CN113023570A - 悬挂式起重机的控制装置以及逆变器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种悬挂式起重机的控制装置以及逆变器装置，其不使用光学式传感器而通过简单的模拟就能够使止摆控制成为可能，在将自小车(1)由绳索(3)悬挂的悬吊物(4)通过驱动小车或者大梁(2)来进行搬运的悬挂式起重机的控制装置中，包括：起重机模拟器部(11A)，其使用小车的速度指令、绳索的长度、速度响应时间常数以及重力加速度对悬吊物的摆角推定値和小车的速度推定値进行模擬；止摆控制部(12)，其使用对小车的速度指令、摆角推定値、速度推定値、悬吊物的固有角频率、以及阻尼系数，生成抑制悬吊物的摆动的速度校正信号；以及加法单元(13)，其使速度校正信号与速度指令相加，利用校正后的速度指令驱动小车。

Description

悬挂式起重机的控制装置以及逆变器装置

技术领域

本发明涉及一种例如在港湾、炼铁厂以及各种工厂等中使用的、使小车横向移动来进行装卸作业的悬挂式起重机的控制装置以及包括该控制装置的逆变器装置，具体而言，涉及一种用于在抑制自小车由绳索、金属丝等支承部件悬挂的悬吊物的摆动的同时，将其搬运至目标位置的控制技術。

背景技术

一般来说，在使用悬挂式起重机的装卸作业中，优选使悬吊物在短时间内正确到达目标位置，同时理想来说进行止摆控制使得小车的加减速中或停止时的悬吊物的摆角为零。

作为进行该种止摆控制的现有技术，近年来，如下所述采用使用了计算机的电气式止摆控制。

电气式止摆控制中，具有如下两种方式：演算小车的加减速结束时使悬吊物的摆动为最小的速度指令(速度模式)来控制小车的第一方式；以及将悬吊物的摆角反馈至小车的驱动系统来控制小车的第二方式。

作为第一方式的现有技术，公知有例如专利文献1中记载的止摆控制装置。

图11是该止摆控制装置的框图，包括：输入装置101，其输入作为行进条件的用于支承悬吊物124的绳索123的长度l、后述小车122的行进距离L、最大加速度α_max以及最大速度V_max；速度模式生成部102，其使用上述行进条件和规定的运动方程式、以及边界条件或约束条件来生成多个速度模式1～N；摆角演算部105，其分别生成与速度模式1～N对应的悬吊物124(绳索123)的摆角演算値1～N；评价基准演算部106，其基于自速度模式生成部102输出的加速度、加速度变化量、加速度切换时刻等以及自摆角演算部105输出的摆角θ(摆角演算値1～N)来评价速度模式1～N，选择在最小的摆角θ下能够以最短时间到达目标位置的速度模式；速度模式选择部103，其基于自评价基准演算部106输出的选择信号来选择规定的速度模式；速度指令产生部104，其按照速度模式生成速度指令V_d；速度控制装置110，其按照速度指令V_d来驱动小车装置120。

这里，速度控制装置110包括补偿器111、增幅器112、电动机113以及速度检测器114，小车装置120由被电动机113驱动的齿轮机构121、小车122、绳索123以及悬吊物124构成。

在图11的止摆控制装置中，如图12所示，例如在速度模式1～4中，除了在加速区间和减速区间之间具有定速区间(t₁～t₂)的简单的速度模式1之外，还具有在加速区间内、减速区间内设有定速区间的速度模式2以及在加速区间内、减速区间内重复加减速的速度模式3，4。

接下来，图13是专利文献2中记载的止摆控制装置的框图，相当于上述第二方式的现有技术。

图13中，自直线指令器201输出的斜坡状的速度指令N_RF0被输入阻尼控制部202，其与速度指令校正信号N_RFDF的相加结果作为最终的速度指令N_RF2被输出。为了消除该速度指令N_RF2与电动机的速度反馈信号N_MFB的偏差，速度控制器203工作且生成转矩指令T_RF，经由转矩控制器204的电动机转矩T_M与来自负载模型209的负载转矩T_L的偏差由电动机机械常数205转换为电动机速度N_M。该电动机速度N_M通过速度检测滤波器206转换成所述速度反馈信号N_MFB，并且该电动机速度N_M被输入摆角模型207来演算悬吊物的摆角θ，该摆角θ被输入负载模型209。

而且，上述摆角θ通过摆角检测器208转换为摆角信号θ_E，被输入阻尼控制部202。

在阻尼控制部202中，从速度指令N_RF0中减去使用摆角信号θ_E、小车行进速度V_R、固有角频率ω_E、重力加速度g以及阻尼系数δ的演算结果，从而求得速度指令N_RF1。该速度指令N_RF1和速度反馈信号N_MFB的偏差输出至包括止摆控制增益G的PI调节器，求得速度指令校正信号N_RFDF，通过将该校正信号N_RFDF与速度指令N_RF0相加来演算上述速度指令N_RF2。通过上述操作，速度指令N_RF2受到与摆角θ以及阻尼系数δ相应的阻尼影响，从而能够抑制悬吊物的摆动。

并且，作为第二方式的现有技术，公知有专利文献3中记载的桥式起重机控制系统。

图14是表示控制系统的主要部分的框图。

图14中，DSP(Digital Signal Processor：数字信号处理器)300内的控制演算部301基于悬吊物的速度目标値和模型速度，对形成小车及其横向移动轨道的大梁的控制速度进行演算并输入模型演算部302以及实际控制部330。模型演算部302基于输入的控制速度、旋转编码器310以及线激光装置320的检测信息对悬吊物等的动作进行模拟，并且作为其结果将悬吊物的模型速度反馈至控制演算部301。并且，在实际控制部330中，按照控制演算部301演算的控制速度，使用于驱动小车驱动装置内的马达的逆变器运转。另外，旋转编码器310检测用于支承悬吊物的金属丝在卷绕装置中的旋转位移等，线激光装置320检测金属丝(悬吊物)的摆角、摆动周期、金属丝的长度等。

(现有技术文献)

(专利文献)

专利文献1：日本特公平2-44757号公报(第二页右栏第23行～第三页右栏第24行、第2图，第3图等)

专利文献2：日本特开平8-2877号公报([0039]、[0040]、图1等)

专利文献3：日本特开2018-2391号公报([0021]～[0025]，[0042]～[0044]、图1～图4等)

发明内容

(本发明要解决的问题)

图11、图12所示的现有技术通过所谓的前馈控制来决定摆角θ，同时速度模式1～N的条件依赖于根据绳索123的长度l而变化的固有振动频率(摆动周期)，摆角的初始值被认为是零。因此，在小车横向移动时固有振动频率变化的情况下，控制性能降低。

并且，在如图13、图14所示的现有技术中，存在如下问题：一般使用由精密且昂贵的光学式传感器(摆角检测器208和线激光装置320)所检测的摆角、摆角速度以及摆动周期等来进行反馈控制，虽然抗干扰能力强但系统整体昂贵。特别是用于进行止摆控制的演算复杂，需要DSP等昂贵的演算装置。

因此，本发明的一个课题在于，提供一种悬挂式起重机的控制装置以及包括该控制装置的逆变器装置，其能够通过使用相对廉价的PLC(Programmable Logic Controller)等的演算装置的模拟来实现止摆控制，且能够适用于已有的简易的起重机系统。

(用于解决问题的手段)

为了解决上述课题，权利要求1中的悬挂式起重机的控制装置在将自小车由支承部件悬挂的悬吊物通过驱动作为可动部的上述小车或者作为其横向移动轨道的大梁来进行搬运的悬挂式起重机的控制装置中，包括：

起重机模拟器部，其使用对于上述可动部的速度指令、上述支承部件的长度、速度响应时间常数以及重力加速度，对上述悬吊物的摆角推定値、以及上述可动部的速度推定値进行模擬演算；

止摆控制部，其使用对于上述可动部的速度指令、上述摆角推定値、上述速度推定値、上述悬吊物的固有角频率、以及阻尼系数，生成用于抑制上述悬吊物的摆动的速度校正信号；以及

校正单元，其通过上述速度校正信号来校正并输出上述速度指令，

基于自上述校正单元输出的校正后的上述速度指令来驱动上述可动部。

权利要求2的悬挂式起重机的控制装置在权利要求1记载的悬挂式起重机的控制装置中，

上述起重机模拟器部包括：

一阶迟延因子，其由对于上述可动部的速度指令生成上述速度推定値；

振动模型，其由对上述速度推定値进行积分而得的距离推定値来演算上述悬吊物的振幅；

摆角转换因子，其将上述振幅转换为上述摆角推定値。

权利要求3的逆变器装置包括：

模拟器装置，其由权利要求1或2中记载的上述起重机模拟器部、上述止摆控制部、以及上述校正单元构成；

速度调节单元，其基于自上述校正单元输出的上述速度指令来生成转矩指令；以及

逆变器控制部和主电路，其基于上述转矩指令向上述可动部的驱动装置供给电力。

(发明的效果)

根据本发明，不需要使用昂贵的光学式传感器来检测悬吊物的摆角，能够通过使用对小车等的可动部的速度指令和绳索等的支承部件的长度的简单的模拟来校正速度指令，从而能够实现抑制悬吊物的摆动的控制装置以及逆变器装置。

附图说明

图1是本发明的实施方式所适用的悬挂式起重机系统的概略构成图。

图2是表示图1的等效的起重机模型的图。

图3是与图2相当的简易起重机模型的框图。

图4是将图3的简易起重机模型进行等效转换后的起重机模拟器部的框图。

图5是本发明的实施方式的逆变器装置的框图。

图6是本发明的实施方式的模拟条件的说明图。

图7是表示根据本发明的实施方式将绳索长设定为固定时的模拟结果的波形图。

图8是表示根据本发明的实施方式将绳索长逐渐伸长时的模拟结果的波形图。

图9是考虑了摩擦的实际起重机模型的框图。

图10是表示忽略实际起重机模型侧的摩擦量时的、根据本发明的实施方式的模拟结果的波形图。

图11是专利文献1的止摆控制装置的框图。

图12是表示专利文献1中的小车的速度模式图。

图13是专利文献2的止摆控制装置的框图。

图14是表示专利文献3的桥式起重机控制系统的主要部分的框图。

具体实施方式

以下，参照图来说明本发明的实施方式。

图1是适用该实施方式的悬挂式起重机系统的概略构成图

图1中，小车1通过小车驱动装置6能够在大梁2之上的横向移动轨道上移动，并且，自小车1通过绳索、金属丝等的支承部件(以下，设定支承部件为绳索)3悬挂的悬吊物4能够通过升降机驱动装置5升起或放下。这里，升降机驱动装置5以及小车驱动装置6均具有马达，这些马达通过逆变器装置10运行。

另外，大梁2通过未图示的其他驱动装置能够在与直面正交的方向上移动。

图2表示与图1的起重机系统等效的起重机模型。

图2中，M是小车1的重量，m是包括挂钩等的悬吊物4的重量，l是绳索3的长度、θ是悬吊物4(绳索3)的摆角。并且，x是小车1的以0点为基准位置的移动距离，y是悬吊物4的同样以0点为基准位置的移动距离，悬吊物4相对于小车1的相对移动距离、即悬吊物4的振幅用(y-x)表示。

而且，f表示作用于小车1的驱动力，d表示在妨碍驱动力f的方向上作用的干扰力。

小车1的位置不受悬吊物4的摆动影响，忽略小车1的重量M和悬吊物4的重量m，并且给予小车驱动装置6的速度指令到小车1的实际速度的速度响应近似为一阶延迟系统时，能够用图3的简易起重机模型11来表示图2的起重机模型。

图3的简易起重机模型11中，n_r是给予小车驱动装置6的速度指令，11a是距离演算模型，11b是单摆的振动模型，11c是减法单元，11d是摆角转换因子，T是速度响应时间常数、k是速度向移动距离的转换系数，g是重力加速度，l是上诉绳索3的长度，s是拉普拉斯算子。对于上述振动模型11b，能够基于例如日本特开2006-225138号公报的段落(0046)中记载的“数学式2”导出。

这里，速度指令n_r可以是与用于使小车1横向移动的直线速度、或者小车驱动装置6内的马达的旋转速度中的任一者相关的指令。

根据上述简易起重机模型11，能够通过减法单元11c求得振动模型11b的输出y与距离演算模型11a的输出x的差、即悬吊物4的振幅(y-x)，并且将该振幅(y-x)通过摆角转换模型11d转换为摆角θ。

而且，当对图3的简单起重模型11进行等效转换以取出速度推定值n_sim和偏向角推定值θ_sim，能够获得了图4的起重模拟器部11A。该起重机模拟器部11A具有通过使用速度指令n_r(或者修正后的速度指令n_r ^’)和吊索3的长度l等进行模拟来模拟演算速度推测值n_sim以及偏转角推测值θ_sim的功能。

即，在起重机模拟器部11A中，速度指令n_r通过一阶迟延因子11e转换为速度推定値n_sim并被输出。并且，速度推定値n_sim被输入积分因子11f来演算距离推定値x_sim，该距离推定値x_sim被输入振动模型11b来演算距离推定値y_sim。然后，通过减法单元11c求得距离推定値y_sim与距离推定値x_sim的差、即振幅推定値(y_sim-x_sim)，该振幅推定値(y_sim-x_sim)通过摆角转换模型11d被转换为摆角推定値θ_sim。

接下来，图5是具有上述起重机模拟器部11A的逆变器装置10的框图。

该逆变器装置10包括：模拟器装置14，其包括起重机模拟器部11A以及后述的止摆控制部12等；速度调节部(ASR)15，其由自该模拟器装置14输出的速度指令n_r ^’来演算转矩指令等；逆变器控制部和主电路16，其通过基于ASR15的输出产生的控制脉冲来使半导体开关元件接通/闭合。

上述的模拟器装置14通过例如PLC等的硬件、以及安装于该硬件的程序来实现。

自起重机模拟器部11A输出的摆角推定値θ_sim以及速度推定値n_sim被输入止摆控制部12。摆角推定値θ_sim被输入阻尼演算部12a(ω：

σ：阻尼系数)，通过减法单元12b求得来自速度变化率限制器(HLR)17的速度指令n_r与阻尼演算部12a的输出的差。并且，通过减法单元12c求得来自减法单元12b的输出与速度推定値n_sim的差，其结果乘以止摆控制增益G1来演算速度校正信号n_comp。该速度校正信号n_comp通过加法单元13与速度指令n_r相加而成为最终的速度指令n_r’，基于该速度指令n_r’来控制速度调节部15以及逆变器控制部和主电路16，由此实机的小车1被小车驱动装置6驱动。

如上所述，在起重机模拟器部11A中，只要给予速度指令n_r(或者n_r’)以及绳索长l，就能够通过使用这些参数以及速度响应时间常数T，转换系数k、重力加速度g的模拟求得摆角推定値θ_sim以及速度推定値n_sim。并且，在止摆控制部12中，能够通过使用上述的摆角推定値θ_sim和速度推定値n_sim以及阻尼系数σ、固有角频率ω和止摆控制增益G1的演算来求得速度校正信号n_comp，按照由该速度校正信号n_comp校正后的阻尼控制用的速度指令n_r’来驱动小车1，由此能够在抑制悬吊物4的摆动的同时进行搬运。

这里，发明者为了确认本实施方式的效果，在将绳索长l设定为固定(l＝15(m))的图6的条件下进行了模拟。并且，对于阻尼系数σ和止摆控制增益G1，假定无延迟地理想地发挥作用而设定为σ＝0.55，G1＝0.55，速度响应时间常数T根据机械、速度调节部15的增益而变化，但假定为T＝50(ms)。

另外，图6的模拟条件中的“大梁部”的重量M’是包括图1的小车1和大梁2的可动部整体的重量。即，该模拟是假设将小车1和大梁2作为一体的“大梁部”，并将该“大梁部”向与图1的纸面正交的方向驱动的情况，但作为止摆控制的原理与上述小车1的驱动时相同，相当于将图5的逆变器装置10的输出给予大梁部驱动装置的情况。

图7是表示基于上述条件的模拟结果的波形图，其示出了大梁部速度(相当于图5的n_r和n_r’)、大梁部驱动装置的马达转矩、悬吊物4的摆角θ以及起重机模拟器部11A的摆角推定値θ_sim。

根据图7，得到了与摆角θ基本一致的摆角推定値θ_sim，通过使用基于该摆角推定値θ_sim的校正后的速度指令n_r’运行,可知能够进行止摆。

接下来，图8表示将绳索长l自15(m)以0.05(m/s)延长时的各波形。

根据该图8，确认摆角θ在约35(s)以后存在残留摆动。如图9所示，在实际起重机模型中，认为该残留摆动是由于将静摩擦22和动摩擦23相加并反馈给转矩(推力)而考虑了摩擦分量(机械损耗)。另外，在图9中，20是摩擦模型，21是符号函数，30是包含小车和大梁的大梁部模型，40是包含绳索和悬吊物的悬吊物模型。

然后，忽略实际起重机模型侧的摩擦分量而进行模拟的结果获得了图10所示的波形。根据该图10，可知图8中存在的残留摆动基本消失，悬吊物的摆动收敛于零。

另外，如图5所示，通过将模拟器装置14、速度调节部15、逆变器控制部和主电路16内置于逆变器装置10中，能够构成单体的悬挂式起重机控制用逆变器装置，易于导入在装置的设置空间、设置环境方面易受制约的作业现场。

以上说明的本实施方式中，通过将对于悬挂式起重机系统中的由小车、大梁构成的可动部的速度指令和悬吊物的支承部件(绳索、金属丝等)的长度与规定的常数、系数一并给予基于简易起重机模型的相对简单构成的模拟器装置,能够获得可动部的速度推定値以及悬吊物的摆角推定値。然后，使用基于这些推定値进行校正的速度指令来控制可动部的速度，由此提供一种不需要昂贵的光学式传感器等的摆角检测値就能够实现悬吊物的止摆控制，并且能够容易地适用于既有的简易的起重机系统且廉价的控制装置。

并且，将上述模拟器装置、用于运行可动部驱动用的马达的速度调节部以及逆变器控制部和主电路整合为单体的逆变器装置时，与各装置、电路等各自单独构成的情况相比装置整体的小型化以及低成本化成为可能。

附图标记说明

1 小车

2 大梁

3 支承部件(绳索或者金属丝)

4 悬吊物

5 升降机驱动装置

6 小车驱动装置

10 逆变器装置

11 简易起重机模型

11A 起重机模拟器部

11a 距离演算模型

11b 振动模型

11c 减法单元

11d 摆角转换因子

11e 一阶迟延因子

11f 积分因子

12 止摆控制部

12a 阻尼演算部

12b，12c 减法单元

13 加法单元

14 模拟器装置

15 速度调节部(ASR)

16 逆变器控制部和主电路

17 速度变化率限制器(HLR)

20 摩擦模型

21 符号函数

22 静摩擦

23 动摩擦

30 大梁部模型

40 悬吊物模型

Claims (3)

1.一种悬挂式起重机的控制装置，其通过驱动作为可动部的小车或者作为其横向移动轨道的大梁，对自上述小车经由支承部件悬挂的悬吊物来进行搬运，该悬挂式起重机的控制装置包括：

起重机模拟器部，其使用对于上述可动部的速度指令、上述支承部件的长度、速度响应时间常数以及重力加速度，对上述悬吊物的摆角推定値、以及上述可动部的速度推定値进行模擬演算；

止摆控制部，其使用对于上述可动部的速度指令、上述摆角推定値、上述速度推定値、上述悬吊物的固有角频率、以及阻尼系数，生成用于抑制上述悬吊物的摆动的速度校正信号；以及

校正单元，其通过上述速度校正信号来校正并输出上述速度指令，

其中，基于自上述校正单元输出的校正后的上述速度指令来驱动上述可动部。

2.根据权利要求1所述的悬挂式起重机的控制装置，其中，

上述起重机模拟器部包括：

一阶迟延因子，其由对于上述可动部的速度指令生成上述速度推定値；

振动模型，其由对上述速度推定値进行积分而得到的距离推定値来演算上述悬吊物的振幅；以及

摆角转换因子，其将上述振幅转换为上述摆角推定値。

3.一种逆变器装置，其包括：

模拟器装置，其由权利要求1或2中记载的悬挂式起重机的控制装置中的上述起重机模拟器部、上述止摆控制部、以及上述校正单元构成；

速度调节单元，其基于自上述校正单元输出的上述速度指令来生成转矩指令；以及

逆变器控制部和主电路，其基于上述转矩指令向上述可动部的驱动装置供给电力。

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