CN116443734A - 电动起重机的控制方法、装置、电子设备及电动起重机 - Google Patents

电动起重机的控制方法、装置、电子设备及电动起重机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动起重机的控制方法、装置、电子设备及电动起重机，其中电动起重机的控制方法包括：获取控制电动起重机执行动作的原始速度信号；将所述原始速度信号进行滑动平均滤波，得到修正速度信号；将修正速度信号发送至执行动作的装置。其对原始速度信号采用滑动平均滤波的方法，有效抑制了电动起重机面内角和面外角的二维摇摆，解决了输入整形方案在解决电动起重机摇摆的技术问题时效果不佳的技术问题。

Description

电动起重机的控制方法、装置、电子设备及电动起重机
技术领域
本发明涉及工程机械的控制技术领域，具体涉及一种电动起重机的控制方法、装置、电子设备及电动起重机。
背景技术
汽车起重机具有机动灵活、操作方便等一系列优势，当前已成为小吨位起重机市场上的施工主力。
汽车起重机属于典型的欠驱动系统，即系统控制自由度小于系统输出自由度，由此在回转过程中往往产生负载摇摆，不仅影响工作效率，甚至带来安全隐患。为了减少汽车起重机可以采用输入整形方案，输入整形方案的本质是精确地在引起系统欠阻尼极点上配置一个(ZV输入整形)，或两个(ZVD输入整形)零点，对消零极点，实现摇摆抑制，但是对于汽车起重机中的电动起重机而言，输入整形方案的效果不佳。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种电动起重机的控制方法、装置、电子设备及电动起重机，以解决输入整形方案在解决电动起重机摇摆的技术问题时效果不佳的技术问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种电动起重机的控制方法，包括以下步骤：获取控制电动起重机执行动作的原始速度信号；将所述原始速度信号进行滑动平均滤波，得到修正速度信号；将所述修正速度信号发送至执行所述动作的装置。
具体的，所述将所述原始速度信号进行滑动平均滤波包括：获取所述电动起重机的当前绳长；获取所述滑动平均滤波的当前执行时间；根据所述当前绳长和所述当前执行时间确定所述滑动平均滤波的当前频率；将所述原始速度信号输入到滑动平均滤波器中进行滤波，其中所述滑动平均滤波器的工作频率为所述当前频率。
具体的，所述根据所述当前绳长和所述当前执行时间确定所述滑动平均滤波的当前频率包括：根据所述当前绳长和所述当前执行时间利用预设的第一公式进行计算，得到所述滑动平均滤波的当前频率；所述第一公式为其中，D表示所述滑动平均滤波的当前频率，TS表示所述滑动平均滤波的当前执行时间，表示所述电动起重机的当前绳长，g表示重力加速度。
具体的，所述动作包括以下中的一种或两种：俯仰动作和回转动作。
根据第二方面，本发明实施例还提供了一种电动起重机的控制装置，包括获取模块、滤波模块和处理模块，所述获取模块用于获取控制电动起重机执行动作的原始速度信号；所述滤波模块用于将所述原始速度信号进行滑动平均滤波，得到修正速度信号；所述处理模块用于将所述修正速度信号发送至执行所述动作的装置。
根据第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行第一方面或第一方面任一实施方式所述的电动起重机的控制方法。
根据第四方面，本发明实施例还提供了一种电动起重机，包括第三方面所述的电子设备。
具体的，所述电子设备位于所述电动起重机的嵌入式变频器中。
具体的，所述电动起重机为汽车起重机或吊臂式起重机。
具体的，所述电动起重机设有位移传感器，所述传感器用于获取电动起重机在动作过程中的绳长。
本发明实施例提供的电动起重机的控制方法、装置、电子设备及电动起重机具有如下有益效果：
本发明实施例对控制电动起重机执行动作的原始速度信号采用滑动平均滤波的方法，有效抑制了电动起重机面内角和面外角的二维摇摆，解决了输入整形方案在解决电动起重机摇摆的技术问题时效果不佳的技术问题。而且采用该滑动平均滤波器是从频域角度进行分析，有效避免了对系统阻尼的依赖，实际系统中系统阻尼较难获取，且受环境影响大。此外，由于滑动平均滤波器的低通滤波特性，轻微的吊绳长度变化，或者反馈误差对摇摆抑制效果相对输入整形或规矩规划等方案影响小。总之，采用该滑动平均滤波器的鲁棒性相对于其他常规开环方案具有优势。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施例中电动起重机控制方法的流程示意图；
图2为电动起重机回转时的负载摇摆示意图；
图3为滑动平均滤波器的频谱特性示意图；
图4为本发明实施例电动起重机控制方法的流程示意图；
图5为本发明实施例电动起重机的控制装置的结构示意图；
图6为滑动平均滤波器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
为了减少汽车起重机摇摆，可以采用以下三种方式：
(1)手动防摇。操作人员根据吊物的摇摆情况控制加减速来抵消摇摆，但其对操作人员提出了很高的要求，同时也增加了操作人员的工作负担。
(2)机械防摇。通过机械结构改造增加运动时的阻尼来消除吊物摇摆过程中的能量，其具有维护成本高，受磨损、老化等因素影响大的缺点；
(3)电子防摇。电子防摇是采用防摇控制算法抑制载荷摆动，分为开环防摇和闭环防摇两种。闭环防摇通常需要增加角度传感器装置，当前主要有PID控制、滑膜控制、最优控制、自适应控制等，其缺点是需要额外引入角度传感器，增加成本和系统复杂度，降低可靠性。
开环防摇主要采用轨迹规划、输入整形等前馈控制方案。其中轨迹规划方案的缺点是计算量大，对嵌入式系统计算要求高，且轨迹规划方案对系统操作的限制大，与其他部件动作，例如变幅动作结合复杂，除此之外轨迹规划方案对系统模型参数敏感。
如上所述，对于汽车起重机中的电动起重机而言，输入整形方案的效果不佳。基于此，本发明实施例提供了一种电动起重机的控制方法。图1为本发明实施例中电动起重机控制方法的流程示意图，如图1所示，电动起重机的控制方法包括以下步骤：
S101：获取控制电动起重机执行动作的原始速度信号。
在本发明实施例中，原始速度信号是电动起重机为执行动作而产生的最初的控制信号，例如可以是电动起重机根据操作员的档位操作信号产生的，也可以是电动起重机根据设定的轨迹而产生的。
具体的，动作包括以下中的一种或两种：俯仰动作和回转动作。下面仅以回转动作为例进行详细说明。
S102：将原始速度信号进行滑动平均滤波，得到修正速度信号。
作为一种具体的实施方式，将原始速度信号进行滑动平均滤波可以采用以下方法：获取电动起重机的当前绳长；获取滑动平均滤波的当前执行时间；根据当前绳长和当前执行时间确定滑动平均滤波的当前频率；将原始速度信号输入到滑动平均滤波器中进行滤波，其中滑动平均滤波器的工作频率为当前频率。
具体的，根据当前绳长和当前执行时间确定滑动平均滤波的当前频率包括：根据当前绳长和当前执行时间利用预设的第一公式进行计算，得到滑动平均滤波的当前频率；第一公式为其中，D表示滑动平均滤波的当前频率，TS表示滑动平均滤波的当前执行时间，表示电动起重机的当前绳长，g表示重力加速度。
这是因为，假设忽略了吊绳质量，忽略了系统内摩擦和外部干扰，吊绳吊臂刚性足够大，得到了电动起重机回转时的负载摇摆示意图，在图2中，吊重为质点，O为回转中心点，M为吊重质量，LB为吊臂长度；LA为回转中心到吊臂与转台铰接处的距离；h为吊绳长；α为基座回转角度；β为吊臂俯仰角；吊绳在俯仰面所成角度θ1为面内角，吊绳垂直于俯仰面做垂线所成角θ2为面外角。
根据图2可知，吊重在坐标系的位置为：
定义拉格朗日算子：
其中g为重力加速度。考虑系统具有两个自由度，且忽略空气摩擦等外作用力，建立拉格朗日方程：
考虑实际系统中吊重摆角小于10°，近似线性化三角函数：
推导得到吊重摆动的数学模型：
该力学模型表明电动起重机回转角速度引起面内角θ1波动，回转角加速度主要引起面外角θ2波动，该二维耦合影响较常规桥式起重机一维角度影响复杂，因此，对于电动起重机而言，传统的输入整形方案不能同时抑制两个方向角度摇摆，因此效果不佳。同时，根据回转动作过程中面内角和面外角过零时，调整回转角速度和回转加速度，实现抖动抑制的轨迹规划方案，模型参数误差，如绳长，重力加速度，臂长等影响大，且没有考虑到回转过程中的各种干扰影响。
进一步的，根据上述公式(6)和公式(7)，进一步分析，得到起重回转停止后面内角和面外角晃动模型：
得到面内角和面外角的振荡频率相同，为：
为此，为有效滤除速度预设频率中的谐振频率相关信号，滑动平均滤波器中频率D的设计准则为：
上述的公式(1)即为第一公式，其中绳长可由起重机控制器下发，重力加速度可默认选择9.8m/s2，TS表示滑动平均滤波的当前执行时间。
具体的，将原始速度信号输入到滑动平均滤波器中进行滤波，其中滑动平均滤波器的工作频率为当前频率可以采用如下方法：
其中ωset(k)表示当前拍原始速度信号，ωset(k-D)表示前D拍原始速度信号，ω*(k)表示当前拍修正速度信号，ω*(k-1)表示前一拍修正速度信息。该滑动平均滤波器的频谱特性如图3所示。图3中举例重力加速度g＝9.8m/s2，绳长l＝15m，选择滑动平均滤波器执行时间为10ms，D＝777。由图3可知，说明采用的滑动平均滤波器在谐振频率及其倍频处增益为零，完全滤除相应设定频率，而且额外还具有低通滤波效果，滤除高频扰动量。
S103：将修正速度信号发送至执行动作的装置。
对于回转动作而言，执行回转动作的装置为回转电机。
具体的，可以控制电动起重机中的电机按照修正速度回转。
由此可见，本发明实施例采用滑动平均滤波的方法，有效抑制了电动起重机面内角和面外角的二维摇摆，解决了电动起重机在回转过程中存在摇摆的技术问题。而且采用该滑动平均滤波器是从频域角度进行分析，有效避免了对系统阻尼的依赖，实际系统中系统阻尼较难获取，且受环境影响大。此外，由于滑动平均滤波器的低通滤波特性，轻微的吊绳长度变化，或者反馈误差对摇摆抑制效果相对输入整形或规矩规划等方案影响小。总之，采用该滑动平均滤波器的鲁棒性相对于其他常规开环方案具有优势。
需要说明的是，由于在本发明实施例中采用滑动平均滤波器进行滤波是从频域角度进行分析；即在频率域分析，如果剔除回转角速度和回转角加速度过程中的振荡频率分量，可大幅减小摇摆。因此，本发明实施例的电动起重器的控制方法不仅适用于电动起重机的回转动作，还适用于电动起重机的俯仰动作。
进一步的，考虑滑动平均滤波器本质是从频率维度实现抖动抑制，也可应用于加速度或者角度下发的系统中，滤除谐振分量，实现摇摆抑制。
下面采用一示例，对本发明实施例的电动起重机的控制方法进行说明。图4为本发明实施例电动起重机控制方法的流程示意图。如图4所示，电动起重机控制方法包括以下步骤：
汽车起重机控制器1根据操作员档位操作信号，或计算机设定轨迹，向电动回转系统(包括滑动平均滤波器2、速度控制变频器3和回转电机4)发送电机回转原始速度信号，该原始速度信号可以通过电压信号给定，也可以通过通讯方式如CAN给定。
电动回转系统4控制器接收到原始速度信号后，采用滑动平均滤波器2对原始速度信号进行调整，在保证输入的原始速度信号修改前后对回转系统输出位置一致的情况下，抑制吊重摇摆。该滑动平均滤波器2可在嵌入式系统中执行，例如直接嵌入在速度控制变频器3中。
调整后的速度信号发送给速度控制变频器3，该速度控制变频器3控制回转电机4跟随设定速度旋转，实现回转到固定位置的目标。
与电动起重机的控制方法相对应，本发明实施例还提供了一种电动起重机的控制装置。图5为本发明实施例电动起重机的控制装置的结构示意图，如图5所示，本发明实施例电动起重机的控制装置包括获取模块20、滤波模块21和处理模块22。
具体的，获取模块20，用于获取控制电动起重机执行动作的原始速度信号；
滤波模块21，用于将原始速度信号进行滑动平均滤波，得到修正速度信号；
处理模块22，用于将修正速度信号发送至执行动作的装置。
滤波模块21具体用于：获取电动起重机的当前绳长；获取滑动平均滤波的当前执行时间；根据当前绳长和当前执行时间确定滑动平均滤波的当前频率；将原始速度信号输入到滑动平均滤波器中进行滤波，其中滑动平均滤波器的工作频率为当前频率。
滤波模块21具体用于：根据当前绳长和当前执行时间利用预设的第一公式进行计算，得到滑动平均滤波的当前频率；第一公式为其中，D表示滑动平均滤波的当前频率，TS表示滑动平均滤波的当前执行时间，表示电动起重机的当前绳长，g表示重力加速度。
上述电动起重机的控制装置具体细节可以对应参阅图1至图4所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
本发明实施例还提供了一种电子设备，如图6所示，该电子设备可以包括处理器61和存储器62，其中处理器61和存储器62可以通过总线或者其他方式连接。
进一步的，本发明实施例还提供了一种电动起重机，包括上述的电子设备。
具体的，电子设备位于电动起重机的嵌入式变频器中，由此可以降低计算压力。
具体的，电动起重机为汽车起重机或吊臂式起重机。其中，汽车起重机上装各动作部位包括主副卷扬、伸缩结构及变幅结构、回转结构，主副卷扬用于将重物升起及下放；伸缩结构实现重臂伸出缩进；变幅结构控制重臂俯仰角；回转结构实现上装部分的整体转动，使货物水平移动。
具体的，电动起重机设有传感器，传感器用于获取电动起重机在动作过程中的绳长。
处理器61可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器61还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
存储器62作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的电动起重机的控制方法对应的程序指令/模块(例如，图5所示的获取模块20、滤波模块21和处理模块22)。处理器61通过运行存储在存储器62中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的电动起重机的控制方法。
存储器62可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器61所创建的数据等。此外，存储器62可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器62可选包括相对于处理器61远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器61。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
一个或者多个模块存储在存储器62中，当被处理器61执行时，执行如图1至图4所示实施例中的电动起重机的控制方法。
上述电子设备具体细节可以对应参阅图1至图5所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-StateDrive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种电动起重机的控制方法，其特征在于，包括：
获取控制电动起重机执行动作的原始速度信号；
将所述原始速度信号进行滑动平均滤波，得到修正速度信号；
将所述修正速度信号发送至执行所述动作的装置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述原始速度信号进行滑动平均滤波包括：
获取所述电动起重机的当前绳长；
获取所述滑动平均滤波的当前执行时间；
根据所述当前绳长和所述当前执行时间确定所述滑动平均滤波的当前频率；
将所述原始速度信号输入到滑动平均滤波器中进行滤波，其中所述滑动平均滤波器的工作频率为所述当前频率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述当前绳长和所述当前执行时间确定所述滑动平均滤波的当前频率包括：
根据所述当前绳长和所述当前执行时间利用预设的第一公式进行计算，得到所述滑动平均滤波的当前频率；
所述第一公式为
其中，D表示所述滑动平均滤波的当前频率，TS表示所述滑动平均滤波的当前执行时间，l表示所述电动起重机的当前绳长，g表示重力加速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动作包括以下中的一种或两种：俯仰动作和回转动作。
5.一种电动起重机的控制装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取控制电动起重机执行动作的原始速度信号；
滤波模块，用于将所述原始速度信号进行滑动平均滤波，得到修正速度信号；
处理模块，用于将所述修正速度信号发送至执行所述动作的装置。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行权利要求1～4中任一项所述的电动起重机的控制方法。
7.一种电动起重机，其特征在于，包括权利要求6所述的电子设备。
8.根据权利要求7所述的电动起重机，其特征在于，所述电子设备位于所述电动起重机的嵌入式变频器中。
9.根据权利要求7所述的电动起重机，其特征在于，所述电动起重机为汽车起重机或吊臂式起重机。
10.根据权利要求7所述的电动起重机，其特征在于，所述电动起重机设有位移传感器，所述传感器用于获取电动起重机在动作过程中的绳长。
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