桥式起重机的防摇定位控制外文翻译资料

 2022-01-16 20:04:51

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第十七届世界大会论文集

国际自动控制联合会

韩国首尔, 2008年7月6-11日

桥式起重机的防摇定位控制

摘要：位于铝板制造商处的一台30吨工业桥式起重机，配备了起重机操纵系统，能够自由摆动、抑制干扰和精确定位。以前对防摇、定位和起重机控制的研究在这些领域中产生了重要的贡献。这些进步将结合到这里的起重机操作系统中。本文概述了该系统，并给出了实验结果，以及操作人员应如何使用起重机。

关键词：输入整形，指令整形，起重机控制，防摇摆，反馈控制；

1.介绍

起重机使用于世界各地成千上万的造船厂、建筑工地、钢厂、仓库、核能和废物贮存设施，以及其他工业园区。这些结构的安全、高效运行对工业生产力有重要影响。

起重机的一个重要特性是可能对安全、有效的运动产生不利影响，这就是起重机有效载荷摆动的趋势。外部干扰，如风或指令运动，会导致有效载荷显著摆动。有效载荷摆动使人类操作员需要花费精确定位的时间；此外，当有效载荷或周围障碍物具有危险或易碎性质时，有效载荷摆动可能会带来安全隐患。

起重机的广泛使用，以及需要减少不希望的振荡，推动了该方面的研究进程。在1）运动诱导振荡降低，2）扰动抑制，3）定位能力，4）有效载荷摆动检测，5）操作员界面设计方面己经取得了显著进步。这些领域的进展已被合并为一个统一的起重机操作系统(CMS)。CMS的实用性在于它为操作者提供了产生安全和有效的无摆动运动以及精确定位能力的方法。

本文介绍了CMS的组件，以及如何在30吨工业桥式起重机上实施该系统。这台起重机位于一家领先的铝板产品制造商——罗根铝业。

第2节介绍了罗根起重机及其动态特性。第3节概述了CMS以及该系统如何集成到洛根起重机中。第4节介绍了在装有CMS的洛根起重机上进行的性能试验结果。

2. 系统描述

图（a）、(b)显示了30吨洛根起重机的照片。手推车沿着桥跨过大约30米的距离。同样，桥可以沿着固定轨道移动大约50米的距离。吊钩悬挂在手推车下方。在操作过程中，吊缆长度在3至10米之间变化。

桥上装有两台7.5千瓦（10马力）的480伏交流感应电动机。同样，小车配有两台3.75千瓦（5马力）480伏交流感应电动机。电机由Magnetek脉冲P3矢量驱动器控制。该设备允许连续可变速度控制。此外，驱动器是可参数化的。最大允许速度和加速度限值分别编程为0.75 m/s和0.75 m/s2。

在安装CMS之前，操作员通过直接向起重机驱动装置发出控制杆接口的命令来驱动起重机。该驱动过程的模型如图3的方框图所示。dm表示系统矢量驱动和交流感应电机的行为。该装置接受由操作员向起重机发出的参考速度指令vr，并将这些信号转换为架空小车的实际速度vt。小车的运动使吊钩和附加载荷以电缆角度theta;摆动。此行为由块G表示。

  1. 小车的关闭
  2. 桥、钩和跑道

2．1工业起重机动态模型

交流感应电动机和矢量驱动器的特性是非线性的。然而，这种行为可以通过组合几个更简单的组件来精确地建模。图3的dm块在图4中展开以揭示这种模型。

该模型由四个元件组成：饱和器、开关、限速器和重阻尼二阶装置H。饱和元件截断了向起重机发出的过多速度指令，而限速器则将起重机加速度的上下限设定为零。H用于模拟驱动和电机的平滑运行。开关元件的功能是将参考信号V传递给速率限制块。

图3 起重机驱动方框图

但是，当向起重机发出过渡速度指令时，开关临时发出零信号。过渡速度指令是指改变起重机行驶方向的指令（前进至后退或反之亦然）。这种类型的行为取决于VR和VT，可以用以下切换规则来描述：

图 4 驱动器和电机模型块的扩展视图

该模型可用于通过正确选择与模型相关的五个参数来表示起重机驱动和电机的行为：p-饱和阈值，x-开关阈值，m-速率限制器的最大斜率，zeta;h-阻尼比h，omega;nh-固有频率h。对于起重机，E参数估计分别为0.75 m/s、0.038 m/s、0.63 m/s2、0.75和3.7 rad/s。图5比较了模型的响应和实际系统对几个速度命令的响应。当电机移动起重机时，振动会感应到吊钩中。钩对小车运动的角响应由装置g建模。钩的振动行为可以用线性传递函数表示：

对于洛根起重机，阻尼比，zeta;，约为0.01。固有频率omega;n是悬索长度l和重力加速度g的函数：

图 5 驱动器和电机对不同速度指令的实际响应和模拟响应

图5比较驱动器和电机对不同速度指令的实际响应和模拟响应。（1）对100%速度阶跃的响应。（2）响应50%速度的阶跃。（3）响应从100%速度到-100%速度的步骤。

3．整合CMS

第2节所述的起重机已通过CMS进行了扩充。配备CMS的起重机的拓扑图如图5所示。该图描述了构成CMS的要素：

bull;控制结构，实现自由摆动和精确的有效载荷定位。

bull;可视化人机界面，帮助起重机精确定位。该接口在触摸屏显示器上实现。

bull;操纵杆接口，用于简化总运动任务。

bull;标准杠杆接口。bull;用于感应钩摆动的机器视觉系统。

bull;用于测量起重机位置的激光测距传感器。

CMS的主要组成部分是抗摇摆定位控制。该组件接受来自其他CMS元件的信息：来自三个接口设备的运动命令、来自激光测距传感器的起重机位置信息以及来自机器视觉系统的吊钩位移信息。来自这些元件的信息被控制装置用来产生低摇摆速度指令，这些指令被发送到起重机驱动装置。以下小节提供了有关CMS每个元素的更详细信息。

3.1人机界面

在将CMS安装到洛根起重机上之前，操作员通过使用三层提升机接口命令起重机移动。该装置允许桥、小车和吊钩通过各自的驱动杆相互独立地进行指令。两个额外的接口设备与CMS一起安装：操纵杆接口和视觉触摸屏接口。

实施这些装置的动机源于改进操作员控制起重机的方式。视觉界面允许简化定位控制，而操纵杆允许简化速度控制。

简化定位：在许多应用中，需要精确和重复的有效载荷定位。可视化界面是起重机和起重机工作区的实时图形化表示，允许操作员存储所需的有效载荷目的地，并命令起重机行驶到这些位置。

图 6 集成到起重机系统中的CMS部件

为了存储有效载荷目的地以备将来使用，操作员必须首先手动将起重机放置在此位置。然后，起重机位置对应的坐标可以自动存储到可视化界面中。目标图像表示触摸屏上的位置。操作员通过触摸图形工作区图像中显示的存储目标来指定所需的挂钩目标。一旦操作员指定了所需的目的地，反馈控制系统会自动将起重机驱动到指定的位置，而不会产生有效载荷摆动。

图7是可视化界面的屏幕截图。在区域A中，操作员可以存储和指定钩子目的地。区域B显示各种系统指示灯，如反导活动、系统错误和操作模式。区域C显示实际和所需的起重机位置信息。

图 7 洛根起重机视觉界面的屏幕截图

对于精确定位应用，视觉界面比传统手动控制具有显著的效率优势[Sorensen等人，2007b]。这是因为使用界面的操作员可以以近乎时间最优和无摆动的方式将起重机自动定位在所需位置。手动定位更困难。操作人员必须经过广泛的培训。通常，结构移动非常缓慢，以确保准确和安全定位。

在佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的一台10吨工业桥式起重机上安装了一个与本文描述的界面类似的可视界面。对该起重机进行的操作员研究表明，使用视觉界面的操作员完成定位任务的速度比手动控制快5%到45%。

除了定位简单之外，使用可视界面还有其他好处。这些好处与人类操作者的认知过程有关。视觉界面提供的基于手势的控制类型利用了基于直觉的行为，与手动定位相比，这种方式不那么复杂，需要更少的认知资源使用。正如在[Stahre，1995]中所讨论的，“转移”操作员行为到基于直觉的行为的好处是更多的。

简化速度控制：视觉界面有助于起重机自动移动，操纵杆和操纵杆界面可用于手动移动任务。通常，操纵杆接口允许这些类型的任务比操纵杆接口更有效地完成。

当操作员试图使用操纵杆界面命令起重机运动时，他或她会在精神上完成几个步骤。首先，所需的钩和有效载荷轨迹被分离到对应于不同驱动模式的运动部件中（即正向、反向、左右、上下）。其次，将解耦后的轨迹映射到相应的执行杆上。最后，操作员尝试物理地按下正确的杠杆组合，使起重机沿着所需的轨迹移动。为了有效地运动，通常操作员必须同时控制两个操纵杆。因为这是困难的，操作人员经常沿着效率较低的轨道操作起重机，而这些轨道每次只需要在一个驱动方向上运动。

要使用操纵杆操作起重机，操作员将操纵杆手柄指向所需的方向，并改变位移。操纵手柄的方向和位移与起重机行驶的方向和速度相对应。这种手动控制模式比控制杆接口更能促进起重机的高效移动。这是因为操作人员更容易使用操纵杆在桥和小车方向同时操纵起重机。

3.2感官信息

机器视觉系统：使用西门子720系列视觉系统，可以获得钩摆的感觉信息。该摄像机是一个独立的图像传感器，具有车载图像采集、处理和通信功能。视觉系统安装在小车上，靠近吊钩悬索的支点，并朝向观察吊钩和周围工作区。在这种向下看的配置中，起重机吊钩的顶部总是在摄像机视野内，如图7所示。

为了便于可靠的挂钩跟踪，安装了发光二极管（LED）阵列。当视觉系统获取图像时，LED阵列同时脉冲（类似于相机上的闪光灯）。由反光材料制成的两个基准标记，安装在挂钩顶部，将脉冲光反射回相机镜头。这样，可以很容易地从图像中的其他特征中辨别出基准标记。图7的子照片显示了基准标记的特写视图。

摄像机每70毫秒采集一次图像。摄像机内的程序处理图像，以获取有关基准标记的坐标信息。该信息随后被传送至防摇摆和定位控制器。

图 8 视觉系统捕获图像（大图）。安装在挂钩上的基准点的特写照片（子图）。

激光测距传感器：利用两个Banner LT3系列激光测距传感器，获得了桥、小车的绝对位置。这些位置传感器的范围为50米，在该距离处的分辨率约为1.2厘米。两个传感器都安装在桥上。其中一个用于检测小车在桥上的位置。另一个方向是检测桥梁在固定跑道上的位置。

3.3防摇定位控制

防摇定位控制的框图如图9所示。此方框图描述了一种控制结构，其中原始起重机系统集成到一个双回路反馈结构中。该控制产生参考速度命令，当发送给非线性驱动和电机设备dm时，该命令在有效载荷中实现三个理想结果：1）精确定位能力，2）运动诱发振荡抑制，以及3）干扰抑制。

在下面的小节中，提供了能够实现这些结果的控制元件的简要说明。由于对该控制及其稳定性的全面描述超出了本文的范围，因此对该控制的开发和严格稳定性分析结果感兴趣的读者应参考[Sorensen，2005，Sorensen等人，2007a，Sorensen和Singhose，2007]。

运动引起的振荡抑制：抑制运动诱发振动的一个成功方法是生成一个命令，使系统取消其自身的振动。一种称为输入整形的技术，是通过将参考命令与称为输入整形器的脉冲序列卷积来实现的。卷积产物，而不是原始的参考命令，然后被发送到工厂。对于设计正确的输入整形器，线性系统在响应修改后的指令时将呈现零剩余振荡。这种情况如图10（a）所示。参考命令（在本例中是步骤）由两个脉冲输入整形器修改。通过合理选择整形器的脉冲次数和脉冲幅度，否定了H的振荡动力学。

图 9 防摇定位控制器

当形状命令启动h时，结果是零剩余振荡。图10（b）显示了表示一般输入成形过程的框图。是输入整形器，H是线性植物。

图 10 输入成形过程

这种类型的运动诱导振荡抑制通过在信号通路中加入一个输入整形器集成到CMS控制结构中。在图9中，输入整形器由标记为is的块表示：该整形器用于消除由干扰抑制反馈回路形成的闭环传递函数的振荡动力学。输入整形器接受来自三个元素之一的指令速度信号vc。如果起重机正在手动操作，则操纵杆或操纵杆接口的信号将发送给输入整形器。如果使用触摸屏自动定位起重机，则定位控制块的信号将发送给成型机。然后将成形命令vs用作干扰抑制回路的参考命令。

虽然输入整形对线性系统有效，但驱动器和电机中的非线性元件dm可以显著降低整形命令消除振荡的能力。在[Sorensen和Singhose，2007]中提出了一种减轻dm区块内饱和和速率限制的有害影响的策略。一个人工饱和元件和一个人工速率限制元件可以被合并到信号路径中，以便这些元件在被输入整形器修改之前过滤参考命令。这样，输入整形器生成的整形命令不会被驱动器和电机中包含的饱和和速率限制元素破坏。人工元件的饱和和速率限制参数必须等于或比实际饱和和速率限制参数更保守。

精确的有效载荷定位：当操作员使用可视界面控制起重机时，位置参考命令将发送给CMS控制。考虑到有效载荷最终直接停在头顶支撑装置的正下方，小车的最终定位相当于有效载荷的最终定位。因此，通过使用激光测距传感器的位

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资料编号：[1217]

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