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防止起重機負載擺動的反饋控制指令開關
摘要——當起重機在搬運物體工作時，有效載荷經常大振幅度振動。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
起重機經常被用來在復雜的工作空間搬運物體。一個經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，這是基于數學模型系統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。
反饋控制需要預防的是系統模擬的不確定性和外部干擾。控制器控制小車的位置速度和纜索擺動角或控制小車吊具產生傾斜的命令，以減少負載擺動。吸波控制器調整小車速度，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，結合了整形和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。
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生命令簡單的開關電機消除載荷擺動，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對振動消除矢量分析的輸入整形器。沖動的應用規(guī)模A1的二階阻尼系統單位質量會誘發(fā)反應 (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化為矢量符號如圖1?？偨Y這些向量進行總振動響應，如在圖2。對應的時間響應這些沖動是在圖3。后一秒脈沖，總響應匹配振幅和相位等AR。
如果系統有阻尼，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t=0，結果在規(guī)定的幅度時刻T2 (4)
一個成型機可以設計這樣的總和所有有效的沖動導致零振動，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，它必須被轉換到時間就會出現使用（3）和 （5）
在現實中，系統不移動的沖量。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的步命令。由此產生的命令不產生任何殘留振動。
圖一 脈沖序列和相應的矢量圖
圖二 總結2載體獲得總的反應
圖三 響應時間脈沖（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電動機一旦發(fā)生振蕩。當創(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閉。然而，把汽車或關閉將導致有效載荷振蕩，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。向量旋轉電機應該有一個類似的規(guī)模，但相反，假設和加速度減速動態(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（開關）消除位置和速度組成部分的振動?？刂破餍枰嬎氵m當時間，這些命令在適當的時間。
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（原產地的矢量圖。）假設運營商希望起重機在移動，然后命令序列會被“關閉”，等，“對”。某些部分的三角形是眾所周知的：目前的規(guī)模和振動影響轉動起重機（光）和關閉（aoff）。未知的是時間，直到起重機運轉，并在現有的振動相位角的起重機應轉向“關閉”（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，除了在此基礎上關閉交換。
（12）
如圖10（b)，矢量圖具有相同的結構和δ在圖10（a），只是通過旋轉π弧度。因此
（13)
該控制器比較現有的振動相位角對（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，電機轉向。
最大振蕩幅度可能被取消使用，一個開關命令大約是兩倍“誘導振蕩”命令。如果當前振蕩幅度過大，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 向量表示旋轉電機。 圖八 響應時間的矢量圖如圖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
該控制器是使用振蕩消除第三部分，從技術上體現在大橋式起重機。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。該系統可以在不同的高度和校準時間會調整攝像機測量身高。
（1） 、系統校準
該控制器計算（8）-（13）需要量和相位角的振蕩造成的“上”和“關閉”。這些計算可以繪圖在起重機的輸入和響應在同一張圖上，如圖11。圖11（a）表示電機在5.5秒鐘被關閉，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）、控制器響應用戶動作
圖13顯示了響應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，該控制器簡單地關閉起重機電機，如圖13a看到的實線。在這一點上的開關角跳動回電機。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。當所需的命令是在休息，有兩個開關角度由（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、 控制器響應擾動抑制
圖14顯示了該反應的起重機干擾當橋休息。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。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，第一個開關控制行動抑制最大數量，進而控制行動取消剩余振蕩就在對面方向。這導致小振蕩后起重機在6秒鐘內完成了二個命令。
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角，沒有消除。然后控制器直到等到適當的相位角，在適當的時候停止振動約6秒。
起重機開始加速但以時間為基礎的安全因素θ關閉。然而，有效載荷還不穩(wěn)，所以振蕩，導致小振蕩時，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的“關閉”命令 圖十二 不同命令下的振動向量
圖十三 響應時間
圖十四 應對干擾而起重機休息
圖十五 針對大擾動
圖十六 應對干擾時
5、 結論
一個控制的程序已經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閉起重機。該方法可以減少振蕩，當起重機移動或靜止。程序可以實施在大型橋式起重機。許多實驗表明，控制系統有效。
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