消除龙门起重机货物摆动ＰＬＣ变频调速控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种消除龙门起重机货物摆动ＰＬＣ变频调速控制系统。建立龙门起重机的惯性笛卡尔坐标系、非惯性笛卡尔坐标系和非惯性球坐标系，建立龙门起重机非线性动力学模型和线性化模型，开发出基于ＺＶＤ时滞滤波器消除货物摆动的ＰＬＣ变频调速控制系统。该控制系统包括操作控制台、控制器、ＰＬＣ、变频器组、起升电动机、制动器、起升机构、小车电动机、小车机构、大车电动机、大车机构，控制器由货物摆动频率、阻尼比计算单元、系统参数计算单元、时滞滤波器计算单元组成。本发明专利技术提供一种基于ＺＶＤ时滞滤波器的ＰＬＣ变频调速控制系统，这一控制系统结构简单，成本低廉，操作简便，能有效消除货物摆动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种PLC变频调速控制系统，特别是一种基于时滞滤波理论(美国佐治亚理 工学院称为输入整形理论)消除龙门起重机货物摆动的PLC变频调速控制系统，这一控制系 统可以有效消除货物摆动，实现无摆运输货物。属于起重机控制

技术介绍
龙门起重机主要用在露天贮料场、船坞、电站、港口和铁路货站等地进行搬运和安装作 业，但目前国内、外主要是以人工操作为主，自动化程度低。这主要是因为龙门起重机特殊 的机械结构和操作环境存在着不确定性决定了龙门起重机具有特殊的动力学特性，使其难以 实现自动化，加大自动化成本。龙门起重机是由大、小车运行机构和起升机构组成，货物是 通过起升钢丝绳与小车连接，也就是说龙门起重机是通过钢丝绳移动货物，钢丝绳是挠性机 械结构，龙门起重机运行机构频繁的起、制动引起货物摆动，产生周期性扭矩、弯矩和倾翻 力矩，使龙门起重机难以实现自动取/卸货物。因此，消除货物摆动是实现龙门起重机操作自 动化，提高系统安全性、可靠性、工作效率、节约能源首先要解决的一个关键技术难题。目 前，消除货物摆动的方法有机械式消摆和电子式消摆，机械式消摆通常是增 加一套机构或者 液压装置消耗系统振动能量达到消除货物摆振的目的，这种方法增加了系统的复杂性和维修 保养工作量；而基于控制理论和算法的电子式消摆是当前的发展趋势，电子式消摆在许多情 况是采用闭环控制策略，需要安装摄像系统或者是货物摆动角度测量系统，这同样增加了系 统的复杂性，降低了系统响应速度。本专利技术公开了一种基于龙门起重机动力学特性和时滞滤 波理论的PLC变频调速控制系统，用于消除龙门起重机货物摆动，实现无摆运输货物。
技术实现思路
本专利技术针对上述机械式消摆和电子式消摆的不足之处，根据龙门起重机的动力学特性， 应用时滞滤波理论提出ZVD时滞滤波器，开发一种有效消除龙门起重机货物摆动的PLC变 频调速控制系统。本专利技术的目的是提供一种结构简单，成本低廉，操作简便的龙门起重机PLC 变频调速控制系统，为实现龙门起重机自动化操作、无摆运输货物提供了一套理论、方法和 技术。本专利技术通过如下技术方案实现根据龙门起重机的动力学特性，建立龙门起重机的惯性笛卡尔坐标系、非惯性笛卡尔坐 标系和非惯性球坐标系；根据Lagrange-Euler方程建立龙门起重机非线性动力学模型，在小 摆角的情况下非线形模型线性化模型；基于龙门起重机货物摆动特性，应用时滞滤波理论提 出ZVD时滞滤波器，将这一时滞滤波器应用于龙门起重机控制系统中，开发出基于时滞滤波 理论消除货物摆动的PLC变频调速控制系统。4建立龙门起重机坐标系统技术方案。龙门起重机是由大车机构、小车机构和起升机构组 成，结构示意图如图l所示。大车机构的作用是驱动车轮转动，使龙门起重机沿着轨道在水 平方向运行，并起到支承整台龙门起重机的作用；小车机构是使小车沿着铺设在主梁上的轨 道运行；起升机构是起升电动机经过减速器减速后带动钢丝绳巻筒转动，实现升降货物。龙门起重机是通过大车机构和小车机构的运动驱动小车运行，小车通过钢丝绳移动货物， 钢丝绳是挠性机械环节，大车和小车机构的频繁起、止动引起货物摆动，货物在随着悬挂点 运动的同时作空间摆运动，而且摆长不断变化，据此建立惯性笛卡儿坐标系(xo,内^)、非惯 性笛卡儿坐标系^b力,^)和非惯性球坐标系(",",e^坐标系统如图2所示。惯性笛卡儿坐 标系的坐标原点取在轨道的一端，非惯性笛卡儿坐标系和非惯性球坐标系的坐标原点取在起 升钢丝绳的悬挂点处，并且随着小车同步移动。货物悬挂点在惯性笛卡儿坐标系中的位置是(xj^)，货物在非惯性球坐标系中的位置用 广义坐标(/,《，^)表示，/表示起升钢丝绳的长度，^表示起升钢丝绳与Xi0^平面的夹角， e表示起升钢丝绳在:c,O,z,平面投影与过货物悬挂点铅垂线的夹角。龙门起重机非线性模型的技术方案。根据龙门起重机工作情况，给出如下假设和要求 ①将钢丝绳的质量集中在吊钩处；②提升钢丝绳刚度足够大，其长度变化可忽略不计；③忽 略空气阻力。根据Lagrange-Euler方程，建立龙门起重机非线性动力学模型。+ Z^ji: + w(i + /》cos0cos^ + 2/6cosScos^ - /一2 sini9cos0 + ( 1 )^ sin 9cos ^ — " sin 0sin ^ - 2"sin Ssin ^ - sin夕cos^ - 2/ cos3sin^) = FrM2_p + 6y》+ ff3(y + /》cos^ + 2/0cos^ - /一 sin ^ + 2 sin^) = F， (2) + gcos^cos^ + jisinecos^ + ^sin^ —/卄2 —/^2cos2^) = (3) w(/ 2々'cos ^ + 2〃'々cos ^ + g/ sin 6 + cos P - 2/询si—) = 0 (4 )w(/2^' + 2//》+ g/ cos P sin ^ + ))/ cos ^ — id/ sin 6 sin ^ + / W2 sin ^ cos 0) = 0 (5 )式中M,， M2， m—小车、大车、货物的质量；~， 6/—小车、大车、起升机构的等效阻尼系数； R， &， F/—作用于小车、大车的驱动力和起升机构的提升力； JC一小车的位移； y—大车的位移； g—重力加速度。龙门起重机是一个多输入多输出系统，电动机驱动小车和大车往复运动，小车通过钢丝 绳拉动货物移动，小车的加、减速运动引起货物的摆动，货物的运动无执行器驱动，只有通 过控制小车的运动来消除货物的摆动。龙门起重机动力学模型由运行机构动力学方程和货物5摆动运动学方程组成，状态变量之间相互耦合，使系统成为时变的非线性振荡系统。为了对 龙门起重机动力学特性进行分析，进而实现消摆控制，需要对非线性模型进行线性化处理。龙门起重机线性化模型技术方案。在货物摆动平衡位置附近，对非线性模型(1) (5) 式进行线性化处理，得龙门起重机的线性化模型。M, + Z^i-附ge + wM-《 (6) M2j) + Z ) — wg0+ = 5 (7)W + "<》,-g + 3^ + ;^) = F, (8) W + 2/》+ ge = -i (9)/》'+ 2/> + g—-》 (10)龙门起重机可以归结为含有刚性模态的振荡系统，三大运行机构的运动是刚体运动，钢 丝绳和货物构成了振动模态。货物摆动线性化模型是关于摆角^W、 ^W的二阶振荡环节， 摆动频率与钢丝绳长度有关，摆动阻尼与提升速度有关，摆动幅值与小车、大车的加速度有 关，起升运动使系统成为弱阻尼系统，因此货物摆动模型是变参数二阶振荡环节。小车和大车的运动驱动货物悬挂点在水平面内移动，这2个运动的方向相互垂直，从线 性化模型(6) (10)可以看出，这2个方向的运动可以实现解耦，将空间摆运动简化为平 面摆运动，货物摆动传递函数模型为= ——r 。。式中w是货物摆动自然频率，^是货物摆动阻尼比，g0=-1〃。时滞滤波理论技术方案。时滞滤波是有意识地在系统中引入时滞环节，将脉冲序列与参 考命令巻积形成的整形命令作为控制信号，消除柔性机构残留振动的一种控制技术。时滞滤波器本文档来自技高网...

【技术保护点】
消除龙门起重机货物摆动ＰＬＣ变频调速控制系统，其特征在于：根据龙门起重机的动力学特性，建立龙门起重机的惯性笛卡尔坐标系、非惯性笛卡尔坐标系和非惯性球坐标系；根据Ｌａｇｒａｎｇｅ－Ｅｕｌｅｒ方程建立龙门起重机非线性动力学模型，在小摆角的情况下非线形模型线性化模型；基于龙门起重机货物摆动特性，应用时滞滤波理论提出ＺＶＤ时滞滤波器，这种时滞滤波器在设计频率处的残留摆动幅值为零，对参数变化具有较强的鲁棒性，将这一时滞滤波器应用于龙门起重机控制系统中，开发出基于时滞滤波理论消除货物摆动的ＰＬＣ变频调速控制系统。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董明晓，杨红娟，陈继文，脱建智，徐书娟，胡长涛，朱翠兰，
申请(专利权)人：山东建筑大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]