CN113860174A - 起重机控制方法、起重机控制系统及起重机 - Google Patents

起重机控制方法、起重机控制系统及起重机 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种起重机控制方法。该控制方法包括：确定当前预设控制信号；利用历史控制信号对当前预设控制信号进行调整，以得到当前给定控制信号；输出当前给定控制信号至速度控制变频器，以使速度控制变频器利用当前给定控制信号控制驱动机构。本发明还公开了一种起重机控制装置和一种起重机。通过上述方式，本申请可抑制起重机在回转和俯仰时的摇摆。

Description

起重机控制方法、起重机控制系统及起重机
技术领域
本申请涉及控制领域，特别是涉及一种起重机控制方法、起重机控制系统及起重机。
背景技术
起重机由于具有机动性强，灵活度高、操作方便等一系列特点，已经成为了当前施工市场中的施工主力。起重机一般包括主副卷扬、伸缩结构、变幅结构以及回转结构。主副卷扬控制起重物的升起以及下放，伸缩结构控制起重臂的伸缩进出，变幅结构控制起重臂的俯仰角度，回转结构控制起重机上部分的整体转动，使得起重物水平向移动。由于起重机属于典型的欠驱动系统，欠驱动系统指的是系统的独立控制变量个数小于系统自由度个数的一类非线性系统，即输入的量比要控制的量少的系统，因此，在起重机进行回转或者俯仰的动作时，一维的运动往往会产生二维的负载摇摆。这不仅仅会影响起重机的工作效率，也为起重机的工作带来了巨大的安全隐患。
发明内容
本申请主要目的是提供一种起重机控制方法、起重机控制系统及一种起重机，能够解决现有技术中起重机进行回转或俯仰运动时产生二维的负载摇摆问题。
为解决上述技术问题，本申请采用的第一个技术方案是：提供一种起重机控制方法，该起重机控制方法包括：确定当前预设控制信号；利用历史控制信号对当前预设控制信号进行调整，以得到当前给定控制信号；输出当前给定控制信号至速度控制变频器，以使速度控制变频器利用当前给定控制信号控制驱动机构。
为解决上述技术问题，本申请采用的第二个技术方案是：提供一种起重机控制系统，该起重机控制系统包括控制器，用于输出当前预设控制信号；滑动平均滤波器，连接控制器，该滑动平均滤波器用于实现如第一个技术方案中的起重机控制方法，以得到当前给定控制信号；速度控制变频器，连接滑动平均滤波器，用于获取当前给定控制信号；驱动机构，连接速度控制变频器，速度控制变频器根据当前给定控制信号控制驱动机构。
为解决上述技术问题，本申请采用的第三个技术方案是：提供一种起重机，该起重机包括起重机主体以及起重臂，其中起重机主体包括如第二个技术方案中的起重机控制系统，该起重机控制系统控制起重臂运转。
本申请的有益效果是：通过滑动平均滤波器进行预设控制信号的调整，减少起重物移动时速度的振荡分量，从而减少移动过程中出现的起重物的二维摇摆，同时算法有效避免了对系统阻尼的依赖，鲁棒性好，调整简单，适用于各种不同的系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是起重机起重情况一简化模型的示意图；
图2是本申请起重机控制方法第一实施例的流程示意图；
图3是本申请起重机控制方法第二实施例的流程示意图；
图4是本申请起重机控制系统第一实施例的结构示意图；
图5是本申请起重机控制系统第二实施例的结构示意图；
图6是本申请起重机控制系统第三实施例的结构示意图；
图7是本申请起重机控制系统一具体实施例使用时系统的频谱特性示意图；
图8是本申请起重机一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在当前的技术中，减少起重机摇摆的方式主要有三种，分别为手动防摇、机械防摇以及电子防摇。其中，手动防摇是操作人员根据起重物的摇摆情况来控制移动的加减速以抵消摇摆，这对操作人员的要求很高，也额外增加了操作人员的工作负担。机械防摇是通过机械结构改造以增加移动时的系统的阻尼，来抵消起重物在摇摆过程中的能量，这种方法对于机械维护的成本很高，而且机械机构容易出现磨损老化等问题。
电子防摇分为开环防摇和闭环防摇两种，是通过控制算法来抑制起重物的摆动。开环防摇主要采用输入整形、轨迹规划等前馈的控制方案。输入整形是精确地在引起系统欠阻尼的极点上配置一个ZV输入整形，或两个ZVD输入整形零点，对消极点实现摇摆的抑制。但是对于移动过程中涉及二维的摇摆波动时，数据模型更加的复杂，使用该方法的效果不佳。
参阅图1，图1是起重机起重情况一简化模型的示意图。在忽略吊绳的质量，起重物考虑为质点，忽略系统内的摩擦和外部干扰的情况下，我们把O点作为起重机回转的中心点，M为起重物的质量，LA为回转中心到起重臂与起重机主体铰接处的距离，LB为起重臂的长度，α为起重机主体的回转角度，β为起重臂的俯仰角度，吊绳与β角所在的平面所成的角度为θ2，称为面外角，吊绳在β角所在的平面的垂线与竖直线的夹角为θ1，称为面内角。
此时，起重物在该模型中的位置可以表示为：
Figure BDA0003261994560000041
然后我们定义拉格朗日算子为：
Figure BDA0003261994560000042
其中，
Figure BDA0003261994560000043
为起重物在x轴上坐标的导数，
Figure BDA0003261994560000044
为起重物在y轴上坐标的导数，
Figure BDA0003261994560000045
为起重物在z轴上坐标的导数。
考虑到系统具有两个自由度，θ1和θ2，所建立的拉格朗日方程为：
Figure BDA0003261994560000046
其中，
Figure BDA0003261994560000047
为面内角θ1的导数，
Figure BDA0003261994560000048
为面外角θ2的导数。
考虑到在实际的情况中，吊绳的摇摆角度小于10°，此时可以将三角函数线性化：
Figure BDA0003261994560000049
由公式(1)-(4)推导，从而得到起重物的摆动模型为：
Figure BDA0003261994560000051
Figure BDA0003261994560000052
其中，
Figure BDA0003261994560000053
为
Figure BDA0003261994560000054
的导数，
Figure BDA0003261994560000055
为
Figure BDA0003261994560000056
的导数，
Figure BDA0003261994560000057
为起重臂的俯仰角度β的导数，
Figure BDA0003261994560000058
为
Figure BDA0003261994560000059
的导数，
Figure BDA00032619945600000510
为起重机主体回转角度α的导数，
Figure BDA00032619945600000511
为
Figure BDA00032619945600000512
的导数，l为起重机绳长，g为重力加速度。
从该摆动模型中我们可以得到起重机回转角速度引起了面内角波动，回转角加速度引起面外角波动。
如图2所示，图2为本申请起重机控制方法第一实施例的流程示意图。该控制方法包括以下步骤：
S11：确定当前预设控制信号。
根据起重机操作员的操作信号，该操作信号可以是档位操作信号，或者是设定的计算机轨迹信息，确定当前的预设控制信号。
S12：利用历史控制信号对当前预设控制信号进行调整，以得到当前给定控制信号。
接收到当前预设控制信号之后，根据历史预设控制信号、历史给定控制信号，以及历史预设控制信号和当前预设控制信号的时间间隔，采用滑动平均滤波公式对当前预设控制信号进行调整，以得到当前给定控制信号：
Figure BDA00032619945600000513
其中，ωset(k)为当前预设回转速度值，ωset(k-D)为前D时刻预设回转速度值，
Figure BDA00032619945600000515
为当前给定回转速度值，
Figure BDA00032619945600000514
为前一时刻给定回转速度值。
而所得到公式(7)的对应的Z域表达式为：
Figure BDA0003261994560000061
其中，令
Figure BDA0003261994560000062
Ts为调整的执行时间间隔，带入公式(8)得到：
Figure BDA0003261994560000063
而由上述公式(5)和(6)可以得到面内角和面外角的晃动模型：
Figure BDA0003261994560000064
由公式(10)可以得到面内角和面外角的振荡频率是相同的，为：
Figure BDA0003261994560000065
此时将公式(11)带入公式(9)，即将频率谐振时的数据长度带入公式(9)，并且使得：
Figure BDA0003261994560000066
其中，l为起重机绳长，g为重力加速度，Ts为调整的执行时间间隔，K为正整数。
此时，滑动平均滤波在谐振频率时的幅值增益为0，|H(z)|为0，即对应的频率的信号被完全的滤除。
进一步的，为了减少滑动平均滤波对于系统动态性能的影响，选择K＝1。此时参数D为：
Figure BDA0003261994560000067
在确定了执行时间间隔以及D参数的值之后，根据公式(7)对当前预设控制信号进行调整，得到当前给定控制信号。
可以理解，该起重机控制方法不仅仅应用于角速度下发的控制系统中，对于回转角加速度下发、回转角度下发、转子位置下发等的控制系统，均可对其相应的控制信号进行相应的变化，得到本申请中的回转角速度，即回转速度。
S13：输出当前给定控制信号至速度控制变频器，以使速度控制变频器利用当前给定控制信号控制驱动机构。
得到当前给定的控制信号后，将当前给定控制信号发送至速度控制变频器。速度控制变频器将当前给定控制信号转化后发送至驱动机构，以使得驱动机构按当前给定控制信号进行运转，从而减少起重物移动过程中的摇摆幅度。
如图3所示，图3为本申请起重机控制方法第二实施例的流程示意图。该控制方法包括以下步骤：
S21：确定当前预设控制信号。
S22：利用历史控制信号对当前预设控制信号进行调整，以得到当前给定控制信号。
S23：输出当前给定控制信号至速度控制变频器，以使速度控制变频器利用当前给定控制信号控制驱动机构。
S24：利用当前给定控制信号，对历史控制信号进行更新。
将所得到的当前预设控制信号以及当前给定控制信号可以预先存储在存储装置中，当下一次进行滑动平均滤波调整的时候，调用存储装置中存储的给定控制信号可作为前一时刻的给定控制信号，当前的预设控制信号可作为之后的前D时刻的预设控制信号，以实现对于历史控制信号的更新。
本实施例中相同或相似的步骤已在起重机控制方法第一实施例中详细描述，在此不再赘述。
如图4所示，图4为本申请起重机控制系统第一实施例的结构示意图。
在本实施例中，起重机控制系统包括控制器100、滑动平均滤波器110、速度控制变频器120以及驱动机构130。控制器100连接滑动平均滤波器110，用于接收操作员的操作信号，该操作信号可以是档位操作信号，也可以是计算机设定的轨迹信息，控制器100基于该操作信号向滑动平均滤波器110发送当前预设控制信号。滑动平均滤波器110用于实现上述起重机控制方法第一或第二实施例及可能的组合，以得到当前给定控制信号。其接收到当前预设控制信号时，利用历史预设信号和历史给定控制信号对当前预设控制信号进行调整，得到当前给定控制信号。滑动平均滤波器110将当前给定控制信号发送至速度控制变频器120，速度控制变频器120将当前给定控制信号转化后发送至驱动机构130，驱动机构130依照接收的转化后的当前给定控制信号可以控制起重臂的运转。
具体地，该驱动机构130可以是电机，速度控制变频器120将当前控制信号转化为电机驱动电压信号后发送至电机，电机依照接收的驱动电压可以控制起重臂的运转。可以理解，这只是一种驱动方式，类似的方式和方法，例如，气压驱动，液压驱动等同样适用上述控制系统。
如图5所示，图5为本申请起重机控制系统第二实施例的结构示意图。
在本实施例中，起重机控制系统包括控制器200、速度控制变频器210以及驱动机构220。控制器200连接速度控制变频器210，用于接收操作员的操作信号，该操作信号可以是档位操作信号，也可以是计算机设定的轨迹信息，控制器200基于该操作信号确定当前预设控制信号。控制器200用于实现上述起重机控制方法第一或第二实施例及可能的组合，以得到当前给定控制信号。其接收到当前预设控制信号时，利用历史预设信号和历史给定控制信号对当前预设控制信号进行调整，得到当前给定控制信号。控制器200将当前给定控制信号发送至速度控制变频器210，速度控制变频器210将当前给定控制信号转化后发送至驱动机构220，驱动机构220依照接收的转化后的当前给定控制信号可以控制起重臂的运转。
具体地，该驱动机构220可以是电机，速度控制变频器210将当前控制信号转化为电机驱动电压信号后发送至电机，电机依照接收的驱动电压可以控制起重臂的运转。可以理解，这只是一种驱动方式，类似的方式和方法，例如，气压驱动，液压驱动等同样适用上述控制系统。
如图6所示，图6为本申请起重机控制系统第三实施例的结构示意图。
在本实施例中，起重机控制系统包括控制器300、速度控制变频器310以及驱动机构320。控制器300连接速度控制变频器310，用于接收操作员的操作信号，该操作信号可以是档位操作信号，也可以是计算机设定的轨迹信息，控制器200基于该操作信号向速度控制变频器310发送当前预设控制信号。速度控制变频器310用于实现上述起重机控制方法第一或第二实施例及可能的组合，以得到当前给定控制信号。其接收到当前预设控制信号时，利用历史预设信号和历史给定控制信号对当前预设控制信号进行调整，得到当前给定控制信号。速度控制变频器310将当前给定控制信号转化后发送至驱动机构320，驱动机构320依照接收的转化后的当前给定控制信号可以控制起重臂的运转。
具体地，该驱动机构320可以是电机，速度控制变频器310将当前控制信号转化为电机驱动电压信号后发送至电机，电机依照接收的驱动电压可以控制起重臂的运转。可以理解，这只是一种驱动方式，类似的方式和方法，例如，气压驱动，液压驱动等同样适用上述控制系统。
如图7所示，图7是本申请起重机控制系统一具体实施例使用时系统的频谱特性示意图。
在一具体实施例中，滑动平均滤波器的执行的时间间隔为10ms，起重机的吊绳长度为15m，重力加速度以9.8m/s2，此时计算得到的D为777。由图可知，所采用的滑动平均滤波器在谐振频率处的幅度增益为0，完全滤除了对应的频率信号，而且该滤波器还兼具了低通滤波的效果，可以滤除高频干扰动量。
图8是本申请起重机一实施例的结构示意图。
本申请起重机一实施例包括、起重机主体20以及起重臂30，其中起重机主体包括了起重机控制系统10。起重机主体20向起重机控制系统10发送了操作员控制信号或者计算机预设信号，起重机控制系统10根据接收的信号控制起重臂30进行运转。起重机控制系统10可以为上述任一实施例或可能的组合中的起重机控制系统。
综上所述，本申请通过上述的实施例以及相应的组合，通过滑动平均滤波器进行预设控制信号的调整，减少起重物移动时速度的振荡分量，从而减少移动过程中出现的起重物的二维摇摆，同时算法有效避免了对系统阻尼的依赖，鲁棒性好，调整简单，适用于各种不同的系统。
在本申请所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的方法以及设备，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施方式仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。
另外，在本申请各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
上述其他实施方式中的集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种起重机控制方法，其特征在于，所述方法包括：
确定当前预设控制信号；
利用历史控制信号对所述当前预设控制信号进行调整，以得到当前给定控制信号；
输出所述当前给定控制信号至速度控制变频器，以使所述速度控制变频器利用所述当前给定控制信号控制驱动机构。
2.根据权利要求1所述的起重机控制方法，其特征在于，
所述利用历史控制信号对所述当前预设控制信号进行调整，以得到当前给定控制信号，包括：
根据历史预设控制信号、历史给定控制信号、以及所述历史预设控制信号和所述当前预设控制信号的时间间隔，对所述当前预设控制信号进行调整，以得到当前给定控制信号。
3.根据权利要求1所述的起重机控制方法，其特征在于，
所述控制信号为回转速度；
所述利用历史控制信号对所述当前预设控制信号进行调整，以得到当前给定控制信号，包括：
根据以下公式确定当前给定控制信号：
Figure FDA0003261994550000011
其中，ωset(k)为当前预设回转速度值，ωset(k-D)为前D时刻预设回转速度值，
Figure FDA0003261994550000012
为当前给定回转速度值，
Figure FDA0003261994550000013
为前一时刻给定回转速度值。
4.根据权利要求3所述的起重机控制方法，其特征在于，
所述回转速度由回转角加速度、回转角度、转子位置中的至少一种得到。
5.根据权利要求3所述的起重机控制方法，其特征在于，
所述方法还包括：
根据以下公式确定参数D：
Figure FDA0003261994550000021
其中，l为起重机绳长，g为重力加速度，Ts为所述调整的执行时间间隔，K为正整数。
6.根据权利要求5所述的起重机控制方法，其特征在于，K的值为1。
7.根据权利要求1所述的起重机控制方法，其特征在于，
所述输出所述当前给定控制信号至速度控制变频器之后，还包括：
利用所述当前给定控制信号，对所述历史控制信号进行更新。
8.一种起重机控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
控制器，用于输出当前预设控制信号；
滑动平均滤波器，连接所述控制器，所述滑动平均滤波器用于实现如权利要求1-7中任一项所述的控制方法，以得到当前给定控制信号；
速度控制变频器，连接所述滑动平均滤波器，用于获取所述当前给定控制信号；
驱动机构，连接所述速度控制变频器，所述速度控制变频器根据所述当前给定控制信号控制所述驱动机构。
9.根据权利要求8所述的起重机控制系统，其特征在于，
所述滑动平均滤波器可置于所述控制器或所述速度控制变频器内，使得所述控制器或所述速度控制变频器用于实现如权利要求1-7中任一项所述的控制方法，输出所述当前给定控制信号。
10.一种起重机，其特征在于，包括起重机主体以及起重臂，其中所述起重机主体包括如权利要求8-9中任一项所述的起重机控制系统，所述起重机控制系统控制所述起重臂运转。
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