桥式起重机的控制制造技术

本发明专利技术提供了一种定位桥式起重机的可动结构件的方法，可动结构件是桥式起重机的小车或桥架，该方法包括为可动结构件提供位置基准、用状态反馈控制器控制可动结构件的位置，可动结构件的位置和载荷的摆动角度是状态反馈控制器的系统的状态变量。该方法还包括确定可动结构件的位置或速度和载荷的摆动速度或载荷的角速度、将可动结构件的所确定出位置或速度、载荷的所确定的摆动角度或载荷的所确定的角速度和状态反馈控制器的输出提供给观测器、用观测器产生至少两个估计的状态变量、从估计的状态变量或者从估计的状态变量与所确定的状态变量一起形成反馈矢量、将所形成的反馈矢量用作状态反馈控制器的反馈以及将控制器的输出提供给频率转换器。

Control of bridge crane

The invention provides a method for positioning the movable structure of the bridge crane, the movable structure is the trolley or bridge of the bridge crane, the method includes providing the position reference for the movable structure, controlling the position of the movable structure with the state feedback controller, and the position of the movable structure and the swing angle of the load are the state variables of the system of the state feedback controller. The method also includes determining the position or speed of the movable structure and the angular speed of the load or the swinging speed of the load, providing the determined position or speed of the movable structure, the determined swinging angle of the load or the determined angular speed of the load and the output of the state feedback controller to the observer, using the observer to generate at least two estimated state variables, and from the estimated state The variable or the estimated state variable forms a feedback vector together with the determined state variable, uses the formed feedback vector as the feedback of the state feedback controller, and supplies the output of the controller to the frequency converter.

【技术实现步骤摘要】
桥式起重机的控制
本专利技术涉及桥式起重机的控制，并且更特别地涉及利用频率转换器对桥式起重机进行的无摆动式控制。
技术介绍
桥式起重机广泛用于包括工厂、炼钢厂和海港的许多行业中的物料搬运。桥式起重机包括小车，该小车沿着水平面在轨道上移动。小车移动所处的轨道附接至下述桥架：该桥架也是可动结构件。图1示出了典型的桥式起重机。有效载荷通过下述绳索连接至小车：在提升有效载荷时，该绳索的长度变化。如在图1中示出的，存在被称为小车运动和长行程运动的两个运动方向。由于桥式起重机在本质上是灵活的，因此有效载荷往往在移动载荷时摆动或者因外部干扰比如风而摆动。自然地，这些不受控的摆动导致安全性危害并且使对载荷的运输和卸载有问题。由于桥式起重机的特征是极其轻的阻尼，因此载荷的精确定位是困难的并且因此降低了生产率。为了抵消由受命令控制的运动所引起的大的有效载荷摆动，已经研制了自动摆动式控制器，该自动摆动式控制器通常也被称为“防摆动式”控制器。该防摆动式控制器的任务是消除载荷的残留摆动并且因此使得载荷的更快运输成为可能。上述起重机功能通常也被称为“无摆动式”起重机控制。防摆动式控制器可以被设计成用于速度控制模式和位置控制模式。速度控制式起重机遵循给定速度基准，而在位置控制模式中，起重机移动至给定基准位置。随着许多工业过程和操作变得越来越自动化和智能化，对于全自动起重机的关注也逐渐增加。这种起重机需要点对点定位并且因此需要防摆动式位置控制模式。用于桥式起重机的无摆动式位置控制器可以利用开环方法和闭环方法实施。然而，由于开环控制是基于通过修改基准命令对振动的预期抑制而进行的，因此开环控制既不能抵消载荷的初始摆动也不能抵消由外部干扰比如风所引起的振动。用于解决前述问题的传统方法是将开环方法——比如命令成形——与闭合反馈控制结合。由于外部干扰比如风主要仅影响有效载荷的运动，因此反馈需要摆动角度或摆动速度测量，以最大程度减小抵抗这种干扰的鲁棒性。另外，通常测量可动结构件比如小车或桥架的位置或速度以增强定位精确度。然而，摆动角度测量是嘈杂的。即使用于测量摆动角度的传感器技术正在缓慢发展，但是精确的低成本且无噪声的摆动角度测量的实施仍是困难的。在利用摆动角度测量的文献中呈现了多个闭环控制方案。通常，闭环防摆动方法在反馈回路设计中利用线性控制理论。传统方法是利用用于分别对可动结构件的位置/速度以及载荷的摆动进行控制的单独的P/PD/PI/PID补偿器。然而，通过结合单独的控制器而实现的反馈控制器可能是复杂的并且会导致不期望的定位动态、如超调。此外，利用用于对摆动角度进行控制的单独的PD/PI/PID控制器并未考虑到摆动角度测量噪声。因此，期望的是研制用于桥式起重机的无摆动式位置控制器，该无摆动式位置控制器使得能够进行精确且平稳的定位，而即使在有风的状况下仍没有任何残留摆动。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种方法以及一种用于实施该方法的装置以便克服上述问题。本专利技术的目的通过以本专利技术的一个方面中所阐述的内容为特征的方法和装置而实现。在本专利技术的其他方面中公开了本专利技术的优选实施方式。本专利技术基于在对桥式起重机的位置进行控制时利用基于模型的控制方法的构思。在基于模型的控制方法中、比如在状态空间控制中，采用桥式起重机的物理模型。可动结构件的位置以及载荷的摆动角度二者都可以利用状态空间控制器通过单个反馈矢量控制。状态空间控制的使用为用以根据需要设置所有闭环极点提供自由度。在状态空间控制中，需要大量的传感器，以对系统的所有状态进行测量。然而，所需的传感器的数目可以通过使用用于状态变量中的一些状态变量的估计量而被减少。在本专利技术中，采用了被称为观测器或估计器的另一动态系统。观测器被用于产生原始系统的状态变量的估计量，对于原始系统而言，没有测量值。此外，根据替代性方案，所采用的观测器过滤了测量噪声并且因此增大了控制系统的鲁棒性。在测量信号被馈送至观测器之前，来自摆动角度测量的信号还可以进行低通滤波。测量噪声优选地被从反馈信号——如摆动信号测量——中过滤掉。本专利技术的方法和装置的优点在于：即使在干扰比如风影响起重机的载荷的情况下，桥式起重机仍可以被控制至预期位置，而不会有载荷的残留摆动。附图说明在以下内容中，将参照附图通过优选实施方式对本专利技术进行更详细的描述，在附图中：图1示出了桥式起重机的示例；图2示出了桥式起重机的闭环无摆动式位置控制的高级框图；图3示出了用于小车运动的桥式起重机模型；图4示出了作用在摆锤上的风的力；图5示出了当使用作为致动器的变速驱动器控制式交流马达时桥式起重机的无摆动式位置控制的基本原理；图6示出了具有积分作用的状态反馈控制器的框图；图7示出了将状态反馈控制与降阶观测器结合的框图；图8示出了将状态反馈控制与全阶观测器结合的框图；图9示出了利用驱动器的速度控制器将位置控制器输出转换成扭矩基准的框图的示例；图10示出了2个自由度的起重机位置控制器的框图；图11示出了位置基准以及由插补器所建立的相应的速度曲线；图12示出了状态空间模型的离散时间实施方案的示例；以及图13示出了在改变风的情况下进行定位控制的示例。具体实施方式在以下内容中，将详细描述对于桥式起重机的无摆动式控制而言基于观测器的状态空间控制是如何构造的。由于状态空间控制是基于模型的控制方法，因此桥式起重机的物理模型源自于桥式起重机的运动方程并且以状态空间形式呈现。此外，作用在起重机摆锤上的风干扰的影响被建模，并且呈现了用于本专利技术的无摆动式位置控制器的状态空间控制和状态观测器设计。在以下描述中，将结合桥式起重机的小车对状态空间控制进行描述。然而，本专利技术涉及对桥式起重机的可动结构件的控制。可动结构件可以是起重机的小车或者是起重机的桥架。在桥式起重机中，通常既对小车的运动进行控制也对桥架的运动进行控制。因此，起重机包括两个单独的控制器，一个控制器用于对小车进行控制并且另一控制器用于对桥架进行控制。根据实施方式，运动轮廓发生器与基于观测器的状态空间控制器结合，以形成两个自由度(2DOF)的控制结构。此外，对关于利用变速驱动器的内部控制回路将无摆动式位置控制器与致动器结合的不同实施方式进行讨论。图2示出了本公开的桥式起重机的无摆动式位置控制系统的高级框图。系统的输入是小车的位置基准。在图2的示例中，无摆动式位置控制器利用两个测量的输出信号——即摆动角度和位置——作为反馈并且对用于致动器的控制基准进行计算。在本专利技术中对致动器基准进行计算，以以一定方式将小车驱动至基准位置，这使即使在外部干扰的作用下也不存在残留摆动。此外，通过产生机械力Fx，致动器根据由无摆动式位置控制器所设定的致动器基准而将小车驱动至目标位置。在本专利技术中，基于模型的控制方法被用于无摆动式位置控制器并且建立了所考虑的起重机系统的模型。桥式起重机的非线性物理模型源自于桥式起重机的运动方程并且以状态空间形式呈现。该非线性模型被使用在仿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对桥式起重机的可动结构件进行定位的方法，所述可动结构件是所述桥式起重机的小车或桥架，所述方法包括：/n为所述可动结构件提供位置基准；/n通过状态反馈控制器对所述可动结构件的位置进行控制，所述可动结构件的位置和载荷的摆动角度是在所述状态反馈控制器中所使用的系统的状态变量；/n确定所述可动结构件的位置或速度和所述载荷的摆动速度或所述载荷的角速度；/n将所述可动结构件的所确定的位置或速度、所述载荷的所确定的摆动角度或所述载荷的所确定的角速度和所述状态反馈控制器的输出提供给观测器；/n通过所述观测器产生至少两个估计的状态变量，所述估计的状态变量包括所述可动结构件的估计的位置、所述载荷的估计的摆动角度、所述可动结构件的估计的速度和所述载荷的估计的角速度；/n从所述估计的状态变量或者从所述估计的状态变量与所确定的状态变量一起形成反馈矢量；/n将所形成的反馈矢量用作用于所述状态反馈控制器的反馈；以及/n将所述控制器的输出提供给适于对所述桥式起重机的所述可动结构件进行驱动的频率转换器。/n

【技术特征摘要】
20180511 EP 18171776.01.一种对桥式起重机的可动结构件进行定位的方法，所述可动结构件是所述桥式起重机的小车或桥架，所述方法包括：
为所述可动结构件提供位置基准；
通过状态反馈控制器对所述可动结构件的位置进行控制，所述可动结构件的位置和载荷的摆动角度是在所述状态反馈控制器中所使用的系统的状态变量；
确定所述可动结构件的位置或速度和所述载荷的摆动速度或所述载荷的角速度；
将所述可动结构件的所确定的位置或速度、所述载荷的所确定的摆动角度或所述载荷的所确定的角速度和所述状态反馈控制器的输出提供给观测器；
通过所述观测器产生至少两个估计的状态变量，所述估计的状态变量包括所述可动结构件的估计的位置、所述载荷的估计的摆动角度、所述可动结构件的估计的速度和所述载荷的估计的角速度；
从所述估计的状态变量或者从所述估计的状态变量与所确定的状态变量一起形成反馈矢量；
将所形成的反馈矢量用作用于所述状态反馈控制器的反馈；以及
将所述控制器的输出提供给适于对所述桥式起重机的所述可动结构件进行驱动的频率转换器。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述状态反馈控制器中所使用的所述系统的状态变量是所述可动结构件的位置、所述可动结构件的速度、所述载荷的摆动角度和所述载荷的角速度。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述观测器是全阶观测器，并且形成所述反馈矢量包括从所述估计的状态变量形成所述反馈矢量。


4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述观测器是降阶观测器，并且形成所述反馈矢量包括从所述载荷的所确定的摆动角度、所述可动结构件的所确定的位置、所述载荷的估计的角速度和所述可动结构件的估计的速度来形成所述反馈矢量。


5.根据前述权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，确定所述可动结构件的位置或速度包括估计所述可动结构件的位置或速度。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：马蒂亚斯·涅梅莱，迈克尔·罗达斯，尤里·沃洛什金，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH