运动。虽然目的是尽可能快地在目标点之间行进，以实现较高的工作效率，但是也应该在相应的目标点平缓停止，而不会使起重吊钩在附加有负荷的情况下俯仰摆动。
考虑到起重机操作员所需的注意力，以这种方式控制起重机的驱动装置很疲劳，特别是因为经常必须执行重复的行进路径和单调的任务。另外，如果集中力下降或对相应的起重机类型没有足够的经验时，如果起重机操作员没有足够灵敏地操作起重机的操作杆或操作元件时，则会发生较大的摆动运动，从而产生相应的潜在风险。在实践中，即使有经验的起重机操作员，在操作起重机时，也会反复发生负载的摆动振动，该摆动振动减弱地非常缓慢。
为了解决不期望的摆动运动的问题，已经提出给起重机的控制装置配备摆动阻尼装置，该摆动阻尼装置通过控制模块介入控制并且影响驱动装置的控制，例如防止通过太快或太用力地按压操作杆而导致的驱动装置的过度加速，或者在较大的负载情况下，应避免或削弱或限制某些行进速度，或者以类似的方式积极干预行进运动，以防止起重吊钩过度摆动。
在各种设计中，已知起重机的这种摆动阻尼装置例如通过根据某些传感器信号(例如倾斜度和/或陀螺仪信号)来控制旋转机构、摆动和起重机小车驱动器。例如，文献DE20 2008 018 260 U1或DE 10 2009 032 270 A1示出了起重机上的已知的负载摆动阻尼，在这方面明确地涉及其主题，即关于摆动阻尼装置的原理。例如，在DE 20 2008 018 206U1中，借助于陀螺仪以绳索角速度形式来测量相对于竖直方向的绳索角度以及其变化，以便在超出绳索角速度相对于竖直方向方向的极限值时自动介入控制。
此外，文献EP16 28 902 B1、DE 103 24 692 A1、EP25 62 125 B1、US 2013 01 61279 A、DE100 64 182 A1或US 55 26 946 B分别示出了起重机的考虑了摆动动力或摆动和驱动动力的闭环控制概念。然而，将这些众所周知的概念应用于具有细长的、疲劳结构的“柔软的”易弯曲起重机(例如具有结构动力学的塔式起重机)，通常会非常迅速地导致结构动力学发生危险的、不稳定的振荡。
在考虑摆动动力的起重机上这种闭环控制已经是各种科学出版物的主题。例如参见：E.Arnold,O.Sawodny,J.Neupert和K.Schneider的“Anti-sway system for boomcranes based on a model predictive control approach”,IEEE InternationalConference Mechatronics and Automation,2005,Niagara Falls,Ont.,Canada,2005年,第1533至1538页第3卷,以及Arnold,E.,Neupert,J.,Sawodny,O.,的“
Figure BDA0002864531670000031
Trajektoriengenerierung für flachheitsbasierteFolgeregelungen am Beispiel eines Hafenmobilkrans”,at–Automatisierungstechnik,56(2008年8月),或者J.Neupert,E.Arnold,K.Schneider&O.Sawodny的“Tracking and anti-sway control for boom cranes”,ControlEngineering Practice,18,第31至44页,2010年,doi:10.1016/j.conengprac.2009.08.003。
此外，已知来自利勃海尔(Liebherr)公司的名为“Cycoptronic”的用于海上起重机的负载摆动阻尼系统，该系统预先计算负载运动和诸如风的影响，并基于此预先计算自动引入补偿运动，以避免负载振动。具体地，在该系统中，也借助于陀螺仪来记录绳索相对于竖直方向的角度及其变化，以便根据陀螺仪信号介入控制。
对于具有更大的承重设计的细长型起重机结构(尤其是塔式起重机)，以及具有可绕竖直轴线旋转的吊臂的其他起重机(例如摆动伸缩臂架起重机)而言，使用传统的摆动阻尼装置，以正确的方式介入驱动器的控制，以达到所期望的摆动效果有时是很困难的。当驱动装置加速或减速时，在结构部件的区域中，尤其是塔和吊臂的区域中，会发生结构部件的动力学效应和弹性变形，从而使对驱动装置的干预(例如起重机小车驱动装置或旋转机构的制动或加速)不会直接地以所期望的方式影响起重吊钩的摆动运动。
一方面，当驱动装置以摆动阻尼方式被驱动时，结构部件中的动力学效应会导致传递到提升绳索和起重吊钩的时间延迟。另一方面，所述动力学效应也可能对负载摆动产生过度甚至适得其反的影响。例如，如果起重机小车驱动装置在最初操作太快时，负载朝向塔俯仰振动，并且摆动阻尼装置通过使起重机小车驱动装置减速来抵消这种情况，则吊臂可能会因为塔的相应变形而倾斜，从而削弱了所期望的摆动阻尼效果。
特别地，对于塔式起重机，由于结构轻巧，因此会产生的问题是：与某些其他类型的起重机相比，钢结构的振动不可忽略，但出于安全原因应该在控制(闭环环)中进行处理，否则钢结构通常能够会发生危险的不稳定摆动。
因此，本发明的基本目的是检测摆动运动并且通过控制器来主动抵消。一方面，这样的控制器能够用作辅助系统，该系统允许起重机操作员通过操作设备直接指定负载运动(而不是桥或起重机小车运动)。通过这种支持能够提高工作安全性和生产率。减振也是实现桥式起重机完全自动化的重要先决条件。
特别地，出现了这样问题，即：用于主动减振的系统之前不能被成本有效地改造或者不能普遍适用。在科学出版物和工业产品中找到了许多用于这种减振的装置和方法。但是研究表明
·通常，无法对装置进行改造，或者只能花费很大的精力和成本进行改造
·所使用的控制程序并非普遍适用，而仅用于特殊情况下(例如，仅用于集装箱起重机的装载桥)。
其他缺点来自以下事实：
·迄今为止，基于摆角测量的已知减振系统非常昂贵，
·使用特殊结构来测量起重机小车下方的绳索运动的解决方案，减少了起重机可能的提升高度/降低深度，因此在实践中通常是不希望的，尤其是因为它们通常只能以很高的成本进行改造，
·通常，没有充分地考虑吊钩可能发生的倾斜运动。
由此出发，本发明的目的是创造一种改进的起重机及其控制方法，其避免了现有技术的缺点，并以有利的方式进一步发展了现有技术。优选地，目的是根据起重机操作员的设置值移动有效负载，并通过控制装置来主动抑制不期望的摆动运动，同时不刺激结构动态的不期望运动，但也能够通过控制进装置行抑制，以增加安全性并方便地实现可操作性和自动化性。特别地，在塔式起重机中将实现更好地考虑了起重机结构的各种影响的改进的摆动阻尼。
根据本发明，通过根据权利要求1的起重机和根据权利要求25的方法来实现所述目的。本发明的优选实施例是从属权利要求的主题。
因此，建议对起重吊钩进行摆动检测，并为起重吊钩处的摆动传感器提供一个惯性测量装置，该惯性测量装置连接到起重吊钩或货物承载装置上，并提供反映起重吊钩平移加速度和旋转速率的加速度和旋转速率信号。
安装到货物承载装置的这种惯性测量装置(有时也称为IMU)能够具有用于提供加速度和旋转速率信号的加速度和旋转速率传感装置，该信号一方面指示沿不同空间轴线的平移加速度，另一方面指示相对于不同空间轴线的旋转速率或陀螺仪信号。在这种情况下，能够提供旋转速度，但原则上还可能够提供旋转加速度或两者兼而有之。
惯性测量装置能够有利地检测三个空间轴上的加速度以及围绕至少两个空间轴的旋转速率。加速度传感装置能够在三个轴上工作，而陀螺仪传感装置能够被配置为在两个轴上工作。
有利地，安装在起重吊钩上的惯性测量装置能够将其加速度和旋转速率信号和/或从其得到的信号无线传输到控制和/或估计装置，该控制和/或估计装置能够安装在起重机的结构部件上，或者也能够单独设置在起重机附近。特别地，能够在接收器处实现传递，该接收器能够安装到起重机小车和/或安装到悬架处，提升绳索穿过该悬架。例如，能够有利地经由WLAN连接进行该传输。
惯性测量装置的这种无线连接意味着摆动阻尼能够非常容易地改装到现有起重机上，而无需复杂的改装措施。本质上，只需要将惯性测量装置连接到起重吊钩上，并与接收器通信，接收器就可以将信号传输到控制装置或调节装置。
有利地，在两阶段过程中，根据惯性测量装置的信号能够确定起重吊钩或提升绳索相对于竖直方向的偏移。首先，确定起重吊钩的倾斜度，因为其不必与起重吊钩相对于起重机小车或悬吊点的偏移和提升绳索相对于竖直方向的偏移相一致，然后，根据起重吊钩的倾斜度和加速度来确定由起重吊钩和提升绳索相对于竖直方向的期望偏移。由于惯性测量装置安装在起重吊钩上，因此加速度信号和旋转速率信号均会受到提升绳索的摆动运动和起重吊钩相对于提升绳索的动力学的影响。
特别地，能够通过三个计算步骤对负载摆角进行精确估计，然后控制器将其用于主动摆动阻尼。这三个计算步骤尤其能够包括以下步骤：
i.例如通过补充滤波器来确定吊钩倾斜度，该补充滤波器能够根据陀螺仪信号确定高频分量，并根据重力矢量的方向确定低频分量，并且还能够将它们组合以确定吊钩倾斜度；
ii.加速度测量值的旋转或从固定刚体到惯性坐标系的转换；
iii.借助扩展的卡尔曼滤波器和/或借助简化的摆角与横向加速度测量值和重力常数的商之间的关系来估计负载摆角。
通过基于模型的控制来计算该摆角估计对桥式或塔式起重机的控制信号的稳定反馈。
在实现的高精度摆角估计原则上能够用于通用的吊钩类型(可能会受到某些摆动振动的影响)，并且能够通过可以非常经济地被改造的传感器系统进行管理。同时，还有很多优点，例如，提高了安全性，提高了可操作性，提高了吞吐量和自动化程度。此外，摆动传感器能够低成本进行改造。
有利地，首先根据惯性测量装置的信号借助补充滤波器来确定吊钩的倾斜度，该补充滤波器利用惯性测量装置的平移加速度信号和陀螺仪信号的不同特性，替代地或附加地，还能够使用卡尔曼滤波器来确定由于加速度和旋转速率信号引起的起重吊钩的倾斜度。
然后，能够根据通过使用卡尔曼滤波器所确定的货物承载装置的倾斜度，以及/或者借助于水平惯性加速度和重力加速度的静态计算，来确定起重吊钩相对于起重机小车或相对于提升绳索的悬挂点的期望偏移和/或提升绳索相对于竖直方向的期望偏移。
特别地，摆动传感器能够具有第一确定装置和第二确定装置，第一确定装置用于根据惯性测量装置的加速度和旋转速率信号来确定和/或估计货物承载装置的倾斜度，第二确定装置用于根据所确定的货物承载装置的倾斜度和货物承载装置的惯性加速度来确定提升绳索和/或货物承载装置相对于竖直方向的偏移。
特别地，第一确定装置能够具有补充滤波器，该补充滤波器具有用于惯性测量装置的旋转速率信号的高通滤波器和用于惯性测量装置的加速度信号或从其得到的信号的低通滤波器，其中，所述补充滤波器能够被配置为将货物承载装置的经高通滤波的旋转速率信号的倾斜度估计值与货物承载装置的经低通滤波的加速度信号的倾斜度估计值相互结合，并根据货物承载装置的基于旋转速率和加速度的倾斜度的估计值来确定货物承载装置的所需倾斜度。
货物承载装置的基于旋转速率的倾斜度的估计值能够包括经高通滤波的旋转速率信号的积分。
货物承载装置的基于加速度的倾斜度的估计值建立在所测量的水平加速度分量和所测量的竖直加速度分量的商的基础上，根据所述商，从关系式
Figure BDA0002864531670000071
得出基于加速度的倾斜度估计值。
基于所确定的起重吊钩的倾斜度来确定起重吊钩或提升绳索相对于竖直方向的偏移的第二确定装置能够具有滤波器坐这和/或观察器装置，所述滤波器装置和/或观察器装置考虑将所确定的货物承载装置的倾斜度作为输入变量，并且根据货物承载装置上的惯性加速度来确定提升绳索和/或货物承载装置相对于竖直方向的偏移。
特别地，所述滤波器装置和/或观察器装置能够包括卡尔曼滤波器，尤其是扩展的卡尔曼滤波器。
作为这种卡尔曼滤波器的替代或补充，第二确定装置还能够具有计算装置，用于根据加速度的静态关系，特别是根据水平惯性加速度与重力加速度的商来计算提升绳索和/或货物承载装置相对于竖直方向的偏移。
用于检测起重吊钩的位置的检测装置还有利地包括成像传感器装置例如相机，其从提升绳索(例如，起重机小车)的悬挂点基本上竖直向下看。图像评估装置能够识别由成像传感器系统提供的图像中的起重吊钩，并确定其偏心率或其距图像中心的位移，所述偏心率或位移是起重吊钩相对于竖直方向偏移的量度，因此能够表征负载的摆动。替代地或附加地，陀螺仪传感器能够检测提升绳索从吊臂和/或相对于竖直方向的撤回角度，并将其馈入卡尔曼滤波器。
为了获得更好的摆动阻尼，摆动阻尼措施中不仅考虑了绳索本身的实际摆动运动，而且还考虑了起重机结构或起重机的钢结构及其驱动系统的动力学。起重机不再被认为是不可移动的刚体，而驱动装置的驱动运动是即时且相同的，即1：1转换为提升绳索的悬挂点的运动。相反，摆动阻尼装置将起重机视为一种柔软的结构，在其钢结构或结构部件诸如塔和吊臂等以及其传动系在加速时表现出弹性和回弹力，并考虑到起重机结构部件的这些动态变化对驱动装置的控制的影响。
这里，摆动动力学和结构动力学都借助闭环控制回路进行主动衰减。特别是，整个系统动力学能够作为塔式起重机的摆动、驱动和结构动力学的耦合而被主动调节，以便根据目标规格移动有效负载。传感器一方面用于测量摆动动力学的系统变量，另一方面用于测量结构动力学的系统变量，从而在基于模型的观察器中将不可测量的系统变量能够作为系统状态被估计。通过基于模型的控制的作为系统状态的状态反馈来计算驱动器的设置信号，从而闭环控制回路并改变系统动态。该控制器的设计应使闭环控制回路的系统动力学稳定，并迅速补偿控制误差。
有利的是，在起重机上，尤其是在塔式起重机或桥式起重机上，不仅通过对摆动动力学的测量反馈还通过对结构动力学的测量反馈，提供具有结构动力学的闭环控制回路。摆动阻尼装置除了包括用于检测起重绳索和/或货物承载装置运动的摆动传感器装置之外，还包括用于检测起重机结构或至少其结构部件的动力学变形和运动的结构动力学传感器，其中，以摆动阻尼的方式影响驱动装置的控制的摆动阻尼装置的控制器模块被配置为，当影响驱动装置的控制时，考虑到摆动传感器检测到的摆动运动以及由结构动力传感器检测到的起重机结构部件的动力学变形。摆动传感器信号和结构动力传感器信号二者均被反至到闭环控制回路。
摆动阻尼装置并不将起重机或机器结构视为刚性的，可以说不是无限刚性的结构，而是假定为一种可弹性变形和/或可伸缩的和/或相对较软的结构，该结构允许由于结构部件的变形而引起的移动和/或改变位置——除了由于机器的运动调节轴，例如吊臂摆动轴或塔旋转轴。
因为这里，也由于结构部件的变形而发生的例如吊臂和因此的起重吊钩位置的明显的运动部分，因此在延伸、细长以及故意最大化结构，例如塔式起重机或伸缩式起重机的情况下，相对于静态和动态边界条件——同时考虑必要的安全系数——考虑在负载或动态负载下由于结构变形而导致的机器结构的固有移动性是特别重要的。为了更好地克服摆动的原因，摆动阻尼考虑了在动态负载下机器结构的这种变形和运动。
这能够实现很多优点：
首先，通过控制装置的控制行为来降低结构部件的振动动力。行进行为会主动抑制振动，甚至控制行为不会激发振动。
同样的，钢结构也可以节省压力。特别地，通过控制行为减小了冲击载荷。
此外，该方法也能够用于定义行进行为的影响。
有关结构动力和控制方法的知识尤其能够减少和抑制俯仰振动。结果，负载表现得更加平稳，并且在以后的静止位置不会上下摆动。考虑到塔扭转和吊臂旋转弯曲变形，也能够更好地控制围绕立式的吊臂旋转轴线在圆周方向上的交叉摆动运动。
原则上能够以各种方式确定结构部件和传动系的上述弹性变形和运动以及所产生的固有运动。
特别地，为此目的提供的结构动力学传感器系统能够被配置为检测在动态负载下结构部件的弹性变形和运动。
这样的结构动力传感器能够包括例如变形传感器，诸如起重机的钢结构上的应变计，例如塔和/或吊臂的井格框架。
替代地或附加地，能够设置旋转速率传感器，特别是以陀螺仪、陀螺仪传感器和/或陀螺的形式，和/或加速度和/或速度传感器的形式，以便检测结构部件的特定运动，例如吊臂顶部的俯仰运动和/或吊臂上的旋转动力学效应和/或塔的扭转和/或弯曲运动。
此外，能够设置倾斜传感器，以便检测吊臂的倾斜度和/或塔的倾斜度，特别是吊臂相对于水平方向的偏斜和/或塔相对于竖直方向的偏斜。
原则上，结构动力学传感器系统能够与不同类型的传感器一起工作，特别是还能够将不同类型的传感器彼此组合。有利地，应变计和/或加速度计和/或旋转速率传感器，特别是以陀螺仪，陀螺仪传感器和/或陀螺的形式，能够用于检测起重机的结构部件自身的变形和/或动力学运动，其中，加速度计和/或旋转速率传感器优选用于检测三个轴。
这种结构动力传感器能够设置在吊臂和/或塔上，尤其是将其安装在吊臂的上部，以便检测塔的动力学。例如，不平稳的升降运动导致吊臂的俯仰运动，其伴随着塔的弯曲运动，而塔的俯仰振动又导致吊臂的俯仰振动，其与相应的起重吊钩运动相关联。
特别地，能够提供角度传感器系统来确定塔上端部分与吊臂之间的旋转差角，其中，例如能够将角度传感器分别安装到塔上端部分和吊臂，当角度不同时，其信号能够指示所述旋转差角。此外，还能够有利地设置用于确定动臂和/或塔上端部分的转速的旋转速率传感器，以便能够确定与上述旋转差角相关的塔扭转运动的影响。由此，一方面能够实现更精确的货物承载装置位置估计，另一方面能够实现在运行过程中主动衰减塔扭转。
在本发明的有利的进一步发展中，能够在立式起重机旋转轴线的区域中将两轴或三轴旋转速率传感器和/或加速度计安装到吊臂端和/或吊臂，以便能够确定吊臂的结构动力学运动。
替代地或附加地，也能够将运动传感器和/或加速度计分配给传动系，以便能够检测传动系的动态。例如，旋转编码器能够分配给用于提升绳索的起重机小车的滑轮和/或用于摆动吊臂的拉索的滑轮，以便能够检测在相关点处的实际绳索速度。
有利地，还为驱动装置本身分配了合适的运动传感器和/或速度传感器和/或加速度计，以便相应地检测驱动装置的驱动运动，并能够使其与所估计和/或检测的结构部件或钢结构的变形以及传动系中的柔韧性相关联。
特别地，在结构几何形状已知的情况下，通过将直接分配给驱动装置的运动传感器和/或加速度计的信号与结构动力传感器的信号进行比较，就能够基于动力学变形或扭转来确定结构部件的运动和/或加速度部分。起重机的结构不仅减小了实际的起重机运动，而且还受到驱动运动的影响，并且在完全刚性的刚性起重机中也会发生。例如，如果将塔式起重机的旋转机构调整了10°，但在吊臂末端仅检测到约9°的旋转，则能够得出有关塔的扭转和/或吊臂的弯曲变形的结论，这又例如能够与安装在塔上端部分的旋转速率传感器的旋转信号比较，以便能够区分塔扭转和吊臂弯曲。如果用起重装置将起重吊钩提升一米，但同时在吊臂上检测到向下例如1°的俯仰运动，则能够考虑到起重机小车的半径的同时得出有关实际的起重吊钩运动的结论。
有利地，结构动力学传感器能够检测结构变形的不同运动方向。特别地，结构动力学传感器能够具有至少一个径向动力学传感器，用于检测起重机结构在平行于起重机吊臂的竖直平面中的动力学运动，以及至少一个转动动力学传感器，用于检测起重机结构绕直立起重机旋转轴线(特别是塔轴线)的动力学运动。摆动阻尼装置的控制器模块能够设计成，根据所检测到起重机结构在竖直平面中平行于吊臂、特别是平行于吊臂纵向的动力学运动以及所检测到的起重机结构围绕立式起重机的旋转轴的动力学运动来影响驱动装置的控制，特别是影响起重机小车驱动装置和旋转机构驱动装置的控制。
此外，结构动力学传感器能够具有至少一个用于检测起重机吊臂的竖直动力学变形的提升动力学传感器，并且摆动阻尼装置的控制器模块能够配置为根据所检测到的起重机吊臂的竖直动力学变形来影响驱动装置的控制，尤其是提升驱动器的控制。
结构动力传感装置有利地设计成检测起重机吊臂和/或起重机塔的动力学扭转的所有固有模式，其固有频率在预定频率范围内。为此，结构动力传感器能够使用至少一个、优选地多个与塔固有摆动的节点间隔开地布置的塔式传感器来检测塔扭曲，以及至少一个、优选地多个与吊臂固有摆动的节点间隔开地布置的吊臂传感器来检测吊臂扭转。
特别地，能够以确保所有固有模式的可观察性的方式放置多个用于检测结构运动的传感器，这些固有模式的固有频率在相关的频率范围内。原则上，在每个摆动运动方向上，一个传感器就足够了，但实际上建议使用多个传感器。例如，将单个传感器放置在结构固有模式的测量变量的节点(例如，起重机小车在第一吊臂固有模式的旋转节点处的位置)会导致可观察性的损失，这能够通过在其他位置添加传感器来避免。特别是，建议在吊臂末端和旋转机构附近的吊臂上使用三轴旋转速率传感器或加速度计。
用以检测固有模式结构动力学传感器系统通常能够与不同类型的传感器一起工作，并且特别地，还能够将不同类型的传感器彼此组合。前面提到的应变计和/或加速度计和/或旋转速率传感器，特别是以陀螺仪、陀螺仪传感器和/或陀螺的形式，能够用于检测起重机本身的结构部件的变形和/或动态运动，其中，加速度计或旋转速率传感器优选地被配置为检测三个轴。
特别地，结构动力传感器能够具有至少一个用于检测动态塔变形的旋转速率传感器和/或加速度计和/或应变计，以及至少一个用于检测吊臂变形的旋转速率传感器和/或加速度计和/或应变计。有利地，旋转速率传感器和/或加速度计可以设置在不同的塔部分上，特别是至少在塔的顶部处以及在吊臂的铰接点处并且可能在吊臂下方的塔的中央部分中。替代地或附加地，旋转速率传感器和/或加速度计能够设置在吊臂的不同部分上，特别是至少在吊臂末端和/或起重机小车和/或吊臂所铰接的吊臂支脚上，和/或在升降机构的吊臂部分上。所述传感器有利地以这样的方式布置在相应的结构部件上，使得它们能够检测其弹性扭转的固有模式。
在本发明的进一步发展中，摆动阻尼装置还包括估计装置，该估计装置在动态负载下同时考虑起重机结构的特征情况来估计机器结构的变形和运动，所述动态负载取决于在控制台处输入的控制命令和/或取决于驱动装置的特定控制动作和/或取决于驱动装置的特定速度和/或加速度曲线。特别地，借助于这样的估计装置可以估计不能够被传感器检测到或者很难被传感器检测到的结构动力学的系统变量以及摆动动力学的系统变量。
这种估计装置能够例如访问数据模型，其中，起重机的结构参数，例如塔高、吊臂长度、刚度、区域惯性矩等被存储和/或彼此关联，以便随后在特定负载的情况下，即，在起重吊钩上拾取的负载的重量和当前伸出长度来估计动态影响，即对于驱动装置的特定操作，钢结构和传动系统中的变形。然后，根据这种估计的动态效果，摆动阻尼装置能够干预驱动装置的控制并影响驱动装置的驱动调节的设置变量，以便避免或减少起重吊钩和提升绳索的摆动运动。
特别地，用于确定这种结构变形的确定装置能够具有计算单元，该计算单元根据在控制台输入的控制命令使用存储的计算模型来计算这些结构变形以及所产生的结构部件运动。这样的模型能够具有与有限元模型类似的结构，也能够是有限元模型，但是有利地，所使用的模型与有限元模型相比明显被简化，例如可以通过在实际起重机或实际机器处的特定控制命令和/或负载状态下对结构变形检测来根据经验确定。这样的计算模型能够例如与在其中向某些控制命令分配了某些变形的表格来一起工作，其中控制命令的中间值能够借助于插值装置被转换成相应的变形。
根据本发明的另一个有利的方面，在闭环的控制回路中的控制器模块可以包括滤波器装置或观察器装置，该滤波器装置或观察器装置一方面观察起重机的结构动态反应以及提升绳索或起重吊钩的摆动运动，其为由结构动力学传感器和摆动传感器检测到的运动并且与设置驱动控制的某些设置变量一起被采用，以便观察器装置或滤波器装置能够参考所观察到的起重机结构反应和摆动反应，同时考虑到原则上可能不同并且能够通过对钢结构的分析和仿真获得起重机的动态模型的预定规律来影响控制器的设置值。
特别地，能够以所谓的卡尔曼滤波器的形式来设计这样的滤波器或观察器装置，以及摆动传感器的摆动信号和结构动力信号一方面作为输入与起重机的驱动控制器的控制变量一起被施加到卡尔曼滤波器，另一方面，指示结构部件自身的变形和/或动态运动被反馈到控制回路，使用卡尔曼方程式对起重机结构的动态系统(特别是其钢结构部件和传动系统)进行建模，从而相应地影响驱动控制器的设置变量，以实现所需的防摆动效果。
有利地，在卡尔曼滤波器中实现了表征了起重机的结构部件的动力学的记录和/或估计和/或计算和/或模拟的功能。
特别是，通过结构动力学传感器系统检测到的吊臂变形和塔变形，以及通过摆动传感器检测到的起重吊钩位置，特别是其相对于竖直方向的斜拉力，即提升绳索相对于竖直方向的偏斜，被输送到上述卡尔曼滤波器中。
根据本发明的另一个有利的方面，为防摆动使用了二自由度的控制结构，通过该结构，上述的状态反馈由干预来补充。状态反馈用于确保稳定性并快速补偿控制误差，而介入控制则可确保良好的控制行为，在理想情况下，通过该行为，不会出现控制误差。
有利地，可以使用本身已知的微分平面度的方法来有利地确定干预控制。关于上述微分平面度的方法，请参考由Ralf Rothfuβ于1997年发表于VDI-Verlag的“Anwendungder flachheitsbasierten Analyse und Regelung nichtlinearer
Figure BDA0002864531670000141
”。关于前述的微分平面度的方法，是本公开的主题。
由于结构运动与被驱动的起重机运动和摆动运动相比偏移很小，因此能够忽略结构动态来确定干预控制，这意味着起重机，尤其是塔式起重机能够表示为一个平面系统，其负载坐标为平面输出。
与闭环控制电路的反馈控制相反，有利地忽略了结构动力学来计算二自由度结构的干预控制和参考状态的计算。为了驾驶员控制的目的，假设起重机是刚性的，或者能够说是无限刚性的结构。由于弹性结构的很小的偏移，与由驱动器进行的起重机运动相比，很小的偏移，这只会导致很小的干预控制偏差，因此能够忽略不计。然而，为此目的，可以假定将用于干预控制的刚性的塔式起重机，尤其是塔式起重机的描述为易于翻转的扁平系统。货物承载装置位置的坐标是系统的平面输出。从平面输出及其时间导数，能够精确地代数(逆系统)计算所需的受控变量目标过程和系统状态，而无需模拟或优化。这允许将负载带到目标位置而不会过摆。
有利地能够通过轨迹规划模块和/或通过目标值滤波来计算基于平面度的干预控制及其导数所需的货物承载装置位置。如果通过轨迹规划或设定值滤波确定了货物承载装置位置的目标路径及其前四个时间导数，则能够在干预控制中使用代数方程式计算出用于控制驱动器的必要设置信号的确切路径以及相应系统状态的确切路径。
为了不通过干预控制激发任何结构运动，可以有利地在轨迹计划和干预控制之间插入陷波滤波器，以便从计划轨迹信号中消除的结构动力学的可激发的固有频率。
监管所基于的模型基本上能够具有不同的类型。有利地，整个系统动态的紧凑表示用作耦合的摆动、驱动和结构动态，其适合作为观察器和控制的基础。在本发明的有利的进一步发展中，通过建模方法来确定起重机控制模型，在该建模方法中，将整个起重机动力分为很大程度上独立的部分，并且对于塔式起重机而言，有利的是将所有运动的一部分基本上由旋转机构驱动器激发(摆动动力)，所有运动的另一部分，主要由起重机小车驱动器(径向动力)激发，而在提升绳索方向上的动力则由升降机构驱动器激发。
在忽略了耦合的情况下对这些部件的独立观察允许实时计算系统动力，尤其是简化了枢转动态的紧凑表示，即分布式参数系统(由线性偏微分方程描述)，该系统精确描述了吊臂的结构动力学，并且能够使用已知方法轻松地减少到所需的固有模式。
有利地，将驱动动力学建模为一阶延迟项或静态增益因数，其中，能够为驱动器提供扭矩、转速、力或速度作为控制变量。该控制变量由各个驱动器的变频器中的从属调节来控制。
能够将摆动动力学建模为理想化的单/双线程摆动，其具有一/两点负载质量和一/两根简单的绳索，这些绳索被假定为无质量或具有最重要的绳索固有模式的模态阶次减少量。
能够通过以连续钢筋的形式将钢结构近似为分布式参数模型来得出结构动力学，能够通过已知方法将其离散化并按系统顺序进行缩减，从而采用紧凑形式，能够快速计算出该值，并简化观察者和控制的设计。
当手动操作起重机时，所提及的摆动阻尼装置能够通过操作相应的操作元件(例如操纵杆等)来监视起重机操作员的输入命令，并在必要时将其超控，特别是在例如降低由起重机操作员预设的过大的加速度的情况下，如果起重机操作员预设的起重机运动已经或将导致起重吊钩的摆动，则自动启动反向运动。控制器模块有利地试图尽可能地接近起重机操作员期望的运动和运动曲线，以使起重机操作员具有控制感，并且仅在必须尽可能不摆动或振动的情况下进行所期望的起重机运动的范围内，才超控手动输入的控制信号。
替代地或附加地，摆动阻尼装置也能够用于起重机的自动操纵，其中，起重机的控制装置使起重机的货物承载装置在自动驾驶的意义上沿着行进路径在至少两个目标点之间自动移动。在这种自动模式中，控制装置的行进路径确定模块例如在路径控制的意义上确定了所期望的行进路径，并且控制装置的自动行进控制模块控制一个或更多个驱动控制装置，以使起重吊钩沿着规定的行进路径移动。在该自动运行中，摆动阻尼装置可以干预驱动控制器的控制，以使起重机吊钩不摆动，或者对摆动进行衰减。
附图说明
下面根据优选的实施例和相关附图更详细地说明本发明。在附图中：
图1示出塔式起重机的示意图，其中，通过成像传感器装置检测起重吊钩的位置和相对于竖直方向的绳索角度，并且其中摆动阻尼装置对驱动装置的控制产生影响，以防止起重吊钩及其提升绳索的摆动，
图2示出摆动阻尼装置的二自由度控制结构的示意图，以及其对驱动控制器的控制变量的影响，
图3示出塔式起重机在负载下的变形和振动形式以及通过斜拉力控制来抑制或避免所述变形和振动的示意图，其中，局部视图a)示出在负载以及相关的提升绳索的斜拉力作用下塔式起重机的俯仰变形，局部视图b)和c)分别以立体图和俯视图的形式示出了塔式起重机的横向变形，以及局部视图d)和e)示出了与这种横向变形相关的提升绳索的斜拉力，
图4示出了以旋转速率旋转的参考系统中的弹性吊臂的示意图，
图5示出了考虑了塔的弯曲和塔的扭转时，吊臂作为受约束的连续梁的示意图
图6示出了弹性塔以及横向于吊臂的塔弯曲的弹簧质量等效模型的示意图，
图7示出了在具有集中负载质量和无质量绳索的起重机的枢转方向上的摆动动力的示意图，
图8示出了塔式起重机的三个最重要的固有模式的示意图，
图9示出了在起重机的径向方向上的摆动动力的示意图，以及借助多个耦接的刚体对其进行建模的示意图，
图10示出了带有起重吊钩的摆式提升绳索的示意图，在该提升绳索上固定有惯性测量装置，该惯性测量装置将其测量信号无线传输到起重机小车上的接收器，提升绳索从该起重机小车上穿过，
图11示出了各种起重吊钩的示意图，以说明起重吊钩相对于提升绳索的可能的倾斜，
图12示出了前两个图中的起重吊钩悬挂装置的摆动动力学的示意性的二维模型，
图13示出了起重吊钩的倾斜度或倾斜角度的示意图，描述了惯性坐标和起重吊钩坐标之间的旋转，
图14示出了具有高通滤波器和低通滤波器的补充滤波器的框图，用于根据惯性测量装置的加速度和旋转速率信号来确定起重吊钩的倾斜，
图15示出了借助于扩展的卡尔曼滤波器和借助于静态估计所确定的摆动角度曲线与在万向节上测得的摆动角度曲线的比较视图，以及
图16示出了具有两个自由度的控制或调节结构的示意图，该控制或调节结构用于自动影响驱动器以避免摆动振动。
如图1所示，起重机能够配置为塔式起重机。图1所示的塔式起重机能够具有例如以本身已知的方式承载起重臂202的塔201，该起重臂通过设置有配重204的平衡臂203来平衡。所述起重臂202能够通过旋转机构与平衡臂203一起围旋转轴线205旋转，该旋转轴线能够与塔轴线同轴。能够通过小车驱动装置使起重机小车206在起重臂202上行进，其中，从起重机小车206上延伸的提升绳索207上固定有起重吊钩208。
如在图10中进一步示出，起重机也能够被配置为桥式起重机。
如图1所示，起重机2(当然也可以配置为桥式起重机或其他起重机)能够在此具有电子控制装置3，该电子控制装置能够例如包括布置在起重机本身上的控制计算机。所述控制装置3在这里能够控制相应的建筑机械上的各种致动器、液压回路、电动机、驱动装置和其他工作单元。在所示出的起重机中，这些能够例如是起重机的提升机构、旋转机构、小车驱动装置、其(必要时现有的起重臂的)摆动驱动装置等。
所述电子控制装置3能够在这里与终端设备4通信，该终端设备能够被布置在控制台或驾驶室中，并且能够例如具有带有触摸屏和/或操纵杆、旋钮、滑动开关和类似的操作元件的输入板的形式，因此，一方面，能够将控制计算机3的各种信息显示在终端设备4上，并且反过来，能够经由终端设备4将控制命令输入到控制装置3中。
起重机1的所述控制装置3尤其能够设计成，在摆动阻尼装置340检测到与摆动有关的运动参数时，也用来对提升机构、起重机小车和旋转机构的所述驱动装置进行控制。
为此，起重机1能够具有摆动传感器装置或检测装置60，其能够检测提升绳索207的斜拉力和/或起重吊钩208相对于竖直方向61的偏移，其穿过起重吊钩208(即起重机小车206)的悬挂点。特别地，绳索拉力角度
Figure BDA0002864531670000181
能够相对于重力作用线(即竖直线62)来检测，参见图1。
为此，摆动传感器装置60能够安装到起重机小车206、像机63或从起重机小车206竖直向下看的另一个成像传感器装置，使得当起重吊钩208不发生偏移时，其图像再现位于相机63提供的图像的中心。但是，如果例如通过拉动起重机小车206或突然制动旋转机构使起重吊钩208相对于竖直方向61发生偏移，则起重吊钩208的图像再现会从相机图像的中心移出，这能够通过图像评估装置64来确定。
另一方面，借助于惯性测量装置IMU，也可以实现起重绳索的斜拉力或起重吊钩相对于竖直方向的偏移，该惯性测量装置IMU安装在起重吊钩208上，并且其测量信号优选地能够被无线地传输至起重机小车206上的接收器，参见10。将在后面详细说明惯性测量装置IMU及其加速度和旋转速率信号的评估。
取决于所检测到的相对于竖直方向61的偏移，尤其是在考虑偏移的方向和大小的情况下，控制装置3能够借助摆动阻尼装置340控制旋转机构驱动装置和起重机小车驱动装置，以使起重机小车206或多或少地精确地再次位于起重吊钩208上方，并且补偿或减少摆动运动，或者干脆完全不让摆动运动发生。
为此，摆动阻尼装置340包括用于确定结构部件的动力学变形的结构动力学传感器装置344，其中，摆动阻尼装置340的控制器模块341以摆动阻尼的方式影响对驱动装置的控制，并被配置为在影响驱动装置的控制时考虑所确定的起重机的结构部件的动力学变形。
在此还能够设置有评估装置343，该评估装置对动态负载下机器结构的变形和运动进行评估，考虑到起重机结构的特点，该动态负载取决于在控制台处输入的控制命令和/或取决于驱动装置的特定控制动作和/或取决于驱动装置的特定速度曲线和/或加速度曲线。特别地，计算单元348能够基于所存储的计算模型，根据在控制台处输入的控制命令来计算结构变形和由此产生的结构部件运动。
摆动阻尼装置340有利地借助于结构动力学传感器装置344来检测在动态负载下结构部件的这种弹性变形和运动。这样的传感器装置344能够包括例如变形传感器，诸如起重机钢结构(例如塔201或吊臂202的井格架)处的应变计。替代地或附加地，能够设置加速度和/或速度传感器和/或旋转速率传感器，以便检测结构部件的特定运动，例如，吊臂端部的俯仰运动或吊臂202处的旋转动态效应。替代地或附加地，这种结构动力学传感器也能够被设置在塔201上，尤其是被设置在该塔的安装有吊臂的上部处，以便检测塔201的动态。替代地或附加地，也能够将运动传感器和/或加速度计分配给传动系，以便能够检测传动系的动态。例如，能够为用于提升绳索的起重机小车206的滑轮和/或用于变幅吊臂的绳索的滑轮分配旋转传感器，以便能够检测相关点处的实际的绳索速度。
如图2所示，结构动力学传感器344和摆动传感器60的信号y(t)被反馈给控制器模块341，从而实现闭环控制回路。所述控制器模块341根据反馈的结构动力学和摆动传感器信号来影响用于控制起重机的驱动装置，特别是旋转机构、升降机构和起重机小车驱动装置的控制信号u(t)。
如图2所示，控制结构还具有滤波器装置或观察器345，所述观察器观察在采用驱动控制器的特定控制变量下的传感器信号或发生的起重机反应，并且在考虑到起重机的动态模型的预定规律的同时来影响控制器的控制变量，起重机的动态模型通常可以具有不同的特性，并且能够通过对钢结构的分析和仿真来获得。
特别地，这种滤波器或观察器装置345b能够被设计成所谓的卡尔曼滤波器346的形式，将起重机的驱动控制器347的控制变量u(t)和反馈的传感器信号y(t)，即，所检测到的起重机运动、尤其是相对于竖直方向62的绳索拉力角度
Figure BDA0002864531670000201
和/或其时间变化或者所述斜拉力的角速度以及吊臂202和塔201的结构动力学扭转作为输入输送到卡尔曼滤波器，并且该卡尔曼滤波器根据所述输入按照卡尔曼公式来相应地影响驱动控制器347的设置变量，以实现所期望的摆动阻尼效果，其中所述卡尔曼公式对起重机结构的动态系统，尤其是其钢结构和传动系进行建模。
借助于这种闭环控制，从一开始就能够抑制或避免塔式起重机在负载下的变形和振动形式，尤其是如在图3中示例性所示，其中，此处的局部视图a)首先示出了在负载下，由于塔201的弯曲和伴随的吊臂202的下沉以及提升绳索的斜拉力而导致的塔式旋转起重机的俯仰变形。
此外，图3的局部视图b)和c)以立体图和俯视图示意性地示出了塔式起重机的横向变形，在图中塔201和吊臂202发生变形。
最后，图3在其局部视图d)和e)中示出了提升绳索的与这种横向变形有关的的斜拉力。
如图2进一步所示，控制器结构被设计成二自由度控制的形式，并且除了上述带有摆动传感器和结构动力学传感器信号反馈的“闭环”控制外，该控制器结构还包括干预控制或干预控制级350，其试图通过最佳的控制行为来避免在理想情况发生任何控制误差。
如开头已经提到的，所述干预控制350有利地是基于平面度来设计的，并且根据所谓的微分平面度方法来确定。
由于与代表目标行进路径的从动起重机运动相比，结构运动以及摆动运动的偏移都非常小，因此，在确定干预控制信号ud(t)和xd(t)时可以忽略结构动力学信号和摆动运动信号，也就是说，摆动传感器60和结构动力学传感器344的信号y(t)没有被反馈到干预控制模块350。
如图2所示，货物承载装置208的设置值被提供给干预控制模块350，其中，这些设置值能够是用于所述货物承载装置208的位置信息和/或速度信息和/或路径参数，并定义所期望的行进运动。
特别地，能够将用于期望负载位置的设置值及其时间导数有利地提供给轨迹规划模块351和/或设置值滤波器352，借助于它们能够确定负载位置的设定值曲线及其前四个时间导数，由此能够在干预控制模块350中通过代数方程计算出用来控制驱动装置的所需的设置信号ud(t)的精确曲线以及相应系统状态的精确曲线ud(t)。
为了不通过干预控制引起任何结构运动，带阻滤波器装置353能够有利地连接在干预控制模块350的上游，以便相应地对馈送到干预控制模块350的输入变量进行滤波，其中，特别地，这种带阻滤波器装置353能够一侧设置在上述轨迹规划模块351或设置值滤波器模块352，另一侧设置在干预控制模块350。所述带阻滤波器装置353能够特别地被设计用来从反馈给干预控制的设置信号中消除结构动力学的被激发的固有频率。
为了减少振动动力或完全不让其产生，摆动阻尼装置340能够被设计成校正旋转机构和起重机小车以及可能还有的升降机构，以使得即使当起重机由于负载力矩的增加而越来越向前倾斜时，绳索也尽可能地始终垂直于负载。
例如，当从地面提升负载时，能够考虑起重机在负载下的变形而引起的俯仰运动，并且通过对俯仰变形的预测估计能够在考虑检测到的负载位置的情况下对起重机小车进行跟踪，或者对起重机小车定位，使得在起重机变形的时提升绳索垂直于负载上方。最大静态变形发生在负载离开地面的位置处。替代地或附加地，以相应的方式能够在考虑所检测的负载位置的情况下对旋转机构进行跟踪和/或在对横向变形进行预测估计的情况下对旋转机构进行定位，使得在起重机变形的情况时提升绳索垂直于负载上方。
摆动阻尼控制的所基于的模型基本上能够具有不同的属性。
对枢转方向上和塔式吊臂面内的动力学的解耦考虑对于弹性旋转起重机的以控制为导向的机械建模是有用的。能够通过旋转机构驱动装置对枢转动力进行激励和控制，而塔式吊臂平面中的动力则通过小车机构和提升机构驱动装置来激励和控制。负载在两个方向上摆动，即，一方面横向于吊臂(转动方向)摆动，另一方面在吊臂的纵向(径向)方向上摆动。由于较低的提升绳索弹性，竖直负载运动在很大程度上对应于竖直的吊臂运动，在塔式起重机中，该竖直的吊臂运动小于由摆动引起的负载偏移。
为了稳定负载摆动，尤其必须考虑由旋转机构和由起重机小车机构所引起的系统动力部分。这些被称为转动动力或径向动力。只要摆动角度不为零，转动动力和径向动力还会受到提升机构的影响。但是，这对于控制方案，尤其是对于转动动力学而言可以被忽略不计。
转动动力尤其包括钢结构运动，例如塔扭转、围绕竖直轴线的吊臂横向弯曲和横向于吊臂纵向的塔弯曲，以及横向于吊臂的摆动动力和旋转机构驱动动力。径向动力包括塔在吊臂方向上的弯曲、摆动在吊臂方向上的动力以及根据角度吊臂在竖直方向上的弯曲。此外，径向动力还包括在小车机构以及提升机构(如果适用)的驱动动力。
为了控制，有利地寻求一种基于围绕静止位置的非线性机械模型方程的线性化线性设计方法。通过这种线性化消除了转动动力与径向动力之间的所有耦合。这也意味着即使模型首先是耦合得到的，线性控制的设计也不会考虑任何耦合。能够从一开始就将两个方向视为分离，因为这大大简化了机械建模。此外，还为转动动力实现了紧凑的清晰模型，因此能够快速评价该模型，由此一方面节省了计算能力，另一方面加速了控制方案的开发过程。
为了将转动动力导出为紧凑、清晰和精确的动态系统模型，吊臂能够被视为欧拉-伯努利(Euler-Bernoulli)杆，并因此首先被看作是具有分布式质量的系统(分布式参数系统)。此外，能够忽略提升动力对转动动力的反作用，这是对由于水平力分量消失而导致的较小摆动角度的合理假设。如果出现较大的摆动角度，则能够将提升机构对摆动动力的影响作为干扰变量考虑在内。
如图4所示，在移动参考系统中将吊臂建模为梁，该梁通过旋转机构驱动装置以旋转速率
Figure BDA0002864531670000234
旋转。
这意味着在参考系统内有三个表观加速度，分别称为科里奥利(Coriolis)加速度、离心加速度和欧拉加速度。由于参考系统围绕固定点旋转，因此对于每个点：
r′＝[rx′ ry′ rz′] (1)
在参考系统内的表观加速度a′为：
Figure BDA0002864531670000231
，其中，×代表叉积，
Figure BDA0002864531670000232
即，相对于旋转参考系统的一点的旋转矢量和速度矢量v′。
在这三个表观加速度中，只有科里奥利加速度表示转动动力和径向动力之间的双向耦合。这与参考系统的旋转速度和相对速度成正比。塔式起重机的典型的最大转速在大约
Figure BDA0002864531670000233
的范围内，这就是为什么相比于塔式起重机的驱动加速度而言科里奥利加速度通常假定地比较小的原因。在将负载摆动稳定在固定位置的过程中，旋转速率非常小，而在更大的导向运动过程中，能够通过干预控制来对科里奥利加速度进行预先规划和明确考虑。在这两种情况下，忽略科里奥利加速度仅导致较小的近似误差，因此在下文中将其忽略不计。
离心加速度根据旋转速率仅对径向动力产生影响，为此能够考虑作为干扰变量。该干扰变量由于较慢的旋转速率几乎不会对转动动力产生影响，因此能够被忽略不计。然而，重要的是线性欧拉加速度，其在切线方向上起作用，因此在考虑转动动力的情况下起着核心作用。
由于吊臂的较小横截面积和较小剪切变形，因此能够将吊臂视为欧拉-伯努利梁。因此，梁绕竖直轴线旋转的旋转动能可以忽略不计。假设机械参数，例如吊臂元件的欧拉-伯努利逼近的质量参数和面积惯性矩是已知的并且能够被用于计算。
A形框和吊臂之间的张力减小几乎不会对转动动力产生影响，因此未进行建模。吊臂在纵向上的变形也很小使得其能够忽略不计。因此能够通过在位置x处吊臂偏移w(x，t)关于时间t的已知的偏微分方程来给出旋转参考系统中的吊臂的未经阻尼的动力：
Figure BDA0002864531670000241
。这里μ(x)是质量参数，I(x)是位置x处的惯性矩，E是弹性模量并且
Figure BDA0002864531670000242
是作用在吊臂上的分布力
Figure BDA0002864531670000243
对于此推导，位置坐标x的零点位于平衡臂的末端。表述
Figure BDA0002864531670000244
在这里描述了局部微分。阻尼参数将在后面介绍。
为了获得惯性系统中吊臂动力的描述，将欧拉力与分布力分离，从而得出偏微分方程：
Figure BDA0002864531670000245
。此处，l cj是平衡臂的长度是，并且q(x，t)是没有欧拉力时吊臂上的实际分布力。梁的两端是自由的，并且没有被夹紧。因此适用于以下边界条件：
w″(0，t)＝0，w″(L，t)＝0 (6)
w″′(0，t)＝0 w″′(L，t)＝0 (7)
，其中L是吊臂和平衡臂的总长度。
在图5中示出了吊臂的示意图。弹簧刚度ct和cb代表塔的扭转刚度和弯曲刚度，并且在下面将对其进行说明。
为了对转动动力进行建模，有利地考虑了塔扭转和塔横向于吊臂方向的弯曲。由于塔的几何形状能够首先将其假设为均匀的欧拉-伯努利梁。为了简化建模，此处通过刚体替代模型来表示塔。仅考虑用于塔弯曲和用于塔扭转的一种固有模式。由于基本上只有塔尖部的运动与转动动力有关，因此能够分别通过具有相匹配的固有频率的弹簧质量系统将塔动力用作弯曲或者扭转的等效系统。如图6所示，在塔具有较高弹性的情况下，此时能够通过添加相应数量的质量和弹簧来更轻松地为弹簧质量系统补充其他固有模型。
对参数弹簧刚度cb和质量mT进行选择，使得尖部处的偏移以及固有频率与欧拉-伯努利梁的固有频率相匹配，该欧拉-伯努利梁代表塔动力。如果已知塔的恒定的面积惯性矩IT、塔高度lT和质量参数μT，则能够根据梁端部处的静态偏移和均匀欧拉-伯努利梁的第一固有频率来分析计算出参数cb和mT，其中梁端部处的静态偏移为
Figure BDA0002864531670000251
以及均匀的欧拉-伯努利梁的第一固有频率为
Figure BDA0002864531670000252
参数cb和mT为
Figure BDA0002864531670000253
对于塔扭转，类似地能够得出如图5中所示的具有惯性矩JT和扭转弹簧刚度ct的刚体等效模型。
如果塔的极区惯性矩Ip、扭转惯性矩JT(其对应于圆环横截面的极去惯性矩)、质量密度ρ和剪切模量G，则等效模型参数能够确定为
Figure BDA0002864531670000254
以获得匹配的第一固有频率。
为了同时考虑吊臂的附加质量参数形式的等效质量mT和等效惯性矩JT，能够将惯性矩的近似值用于细长物体，从中可以得出，细长杆的长度为：
Figure BDA0002864531670000261
质量为mT和关于其重心的惯性矩JT。即，在塔夹紧位置处，吊臂的质量参数μ(x)关于长度b增加了恒定值
Figure BDA0002864531670000262
由于通常不知道塔式起重机的有效载荷的尺寸和惯性矩，因此仍然能够将有效载荷建模为集中质量点。绳索质量能够忽略不计。与吊臂不同，欧拉力、科里奥利力和离心力对有效载荷的影响更大。离心加速度仅作用于吊臂方向，因此在这一点上无关紧要，由载荷到塔的距离xL得出科里奥利加速度：
Figure BDA0002864531670000263
由于吊臂的低的旋转速率，因此负载上的科里奥利加速度能够忽略不计，尤其是负载应当被定位时。但是，为了能够在需要时实现干扰变量接入，还需要执行几个步骤。
为了导出摆动动力，将其投影到切向平面上，该切向平面正交于吊臂定向并与起重机小车的位置相交。
欧拉加速度由如下公式得到
Figure BDA0002864531670000264
由于摆动角度通常较小，因此适用如下近似：
xL/xtr≈1 (15)
从该近似中得到以下近似关系：
a欧拉，L＝a欧拉 (16)
即，由于参考系统的旋转，欧拉加速度以大致相同的方式作用于负载和起重机小车上。
在图7中示出负载上的加速度。
其中，
s(t)＝xtrγ(t)+w(xtr，t). (17)
是起重机小车在切平面上的y位置。由于径向和转动动力的解耦，起重机小车在吊臂上的位置xtr在此处近似为常数参数。
摆动动力能够容易地从拉格朗日形式中导出。为此，首先势能由负载质量mL、重力加速度g以及绳索长度l(t)构成，
U＝-mLl(t)gcos(φ(t)) (18)
并且动能为：
Figure BDA0002864531670000271
其中
Figure BDA0002864531670000272
是负载在切向平面上的y位置。通过拉格朗日函数
L＝T-U (21)
和第二类拉格朗日方程：
Figure BDA0002864531670000273
具有非保守的科里奥利力：
Figure BDA0002864531670000274
得到转动方向上的摆动动力：
Figure BDA0002864531670000275
关于φ＝0，
Figure BDA0002864531670000281
线性化，在忽略绳索长度变化(i≈0)和科里奥利加速度(aCoriolis，y≈0)的情况下得到以下简化的摆动动力：
Figure BDA0002864531670000282
为了描述摆动动力对吊臂和塔结构动力的影响，必须确定绳索力FR。最简单的方法是通过重力加速度来对其主要部分进行近似：
FR，k＝mLgcos(φ)sin(φ)， (26)
因此得到其在y方向上的水平分布：
FR，k＝mLgcos(φ)sin(φ)， (27)
或关于φ＝0线性化，得到：
FR，k＝mLgφ. (28)。
吊臂动力学的分布式参数模型(5)描述了吊臂的无穷多个固有模式，并且其形式尚不适合于控制设计。由于最低频率的固有模式中的少数几个与观察器和控制相关，因此建议进行模态转换，并随后将模态阶数减少到这几个固有模式。但是，等式(5)的解析模态转换相当困难。相反，建议首先借助有限差分或有限元方法对方程(5)进行局部离散，从而获得常规微分方程。
在借助有限差分进行离散化的情况下，在吊臂位置处将梁分割成N等距分布的质量点：
xi，i∈[1...N] (29)
在所述每个位置处的梁偏移记为：
wi＝w(xi，t) (30)
通过中心差分商来近似计算局部导数
Figure BDA0002864531670000283
Figure BDA0002864531670000284
其中，Δx＝xi+1-xi描述了离散质量点之间的距离，并且w′i描述了局部导数w′(xi，t)。
为了离散化w″(x)必须根据w-1，w-2，wN+1以及wN+2来对边界条件(6)-(7)
wi-1-2wi+wi+1＝0，i∈{1，N} (33)
-wi-2+2wi-1-2wi+1+wi+2＝0，i∈{1，N} (34)
进行求解。将等式(5)中的项(I(x)w″)″离散化为
Figure BDA0002864531670000291
其中
ηi＝I(xi)wi″. (36)
通过对中心差分近似计算的选择公式(35)在边界处取决于值I-1和IN+1IN+1的范围，在实践中能够通过值I1和IN对其进行替代。
对于进一步的过程，建议使用矢量符号(以粗体显示)。吊臂偏移矢量被表示为：
Figure BDA0002864531670000292
其中，项(I(x)w″)″在向量表达式中被离散化为：
Figure BDA0002864531670000293
其中刚度矩阵能够被表示为：
Figure BDA0002864531670000294
质量参数(单位kgm)的质量矩阵被定义为对角矩阵
M0＝diag([μ(x1) … μ(xN)]) (39)
具有向量
Figure BDA0002864531670000301
该向量描述每个节点到塔的距离。
对于分布作用力，通过分项qi＝q(xi)来定义向量
Figure BDA0002864531670000302
使得偏微分的梁微分方程(5)的离散化能够以离散化的形式给出为：
Figure BDA0002864531670000303
现在将描述钢结构运动和摆动动力的相互作用。
为此，首先添加吊臂上的附加的点质量，即分布质量矩阵
Figure BDA0002864531670000304
的平衡重mcj、塔的等效质量mT和小车质量mtr。
另外，能够描述塔和负载作用在吊臂上的力和力矩。由于塔弯曲产生的力经由等效模型由具有qT＝q(lcj)的qTΔx＝-cbw(xT). (44)
给出。为了确定由于塔扭转而产生的力矩，首先需要夹紧位置处吊臂-梁的扭转
Figure BDA0002864531670000305
然后由此得出扭转力矩
Figure BDA0002864531670000306
该力矩例如能够通过作用在架相同距离远处的等大两个力来近似计算穿出。当Δx分别是杠杆臂，所述两个力的值是
Figure BDA0002864531670000307
这样就能够用吊臂上的力的向量
Figure BDA0002864531670000311
来描述该力矩。为此，所要做的就是设置两个分项
qT-1Δx＝-Ft，qT+1Δx＝Ft， (48)
通过水平绳索力(28)得到
Figure BDA0002864531670000312
中的分项
qtrΔx＝mLgφ (49)
由于现在所有力都取决于φ或
Figure BDA0002864531670000313
因此结构动力和摆动动力的耦合能够用矩阵符号
Figure BDA0002864531670000314
和
Figure BDA0002864531670000315
Figure BDA0002864531670000316
以及
Figure BDA0002864531670000317
进行表示。
此时应该注意的是，在操作过程中，起重机小车在吊臂上的位置xtr、提升绳索长度l和负载质量mL三个参数会发生改变。因此，(50)是线性的、参数可变的微分方程，该微分方程的具体形式能够仅在运行时确定，特别是在线确定。在之后的观察器和控制方案中必须考虑到这一点。
离散点N的数量应选择地足够大，以确保准确描述梁的变形和梁的动力。因此(50)变为较大的微分方程系统。但是，对于控制，建议采用模态阶数减少，以将大量的系统状态减少到较低的数目。
模态阶数减少是最常用的减少方法之一。基本思想是首先进行模态转换，即基于固有模式(形状)和固有频率来指明系统的动力。然后，仅选取相关的固有模式(通常是最低频率的模式)，而忽略所有较高频率的模式。所考虑的固有模式的数量在下文中通过ξ来表示。
首先，还必须计算具有i∈[1，N+1]的特征向量
Figure BDA0002864531670000321
该特征向量与相应的固有频率ωi一起满足特征值问题
Figure BDA0002864531670000322
使用已知的标准方法能够轻松解决该计算问题。然后将特征向量写入到模态矩阵
Figure BDA0002864531670000323
中，并按增加的固有频率进行排序。然后能够通过计算进行模态转换
Figure BDA0002864531670000324
其中，新的状态向量
Figure BDA0002864531670000325
包含固有模式的振幅。由于模态变换的刚度矩阵具有对角形式，因此模态简化的系统能够简单地通过将该系统的第一列和行限制为
Figure BDA0002864531670000326
来获得，其中，状态向量
Figure BDA0002864531670000329
现在仅描述了少数模态振幅ξ。对角阻尼矩阵
Figure BDA0002864531670000327
中的分项也能够通过实验识别来确定。
图8中示出了三个最重要的固有模式。最上面的一个描述了最慢的固有模式，该固有模式由负载的摆动控制。所示的第二个固有模式显示了塔中明显的弯曲，而在第三个中，吊臂则明显弯曲。应当考虑所有固有模式，其固有频率能够由旋转机构驱动装置激发。
有利的是，旋转机构驱动装置的动力近似为PT1项，使得动力
Figure BDA0002864531670000328
具有时间常数Tγ。与等式(57)相结合得出
Figure BDA0002864531670000331
其具有新的状态向量
Figure BDA0002864531670000332
和旋转机构的目标速度的控制信号u。
对于观察器和转动动力学的控制，能够通过输出向量
Figure BDA0002864531670000338
将系统(59)补充为
Figure BDA0002864531670000333
Figure BDA0002864531670000334
使得能够对系统进行观察，即，向量
Figure BDA0002864531670000335
中的所有状态都能够通过输出
Figure BDA0002864531670000336
以及输出的有限多个时间导数进行重构，从而能够在运行时进行估计。
输出向量
Figure BDA0002864531670000339
在此精确地描述了由起重机上的传感器测得的旋转速率、应变或加速度。
参考图2，根据模型(61)能够将例如观察器345配置为卡尔曼滤波器
Figure BDA0002864531670000337
的形式，其中，值P能够遵循代数Riccati方程
0＝PA+PAT+Q-PCTR-1CP (63)
，该方程能够通过标准过程简单地求解。Q和R代表过程噪声和测量噪声的协方差矩阵，并用作卡尔曼滤波器的设计参数。
由于等式(60)和(61)描述了参数可变系统，因此等式(63)的求解P仅对相应的参数集{xtr，l，mL}有效。但是，求解代数Riccati方程的标准方法计算量很大。为了不必在运行时估计等式(63)，求解P能够在参数xtr，l，mL中离线的计算用于精细求解特性曲线。然后在运行时(在线)从其参数集{xtr，l，mL}最接近当前参数的映射中选择值。
由于能够由观察器345估计所有系统状态
Figure BDA0002864531670000341
因此调节能够以状态反馈的形式
Figure BDA0002864531670000342
进行实现。因此，向量
Figure BDA0002864531670000343
包含目标状态，这些目标状态在静止位置(旋转角度γ除外)通常都为零。沿路径行进时，值可能不等于零，但不应与模型线性化的静止位置相差太大。
例如线性二次方的方法适合于此，其中选择反馈增益K，使得质量函数
Figure BDA0002864531670000344
将进行优化。对于线性控制方案，最佳反馈增益来自
K＝R-1BTP， (66)
其中，能够使用类似于卡尔曼滤波器的代数Riccati方程
0＝PA+ATP-PBR-1BTP+Q (67)
进行确定。
由于式(66)中的增益K也取决于参数集{xtr，l，mL}，因此以类似于观察器的过程为此生成了一个映射图。在控制的背景下，这种方法称为“收益调度”。
为了在塔式起重机上使用调节，能够在运行期间在控制设备上模拟观察器动态(62)。为此，一方面能够使用驱动器的设置信号u，另一方面能够使用传感器的测量信号
Figure BDA0002864531670000345
进而根据(62)从反馈增益和估计的状态向量中计算出设置信号。
由于径向动态也能够由形式为(60)-(61)的线性模型表示，因此径向动力的控制过程能够类似于转动动力。然后，所述两个控制都彼此独立地作用在起重机上，并考虑到驱动和结构动力，使摆动动力在径向方向和整个吊臂上保持稳定。
径向动力建模的方法如下所述。这与先前描述的用于对转动动力进行建模的方法不同，因为现在通过由多个耦合刚体组成的替代系统而不是由连续杆来描述起重机。塔能够分为两个刚体，其中，另一个刚体能够代表吊臂，请参见图9。
在此描述刚体之间的夹角αy和βy以及负载的径向摆角φy。重心的位置将用P来描述，其中，指数CJ代表平衡臂，J代表吊臂，TR代表起重机小车(英语：trolley)和T代表塔(在这种情况下，代表塔的上部刚体)。位置至少部分取决于驱动装置设置值xTR和l的大小。在刚体之间的连接处有具有弹簧刚度和阻尼器
Figure BDA0002864531670000351
的弹簧，其粘性摩擦通过参数dαy和dβy来描述。
动力能够已知的拉格朗日形式中导出。这里，将三个自由度合并在向量
Figure BDA0002864531670000352
中。利用这些，能够对平移动能
Figure BDA0002864531670000353
和由于重力和弹簧刚性引起的势能
Figure BDA0002864531670000354
进行表示。由于旋转能量与平移能量相比能够忽略不计，因此能够将拉格朗日函数表示为
L＝Tkin-Tpot
由此得出具有广义力
Figure BDA0002864531670000355
的欧拉-拉格朗日方程
Figure BDA0002864531670000356
该广义力描述了非保守力(例如阻尼力)的影响。完整的给出三个方程
Figure BDA0002864531670000361
Figure BDA0002864531670000362
Figure BDA0002864531670000363
通过替换L和计算相应的导数会在这些方程中产生非常大的项，因此明确的表达式此处无意义。
通常，通过一阶PT1动力能够对小车机构和提升机构的驱动装置的动力进行很好地估计
Figure BDA0002864531670000364
Figure BDA0002864531670000365
其中，τi描述了相应的时间常数，并且ui描述了目标速度。
如果现在将所有与驱动装置相关的变量都保留在向量
Figure BDA0002864531670000366
中，那么由驱动、摆动和结构动力耦合得到的径向动力能够表示为
Figure BDA0002864531670000367
或通过在运行时转换为
Figure BDA0002864531670000368
形式的非线性的动力。
由于径向动力存在于最小坐标中，因此不需要降低阶数。但是，由于由(75)所描述的等式的复杂性，无法对Jacobi矩阵
Figure BDA0002864531670000369
进行分析离线预先计算。为了从(75)获得用于控制的形式为(60)的线性模型，因此能够在运行时进行数值线性化。为此，首先能够确定静止位置
Figure BDA0002864531670000371
对于该静止位置满足
Figure BDA0002864531670000372
然后能够基于等式
Figure BDA0002864531670000373
对模型线性化，并且得到如等式(60)所示的线性系统的计算结果。通过选择合适的结构和摆动动力传感器装置，例如借助陀螺仪，能够得如到(61)中的测量输出，通过该测量输出能够对径向动力进行观察。
进一步的观察器和调节方案程序与枢转动态的方案相对应。
如已经提到的，提升绳索相对于竖直方向62的偏移不仅能够通过起重机小车上的成像传感器装置来确定，而且还能够通过起重吊钩上的惯性测量装置来确定。
这种惯性测量装置IMU尤其能够具有用于提供加速度和旋转速率信号的加速度和旋转速率传感装置，该信号一方面指示出沿不同空间轴的平移加速度，另一方面指示出相对于不同空间轴的旋转速率或陀螺仪信号。这里，旋转速率能够提供转速，但是原则上还能够提供旋转加速度或两者同时提供。
有利地，惯性测量装置IMU能够检测三个空间轴上的加速度以及围绕至少两个空间轴的旋转速率。加速度传感装置能够在三个轴上工作，而陀螺仪传感装置能够被配置为在两个轴上工作。
有利地，安装到起重吊钩上的惯性测量装置IMU能够将其加速度和旋转速率信号和/或从其得到的信号无线传输到安装到起重机或起重机的结构部件的控制和/或评估装置3或其摆动阻尼装置340，其能够安装在起重机的机构部件上或者在起重机附近单独地布置。特别地，能够向接收器REC进行传输，该接收器能够安装到起重机小车206和/或安装到提升绳索穿过的悬架上。有利地，能够例如经由WLAN连接来进行传输，参考图10。
如图13所示，根据连接关系，起重吊钩208能够相对于提升绳索207沿不同的方向和以不同的方式倾斜。提升绳索207的斜拉力角度β不必与起重吊钩的定向相同。倾斜角度εβ描述了起重吊钩207相对于提升绳索2017的斜拉力β的倾斜或旋转或惯性坐标与起重吊钩坐标之间的旋转。
为了模拟起重机的摆动行为，能够对起重机小车行进方向上的两个摆动方向(即，沿吊臂的纵向方向以及围绕塔轴线的旋转或弯曲方向，即，在横向于吊臂纵向的方向上)彼此分开考虑，因为这两个摆动运动几乎不会相互影响。因此，能够对每个摆动方向进行二维建模。
如果考虑图12所示的模型，则能够借助拉格朗日方程来描述摆动动力。这里，根据时间t来定义起重机小车位置sx(t)、绳索长度l(t)以及绳索或摆动角度β(t)，其中，在下文中为了简单和易读，时间依赖性不再由项(t)具体指出。
首先，惯性坐标系中起重吊钩位置能够定义为
Figure BDA0002864531670000381
其中，时间导数
Figure BDA0002864531670000382
使用
Figure BDA0002864531670000383
来对惯性速度进行描述。对于负载动力求导并不需要吊钩加速度
Figure BDA0002864531670000384
而是将其用于滤波器的设计，将在下面进行描述。
动能通过
Figure BDA0002864531670000385
来确定。其中，起重吊钩的质量m和负载将随后被消去。由重力引起的势能对应于
V＝-mrTg，g＝(0 -g)T， (105)
其中g为重力加速度。
因为V不依赖于
Figure BDA0002864531670000391
因此欧拉-拉格朗日方程为
Figure BDA0002864531670000392
其中，向量
Figure BDA0002864531670000393
描述广义坐标系。这得出作为关于β的二阶非线性微分方程的摆动动力，
Figure BDA0002864531670000394
在y-z平面中的动力能够被类似地表达。
在下文中，将起重机小车或龙门起重机起重机小车的加速度看作是已知的系统输入变量。这些变量有时能够直接测量，或者也能够根据测得的起重机小车速度进行估计。替代地或附加地，能够使用单独的起重机小车加速度计来测量起重机小车加速度，或者当驱动装置动力已知时，也能够对其进行估计。能够根据一阶负载特性
Figure BDA0002864531670000395
来估计电动起重机驱动装置的动力，其中，输入信号ux对应于所期望的速度，并且Tx是时间常数。当具有足够的精度时，则不需要对加速度作进一步测量。
起重吊钩的倾斜方向由倾斜角度εβ来描述，参考图13。
由于旋转速率或倾斜速度是通过陀螺仪测量的，因此倾斜估计所基于的模型对应于所测得的关于倾斜角度的旋转速率ωβ的简单积分
Figure BDA0002864531670000396
IMU测量起重吊钩的相对运动，同向旋转的刚体固定坐标系中的所有信号，该坐标系由先前的指数K标识，而惯性坐标中的向量则通过I来标识或完全没有指数。一旦εβ估计出，就能够将起重吊钩坐标系中测量的加速度Ka＝[Kax Kaz]T转换到Ka的惯性坐标系中，并且使用
Figure BDA0002864531670000401
然后，能够基于式(107)和式(103)使用惯性加速度来估计摆动角度。
对绳索角度β的估计需要准确估计起重吊钩的倾斜角度εβ。由于陀螺仪的精度有限且初始值未知，为了能够基于根据式(109)的简单模型来估计该角度，需要绝对参考值。另外，陀螺仪测量被测量原理固有的近似恒定的偏差规则地叠加。此外，不能假设εβ通常在零附近振荡。因此，加速度计用于通过估计重力加速度常数(在低频信号中出现)来提供此类参考值，并且在惯性坐标系中为
lg＝[0 -g]T. (111)
并且在起重吊钩坐标系中转换
Kg＝-g[-sin(εβ) cos(εβ)]T. (112)
测得的加速度是式(103)和式(112)的总和
Figure BDA0002864531670000402
这里，Kg的负号来自以下事实：由于传感器原理，将重力加速度作为虚拟的向上加速度来测量。
由于
Figure BDA0002864531670000403
的所有分量通常都明显小于零并且在零附近振荡，因此使用具有足够低衰减频率的低通滤波器允许以下近似
Ka≈-Kg. (114)
用x分量除以z分量得到较低频率的参考倾斜角度
Figure BDA0002864531670000404
根据式(109)的线性摆动动力的简单结构允许使用各种滤波器来估计方向。一种选择是所谓的连续时间卡尔曼-布西滤波器，其能够通过改变过程参数和测量噪声来设置。然而，在下文中，使用如图14所示的补充滤波器，其能够通过选择高通和低通传递函数来对其频率特性进行设置。
如图14中的框图所示，能够将补充滤波器设计成估计起重吊钩倾斜的方向εβ。陀螺仪信号ωβ的高通滤波Ghp1(s)会产生无偏移的旋转速率
Figure BDA0002864531670000411
并且在积分之后会产生第一倾斜角度的估计值εβ，ω。进一步估计值εβ，α来自加速度计的信号Ka。
特别是，首先能够使用具有传递函数的简单高通滤波器
Figure BDA0002864531670000412
并且将极低的渐弱频率ωo应用于陀螺仪信号ωβ，以消除恒定的测量偏移。积分导致基于陀螺仪的倾斜角估计εβ，ω对于高频而言相对准确，但对于低频而言相对不精确。补充滤波器的基本思想对εβ，ω与εβ，α求和或将其组合，其中，通过高通滤波器对高频εβ，ω进行更重的加权，并且通过低通滤波器对低频εβ，α进行更重的加权，因为(115)提供了对低频的良好估计。传递函数能够选择为简单的一阶滤波器，即
Figure BDA0002864531670000413
其中，选择渐弱频率ω低于振荡频率。因为
Ghp2(s)+Glp(s)＝1 (118)
对于所有频率，估计值εβ均未正确缩放。
根据估计的起重吊钩方向，能够从测量值Ka确定起重吊钩的惯性加速度Ia，即使用(110)，它允许根据摆动动态(107)和旋转加速度测量来设计观察器
Figure BDA0002864531670000414
。尽管能够将该等式的两个分量均等地用于摆角的估计，但仅使用不依靠g的x分量也可以获得良好的结果。
在下面假设摆动动态与过程相关的背景噪声w：N(0，Q)和测量噪声v：N(0，R)叠加，因此其能够表示为非线性随机系统，即
Figure BDA0002864531670000421
y＝h(x，u)+v
其中，状态向量是
Figure BDA0002864531670000422
持续的、时间性的卡尔曼滤波器
Figure BDA0002864531670000423
能够用于确定状态。
根据(107)的摆动动态状态的空间表示形式为
Figure BDA0002864531670000424
其中，起重机小车加速度
Figure BDA0002864531670000425
被视为系统的输入变量。为了定义系统输出，能够根据系统状态从(119)公式中得出起重吊钩加速度的水平分量，从中得出：
Figure BDA0002864531670000426
重力加速度Igx的水平分量自然为零。在此，例如，能够根据(108)使用驱动动态从测量值l中重构
Figure BDA0002864531670000427
在使用(123)时作为测量函数h(x)＝Iax， (124)
将得出的线性项为
Figure BDA0002864531670000428
Figure BDA0002864531670000429
在此过程噪声的协方差矩阵估计Q＝I2×2，测量噪声的协方差矩阵估计R＝1000以及初始误差协方差矩阵P＝02x2。
如图15所示，使用扩展的卡尔曼滤波器(EKF)估计的或进一步使用简单的静态方法确定的摆角对应于使用起重机小车上的旋转角度编码器对万向节上的摆角的验证测量。
有趣的是，使用相对简单的静态方法的计算所得出的结果与扩展卡尔曼滤波器的结果相媲美。因此，根据(122)的摆动动态和根据(123)的初始方程能够关于稳定状态
Figure BDA0002864531670000431
进行线性化。如果假设绳索长度l是恒定的，则
Figure BDA0002864531670000432
得出的用于线性系统
Figure BDA0002864531670000433
y＝[g 0]x (128)
并且Iax用作输出的参考值。根据(127)忽略的动态效果并且仅考虑静态输出函数(128)，能够将从简单的静态关系得出摆角
Figure BDA0002864531670000434
有趣的是其不依赖于l。图15示出以这种方式获得的结果与卡尔曼滤波器的结果一样准确。
因此，使用β和等式(101)，能够实现货物承载装置位置的精确估计。
当根据(108)对基于速度的起重机驱动器的动态进行建模并伴有参数确定时，所得的时间常数
Figure BDA0002864531670000435
非常小。在这方面，能够忽略驱动器的动态影响。
为了指定以驱动速度
Figure BDA0002864531670000436
而不是驱动加速度
Figure BDA0002864531670000437
作为系统输入变量的摆动动态，能够根据(127)的线性化动态系统通过积分进行“增加”，从中得出：
Figure BDA0002864531670000441
在此新的状态向量是
Figure BDA0002864531670000442
在视觉上，动态保持不变，而物理意义和输入却发生了变化。与(127)相比，β和
Figure BDA0002864531670000443
应该稳定在零，而不是时间积分∫β。由于控制器应该能够保持期望的速度
Figure BDA0002864531670000444
因此期望的稳定状态应该根据参数
Figure BDA0002864531670000445
计算为
Figure BDA0002864531670000446
这也能够确保频域中的静态前置滤波器F，使得传递函数的速度输入
Figure BDA0002864531670000447
用于第一状态。
Figure BDA0002864531670000448
新状态向量
Figure BDA0002864531670000449
的第一部分能够借助于卡尔曼-布西滤波器基于式(130)来估计，系统输出值
Figure BDA00028645316700004410
如果根据式(127)设计控制器，并且电动机控制器由积分输入信号
Figure BDA00028645316700004411
进行控制，则结果相似。
能够将获得的反馈确定为线性二次控制器(LQR)，它能够与卡尔曼-布西滤波器一起表示线性二次高斯调节结构(LQG)。反馈和卡尔曼调节因子都能够例如使用调节因子规划来适应绳索长度l。
为了沿轨道紧密地控制起重吊钩，如图16所示，具有两个自由度(类似于如上所述)的结构将与轨道规划器一起使用，该轨道规划器为起重吊钩位置提供可由C3区别的参考轨道。起重机小车位置能够根据式(130)添加到动态系统，其中得出系统
Figure BDA00028645316700004412
其中，
Figure BDA00028645316700004413
使得平面输出变量是
Figure BDA0002864531670000451
其对应于线性的下降情况的吊钩位置。状态和输入能够由平面输出及其导数进行代数参数化，即
Figure BDA0002864531670000452
为
Figure BDA0002864531670000453
Figure BDA0002864531670000454
其中，可以根据z的规划轨迹对参考状态的和名义输入设置信号进行代数计算。设定位置的变化表明额定误差能够保持接近零，因此来自控制器K的反馈信号ujb明显小于额定输入设置变量uff。实际上，当来自无线惯性测量装置的信号丢失时，则能够将输入设置变量设置为ufb＝0。
如图16所示，具有两个自由度的调节器结构能够具有轨迹规划器TP，其是用于有限导数的平面输出、输入变量Ψu和状态的参数化Ψx以及控制器K的平滑的轨迹z∈C3。

Claims (27)

1.一种起重机，特别是塔式起重机，包括：提升绳索(207)，所述提升绳索从起重机吊臂(202)延伸并承载货物承载装置(208)；驱动装置，其用于移动多个起重机元件并移动所述货物承载装置(208)；控制装置(3)，其用于控制驱动装置使得所述货物承载装置(208)沿着行进路径移动；以及摆动阻尼装置(340)，其用于抑制所述货物承载装置(208)和/或所述提升绳索(207)的摆动运动，其中，所述摆动阻尼装置(340)具有摆动传感器(60)和控制器模块(341)，所述摆动传感器用于检测和/或估计所述提升绳索(207)和/或所述货物承载装置(208)相对于竖直方向(61)的偏移
Figure FDA0002864531660000011
并且所述控制器模块具有根据所确定的偏移
Figure FDA0002864531660000012
来对所述驱动装置的控制产生影响的闭环控制回路，其特征在于，所述检测装置(60)具有：惯性测量装置(IMU)，其安装在所述货物承载装置(208)上并具有用于提供加速度和旋转速率信号的加速度和旋转速率传感装置；第一确定装置(401)，其根据所述惯性测量装置(IMU)的加速度和旋转速率信号来确定和/或估计所述货物承载装置(208)的倾斜度(εβ)；以及第二确定装置(410)，其根据所确定的货物承载装置(208)倾斜度(εβ)和货物承载装置(208)的惯性加速度(la)来确定所述提升绳索(207)和/或所述货物承载装置(208)相对于竖直方向(61)的偏移(εβ)。
2.根据前一权利要求所述的起重机，其中，所述第一确定装置(401)具有补充滤波器(402)，所述补充滤波器具有用于对所述惯性测量装置(IMU)的旋转速率信号进行滤波的高通滤波器(403)和用于对所述惯性测量装置(IMU)的加速度信号或从其得到的信号进行滤波的低通滤波器(404)，所述补充滤波器(402)被设计用来使货物承载装置(208)的基于经高通滤波的旋转速率信号的、基于旋转速率的倾斜度的估计值(εβ，ω)与所述货物承载装置(208)的基于经低通滤波的加速度信号的、基于加速度的倾斜度的估计值(εβ，a)相互结合，并根据所述货物承载装置(208)的经结合的基于旋转速率和加速度的倾斜度(εβ，ω；εβ，a)的估计值来确定所述货物承载装置(208)的所需倾斜度(εβ)。
3.根据前一权利要求所述的起重机，其中，所述所述货物承载装置(208)的基于旋转速率的倾斜度估计值(εβ，ω)包括所述经过高通滤波的旋转速率信号的积分，以及/或者，所述货物承载装置(208)的基于加速度的倾斜度估计值(εβ，a)建立在测得的水平加速度(kax)与测得的竖直加速度(kaz)的商的基础上，根据所述商，从关系式
Figure FDA0002864531660000021
中获得基于加速度的倾斜度估计值(εβ，a)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述第二确定装置(410)具有滤波器装置和/或观察器装置，所述滤波器装置和/或观察器装置考虑将所确定的货物承载装置(208)的倾斜度(εβ)作为输入变量，并且根据所述货物承载装置(208)上的惯性加速度(la)来确定所述提升绳索(207)和/或所述货物承载装置(208)相对于竖直方向(61)的偏移
Figure FDA0002864531660000022
5.根据前一权利要求所述的起重机，其中，所述滤波器装置和/或观察器装置包括卡尔曼滤波器(Kalman-Filter)(411)，特别是扩展的卡尔曼滤波器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述第二确定装置(410)具有计算装置，所述计算装置用于根据水平惯性加速度(lax)和重力加速度(g)的商来计算所述提升绳索(207)和/或所述货物承载装置(208)相对于竖直方向(61)的偏移(β)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述惯性测量装置(IMU)具有用于将测量信号和/或从所述测量信号得到的信号无线传输至接收器的无线通信模块，其中，通信模块和所述接收器优选地能够经由WLAN连接相互连接，并且所述接收器安装在起重机小车上，所述提升绳索从所述起重机小车上穿过。
8.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，在所述货物承载装置(208)上设置有至少一个用于提升绳索(207)的滑轮，在所述滑轮上耦合有用于产生电能的发电机，所述电能能够被馈送到存储器中，所述储存器为所述惯性测量装置提供电能。
9.根据前一权利要求所述的起重机，其中，所述检测装置(60)还具有成像传感器装置(62)，特别是相机，所述传感装置在提升绳索(207)的，尤其是在起重机小车(206)的悬挂点的区域中基本上竖直向下看，其中，设置有图像评估装置(64)，所述图像评估装置用来相对于货物承载装置(208)在所提供的图像中的位置来评估由成像传感器装置提供的图像，并用来确定所述货物承载装置(208)和/或所述提升绳索(207)相对于竖直方向(61)的偏移
Figure FDA0002864531660000031
和/或相对于竖直方向的偏移速度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述摆动阻尼装置(340)具有用于检测所述起重机的结构部件自身的变形和/或动态运动结构动力传感器(342)，并且所述摆动阻尼装置(340)的控制器模块(341)被配置为：在影响驱动装置的控制时要考虑摆动传感器(60)的摆动信号和反馈到所述控制回路的结构动力信号二者，所述结构动力信号指示结构部件的变形和/或动力内部运动。
11.根据前一权利要求所述的起重机，其中，所述控制器模块(341)具有二自由度控制结构，以及/或者除了所述闭环控制回路之外，所述控制器模块还具有用于对所述驱动装置的设置信号进行干预控制的干预控制模块(350)。
12.根据前一权利要求所述的起重机，其中，所述干预控制模块(350)被配置为微分平面度模型。
13.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述干预控制模块(350)被配置为在不考虑所述摆动传感器(60)的摆动信号和所述结构动力传感器(342)的结构动力信号的情况下执行所述干预控制。
14.根据前述权利要求11至13中任一项所述的起重机，其中，所述干预控制模块(350)设置有
-带阻滤波器装置(353)，所述带阻滤波器装置用于对传输到干预控制模块的输入信号进行滤波，所述带阻滤波器装置被配置为消除能够从所述输入信号中激发的结构动力学的固有频率，以及/或者
-轨迹规划模块(351)，以及/或者
-设置值滤波器模块(352)，所述设置值滤波器模块用于根据货物承载装置的预定的设置值来确定货物承载装置位置的给定曲线及其时间导数。
15.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述带阻滤波器装置(353)一侧设置在所述轨迹规划模块(351)或所述设置值滤波器模块(352)，另一侧设置所述干预控制模块(350)。
16.根据前述权利要求10至15中任一项所述的起重机，其中，所述控制器模块(341)具有控制模型，所述控制模型将起重机的结构动力学划分为相互独立的部分，其包括至少一个枢转动力学部分和至少一个径向动力学部分，所述枢转动力学部分考虑了关于使吊臂(202)围绕竖直的起重机枢转轴枢转的结构动力学，所述径向动力学部分考虑了平行于与所述吊臂平行的竖直平面的结构动力学。
17.根据前述权利要求10至16中任一项所述的起重机，其中，所述结构动力传感器装置(342)至少具有：
-径向动力学传感器，其用于检测起重机结构在竖直的、与起重机吊臂(202)平行的平面中的动力学运动，以及
-枢转动力学传感器，其用于检测起重机结构围绕竖直的起重机枢转轴线，尤其是围绕塔轴线(205)的动力学运动，
并且所述摆动阻尼装置(340)的控制器模块(341)被设计成根据所检测到的起重机结构在竖直的、与所述吊臂平行的平面中的动力学运动以及所检测到的起重机结构围绕立式的起重机旋转轴线的动力学运动来影响对驱动装置的控制，尤其是影响对小吊车驱动装置和旋转机构驱动装置的控制。
18.根据前述权利要求10至17中任一项所述的起重机，其中，所述结构动力学传感器装置(342)进一步：
-具有提升动力学传感器，其于检测所述起重机吊臂(202)的竖直动力学变形，并且所述摆动阻尼装置(340)的控制器模块(341)设计用于根据检测到的起重机吊臂(202)的竖直动力学变形来影响对驱动装置的控制，尤其是影响对提升机构驱动装置的控制，以及/或者
-被配置为，确定承载所述起重机吊臂的起重机塔(201)和/或所述起重机吊臂(202)的动力学扭转，并且所述摆动阻尼装置(340)的控制器模块(341)被配置为根据检测到的所述吊臂(202)和/或所述起重机塔(201)的动力学扭转来影响对驱动装置的控制，以及/或者
-被配置为，对其固有频率位于预定的频率范围内的起重机吊臂(202)和/或起重机塔(201)的动力学扭转的所有固有模式进行检测，其中，结构动力学传感器系统(342)具有与塔的固有摆动的节点间隔布置的用以检测塔扭转的至少一个塔传感器，优选地多个塔传感器，并且具有与塔的固有摆动的节点间隔布置的用以检测吊臂扭转的至少一个吊臂传感器，优选地多个吊臂传感器。
19.根据前述权利要求10至18中任一项所述的起重机，其中，所述结构动力学传感器(342)具有应变计和/或加速度计和/或旋转速率传感器，尤其是陀螺仪形式的应变计和/或加速度计和/或旋转速率传感器，所述应变计和/或加速度计和/或旋转速率传感器用于检测起重机的结构部件自身的变形和/或动力学运动，其中，所述加速度计和/或旋转速率传感器优选地被配置为检测三个轴。
20.根据前述权利要求所述的起重机，其中，所述结构动力学传感器装置(344)具有用于检测塔动力学变形的至少一个旋转速率传感器和/或加速度计和/或应变计、用于检测吊臂动力学变形的至少一个旋转速率传感器和/或加速度计和/或应变计。
21.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述控制器模块(341)具有滤波器装置和/或观察器装置(345)，所述滤波器装置和/或观察器装置影响用于控制所述驱动装置的驱动控制器(347)的设置变量，其中，所述滤波器装置和/或观察器装置(345)被配置为一方面接收所述驱动控制器(347)的设置变量，另一方面接收所述摆动传感器(60)的摆动信号和/或反馈到控制回路的结构动力学信号作为输入信号，所述结构动力学信号指示结构部件自身的变形和/或动力学运动，并且根据具体控制器设置变量获得的起重机元件的动态感应运动和/或结构部件的变形来影响控制器的设置变量。
22.根据前述权利要求所述的起重机，其中，所述滤波器装置和/或观察器装置(345)被配置为卡尔曼滤波器(346)。
23.根据前述权利要求所述的起重机，其中，在所述卡尔曼滤波器(346)中实现检测和/或估计和/或计算和/或模拟函数，所述函数表征起重机的结构部件的动力学特性。
24.根据前述权利要求中任一项所述的起重机，其中，所述控制器模块(341)被设计成根据由负载质量(mL)、提升绳索长度(l)、起重机小车位置(Xtr)和伸出长度构成的参数组中的至少一个参数的变化跟踪和调整至少一个控制参数，特别是控制增益。
25.一种用于控制起重机，特别是塔式起重机的方法，所述起重机的货物承载装置(208)安装在提升绳索(207)并通过驱动装置来移动，所述驱动装置由所述起重机的控制装置(3)控制，其中，所述驱动装置的控制受到摆动阻尼装置(340)的影响，所述摆动阻尼装置包括具有根据摆动相关参数的闭环控制回路的控制器模块(341)，其特征在于，测量装置(IMU)安装在起重吊钩处并具有加速度和旋转速率传感器，提供指示所述起重吊钩处的旋转速率和平移加速度的加速度和旋转速率信号并将所述信号无线传输至控制器模块，其中，根据所述惯性测量装置(IMU)的加速度和旋转速率信号确定所述货物承载装置(208)的倾斜度(εβ)，然后根据所确定的所述货物承载装置的倾斜度(εβ)和所述货物承载装置(208)的惯性加速度(la)来确定所述提升绳索(207)和/或所述货物承载装置(208)相对于竖直方向(61)的偏移(β)，并将其反馈到闭环控制回路。
26.根据前一权利要求所述的方法，其中，相对于三个空间轴线来确定指示所述起重吊钩处的平移加速度的加速度信号，并且相对于至少两个轴线来检测反映所述起重吊钩处的旋转速率的旋转速率信号，其中，将所述加速度信号和所述旋转速率信号反馈到补充滤波器(402)，所述补充滤波器具有用于对惯性测量装置(IMU)的旋转速率信号进行滤波的高通滤波器(403)以及具有用于对惯性测量装置(IMU)的加速度信号或从其得到的信号进行滤波的低通滤波器(404)，其中，通过所述补充滤波器(402)使所述货物承载装置(208)的基于经高通滤波的旋转速率信号的的基于旋转速率的倾斜度(εβ，ω)的估计值与所述货物承载装置(208)的基于经低通滤波的加速度信号的基于加速度的倾斜度(εβ，a)的估计值相互结合，并且根据货物承载装置(208)的经结合的基于旋转速率和加速度的倾斜度(εβ，ω；εβ，a)的估计值来确定货物承载装置(208)的所需倾斜度。
27.根据前述两项权利要求中任一项所述的方法，其中，将所确定的货物承载装置(208)的倾斜度(εβ)作为输入变量传输给滤波器和/或观察器装置，并且根据所述货物承载装置(208)处的惯性加速度(la)来确定所述提升绳索(207)和/或所述货物承载装置(208)相对于竖直方向(61)的偏移
Figure FDA0002864531660000071
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