一种起重机智能防摇摆控制系统及其精确定位方法与流程
本发明涉及起重机防摇技术领域，具体涉及一种起重机智能防摇摆控制系统及其精确定位方法。
背景技术：
起重机作为重要的物流运输工具，广泛应用于工厂车间、货运码头、矿物开采等场所，并且为适应现代化生产的快速需求，开始向智能化、数字化和自动化等方向发展，其工作过程一般包括启动加速、匀速运行和减速停止。起重机的欠阻尼特性使得其运行机构在加速过程或者减速过程中由于惯性力作用不可避免的会出现起吊负载的偏摆，严重影响了起重机的装卸效率，同时随着起重机的高速化和大型化，运行机构运行速度加快，起吊绳长增加，进一步加剧了负载的偏摆，增大了负载偏摆幅度，威胁操作人员和周围设备的安全。起重机防摇技术可以控制大小车快速运输负载到达指定位置，且运输过程中保持负载偏摆角度尽量小，甚至无负载偏摆。因此其作为抑制负载偏摆、提高起重机工作效率、实现自动化车间的关键技术受到国内外生产商和研究学者们的广泛关注。
目前，起重机防摇主要包括机械式防摇和电子式防摇两种，其中机械式防摇通过机械结构的改善或者液压系统的设计，增加系统阻尼或者提高系统刚度来抑制和消除负载的摆动，其研究时间较长，技术相对比较成熟，实现形式多样，如辅助钢丝绳式、分离小车式、倒八字钢丝绳式、液压油缸式、刚性导筒制动式、跷板梁式、摩擦离合器式、斜拉绳式、交叉钢丝绳等。然而机械式防摇通常具有结构复杂、稳定性差、体积和质量大、维修保养工作量大等不足。电子式防摇利用智能控制技术，利用控制理论实现消摇防摆的目的，其形式包括输入整形、最优控制等控制的开环防摇和包括自适应控制、模糊控制、神经网络控制、遗传算法等控制的闭环控制。现在国外应用比较成熟的是开环防摇，国内应用更多的是机械式防摇，而闭环防摇由于防摇策略还处于探索实验阶段，实际应用较少。
技术实现要素：
本发明的目的就是要针对现有装置的不足，提供一种起重机智能防摇摆控制系统及其精确定位方法，其可以有效抑制负载偏摆，实现起重机负载的精确定位，明显提高起重机运行安全性、工作效率和防摇控制精度。
为实现上述目的，本发明所涉及的一种起重机智能防摇摆控制系统及其精确定位方法，其装置包括设置在吊臂上可延吊臂方向移动的大车，所述大车上设有与大车运动方向垂直的小车，所述小车上设有起升机构，所述起升机构包括控制卷筒和吊绳，所述吊绳的底端设有吊具，还包括防摇控制器和监控输入端，所述小车的底部设有导向装置，所述控制卷筒上设有绳长测量传感器，所述导向装置、绳长测量传感器和监控输入端均与防摇控制器连通，所述防摇控制器分别与大车和小车的电机连通。
进一步地，所述小车底部设有旋转底座，所述导向装置安装在旋转底座下底面。
更进一步地，所述导向装置和吊绳水平连线的方向与大车运行方向一致。
一种起重机智能防摇摆控制系统的精确定位方法，包括如下步骤：
步骤1：通过监控输入端设定起重机运行参数，同时绳长测量传感器实时采集起吊绳的绳长数据，并传输给防摇控制器；
步骤2：防摇控制器完成吊绳长度的误差补偿，得到有效吊绳的长度，并将其传输给防摇控制器；
步骤3：防摇控制器通过运算，计算得到负载偏摆周期和运行机构速度等防摇控制参数，最终防摇控制器根据起重机开环前馈防摇算法控制大车和小车的电机，从而运行起重机的防摇。
进一步地，所述步骤3中起重机开环前馈防摇算法包括：
根据起重机系统动力学分析，确定负载偏摆角度和小车加速度之间的关系，起重机系统动力学方程为：
式中，l为负载起吊绳长，θ为负载在竖直方向上的偏摆角度，为小车的加速度。
更进一步地，所述起重机开环前馈防摇算法还包括：
由于起重机运动为大车和小车方向的分别运动，则有大车方向上的运动规律将于小车运动方向上相同，因此本防摇系统通过分别控制大车和小车方向上的运动抑制负载偏摆，实现起重机的防摇；利用前馈控制理论基于输入整形控制方法可以得到n脉冲时起重机智能防摇摆控制系统前馈校正响应函数u(t)：
式中，ai和ai+1为第i和i+1个脉冲的系统响应幅值，ti和ti+1为第i和i+1个脉冲响应响应时间，“·”为卷积运算符号，t为系统偏摆周期，σ为衰减系数，ζ为负载偏摆阻尼比，
进一步地，其特征在于：所述起重机开环前馈防摇算法具体过程如下：
假设负载由静止状态起升一定高度后绳长检测传感器测量值为l1，然后控制负载起升高度h，并且得到绳长检测传感器测量值l2，则有传感器测量值与负载实际起升高度之间的比值b为进一步通过控制小车在无防摇状态下运行5s，测量负载偏摆10个周期的时间t，计算得到负载偏摆绳长l3，其公式为：
将l3与绳长检测传感器测量绳长l4进行比较得到两者差值δl，其计算公式为δl＝l4-l3；通过负载起吊绳长的误差补偿获得了负载的有效绳长，实现了绳长变化情况下的起重机防摇的精确控制。
更进一步地，所述步骤3中：
防摇控制参数还包括起重机防摇距离s和偏摆角度θ，其中：
起重机防摇距离s的确定方法：起重机运行时，根据负载的吊绳的绳长和大车、小车的运行频率，利用起重机开环防摇摆控制方法，得到起重机最大运行速度vmax、运行速度分段数n、加速时间ta和匀速时间t等参数，根据设定的运行机构运行速度得到每段运行速度v，计算出减速过程中的起重机防摇距离s；偏摆角度θ的计算：将导向装置安装高度h与上述计算的起重机防摇距离s输入控制器进行计算，得出导向装置与负载竖直方向所成的偏转夹角θ。
本发明的优点在于：其基于绳长检测传感器起吊绳长测量，通过起吊负载绳长补偿方法，实现负载起吊绳长的准确测量和偏摆周期的精确计算，进一步通过控制起重机运行机构在加速过程中的运行、匀速过程中的运行和减速过程中的运行，实现负载运输过程中的全过程防摇；进而，在起重机上安装导向装置，根据开环防摇参数计算出导向装置的偏转方向和角度，并通过发射指示信号进行负载智能定位，实现起重机负载的精确定位功能。本发明可通过利用开环防摇的运行距离，提高起重机防摇的运行稳定性和控制精度，实现简单，安全性高，有利于实现起重机的智能化和自动化。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为大车防摇距离和导向装置偏转角度示意图；
图3为起重机运行速度示意图；
图4为本发明控制流程示意图；
图5为起重机前馈控制系统示意图；
图6为起重机前馈开环防摇系统消摆示意图；
图7为起重机防摇控制系统仿真前馈信号脉冲图；
图8为起重机前馈开环防摇控制算法仿真模型负载偏摆角度变化示意图。
图中：大车1、小车2、起升机构3(其中：控制卷筒3.1、吊绳3.2、吊具3.3)、导向装置4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1～3所示的一种起重机智能防摇摆控制系统，其装置包括设置在吊臂上可延吊臂方向移动的大车1，所述大车1上设有与大车1运动方向垂直的小车2，所述小车2上设有起升机构3，所述起升机构3包括控制卷筒3.1和吊绳3.2，所述吊绳3.2的底端设有吊具3.3，还包括防摇控制器和监控输入端，所述小车2的底部设有导向装置4，所述小车2底部设有旋转底座2.1，所述导向装置4安装在旋转底座2.1下底面。所述导向装置4和吊绳3.2水平连线的方向与大车1运行方向一致。所述控制卷筒3.1上设有绳长测量传感器，所述导向装置4、绳长测量传感器和监控输入端均与防摇控制器连通，所述防摇控制器分别与大车1和小车2的电机连通。
一种起重机智能防摇摆控制系统的精确定位方法，包括如下步骤：
步骤1：通过监控输入端设定起重机运行参数，同时绳长测量传感器实时采集起吊绳3.2的绳长数据，并传输给防摇控制器；
步骤2：防摇控制器完成吊绳3.2长度的误差补偿，得到有效吊绳3.2的长度，并将其传输给防摇控制器；
步骤3：防摇控制器通过运算，计算得到负载偏摆周期和运行机构速度等防摇控制参数，最终防摇控制器根据起重机开环前馈防摇算法控制大车1和小车2的电机，从而运行起重机的防摇；
其中起重机开环前馈防摇算法包括：
根据起重机系统动力学分析，确定负载偏摆角度和小车2加速度之间的关系，起重机系统动力学方程为：
式中，l为负载起吊绳长，θ为负载在竖直方向上的偏摆角度，为小车2的加速度；
起重机开环前馈防摇算法还包括：
由于起重机运动为大车1和小车2方向的分别运动，则有大车1方向上的运动规律将于小车2运动方向上相同，因此本防摇系统通过分别控制大车1和小车2方向上的运动抑制负载偏摆，实现起重机的防摇；利用前馈控制理论基于输入整形控制方法可以得到n脉冲时起重机智能防摇摆控制系统前馈校正响应函数u(t)：
式中，ai和ai+1为第i和i+1个脉冲的系统响应幅值，ti和ti+1为第i和i+1个脉冲响应响应时间，“·”为卷积运算符号，t为系统偏摆周期，σ为衰减系数，ζ为负载偏摆阻尼比，
起重机开环前馈防摇算法具体过程如下：
假设负载由静止状态起升一定高度后绳长检测传感器测量值为l1，然后控制负载起升高度h，并且得到绳长检测传感器测量值l2，则有传感器测量值与负载实际起升高度之间的比值b为进一步通过控制小车在无防摇状态下运行5s，测量负载偏摆10个周期的时间t，计算得到负载偏摆绳长l3，其公式为：
将l3与绳长检测传感器测量绳长l4进行比较得到两者差值δl，其计算公式为δl＝l4-l3；通过负载起吊绳长的误差补偿获得了负载的有效绳长，实现了绳长变化情况下的起重机防摇的精确控制。
防摇控制参数还包括起重机防摇距离s和偏摆角度θ，其中：
起重机防摇距离s的确定方法：起重机运行时，根据负载的吊绳3.2的绳长和大车1、小车2的运行频率，利用起重机开环防摇摆控制方法，得到起重机最大运行速度vmax、运行速度分段数n、加速时间ta和匀速时间t等参数，根据设定的运行机构运行速度得到每段运行速度v，计算出减速过程中的起重机防摇距离s；偏摆角度θ的计算：将导向装置安装高度h与上述计算的起重机防摇距离s输入控制器进行计算，得出导向装置与负载竖直方向所成的偏转夹角θ。
如图4～8，本发明实际使用时：
情况一：当只有大车1运行时，根据负载的起吊绳3.2长和大车1运行频率，利用起重机开环防摇控制方法，得到大车1最大运行速度vymax、大车1分段数n1、加速时间ta1和匀速时间t1等参数，根据设定的大车1运行机构运行速度得到每段运行速度v，计算出减速过程中的起重机大车1防摇距离s1，其计算公式为
导向装置4在大车1运行平面内与吊绳3.2的安装偏差距离为s0，将导向装置4安装高度h，安装偏差距离s0与上述计算的起重机大车1防摇距离s1输入控制器进行计算，得出导向装置4与负载竖直方向所成的偏转夹角θ1；
当大车1向y正半轴前行运动时，偏转夹角θ1计算公式为当大车1向y负半轴后退运动时，偏转夹角θ1计算公式为
控制器根据大车1运行方向和上述偏转夹角θ1输出控制信号，经由系列传动装置使导向装置4向大车1运行方向偏转，偏转角度为上述夹角θ1。导向装置4发射出可见的指示信号，当信号指示点到达负载的目标位置时，操作人员松开大车1控制按钮，吊具3.3经过一段缓冲距离准确到达目标位置。
情况二：当只有小车2运行时，根据负载的起吊绳3.2长和小车2运行频率，利用起重机开环防摇控制方法，得到小车2最大运行速度vxmax、小车2分段数n2、加速时间ta2和匀速时间t2等参数，根据设定的小车2运行机构运行速度得到每段运行速度v，计算出减速过程中的起重机小车2防摇距离s2，其计算公式为
导向装置4在小车2运行平面内与吊绳3.2的安装偏差距离s0为零，故将导向装置4安装高度h与上述计算的起重机小车2防摇距离s2输入控制器进行计算，得出导向装置4与负载竖直方向所成的偏转夹角θ2，其计算公式为
控制器根据小车2运行方向和上述偏转夹角θ2输出控制信号，经由系列传动装置使导向装置4向小车2运行方向偏转，偏转幅度为上述夹角θ2。导向装置4发射可见的指示信号，当信号指示点到达负载的目标位置时，操作人员松开小车2控制按钮，吊具3.3经过一段缓冲距离准确到达目标位置。
情况三：当大车1和小车2同时运行时，根据负载的起吊绳3.2长和大小车2运行频率，利用起重机开环防摇控制方法，得到大车1最大运行速度vymax、大车1分段数n1、加速时间ta1和匀速时间t1，小车2最大运行速度vxmax、小车2分段数n2、加速时间ta2和匀速时间t2等参数，分别计算出减速过程中的起重机大车1防摇距离s1和小车2防摇距离s2，再计算出起重机防摇距离s3，其计算公式为：
导向装置4在大车1运行平面内与吊绳3.2的安装偏差距离为s0,将导向装置4安装高度h，安装偏差距离s0与上述计算的大车1防摇距离s1、小车2防摇距离s2和起重机防摇距离s3输入控制器进行计算，得出导向装置4与负载竖直方向所成的偏转夹角θ3以及起重机负载运动方向与小车2运方向夹角θ4；
负载运动方向与小车2运方向夹角θ4计算公式为
当大车1向y正半轴前行运动时，偏转夹角θ3计算公式为当大车1向y负半轴后退运动时，偏转夹角θ3计算公式为
控制器根据大小车2运行方向和上述偏转夹角θ3输出控制信号，经由系列传动装置先使可旋转底座向大车1和小车2运动矢量和方向旋转一定角度θ4，再驱动导向装置4向大车1和小车2运动矢量和方向偏转，偏转幅度为上述夹角θ3。导向装置4发射出可见的指示信号，当信号指示点到达负载的目标位置时，操作人员松开大小车2控制按钮，吊具3.3经过一段缓冲距离准确到达目标位置。
负载在起重机防摇摆过程中的偏摆规律如下：下面将以脉冲时的起重机防摇过程为例说明本前馈开环防摇算法的工作过程，并假设负载起吊后位置静止，即相对于竖直方向无偏摆角度。首先小车2开始以加速度a1开始加速运行，负载由竖直位置开始沿着小车2运动相反方向开始偏摆，小车2加速运行时间ta1后以速度v1匀速运行，负载偏摆角度增大，待t/4再次以加速度a2加速运行时间ta2后以v2匀速运行，期间负载偏摆角度进一步增大，当t/2时小车2再次以加速a3运行，同时负载偏摆角度达到最大，小车2加速运行时间ta3后以v3匀速运行，负载偏摆角度逐渐减小，在3t/4时刻，小车2再次以加速a4加速运行，负载偏摆角度进一步减小，当小车2加速运行时间ta4后，负载偏摆角度最小，即负载相对于小车2静止，偏摆角度为零。通过起重机前馈开环防摇控制算法实现小于一个负载偏摆周期内的小车2加速过程防摇，有效缩短了起重机开环防摇距离，从而提高了起重机的运行的安全性和工作效率。小车2在减速过程是小车2加速过程的相反过程，因此防摇过程相似，方向相反。进一步可以知道大车1方向的防摇过程与小车2方向防摇过程相似。
为进一步阐述本发明的实施过程，现以大车1运行情况为例，其具体实现步骤如下：
(1)安装阶段：在起重机卷筒的轴线于小车2底面的垂直投影线上任意位置安装导向装置4，其在大车1运行平面内与吊绳3.2的安装偏差距离为s0。
(2)初始化阶段：起重机防摇控制系统上电，控制系统各硬件设备进行初始化，启动无防摇状态，并建立通信连接，同时可以在监控显示上位机端输入控制手柄各档位对应速度，主要是大车1、小车2和起升各档位速度。
(3)起吊绳3.2长误差补偿：首先通过控制手柄控制负载起升一定高度，编码器测量绳长记为l1，然后通过上位机端控制起升机构起升高度h，编码器测量值为l2，计算得到编码器测量值和负载起升高度比值b；进一步分别控制大车1和小车2运行5s，同时分别测量得到负载偏摆10个周期的时间t1和t2，计算得到负载偏摆绳长l3和l5，并与编码器测量绳长l5比较得到其差值分别为δl1和δl2。
(4)起升阶段：起到绳长误差补偿完成后，启动起重机智能防摇摆控制程序。同时控制起升机构将负载提升至安全高度。
(5)大车1加速防摇运行阶段：根据起重机实际应用情况确定大车1加速运行过程次数n，通过控制器计算得到大车1每段加速度ai，加速时间tai，匀速运行速度vi和匀速时间ti等防摇控制参数。在负载静止时，大车1由静止开始以加速度ai进行加速，负载开始沿着大车1运动的相反方向偏摆，大车1加速运行时间ta1后开始以v1匀速运行，匀速运行时间为t1，大车1再次以a2加速运行ta2后开始匀速运行，匀速运行时间为t2，然后大车1将以相同规律重复上述加速匀速过程，期间负载偏摆角度不断增大，当t/2时刻时负载偏摆角度达到最大，然后大车1将再次加速，负载偏摆角度将减小，当时间等于t-t(n-1)v时，负载偏摆角度最小，负载相对于大车1静止，偏摆角度为零。
(6)大车1减速防摇运行阶段：根据起重机实际应用情况确定大车1减速运行过程次数n，通过控制器计算得到大车1每段加速度ai，加速时间tai，匀速运行速度vi和匀速时间ti等防摇控制参数。大车1由以最大运行速度开始以加速度ai进行减速，负载开始沿着大车1运动的方向偏摆，大车1减速运行时间ta1后开始以v1匀速运行，匀速运行时间为t1，大车1再次以a2减速运行ta2后开始匀速运行，匀速运行时间为t2，然后大车1将以相同规律重复上述减速匀速过程，期间负载偏摆角度不断增大，当t/2时刻时负载偏摆角度达到最大，然后大车1将再次加速减速，负载偏摆角度将减小，当时间等于t-t(n-1)v时，负载偏摆角度最小，负载相对于大车1静止，偏摆角度为零。
(7)大车1防摇距离s1、导向装置4偏转方向和角度θ1计算阶段：由大车1最大运行速度vymax、大车1分段数n1、加速时间ta1和匀速时间t1等参数，在控制器中计算出减速过程中的起重机大车1防摇距离s1；导向装置4在大车1运行平面内与吊绳3.2的安装偏差距离为s0，将导向装置4安装高度h，安装偏差距离s0与上述计算的起重机大车1防摇距离s1输入控制器进行计算，得出导向装置4与负载竖直方向所成的偏转夹角θ1；
(8)负载精确定位阶段：控制器根据大车1前进或后退运动方向，输出控制信号给导向机构。导向机构发射指示信号在地面形成指示点，控制器先通过传动装置使可旋转底座往大车1运行方向偏转90°，再使导向机构向大车1运动方向偏转，偏转角度为上述步骤中所计算出的导向装置4与负载竖直方向所成的偏转夹角θ1。当操作人员看到指示点到达负载的目标位置，立刻松开起重机控制手柄的按钮，大车1经过匀减速过程缓冲一段防摇距离之后精准停在目标位置。
(9)重机前馈开环防摇控制系统和负载精确定位的实施过程1～8应理解只是为了说明本防摇摆控制系统的全部实施过程，在实际应用中只需要根据使用需求在安装调试过程中进行初始设定即可。
上述试验案例只为更好的说明本发明专利的内在本质，并不能限制本发明的应用范围。起重机前馈开环防摇摆控制系统和起重机负载精确定位方法应理解为基于前馈控制原理和输入整形理论，采用起吊绳3.2长误差补偿方法，根据起重机的实际应用需求，通过在大车1或者小车2加速和减速过程中利用n脉冲响应进行校正，利用导向装置4的指示信号，实现小于一个负载偏摆周期内抑制和消除负载偏摆，并完成负载的精确定位功能的起重机前馈开环防摇控制算法及负载精确定位方法。
最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。