本發(fā)明本屬于應用在橋門式起重設備行走機構上的控制方法，防止懸掛貨物搖擺的控制方法。

背景技術：

在某些橋門式起重設備上，例如軌道式龍門吊、輪胎式龍門吊、橋梁式起重機，行走機構會在鋼絲繩懸掛貨物的情況下做水平方向的運行，如控制不當，懸掛的貨物會形成搖擺。這種搖擺會對機械及周邊的環(huán)境造成損害，也會降低工作效率?？刂七@種搖擺通常有人工防搖、機械防搖和電子防搖三類方法，人工防搖對操作人員的熟練程度要求較高，且需要操作人員距離設備較近操作，在遠程控制的應用中，當圖像信號以通信的方式傳送且有時間上的延遲時，人工防搖無法進行；機械防搖是從起重機的設計角度出發(fā)，讓貨物不會搖擺起來，如振華重工的八繩防搖，其缺點是設備的復雜程度增加，維護成本加大；電子防搖能夠應用于遠程操作，其方法很多，現(xiàn)有方法中西門子公司的方法需要安裝復雜的圖像傳感器來采集搖擺的角度并進行搖擺的控制，容易受環(huán)境條件影響且成本較高；abb公司的方法無需傳感器，只需檢測單擺的繩長，可允許操作人員在任何時刻改變速度命令的大小和方向，但是由于其需要精確的等效繩長參與控制，在等效繩長檢測誤差存在時，殘余擺動較大；安川公司的方法無需傳感器，且能防止初始的搖擺，但是由于其原理是用搖擺的貨物在行走機構上產生的負載轉矩來近似等效搖擺的角度，在負載較輕時效果較差。

技術實現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明要針對上述背景技術存在的問題，提供一種防搖控制效果更好的橋門式起重機開環(huán)防搖方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案為

一種橋門式起重機開環(huán)防搖方法，行走機構通過掛繩懸掛貨物，行走機構由電機驅動行駛，通過電機編碼器檢測單擺的繩長l，依據(jù)單擺繩長l獲取單擺的搖擺周期t；獲取人工輸入的實時速度命令nref；實時速度命令nref經(jīng)過速度命令斜坡發(fā)生器1生成第一速度命令ncmd1；延時單元2依據(jù)搖擺周期t對第一速度命令ncmd1進行延時，生成第二速度命令ncmd2；第一速度命令ncmd1與第二速度命令ncmd2經(jīng)過求和計算器相加，再經(jīng)過平均單元3生成第三速度命令ncmd3；依據(jù)第三速度命令ncmd3和電機實時速度nfk生成電機速度環(huán)控制的輸入信號，驅動電機行駛。

較佳地，依據(jù)單擺繩長l獲取單擺的搖擺周期t的方法為搖擺周期

較佳地，依據(jù)搖擺周期t對實時速度斜坡指令進行延時是指：將第一速度命令ncmd1延時t/2。

較佳地，依據(jù)第三速度命令ncmd3和電機實時速度nfk生成電機速度環(huán)控制的輸入信號的方法包括：依據(jù)第三速度命令ncmd3生成第四速度命令ncmd，第四速度命令ncmd與電機實時速度nfk的差值經(jīng)過速度pi調節(jié)器之后生成的轉矩給定信號tgvn為電機速度環(huán)控制的輸入信號。

較佳地，依據(jù)第三速度命令ncmd3生成第四速度命令ncmd的方法包括：獲取電機實時速度nfk，實時速度nfk依次經(jīng)過搖擺角度估計器10和防搖控制系數(shù)乘法器9之后生成防搖速度命令ncmd_θ，第三速度命令ncmd3和防搖速度命令ncmd_θ輸入第一差值計算器生成第四速度命令ncmd。

較佳地，通過搖擺角度估計器10計算出搖擺角度的估計值θest

其中，ωn為單擺的自然頻率，ωn＝1/t。

較佳地，防搖控制系數(shù)乘法器9將搖擺角度的估計值θest的值乘以防搖控制系數(shù)k得到防搖速度命令ncmd_θ。

較佳地，還包括防搖啟動選擇器，防搖啟動選擇器的兩個輸入端分別接收常數(shù)0輸入信號和防搖速度命令ncmd_θ輸入信號，防搖啟動選擇器將常數(shù)0或防搖速度命令ncmd_θ輸出，防搖啟動選擇器的輸出信號和第三速度命令ncmd3輸入第一差值計算器生成第四速度命令ncmd。

較佳地，依據(jù)第三速度命令ncmd3生成第四速度命令ncmd的方法包括：將第三速度命令ncmd3輸入帶通濾波器生成第四速度命令ncmd；

帶通濾波器的計算公式包括其中ωn為單擺的自然頻率，為帶通濾波器的帶通比。

較佳地，第三速度命令ncmd3經(jīng)過低通濾波器4之后生成低通濾波速度命令ncmd_lpf，依據(jù)低通濾波速度命令ncmd_lpf和電機實時速度nfk生成電機速度環(huán)控制的輸入信號。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明允許操作人員在任何時候改變行走機構的速度命令的大小和方向，當行走機構轉速穩(wěn)定或者停止之后，行走機構下懸貨物沒有殘余擺動或殘余擺動較小。本發(fā)明允許在等效繩長計算出現(xiàn)較大偏差時，保證行走機構下懸貨物的殘余擺動較小。本發(fā)明的能夠在防搖功能未開啟時實現(xiàn)擺角跟蹤，當防搖功能開啟時，將行走機構下懸貨物的擺動消除。本發(fā)明魯棒性強、無需圖像傳感器，只需要檢測單擺的繩長，且能夠在等效繩長檢測誤差存在的情況下保證貨物的殘余擺動較小，無論負載的大小，控制效果都較好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明控制對象的原理圖一；

圖2為本發(fā)明控制對象的原理圖二；

圖3為本發(fā)明實施例一的控制原理圖；

圖4為在操作人員進行點動指令時未作任何防搖處理和在繩長檢測準確的情況下僅采用擺角計算反饋進行防搖效果的仿真對比圖；

圖5為在操作人員進行點動指令時在繩長檢測比實際等效繩長多2米時的情況下僅采用擺角計算反饋進行防搖和采用本發(fā)明第一個實施例進行防搖效果的仿真對比圖；

圖6為在操作人員進行點動指令時在繩長檢測比實際等效繩長少2米時的情況下僅采用擺角計算反饋進行防搖和采用本發(fā)明第一個實施例進行防搖效果的仿真對比圖；

圖7為采用本發(fā)明實施例一開啟低通濾波器和未開啟濾波器時防搖效果及行走機構輸出轉矩的仿真對比圖；

圖8為采用本發(fā)明實施例一，在操作人員進行點動指令時不開啟防搖，在點動指令結束后開啟防搖的仿真波形圖；

圖9為本發(fā)明實施例二的控制原理圖。

圖中：1.速度命令斜坡發(fā)生器，2.延時單元，3.平均單元，4.低通濾波器，5.速度pi調節(jié)器，6.電機，7.防搖啟動選擇器，8.常數(shù)0單元，9.防搖控制系數(shù)乘法器，10.搖擺角度估計器，11.帶通濾波器。

具體實施方式

由圖1所示，行走機構的運行速度為v，水平運行導致的下懸貨物擺動角度為θ。僅考慮行走機構下懸貨物在行走平面的擺動，有的行走機構下懸貨物的型式可等效為一個起升機構鋼絲繩卷筒纏繞一根鋼絲繩下懸貨物，下懸貨物的高度為l_1，當鋼絲繩的卷筒轉動時，貨物的高度發(fā)生改變，如圖1所示。

有的行走機構下懸貨物的型式可等效為一個起升機構的兩個鋼絲繩卷筒各纏繞一根鋼絲繩接在下懸貨物上，當鋼絲繩卷筒轉動時，貨物的高度發(fā)生改變，如圖2所示。

通常等效擺長l_eff是用鋼絲繩的長度l來近似的，在圖1中這種近似帶來的誤差為l_1/2，在圖2中假設貨物的高度可忽略，這種近似帶來的誤差為l(1-cosα)。

本發(fā)明所采用的技術方案為：利用起升電機6編碼器檢測單擺的繩長，計算出單擺的搖擺周期t，對于操作人員的實時速度斜坡指令，延時t/2生成第二個速度斜坡指令，將實時速度斜坡指令與第二個速度斜坡指令的實時平均值作為第三個速度斜坡指令，第三個速度斜坡指令減去行走機構實際運行速度通過單擺數(shù)學模型得到的角度乘以一個系數(shù)的值作為行走機構電機6速度環(huán)控制的輸入；第二種方法是第三個速度斜坡指令經(jīng)過帶通頻率為單擺自然頻率的帶通濾波器11后作為行走機構電機6速度環(huán)控制的輸入。

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明。

實施例一

一種橋門式起重機開環(huán)防搖方法，行走機構通過掛繩懸掛貨物，行走機構由電機6驅動行駛，通過電機6編碼器檢測單擺的繩長l，依據(jù)單擺繩長l獲取單擺的搖擺周期t；獲取人工輸入的實時速度命令nref；實時速度命令nref經(jīng)過速度命令斜坡發(fā)生器1生成第一速度命令ncmd1；延時單元2依據(jù)搖擺周期t對第一速度命令ncmd1進行延時，生成第二速度命令ncmd2；第一速度命令ncmd1與第二速度命令ncmd2經(jīng)過求和計算器相加，再經(jīng)過平均單元3生成第三速度命令ncmd3；依據(jù)第三速度命令ncmd3和電機6實時速度nfk生成電機6速度環(huán)控制的輸入信號，驅動電機6行駛。

作為本實施例的一個優(yōu)化方案還可以設置一個低通濾波器4，第三速度命令ncmd3經(jīng)過低通濾波器4之后生成低通濾波速度命令ncmd_lpf，依據(jù)低通濾波速度命令ncmd_lpf和電機6實時速度nfk生成電機6速度環(huán)控制的輸入信號。

依據(jù)單擺繩長l獲取單擺的搖擺周期t的方法為搖擺周期依據(jù)搖擺周期t對實時速度斜坡指令進行延時是指將第一速度命令ncmd1延時t/2。

本實施例中依據(jù)第三速度命令ncmd3和電機6實時速度nfk生成電機6速度環(huán)控制的輸入信號的方法為：依據(jù)第三速度命令ncmd3生成第四速度命令ncmd，第四速度命令ncmd與電機6實時速度nfk的差值經(jīng)過速度pi調節(jié)器5之后生成的轉矩給定信號tgvn為電機6速度環(huán)控制的輸入信號。

依據(jù)第三速度命令ncmd3生成第四速度命令ncmd的方法為：獲取電機6實時速度nfk，實時速度nfk依次經(jīng)過搖擺角度估計器10和防搖控制系數(shù)乘法器9之后生成防搖速度命令ncmd_θ，第三速度命令ncmd3和防搖速度命令ncmd_θ輸入第一差值計算器生成第四速度命令ncmd。

通過搖擺角度估計器10計算出搖擺角度的估計值θest的方法為：其中，ωn為單擺的自然頻率，ωn＝1/t。

防搖控制系數(shù)乘法器9將搖擺角度的估計值θest的值乘以防搖控制系數(shù)k得到防搖速度命令ncmd_θ。

作為本實施例的一種改進方案，本方法還包括一個防搖啟動選擇器7，防搖啟動選擇器7的兩個輸入端分別接收常數(shù)0輸入信號和防搖速度命令ncmd_θ輸入信號，防搖啟動選擇器7將常數(shù)0或防搖速度命令ncmd_θ輸出，防搖啟動選擇器7的輸出信號和第三速度命令ncmd3輸入第一差值計算器生成第四速度命令ncmd。

如圖3所示，來自操作人員的速度命令nref經(jīng)過帶限幅的速度命令斜坡發(fā)生器1生成第一速度命令ncmd1，該速度命令經(jīng)過延時單元2生成第二速度命令ncmd2，第一速度命令ncmd1與第二速度命令ncmd2相加后經(jīng)過平均單元3生成第三速度命令ncmd3，該速度命令經(jīng)過低通濾波器4生成濾波后的速度命令ncmd_lpf,該速度命令與由sw_antisway控制的防搖啟動選擇器7輸出值相減生成第四速度命令ncmd，該速度命令與電機6的實際速度nfk相減得到的差值經(jīng)過速度pi調節(jié)器5后產生轉矩給定信號tgvn并驅動電機6。電機6的實際速度nfk經(jīng)過搖擺角度估計器10生成搖擺角度的估計值θest,該角度估計值與防搖控制系數(shù)乘法器9相乘后進入防搖啟動選擇器7，防搖啟動選擇器7的另一個輸入為常數(shù)0單元8。

這其中，延時單元2的作用是將第一速度命令ncmd1延時t/2,t為單擺的搖擺周期，其計算公式為：

該延時單元2的作用為增強在等效擺長檢測誤差大時的防搖效果的魯棒性，即等效擺長檢測出現(xiàn)誤差時，也能保證貨物的殘余擺動較小。

搖擺角度估計器10為單擺角度的數(shù)學模型，其計算公式為：

其中ωn為單擺的自然頻率，其計算公式為：

ωn＝1/t(3)

搖擺角度估計器10的作用就是通過數(shù)學模型來計算出貨物所形成單擺的搖擺角度，從速度指令中減去前述搖擺角度乘以一個消擺系數(shù)就形成了對搖擺角度的抑制作用，搖擺角度越大，抑制作用越強，搖擺角度減小，抑制作用則減小，直到將搖擺抑制為0。

如圖4所示，該圖為操作人員進行點動指令時未作任何防搖處理和在繩長檢測準確的情況下僅采用擺角計算反饋進行防搖效果的仿真對比圖。繩長為10米，操作人員在0.5s給出速度命令并且在5s時停止速度指令。第一行的兩個波形實線表示的是僅經(jīng)過斜坡限幅的速度指令，破折線表示的是未做延時和平均處理，但在速度斜坡指令上減去搖擺角度估計值乘以一個防搖控制系數(shù)后得到的速度指令，其計算搖擺角度用到的繩長為10米，即與實際繩長一致；第二行的兩個波形實線表示的是未做防搖處理的速度波形導致的貨物搖擺角度，破折線表示的是前述做了防搖處理的速度指令導致的貨物搖擺角度，可以看出，未做防搖處理時，在該點動指令下，貨物搖擺的角度最大為6°，在計算繩長與實際繩長一致的情況下，做了前述的防搖處理時貨物搖擺的角度最大為2°，且最后衰減為0°，搖擺被消除。

如圖5所示，該圖為操作人員進行點動指令時，在實際繩長比檢測繩長多2米的情況下僅采用擺角計算反饋進行防搖和采用本發(fā)明進行防搖效果的仿真對比圖。繩長為10米，操作人員在0.5s給出速度命令并且在5s時停止速度指令。從圖中第二行實線表示的波形可以看出，僅采用擺角計算反饋進行防搖時，貨物搖擺最大角度為2°，但是由于檢測繩長出現(xiàn)誤差，最終穩(wěn)定的貨物搖擺角度仍有1°。如果將僅采用擺角計算反饋進行防搖的速度指令延時單擺的搖擺周期一半發(fā)出時，會得到第二行的破折線表示的波形，貨物搖擺最大角度為2°，最終穩(wěn)定的貨物搖擺角度仍有1°，不過比較實線和破折線波形可以看出，兩者搖擺的最大角度雖然相同，但是相位卻幾乎相反。因此采用本發(fā)明進行防搖時，將速度指令延時單擺的搖擺周期一半，將延時前后的速度指令相加平均后得到的貨物最終搖擺角度約為0.2°，用點線表示，比不采用本發(fā)明的方法減少了80％殘余擺動。另外，從圖4和圖5的第三行可以看出，無論進行何種防搖處理，行走機構行走的距離都是一樣的。

圖6為操作人員進行點動指令時在實際繩長比檢測繩長少2米的情況下僅采用擺角計算反饋進行防搖和采用本發(fā)明進行防搖效果的仿真對比圖，從該圖中可以得出與圖5的分析基本一致的結論。

如圖7所示，該圖為采用本發(fā)明第一實施例時開啟低通濾波器4和未開啟濾波器時防搖效果及行走機構加速度的仿真對比圖，從該圖的第一行至第三行可以看出，開啟低通濾波器4的防搖效果及行走機構的行走距離與未開啟低通濾波器4時基本一致，但是從第四行可以看出，未開啟低通濾波器4時，行走機構輸出加速度(實線表示)的變化較為劇烈，而開啟低通濾波器4后，行走機構輸出加速度(破折線表示)平滑了許多，這對于行走機構的轉矩沖擊較小，有利于行走機構機械部分的維護減少。

如圖8所示，該圖為采用本發(fā)明第一實施例時，在操作人員進行點動指令時不開啟防搖，在點動指令結束后開啟防搖的仿真波形圖。從0.5s-5s期間，未開啟防搖，操作人員給出一個點動指令，可以看出搖擺的角度最大為3°，且不會衰減，但是搖擺的角度被實時計算出來。在10s時刻，防搖功能開啟，可以從圖8中第一行看出，立即有一個消除擺動的速度給定產生，從圖8中第二行看出，經(jīng)過5s之后，搖擺得以消除。

實施例二

本實施例與實施例一的區(qū)別在于依據(jù)第三速度命令ncmd3生成第四速度命令ncmd的方法，其他部分與實施例一相同。

本依據(jù)第三速度命令ncmd3生成第四速度命令ncmd的方法為：將第三速度命令ncmd3輸入帶通濾波器11生成第四速度命令ncmd；帶通濾波器11的計算公式包括其中ωn為單擺的自然頻率，為帶通濾波器11的帶通比。

由圖9所示，來自操作人員的速度命令nref經(jīng)過帶限幅的速度命令斜坡發(fā)生器1生成第一速度命令ncmd1，該速度命令經(jīng)過延時單元2生成第二速度命令ncmd2，第一速度命令ncmd1與第二速度命令ncmd2相加后經(jīng)過平均單元3生成第三速度命令ncmd3，該速度命令經(jīng)過低通濾波器4生成濾波后的速度命令ncmd_lpf,該速度命令經(jīng)過帶通濾波器11生成第四速度命令ncmd，該速度命令與電機6的實際速度nfk相減得到的差值經(jīng)過速度pi調節(jié)器5后產生轉矩給定信號tgvn并驅動電機6。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。