TWI675001B - 天車防擺盪與定位控制系統及其加減速曲線計算方法 - Google Patents

天車防擺盪與定位控制系統及其加減速曲線計算方法 Download PDF

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    • B66C13/04Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B66C13/06Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads
    • B66C13/063Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads electrical

Abstract

本發明係關於一種天車防擺盪與定位控制系統及其加減速曲線計算方法。該天車防擺盪與定位控制系統包括一天車、一大車測距儀、一小車測距儀、一大車變頻器、一小車變頻器及一可程式控制器。該天車包括一大車及一小車,該大車具有一大車馬達,該小車具有一小車馬達。該大車測距儀係用以測量該大車之方向座標及移動速度。該小車測距儀係用以測量該小車之方向座標及移動速度。該大車變頻器係電性連接該大車馬達及用以驅動該大車馬達。該小車變頻器係電性連接該小車馬達及用以驅動該小車馬達。該可程式控制器係電性連接該大車測距儀、該小車測距儀、該大車變頻器及該小車變頻器。

Description

天車防擺盪與定位控制系統及其加減速曲線計算方法
本發明係關於一種天車控制系統,且更特定言之,係關於一種天車防擺盪與定位控制系統及其加減速曲線計算方法。
天車進行鋼捲搬運作業時,必須控制夾具擺盪才可順利夾取及堆放鋼捲,而擺盪發生原因主要來自於急速的天車移動,若無法有效控制夾具擺盪的發生,將影響天車吊運安全及作業效率。
習知天車夾具防擺盪控制方法主要有機械防擺盪及電氣防擺盪兩種。機械防擺盪是利用增設機械裝置來達到防止擺盪之目的,例如增加夾具鋼索數量、改變鋼索繞線方式避免擺盪,或是將夾具改造成剛性可伸縮結構避免晃動。惟,機械防擺盪通常須改變天車機械結構,因此,建置成本高且可能減少天車實際荷重。
電氣防擺盪大多是依據天車三維運動數學模型設計各種控制器,以解決天車移動中擺盪角過大的問題。然而,在無法精確考量車輪與軌道摩擦力、動力傳輸耗損等參數情形下,推導出之數學模型無法呈現系統真實動態,導致設計出之控制器參數不易調整,進而造成控制性能不佳。
基於上述分析,有必要提供一創新且具進步性之天車防擺盪與定位控制系統及其加減速曲線計算方法,以解決上述習知缺失。
在一實施例中,一種天車防擺盪與定位控制系統包括一天車、一大車測距儀、一小車測距儀、一大車變頻器、一小車變頻器及一可程式控制器。該天車包括一大車及一小車,該大車具有一大車馬達,該小車具有一小車馬達。該大車測距儀係用以測量該大車之方向座標及移動速度。該小車測距儀係用以測量該小車之方向座標及移動速度。該大車變頻器係電性連接該大車馬達及用以驅動該大車馬達。該小車變頻器係電性連接該小車馬達及用以驅動該小車馬達。該可程式控制器係電性連接該大車測距儀、該小車測距儀、該大車變頻器及該小車變頻器。
在一實施例中,一種天車防擺盪與定位控制系統之加減速曲線計算方法包括:設定天車之走行距離;依據所設定之天車之走行距離,動態計算最佳急衝度設定值;及依據天車之走行距離及最佳急衝度設定值,計算出防擺盪加減速曲線。
參閱圖1,其係顯示本發明天車防擺盪與定位控制系統之架構圖。本發明之天車防擺盪與定位控制系統10包括一天車11、一大車測距儀12、一小車測距儀13、一大車變頻器14、一小車變頻器15及一可程式控制器16。
在本實施例中,該天車11包括一大車112及一小車114,該大車112具有一大車馬達112M,該小車114具有一小車馬達114M。
該大車測距儀12係用以測量該大車112之方向座標及移動速度。該小車測距儀13係用以測量該小車114之方向座標及移動速度。在本實施例中,該大車測距儀12及該小車測距儀13係設置於該大車112上,且較佳地,該大車測距儀12及該小車測距儀13係為雷射測距儀。
關於該天車11之走行擺盪現象係說明如下:
(1) 靜止
圖2顯示小車處於靜止狀態之示意圖。配合參閱圖1及圖2,以該天車11之小車114為觀察點,當該小車114及吊重負載L於靜止位置A時,吊重負載L受力為重力
(2) 加速
2.1 參閱圖3A,其係顯示小車進行加速度運動之示意圖。該小車114以加速度 往+x座標方向加速,吊重負載L受加速度 往⎼x座標方向擺盪至位置B,其擺盪角為
2.2 若吊重負載L擺盪至位置B時,該小車114仍持續以加速度 往+x座標方向加速,則吊重負載L之擺盪角維持在
2.3 參閱圖3B,其係顯示小車進行加速度運動時吊重負載擺盪位置變換之示意圖。若吊重負載L擺盪至位置B時,該小車114以加速度 ( )往+x座標方向加速,吊重負載L繼續往⎼x座標方向擺盪至位置C,其擺盪角會增加至
2.4 參閱圖3C,其係顯示小車停止加速之示意圖。若吊重負載L擺盪至位置B時,該小車114即停止加速( ),而以等速度 移動,則吊重負載L會在位置B→A→D→A→B之間周期性擺盪。
(3) 減速
3.1 參閱圖4A,其係顯示小車進行減速度運動之示意圖。該小車114以減速度 往⎼x座標方向減速,吊重負載L受一加速度 往+x座標方向擺盪至位置B,其擺盪角為
3.2 若吊重負載L擺盪至位置B時,該小車114仍持續以減速度 往⎼x座標方向減速,則吊重負載L擺盪角維持在
3.3 參閱圖4B,其係顯示小車進行減速度運動時吊重負載擺盪位置變換之示意圖。若吊重負載L擺盪至位置B時,該小車114以減速度 ( )往⎼x座標方向減速,吊重負載L繼續往+x座標方向擺盪至位置C,其擺盪角會增加至
3.4 參閱圖4C,其係顯示小車停止減速之示意圖。若吊重負載L擺盪至位置B時,該小車114即停止減速( ),而以等速度 移動,則吊重負載L會在位置B→A→D→A→B之間周期性擺盪。
由上述擺盪現象可得知擺盪角是因該天車11移動瞬間所施予之加速度而產生,一旦該天車11不再加速而以等速移動,則吊重負載將失去作用力而開始進行週期性擺盪,因此,控制該天車11走行中之吊重擺盪之關鍵因素在於加速度而非速度。
再參閱圖1,該大車變頻器14係電性連接該大車馬達112M及用以驅動該大車馬達112M。
該小車變頻器15係電性連接該小車馬達114M及用以驅動該小車馬達114M。
此外,為使該大車變頻器14及該小車變頻器15能精確地分別驅動該大車馬達112M及該小車馬達114M,在本實施例中,該天車防擺盪與定位控制系統10可另包括一大車轉速迴授編碼器17及一小車轉速迴授編碼器18。該大車轉速迴授編碼器17係電性連接該大車變頻器14,該大車轉速迴授編碼器17用以取得該大車馬達112M之轉速信號,並將該大車馬達112M之轉速信號回傳至該大車變頻器14,以使該大車變頻器14能依據所得之轉速信號適當調整該大車馬達112M之轉速。該小車轉速迴授編碼器18係電性連接該小車變頻器15,該小車轉速迴授編碼器18用以取得該小車馬達114M之轉速信號,並將該小車馬達114M之轉速信號回傳至該小車變頻器15,以使該小車變頻器15能依據所得之轉速信號適當調整該小車馬達114M之轉速。
圖5顯示本發明天車防擺盪與定位控制系統之可程式控制器之控制架構圖。配合參閱圖1及圖5,該可程式控制器16係電性連接該大車測距儀12、該小車測距儀13、該大車變頻器14及該小車變頻器15,並依據該大車測距儀12及該小車測距儀13所分別測得之方向座標(x軸與y軸),設定該大車112與該小車114之走行距離(x軸與y軸方向),及規劃可防止擺盪之加減速曲線,並輸出至該大車變頻器14及該小車變頻器15。在本實施例中,該可程式控制器16包括一流程控制模組161、一急衝度設定模組162及一加減速曲線規劃模組163。
該流程控制模組161係連接該急衝度設定模組162之一輸入端162A。該流程控制模組161用以下達一天車移動命令,並依據該大車測距儀12及該小車測距儀13之量測值檢測移動誤差及執行定位作業。
該急衝度設定模組162之一輸出端162B係連接該加減速曲線規劃模組163。在本實施例中,所述急衝度係為加速度之微分量,且該急衝度設定模組162係依據所設定之該天車11之走行距離,動態計算最佳急衝度設定值。
該加減速曲線規劃模組163係依據該天車11之走行距離、最大速度設定值、最大加速度設定值及最佳急衝度設定值,計算及輸出防擺盪加減速曲線至該大車變頻器14及該小車變頻器15,而該大車變頻器14及該小車變頻器15係依據所述防擺盪加減速曲線分別驅動該大車馬達112M及該小車馬達114M,以達到天車走行防擺盪與定位之效果。
以下係針對本發明之擺盪控制及加減速策略進行詳細說明。
(1) 等加速度運動(梯形加減速曲線)對擺盪角之影響
參閱圖6,其係顯示天車於等加速度運動時之梯形速度曲線圖。該天車於等加速度運動時,速度為斜坡函數,加速度在啟動瞬間達到最大值,天車瞬間受力大,容易造成設備震動及產生擺盪角。
(2) 加減速曲線(S-Curve)對擺盪角之影響
參閱圖7,其係顯示天車於變加速度運動時之加減速曲線圖。為消除因該天車起停瞬間加速度過大所產生之擺盪角,可經由控制急衝度(JERK,加速度之微分量, )來限制加速度變化量,使加速度以一變化量逐漸增加或減少,減少該天車起停時之瞬間受力,避免設備劇烈晃動。且藉由急衝度限制所產生之加減速曲線(S-Curve),在S-Curve到達極速(V max)階段前,加速度須經歷持續增加à維持定量à持續減少過程,期間所產生之正加速度及負加速度正好可相互抵消,連帶消除因正加速度及負加速度所產生之擺盪角變化。
(3) 具擺盪控制及定位之加減速曲線規劃
參閱圖8,其係顯示本發明天車之防擺盪加減速曲線分段圖。具擺盪控制之加減速曲線為將速度曲線分成7段,其急衝度以 作為基底函數,該函數曲線在起始及到達最大值時之變化率相同,且為一平滑曲線,可有效消除加速及減速期間之加速度變化量,避免梯形速度曲線瞬間加速度變化太大造成之設備晃動。
3.1 參數定義
急衝時間
加速時間
走行時間
3.2 急衝度、加速度、速度、距離與時間之關係式
急衝度 (Jerk)
加速度 (Acceleration)
速度 (Velocity)
移動距離 (Distance)
3.3 依據走行距離計算加減速時間
再參閱圖1及圖5,依據該大車馬達112M、該小車馬達114M、該大車變頻器14及該小車變頻器15之性能,可得知該天車11之最大速度 、最大加速度 及最大急衝度 ,經由推導移動距離 、急衝時間 、加速時間 及走行時間 之關係,可得到 ~ 間之七段加減速時間,再將 ~ 帶入 即可求得任意移動距離 之加減速曲線。
3.4 依天車移動距離動態調整急衝度設定值
3.4.1 固定移動距離下,調整急衝度設定值,使天車移動時之擺盪減至最小。
3.4.2 參閱圖9,其係顯示本發明之急衝度參數最佳化曲線圖。將各個移動距離 下所測得之最佳急衝度設定值 ,以最小平方法求其最佳近似曲線( )之多項式係數
3.4.3 依據天車移動距離 ,將 帶入Jerk近似曲線( ),可求得該移動距離 下之最佳急衝度設定值 ,將移動距離 、急衝時間 、加速時間 、走行時間 代入本發明之速度曲線函式,即可產生防止擺盪及定位之加減速曲線。
再參閱圖1,本發明係將上述加減速曲線輸出至該大車變頻器14及該小車變頻器15,以使該大車變頻器14及該小車變頻器15可依據所述加減速曲線分別驅動該大車馬達112M及該小車馬達114M,進而可達到天車走行防擺盪與定位之效果。
上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效,並非限制本發明,因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
10‧‧‧天車防擺盪與定位控制系統
11‧‧‧天車
112‧‧‧大車
112M‧‧‧大車馬達
114‧‧‧小車
114M‧‧‧小車馬達
12‧‧‧大車測距儀
13‧‧‧小車測距儀
14‧‧‧大車變頻器
15‧‧‧小車變頻器
16‧‧‧可程式控制器
161‧‧‧流程控制模組
162‧‧‧急衝度設定模組
162A‧‧‧輸入端
162B‧‧‧輸出端
163‧‧‧加減速曲線規劃模組
17‧‧‧大車轉速迴授編碼器
18‧‧‧小車轉速迴授編碼器
A,B,C,D‧‧‧位置
,‧‧‧加速度或減速度
‧‧‧重力
L‧‧‧吊重負載
‧‧‧速度
x,y,z‧‧‧座標方向
,‧‧‧擺盪角
圖1顯示本發明天車防擺盪與定位控制系統之架構圖。
圖2顯示小車處於靜止狀態之示意圖。
圖3A顯示小車進行加速度運動之示意圖。
圖3B顯示小車進行加速度運動時吊重負載擺盪位置變換之示意圖。
圖3C顯示小車停止加速之示意圖。
圖4A顯示小車進行減速度運動之示意圖。
圖4B顯示小車進行減速度運動時吊重負載擺盪位置變換之示意圖。
圖4C顯示小車停止減速之示意圖。
圖5顯示本發明天車防擺盪與定位控制系統之可程式控制器之控制架構圖。
圖6顯示天車於等加速度運動時之梯形速度曲線圖。
圖7顯示天車於變加速度運動時之加減速曲線圖。
圖8顯示本發明天車之防擺盪加減速曲線分段圖。
圖9顯示本發明之急衝度參數最佳化曲線圖。

Claims (11)

  1. 一種天車防擺盪與定位控制系統,包括: 一天車,包括一大車及一小車,該大車具有一大車馬達,該小車具有一小車馬達; 一大車測距儀,係用以測量該大車之方向座標及移動速度; 一小車測距儀,係用以測量該小車之方向座標及移動速度; 一大車變頻器,係電性連接該大車馬達及用以驅動該大車馬達; 一小車變頻器,係電性連接該小車馬達及用以驅動該小車馬達;及 一可程式控制器,係電性連接該大車測距儀、該小車測距儀、該大車變頻器及該小車變頻器。
  2. 如請求項1之天車防擺盪與定位控制系統,其中該大車測距儀及該小車測距儀係設置於該大車上。
  3. 如請求項1之天車防擺盪與定位控制系統,其中該大車測距儀及該小車測距儀係為雷射測距儀。
  4. 如請求項1之天車防擺盪與定位控制系統,另包括一大車轉速迴授編碼器,該大車轉速迴授編碼器係電性連接該大車變頻器,該大車轉速迴授編碼器用以取得該大車馬達之轉速信號,並將該大車馬達之轉速信號回傳至該大車變頻器。
  5. 如請求項1之天車防擺盪與定位控制系統,另包括一小車轉速迴授編碼器,該小車轉速迴授編碼器係電性連接該小車變頻器,該小車轉速迴授編碼器用以取得該小車馬達之轉速信號,並將該小車馬達之轉速信號回傳至該小車變頻器。
  6. 如請求項1之天車防擺盪與定位控制系統,其中該可程式控制器包括一流程控制模組、一急衝度設定模組及一加減速曲線規劃模組,該流程控制模組係連接該急衝度設定模組之一輸入端,該急衝度設定模組之一輸出端係連接該加減速曲線規劃模組。
  7. 如請求項6之天車防擺盪與定位控制系統,其中該流程控制模組用以下達一天車移動命令,並依據該大車測距儀及該小車測距儀之量測值檢測移動誤差及執行定位作業。
  8. 如請求項6之天車防擺盪與定位控制系統,其中該急衝度設定模組係依據該天車之走行距離,動態計算最佳急衝度設定值。
  9. 如請求項8之天車防擺盪與定位控制系統,其中該加減速曲線規劃模組係依據該天車之走行距離、最大速度設定值、最大加速度設定值及最佳急衝度設定值,計算及輸出防擺盪加減速曲線至該大車變頻器及該小車變頻器。
  10. 如請求項9之天車防擺盪與定位控制系統,其中該大車變頻器及該小車變頻器係依據所述防擺盪加減速曲線分別驅動該大車馬達及該小車馬達。
  11. 一種天車防擺盪與定位控制系統之加減速曲線計算方法,包括: 設定天車之走行距離; 依據所設定之天車之走行距離,動態計算最佳急衝度設定值;及 依據天車之走行距離及最佳急衝度設定值,計算出防擺盪加減速曲線。
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