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防止起重機負載擺動的反饋控制指令開關(guān)
摘要——當(dāng)起重機在搬運物體工作時，有效載荷經(jīng)常大振幅度振動。用開環(huán)的方法處理這一問題的效果并不理想，閉環(huán)方法也被使用，但發(fā)動機需要變速工作。本文敘述了在發(fā)動機關(guān)閉之后持續(xù)適時控制單速電機消除實際載荷振動的反饋方法，抑制振動的實驗驗證方案是在橋式起重機上進行的。
一、緒論
起重機經(jīng)常被用來在復(fù)雜的工作空間搬運物體。一個經(jīng)常存在的問題就是起重機在負載情況下可以自由擺動。這些擺動構(gòu)成了安全隱患并能影響到載荷變化或其他在工作場所物體。實際上，一名經(jīng)驗豐富的起重機操作員必需在控制器的幫助下才能保持擺動幅度。最近，有了不同的用于增強操作員技術(shù)的控制方法，這些方法分為開環(huán)和閉環(huán)。
開環(huán)采用的辦法是輸入整形，這種方法被證明在起重機移動時和移動后能有效的減少載荷擺動。整形可以有計劃的提高充足的建模不準確性（即纜索長度變化的頻率）。另一個辦法是開環(huán)優(yōu)化控制，這是基于數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)計算出的離線運動軌跡。但是，如果模型不是準確的，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)控制沒有使用當(dāng)前的起重機操作員界面，因為事先是不知道路徑的。
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?？刂破骺刂菩≤嚨奈恢盟俣群屠|索擺動角或控制小車吊具產(chǎn)生傾斜的命令，以減少負載擺動。吸波控制器調(diào)整小車速度，吸收任何正在返回的有效載荷振動，從而消除擺動。給定延遲角，測量后面的理想位置，也同樣可以證明有效減少了負載的擺動。
索倫森等人開發(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量，并比較了起重機的模擬成型響應(yīng)。
帕克及Chang提出了一個遠程處理輸入整形的“弱命令”，用另一種方法減少了干擾的影響。為了彌補卸載時的擺動，他們引入同等規(guī)模的脈沖誘導(dǎo)振動，并且在相反的方向上卸載振動。他們用此方法來減少約75 ％的擺動以展示它的潛力。然而，適時的脈沖易于校準的問題依然存在。
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量載荷擺動產(chǎn)生命令簡單的開關(guān)電機消除載荷擺動，使其適用于更廣泛的系列起重機。
二、 基于矢量的輸入整形器的計算
布克提供了一個分析框架振蕩矢量。singhose等人提供了解如何才能實現(xiàn)對振動消除矢量分析的輸入整形器。沖動的應(yīng)用規(guī)模A1的二階阻尼系統(tǒng)單位質(zhì)量會誘發(fā)反應(yīng) (1)
這有一個幅度和相位角為零。同樣的，如果一次沖動級2是適用于時間時刻，然后它會導(dǎo)致輸出 (2)
這有一個幅度A2和相位角θ=ω時刻。本幅度和角度可以轉(zhuǎn)化為矢量符號如圖1?？偨Y(jié)這些向量進行總振動響應(yīng)，如在圖2。對應(yīng)的時間響應(yīng)這些沖動是在圖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間的原因?？紤]到衰減，計算使用有效幅度當(dāng)t=0，結(jié)果在規(guī)定的幅度時刻T2 (4)
一個成型機可以設(shè)計這樣的總和所有有效的沖動導(dǎo)致零振動，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，它必須被轉(zhuǎn)換到時間就會出現(xiàn)使用（3）和 （5）
在現(xiàn)實中，系統(tǒng)不移動的沖量。創(chuàng)建一個實際的命令，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。
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)時間脈沖（改編自[ 18]）
2、 消除載荷擺動
本研究的目的不是創(chuàng)造的命令結(jié)果在無殘余振蕩點對點運動。相反，實測載荷擺動是用來創(chuàng)建命令，取消任何簡單的開關(guān)電動機一旦發(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，如電機只能打開和關(guān)閉。然而，把汽車或關(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，這些載體將不會得零分相位角，為使電機不立即停止或加快速度。因此，由時間命令完成，有效載荷將有一些位移和速度，給出一個向量表示類似于圖6。向量旋轉(zhuǎn)電機應(yīng)該有一個類似的規(guī)模，但相反，假設(shè)和加速度減速動態(tài)相似。如果不是，它可以代表了自己的獨特的振幅和相位。
該控制器在這里將使用指令開關(guān)（開關(guān)）消除位置和速度組成部分的振動?？刂破餍枰嬎氵m當(dāng)時間，這些命令在適當(dāng)?shù)臅r間。
對于這一計算，矢量三角形的使用，如在圖7。三角形的三邊的電流振動水平（avib），和振動振幅的“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)運營商希望起重機在移動，然后命令序列會被“關(guān)閉”，等，“對”。某些部分的三角形是眾所周知的：目前的規(guī)模和振動影響轉(zhuǎn)動起重機（光）和關(guān)閉（aoff）。未知的是時間，直到起重機運轉(zhuǎn)，并在現(xiàn)有的振動相位角的起重機應(yīng)轉(zhuǎn)向“關(guān)閉”（θ振動）。因為它是一個三角形，有一個可能的解決方案，如圖7所示。這一時間響應(yīng)這些解決方案是在圖8。在圖7是可取，它有一個較小的角θ，ω，所以直到振動取消短。此外，搖擺角變化小。
找到θ振動，中間角度可以在圖9看到。從余弦定理：
（6）
（7）
從（7）得：
（8)
如果沒有阻尼，則解決方案可以解決直接振動效率。請注意，大多數(shù)起重機有近零阻尼，但是如果阻尼是重要的，那么該方程可以用來解決θ，但必須是迭代求解，
（9）
用方程（8）初步計算ζ=0。計算出后，δ從圖9可以計算 （10）
一旦δ計算出，可以計算
（11）
一旦控制器已關(guān)閉，然后等待直到角振動方向相反的φ上。在這一點上，控制器的電機上。如果校準是完美的，振蕩將被淘汰。
如果操作者操作起重機停止，然后振動可以取消移動支持無論是向前或向后。這樣的結(jié)果是不同的振動相位角，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），只是通過旋轉(zhuǎn)π弧度。因此
（13)
該控制器比較現(xiàn)有的振動相位角對（12）和（13）無論哪個角度先發(fā)生一次。
起重機停止，那么控制器等振蕩相位相反，“上升”命令。然后，電機轉(zhuǎn)向。
最大振蕩幅度可能被取消使用，一個開關(guān)命令大約是兩倍“誘導(dǎo)振蕩”命令。如果當(dāng)前振蕩幅度過大，則控制器計算是基于最大注銷水平。作為預(yù)防措施，這一最高水平可以減少到極限移動的距離在取消振蕩，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。這是唯一真正的電機的時間達到穩(wěn)態(tài)速度之間的載體，所以小載荷的振蕩不能消除。因此，一個振蕩幅度閾值是可以使用的。
圖四 總結(jié)三個向量得到零振動
圖五 創(chuàng)建一個樓梯步命令卷積
圖六 向量表示旋轉(zhuǎn)電機。 圖八 響應(yīng)時間的矢量圖如圖7所示
圖七 矢量圖計算時的電機。 圖九角度來計算的命令啟動時間
3、 控制器的實現(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。起重機有一個攝像頭安裝在車上測量載荷擺動的平面。本相機也可以衡量的有效載荷的高度。所有的行動的控制是基于一個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時間會調(diào)整攝像機測量身高。
（1） 、系統(tǒng)校準
該控制器計算（8）-（13）需要量和相位角的振蕩造成的“上”和“關(guān)閉”。這些計算可以繪圖在起重機的輸入和響應(yīng)在同一張圖上，如圖11。圖11（a）表示電機在5.5秒鐘被關(guān)閉，起重機前進。電動機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和振動水平是由
（14）
在ω的自然頻率系統(tǒng)下。
在時間的零交叉的擺動角度（）和隨后的（）的輸入變化（）記錄。
本相位角的振蕩（）和隨后的（）可以輸入計算
（15）
其中是一個振蕩周期時間。復(fù)雜的矢量Α的輸入過程是由
（16） 在和振蕩幅度之前及后輸入下標表示向前運動。一個類似的程序可以為剩余向量。
圖形的繪制，Α可以啟動和停止，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)用戶動作
圖13顯示了響應(yīng)用戶請求的起重機向后移動。圖13（a)，用戶輸入顯示使用線的邊界。由此產(chǎn)生的小車速度是一條虛線。如圖(b)所示之，起重機運動振蕩的有效載荷。圖13 C顯示相位角振蕩的它也表明，開關(guān)角度計算（11）-（13）。在最初的交叉（約2秒），振蕩級不夠大（1.7°）觸發(fā)控制行動。它是后一期（約6秒），振蕩消除控制行動發(fā)生。在這一點上，該控制器簡單地關(guān)閉起重機電機，如圖13a看到的實線。在這一點上的開關(guān)角跳動回電機。在第7秒，這個角度發(fā)生，以及起重機電機轉(zhuǎn)身。這時候起重機達到全速（約8秒），振蕩水平很?。s一個半度）。
操作者停止按壓反向按鈕約11秒，如圖13a虛線之時。起重機停止，再次引起振蕩。當(dāng)所需的命令是在休息，有兩個開關(guān)角度由（12）和（13）可知，作為起重機取消振蕩的兩個向前和向后的角度。一旦起重機在休息的時候保持很小的振動，第一次角發(fā)生在13秒稍后，和移動式起重機稍微向前取消振蕩。。
3、 控制器響應(yīng)擾動抑制
圖14顯示了該反應(yīng)的起重機干擾當(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關(guān)角條件，和控制器指揮車向前移動。在過4秒，相位匹配，那時起重機停止操作。當(dāng)起重機休息約5.5秒，有效載荷擺動很小。
圖15顯示了一個非常大的擾動的響應(yīng)。在第1秒，有效載荷變成了一個擾動，這是一個單一的通斷指令且可以抑制。在這種情況下，第一個開關(guān)控制行動抑制最大數(shù)量，進而控制行動取消剩余振蕩就在對面方向。這導(dǎo)致小振蕩后起重機在6秒鐘內(nèi)完成了二個命令。
該控制器還可以在起重機的移動中消除干擾，如在圖16。當(dāng)起重機推進小振蕩，有效載荷是在1次擾動。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關(guān)角，沒有消除。然后控制器直到等到適當(dāng)?shù)南辔唤?，在適當(dāng)?shù)臅r候停止振動約6秒。
起重機開始加速但以時間為基礎(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，起重機已返回全速。
圖十 矢量圖時，打開電機
圖十一 測量橋式起重機反應(yīng)的“關(guān)閉”命令 圖十二 不同命令下的振動向量
圖十三 響應(yīng)時間
圖十四 應(yīng)對干擾而起重機休息
圖十五 針對大擾動
圖十六 應(yīng)對干擾時
5、 結(jié)論
一個控制的程序已經(jīng)制定了離合馬達消除橋式起重機載荷擺動?？刂剖褂脭[動角度的有效載荷，及其衍生物，以決定何時打開和關(guān)閉起重機。該方法可以減少振蕩，當(dāng)起重機移動或靜止。程序可以實施在大型橋式起重機。許多實驗表明，控制系統(tǒng)有效。
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