CN105883615A - 多段匀变速起重机智能防摇摆控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及本发明公开了一种多段匀变速起重机智能防摇摆控制方法，基于起重机系统动力学分析规律，以设定负载最大允许摆幅和起吊绳长作为输入量，利用二阶振荡系统的输入整形原理，并根据负载偏摆周期将运行机构加速过程分为多段匀加速过程或者减速过程分为多段匀减速过程，最终通过控制运行机构的运行抑制负载偏摆。同时，通过插值法对起重机多段匀变速过程进行了优化。本发明以负载最大允许摆幅作为输入量，充分考虑了起重机运行过程中的安全性，控制精度，显著提高了起重机的稳定性和工作效率。

Description

多段匀变速起重机智能防摇摆控制方法

技术领域

本发明涉及起重机领域，更具体地说，涉及一种多段匀变速起重机智能防摇摆控制方法。

背景技术

在经济快速化的今天，货物的搬运越来越频繁，对起重机的要求越来越高，起重机正在向着自动化、智能化和高效化发展。

现在市场上应用最广泛的依然是传统型起重机。传统起重机在运行机构运行过程中负载会不断地摇摆，严重影响了起重机的工作效率。因此传统型起重机大多在运行机构运行过程中依靠跟钩操作来消除负载的摇摆，但是这对工人的技术水平和操作经验要求较高，同时随着起重机运行速度的加快和起重绳长的不断增加，负载偏摆角度越来越大，跟钩操作已经不能满足货物搬运过程中的高效性。起重机防摇摆开始成为研究的重点和热点。

目前市场上在用的起重机防摇摆技术主要包括机械式防摇和电子式防摇。机械式防摇基于传统起重机，通过加装机械装置抵消负载偏摆的能量或者增加绳索刚性抑制负载偏摆来实现负载的防摇摆，属于传统起重机的改进型。机械式防摇实现简单，可操作性强，但是需增加复杂的机械设备或者液压装置，增加了起重机整体重量，降低了起重机的稳定性。电子式防摇基于先进的控制算法，利用强大的运算处理中心进行控制，通过信号采集设备采集负载偏摆角度信息传给控制中心做反馈修正。目前电子防摇多数是闭环控制，需要增加高精度的负载偏摆角度采集传感装置，成本较高，不适合市场的广泛应用。

同时，现在起重机防摇摆控制系统的相关研究多停留在理论研究层面，而理论研究又多集中在现代控制方法上，如模糊控制、鲁棒控制、自适应控制、神经网络控制等非线性控制方法，与实际应用的结合比较少。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种多段匀变速起重机智能防摇摆控制方法，可以减小和消除起重机运行过程中负载偏摆，提高了起重机的智能化水平和控制精度，稳定性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多段匀变速起重机智能防摇摆控制方法，将驱动起升机构水平移动的小车的运行过程设定为包含多段匀加速、多段匀速和多段匀减速过程；

小车的加速度a＝kx₁g/l，其中，当小车加速运行时，k＝1，当小车减速运行时，k＝-1；x₁为负载在小车运动方向上设定的最大允许摆幅的一半，g为重力加速度，l为起升绳长；

小车匀加速或匀减速的分段数每次匀加速或匀减速的时间匀速运动时间其中，round()为四舍五入取整函数，V_xmax为小车最大运行速度，π为圆周率。

上述方案中，采用插值法对小车的运动过程进行了优化，优化后的加速度为：

$a_{H3}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}2a(1-2\frac{t-t_{a1}}{t_{a1}}){\left(\frac{t}{t_{a1}}\right)}^2& \left(iT\right)\≤t\≤(t_{a1}+iT)\\ 2a(1+2\frac{t-t_{a2}}{t_a-t_{a2}}){\left(\frac{t-t_a}{t_{a2}-t_a}\right)}^2& (t_{a1}+iT)\≤t\≤(t_a+iT)\end{array}\right.$

式中，t为小车加速运行时间，i＝0,1,2...n，t_a为小车加速或者减速时间。

上述方案中，所述小车驱动起升机构沿X方向水平移动，所述起升机构还与大车连接，所述大车驱动小车和起升机构沿Y方向水平移动，所述大车的加速度控制方法与小车相同。

上述方案中，所述大车和小车与PLC连接，所述PLC与编码器连接，通过编码器测量起升机构的起升绳长。

实施本发明的多段匀变速起重机智能防摇摆控制方法，具有以下有益效果：

本发明采用负载的最大允许摆幅作为控制输入量，根据负载偏摆周期将小车加速或减速过程分为多段匀加速或多段匀减速过程，即在起重机启动时，通过控制起重机小车多段匀加速运行，或者在起重机制动时，通过控制起重机小车多段匀减速运行，来减小和消除起重机运行过程中负载偏摆。本发明方法基本不增加额外设备，实现简单、成本低，充分考虑了起重机的使用安全性，提高了起重机的智能化水平和控制精度，稳定性好。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是多段匀变速起重机智能防摇摆控制系统示意图；

图2是起重机运行机构多段匀加速过程中的速度示意图；

图3是起重机加速过程中负载偏摆示意图；

图4是起重机实验台架的动力学模型图；

图5是多段匀变速起重机智能防摇摆控制系统小车加速度和速度控制图；

图6是多段匀变速起重机智能防摇摆控制系统仿真结果图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-图6所示，本发明多段匀变速起重机智能防摇摆控制方法采用的控制系统主要包括信号采集端的编码器2、控制中心的PLC1、执行器、上位机监测显示部分的PC和触摸屏4。起重机包括起重机支架11、大车10、小车9和起升机构3，小车9驱动起升机构3沿X方向水平移动，大车10驱动小车9和起升机构3沿Y方向水平移动。小车9与小车电机7和小车变频器5连接，大车10与大车电机8和大车变频器6连接，小车变频器5、大车变频器6与PLC1连接。

具体的防摇摆控制过程为：根据实际使用情况，预先输入负载的最大允许摆幅和运行机构的各档位的速度，包括最大运行速度。编码器实时测量起升绳长，并将测量信息传递给控制中心和上位机。控制中心PLC根据编码器测量的起升绳长和预设负载的最大允许摆幅，基于起重机系统动力学分析规律，计算运行机构加速度和负载偏摆周期，并根据输入整形控制算法输出控制信号，最终通过改变变频器频率控制运行机构的多段匀变速运行来抑制负载的偏摆。同时，控制中心将运行机构运行参数通过无线发送至上位机进行监测并显示。

编码器通过总线将采集起吊绳长信息传输给PLC，PLC通过总线发送控制信息到执行器并接收运行机构运行过程中反馈的运行机构状态参数信息，PLC通过无线通信接受上位机预设负载摆幅和运行机构运行速度并将变频器反馈信息发送到上位机。控制器可以通过无线或有线通信实现起重机的运行控制。

小车加速度a的确定：根据实际需要预先在起重机智能防摇摆控制系统中设定负载的最大允许摆幅x、大车最大运行速度V_dmax和小车最大运行速度V_xmax。由于负载在大、小车运行方向上的防摇摆原理相同，以下以负载在小车加速运行过程中的防摇摆为例，来说明该防摇摆系统的控制方法。假定小车在以加速度a运行过程中，负载平衡角为β，则有在起吊平衡角位置时，负载在切线方向的加速度为：a_t＝gsinβ-acosβ＝0,化简得:tanβ＝a/g。当β很小时，可以取:tanβ＝a/g≈β，式中g为重力加速度。假定负载偏摆角度为θ，由负载在小车加速过程中的偏摆是以平衡位置为中心的单侧偏摆，则有设定最大允许摆幅x为负载在小车加速过程中以平衡位置为偏摆中心摆幅x₁的2倍，即x＝2x₁，又由负载摆幅x₁与起吊绳长l的几何关系得x₁＝lsinθ。一般θ≤10°，则有θ≈x₁/l，令β＝θ，则有小车加速度为a＝x₁g/l。负载在小车加、减速运行过程中的防摇摆控制原理相同，加速度方向相反。

小车匀加速和匀减速的分段数n、每段匀加速或匀减速的时间t_a和匀速运动时间t的确定方法如下：小车最大运行速度为V_xmax，根据二阶振荡系统输入整形原理可知，小车匀加速和匀减速的理论分段数的计算公式为：采用四舍五入函数round()对n₁进行取整，则则有起重机每段匀加速或匀减速的速度增量为每次匀加速或匀减速的时间为又负载在小车加速过程中的偏摆周期为在小车匀速运行时的偏摆周期为则有负载在小车多段匀加速或者匀减速过程中的偏摆周期T介于二者之间。同时，由负载摆幅x₁＝lsinθ和小车加速度a＝x₁g/l联立知a＝gsinθ。由实际情况可知，一般负载偏摆角度θ≤10°，则有在负载偏摆角度最大时，a²/g²＝sin²θ≈0.03，即小车加速度平方相比重力加速平方很小，可以忽略，则有负载在小车多段匀变速过程中的偏摆周期可取为令每段运行时间为T/2，则有匀速运动时间为：

起重机智能防摇摆控制系统控制算法理论依据如下：本起重机防摇摆控制系统基于输入整形原理，以最简单的双脉冲二阶输入整形为例，第一个脉冲在零时刻产生振荡，第二个脉冲延迟一定时间后产生的振荡与第一个振荡幅值大小相同，方向相反，从而消除振荡。进而可以推广到多脉冲的输入整形同样适用。表现在起重机运行过程中负载的防摇摆控制上，脉冲为小车加速度，延时时间为小车偏摆周期一半，即在小车加速或者减速过程中控制小车加速过程分为多段匀加速过程或者减速过程分为多段匀减速过程，通过合理的控制小车的多段匀变速过程从而抑制负载的偏摆，提高了起重机防摇摆控制系统的鲁棒性，控制精度高，运行稳定性好。多脉冲时的输入整形器脉冲幅值和时滞为：式中A_i为负载摆幅，t_i为输入整形器不同脉冲之间的时滞时间。

负载在起重机防摇摆过程中的偏摆规律如下：负载在小车多段匀加、减速过程中的防摇摆原理相同、偏摆方向相反，因此以负载在小车多段匀加速过程中的偏摆规律结合附图2和附图3为例来说明起重机防摇摆的过程。假定起重机启动时，负载在小车下方竖直方向静止。当小车以加速度a加速运行，负载在惯性力作用下由竖直位置开始偏摆，偏摆角度θ不断增大，小车加速运行时间t_a后开始以速度v₁匀速行驶，当负载偏摆到最大偏摆角度θ_max时，负载在运行机构运行方向上的速度分量与运行机构速度v₁相同，负载相对小车静止。此时，小车开始以相同加速度再次加速运行，负载偏摆角度开始减小，小车加速运行时间t_a后，小车开始以速度v₂匀速行驶，当负载回到起始偏摆位置时，由于在以小车为参考系的坐标系中，在负载偏摆角度增大和偏摆角度减小的两个过程中起吊绳始终与负载运动方向垂直，不做功，故只有重力、惯性力对其做功，且由于两个过程负载偏摆角度相同，重力整个过程做功为0。同时，小车在两个过程中均以加速度a加速时间t_a，则负载相对于小车的惯性力在两个过程中做功相同，则由机械能守恒得负载在两个过程中相对小车的速度变化量相同，也即负载在回到起始位置时相对小车静止，从而有效抑制了负载在小车加速过程中的偏摆，进而可以推出小车多段匀加速过程中的负载偏摆规律。负载在小车多段匀减速过程中的偏摆规律与上述规律类似，只是负载偏摆方向相反。

起重机防摇摆控制系统采用插值法对起重机多段匀变速过程进行了优化，具体表现为：采用插值法中的低阶Hermite函数优化小车多段匀加速过程，实现小车在多段匀加速过程中加速过程与匀速过程或者匀速过程与减速过程的平滑过渡，显著提高了小车加速过程的平稳性。同时，Hermite加速曲线实现简单，操作方便，可以很好地实现工程的应用。低阶Hermite函数优化后的加速度为：

式中，t为小车加速运行时间，i＝0,1,2...n，为提高效率，本控制系统取t_a1＝t_a2的情况，即t_a为大车或小车加速或者减速时间。

本发明的具体实现步骤如下：

(1)预设阶段，打开PC电脑端或触摸屏端的无线通信，建立监测显示软件与控制中心PLC的通信连接，输入负载的最大允许摆幅、大车和小车各档位的运行速度，包括最大运行速度。

(2)起升绳长标定。启动起升绳长的标定软件，标定软件记录编码器测得的初始起升绳长l₁，然后控制起升机构运行指定距离l₀，标定软件再次记录编码器测得的距离l₂，最后通过比较标定软件两次测得的距离差值Δl＝|l₁-l₂|和运行的指定距离l₀之间的偏差，修正编码器测量误差，提高防摇摆控制系统的精度。

(3)起升阶段。启动起重机防摇摆控制系统，同时控制起升机构将负载提升至安全高度。

(4)小车多段匀加速运行阶段。根据输入的最大允许摆幅和编码器实时测量的绳长控制中心PLC计算出小车加速度a和负载偏摆周期T并控制小车由静止开始以加速度a加速运行，运行时间为速度变化量为然后小车以速度v_i+1＝v_i+v，(i＝0,1,2,...)匀速运行，运行时间为t＝T/2-t_a。同时，负载由竖直方向开始沿小车运动的相反方向偏摆，负载偏摆角度不断增大，当负载沿小车运动反向的速度分量与小车匀速运行速度v₁₊₁相同时，负载偏摆角度达到最大。此时，小车再次以加速度a加速运行，加速运行时间为速度变化量为然后小车以速度v_i+2＝v_i+1+v,(i＝0,1,2,...)匀速运行，运行时间为t＝T/2-t_a。同时，负载偏摆角度开始减小，当负载回到起始偏摆位置时，负载在小车运动方向上的速度与小车运行速度相同，负载相对于运行机构静止。下一时刻小车以负载在对应起升绳长下的偏摆周期和加速度再次开始加速、匀速过程，当小车速度增加到小车运行档位对应的速度时，小车开始匀速行驶，且负载在小车运动方向上相对小车静止。

(5)小车多段匀减速运行阶段。根据输入的最大允许摆幅和编码器实时测量的绳长控制中心PLC计算出小车减速过程中的加速度a和负载偏摆周期T并控制小车由匀速运行开始以加速度a减速运行，减速运行时间为速度变化量为然后小车以速度v_i+1＝v_i-v，(i＝0,1,2,...)匀速运行，运行时间为t＝T/2-t_a。同时，负载由竖直方向开始沿着小车运动方向偏摆，负载偏摆角度不断增大，当负载沿小车运动方向速度分量与小车运行速度v₁₊₁相同时，负载偏摆角度达到最大。此时，小车再次以加速度a减速运行，减速运行时间为速度变化量为然后小车以速度v_i+2＝v_i+1-v,(i＝0,1,2,...)匀速运行，运行时间为t＝T/2-t_a。同时，负载偏摆角度开始减小，当负载回到起始偏摆位置时，负载在小车运动方向的速度与小车运行速度相同，负载相对于小车静止。下一时刻小车以负载在对应起升绳长下的偏摆周期和加速度再次开始加速、匀速过程，当小车速度减小到0时或者对应档位速度时，小车停止或者匀速运行，且负载在小车运动方向相对小车静止。

(6)多段匀变速起重机智能防摇控制系统的实施过程(1)～(5)应理解只是为了说明本防摇摆控制系统的全部实施过程，在实际应用中只需要根据使用需求在安装调试过程中进行初始设定即可。

上述试验案例只为更好的说明本发明专利的内在本质，并不能限制本发明的应用范围。多段匀变速起重机智能防摇摆控制系统应理解为采用负载的最大允许摆幅作为控制系统输入量，基于二阶振荡系统的输入整形原理，根据负载偏摆周期将小车和大车加速或减速过程分为多段匀加速或多段匀减速过程，即在起重机启动时，通过控制起重机大小车多段匀加速运行，或者在起重机制动时，通过控制起重机大小车多段匀减速运行，来减小和消除起重机运行过程中负载偏摆的多段匀加速或者多段匀减速的起重机智能防摇摆控制系统。

仿真实例

本多段匀变速起重机智能防摇摆控制系统，采用动力学和控制软件进行联合模拟仿真，即通过Adams建立起重机动力学模型，起重机动力学模型如附图4所示，通过Matlab建立防摇摆控制系统控制模型。因为起重机大、小车运行过程中的防摇摆控制原理相同，因此以下以负载在小车多段匀加速运行过程中的防摇摆仿真为例来说明防摇摆控制过程。具体主要设置参数为：负载最大允许摆幅为x＝0.16m，小车最大运行速度为v_xmax＝1m/s，起升绳长为l＝1.725m。多段匀变速起重机智能防摇摆控制系统具体控制过程为：

1、建立起重机动力学模型和防摇摆控制系统控制模型的联合仿真模型并检查起重机联合仿真模型，确保起重机负载处于小车下方竖直位置；

2、按照本防摇摆控制系统要求在控制系统模型输入负载最大允许摆幅、小车最大运行速度和起升绳长，运行联合仿真模型；

3、依据本起重机防摇摆控制系统控制算法，在小车多段匀加速运行过程中，防摇摆控制系统模型根据输入摆幅计算小车运行加速度为a＝0.454m/s²，根据起升绳长计算得偏摆周期T＝2.636s，根据小车最大运行速度可得理论分段数为n₁＝3.7，利用四舍五入取整得小车多段匀加速运行过程中的分段数为n＝4，进一步可得小车每段匀加速运行时间为t_a＝0.55s，速度变化量为：v＝0.25m，/s小车每段匀速运行速度为：v_i+1＝v_i+0.25，i＝0,1,2,3，小车每段匀速运行时间为t＝0.767s。

4、利用Hermite函数对小车多段匀加速过程优化后可得小车加速度为式中，i＝0,1,2,3。

5、小车多段匀减速过程为小车多段匀加速过程的相反过程，防摇摆控制系统参数基本相似，这里只列举系统计算不同的参数，具体表现为：小车每段匀速运行速度为：

v_i+1＝v_i-0.25，i＝0,1,2,3，利用Hermite函数对小车多段匀减速过程优化后可得小车减速过程中的加速度为：

$a_{H3}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}-0.908(1-2\frac{t-0.275}{0.275}){\left(\frac{t}{0.275}\right)}^2& \left(1.318i\right)\≤t\≤(0.275+1.318i)\\ -0.908(1+2\frac{t-0.275}{0.275}){\left(\frac{t-0.55}{0.275}\right)}^2& (0.275+1.318i)\≤t\≤(0.55+1.318i)\end{array}\right.$

式中，i＝0,1,2,3。

起重机智能防摇摆控制系统的仿真过程中控制系统生成的小车加速度曲线和小车速度曲线如附图5所示，图中自变量为小车运行时时间，因变量为小车加速度和小车速度。负载在小车多段匀变速运行过程中的偏摆角度和摆幅曲线以及负载在无防摇摆时的小车加速过程中的偏摆角度和摆幅曲线如附图6所示。图中自变量为时间t，因变量为负载偏摆角度和负载摆幅。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种多段匀变速起重机智能防摇摆控制方法，其特征在于，将驱动起升机构水平移动的小车的运行过程设定为包含多段匀加速、多段匀速和多段匀减速过程；

小车的加速度a＝kx₁g/l，其中，当小车加速运行时，k＝1，当小车减速运行时，k＝-1；x₁为负载在小车运动方向上设定的最大允许摆幅的一半，g为重力加速度，l为起升绳长；

小车匀加速或匀减速的分段数每次匀加速或匀减速的时间匀速运动时间其中，round()为四舍五入取整函数，V_xmax为小车最大运行速度，π为圆周率。

2.根据权利要求1所述的多段匀变速起重机智能防摇摆控制方法，其特征在于，采用插值法对小车的运动过程进行了优化，优化后的加速度为：

$a_{H3}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}2a\left(1-2\frac{t-t_{a1}}{t_{a1}}\right){\left(\frac{t}{t_{a1}}\right)}^2& \left(iT\right)\≤t\≤\left(t_{a1}+iT\right)\\ 2a\left(1+2\frac{t-t_{a2}}{t_a-t_{a2}}\right){\left(\frac{t-t_a}{t_{a2}-t_a}\right)}^2& \left(t_{a1}+iT\right)\≤t\≤\left(t_a+iT\right)\end{array}\right.$

式中，t为小车加速运行时间，i＝0,1,2...n，t_a为小车加速或者减速时间。

3.根据权利要求1所述的多段匀变速起重机智能防摇摆控制方法，其特征在于，所述小车驱动起升机构沿X方向水平移动，所述起升机构还与大车连接，所述大车驱动小车和起升机构沿Y方向水平移动，所述大车的加速度控制方法与小车相同。

4.根据权利要求3所述的多段匀变速起重机智能防摇摆控制方法，其特征在于，所述大车和小车与PLC连接，所述PLC与编码器连接，通过编码器测量起升机构的起升绳长。