CN113148845A - 起重机防摇摆控制方法及采用此方法的起重机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种起重机防摇摆控制方法,步骤如下:吊装台,用于吊装货物;运动控制器,用于控制吊装台的速度;控制系统,与吊装台电性连接,以控制吊装台的运动;步骤如下:步骤S1:吊装货物,并采集与货物的运动相关的参数,以用于计算货物的单摆周期Tm;步骤S2:吊装台和货物的初始速度为V0,操作员通过运动控制器控制吊装台加速至V1;步骤S21:控制系统控制吊装台由V0加速至V2,其中V2趋近于(V1+V0)/2;步骤S22:吊装台在V2的速度下保持匀速运动,货物进行单摆运动;步骤S23:货物单摆至最低点的速度趋近于V1,控制系统控制吊装台由V2加速至V1;步骤S3:吊装台在V1的速度下,匀速运输货物;步骤S4:减速阶段运送货物,与步骤S2同理,加速度方向相反。
Description
技术领域
本发明涉及起重机控制领域,特别是涉及起重机防摇摆控制方法及采用此方法的起重机。
背景技术
起重机在工厂、矿山、港口、水电站、建筑、桥梁等领域的应用在不断拓展,一些大质量、高精度吊物需要平稳的进行搬运、装卸,为提高作业效率和保证关键零件的安全性,对回转防摇摆控制就显得尤为重要。
然而在起重机的作业过程中,由于回吊装台的加减速和负载的提升动作以及风、摩擦引起的扰动等会引起负载来回摆动,这不但增加了事故发生的可能性,而且严重影响了生产作业效率的提高。虽然依靠起重机操作员的实际操作经验可以实现货物的安全运输和定位卸货,但由于熟练起重机操作员的训练周期长和工作强度大等原因,使得工作效率的提高受到很大限制。
现有的吊载作业中,过分依赖起重机操作员的经验,熟练起重机操作员的训练周期长。从概率上来说,仅依靠起重机操作员的经验,实际平稳性远低于控制系统,工作效率可大幅提升。
当前已经存在部分通过控制算法减摆的技术,但是这些技术对初始条件和运动过程的要求比较苛刻,通常需要确定起重机吊载运行过程中的起点、终点、速度及加速度才能实现吊载的稳定,即起重机的稳勾减摆算法仅仅针对特定初始条件,在特定的运动状态下才能够实现稳定吊载,外界条件的变化对稳勾效果的影响巨大,即现有稳勾技术仅仅适用于自动的,已经规划好路径的吊载方式,不适用于有操作人员操控的方式。
然而,在目前的吊载作业过程中,人的操控和干预是不可避免的。现有操作需要操作人员确定起吊位置和放置位置,同时在吊载过程中控制运动状态,包括运动的速度和加速度,以及在过程避让障碍物。这些都是在吊载过程中产生摇摆的重要因素。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提出起重机防摇摆控制方法及采用此方法的起重机,能够解决对操作员经验的过分依赖性,从而大幅度的提高工作效率。
本发明还提出一种采用上述起重机防摇摆控制方法的起重机。
根据本发明第一方面实施例的起重机防摇摆控制方法,包括:吊装台,用于吊装货物;运动控制器,用于控制所述吊装台的速度;控制系统,与所述吊装台电性连接,以控制所述吊装台的运动;步骤如下:步骤S1:吊装所述货物,并采集与所述货物的运动相关的参数,以用于计算所述货物发生单摆时的运动周期Tm;步骤S2:所述吊装台和所述货物的初始速度为V0,操作员通过所述运动控制器控制所述吊装台加速至V1;步骤S21:所述控制系统控制所述吊装台由V0加速至V2,其中V2趋近于(V1+V0)/2;步骤S22:所述吊装台在V2的速度下保持匀速运动,所述货物进行单摆运动;步骤S23:所述货物单摆至最低点的速度趋近于V1,所述控制系统控制所述吊装台由V2加速至V1;步骤S3:所述吊装台在V1的速度下,匀速运输所述货物;步骤S4:所述吊装台和所述货物的初始速度为V1,操作员控制所述吊装台减速至V3;步骤S41:所述控制系统控制所述吊装台由V1减速至V4,其中V4趋近于(V1+V3)/2;步骤S42:所述吊装台在V4的速度下保持匀速运动,所述货物进行单摆运动;步骤S43:所述货物单摆至最高点的速度趋近于V3,所述控制系统控制所述吊装台由V4减速至V3。
根据本发明实施例的起重机防摇摆控制方法,至少具有如下有益效果:
1.通过控制系统减少货物的摇摆,提高货物的运输效率;
2.货物在运输过程中跟随操作员的操作进行运动,更符合操作员的操控习惯;
3.简化了起重机的操作步骤,使得操作员在操作时更加方便,更易上手,降低对操作员的经验要求;
4.通过控制系统对货物进行辅助,可以更好的保证货物的运输时的安全性,减少由于操作员的经验不足导致的不安全因素。
根据本发明的一些实施例,在步骤S21中,所述吊装台的加速过程为匀加速。
根据本发明的一些实施例,在步骤S23中,所述吊装台的加速过程为匀加速。
根据本发明的一些实施例,步骤S24:包括多个采样周期Ts,采样周期Ts为步骤S21至步骤S23所用的时间,在第n次采样周期结束时,其中n≥1,采集操作员的输入速度V输入n,及所述吊装台的实际速度V实际n,在第n+1次采样周期内,重复步骤S21至步骤S23,将所述吊装台由V实际n加速至V输入n,即V实际n+1=V输入n。
根据本发明的一些实施例,在步骤S41中,所述吊装台的减速过程为匀减速。
根据本发明的一些实施例,在步骤S43中,所述吊装台的减速过程为匀减速。
根据本发明的一些实施例,步骤S44:包括多个采样周期Ts,采样周期Ts为步骤S41至步骤S43所用的时间,在第n次采样周期结束时,其中n≥1,采集操作员的输入速度V输入n,及所述吊装台的实际速度V实际n,在第n+1次采样周期内,重复步骤S41至步骤S43,将所述吊装台由V实际n减速至V输入n,即V实际n+1=V输入n。
根据本发明的一些实施例,在不同的采样周期内,所述吊装台的加速度大小相同或不同。
根据本发明的一些实施例,单摆周期的计算公式为T=2π^(L/g),L为所述货物至所述吊装台的吊索绳长,所述货物的单摆周期为Tm,所述控制系统的采样周期为Ts=3/4Tm。
根据本发明第二方面实施例的起重机,采用本发明第一方面实施例的起重机防摇摆控制方法。
根据本发明第二方面实施例的起重机,至少具有如下有益效果:操作员在进行起重操作时,使用更加简单,且移动更加稳定,并能大幅度提高效率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为本发明实施例起重机防摇摆控制方法的加速过程原理的示意图;
图2为本发明实施例起重机防摇摆控制方法的流程图;
图3为直接加速后的结果图;
图4为采用控制系统介入后的结果图。
附图标记:100-吊装台;200-货物。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,涉及到方位描述,例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,若干的含义是一个或者多个,多个的含义是两个以上,大于、小于、超过等理解为不包括本数,以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中,除非另有明确的限定,设置、安装、连接等词语应做广义理解,所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
另外,本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
参照图1,在本发明的一些具体实施例中,一种起重机防摇摆控制方法,包括:
吊装台100,用于吊装货物200;
运动控制器,用于控制吊装台100的速度;
控制系统,与吊装台100电性连接,以控制吊装台100的运动;
步骤如下:
步骤S1:吊装货物200,并采集与货物200的运动相关的参数,以用于计算货物200发生单摆时的运动周期Tm;
步骤S2:吊装台100和货物200的初始速度为V0,操作员通过运动控制器控制吊装台100加速至V1;
步骤S21:控制系统控制吊装台100由V0加速至V2,其中V2趋近于(V1+V0)/2;
步骤S22:吊装台100在V2的速度下保持匀速运动,货物200进行单摆运动;
步骤S23:货物200单摆至最低点的速度趋近于V1,控制系统控制吊装台100由V2加速至V1;
步骤S3:吊装台100在V1的速度下,匀速运输货物200;
步骤S4:吊装台100和货物200的初始速度为V1,操作员控制吊装台100减速至V3;
步骤S41:控制系统控制吊装台100由V1减速至V4,其中V4趋近于(V1+V3)/2;
步骤S42:吊装台100在V4的速度下保持匀速运动,货物200进行单摆运动;
步骤S43:货物200单摆至最高点的速度趋近于V3,控制系统控制吊装台100由V4减速至V3。
具体地,起重机吊装货物200时,首先自货物200放置点进行吊装,在吊装后,通过步骤2进行加速,使得货物200以一定速度前行,在加速完成后,通过步骤3进入匀速行驶输送货物200,最后快到达指定地点时,通过步骤4进行减速,使得货物200最终抵达指定地点。
此外,在操作员控制起重机吊装货物200时,控制系统通过传感器采集回转速度、大臂幅角、伸缩臂长及货物200至吊装台100的吊索绳长等参数,并通过采集的参数计算绳长的固有单摆周期,其单摆周期的计算公式然后操作员通过控制运动控制器,以控制吊装台100的移动,运动控制器具体可以为控制手柄或操作杆,以操作杆为例,在操作员通过控制操作杆控制吊装台100移动的过程中,操作杆相对其初始位置移动的距离,即为操作杆的开度值,控制系统可根据此操作杆的开度值计算得出操作员控制吊装台100的输出速度。
以货物200的加速过程为例,操作员控制吊装台100的输出速度为V1,吊装台100和货物200的初始速度为V0,控制系统控制吊装台100在极短时间内由V0加速至V2,其中V2=(V1+V0)/2;吊装台100在V2的速度下保持匀速运动,货物200进行单摆运动;在货物200单摆至最低点时,货物200经单摆运动加速后的速度为V1,控制系统控制吊装台100在极短时间内由V2加速至V1;使吊装台100与货物200以相同的速度沿相同方向运动,使得货物200完成无摇摆加速。
但以上过程,仅为理想状态上的运动过程,在实际使用过程中,会存在一定的误差,故当V2趋近于(V1+V0)/2也可近似达到防摇摆的目的;同理,货物200单摆至最低点时,吊装台100在极短时间内加速至与V1相同,是最理想的状态,而理论上,只要在货物200单摆过程中,将吊装台100的速度加速至V1,均能起到一定的防摇摆作用,但在货物200单摆至最低点附近时,所起到的防摇摆效果最好。
货物200的减速阶段与加速阶段的原理相同,仅加速度方向相反,在此不在进行赘述。
而通过控制系统减少货物200的摇摆,提高了货物200的运输效率;货物200在运输过程中跟随操作员的操作进行运动,更符合操作员的操控习惯;简化了起重机的操作步骤,使得操作员在操作时更加方便,更易上手,降低对操作员的经验要求;通过控制系统对货物200进行辅助,可以更好的保证货物200的运输时的安全性,减少由于操作员的经验不足导致的不安全因素。
在本发明的一些具体实施例中,在步骤S21中,吊装台100的加速过程为匀加速。在步骤S23中,吊装台100的加速过程为匀加速。以减少货物200的摇摆,使得货物200与吊装台100始终保持相近的速度,从而减少摇摆的幅度,且更方便实际控制计算。
参照图2,在本发明的一些具体实施例中,步骤S24:包括多个采样周期Ts,采样周期Ts为步骤S21至步骤S23所用的时间,在第n次采样周期结束时,其中n≥1,采集操作员的输入速度V输入n,及吊装台100的实际速度V实际n,在第n+1次采样周期内,重复步骤S21至步骤S23,将吊装台100由V实际n加速至V输入n,即V实际n+1=V输入n。
操作员的输入速度V输入n是指操作员通过运动控制器控制吊装台加减速所要达到的速度,相当于步骤2中提及的V1。
具体地,通过重复步骤S21至步骤S23,使货物200以叠加防摇摆运动进行加速,使得货物200摇摆的幅度更小。并且每一采样周期内的速度变化均是根据操作员控制速度的变化而变化,使吊装台100及货物200的速度均在操作员的控制下进行运动,更符合操作员的使用习惯,也更方便操作员对吊装台100进行控制。
在本发明的一些具体实施例中,在步骤S41与步骤S43中,吊装台100的减速过程为匀减速。其减速过程与加速过程原理相同,仅方向相反,在此不再进行赘述。
参照图2,在本发明的一些具体实施例中,步骤S44:包括多个采样周期Ts,采样周期Ts为步骤S41至步骤S43所用的时间,在第n次采样周期结束时,其中n≥1,采集操作员的输入速度V输入n,及吊装台100的实际速度V实际n,在第n+1次采样周期内,重复步骤S41至步骤S43,将吊装台100由V实际n减速至V输入n,即V实际n+1=V输入n。其原理及效果均与加速过程的原理及效果相同,仅方向相反,在此不再进行赘述。
在本发明的一些具体实施例中,在不同的采样周期内,吊装台100的加速度大小相同或不同。
具体地,在操作员控制吊装台100加减速的过程中,当操作员每次控制吊装台100加减速的幅度不一致时,导致吊装台100在不同采样周期内,吊装台100的加速度大小并不同,例如,当操作员控制幅度变大导致吊装台100速度变化过大时,根据速度变化的大小,对采样周期内的加速度进行调整,通过调整加速度的大小,使得吊装台100能够及时跟随操作员控制速度的变化而变化。而操作员能够稳定的对速度进行调整时,吊装台100的加速度可保持不变。使得操作员在使用时更加方便,更符合操作员的操作习惯。
具体地,首先在采样周期开始读取货物200至吊装台100的吊索绳长L、手柄开度值、回转速度等数值,根据单摆周期公式计算得出单摆周期时间为Tm,从而设置下次采样间隔时间为Ts=3/4Tm。通过设置Ts=3/4Tm,货物200通过单摆运动回到起点位置所需的时间即为货物200的单摆运动周期,所以在1/4Tm时,货物200刚好位于单摆运动的最低点,充分利用时间,提高加速的效率。
根据本发明第二方面的实施例:一种起重机,采用本发明第一方面实施例的起重机防摇摆控制方法。使得操作员在进行起重操作时,使用更加简单,且移动更加稳定,并能大幅度提高效率。
下面以绳长16.4m,单摆周期8s,最大速度360mm/s为例:
图3为直接加速后的结果图;
图4为采用控制系统介入后的结果图。
由结果可看出在采用控制系统进行介入后,货物200的摇摆幅度有了极大地降低。
下面参照图1和图2以一个具体实施例详细描述根据本发明的起重机防摇摆控制方法。值得理解的是,以下描述仅是示例性说明,而不是对本发明的具体限制。
以开始吊装货物200,并对货物200进行加速为例,操作员通过吊装台100控制起重机吊装货物200,吊装完成后,控制系统采集绳长参数,并根据单摆周期公式计算得出单摆周期Tm,且采样周期设置为Ts=3/4Tm,操作员控制手柄进行加速,并通过手柄开度值计算得出输入的速度值为Vin,控制系统每隔一个Ts对Vin进行采样,采样个数为n,时间为t,吊装台100实际的输出速度为Vout,当n=0、t=0,且操作员控制手柄进行加速时,进入第一个采样周期,将采样周期分成3等份,其时间节点依次为t01、t02、t03,其中t01代表的时间节点为1/3Ts、t02代表的时间节点为2/3Ts,t03代表的时间节点为Ts,其具体过程如下:
在0<t≤t01时,吊装台100跟随手柄进行实时加速,根据手柄开度值计算得出输入的速度值为Vin(t),吊装台100实际的输出速度为Vout(t)=Vin(t),在t=t01时,Vout(t01)=Vin(t01);
在t01<t≤t02时,吊装台100进入匀速运动,Vout(t)=Vout(t01)=Vin(t01),在t=t02时,Vout(t02)=Vin(t01);
在t02<t≤t03时,吊装台100进行匀加速,且加速度大小为{Vout(t01)-Vout(t=0)}/(1/3Ts),Vout(t)=Vout(t02)+{Vout(t01)-Vout(t=0)}/(1/3Ts)*(t-2/3Ts),在t=t03时,Vout(t03)=2Vin(t01),根据手柄开度值计算得出输入速度值为Vin(t03)。
其中Vout(t=0)为t=0时货物200的速度。而在t02<t≤t03这一阶段中,吊装台100并未跟随手柄开度值进行变化,而是采用与在0-1/3Ts时间内的平均加速度相同的加速度进行匀加速,此时Vout(t03)不一定等于输入速度值Vin(t03)。
最后输出n=n+1。
然后进入第二个采样周期,此时n=1,同样将采样周期分成3等份,其时间节点依次为tn1、tn2、tn3,其中tn1代表的时间节点为(n+1/3)Ts、tn2代表的时间节点为(n+2/3)Ts,tn3代表的时间节点为(n+1)Ts,因n=1故tn1=t11、tn2=t12、tn3=t13,将第一采样阶段最后的输入速度Vin(t03)作为第二采样阶段吊装台100须达到的目标速度,第一采样阶段最后的输出速度Vout(t03)为吊装台100的实际初速度,故需在第二采样阶段内将吊装台100的速度由Vout(t03)加速至Vin(t03),其具体过程如下:
在Ts<t≤t11时,吊装台100进行匀加速,加速度为{Vin(t(n-1)3)-Vout(t(n-1)3)}/{2*(1/3Ts)},Vout(t)=Vout(t(n-1)3)+(t-nTs)*{Vin(t(n-1)3)-Vout(t(n-1)3)}/{2*(1/3Ts)},在t=t11时,Vout(t11)={Vin(t03)+Vout(t03)}/2;
在t11<t≤t12时,吊装台100进入匀速运动,Vout(t)=Vout(t11),在t=t12时,Vout(t12)=Vout(t11);
在t12<t≤t13时,吊装台100进行匀加速,加速度为{Vin(t(n-1)3)-Vout(t(n-1)3)}/{2*(1/3Ts)},Vout(t)=Vout(t12)+{t-(n+2/3)Ts}*{Vin(t(n-1)3)-Vout(t(n-1)3)}/{2*(1/3Ts)},在t=t13时,Vout(t13)=Vin(t03),根据手柄开度值计算得出输入速度值为Vin(t13)。
将Vin(t13)作为下一周期吊装台100须达到的目标速度。
最后输出n=n+1。此时,吊装台100的实际速度滞后操作员控制速度一个采样周期。
在进入第三个采样周期及其以后的周期,将重复第二采样周期的具体步骤。
而在出现Vin(tn3)=Vout(tn3)时,即货物保持匀速行驶或静止时,此时输入信号n=0,n1=n1+1,t=0,并一直重复采集集输入信号,直至n1>1000时,结束整个流程。控制系统设定的扫描周期为十毫秒,在n1=1000时,时间大概相当于10秒钟,也就是说当操作员控制吊装台100保持匀速行驶或静止达到10秒钟后,结束流程。而当操作员重新进行加速或减速操作时,重新开始整个流程。
在现有的全自动化的稳钩方法中,其全自动化稳钩必须在固定的路线下使用,难以及时变通。而纯粹的人工驾驶,想实现货物200的防摇摆运动,对操作员有较高的经验要求,新人难以通过培训即可胜任。而通过本发明的控制方法,在实际使用时,吊装台100可以跟随操作员的控制速度的变化而变化,使用更加灵活方便,并且其变化过程中仍能够进行防摇摆运动,更贴近操作员的实际驾驶习惯,简化了起重机的操作步骤,使得操作员在操作时更加方便,更易上手,降低对操作员的经验要求,即使是新人在通过培训后也能熟练的使用起重机。
当然,本发明并不局限于上述实施方式,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换,这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种起重机防摇摆控制方法,其特征在于,包括:
吊装台,用于吊装货物;
运动控制器,用于控制所述吊装台的速度;
控制系统,与所述吊装台电性连接,以控制所述吊装台的运动;
步骤如下:
步骤S1:吊装所述货物,并采集与所述货物运动相关的参数,以用于计算所述货物发生单摆时的运动周期Tm;
步骤S2:所述吊装台和所述货物的初始速度为V0,操作员通过所述运动控制器控制所述吊装台加速至V1;
步骤S21:所述控制系统控制所述吊装台由V0加速至V2,其中V2趋近于(V1+V0)/2;
步骤S22:所述吊装台在V2的速度下保持匀速运动,所述货物进行单摆运动;
步骤S23:所述货物单摆至最低点的速度趋近于V1,所述控制系统控制所述吊装台由V2加速至V1;
步骤S3:所述吊装台在V1的速度下,匀速运输所述货物;
步骤S4:所述吊装台和所述货物的初始速度为V1,操作员控制所述吊装台减速至V3;
步骤S41:所述控制系统控制所述吊装台由V1减速至V4,其中V4趋近于(V1+V3)/2;
步骤S42:所述吊装台在V4的速度下保持匀速运动,所述货物进行单摆运动;
步骤S43:所述货物单摆至最高点的速度趋近于V3,所述控制系统控制所述吊装台由V4减速至V3。
2.根据权利要求1所述的起重机防摇摆控制方法,其特征在于:在步骤S21中,所述吊装台的加速过程为匀加速。
3.根据权利要求1或2所述的起重机防摇摆控制方法,其特征在于:在步骤S23中,所述吊装台的加速过程为匀加速。
4.根据权利要求2所述的起重机防摇摆控制方法,其特征在于:步骤S24:包括多个采样周期Ts,采样周期Ts为步骤S21至步骤S23所用的时间,在第n次采样周期结束时,其中n≥1,采集操作员的输入速度V输入n,及所述吊装台的实际速度V实际n,在第n+1次采样周期内,重复步骤S21至步骤S23,将所述吊装台由V实际n加速至V输入n,即V实际n+1=V输入n。
5.根据权利要求1所述的起重机防摇摆控制方法,其特征在于:在步骤S41中,所述吊装台的减速过程为匀减速。
6.根据权利要求1或5所述的起重机防摇摆控制方法,其特征在于:在步骤S43中,所述吊装台的减速过程为匀减速。
7.根据权利要求5所述的起重机防摇摆控制方法,其特征在于:步骤S44:包括多个采样周期Ts,采样周期Ts为步骤S41至步骤S43所用的时间,在第n次采样周期结束时,其中n≥1,采集操作员的输入速度V输入n,及所述吊装台的实际速度V实际n,在第n+1次采样周期内,重复步骤S41至步骤S43,将所述吊装台由V实际n减速至V输入n,即V实际n+1=V输入 n。
8.根据权利要求4或7所述的起重机防摇摆控制方法,其特征在于:在不同的采样周期内,所述吊装台的加速度大小相同或不同。
10.一种起重机,其特征在于:采用权利要求1至9任一项所述的起重机防摇摆控制方法。
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