用于环保行业起重设备的减摆控制系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及起重设备技术领域，具体地说是一种用于环保行业起重设备的减摆控制系统及其控制方法。


背景技术：

2.起重设备在工业上得到了广泛的应用，桥式起重设备是使用范围最广、数量最多的一种起重机械，广泛应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。桥式起重设备是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重设备，又称天车。由于它的两端坐落在高大的水泥柱或者金属支架上，形状似桥。桥式起重设备的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道2纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。
3.然而，桥式起重设备存在严重的问题，起重设备的加速度是运动所必需的，但由于起重设备的负载通常是悬挂在柔性绳索上移动的，因此，总是会引起不希望的负载摆动，这种摆动通常会降低工作效率，在最严重的情况下，有时还会导致负荷损坏，甚至发生安全事故。
4.同时，大多数普通的桥式起重设备在快速运动后突然移除有效载荷时会导致摆动，摆动运动虽然最终可以减少，但是仍然存在耗时、降低设施可用性及生产率的问题。如果不能有效控制减摆问题，可能导致事故发生，并可能伤害人员和周围环境。
5.由于复杂性的起重设备动力学，实现高性能的减摆控制并不容易。首先，它们是典型的不完全驱动系统，对其控制远比自由度少；其次，它们具有最小相位特性，当向前加速时，负载开始向后移动；再有，当绳长因负载提升而改变时，它们的动力学与轨迹有关。因此，减摆控制被认为是最具挑战性的问题之一，引起了控制界的广泛关注。
6.因此，如何提供一种减摆控制系统，以实现能够保证移动位置的控制精确，以及减少负载摆动，提高工作效率，避免安全隐患的出现，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本技术的目的在于提供一种用于环保行业起重设备的减摆控制系统及其控制方法，以实现能够保证移动位置的控制精确，以及减少负载摆动，提高工作效率，避免安全隐患的出现。
8.为了达到上述目的，本技术提供如下技术方案。
9.一种用于环保行业起重设备的减摆控制系统，包括主控制器、发动机、吊运车、轨道、主梁、钢丝绳；
10.所述吊运车设置在所述主梁上，所述主梁架设在所述轨道上；
11.所述主控制器包括位置控制器和减摆控制器；
12.所述位置控制器用于控制起重设备的位置、绳长及速度，所述减摆控制器用于控
制钢丝绳的摆动；
13.所述主控制器连接有实时控制处理器，所述实时控制处理器分别与所述位置控制器、减摆控制器连接。
14.优选地，所述发动机包括：
15.第一发动机，其用于驱动所述主梁在所述轨道上移动；
16.第二发动机，其用于驱动所述吊运车在所述主梁上移动；
17.第三发动机，其用于驱动所述钢丝绳上下移动；
18.所述实时控制处理器通过电机驱动器分别与所述第一发动机、第二发动机、第三发动机连接。
19.优选地，所述减摆控制系统还包括位移传感器，所述位移传感器包括：
20.第一位移传感器，其设置在所述轨道上，并与所述实时控制处理器连接；
21.第二位移传感器，其设置在所述主梁上，并与所述实时控制处理器连接。
22.优选地，所述钢丝绳一端固定在所述吊运车上，另一端连接有吊钩5，用于吊装负载；
23.所述钢丝绳在位于所述吊运车上方连接有角度传感器，所述角度传感器与所述实时控制处理器连接。
24.优选地，所述位置控制器包括位置控制模型和速度动力模型；
25.所述位置控制模型采用环路成形法，即得k
p
(s)：
[0026][0027]
式中：k
pp
和k
pi
均为积极控制增益；s为自变量。
[0028]
所述速度动力模型gv(s)：
[0029][0030]
式中：v为起重设备速度输出值(m/s)；vr为起重设备参考速度值(v)；ω为固有频率增益；ks为低频增益；ζ为控制阻尼比；s为自变量。
[0031]
优选地，所述位置控制器参数值包括所述位置控制模型的参数值和所述速度动力模型的参数值，即g
x
(s)：
[0032][0033]
其中，
[0034]
式中：s为自变量，x为输出位置，xr为参考位置。
[0035]
优选地，所述位置控制器还包括前馈控制模型，所述前馈控制模型能够减小升降运动的滞后；
[0036]
所述前馈控制模型fc：
[0037][0038]
式中：s为自变量，xr为参考位置。
[0039]
优选地，减摆控制器包括模糊逻辑控制模型和负载摆动动力模型；
[0040]
所述负载摆动动力模型g
l
(s)：
[0041][0042]
式中：l为钢丝绳的长度，s为自变量，g为重力加速度。
[0043]
优选地，模糊逻辑控制模型包括模糊化输入、模糊控制规则、模糊推理和去模糊化输出；
[0044]
所述模糊控制规则采用与摆角角度和摆角速度均成正比的方法；
[0045]
所述模糊推理采用曼达尼最小-最大法，即模糊控制输出u0(u)：
[0046][0047]
式中：θi为摆角的模糊集隶属函数，
△
θi为摆角变化的模糊集隶属函数，ui为控制动作的模糊集隶属函数，θ0为输入的摆角，
△
θ0为输入的摆角变化值；
[0048]
所述去模糊化输出采用重心法，即u0：
[0049][0050]
由此得，所述模糊逻辑控制模型的减摆控制输出值ua：
[0051][0052]
式中：l为钢丝绳的长度，u0为去模糊化输出值。
[0053]
一种用于环保行业起重设备的减摆控制系统的控制方法，包括以下步骤：
[0054]
101、定义空间摆动角度，建立起重设备动力模型和速度模型；
[0055]
102、步骤101后，建立位置控制器和减摆控制器的算法。
[0056]
103、步骤102后，主控制器启动，发动机控制吊运车、主梁、钢丝绳的移动位置；
[0057]
104、步骤103后，角度传感器、位移传感器将监测的数据传输给实时控制处理器，实时控制处理器对采集信号进行转换；
[0058]
105、步骤104后，实时控制处理器将转换后的信号传输给位置控制器和减摆控制器，位置控制器和减摆控制器进行一系列的模型数据处理，得出相应的输出值；
[0059]
106、步骤105后，将输出值发送至实时控制处理器，执行控制指令。
[0060]
本发明所获得的有益技术效果：
[0061]
1)本发明解决了现有技术中起重设备容易出现负载摆动，降低工作效率，及存在安全隐患的缺陷，本发明在起重设备同时进行横向、纵向及升降运动时，能够保证移动位置的控制精确，以及减少负载摆动，且控制方法具有稳定性和有效性；
[0062]
2)本发明中分别设置位置控制器和减摆控制器，对横向、纵向位置移动和升降运动是独立控制的，所以在升降轨迹上只有较小的滞后，能够有效提高机械工作效率；对碰撞具有较强的稳定性，即使运动过程中存在碰撞，其控制性能对于起重设备同时进行横向、纵向及升降运动也是非常稳定的；
[0063]
3)本发明控制精度不受负载质量的影响，起重设备在达到预定位置后，稳态位置误差均为零，且在2～3s左右负载摆动完全消失；通过设置锁绳机构，有利于防止钢丝绳放绳过度，能够实现精确控制钢丝绳长度。
[0064]
上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
[0065]
根据下文结合附图对本技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
[0066]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，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。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0067]
图1是本公开一种实施例中用于环保行业起重设备的减摆控制系统的结构示意图；
[0068]
图2是本公开一种实施例中用于环保行业起重设备的减摆控制系统的侧视图；
[0069]
图3是本公开一种实施例中模糊输入定义及隶属函数；
[0070]
图4是本公开一种实施例中定义的坐标系；
[0071]
图5是本公开一种实施例中负载受碰撞后x轴、y轴方向摆角随时间变化曲线。
[0072]
在以上附图中：1、吊运车；2、轨道；3、主梁；4、钢丝绳；5、吊钩；6、角度传感器；7、第一位移传感器；8、第二位移传感器；9、第一发动机；10、第二发动机；11、第三发动机。
具体实施方式
[0073]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本技术的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本技术的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。
[0074]
此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
[0075]
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
[0076]
本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和b的至少一种，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
[0077]
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个
实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。
[0078]
实施例1
[0079]
如附图1所示，一种用于环保行业起重设备的减摆控制系统，包括主控制器、发动机(附图中未标识)、吊运车1、轨道2、主梁3、钢丝绳4。
[0080]
所述吊运车1设置在所述主梁3上，所述吊运车1相对所述主梁3能够滑动。
[0081]
进一步的，所述吊运车1下端设置有滚轮，所述主梁3上端设置有与所述滚轮匹配的滑道，实现所述滚轮在所述滑道内滑行。
[0082]
所述主梁3架设在所述轨道2上，所述主梁3相对所述轨道2移动。
[0083]
进一步的，所述主梁3下端设置有滑轮，所述轨道2上设置有与所述滑轮匹配的滑槽，实现所述滑轮在所述滑槽内滑动。
[0084]
所述主控制器包括位置控制器和减摆控制器，所述位置控制器用于控制起重设备的位置、绳长及速度，所述减摆控制器用于控制钢丝绳4的摆动。
[0085]
所述主控制器连接有实时控制处理器，所述实时控制处理器分别与所述位置控制器、减摆控制器连接。
[0086]
在一个实施例中，所述发动机包括第一发动机9、第二发动机10及第三发动机11。
[0087]
所述第一发动机9设置在所述主梁3上，用于驱动所述主梁3在所述轨道2上移动。
[0088]
所述第二发动机10设置在所述吊运车1上，用于驱动所述吊运车1在所述主梁3上移动。
[0089]
所述第三发动机11设置在所述吊运车1上，用于驱动所述钢丝绳4的上下移动。
[0090]
所述第一发动机9、第二发动机10、第三发动机11分别与所述实时控制处理器连接的电机驱动器连接。
[0091]
如附图2所示，所述钢丝绳4一端固定在所述吊运车1上，另一端连接有吊钩5，用于吊装负载。
[0092]
所述钢丝绳4在位于所述吊运车1上方连接有角度传感器6，用于测量二维方向上的摆动角度；所述角度传感器6与所述实时控制处理器连接。
[0093]
进一步的，所述吊运车1上设置有锁绳机构，所述钢丝绳4一端固定在所述锁绳机构上，另一端连接有吊钩5，用于吊装负载。
[0094]
在一个实施例中，所述锁绳机构包括拉板、滑轮、弹簧、压绳轮及压绳油缸。
[0095]
所述拉板固定在所述滑轮的中心轴上，所述钢丝绳4缠绕在所述滑轮上，所述第三发动机11通过转轴驱动所述拉板转动，进而带动钢丝绳4的收放。
[0096]
所述弹簧一端固定在所述滑轮中心轴上，另一端固定在所述压绳轮上，所述压绳轮与所述压绳油缸连接，当压绳油缸伸出，推动压绳轮固定所述滑轮，阻挡滑轮继续放绳，有利于防止钢丝绳4放绳过度，实现精确控制钢丝绳4长度。
[0097]
进一步的，所述减摆控制系统还包括位移传感器，所述位移传感器包括第一位移传感器7和第二位移传感器8。
[0098]
所述第一位移传感器7设置在所述轨道2上，并与所述实时控制处理器连接。
[0099]
所述第二位移传感器8设置在所述主梁3上，并与所述实时控制处理器连接。
[0100]
实施例2
[0101]
基于上述实施例1，相同之处不再赘述，所不同之处在于，所述位置控制器包括位置控制模型和速度动力模型；
[0102]
所述位置控制模型采用环路成形法，即得kp(s)：
[0103][0104]
式中：k
pp
和k
pi
均为积极控制增益；s为自变量。
[0105]
所述速度动力模型gv(s)：
[0106][0107]
式中：v为起重设备速度输出值(m/s)；vr为起重设备参考速度值(v)；ω为固有频率增益；ks为低频增益；ζ为控制阻尼比；s为自变量。
[0108]
其中，
[0109]
所述位置控制器参数值包括所述位置控制模型的参数值和所述速度动力模型的参数值，即gx(s)：
[0110][0111]
其中，
[0112]
式中：s为自变量，x为输出位置，xr为参考位置。
[0113]
优选地，所述位置控制器还包括前馈控制模型，所述前馈控制模型能够减小升降运动的滞后；
[0114]
所述前馈控制模型fc：
[0115][0116]
式中：s为自变量，xr为参考位置。
[0117]
所述减摆控制器包括模糊逻辑控制模型和负载摆动动力模型；
[0118]
所述负载摆动动力模型g
l
(s)：
[0119][0120]
式中：l为钢丝绳的长度，s为自变量，g为重力加速度。
[0121]
所述模糊逻辑控制模型包括模糊化输入、模糊控制规则、模糊推理和去模糊化输出。
[0122]
如附图3所示，所述模糊化输入的定义方式，其中，nb、nm、ns、zr、ps、pm、pb分别表示输入w的模糊集及其隶属函数，输入w表示每个摆角、摆角变化和控制动作，w
max
为实际的增益调整标准。
[0123]
所述模糊控制规则采用与摆角角度和摆角速度均成正比的方法，θ为摆角，δθ为摆角变化，如表1所示。
[0124]
表1模糊控制规则
[0125][0126]
所述模糊推理采用曼达尼最小-最大法，即模糊控制输出u0(u)：
[0127][0128]
式中：θi为摆角的模糊集隶属函数，
△
θi为摆角变化的模糊集隶属函数，ui为控制动作的模糊集隶属函数，θ0为输入的摆角，
△
θ0为输入的摆角变化值；
[0129]
所述去模糊化输出采用重心法，即u0：
[0130][0131]
所述模糊逻辑控制模型的减摆控制输出值ua：
[0132][0133]
式中：l为钢丝绳的长度，u0为去模糊化输出值。
[0134]
实施例3
[0135]
基于上述实施例2，一种减摆控制系统的控制方法，包括以下步骤：
[0136]
101、定义空间摆动角度，建立起重设备动力模型和速度模型；
[0137]
201、定义空间摆动角度。
[0138]
首先，建立xyz惯性坐标系，x
tytzt
是附着在吊运车上的执行坐标系，原点是惯性坐标系中的(x,y,0)，如附图4所示，y
t
轴定义为主梁沿轨道移动方向，x
t
轴定义为吊运车沿主梁移动方向。
[0139]
其次，定义θ为负载在空间的摆角，其中包括θ
x
和θy，θ
x
为x
tzt
平面的摆角，θy为y
tzt
平面的摆角。
[0140]
最后，得到负载的位置坐标(xm,ym,zm)：
[0141]
xm＝x+lsinθ
x
cosθyꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0142]
ym＝y+lsinθyꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0143]
zm＝-lcosθ
x
cosθyꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0144]
式中：l为钢丝绳的长度。
[0145]
202、建立起重设备动力模型。
[0146]
x轴和y轴方向动力模型相同，以x轴上的第二发动机为例。
[0147]
x轴动力模型：
[0148][0149]
式中：m
x
为x轴方向的重量，d
x
为x轴方向起重设备的粘性阻尼系数，为吊运车的加速度，为吊运车的速度，k
x
为起重设备增益，u
x
为发动机控制器的输入。
[0150]
x轴摆角动力模型：
[0151][0152]
式中：l为钢丝绳的长度，为摆角加速度，为吊运车的加速度，g为重力加速度，θ
x
为x
tzt
平面的摆角。
[0153]
z轴(升降方向)动力模型：
[0154][0155]
式中：m
l
为升降方向移动设备的重量，为钢丝绳的加速度，为钢丝绳的速度，d
l
为升降方向起重设备的粘性阻尼系数，k
l
为起重设备增益，u
l
为第三发动机的控制器输入。
[0156]
203、建立速度动力模型，x轴和y轴方向的行程运动与负载提升方向的动力学相同，因此，可以使用相同的控制算法来控制行程运动和提升运动。
[0157]
起重设备由发动机驱动，其角速度由速度控制器控制，对速度动力学gv(s)进行了建模，其中s为自变量复变函数。
[0158]
将步进基准输入速度控制器，然后将起重设备的速度作为输出进行测量，然后，从输入和输出的关系，即得速度动力模型gv(s)。
[0159][0160]
式中：v为起重设备速度输出值(m/s)；vr为起重设备参考速度值(v)；ω为固有频率增益；ks为低频增益；ζ为控制阻尼比；s为自变量。
[0161]
102、步骤101后，建立位置控制器和减摆控制器的算法；
[0162]
其中，所述位置控制器参数值包括所述位置控制模型和所述速度动力模型，即gx(s)：
[0163][0164]
其中，
[0165]
式中：s为自变量，x为输出位置，xr为参考位置。
[0166]
其中，所述减摆控制器通过模糊逻辑控制模型和负载摆动动力模型进一步调整所述位置控制器的参数值。
[0167]
103、步骤102后，主控制器启动，发动机控制吊运车、主梁、钢丝绳的移动位置；
[0168]
104、步骤103后，角度传感器、位移传感器将监测的数据传输给实时控制处理器，实时控制处理器对采集信号进行转换；
[0169]
105、步骤104后，实时控制处理器将转换后的信号传输给位置控制器和减摆控制器，位置控制器和减摆控制器进行一系列的模型数据处理，得出相应的输出值；
[0170]
106、步骤105后，将输出值发送至实时控制处理器，执行控制指令。
[0171]
基于上述实施例，设定x轴方向上k
pi
为1，k
pp
为20；y轴方向上k
pi
为1.5，k
pp
为30；z轴方向上k
pi
为2，k
pp
为40；θ
max
为5
°
，θ
max
为0.5
°
。将上述参数用于横向、纵向位置移动，如附图5所示，起重设备在运动过程中所受负载被碰撞后的摆角变化。
[0172]
由图5可知，在4s时负载受碰撞冲击，碰撞后，x轴和y轴两个方向的摆动角迅速增加到7
°
左右，但碰撞仅在碰撞后5秒左右对控制产生影响。结果表明，该控制系统对碰撞冲击具有较强的稳定性控制，尽管存在碰撞，但其控制性能对于起重设备同时进行横向、纵向
位置移动及升降运动是非常好的。
[0173]
本发明对起重设备横向、纵向位置移动和升降运动是独立控制的，所以在升降轨迹上只有较小的滞后，能够有效提高机械工作效率；本发明对碰撞具有较强的稳定性，即使运动过程中存在碰撞，其控制性能对于起重设备同时进行横向、纵向及升降运动也是非常稳定的；本发明控制精度不受负载质量的影响，起重设备在达到预定位置后，稳态位置误差均为零，且在2～3s左右负载摆动完全消失。
[0174]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。