用于起重机等的绳索稳定的控制方法和设备

摘要

本发明的目的是要提供一种无需机械的或光学的摇摆角度检测装置的高性能低成本的起重机绳索稳定控制方法和设备。本发明提供了一种绳索稳定控制方法，用于具有用来引起由起重机等的绳索悬挂的载荷移动的小车驱动设备的起重机等，其中由绳索悬挂的载荷的摇摆通过以下步骤停止：基于控制系统与驱动系统的增益系数和等价时间常数通过计算上估算不包含由绳索的摇摆所引起的载荷转矩波动的电动机转矩估算信号τM*而计算与绳索摇摆角度和载荷成正比的摇摆载荷信号I2W*，并比较这一估算信号τM*与实际载荷转矩τM，并向小车驱动设备(1)的小车速度命令NS反向回馈信号NW，该信号是通过对与这一摇摆载荷信号成正比的摇摆角度检测估算值θ1*及摇摆角度设定值θS之间的差进行相位超前/滞后补偿所产生的。

说明书

本发明涉及用于抑制绳索上悬挂的载荷摇摆的控制方法和设备，这些载荷是指例如从桥式起重机小车所悬挂的载荷，从集装箱起重机或集装箱搬运机小车悬挂的集装箱，或者在抓斗式起重机上的抓斗或者用于装卸散装货物的卸载机，在抓斗等移动期间。

通常已知，用于抑制悬挂载荷在加速、减速或稳定移动期间摇摆的方法一般可分为机械稳定方法和电子稳定方法。

机械稳定方法包括用来停止摇摆的一些方法，例如在小车本身上装设导杆，或把注意力集中在集装箱起重机或集装箱本身结构上，或者使用特别的绳索结构和绳索张紧装置或者能够抑制摇摆的液压缸。

电子稳定方法包括进行稳定控制的一些方法，其中检测悬挂载荷的摇摆角度或摇摆速度并将其向驱动系统反馈，或者计算和指令可以其在加速度结束时消除摇摆的速度模式(例如日本专利申请No.Sho45-4020的起重机绳索稳定控制方法)。

这种电子稳定控制包括闭环式控制，其中通过检测悬挂载荷的摇摆角度并通过适当的补偿元件将其向驱动系统反馈而进行稳定，还包括开环式控制，其中基于与悬挂载荷相关的运动方程的求解而预测加速和减速期间摇摆角度和摇摆速度，并指令能够使得达到稳定的加速度和减速度和次数(例如未审的日本实用新型公开No.Sho57-158670的悬挂式起重机绳索稳定控制设备)。

使用如同日本专利申请No.Sho45-4020中所透露的传统方法，摇摆角度检测装置基本上是必需的。在这一方法中，绳索的摇摆角度是以机械方式检测的，因为绳索在提升和下降时是运动的，故悬挂装置的结构必须满足对绳索的某种连结与相对它的可滑动性这样矛盾的要求，从而所得到的设计不可避免变得复杂化并缺乏可靠性。

为了解决这一问题，已经提出使用光源、摄像机和图象处理装置的光学摇摆角度检测系统。

虽然这一系统没有与运动绳索的机械连接，可是由于其光学性质因灰尘所致的特性恶化是关心的问题。而且，光源与摄像机的精确对准，以及从一个图象计算摇摆角度的处理导致了高昂的费用。并且，由于与起重机的结构有关的原因，摄像机一般安装在小车的提升卷扬机附近，并在这里需要安装空间。而且，在假设小车加速度为0.5m/sec²，即使考虑最大的摇摆角度，其数值也非常小，为0.102rad，就摇摆角度检测精度来说，摄像机和光源必须精确对准。而且必须对摄像机精确控制。于是，检测设备不可避免地复杂化并很精细。

为了解决这类问题，对不使用摇摆角度检测设备而是通过从电动机速度、小车速度和绳索长度等等的计算来估算摇摆角度的摇摆角度模型和摇摆角度观测器也已经进行了研究。遗憾的是，由于它们非常复杂，造成很大误差，并且不能处理存在起始摇摆或者外部干扰的情形，故它们没有达到实用性。

于是本发明的目的是要研制一种载荷转矩观测器，该观测器不需要机械的或光学的摇摆角度检测装置，并且该观测器是基于与传统的摇摆角度模型和观测器完全不同的原理，从而提供了高性能和低造价的稳定控制方法和设备。

为了达到上述目的和其它目的，用于起重机等具有用来传送由起重机绳索等悬挂的载荷等的小车驱动设备的本发明的绳索稳定控制方法在于通过以下步骤而停止由绳索悬挂的载荷的摇摆：基于控制系统与驱动系统的增益系数和等价时间常数通过计算上估算不包含由绳索的摇摆所引起的载荷转矩波动的电动机转矩估算信号τ_M*而计算与绳索摇摆角度和载荷成正比的摇摆载荷信号I_2W*，并比较这一估算信号τ_M*与实际载荷转矩τ_M，并向小车驱动设备的小车速度命令Ns反向回馈信号Nw，该信号是通过对与这一摇摆载荷信号成正比的摇摆角度检测估算值θ1*及摇摆角度设定值θ_S之间的差进行相位超前/滞后补偿所获得的。

而且，用于包括一个用于引起由起重机绳索等悬挂的载荷运动的小车驱动设备的起重机等的本发明绳索稳定控制设备具有：一个转矩控制器，用于基于速度命令而控制由驱动设备所产生的转矩，一个速度控制装置，用于自动控制驱动设备的速度，以及用于控制小车的速度和位置的控制装置，该绳索稳定控制设备包括：一个转矩模型，用于基于控制系统与驱动系统的增益系数和等价时间常数通过计算而估算不包含由绳索摇摆所引起的载荷转矩波动的电动机转矩的估算信号，一个用于基于驱动设备的转矩控制装置的输出转换为转矩信号τ_M的装置，一个通过比较转矩模型的输出信号τ_M*与转矩信号τ_M用于检测对应于与绳索摇摆角和载荷成正比的摇摆载荷信号的信号I_2W*的装置，一个用于转换信号I_2W*为摇摆角度估算信号θ1*的装置，以及一个相位超前/滞后电路，用于向速度命令Ns负回馈速度信号Nw，该速度信号通过对摇摆角度检测估算信号θ1*及摇摆角度设定值θ_S之间的差进行相位超前/滞后补偿而产生。

在这一方法和设备中，为了防止稳定性由于绳索长度的变化而失效，稳定控制的回路增益被调节为与绳索的长度的1/2次方成正比的数值。

而且，为了防止稳定性能由于所悬挂的载荷减少而失效，该稳定控制的回路增益设计为与载荷的减少成反比而增加。

本发明把注意力集中于这样的事实，即小车载荷的载荷摇摆转矩分量大并且其大小与载荷摇摆角成正比，并借助于对驱动设备的电子信号处理向驱动系统反馈这一分量而提供稳定控制。由于本发明不需要复杂的机械的或昂贵的光学的摇摆角度检测设备，并与传统的摇摆角度观测器比较，本发明是基于通过直接检测与摇摆角度成正比的摇摆载荷而获得摇摆角度的原理，故本发明在精度和可靠性上基本上是优越的，并可处理起始摇摆和外部扰动。

图1是表示本发明的一个具体的较佳实施例的总体结构的框图。

图2是表示一般的小车中摇摆的动态模型的图示。

图3是通过本发明的较佳实施例的结构中载荷摇摆角度响应的仿真所获得的曲线。

图4是表示本发明的稳定控制设备细节的框图。

图5是表示由仿真所获得的绳索长度和最佳控制增益之间的关系的一例的曲线。

图6是表示本发明的较佳实施例的仿真稳定性能的曲线。

现在将参照附图1到6及表1，叙述一个具体的较佳实施例而对本发明作详细说明。

图1是表示本发明原理的框图。在图1中，驱动设备1的小车包括转矩控制装置1-1和电动机与小车驱动系统1-2。作为小车驱动系统1-2的输出的速度N反馈到转矩控制装置1-1的输入侧，由此形成一已知的自动速度控制装置。转矩传送系数1-3向小车驱动系统1-2传送(如同以下进一步所讨论)作为载荷摇摆的结果引起的转矩(以下称为摇摆载荷转矩)。

图1的标号2标记由载荷转矩观测器2-1和稳定控制器2-2所构成的本发明的稳定控制设备。标号3标记连接到用于向加速度调节器4提供速度命令的速度命令手柄的速度命令器(例如线性命令器)，并且加速度调节器4输出被调节的速度命令Ns。标号5标记用来转换电动机速度N为小车速度V的一个元件。标号6标记以小车速度V作为其输入并输出小车摇摆角度θ的小车摇摆动态模型。

各方框中的标号G1(S)到G7(S)标记表示各个装置或元件的传输特性的传输系数。

小车摇摆的动态模型一般可表达为如图2所示。在图2中，11是一个小车而12是一个载荷。

从图2可获得以下的关系表达式。

m.d²y/dt²＝m·g-T·cosθ    (1)

m.d²x/dt²＝T.cosθ    (2)

y＝h·cosθ      (3) 

x＝d-h·sinθ    (4)其中：

D：小车从固定点的水平位移

d²x/dt²，d²y/dt²：小车加速度

F：小车加速力

g：重力加速度

h：卷扬绳索的长度

m：载荷质量

M：小车质量

T：卷扬绳索中的张力

x：载荷的水平位移

y：载荷从小车的垂直位移

θ：载荷从垂线的摇摆角度

将表达式(3)和(4)带入表达式(1)和(2)并进行整理可得到以下表达式：

d²θ/dt²

＝(1/h)·((d²(d)/dt²)Cosθ-g·sinθ-2·(dh/dt)(dθ/dt))

                          (5)

d²h/dt²

＝g·Cosθ+(d²(d)/dt²)sinθ+h·(dθ/dt)²-T/m  (6)

相对于小车的加速度，以下表达式成立：

M·d²(d)/dt²＝F-T·sinθ    (7)

这里，认为吊钩高度不变，表达式(5)变为：

d²θ/dt²＝(1/h)·(fcosθ-g·sinθ)    (8)

这里，f：小车加速度＝d²(d)/dt²

又，在表达式(8)中，摇摆角度θ非常小，因而认为Cosθ＝1.0而sinθ＝θ，得到以下表达式：

d²θ/dt²＝(1/h)·(f-g·θ)    (9)

通过对该表达式的Laplace变换，得到表达式(10)：

θ(s)/v(s)＝(1/h)·(τ²s/(1+τ²s/(1+τ²s²)))  (10)

其中，v(s)：小车速度＝d(d)/dt

τ＝(h/g)^1/2

这里，重新表示卷扬绳索长度h为L，通过写出：

ω＝(g/L)^1/2(sec^-1)    (11)

表达式(10)可表示为以下的表达式(12)：

θ(s)/v(s)＝(L/g)·{ω²s/(s²+ω²)}  (12)

其中：L：卷扬绳索长度(m)

g：重力加速度＝9.8m/sec²

v：小车速度(m/sec)

θ：摇摆角度(rad)

即，图1中的G₄由表达式(12)给出。

另外，以下将得到由摇摆引起的小车加速力。

这一加速力是表达式(7)的项T·sinθ。这一项的绳索张力T为重力分量和载荷的圆周运动所导致的向心力之和，但是由于后者比前者小，该项可近似于前一分量。

因而，

T＝m·g·cosθ    (13)

这就是说，如果摇摆角度很小，则由载荷摇摆所引起的加速力fs表示为：

fs＝m·g·cosθ·sinθ-m·g·θ    (14)因而，这部分的传动系数为

fs(s)/θ(s)＝m·g    (15)    其中：fs：小车摇摆加速力(N)

m：载荷质量(Kg)

因而，通过表达式(15)的摇摆加速力fs乘以转换为电动机轴的转矩系数所得到的以下表达式给出G5：

τ_W(s)/θ(s)＝K_W·m·g    (16)其中：

K_W：转矩转换系数(Kg·m/N)

τ_W：被转换至电动机轴的摇摆载荷转矩(Kg·m)

图1中，由方框1-2所表示的电动机和小车驱动系统传动系数G2是这样的一个传动系数，它具有作为输入的为电动机转矩τM和[小车摩擦转矩τt+摇摆载荷转矩τ_W]之代数和的一个加速转矩τa并具有作为输出的电动机速度，并可由以下已知的表达式表示：

N(s)/τa(S)＝375/(GD²·s)    (17)其中：N(s)：电动机速度(rpm)

τa：加速度转矩(Kg·m)

τt：小车摩擦转矩

GD²：电动机GD²+被转换至电动机轴的小车GD²(Kg·m²)

s：Laplace算子(＝d/dt)    

然后，例如当应用向量控制反相器等时，转矩控制装置1-1的传动系数G1可近似为具有小滞后时间常数的一阶滞后。这就是，

τ_M(s)/△N(s)＝Kp/(1+Ta′s)    (18)其中：τ_M(s)：电动机转矩(Kg·m)

△N：速度差(rpm)＝Ns′(s)-Ns

Kp：速度控制增益(Kg·m/rpm)

Ta：等价转矩时间常数(sec)

为了阐明本发明使用上述建立的小车驱动系统传动系数的自动稳定控制设备的有用性，这里将在不使用本发明的自动稳定控制装设表达情形下说明小车的摇摆。图3是从图1所示的本发明较佳实施例的结构中除去稳定控制设备2并在电动机加速4.5秒的情形下仿真载荷摇摆角度响应所得到的曲线。如图所示，即使在加速结束之后，仍然有明显的残余摇摆，并可看见这种摇摆几乎是无衰减的。因而当需要以最小摇摆移动或者需要悬挂的载荷定位时，操作者必须人工进行稳定操纵。

然而，这种人工操纵需要相当的技巧，而且在很多情形下，装卸效率大大下降。

以下将参照图4对本发明的稳定控制设备2的细节进行说明。

图1的载荷转矩观测器2-1详细示于图4的方框2-1中。载荷转矩观测器2-1的构造是为了这样估算摇摆载荷：通过构成用于估算不包含摇摆载荷转矩的电动机转矩的所示类型的转矩模型2-1-2，并比较这一输出τ_M*与图1的转矩控制装置1-1的输出τ_M。

如上所述，使用如同向量控制反相器驱动那样的其转矩命令和所产生的的转矩被线性化的驱动设备，从速度差到电动机产生的转矩的传动系数可用很小的时间常数近似为一阶滞后。

因而，如果使用表达式(17)和(18)所估算的不包含摇摆载荷转矩的电动机转矩数值写为τ_M*，则这一数值可由一框图表示，并且其构造如同图4的一阶滞后元件2-1-1和转矩模型2-1-2。

这就是说，

τ_M*(s)＝Ns′(s)×[Kp/(1+Ta′s)]·(1-G6′(s))-Tt(s)×(G6′(s))(19)其中，Tm′：补偿机械时间常数(sec)＝(Ta′+Tm)/(1+Kp)

Tm：机械时间常数(sec)＝GD²/375

Tt：小车摩擦转矩(Kg·m)

G6′(s)：＝1/(1+Tm′S)(1+Ta′S)

电动机转矩估算数值τ_M*可通过将其乘以由2-1-3表示的转矩常数KT的倒数被转换为转矩电流估算数值I2*。

类似地，在图1的小车驱动设备中的转矩控制装置1-1的输出τ_M也可通过将其乘以KT的倒数被转换为实际的转矩电流I2s。

因而，如图4的2-1中所示，摇摆载荷电流的估算数值I_2W*被表示为

I_2W*＝I2-I2*＝(1/KT)(τ_M-τ_M*)    (20)其中，KT：转矩常数(A/Kg·m)

I_2W*：摇摆载荷电流的估算数值(A)    

I2：实际转矩电流(A)

这样，不使用机械的或者光学的摇摆角度检测装置，就能够检测到与悬挂的载荷的摇摆角度及与悬挂的载荷成正比的摇摆载荷电流。

以下将说明本发明的稳定控制器。

图4的方框2-2表示图1中的较佳实施例的方框2-2的细节，并在这一方框2-2中，标号2-2-1是摇摆角度设定器，2-2-2是摇摆角度误差放大器，2-2-3是相位超前/滞后补偿器，及2-2-4是[摇摆角度/摇摆电流]转换器。

悬挂载荷的摇摆角度作为摇摆电流估算值I_2W*被检测到，乘以系数KD从而被转换为摇摆角度检测估算数值θ1*。θ1*与摇摆角度设定器2-2-1的设定数值θ_S比较，而它们之间的误差△θ乘以Kth并通过相位超前/滞后补偿器2-2-3，从而变为小车自动速度控制电路以外的稳定控制电路的反馈信号NW。

这就是说，实际的小车速度命令是图1的加速度调节器4的输出Ns与上述的反馈信号NW之差Ns′。

因而，如果摇摆角度设定器的设定数值被设定为零并且Kth，KD，TD1，TD2被适当地设定，则使得摇摆角度检测估算数值θ1*为零的控制，即稳定控制是可能的。

这种情形下，作为对于这一系统的稳定装置，能够使用已知的例如应用Bode图解法这样的分析方法，并可设定获得预定响应的Kth，KD，TD1，TD2。

因为参照图4，上述的稳定控制设备中的等价转矩时间常数Ta′与被补偿的机械时间常数Tm′相比是很小的，故G6′可近似为线性表示，因而实际的系统可被简化。

以上是基于一个较佳实施例在本发明的理论上的详细说明。

然而在实践本发明时，必须解决以下三个问题：

第一个问题是找到对于即使在绳索长度变化时也可获得良好稳定性能的稳定控制增益与绳索长度的关系。

第二个问题是找到对于在悬挂载荷减少时稳定控制回路增益衰减和由此而来的控制性能下降的对策。

第三个问题与通过比较不包含摇摆载荷的电动机转矩模型与实际转矩电流所指示的载荷观测器相联系，而与当在该模型与实际机器之间存在误差时所出现的性能降低相关。

第一个问题是由表达式(12)中ω数值随绳索的长度而变化这一事实所引起。例如，当绳索的长度为19.6m，9.8m，4.9m时，从表达式(11)ω为0.707sec^-1，1.0sec^-1，1.414sec^-1，并且表达式(12)的特征根随绳索的长度的平方根的倒数而变化。当假设在绳索长度为4.9m、KD×Kth被设定而获得良好的响应时，在绳索长度为9.8m时必须使得这一数值近似为√2×，而当绳索长度为19.8m时必须使之为2×。

图5是通过仿真获得的绳索长度与最优控制增益之间的关系的一例。在图5中，KD保持不变而显示出Kth的最优数值。从图可看见，这一数值基本上与绳索长度的1/2次方成正比。

于是这一问题可被解决，即按照绳索长度调节控制增益来保证良好的稳定性能。

第二个问题是从这一事实所引起的，即当悬挂载荷小时，I_2W*相应地小，其结果是当摇摆角度已经降低时相同的信号馈送给稳定控制系统。

可是，在卷扬操纵中被提升的载荷在移动期间通常是不变的。这就是说，通过测量在卷扬操纵期间载荷的大小可对KD进行补偿。考虑到整个系统的稳定性，KD必须与载荷的减少成反比地增加。

现在，在本发明的方法中，如图4所示，因为所产生的实际的电动机转矩用来形成摇摆载荷的观测，这就存在这样的限制，即添加这一稳定控制回路必须不得引起速度控制设备内部的转矩或者电流控制小回路的振荡。

为了解决这一问题，对于回路增益使用已知的Bcde图解法通过计算可获得必要的滞后补偿时间常数TD2和超前时间常数TD1。在本较佳实施例中，通过Bode图解分析并通过计算伴随悬挂载荷中变化的电动机载荷的变化，获得了稳定的最优增益并通过仿真确认。

表1表示对于较佳实施例中这类常数的计算示例。

    表1

      绳索长度  检测增益  相位滞后   的时间    常数     T_D               稳定增益常数     L    (m)    ω  (sec^-1)   100％   载荷    50％    载荷    25％    载荷  12.5％   载荷  0.5×g   1.414    1.5    0.353   0.364   0.676   1.243   2.13  1.0×g   1.0    1.5    0.5   0.5   0.955   1.755   3.02  2.0×g   0.707    1.5    0.707   0.707   1.35   2.482   4.26  3.0×g   0.577    1.5    0.866   0.866   1.65   3.04   5.22  4.0×g   0.5    1.5    1.0   1.0   1.91   3.51   6.03

这样，对于绳索长度和悬挂的载荷的变化可设定最优的TD2和Kth。

由于可使用诸如机器的控制增益设计值，故第三个问题在实际上不构成一个问题，因为在实际操纵之前对于时间常数可测量实际的数值，又因为它们还可以通过无载荷操作试验检测来确定。如果必要，也可使用已知的常数自动调节技术。

应当考虑的一件事情是摩擦转矩设定数值Tf的变化，但是在这种情形下基于无载荷检测的自动调节也是可行的。该设定误差变为稳定结束后的速度命令误差，但是不影响稳定性能。而且，在定位控制中，通常由于位置控制回路置于速度控制回路之外，由这一摩擦转矩设定的设定误差所引起的速度命令变化不会变为定位误差。

图6表示通过仿真所获得的本发明的这一较佳实施例的稳定性能。

从图6可见，悬挂载荷的摇摆在加速和减速完成时几乎被消除。而且将这与图3的特性比较可见，同不使用本发明的稳定控制的情形相比，在加速期间最大摇摆角度几乎被抑制至大约52％(1.15/2.2＝0.523)。

由于本发明不需要复杂的机械的或昂贵的光学的摇摆角度检测设备，并与传统的摇摆角度观测器相比，它是基于通过直接检测与摇摆角度成正比的摇摆载荷而获得摇摆角度这样的原理，本发明在精度和可靠性上有明显的优势，并可控制起始摇摆和外部干扰。因而，它可提供廉价和高性能的的稳定控制设备。

本发明可用于抑制悬挂载荷移动期间的摇摆，这包括从桥式起重机等小车上的悬挂载荷，从集装箱起重机或集装箱搬运机小车悬挂的集装箱，或者抓斗式起重机的抓斗或者用于装卸散装货物的卸载机等等。