一种时变非线性小车-吊重防摇控制装置及防摇控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种时变非线性小车‑吊重防摇控制装置及防摇控制方法，PLC控制器根据小车运行速度v、吊重摆角θ建立大摆角时变非线性防摇系统数学模型，之后进行大摆角时变非线性防摇系统数值迭代求解，以得到大摆角防摇系统的时间响应曲线；PLC控制器以大摆角防摇系统的时间响应曲线为依据，通过改变输出脉冲的频率和方向来调节小车驱动电机的转速，并由机械传动系统带动小车前进和后退。本发明专利技术成本低，精度高，可以实现快速、稳定地抑制大摆角非零初始值引起的振荡。

A Time-varying Nonlinear Anti-sway Control Device for Car-crane and Its Anti-sway Control Method

The invention provides a time-varying non-linear anti-rolling control device and anti-rolling control method for a trolley. The PLC controller establishes a mathematical model of a time-varying non-linear anti-rolling system with large swing angle according to the running speed V of the trolley and the swing angle of the lifting weight. Then the numerical iteration solution of the time-varying non-linear anti-rolling system with large swing angle is carried out to obtain the time response curve of the anti-rolling system with large swing angle. Based on the time response curve of the swing angle anti-rolling system, the speed of the car driving motor is adjusted by changing the frequency and direction of the output pulse, and the car is driven forward and backward by the mechanical transmission system. The invention has low cost and high precision, and can quickly and stably suppress the oscillation caused by non-zero initial value of large swing angle.

【技术实现步骤摘要】
一种时变非线性小车-吊重防摇控制装置及防摇控制方法
本专利技术属于塔吊防摇控制领域，针对突变风载、机械冲击载荷等引起的吊重大摆角非零初始状态的防摇控制问题，建立了“小车-吊重”非线性时变数学模型并采用PD(比例微分)控制律快速抑制吊重的摆角，可显著提高起吊作业效率和定位精度。
技术介绍
“小车-吊重”防摇控制是塔吊工程机械领域备受关注的一个问题，从动力学控制角度来看，这是一个典型的欠驱动点位控制问题。由于突变风载、机械冲击载荷多种因素的影响，在吊重(含吊具)到达指定位置后将不可避免地产生残余振荡；若振荡不能快速消除则直接影响到塔吊的起吊作业效率和定位精度，甚至产生生产安全事故。塔吊防摇技术可大致分为“机械式防摇”和“电子防摇”两种，其中“电子防摇”更具灵活性，具有较好的发展前景。在“电子防摇“控制算法方面，国内外同行做了大量的理论研究和产品试制工作并取得了较好效果，譬如梯形图速度规划法，S曲线速度规划法，ZVD输入整形法、LQR最优控制以及FUZZY模糊控制等方法。然而需要指出的是，上述控制算法多基于以下2点理论假设：(1)吊重为零初始状态(初始摆角和角速度均为零)，忽略非零初始值引起的自由振荡。(2)假设摆角小于10度，将非线性防摇控制系统简化为线性模型来处理，即假设等效质量，等效刚度，等效阻尼均为时不变系数。考虑到在塔吊作业现场经常会出现由于突变风载、振动引起的非零初始状态甚至可能出现摆角大于10°的恶劣工况。此时，如果单纯利用上述控制方法，由于防摇系统本身的阻尼系数较小，其非零初始状态引起的摇摆振荡将很难消除、防摇效果大打折扣。
技术实现思路
针对当前技术非零初始状态引起的摇摆振荡将很难消除的难题，本专利技术在此提供了一种时变非线性小车-吊重防摇控制装置及防摇控制方法，实现快速、稳定地抑制大摆角非零初始值引起的振荡，具体方案如下：一种时变非线性小车-吊重防摇控制装置，包括PLC控制器、IMU惯性测量传感器、升降电机光电编码器、小车驱动电机、机械传动系统；所述IMU惯性测量传感器安装在吊具上用于实时获取吊重的摆角θ，该IMU惯性测量传感器含有卡尔曼滤波并与PLC控制器相连；升降电机光电编码器，与PLC控制器相连，用于采集小车吊重的吊绳长度l；小车驱动电机，与PLC控制器相连，且小车驱动电机通过所述机械传动系统驱动小车前进或后退，小车运行速度v由小车驱动电机的光电编码器采集；PLC控制器根据小车运行速度v、吊重摆角θ建立大摆角时变非线性防摇系统数学模型，之后进行大摆角时变非线性防摇系统数值迭代求解，以得到大摆角防摇系统的时间响应曲线；PLC控制器以大摆角防摇系统的时间响应曲线为依据，通过改变输出脉冲的频率和方向来调节小车驱动电机的转速，并由机械传动系统带动小车前进和后退。进一步的，PLC控制器根据小车运行速度v、吊重摆角θ建立大摆角时变非线性防摇系统数学模型具体如下：小车速度v和吊重摆角θ为广义坐标；以v为控制系统的输入，以θ为控制系统的输出建立运动学微分方程：式(1)中，l、v、g0分别表示吊绳的长度，小车速度和重力加速度；将大摆角θ的三角函数用泰勒级数展开转化为代数运算：将式(2)、式(3)式带入式(1)，整理得：根据比例微分PD反馈控制律，小车调节速度表达为式(5)中，Kp、Kd分别为比例系统和微分系数；将(5)式求导数并带入(4)式，整理得：式中，θ0、ω0分别为零时刻的吊重摆角与角速度，m、b、k分别为防摇控制系统的等效质量、等效阻尼和等效刚度，做非零初始条件处理：进一步的，大摆角时变非线性防摇系统数值迭代求解的步骤如下：对于式(6)-式(7)所描述的时变非线性动力学微分方程进行数值计算得到PD控制的仿真曲线具体如下：第一步，将(6)式分解为2个一阶微分方程：第二步，由隆格-库塔方法得到吊重摆角θ与角速度ω随时间t变化的递推式:式中，θn+1，ωn+1，θn，ωn分别表示第n+1时刻和第n时刻吊重的摆角和角速度，h为步长，令tn＝nh，上式中的2组迭代系数的表达式为：进一步的，根据式(10)-式(12)的迭代算法利用C语言编程得到大摆角防摇系统的时间响应曲线。同时本专利技术还提供了一种基于上述防摇控制装置的防摇控制方法，步骤如下：S1、根据小车运行速度v、吊重摆角θ建立大摆角时变非线性防摇系统数学模型；S2、进行大摆角时变非线性防摇系统数值迭代求解，得到大摆角防摇系统的时间响应曲线；S3、以防摇系统的时间响应曲线为依据，PLC控制器通过改变输出脉冲的频率和方向来调节小车驱动电机的转速，并通过机械传动系统带动小车前进和后退。进一步的，建立大摆角时变非线性防摇系统数学模型具体如下：小车速度v和吊重摆角θ为广义坐标；以v为控制系统的输入，以θ为控制系统的输出建立运动学微分方程：式(1)中，l、v、g0分别表示吊绳的长度，小车速度和重力加速度；将大摆角θ的三角函数用泰勒级数展开转化为代数运算：将式(2)、式(3)式带入式(1)，整理得：根据比例微分PD反馈控制律，小车调节速度表达为式(5)中，Kp、Kd分别为比例系统和微分系数；将(5)式求导数并带入(4)式，整理得：式中，θ0、ω0分别为零时刻的吊重摆角与角速度，m、b、k分别为防摇控制系统的等效质量、等效阻尼和等效刚度，做非零初始条件处理：进一步的，大摆角时变非线性防摇系统数值迭代求解的步骤如下：对于式(6)-式(7)所描述的时变非线性动力学微分方程进行数值计算得到PD控制的仿真曲线具体如下：第一步，将(6)式分解为2个一阶微分方程：第二步，由隆格-库塔方法得到吊重摆角θ与角速度ω随时间t变化的递推式:式中，θn+1，ωn+1，θn，ωn分别表示第n+1时刻和第n时刻吊重的摆角和角速度，h为步长，令tn＝nh，上式中的2组迭代系数的表达式为：进一步的，根据式(10)-式(12)的迭代算法利用C语言编程得到大摆角防摇系统的时间响应曲线。本专利技术的优点在于：(1)充分考虑非零初始状态和大摆角的边界条件，建立更贴近实际工况的“小车—吊重”时变非线性防摇数学模型；并给出时变非线性防摇数学模型的数值求解方法。(2)将高精度(分辨率0.01度)含有卡尔曼滤波的IMU(惯性测量单元)传感器安装在吊具上，用来实时感知吊重摆角的变换。与传统的通过光学测量吊重摆角的方法相比，IMU惯性测量方法成本更低，安装更便捷。(3)利用PLC控制器构建闭环反馈控制系统，针对时变非线性系统控制对稳定性要求高的特点，采用PD(比例微分)控制律实时调节小车运行速度达到模拟有经验塔吊司机“跟车操作”的效果，实现快速、稳定地抑制大摆角非零初始值引起的振荡。(4)利用上述方法将吊重的大摆角抑制在可接收范围之后(理想状态是角度与角速度均为零，具体数值按照不同塔吊的防摇指标确定)，即可平滑切换到梯形图速度规划法，S曲线速度规划法以及ZVD输入整形等控制律。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术提供的一种时变非线性小车-吊重防摇控制装置的框图；图2为大摆角防摇控制系统时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时变非线性小车‑吊重防摇控制装置，其特征在于，包括PLC控制器、IMU惯性测量传感器、升降电机光电编码器、小车驱动电机、机械传动系统；所述IMU惯性测量传感器安装在吊具上用于实时获取吊重的摆角θ，该IMU惯性测量传感器含有卡尔曼滤波并与PLC控制器相连；升降电机光电编码器，与PLC控制器相连，用于采集小车吊重的吊绳长度l；小车驱动电机，与PLC控制器相连，且小车驱动电机通过所述机械传动系统驱动小车前进或后退，小车运行速度v由小车驱动电机的光电编码器采集；PLC控制器根据小车运行速度v、吊重摆角θ建立大摆角时变非线性防摇系统数学模型，之后进行大摆角时变非线性防摇系统数值迭代求解，以得到大摆角防摇系统的时间响应曲线；PLC控制器以大摆角防摇系统的时间响应曲线为依据，通过改变输出脉冲的频率和方向来调节小车驱动电机的转速，并由机械传动系统带动小车前进和后退。

【技术特征摘要】
1.一种时变非线性小车-吊重防摇控制装置，其特征在于，包括PLC控制器、IMU惯性测量传感器、升降电机光电编码器、小车驱动电机、机械传动系统；所述IMU惯性测量传感器安装在吊具上用于实时获取吊重的摆角θ，该IMU惯性测量传感器含有卡尔曼滤波并与PLC控制器相连；升降电机光电编码器，与PLC控制器相连，用于采集小车吊重的吊绳长度l；小车驱动电机，与PLC控制器相连，且小车驱动电机通过所述机械传动系统驱动小车前进或后退，小车运行速度v由小车驱动电机的光电编码器采集；PLC控制器根据小车运行速度v、吊重摆角θ建立大摆角时变非线性防摇系统数学模型，之后进行大摆角时变非线性防摇系统数值迭代求解，以得到大摆角防摇系统的时间响应曲线；PLC控制器以大摆角防摇系统的时间响应曲线为依据，通过改变输出脉冲的频率和方向来调节小车驱动电机的转速，并由机械传动系统带动小车前进和后退。2.如权利要求1所述的时变非线性小车-吊重防摇控制装置，其特征在于，PLC控制器根据小车运行速度v、吊重摆角θ建立大摆角时变非线性防摇系统数学模型具体如下：小车速度v和吊重摆角θ为广义坐标；以v为控制系统的输入，以θ为控制系统的输出建立运动学微分方程：式(1)中，l、v、g0分别表示吊绳的长度，小车速度和重力加速度；将大摆角θ的三角函数用泰勒级数展开转化为代数运算：将式(2)、式(3)式带入式(1)，整理得：根据比例微分PD反馈控制律，小车调节速度表达为式(5)中，Kp、Kd分别为比例系统和微分系数；将(5)式求导数并带入(4)式，整理得：式中，θ0、ω0分别为零时刻的吊重摆角与角速度，m、b、k分别为防摇控制系统的等效质量、等效阻尼和等效刚度，做非零初始条件处理：3.如权利要求2所述的时变非线性小车-吊重防摇控制装置，其特征在于，大摆角时变非线性防摇系统数值迭代求解的步骤如下：对于式(6)-式(7)所描述的时变非线性动力学微分方程进行数值计算得到PD控制的仿真曲线具体如下：第一步，将(6)式分解为2个一阶微分方程：第二步，由隆格-库塔方法得到吊重摆角θ与角速度ω随时间t变化的递推式:式中，θn+1，ωn+1，θn，ωn分别表示第...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉国，刘海江，
申请(专利权)人：上海理工大学，同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31