桥式起重机防摇控制方法、桥式起重机装置及桥式起重机与流程

1.本技术涉及电动机控制技术领域，具体涉及一种桥式起重机防摇控制方法、桥式起重机装置及桥式起重机。


背景技术：

2.桥式起重机作为一种重要的装载设备，已经广泛应用于现代生产中，如港口运输、装备制造等行业。在起重机作业过程中，由于小车加减速及机械系统特有振荡特性影响，会导致吊重来回摇摆，不仅严重影响生成效率提升，甚至可能导致安全生产事故，所以起重机防摇技术成为了近十年来研究的热点。
3.起重机防摇消摆先后经历了机械式防摇和电子防摇两个阶段。
4.机械防摇主要是通过消耗吊重摆动的能量来消除摆动，或是通过增加悬挂系统刚度来抑制摆动，这类机构结构复杂，可靠性差，消摆效果不理想。
5.电子式防摇方法主要有：输入整形控制、经典控制、现代控制、智能控制及模糊控制等，其中应用最多的为输入整形控制。电子防摇技术通过调节电机的输出转矩或转速来抑制吊重的摆动，该技术的核心是控制器设计。电子防摇技术又分为开环控制和闭环控制两大类，其中开环控制设计简单，成本低，但控制精度略低，闭环控制利用反馈机制实时调整控制作用，保证了较好的控制性，但实现复杂，且需要增加附加成本。


技术实现要素：

6.针对上述技术问题，本技术提供了一种桥式起重机防摇控制方法、桥式起重机装置及桥式起重机。
7.为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供了一种起重机防摇控制方法，该方法包括：
8.计算获取并发送摇摆频率；基于摇摆频率对获取的转速预设信号进行修正，得到修正转速信号；基于摇摆频率和修正转速信号，控制桥式起重机。
9.为解决上述技术问题，本技术采用的另一个技术方案是：提供了一种桥式起重机装置，该装置包括：
10.滤波模块，用于对获取的转速预设信号进行摇摆频率的滤除，得到修正转速信号；速度控制模块，用于接收修正转速信号与摇摆频率，进行实时的控制，控制桥式起重机；摇摆频率计算模块，用于计算获取并发送摇摆频率至滤波装置及速度控制装置。
11.为解决上述技术问题，本技术采用的另一个技术方案是：提供了一种桥式起重机装置，该装置包括：
12.速度给定信号发生器，用于产生并发送转速预设信号；起重机控制器，与速度给定信号发生器连接，用于发送转速预设信号；滤波装置，与起重机控制器连接，用于滤除转速预设信号的摇摆频率，生成并修正转速信号；速度控制装置，与滤波装置及桥式起重机连接，用于根据摇摆频率及接收的修正转速信号，控制桥式起重机回到目标位置；摇摆频率计
算单元，与起重机控制器、滤波装置及速度控制装置连接，用于实时计算摇摆频率并实时传输摇摆频率至滤波装置及速度控制装置。
13.为解决上述技术问题，本技术采用的另一个技术方案是：提供了一种桥式起重机，该起重机包括上述任意一项的桥式起重机装置。
14.本技术的有益效果是：区别于现有技术的情况，实时计算并且发送其起重机吊重的摇摆频率能够有效地让滤波装置和速度控制装置能实时地对摇摆频率进行抑制，避免调节时间过长；采用自动调整中心频率的陷波滤波器，能够实时有效滤除吊重特有摇摆频率，使用自适应积分时间常数的速度控制装置，有效降低速度控制装置和机械系统之间的干涉，抑制了桥式起重机小车机构行走产生的吊重摇摆。本技术的桥式起重机装置能有效抑制小车行走结束吊重的摇摆，其整体实现简单，鲁棒性强，可提高桥式起重机工作效率，降低对操作人员的技术要求。
附图说明
15.图1是本技术一实施例的桥式起重机防摇控制方法流程示意图；
16.图2是本技术一实施例的小车吊重系统简化模型结构示意图；
17.图3是本技术一实施例的陷波滤波器的伯德(bode)示意图；
18.图4是本技术一实施例的桥式起重机装置结构示意图；
19.图5是本技术一实施例的桥式起重机装置结构示意图；
20.图6是本技术一实施例的桥式起重机装置系统框图示意图；
21.图7是本技术一实施例的桥式起重机结构示意图。
具体实施方式
22.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，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
23.本技术首先提出了一种桥式起重机防摇控制方法，如图1所示，本实施例桥式起重机防摇控制方法具体包括步骤s101至步骤s103：
24.步骤s101：计算获取并发送摇摆频率。
25.摇摆计算单元计算获取并发送摇摆频率。
26.可选地，本实施例进一步提出了在摇摆计算单元计算获取并发送摇摆频率步骤中摇摆频率的计算公式，公式(1)如下所示：
[0027][0028]
其中ωn为摇摆频率，重力加速度g选择固定值9.8m/s2，l表示为实际工作状态下的绳长。
[0029]
可选地，本实施例进一步提出了一种小车吊重系统简化模型20，如图2所示，公式(1)可由以下系统简化模型推导并计算得到：
[0030]
在图2中，将吊重202视为理想的指点，忽略系统的弹性变形和大车移动，忽略吊绳
长度变化，忽略小车201摩擦力以及空气阻力的影响。
[0031]
小车201质量记为m，吊重202质量为m，吊绳绳长为l，吊重202相对于竖直线的摆角为θ，电机对小车201提供的驱动力为f，小车201与轨道之间的摩擦力为f，摩擦系数为μ，吊绳收到的拉力为f1。得到小车201和吊重202在水平和竖直方向的位移如公式(2)所示：
[0032][0033]
对(2)求微分得到小车201和吊重202在水平和竖直方向的速度如公式(3)所示：
[0034][0035]
根据系统的动能和势能计算和拉格朗日方程，可以得到系统的非线性动力学方程如公式(4)所示：
[0036][0037]
在起重机作业过程中，可以将吊绳受到的起升力看作恒定值，不做考虑，同时忽略绳长的变化，即另一方面，考虑到摆角摆动范围一半小于10度，所以系统方程(4)可进一步简化为(5)：
[0038][0039]
由公式(5)可以计算便可以得到吊重202的摆动频率如公式(1)所示，绳长l根据实际工作状态获取，由桥式起重机控制器提供。
[0040]
步骤s102：基于摇摆频率对获取的转速预设信号进行修正，得到修正转速信号。
[0041]
滤波装置接收到摇摆频率与转速预设信号，在转速预设信号中将吊重摇摆频率的激励源信号进行滤除，得到修正转速信号。
[0042]
可选地，本实施例在基于摇摆频率对获取的转速预设信号进行修正，得到修正转速信号的步骤中，滤波装置可以为陷波滤波器，采用陷波滤波器进行摇摆频率对获取的转速预设信号的修正，陷波滤波器采用公式(6)结构，具有有限滤波深度，陷波宽度可调，并实时自动计算陷波滤波器中心频率。
[0043][0044]
ωn为摇摆频率，也是陷波器中心频率，按公式(1)实时计算并发送至陷波滤波器；其中ξ
p
决定陷波滤波器宽度，ξz决定陷波器深度，s是表示h(s)这个函数是原函数经过拉普
拉斯变换后的表达式。
[0045]
陷波滤波器又称作带阻滤波器，可以阻止中心频率附近频带通过。起重机作业过程中绳长会实时改变，陷波滤波器的中心频率即摇摆频率要随着桥式起重机绳长同步变化，每隔预设时间更新一次，可以设置为每2ms更新一次。
[0046]
陷波滤波器宽度可调，陷波滤波器分母阻尼系数ξ
p
决定陷波滤波器宽度，ξ
p
越大。陷波器宽度越宽，ξ
p
越小，陷波器宽度越窄，由于起重机吊绳长通常比较准确，偏差不超过20％，忽略提升过程中桥式起重机控制器传输信号延迟，实时吊重固有摇摆频率与真实吊重固有摇摆频率偏差也不超过20％，同时为了提高系统鲁棒性，设计陷波滤波器宽度等于中心频率，得到分母阻尼系数ξ
p
＝0.5。
[0047]
陷波滤波器具有有限陷波深度，陷波滤波器分子阻尼系数ξz决定陷波器深度，ξz越小，陷波器深度越深，如果ξz＝0，陷波滤波器具有无限深深度。考虑到具有无限陷波深度的陷波滤波器容易导致系统不稳定，所以为了提升系统可靠性和鲁棒性，本技术采用具有有限深度的陷波滤波器，可以设置陷波滤波器分子阻尼系数ξz＝0.05。
[0048]
当陷波滤波器分母阻尼系数ξ
p
＝0.5设置分子阻尼系数ξz＝0.05，其设计的陷波滤波器的伯德(bode)图如图3所示。
[0049]
为了陷波滤波器在装置中的实现，还得采用双线性变换的方法离散化，具体可以使用替换公式(6)中的s，z也是表示h(z)这个函数是经过的双线性变换方法得到的表达式，ts是陷波滤波器的执行周期，得到离散化的传递函数(7)为：
[0050][0051]
由于设计陷波滤波器不可能具有无限深度，所以系统谐振频率处幅值增益并不为0，即对应频率点的信号不能被完全滤除，需要同时使用速度控制装置以达到更好的防摇效果。
[0052]
步骤s103：基于摇摆频率和修正转速信号，控制桥式起重机。
[0053]
速度控制装置在接收到摇摆频率和修正转速信号，基于摇摆频率的变化和修正转速信号来控制桥式起重机。
[0054]
可选地，本实施例进一步提出了在基于摇摆频率和修正转速信号，控制桥式起重器步骤中采用速度控制装置，速度控制装置采用pi调节器，其传递函数公式如公式(8)所示：
[0055][0056]
若速度控制装置的被控对象存在负载扰动时，则负载扰动到转速的传递函数就如公式(9)所示：
[0057][0058]kp
为比例增益，τn为积分时间常数，且比例增益固定。公式(9)中j表示转动惯量。
[0059]
如果公式(9)对应幅频特性幅值衰减大，则表明控制系统具有较好的抗干扰特性，
于是对公式(9)取倒数，并用jω替换拉普拉斯算子s，得到动态刚度，动态刚度是一个关于ω的函数(10)：
[0060][0061]
t
l
表示为负载转矩，ωr表示为转速。
[0062]
当比例增益k
p
一定时，积分时间常数τn越小，对对低频扰动的抑制能力越强。通常起重机吊绳长远超过1m，由公式(1)可以明确系统谐振频率远小于1rad/s，属于低频扰动。如果速度控制器积分时间常数过小或不合理，则速度调节器抑制低频扰动能力强，在抑制过程中和吊重摆动相互影响，增加调节时间，延长吊重摇摆时间。为了减少电子摇摆时间，本技术采用自适应积分控制，在保持比例增益k
p
恒定的前提下，积分时间常数基于摇摆频率变化，由公式(11)实时计算获取：
[0063][0064]
其中ωn为摇摆频率，重力加速度g选择固定值9.8m/s2，l表示为实际工作状态下的绳长。绳长l根据实际工作状态获取，由桥式起重机控制器提供。
[0065]
当起重机吊绳长较短时，吊重摇摆周期短，摇摆不剧烈，此时积分时间常数自动减小，积分作用强，可以提高速度控制装置的响应性能，消除静差。当起重机吊绳增长时，重物摇摆周期长，摇摆剧烈，此时自动增大积分时间常数，积分作用减弱，降低速度控制装置和实际系统的相互干涉，使吊重能快速稳定。
[0066]
该桥式起重机防摇控制方法可进一步应用于车载起重机，该方法可以同时抑制俯仰动作和回转动作产生的面内角和面外角的二维摇摆。
[0067]
本技术进一步提出了一种桥式起重机装置40，如图4所示，该装置40包括：
[0068]
滤波模块401，用于对获取的转速预设信号进行摇摆频率的滤除，得到修正转速信号；速度控制模块402，用于接收修正转速信号与摇摆频率，进行实时的控制，控制桥式起重机；摇摆频率计算模块403，用于计算获取并发送摇摆频率至滤波装置及速度控制装置。
[0069]
滤波模块401与速度控制模块402连接，摇摆频率计算模块403分别与滤波模块401、速度控制模块402连接。
[0070]
本技术进一步提出了一种桥式起重机装置50，如图5所示，该装置50包括：
[0071]
速度给定信号发生器501，用于产生并发送转速预设信号；起重机控制器502，与速度给定信号发生器501连接，用于发送转速预设信号；滤波装置503，与起重机控制器502连接，用于滤除转速预设信号的摇摆频率，生成并修正转速信号；速度控制装置504，与滤波装置503及桥式起重机(图未示)连接，用于根据摇摆频率及接收的修正转速信号，控制桥式起重机回到目标位置；摇摆频率计算单元505，与起重机控制器502、滤波装置503及速度控制装置504连接，用于实时计算摇摆频率并实时传输摇摆频率至滤波装置503及速度控制装置504。
[0072]
速度给定信号发生器501可以为操作员的档位操作信号或计算机设定的轨迹，向其起重机控制器502发送转速预设信号，该转速预设信号可以通过模拟量电压信号给定，也可以通过通讯方式给定。
[0073]
摇摆频率计算单元505根据起重机控制器502提供的吊绳长度l自动计算吊重特有的摇摆频率，向滤波装置503和速度控制装置504发送其摇摆频率。
[0074]
滤波装置503，可以是陷波滤波器，陷波滤波器接收到转速预设信号后，根据摇摆频率计算单元505发送的摇摆频率滤除吊重特有的摇摆频率，抑制吊重摇摆，生成修正转速信号发送给速度控制装置504。该陷波滤波器通过软件方式在驱动电机变频器中执行。
[0075]
速度控制装置504可以采用自适应积分时间结构，在接收到修正转速信号后，根据吊重特有的摇摆频率，自适应修正速度控制装置504的积分时间常数，降低变频控制系统和系统特有摆动频率之间的干涉，并控制小车电机跟随设定转速旋转实现回转机构旋转到目标位置的目的。
[0076]
可选地，本实施例进一步提出了一种桥式起重机控制系统60，具体框图如图6所示，该控制系统包括：
[0077]
起重机控制器601，陷波滤波器602与起重机控制器601连接；自适应积分速度控制器603与陷波滤波器602连接；被控对象604与自适应积分速度控制器603连接；被控对象604之后引出负反馈至陷波滤波器602与自适应积分速度控制器603之间；摇摆频率计算单元605与起重机控制器601连接，由起重机控制器601向摇摆频率计算单元605传输吊绳长度l，摇摆频率计算单元605与陷波滤波器602、自适应积分速度控制器603连接，分别向陷波滤波器602、自适应积分速度控制器603发送摇摆频率ωn。
[0078]
本技术进一步提出了一种桥式起重机70，如图7所示，该起重机包括上述任意一项的桥式起重机装置。该起重机包括：支撑梁703、支撑支架704及桥式起重机装置(图未示)。
[0079]
桥式起重机装置的小车吊重系统简化模型如2所示，图7中小车701可以为图2的小车201，吊重702可以为图2中的吊重202，吊绳绳长为l，吊重202相对于竖直线的摆角为θ。
[0080]
区别于现有技术的情况，本技术的桥式起重机防摇控制方法及桥式起重机装置采用自动调整中心频率的陷波滤波器，有效滤除吊重特有摇摆频率，同时使用自适应积分时间常数的速度控制器，有效降低速度控制器和机械系统之间的干涉，抑制了桥式起重机小车机构行走产生的吊重摇摆。陷波滤波器采用有限深度陷波滤波器，且陷波宽度可调节，提高了系统的稳定性和鲁棒性，在自动计算系统摇摆频率误差很大时也可保证系统稳定运行。自适应积分速度控制器可有效避免系统调节时间过长，配合陷波滤波器使用，进一步缩短吊重防摇调整时间。本技术的桥式起重机装置能有效抑制小车行走结束吊重的摇摆，其整体实现简单，鲁棒性强，可提高桥式起重机工作效率，降低对操作人员的技术要求。
[0081]
以上所述仅为本技术的实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。