本發(fā)明涉及用于起重機的起重機控制器，該起重機包括用于提升懸掛在纜繩上的負載的提升齒輪(hoistgear)。根據本發(fā)明，起重機控制器包括主動升降補償，主動升降補償通過致動提升齒輪而至少部分地補償由于升降而導致的纜繩懸掛點和/或負載堆積點的移動。起重機控制器還包括操作員控制件，操作員控制件參考操作員指定而致動提升齒輪。

背景技術：
例如，從DE102008024513A1中已知的這種起重機控制器。提供了預測裝置，預測裝置參考被確定了的當前的升降移動和升降移動的模型而預測纜繩懸掛點的未來移動，其中，路徑控制器當致動提升齒輪的時候考慮所預測的移動。但是，已知的起重機控制器對于一些需求不是足夠靈活的。此外，在升降補償失敗的情況下可能發(fā)生問題。

技術實現要素：
因此，本發(fā)明的目的是，提供改進了的具有主動升降補償件和操作員控制件的起重機控制器。根據本發(fā)明，在第一方面，提供一種用于起重機的起重機控制器，所述起重機包括用于提升懸掛在纜繩上的負載的提升齒輪，所述起重機控制器包括：主動升降補償件，所述主動升降補償件通過致動所述提升齒輪而至少部分地補償由于所述升降導致的所述纜繩的懸掛點和/或負載堆積點的移動，以及操作員控制件，所述操作員控制件參考所述操作員的指定而致動所述提升齒輪，所述提升齒輪的至少一個運動學約束量的分割能夠在升降補償件與操作員控制件之間調節(jié)。在第二方面，提供一種用于起重機的起重機控制器，所述起重機包括用于提升懸掛在纜繩上的負載的提升齒輪，特別地，該起重機控制器為根據上述的起重機控制器，包括主動升降補償件，其通過致動所述提升齒輪而至少部分地補償由于所述升降導致的所述纜繩的懸掛點和/或負載堆積點的移動，以及操作員控制件，其參考所述操作員的指定而致動所述提升齒輪，所述控制器包括兩個分離的路徑設計模塊，通過所述兩個分離的路徑設計模塊，用于所述升降補償件和所述操作員控制件的軌跡彼此分離地計算，從而實現這個目的。在第一方面，本發(fā)明顯示了用于起重機的起重機控制器，包括用于提升懸掛在纜繩上的負載的提升齒輪。提供了主動升降補償件，主動升降補償件通過致動提升齒輪而至少部分地補償由于升降導致的纜繩懸掛點和/或負載堆積點的移動。而且，提供了操作員控制件，其參考操作員的指定而致動提升齒輪。根據本發(fā)明，提升齒輪的至少一個運動學約束量的分割可在升降補償件和操作員控制件之間調節(jié)。這樣，起重機操作員自己可以分開提升齒輪的該至少一個運動學約束量，從而確定它的哪個部分是對于升降的補償可用的以及哪個部分是對于操作員控制件可用的。提升齒輪的該至少一個運動學約束量例如可以是提升齒輪的最大可用功率和/或最大可用速度和/或最大可用加速度。提升齒輪的該至少一個運動學約束量的分割因此可以包括提升齒輪的最大可用功率和/或最大可用速度和/或最大可用加速度的分割。有利地，通過至少一個加權因子實現該至少一個運動學約束量的分割，通過該至少一個加權因子，提升齒輪的最大可用功率和/或速度和/或加速度在升降補償件和操作員控制件之間分開。特別地，提升齒輪的最大可用速度和/或最大可用加速度可以由起重機操作員在升降補償件和操作員控制件之間分開。有利地，至少在部分區(qū)域上，可無級地調節(jié)該分割。因此，對于起重機操作員變得可能的是，敏感地分開提升齒輪的至少一個運動學約束量。根據本發(fā)明，可以進一步可能的是，通過將提升齒輪的全部的至少一個運動學約束量分配至操作員控制件而關斷升降補償件。因此變成可能的是，通過分割的調節(jié)而同時完全地關斷主動升降補償件。有利地，從被完全地關斷的操作員控制件和/或朝向被完全地關斷的操作員控制件，可以進行提升齒輪的該至少一個運動學約束量的分割的無級調節(jié)是可能的。這使得能在純操作員控制件與主動升降補償件之間實現穩(wěn)定轉換。在第二方面，本發(fā)明包括用于起重機的起重機控制器，該起重機包括用于提升懸掛在纜繩上的負載的提升齒輪。起重機控制器包括主動升降補償件，該主動升降補償件通過致動提升齒輪而至少部分地補償由于升降導致的纜繩懸掛點和/或負載堆積點的移動。而且提供操作員控制件，該操作員控制件參考操作員的指定而致動提升齒輪。根據本發(fā)明，控制器包括兩個分離的路徑設計模塊，通過該兩個分離的路徑設計模塊，用于升降補償件的軌跡和用于操作員控制件的軌跡彼此獨立地計算。在升降補償失敗的情況下，起重機因此可以仍然通過操作員控制件而致動，而不用必須使用針對這個目的的單獨的控制單元，并且如果沒有這個，將導致不同的操作行為。有利地，在該兩個分離的路徑設計模塊中，提升齒輪的位置和/或速度和/或加速度的軌跡均被計算。而且有利地，由該兩個分離的路徑設計模塊指定的軌跡被累計并且用作用于提升齒輪的控制和/或調節(jié)的設定點值。此外，可以設置，使得提升齒輪的控制將測量值反饋到提升絞盤(winch)的位置和/或速度,因此比較了設定點值與實際值。而且，提升齒輪的致動可以考慮提升絞盤的驅動的動力學。特別地，可提供相應的引導控制以實現這個目的。有利地，其基于提升絞盤的驅動的動力學的物理模型的反轉。有利地，該兩個分離的路徑設計模塊每個獨立地考慮該驅動的至少一個約束，并且因此產生可以實際地被提升齒輪接近的目標軌跡。有利地，起重機控制器在升降補償件和操作員控制件之間分割至少一個運動學約束量。特別地，提升齒輪的最大可用功率和/或最大可用速度和/或最大可用加速度在升降補償件和操作員控制件之間分開。有利地，在兩個分離的路徑設計模塊中的軌跡然后被計算，考慮了相應地分配的至少一個運動學約束量，特別地，分別用于升降補償件和操作員控制件的最大可用功率和/或速度和/或最大可用加速度。通過該至少一個運動學約束量的分割，控制變量約束可能不被完全地利用。但是，該至少一個運動學約束量的分割提供了使用兩個完全獨立的路徑設計模塊，其每個獨立地考慮驅動約束。根據本發(fā)明的第一和第二方面每個被單獨地主張，并且可以被獨立地實現。但是，特地有利地，根據本發(fā)明的兩個方面相互組合。特別地，根據本發(fā)明的第二方面的兩個獨立的路徑設計模塊的使用提供了該至少一個運動學約束量的分割的特別容易的可調性。特別地，可以由起重機操作員指定該至少一個運動學約束量的多少是可用于操作員控制件和升降補償件的，其中，然后當計算用于致動提升齒輪的目標軌跡時，考慮這個分割作為兩個路徑設計模塊的約束。在根據上文中描述的方面中的一個的起重機控制器中，根據本發(fā)明的升降補償件可以包括優(yōu)化功能，優(yōu)化功能參考纜繩懸掛點和/或負載堆積點的所預測移動并且考慮可用于升降補償件的功率而計算軌跡。特別地，計算了用于致動提升齒輪的軌跡，其考慮可用于升降補償件的功率而盡可能地補償了纜繩懸掛點和/或負載堆積點的所預測的移動。特別地，軌跡可以最小化由于纜繩懸掛點的移動和/或由于升降而發(fā)生的負載和負載堆積點之間的差動移動而導致的負載的殘余移動。根據本發(fā)明的起重機控制器有利地包括預測裝置，該預測裝置參考所確定的當前升降移動和升降移動的模型而預測纜繩懸掛點和/或負載堆積點的未來移動，其中，提供測量裝置，其參考傳感器數據確定當前的升降移動。特別地，預測裝置預測纜繩懸掛點和/或負載堆積點在豎直方向上的未來移動。在豎直方向上的移動在另一方面可以被忽略?？梢耘渲妙A測裝置和/或測量裝置，諸如在DE102008024513A1所述。操作員控制件還可以參考操作員指定并且考慮可用于操作員控制件的至少一個運動學約束量而計算軌跡。有利地，操作員控制件因此也考慮了可最大用于操作員控制件的至少一個運動學約束量，并且因此計算了根據操作員的指定而致動提升齒輪的軌跡。通過考慮各自可用的至少一個運動學約束量，保證了提升齒輪可實際地沿行指定的軌跡。有利地，軌跡的確定均在上文中描述的路徑設計模塊中實現。有利地，起重機控制器包括至少一個控制元件，通過該至少一個控制元件，起重機操作員可以調節(jié)可用的至少一個運動學約束量的分割，并且特別地，可以指定加權因子。在根據本發(fā)明的起重機控制器中，可用的至少一個運動學約束量的分割有利地可以在提升過程中變化。因此，當需要更快提升時，起重機操作員能夠例如為操作員控制件提供更多的功率。另一方面，當起重機操作員感覺到升降沒有被足夠地補償時，可將更多功率提供到升降補償件。例如，起重機操作員因此能夠對于天氣和升降的變化做出靈活反應。有利地，可用的至少一個運動學約束量的分割的變化通過改變加權因子而實現，如上文中描述的一樣。有利地，根據本發(fā)明的起重機控制器包括計算功能，計算功能計算當前可用的至少一個運動學約束量。特別地，可以計算提升齒輪的最大可用功率和/或速度和/或加速度。由于提升齒輪的最大可用功率和最大可用速度和/或加速度可在提升期間改變，因此其可以通過該計算功能而適應于提升的當前環(huán)境。有利地，計算功能考慮了展開的纜繩的長度和/或纜繩力和/或可用于驅動提升齒輪的功率。例如，取決于展開的纜繩的長度，提升齒輪的最大可用速度和/或加速度可以是不同的，原因在于，特別在用非常長的纜繩提升的期間，展開的纜繩的重量在提升齒輪上施加載荷。此外，提升齒輪的最大可用速度和/或加速度可根據被提升的負載的質量而波動。而且，特別地，當使用具有蓄能器(accumulator，蓄電池)的混合驅動時，可用于驅動提升齒輪的功率可以根據蓄能器條件而波動。有利地，這將也被考慮。根據本發(fā)明，當前可用的至少一個運動學約束量均有利地根據起重機操作員的指定而在被升降補償件和操作員控制件之間分開，特別地，參考由起重機操作員指定的加權因子。有利地，升降補償件的優(yōu)化功能最初可以包括在可用的至少一個運動學約束量的分割上的變化和/或在僅僅在預測跨度(horizon，范圍)的末端處的提升期間可用的至少一個運動學約束量的變化。這在整個預測跨度上提供了穩(wěn)定的優(yōu)化功能。有利地，隨著前行時間，被改變了的可用的至少一個運動學約束量則將被推過(pushthrough)到預測跨度的起點。有利地，根據本發(fā)明的升降補償件的優(yōu)化功能確定了被包括在提升齒輪的控制和/調節(jié)中的目標軌跡。特別地，目標軌跡意圖指定提升齒輪的目標移動。優(yōu)化可以通過離散化而實現。根據本發(fā)明，優(yōu)化可以基于負載提升點的移動的更新預測而在每個時間步實現。根據本發(fā)明，目標軌跡的第一值均可用于控制提升齒輪。當更新了的目標軌跡當時是可用時，僅僅輪到其第一值被用于控制。根據本發(fā)明，可以用比控制更大的掃描時間來進行優(yōu)化功能。這使得計算密集型優(yōu)化功能能夠選擇更多的掃描時間，另一方面，對于計算密集度較小的控制，由于掃描時間較少，提供了更大的精度。而且，當沒能找到有效解時，可以使得優(yōu)化功能利用緊急軌跡設計。這樣，當無法找到有效解時，適當的操作也被保證。有利地，操作員控制件參考由操作員通過輸入裝置指定的信號而計算操作員所期望的提升絞盤的速度。特別地，可以設置手柄?？梢葬槍Σ僮鲉T控制件而計算期望的速度，作為由輸入裝置的位置指定的最大可用速度的一部分。有利地，通過最大可容許正沖擊的積分而產生目標軌跡，直到達到最大加速度。因此保證了，操作員控制件不會使得提升齒輪過載。有利地，最大加速度對應于提升齒輪的最大可用加速度的被分配到操作員控制件的那部分。而且有利地，速度于是通過最大加速度的積分而增加，直到通過增加(加入)最大負沖擊可實現所期望速度。因此保證了，在實現目標速度方面，加速度再次減小到零，使得在達到目標速度時由于加速度跳變造成的不必要的負載得以避免。本發(fā)明還包括具有如上所述的起重機控制器的起重機。特別地，起重機可以設置在浮碼頭(pontoon)上。特別地，起重機可以是甲板起重機(deckcrane)。替換地，它也可以是離岸起重機、碼頭起重機或者纜索挖掘機。本發(fā)明還包括具有根據本發(fā)明的起重機的浮碼頭，特別地，具有根據本發(fā)明的起重機的船。此外，本發(fā)明包括用于提升和/或降低定位在水中的負載的根據本發(fā)明的起重機和根據本發(fā)明的起重機控制器的使用，和/或用于從定位在水中(例如，在船上)的負載堆積位置提升負載和/或降低負載到定位在水中(例如,在船上)的負載堆積位置的根據本發(fā)明的起重機和根據本發(fā)明的起重機控制器的使用。特別地，本發(fā)明包括用于深海提升和/或用于裝載和/或卸載船的根據本發(fā)明的起重機和根據本發(fā)明的起重機控制器的使用。本發(fā)明還包括用于控制包括用于提升懸掛在纜繩上的負載的提升齒輪的起重機的方法。有利地，升降補償件通過提升齒輪的自動致動而至少部分地補償由于升降導致的纜繩懸掛點和/或負載堆積點的移動。而且，通過操作員控制件，參考操作員指定，而制造提升齒輪。根據本發(fā)明，根據第一方面，提升齒輪的至少一個運動學約束量在升降補償件和操作員控制件之間可變地分開。根據第二方面，用于升降補償件和用于操作員控制件的軌跡彼此分離地計算。根據本發(fā)明的方法因此提供在上文中已經關于起重機控制器描述的相同優(yōu)點。再次，兩個方面特別優(yōu)選地被相互組合。優(yōu)選地，如已經根據本發(fā)明關于起重機控制器及其功能詳細闡述的這樣地執(zhí)行該方法。而且有利地，根據本發(fā)明的方法起到的作用與已經在上文中闡述的一樣。特別地，可通過如已在上文中闡述的一樣的起重機控制器和/或通過如已在上文中闡述的一樣的起重機來執(zhí)行根據本發(fā)明的方法。本發(fā)明還包括具有用于執(zhí)行根據本發(fā)明的方法的編碼的軟件。特別地，軟件可以存儲在機器可讀數據載體中。有利地，根據本發(fā)明的起重機控制器可通過在起重機控制器上安裝根據本發(fā)明的軟件而實現。附圖說明現在將被參考示例性的實施例和圖詳細地解釋本發(fā)明。在圖中：圖1：顯示了設置在浮碼頭上的根據本發(fā)明的起重機，圖2：顯示了用于升降補償件和操作員控制件的分離的軌跡設計的結構，圖3：顯示了用于具有穩(wěn)定沖擊的設計軌跡的四階積分器鏈(integratorchain)，圖4：顯示了用于軌跡設計的不等距離散化，其朝向時間跨度的末端使用比在時間跨度的起點處更大的距離，圖5：使用速度的實例顯示了如何首先在時間跨度的末端處考慮變化的約束，圖6：顯示了用于操作員控制件的軌跡設計的三階積分器鏈，其參考沖擊增加(加入)而工作，圖7：顯示了操作員控制件的路徑設計的結構，其考慮了驅動的約束，圖8：顯示了具有相關切換時間的示例性的沖擊曲線(輪廓線，profile)，用于參考路徑設計而計算提升齒輪的位置和/或速度和/或加速度的軌跡，圖9：顯示了用沖擊加入產生的速度和加速度軌跡的路線，圖10：顯示了具有主動升降補償件和目標力模型(這里稱為恒定張力模型)的驅動概念的綜述，圖11：顯示了主動升降補償件的致動的模塊電路圖，以及圖12：顯示了用于目標力模型的致動的模塊電路圖。具體實施方式圖1顯示了具有用于致動提升齒輪5的根據本發(fā)明的起重機控制器的起重機1的示例性的實施例。提升齒輪5包括用于移動纜繩4的提升絞盤。在起重機中，纜繩4在纜繩懸掛點2(在該示例性的實施例中，在起重機吊架的端部處的偏轉滑輪)的上方引導。通過移動纜繩4，懸掛在纜繩上的負載3可以提升或者降下?？梢栽O置至少一個傳感器，其測量提升齒輪的位置和/或速度并且傳輸相應信號到起重機控制器。而且，可以設置至少一個傳感器，其測量纜繩力并且傳輸相應信號到起重機控制器。傳感器可以設置在起重機主體的區(qū)域中，特別地，在絞盤的固定架(mount)上和/或在纜繩滑輪的固定架上。在示例性的實施例中，起重機1設置在浮碼頭6上，這里是船。如同樣顯示在圖1中的一樣，浮碼頭6由于升降而繞其六個自由度而移動。設置在浮碼頭6上的起重機1和纜繩懸掛點2因此也移動。根據本發(fā)明的起重機控制器可以包括主動升降補償件，主動升降補償件通過致動提升齒輪而至少部分地補償由于升降導致的纜繩懸掛點2的移動。特別地，由于升降導致的纜繩懸掛點的豎直移動至少部分地得到補償。升降補償件可以包括測量裝置，測量裝置從傳感器數據確定當前升降移動。測量裝置可以包括設置在起重機底座(foundation)處的傳感器。特別地，這可以是陀螺儀和/或傾角傳感器。特別優(yōu)選地，設置三個陀螺儀和三個傾角傳感器。而且，可以設置預測裝置，其參考確定的升降移動和升降移動的模型而預測纜繩懸掛點2的未來移動。特別地，預測裝置僅預測纜繩懸掛點的豎直移動。連同測量裝置和/或預測裝置，在測量裝置的傳感器的點處的船的移動可能可以被轉換成纜繩懸掛點的移動。預測裝置和測量裝置有利地配置，像更詳細描述在DE102008024513A1中的一樣。替換地，根據本發(fā)明的起重機也可以是用于從設置在浮碼頭上的負載堆積點提升負載和/或降低負載到設置在浮碼頭上的負載堆積點的起重機，其因此隨升降而移動。在這種情況下，預測裝置必須預測負載堆積點的未來移動。這可以與上文描述的過程類似地實現，其中，測量裝置的傳感器設置在負載堆積點的浮碼頭上。起重機例如可以是碼頭起重機、離岸起重機或者纜索挖掘機。在示例性實施例中，提升齒輪5的提升絞盤被液壓地驅動。特別地，設置液壓泵和液壓馬達的液壓回路，用于驅動提升絞盤。優(yōu)選地，可以設置液壓蓄能器，在降低負載時，其存儲能量，使得當提升負載時可使用該能量。替換地，可以使用電驅動。電驅動也可以與能量蓄能器連接。在下文中，現在將顯示本發(fā)明的示例性實施例，其中，本發(fā)明的大多數方面被結合地實現。但是，單獨方面也可以被單獨使用，以發(fā)展本發(fā)明的實施例，如在本申請的一般部分中描述的一樣。1參考軌跡的設計為了實現主動升降補償件的所需預測行為，使用包括引導控制和兩自由度結構形式的反饋的順序控制。由微分參數化法計算引導控制并且這需要穩(wěn)定地可微分兩次的參考軌跡。對于設計，決定了，該驅動可以沿該特定軌跡。因此，提升齒輪約束也必須被考慮。該考慮的起始點是，纜繩懸掛點的豎直位置和/或速度和其例如通過在DE102008024513中描述的算法，在固定的時間跨度上預測。此外，起重機操作員的手柄信號也包括在軌跡設計中，操作員通過該信號在慣性坐標系中移動負載。為了安全原因，在主動升降補償失敗的情況下，絞盤也可以仍然通過手柄信號而移動，這是必需的。利用用于軌跡設計的所使用的概念，用于補償移動的參考軌跡的設計與從手柄信號產生的那些之間的分離得以實現，如顯示在圖2中的一樣。在圖中，和表示設計用于補償的位置、速度和加速度，而和表示如基于手柄信號設計的用于疊加的纜繩的展開或者纏繞的位置、速度和加速度。在進一步執(zhí)行的過程中，所設計的用于提升絞盤的移動的參考軌跡總是分別用y*，和表示，因為它們用作驅動動力學的系統(tǒng)輸出的參考。由于分離的軌跡設計，當升降補償件關斷或者在手工操作中手柄控制的升降補償件完全失敗(例如，由于慣性測量單元(IMU)的故障)的情況下，可以使用相同的軌跡設計和相同的順序控制器，從而產生與接通升降補償件時相同的操作行為。為了不違反給定的速度vmax和加速度amax上的約束(不管是否完全獨立的設計)，vmax和amax通過加權因子0≤kl≤1(參見圖2)分割。其被起重機操作員指定，因此提供了，單獨地分割對于補償和/或對于移動負載可用的功率。因此，補償移動的最大速度和加速度是(1-kl)vmax和(1-kl)amax并且對于被疊加的纜繩的展開和纏繞的軌跡是klvmax和klamax。kl的改變可以在工作期間執(zhí)行。由于最大的可能行進速度和加速度取決于纜繩和負載的總質量，因此vmax和amax也可以在工作中改變。因此，可分別適用的值同樣地被傳遞到軌跡設計。通過分割功率，控制可變約束可能沒有被完全利用，但是起重機操作員可以容易地和直觀地調節(jié)主動升降補償件的作用。kl＝1的加權等于關斷主動升降補償件，由此被接通和關斷的補償之間的平滑轉換變成可能的。本章的第一部分初始地解釋了，用于補償纜繩懸掛點的豎直移動的參考軌跡和的產生。這里，本質方面是，由于給定約束由Kl設定，利用所設計的軌跡，盡可能地補償了豎直移動。因此，通過在全部時間跨度上預測的纜線懸掛點的豎直位置和速度和最優(yōu)控制問題因此用公式表示，其被循環(huán)地求解，其中Kp表示預測的時間步的數量。隨后討論相關的數字解和執(zhí)行。本章的第二部分進行用于移動負載的軌跡和的設計。其直接地從起重機操作員的手柄信號whh產生。通過最大可容許沖擊的加入而實現計算。1.1用于補償的參考軌跡在用于提升絞盤的補償移動的軌跡設計中，必需從纜繩懸掛點的預測豎直位置和速度(考慮了有效驅動約束)而產生足夠平滑的軌跡。這個任務隨后被認為是約束的最優(yōu)問題，可以在每個時間步驟，在線地解決該問題。因此，方法與模型預測控制的設計是類似的，但是，是在模型預測軌跡產生的意義上。作為用于優(yōu)化的參考或者設定點值，使用了纜繩懸掛點的豎直位置和速度和其在具有Kp個時間步的全部時間跨度上的時間tk處被預測，并且用相應的預測時間計算，例如，通過描述在DE102008024513中的算法?？紤]通過kl，vmax和amax有效的約束，最佳時間順序于是可以被確定(針對補償移動)。但是，與模型預測控制類似，僅僅如此計算出的軌跡的第一值用于順序控制。在下一個時間步中，用纜繩懸掛點的豎直位置和速度的更新的(因此更精確)預測來重復優(yōu)化。與傳統(tǒng)的模型預測控制相比，具有連續(xù)控制的模型預測軌跡生成的優(yōu)點一方面在于，控制部和相關穩(wěn)定化可以用與軌跡生成相比更多的掃描時間來計算。因此，計算密集型優(yōu)化可以轉換成更慢的任務。在這個概念中，另一方面，緊急功能可以獨立于用于優(yōu)化沒有找到有效解的情況的控制而實現。它包括被簡化的軌跡設計，在這種緊急情況下，控制依賴于該被簡化了的軌跡設計，并且該設計進一步地致動絞盤。1.1.1用于設計補償移動的系統(tǒng)模型為了滿足用于補償移動的參考軌跡的穩(wěn)定性的要求，它的三階導數最早可以被認為是可跳變的。但是，考慮絞盤壽命，在補償移動中在沖擊上的跳變應當被避免，因此僅僅四階導數可以被認為是可跳變的。因此，沖擊必需至少被穩(wěn)定地設計，并且用于補償移動的軌跡生成參考圖示在圖3中的四階積分器鏈而實現。在該優(yōu)化中，其用作系統(tǒng)模型并且可以被在狀態(tài)空間中表達為：ya＝Xa這里，輸出包括用于補償移動的設計軌跡。為了用公式表示最佳控制問題并且考慮未來的實施，這個時間連續(xù)模型初始地在點陣上離散其中，Kp代表用于纜繩懸掛點的豎直移動的預測的預測步驟的數量。為了區(qū)分軌跡生成中的離散時間表示和離散系統(tǒng)時間tk，它用τk＝kΔτ表示，其中，k＝0,…,Kp并且Δτ是用于軌跡生成的跨度Kp的離散間隔。圖4圖示了選擇的點陣是不等距的，使得在跨度上必需的支撐點的數量減小。因此，可以保持待解決的最佳控制問題的維度小。朝向跨度的末端更粗的離散化的影響對于設計軌跡沒有不利影響，因為豎直位置和速度的預測朝向預測跨度的端部是較不精確的。可以參考解析解來精確地計算出對于這個點陣有效的時間離散系統(tǒng)表示對于來自圖3的積分器鏈，它遵循ya(τk)＝xa(τk)，k＝0，...，Kp-1，其中Δτk＝τk+1-τk描述了對于各自的時間步而有效的離散步寬度。1.1.2最佳控制問題的公式化和求解通過求解最佳控制問題，將設計軌跡，其盡可能近地遵循纜繩懸掛點的被預測的豎直移動并且同時滿足給定的約束。為了滿足這個要求，優(yōu)質函數如下列一樣：其中，wa(τk)表示在各自時間步處有效的參考。由于這里僅僅纜繩懸掛點的預測位置和速度是可用的，因此相關的加速度和沖擊設定為零。但是，這個不一致的指定(specification)的影響可以通過加速度和沖擊偏差的相應加權而保持較小。因此：在正的半定(positivelysemidefinite)的對角矩陣上Qw(τk)＝diag(qw，1(τk)，qw，2(τk)，qw，3，qw，4)，k＝1，...，Kp(1.7)從參考的偏差在優(yōu)質函數中被加權。標量因子ru估計校正成果。雖然在整個預測跨度上ru、qw,3和qw,4是恒定的，但是qw,1和qw,2依賴于時間步τk選擇。在預測跨度的起點處的參考值因此可以比在末端處的參考值更強地加權。因此，隨著增大預測時間而減小的豎直移動預測的精確度可以在優(yōu)質函數中描述。由于對于加速度和沖擊的參考不存在，所以權數qw,3和qw,4僅僅處罰從零的偏差，因此，它們選定為比用于位置qw,1(τk)和速度qw,2(τk)的權數更小。用于最佳控制問題的相關的約束從驅動的可用功率和當前選擇的加權因子kl(參見圖2)中得出。因此，它適用于來自(1.4)的系統(tǒng)模型的狀態(tài)：以及輸入：這里，δa(τk)代表縮減因子，該縮減因子選擇使得在跨度的末端處的各自的約束合計為在跨度的起點處的約束的95％。對于中間時間步，δa(τk)從線性插值得出。沿著跨度的約束的縮減相對于存在的可容許的解增大了方法的魯棒性。雖然在工作中速度和加速度約束可以改變，沖擊jmax和沖擊的導數的約束是恒定的。為了增加提升絞盤和整個起重機的使用壽命，它們在最大可容許沖擊負載方面被選擇。對于位置狀態(tài)，沒有約束是可適用的。由于在工作中的最大速度vmax和加速度amax和功率的加權因子kl被外部地確定，因此速度和加速度約束也必然地對于最佳控制問題改變。被呈現的概念如下列一樣考慮了相關的時變約束：約束一被改變，則更新的值首先就僅僅在對于時間步的預測跨度的末端處考慮。隨著前行時間，它然后被推到預測跨度的起點。圖5圖示了這個過程(參考速度約束)。當減小約束時，應當附加地注意，其適合于其最大可容許導數。這表示，例如，速度約束(1-kl)vmax最大地可以如當前加速度約束(1-kl)amax允許的那么快地減小。因為更新的約束被完成(pushthrough)，所以對于存在于約束中的初始條件xa(τ0)的解總是存在，其又不會違反更新的約束。但是，它將占用全部預測跨度，直到改變了的約束最終影響在跨度的起點處的設計軌跡。因此，最佳控制問題由將待被最小化的二次優(yōu)質函數(1.5)、系統(tǒng)模型(1.4)和來自于(1.8)和(1.9)的不等式約束(線性二次方程優(yōu)化問題(對于二次方程編程問題的QP問題)形式的)完整地給出。當第一次執(zhí)行優(yōu)化時，初始條件選定為xa(τ0)＝[0,0,0,0]T。隨后，在最后的優(yōu)化步驟中被對于時間步τ1計算出的值xa(τ1)用作初始條件。在每個時間步，QP問題的實際解的計算通過稱為QP解算器的數值方法而實現。由于用于優(yōu)化的計算努力，用于補償移動的軌跡設計的掃描時間大于主動升降補償件的所有剩余元件的離散化時間；因此，Δτ＞Δt。為了保證參考軌跡可用于更快速率下的控制，來自圖3的積分器鏈的模擬在優(yōu)化之外，用更快掃描時間Δt進行。一旦從優(yōu)化中獲得新值，則狀態(tài)xa(τ0)就用作用于模擬的初始條件，并且在預測跨度的起點處的校正變量ua(τ0)作為恒定輸入寫在積分器鏈中。1.2用于移動負載的參考軌跡與補償移動類似，可兩次穩(wěn)定地微分的參考軌跡對于疊加的手柄控制(參見圖2)是必需的。當具有這些可由起重機操作員指定的移動時，對于絞盤，通常不期望有方向的快速變化，還發(fā)現，穩(wěn)定設計的加速度的最小要求相對于絞盤的使用壽命是足夠的。因此，與針對移動補償設計的參考軌跡對比，對應于沖擊的三階導數已經可以被認為是可跳變的。如顯示在圖6中的一樣，它也作為三階積分器鏈的輸入。除了關于穩(wěn)定性的要求，設計軌跡也必須滿足當前有效的速度和加速度約束，發(fā)現，對于手柄控制，將是klvmax和klamax。將起重機操作員的手柄信號-100≤whh≤100解釋為，相對于當前最大可容許速度klvmax的相對速度設定(specification)。因此，根據圖7，由手柄指定的目標速度是：如可見的，由手柄當前指定的目標速度取決于手柄位置whh、可變加權因子kl和當前最大可容許絞盤速度vmax。對于手柄控制的軌跡設計的任務現在可以表示如下：從手柄指定的目標速度開始，可產生可穩(wěn)定微分的速度曲線，使得加速度具有穩(wěn)定過程。作為用于這個任務的過程，通常所謂的沖擊加入是值得推薦的?；舅枷胧牵诘谝浑A段，最大可容許沖擊jmax作用于積分器鏈的輸入，直到達到最大可容許加速度。在第二階段，速度以恒定加速度增大；以及在最后階段，最大可容許負沖擊被加入，使得達到期望的最終速度。因此，僅僅各個階段之間的切換時間必須在沖擊加入中確定。圖8顯示了，用于速度變化的沖擊的示例性過程(與切換時間一起)。Tl,0表示重新設計發(fā)生的時間。時間Tl,1、Tl,2和Tl,3均表示各個階段之間的計算出的切換時間。它們的計算在下列段落中概述。一旦對于手柄控制的新情況發(fā)生，則對生成的軌跡進行重新設計。用于手柄控制的目標速度或者當前有效的最大加速度klamax一變化，則新情況就發(fā)生。目標速度可以由于新的手柄位置whh或者由于kl或者vmax(參見圖7)的新的指定而變化。類似地，通過kl或者amax的最大有效加速度的變化是可能的。當重新設計軌跡時，那個速度初始地從當前設計的速度和通過到零的加速度縮減而獲得的相應加速度計算出：其中，最小必需時間由下式給出：并且，表示積分器鏈的輸入，即，被加入的沖擊(參見圖6)：依賴于當前設計的加速度被發(fā)現將是依賴于理論計算出的速度和期望的目標速度，輸入的過程現在可以被表示出。如果則沒有達到期望的值并且加速度可以進一步增大。但是，如果則太快并且加速度必須立即減小。從這些考慮因素，沖擊的下列切換順序可以對于三個階段推導：其中ul＝[ul,1,ul,2,ul,3]和輸入信號ul,i被相應階段加入。階段的持續(xù)時間發(fā)現是ΔTi＝Tl,i-Tl,i-1，其中i＝1,2,3。因此，在第一階段的末端處，設計出的速度和加速度是：以及在第二階段之后：其中ul,2被假定＝0。在第三階段之后，最終，它遵循：對于切換時間Tl,i的精確計算，加速度約束起初被忽略，因此ΔT2＝0。由于這個簡化，兩個剩余的時間間隔的長度可以如下表示：其中，代表實現的最大加速度。通過將(1.21)和(1.22)插入進(1.15)、(1.16)和(1.19)中，獲得方程組，其可以被對求解。考慮最終獲得如下：從在(1.21)和(1.22)中ΔT1和ΔT3條件，的符號必須是正的，。在第二步驟中，和最大可容許加速度klamax導致實際的最大加速度：相同地，真實發(fā)生時間間隔ΔT1和ΔT3最終可以被計算出。它們從(1.21)和(1.22)中用產生。仍然未知的時間間隔ΔT2現在從(1.17)和(1.19)中，用來自(1.21)和(1.22)的ΔT1和ΔT3確定為其中從(1.15)得出。切換時間可以直接從時間間隔獲得：Tl，i＝Tl，i-1+ΔTi，i＝1，2，3.(1.26)待設計的速度和加速度曲線和可以利用各個切換時間而解析計算出。應當提到，通過切換時間設計的軌跡經常沒有被完全地經過，因為在到達切換時間Tl,3之前，新情況發(fā)生，因此進行了重新設計，并且新的切換時間必須計算。如已經提到的一樣，新情況通過whh、vmax、amax或者kl的變化而發(fā)生。圖9顯示了通過實例方式呈現的方法產生的軌跡。軌跡的路線包括可以由于(1.24)而發(fā)生的兩種情況。在第一種情況中，最大可容許加速度在時間t＝1秒處達到，后面是，具有恒定加速度的階段。第二種情況發(fā)生在時間t＝3.5秒處。這里，由于手柄位置，最大可容許加速度沒有被完全達到。結果是，第一和第二切換時間一致，并且ΔT2＝0適用。根據圖6，相關位置路線通過速度曲線積分而計算出，其中，在系統(tǒng)開始處的位置通過當前從提升絞盤中展開的纜繩長度而初始化。2用于提升絞盤的致動概念原則上，致動包括兩個不同的工作模式：主動升降補償，用于從具有自由懸掛負載的船去耦該豎直負載移動；和恒定張力控制，用于避免一旦負載堆積在海床上就松弛纜繩。在深海起重期間，升降補償件最初是其作用的。參考堆積操作的檢測，自動地實現到恒定張力控制的切換。圖10用相關參考和控制變量圖示了總的概念。但是，兩個不同的工作模式中的每個也可以被各自地實現，而沒有另一工作模式。而且，如將在下文中描述的一樣，恒定張力模式也可以獨立于船上的起重機的使用和獨立于主動升降補償件而使用。由于主動升降補償件，提升絞盤應當被致動，使得絞盤移動補償了纜繩懸掛點的豎直移動，并且起重機操作員通過手柄在被認為是慣性的h坐標系中移動負載。為了保證致動具有所需要的用于最小化補償誤差的預測行為，它通過引導控制和穩(wěn)定化部件(兩自由度結構的形式的)實現。引導控制通過絞盤動力學的平輸出，從微分參數化法而計算出，并且由用于移動負載的設計軌跡和以及用于補償移動的負軌跡和(參見圖10)產生。獲得的用于驅動動力學和絞盤動力學的系統(tǒng)輸出的目標軌跡表示為和它們代表用于絞盤移動以及因此用于纜繩的纏繞和展開的目標位置、速度和加速度。在恒定張力階段期間，在負載處的纜繩力Fsl將被控制到恒定量，以免松弛纜繩。手柄因此在這個工作模式中被無效，并且基于手柄信號設計的軌跡不再被加入。絞盤的致動依次又由具有引導控制和穩(wěn)定化部件的兩自由度結構實現。精確負載位置zl和在負載處的纜繩力Fsl不可用作用于控制的測量量，因為由于長纜繩長度和大深度，因此起重機鉤沒有裝配傳感器單元。而且，不存在所懸掛負載的類型和形狀的信息。因此，各個負載的特定參數(比如，負載質量ml、在質量上流體動力學增加的系數Ca、阻力系數Cd和浸入的體積)通常是不知道的，因此負載位置的可靠的估計在實際中幾乎是不可能的。因此，僅僅展開的纜繩長度ls和相關速度以及在纜繩懸掛點處的力Fc可用作用于該控制的測量量。長度ls從利用增量編碼器測量的絞盤角度和取決于纏繞層jl的絞盤半徑rh(jl)間接地獲得。相關纜繩速度可以通過具有適當低通濾波的數值微分法計算。施加到纜繩懸掛點的纜繩力Fc通過力測量銷而檢測。2.1用于主動升降補償件的驅動圖11圖示了具有在頻率范圍內的模塊電路圖的用于主動升降補償件的提升絞盤的致動。可以看到，從驅動的局部系統(tǒng)Gh(s)僅僅實現了纜繩長度和速度yh＝ls和的反饋。結果，作為輸入干擾而作用在纜繩系統(tǒng)Gs,z(s)上的纜繩懸掛點的豎直移動的補償純粹作為引導控制而進行；纜繩和負載動力學被忽略。由于輸入干擾或者絞盤移動的不完全補償，所以引起了固有纜繩動力學，但是在實際中，可以假定得到的負載移動在水中被極大地減弱并且衰退非?？?。驅動系統(tǒng)的從校正變量Uh(s)到展開纜繩長度Yh(s)的傳遞函數可以近似為IT1系統(tǒng)并且產生：具有絞盤半徑rh(jl)。由于該系統(tǒng)輸出Yh(s)同時表示平輸出(flatoutput)，因此反向引導控制F(s)將是：并且可以被以微分參數化法形式在時域中寫為：(2.3)顯示用于引導控制的參考軌跡必須是可至少兩次穩(wěn)定微分的。包括穩(wěn)定化Ka(s)和絞盤系統(tǒng)Gh(s)的閉合電路的傳遞函數可以從圖11中獲得，將是通過忽略補償移動參考變量可以近似為具有恒定的或者固定的手柄偏轉的斜坡信號，如在恒定目標速度存在的這種情況中的一樣。為了避免這種參考變量的固定控制偏差，開環(huán)Ka(s)Gh(s)因此必須顯示I2行為[9]。這可以例如通過PID控制器實現，其中，因此，它對于閉合電路遵循：其中，κAHC,i的精確值依賴于各自的時間常數Th而選擇。2.2堆積操作的檢測一旦負載碰著海床，則應當實現從主動升降補償件切換到恒定張力控制。為這個目的，堆積操作的檢測是必需的(參見圖10)。對于這個以及隨后的恒定張力控制，纜繩近似為簡單的彈簧質量元件。因此，作用在纜繩懸掛點處的力如下近似計算：Fc＝kcΔlc，(2.7)其中，kc和Δlc表示等效于纜繩彈性的彈簧常數和彈簧偏轉。對于后者，它應用：等效彈簧常數kc可以從下列的固定觀察中確定。對于用質量mf加載的彈簧，它在固定的情況下應用：kcΔlc＝mfg.(2.9)(2.8)的變換產生：參考(2.9)和(2.10)之間的系數補償，等效彈簧常數可以是：在(2.9)中，也可以看見，在固定的情況下彈簧的偏轉Δlc受到有效負載質量me和纜繩質量的一半影響。這是由于，在彈簧中被懸掛的質量mf假設將集中在一點的事實。但是，纜繩質量沿著纜繩長度均勻分布，因此不會完全加載彈簧。盡管如此，纜繩的全部重力μslsg包括在在纜繩懸掛點處的力測量中。隨著纜繩系統(tǒng)的這個近似，現在可以獲得對于在海床上的堆積操作的檢測的條件。在靜止時，作用在纜繩懸掛點上的力由展開的纜繩的重力μslsg和負載質量的有效重力meg組成。因此，具有定位在海床上的負載的測量的力Fc近似是：Fc＝(me+μsls)g+ΔFc(2.12)其中，ΔFc＝-kcΔls，(2.13)其中，Δls表示在到達海床之后的展開的纜繩。從(2.13)，它遵循，Δls與被測量的力的變化成比例，因為在到達地面之后，負載位置是恒定的。參考(2.12)和(2.13)，現在可以獲得下列條件，用于檢測，同時其必須滿足：■負彈簧力的減小必須小于閾值：■彈簧力的時間導數必須小于閾值：■起重機操作員必須減小負載。參考用手柄信號設計的軌跡來檢查這個條件：■為了避免在浸入水中方面的錯誤檢測，最小纜繩長度必須被展開：ls＞ls，min.(2.17)負彈簧力的減小ΔFc均相對于在測量的力信號Fc中的最后的高點計算。為了抑制測量噪聲和高頻干擾，力信號由相應低通濾波器預處理。由于必須同時滿足條件(2.14)和(2.15)，因此，排除了作為動力學固有纜繩振蕩導致的錯誤檢測：由于作為動力學固有纜繩振蕩，力信號Fc振蕩，因此彈簧力的相對于最后的高點的變化和彈簧力的時間導數具有推移了的相位。因此，在動力學固有纜繩振蕩的情況下，隨著閾值和的適當選擇，不能同時滿足兩個條件。為這個目的，纜繩力的靜態(tài)部分必須下降，如在浸入水中上或者堆積在海床上的情況一樣。但是，在浸入水中方面的錯誤檢測被條件(2.17)防止。用于彈簧力變化的閾值依賴于在測量的力信號中的最后高點而如下計算：其中χ1＜1并且最大值根據實驗確定。用于力信號的導數的閾值可以從(2.7)的時間導數估計并且最大可容許手柄速度klvmax如下兩個參數χ2＜1和同樣地根據實驗確定。由于在恒定張力控制中，應用力控制而不是位置控制，因此目標力Fc*依賴于作用在負載上的所有靜態(tài)力Fl,stat的和而指定為參考變量。為這個目的，Fl,stat在升降補償的階段考慮了已知纜繩質量μsls而計算：Fl，stat＝Fc，stat-μslsg.(2.20)Fc,stat表示在纜繩懸掛點Fc處測量的力的靜態(tài)力分量。它來源于測量的力信號的相應低通濾波。在濾波中獲得的群延遲不是問題，因為感興趣的僅僅是靜態(tài)力分量并且時間延遲對其沒有顯著影響。從作用在負載上的所有靜態(tài)力的和，在考慮了附加作用在纜繩懸掛點的纜繩的重力的情況下而獲得目標力，如下列一樣：其中，在纜繩中產生的張力由起重機操作員用0＜ps＜1指定。為了避免參考變量的設定點值跳變，在堆積操作的檢測之后，實現從在檢測中當前測得的力到實際目標力的斜坡形轉換。為了從海床中拾起負載，起重機操作員手動地執(zhí)行從恒定張力模式到具有自由懸掛負載的主動升降補償件的變化。2.3用于恒定張力模式的致動圖12顯示了在恒定張力模式中，在頻率范圍內的模塊電路圖中實現的提升絞盤的致動。與圖示在圖11中的控制結構相比，這里反饋的是纜繩系統(tǒng)的輸出Fc(s)(即，在纜繩懸掛點處測量的力)，而不是絞盤系統(tǒng)的輸出Yh(s)。根據(2.12)，測量的力Fc(s)由力的變化ΔFc(s)和靜態(tài)重力meg+μslsg組成，其在圖中用M(s)表示。對于實際控制，纜繩系統(tǒng)依次又近似為彈簧質量系統(tǒng)。兩自由度的結構的引導控制F(s)與用于主動升降補償件的那個相同并且分別由(2.2)和(2.3)給出。但是，在恒定張力模式中，沒有加入手柄信號，其是為何參考軌跡僅僅包括用于補償移動的負目標速度和加速度和的原因。引導控制部起初依次又補償纜繩懸掛點的豎直移動。但是，絞盤位置的直接穩(wěn)定化不由Yh(s)的反饋實現。這個通過測量的力信號的反饋而間接地實現。測量的輸出Fc(s)從圖12中如下獲得：具有兩個傳遞函數：其中，用于停留在地面上的負載的纜繩系統(tǒng)的傳遞函數從(2.12)得出：Gs，F(s)＝-kc.(2.25)如可以從(2.22)中獲得的，補償誤差Ea(s)由穩(wěn)定傳遞函數GCT,1(s)校正，并且絞盤位置被間接地穩(wěn)定。在這種情況下，控制器的要求Ks(s)也由預期的參考信號產生，其在轉換階段之后由恒定目標力從(2.21)給出。為了避免具有這種恒定參考變量的固定控制偏差，開環(huán)Ks(s)Gh(s)Gs,F(s)必須具有/行為。由于絞盤的傳遞函數Gh(s)已經隱含地具有這種行為，這個要求可以用P反饋實現；因此，它應用：