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防止起重機(jī)負(fù)載擺動(dòng)的反饋控制指令開(kāi)關(guān)
摘要——當(dāng)起重機(jī)在搬運(yùn)物體工作時(shí)，有效載荷經(jīng)常大振幅度振動(dòng)。用開(kāi)環(huán)的方法處理這一問(wèn)題的效果并不理想，閉環(huán)方法也被使用，但發(fā)動(dòng)機(jī)需要變速工作。本文敘述了在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉之后持續(xù)適時(shí)控制單速電機(jī)消除實(shí)際載荷振動(dòng)的反饋方法，抑制振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案是在橋式起重機(jī)上進(jìn)行的。
一、緒論
起重機(jī)經(jīng)常被用來(lái)在復(fù)雜的工作空間搬運(yùn)物體。一個(gè)經(jīng)常存在的問(wèn)題就是起重機(jī)在負(fù)載情況下可以自由擺動(dòng)。這些擺動(dòng)構(gòu)成了安全隱患并能影響到載荷變化或其他在工作場(chǎng)所物體。實(shí)際上，一名經(jīng)驗(yàn)豐富的起重機(jī)操作員必需在控制器的幫助下才能保持?jǐn)[動(dòng)幅度。最近，有了不同的用于增強(qiáng)操作員技術(shù)的控制方法，這些方法分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)。
開(kāi)環(huán)采用的辦法是輸入整形，這種方法被證明在起重機(jī)移動(dòng)時(shí)和移動(dòng)后能有效的減少載荷擺動(dòng)。整形可以有計(jì)劃的提高充足的建模不準(zhǔn)確性（即纜索長(zhǎng)度變化的頻率）。另一個(gè)辦法是開(kāi)環(huán)優(yōu)化控制，這是基于數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)計(jì)算出的離線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡。但是，如果模型不是準(zhǔn)確的，其性能也將受到影響。這種情況也是輸入整形，但程度較輕。在此外，最優(yōu)控制沒(méi)有使用當(dāng)前的起重機(jī)操作員界面，因?yàn)槭孪仁遣恢缆窂降摹?
反饋控制需要預(yù)防的是系統(tǒng)模擬的不確定性和外部干擾。控制器控制小車(chē)的位置速度和纜索擺動(dòng)角或控制小車(chē)吊具產(chǎn)生傾斜的命令，以減少負(fù)載擺動(dòng)。吸波控制器調(diào)整小車(chē)速度，吸收任何正在返回的有效載荷振動(dòng)，從而消除擺動(dòng)。給定延遲角，測(cè)量后面的理想位置，也同樣可以證明有效減少了負(fù)載的擺動(dòng)。
索倫森等人開(kāi)發(fā)了一種控制系統(tǒng)，結(jié)合了整形和PD反饋控制。反饋控制使用了在高處攝像頭的測(cè)量，并比較了起重機(jī)的模擬成型響應(yīng)。
帕克及Chang提出了一個(gè)遠(yuǎn)程處理輸入整形的“弱命令”，用另一種方法減少了干擾的影響。為了彌補(bǔ)卸載時(shí)的擺動(dòng)，他們引入同等規(guī)模的脈沖誘導(dǎo)振動(dòng)，并且在相反的方向上卸載振動(dòng)。他們用此方法來(lái)減少約75 ％的擺動(dòng)以展示它的潛力。然而，適時(shí)的脈沖易于校準(zhǔn)的問(wèn)題依然存在。
所有的反饋方法需要速度加速度的精確控制。這里的研究是基于使用測(cè)量載荷擺動(dòng)產(chǎn)生命令簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)電機(jī)消除載荷擺動(dòng)，使其適用于更廣泛的系列起重機(jī)。
二、 基于矢量的輸入整形器的計(jì)算
布克提供了一個(gè)分析框架振蕩矢量。singhose等人提供了解如何才能實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)消除矢量分析的輸入整形器。沖動(dòng)的應(yīng)用規(guī)模A1的二階阻尼系統(tǒng)單位質(zhì)量會(huì)誘發(fā)反應(yīng) (1)
這有一個(gè)幅度和相位角為零。同樣的，如果一次沖動(dòng)級(jí)2是適用于時(shí)間時(shí)刻，然后它會(huì)導(dǎo)致輸出 (2)
這有一個(gè)幅度A2和相位角θ=ω時(shí)刻。本幅度和角度可以轉(zhuǎn)化為矢量符號(hào)如圖1?？偨Y(jié)這些向量進(jìn)行總振動(dòng)響應(yīng)，如在圖2。對(duì)應(yīng)的時(shí)間響應(yīng)這些沖動(dòng)是在圖3。后一秒脈沖，總響應(yīng)匹配振幅和相位等AR。
如果系統(tǒng)有阻尼，那么這種方法需要被改性。首先，θ角度變化
(3)
其次，阻尼的振幅衰減隨著時(shí)間的原因?？紤]到衰減，計(jì)算使用有效幅度當(dāng)t=0，結(jié)果在規(guī)定的幅度時(shí)刻T2 (4)
一個(gè)成型機(jī)可以設(shè)計(jì)這樣的總和所有有效的沖動(dòng)導(dǎo)致零振動(dòng)，如在圖4。為此，該a3eff選擇是不同于，圖2。得到這一規(guī)模取消沖動(dòng)，它必須被轉(zhuǎn)換到時(shí)間就會(huì)出現(xiàn)使用（3）和 （5）
在現(xiàn)實(shí)中，系統(tǒng)不移動(dòng)的沖量。創(chuàng)建一個(gè)實(shí)際的命令，脈沖序列卷積與所需的命令。例如圖5顯示一步命令卷積與脈沖產(chǎn)的步命令。由此產(chǎn)生的命令不產(chǎn)生任何殘留振動(dòng)。
圖一 脈沖序列和相應(yīng)的矢量圖
圖二 總結(jié)2載體獲得總的反應(yīng)
圖三 響應(yīng)時(shí)間脈沖（改編自[ 18]）
2、 消除載荷擺動(dòng)
本研究的目的不是創(chuàng)造的命令結(jié)果在無(wú)殘余振蕩點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。相反，實(shí)測(cè)載荷擺動(dòng)是用來(lái)創(chuàng)建命令，取消任何簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)電動(dòng)機(jī)一旦發(fā)生振蕩。當(dāng)創(chuàng)建這樣的命令，巨大的執(zhí)行力向量不能任意選擇，如電機(jī)只能打開(kāi)和關(guān)閉。然而，把汽車(chē)或關(guān)閉將導(dǎo)致有效載荷振蕩，它可以表示為矢量。不像純沖振動(dòng)，這些載體將不會(huì)得零分相位角，為使電機(jī)不立即停止或加快速度。因此，由時(shí)間命令完成，有效載荷將有一些位移和速度，給出一個(gè)向量表示類(lèi)似于圖6。向量旋轉(zhuǎn)電機(jī)應(yīng)該有一個(gè)類(lèi)似的規(guī)模，但相反，假設(shè)和加速度減速動(dòng)態(tài)相似。如果不是，它可以代表了自己的獨(dú)特的振幅和相位。
該控制器在這里將使用指令開(kāi)關(guān)（開(kāi)關(guān)）消除位置和速度組成部分的振動(dòng)?？刂破餍枰?jì)算適當(dāng)時(shí)間，這些命令在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間。
對(duì)于這一計(jì)算，矢量三角形的使用，如在圖7。三角形的三邊的電流振動(dòng)水平（avib），和振動(dòng)振幅的“上”和“關(guān)閉”命令。如果三角形可以被創(chuàng)建，然后振蕩可以被迫回到零（原產(chǎn)地的矢量圖。）假設(shè)運(yùn)營(yíng)商希望起重機(jī)在移動(dòng)，然后命令序列會(huì)被“關(guān)閉”，等，“對(duì)”。某些部分的三角形是眾所周知的：目前的規(guī)模和振動(dòng)影響轉(zhuǎn)動(dòng)起重機(jī)（光）和關(guān)閉（aoff）。未知的是時(shí)間，直到起重機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并在現(xiàn)有的振動(dòng)相位角的起重機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)向“關(guān)閉”（θ振動(dòng)）。因?yàn)樗且粋€(gè)三角形，有一個(gè)可能的解決方案，如圖7所示。這一時(shí)間響應(yīng)這些解決方案是在圖8。在圖7是可取，它有一個(gè)較小的角θ，ω，所以直到振動(dòng)取消短。此外，搖擺角變化小。
找到θ振動(dòng)，中間角度可以在圖9看到。從余弦定理：
（6）
（7）
從（7）得：
（8)
如果沒(méi)有阻尼，則解決方案可以解決直接振動(dòng)效率。請(qǐng)注意，大多數(shù)起重機(jī)有近零阻尼，但是如果阻尼是重要的，那么該方程可以用來(lái)解決θ，但必須是迭代求解，
（9）
用方程（8）初步計(jì)算ζ=0。計(jì)算出后，δ從圖9可以計(jì)算 （10）
一旦δ計(jì)算出，可以計(jì)算
（11）
一旦控制器已關(guān)閉，然后等待直到角振動(dòng)方向相反的φ上。在這一點(diǎn)上，控制器的電機(jī)上。如果校準(zhǔn)是完美的，振蕩將被淘汰。
如果操作者操作起重機(jī)停止，然后振動(dòng)可以取消移動(dòng)支持無(wú)論是向前或向后。這樣的結(jié)果是不同的振動(dòng)相位角，可用于控制器，如圖10。在圖10（1），相反方向的圖基本上是相同的，如圖7，除了在此基礎(chǔ)上關(guān)閉交換。
（12）
如圖10（b)，矢量圖具有相同的結(jié)構(gòu)和δ在圖10（a），只是通過(guò)旋轉(zhuǎn)π弧度。因此
（13)
該控制器比較現(xiàn)有的振動(dòng)相位角對(duì)（12）和（13）無(wú)論哪個(gè)角度先發(fā)生一次。
起重機(jī)停止，那么控制器等振蕩相位相反，“上升”命令。然后，電機(jī)轉(zhuǎn)向。
最大振蕩幅度可能被取消使用，一個(gè)開(kāi)關(guān)命令大約是兩倍“誘導(dǎo)振蕩”命令。如果當(dāng)前振蕩幅度過(guò)大，則控制器計(jì)算是基于最大注銷(xiāo)水平。作為預(yù)防措施，這一最高水平可以減少到極限移動(dòng)的距離在取消振蕩，因此限制角和T .
限制這種振蕩的消除方法是假定疊加可以用于矢量表征誘導(dǎo)振動(dòng)。這是唯一真正的電機(jī)的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)態(tài)速度之間的載體，所以小載荷的振蕩不能消除。因此，一個(gè)振蕩幅度閾值是可以使用的。
圖四 總結(jié)三個(gè)向量得到零振動(dòng)
圖五 創(chuàng)建一個(gè)樓梯步命令卷積
圖六 向量表示旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 圖八 響應(yīng)時(shí)間的矢量圖如圖7所示
圖七 矢量圖計(jì)算時(shí)的電機(jī)。 圖九角度來(lái)計(jì)算的命令啟動(dòng)時(shí)間
3、 控制器的實(shí)現(xiàn)
該控制器是使用振蕩消除第三部分，從技術(shù)上體現(xiàn)在大橋式起重機(jī)。起重機(jī)有一個(gè)攝像頭安裝在車(chē)上測(cè)量載荷擺動(dòng)的平面。本相機(jī)也可以衡量的有效載荷的高度。所有的行動(dòng)的控制是基于一個(gè)單一的有效載荷的高度。該系統(tǒng)可以在不同的高度和校準(zhǔn)時(shí)間會(huì)調(diào)整攝像機(jī)測(cè)量身高。
（1） 、系統(tǒng)校準(zhǔn)
該控制器計(jì)算（8）-（13）需要量和相位角的振蕩造成的“上”和“關(guān)閉”。這些計(jì)算可以繪圖在起重機(jī)的輸入和響應(yīng)在同一張圖上，如圖11。圖11（a）表示電機(jī)在5.5秒鐘被關(guān)閉，起重機(jī)前進(jìn)。電動(dòng)機(jī)在大約一秒鐘休息后，命令發(fā)出。圖11（b）表示有效載荷擺角θ和振動(dòng)水平是由
（14）
在ω的自然頻率系統(tǒng)下。
在時(shí)間的零交叉的擺動(dòng)角度（）和隨后的（）的輸入變化（）記錄。
本相位角的振蕩（）和隨后的（）可以輸入計(jì)算
（15）
其中是一個(gè)振蕩周期時(shí)間。復(fù)雜的矢量Α的輸入過(guò)程是由
（16） 在和振蕩幅度之前及后輸入下標(biāo)表示向前運(yùn)動(dòng)。一個(gè)類(lèi)似的程序可以為剩余向量。
圖形的繪制，Α可以啟動(dòng)和停止，為正向和反向，如在圖12。平均振蕩的幅度=0.052弧度角φ=1.11（+π）弧度（63.6（180）°）。
（二）、控制器響應(yīng)用戶(hù)動(dòng)作
圖13顯示了響應(yīng)用戶(hù)請(qǐng)求的起重機(jī)向后移動(dòng)。圖13（a)，用戶(hù)輸入顯示使用線(xiàn)的邊界。由此產(chǎn)生的小車(chē)速度是一條虛線(xiàn)。如圖(b)所示之，起重機(jī)運(yùn)動(dòng)振蕩的有效載荷。圖13 C顯示相位角振蕩的它也表明，開(kāi)關(guān)角度計(jì)算（11）-（13）。在最初的交叉（約2秒），振蕩級(jí)不夠大（1.7°）觸發(fā)控制行動(dòng)。它是后一期（約6秒），振蕩消除控制行動(dòng)發(fā)生。在這一點(diǎn)上，該控制器簡(jiǎn)單地關(guān)閉起重機(jī)電機(jī)，如圖13a看到的實(shí)線(xiàn)。在這一點(diǎn)上的開(kāi)關(guān)角跳動(dòng)回電機(jī)。在第7秒，這個(gè)角度發(fā)生，以及起重機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)身。這時(shí)候起重機(jī)達(dá)到全速（約8秒），振蕩水平很?。s一個(gè)半度）。
操作者停止按壓反向按鈕約11秒，如圖13a虛線(xiàn)之時(shí)。起重機(jī)停止，再次引起振蕩。當(dāng)所需的命令是在休息，有兩個(gè)開(kāi)關(guān)角度由（12）和（13）可知，作為起重機(jī)取消振蕩的兩個(gè)向前和向后的角度。一旦起重機(jī)在休息的時(shí)候保持很小的振動(dòng)，第一次角發(fā)生在13秒稍后，和移動(dòng)式起重機(jī)稍微向前取消振蕩。。
3、 控制器響應(yīng)擾動(dòng)抑制
圖14顯示了該反應(yīng)的起重機(jī)干擾當(dāng)橋休息。在第一秒后，有效載荷不穩(wěn)。在大約第三秒，振蕩角相位匹配的開(kāi)關(guān)角條件，和控制器指揮車(chē)向前移動(dòng)。在過(guò)4秒，相位匹配，那時(shí)起重機(jī)停止操作。當(dāng)起重機(jī)休息約5.5秒，有效載荷擺動(dòng)很小。
圖15顯示了一個(gè)非常大的擾動(dòng)的響應(yīng)。在第1秒，有效載荷變成了一個(gè)擾動(dòng)，這是一個(gè)單一的通斷指令且可以抑制。在這種情況下，第一個(gè)開(kāi)關(guān)控制行動(dòng)抑制最大數(shù)量，進(jìn)而控制行動(dòng)取消剩余振蕩就在對(duì)面方向。這導(dǎo)致小振蕩后起重機(jī)在6秒鐘內(nèi)完成了二個(gè)命令。
該控制器還可以在起重機(jī)的移動(dòng)中消除干擾，如在圖16。當(dāng)起重機(jī)推進(jìn)小振蕩，有效載荷是在1次擾動(dòng)。該控制器最初給停止命令約1.5秒，停止不久后前振蕩相位匹配開(kāi)關(guān)角，沒(méi)有消除。然后控制器直到等到適當(dāng)?shù)南辔唤牵谶m當(dāng)?shù)臅r(shí)候停止振動(dòng)約6秒。
起重機(jī)開(kāi)始加速但以時(shí)間為基礎(chǔ)的安全因素θ關(guān)閉。然而，有效載荷還不穩(wěn)，所以振蕩，導(dǎo)致小振蕩時(shí)，起重機(jī)已返回全速。
圖十 矢量圖時(shí)，打開(kāi)電機(jī)
圖十一 測(cè)量橋式起重機(jī)反應(yīng)的“關(guān)閉”命令 圖十二 不同命令下的振動(dòng)向量
圖十三 響應(yīng)時(shí)間
圖十四 應(yīng)對(duì)干擾而起重機(jī)休息
圖十五 針對(duì)大擾動(dòng)
圖十六 應(yīng)對(duì)干擾時(shí)
5、 結(jié)論
一個(gè)控制的程序已經(jīng)制定了離合馬達(dá)消除橋式起重機(jī)載荷擺動(dòng)?？刂剖褂脭[動(dòng)角度的有效載荷，及其衍生物，以決定何時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉起重機(jī)。該方法可以減少振蕩，當(dāng)起重機(jī)移動(dòng)或靜止。程序可以實(shí)施在大型橋式起重機(jī)。許多實(shí)驗(yàn)表明，控制系統(tǒng)有效。
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