一种动臂塔机变幅定高控制的电控补偿方法

摘要

本发明公开了一种动臂塔机变幅定高控制的电控补偿方法，包括：在动臂塔机变幅过程中通过角度传感器获取动臂塔机臂架的角度值及动臂架俯仰角，通过设置在起升卷筒上的编码器采集起升卷扬机的起升位置信号；计算变幅线速度和起升线速度，获得依据变幅线速度起升线速度来确定跟踪补偿的起升速度的对应关系；判断变幅计算补偿速度与变幅线速度的差值是否在预设阈值范围以内，以及起升计算补偿速度与起升线速度的差值是否在预设阈值范围以内，若是，不发出报警信号，若否，则发出报警信号。本发明主要针对动臂塔机在变幅过程中，起升主钩跟随变幅动作作跟随运动。

权利要求

1.一种动臂塔机变幅定高控制的电控补偿方法，其特征在于，包括：在动臂塔机变幅过程中通过角度传感器获取所述动臂塔机臂架的角度值及动臂架俯仰角，通过设置在起升卷筒上的编码器采集起升卷扬机的起升位置信号；计算变幅线速度和起升线速度，获得依据变幅线速度和起升线速度来确定跟踪补偿的起升速度的对应关系；

判断变幅计算补偿速度与所述变幅线速度的差值是否在预设阈值范围以内，以及起升计算补偿速度与起升线速度的差值是否在预设阈值范围以内，若是，不发出报警信号，若否，则发出报警信号；

所述计算变幅线速度和起升线速度的计算方法包括：变幅线速度

V1＝π＊n＊D1＊f1/(3000＊R1)起升线速度

V2＝π＊n＊D2＊f2/(3000＊R2)其中，D1为变幅滚筒直径，R1为变幅减速比，f1为变幅变频器给定频率；D2为起升滚筒直径，R2为起升减速比，f2为起升变频器对应的频率；n为假定变幅和起升电机的额定转速；

所述依据变幅线速度和起升线速度来确定跟踪补偿的起升速度的对应关系为：其中，Ia为D点到E点之间的距离，Ib为A点到E点之间的距离，Ic为C点到E点之间的距离为，Id为C点到D点之间的距离，θ为臂架变幅后的角度值，m2为起升钢丝绳倍率，C点为人字架定滑轮的垂足点，D点为人字架的定滑轮的位置，E点为臂架的根绞点，A点为前臂臂架远端；

所述判断变幅计算补偿速度与所述变幅线速度的差值是否在预设阈值范围以内的方法为：

判断|V1‑V11|＝|π＊n＊D1＊f1/(3000＊R1)‑d1/dt|≤1是否成立，若是，则变幅计算补偿速度与所述变幅线速度的差值在预设阈值范围以内，若否，则变幅计算补偿速度与所述变幅线速度的差值不在预设阈值范围以内；

其中，d1为变幅钢丝绳变化量，dt为PLC的扫描周期，R1为变幅减速比，V11为变幅计算补偿速度；

所述判断起升计算补偿速度与起升线速度的差值是否在预设阈值范围以内的方法为：判断|V2‑V12|＝|π＊n＊D2＊f2/(3000＊R2)‑dh/dt|≤1是否成立，若是，则起升计算补偿速度与起升线速度的差值在预设阈值范围以内，若否，则起升计算补偿速度与起升线速度的差值不在预设阈值范围以内；

其中，dh为起升钢丝绳的变绳量，dt为PLC的扫描周期，R2为起升减速比，V12为起升计算补偿速度。

说明书

一种动臂塔机变幅定高控制的电控补偿方法

技术领域

[0001] 本发明属于港口门座式起重机动臂塔机变幅定高控制领域，具体涉及一种动臂塔机变幅定高控制的电控补偿方法。

背景技术

[0002] 动臂塔机在工业及民用建筑的施工中发挥重要作用，使吊重在变幅过程中保持水平移动，需要采用水平变幅技术，变幅机构按载重水平移动形式的不同可以采用机构补偿
和电控补偿，机构补偿主要分为绳索补偿、组合臂架补偿和差动减速机水平位移补偿。电控
补偿主要采用传感器获取动臂架的俯仰角度值和吊钩载物重量值，进行融合补偿或者根据
载荷重量和形变来进行逐段补偿方法。这些水平变幅的方法都是在基于结构特征上实现
的，通用性较差，不能够得到广泛的应用。
发明内容：

[0003] 为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提一种动臂塔机变幅定高控制的电控补偿方法，用以保证变幅过程中物品移动轨迹线呈水平线。

[0004] 为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：

[0005] 一种动臂塔机变幅定高控制的电控补偿方法，包括：

[0006] 在动臂塔机变幅过程中通过角度传感器获取动臂塔机臂架的角度值及动臂架俯仰角，通过设置在起升卷筒上的编码器采集起升卷扬机的起升位置信号；计算变幅线速度
和起升线速度，获得依据变幅线速度起升线速度来确定跟踪补偿的起升速度的对应关系；

[0007] 判断变幅计算补偿速度与变幅线速度的差值是否在预设阈值范围以内，以及起升计算补偿速度与起升线速度的差值是否在预设阈值范围以内，若是，不发出报警信号，若
否，则发出报警信号。

[0008] 较佳地，计算变幅速度和起升速度的计算方法包括：

[0009] 变幅线速度

[0010] V1＝π＊n＊D1＊f1/(3000＊R1)

[0011] 起升线速度

[0012] V2＝π＊n＊D2＊f2/(3000＊R2)

[0013] 其中，D1为变幅滚筒直径，R1为变幅减速比，f1为变幅变频器给定频率；D2为起升滚筒直径，R2为起升减速比，f2为起升变频器对应的频率；n为假定变幅和起升电机的额定
转速。

[0014] 较佳地，依据变幅线速度起升线速度来确定跟踪补偿的起升速度的对应关系为：

[0015]

[0016] 其中，Ia为D点到E点之间的距离，Ib为A点到E点之间的距离，Ic为C点到E点之间的距离为，Id为C点到D点之间的距离，θ为臂架变幅后的角度值，m2为起升钢丝绳倍率，C点为
人字架定滑轮的垂足点，D点为人字架的定滑轮的位置，E点为臂架的根绞点， A点为点为前
臂臂架远端。

[0017] 较佳地，判断变幅计算补偿速度与变幅线速度的差值是否在预设阈值范围以内的方法为：

[0018] 判断|V1‑V11|＝|π＊n＊D1＊f1/(3000＊R1)‑dl/dt|≤1是否成立，若是，则变幅计算补偿速度与变幅线速度的差值在预设阈值范围以内，若否，则变幅计算补偿速度与变
幅线速度的差值不在预设阈值范围以内；

[0019] 其中，dl为变幅钢丝绳变化量，dt为PLC的扫描周期，R1为变幅减速比。

[0020] 较佳地，起升计算补偿速度与起升线速度的差值是否在预设阈值范围以内的方法为：

[0021] 判断|V2‑V12|＝|π＊n＊D2＊f2/(3000＊R2)‑dh/dt|≤1是否成立，若是，则起升计算补偿速度与起升线速度的差值在预设阈值范围以内，若否，则起升计算补偿速度与起
升线速度的差值不。在预设阈值范围以内；

[0022] 其中，dh为起升钢丝绳的变绳量，dt为PLC的扫描周期，R2为起升减速比。

[0023] 本发明的有益效果在于：本发明主要针对动臂塔机在变幅过程中，起升主钩跟随变幅动作作跟随运动。在变幅过程中，在臂架的根绞点安装角度传感器采集动臂塔机动臂
架的角度值来获取动臂架俯仰角，在起升卷筒上的编码器采集起升卷扬机的起升位置信
号，根据变幅机构的运动模型来确定变幅机构编码器采集的位置信号与动臂架俯仰角的函
数关系，利用获取动臂架的变幅状态信号通过优化补偿算法来实时补偿起升机构需要对应
补偿的下降高度和下降速度，达到变幅过程中主钩载荷沿着水平线或接近水平线的轨迹移
动。

附图说明

[0024] 图1为水平变幅吊重运动轨迹，

[0025] 图2为动臂塔机的整体结构示意图，

[0026] 图3为本发明实施例水平变幅简化模型示意图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

[0028] 本发明在司机给定变幅速度后，根据几何关系计算出来变幅和起升对应变频器运行的频率关系，变幅速度和起升速度，计算动臂塔机在变幅过程中，变幅速度和起升速度的
对应关系。将通过数学函数关系计算值和通过传感器的测量值比较，采用双重保护来确立
算法的稳定可靠，计算动臂塔机在变幅过程中，起升定高控制的双重保护。

[0029] 步骤S1，将塔机司机给定动臂塔机变幅速度以及安装在臂架的根绞点的角度传感器采集动臂架的俯仰角作为控制系统的输入信号，计算出来动臂塔机在变幅过程应该补偿
对应的起升高度，通过滚筒电机的角速度推导出来线速度，计算出来动臂塔机在变幅过程
应该补偿的起升线速度。

[0030] S100变幅速度和起升速度的具体计算

[0031] 设l为变幅收绳量，D1为变幅滚筒直径，R1为变幅减速比，f1 为变幅变频器给定的频率，ω1为变幅滚筒角速度，V1为变幅线速度。

[0032] 设h为起升收绳量，D2为起升滚筒直径，R2为起升减速比， f2为起升变频器对应的频率，ω2为起升滚筒角速度，V2为起升线速度，

[0033] 假定变幅和起升电机的额定转速为n转/min，电机级对数为p，电机频率为f，根据电机转速与频率的关系n＝60f/p

[0034] 再根据角速度ω与线速度V的物理关系，分别对变幅线速度V1 和起升线速度V2进行计算

[0035] V1＝D1/2*ω1＝D1/2*f1*n*2π/50/60/R1＝π*n*D1*f1/(3000*R1)       (1)

[0036] V2＝π*n*D2*f2/(3000*R2)                              (2)

[0037] 其中，

[0038] Ib为臂架的长度，

[0039] θ为臂架变幅后的角度值，即大臂的俯仰角，

[0040] θ0为臂架变幅前的角度值，即俯仰角初始值，

[0041] O为回转中心，

[0042] C点为人字架定滑轮的垂足点，

[0043] F点为人字架的前安装绞点，

[0044] D点为人字架的定滑轮的位置，

[0045] E为臂架的根绞点，

[0046] A点为前臂臂架远端

[0047] CE之间的距离为Ic，

[0048] CD之间的距离为Id，

[0049] DE之间的距离为Ia，

[0050] AE之间的距离为Ib，

[0051] DE与CE之间的夹角为α，

[0052] AD为臂架变幅之前的绳长，

[0053] A’D为臂架变幅之后的绳长，

[0054] m1为变幅钢丝绳倍率，

[0055] m2为起升钢丝绳倍率，

[0056] θ为臂架变幅后的角度值，即大臂的俯仰角

[0057] θ0为臂架变幅前的角度值，即俯仰角初始值。

[0058] S200计算动臂塔机在变幅过程中，变幅速度和起升速度的对应关系，如图3所示，根据三角形A’ED，三角形AED，三角形DCE 的几何关系L＝AD‑A’D即为变幅随着角度θ变化量
可以计算出来变幅收绳量

[0059]

[0060] 由式(3)进一步获得臂架变幅后的俯仰角

[0061]

[0062] 在三角形A’ED中，设A’D＝J，通过余弦定律得

[0063] J2＝Ia2+Ib2+2Ia*Ib*cos(180‑α‑θ)＝Ia2+Ib2+2Ia*Ib*cos(α+θ)

[0064] (5)

[0065] 由于臂架变幅后的绳长J和臂架变幅后的俯仰角θ都是关于时间的函数，通过对式(5)对时间求导后得到

[0066] 2JJ’＝‑2Ia*Ib*sin(α+θ)θ’  (6)

[0067] 进一步求比值得到

[0068] θ’/J’＝J/(Ia*Ib*sin(α+θ))  (7)

[0069] 如图3所示，通过三角形A’B‘’E和三角形ABE的几何关系可以计算出来在变幅以后，起升跟随变幅需要补偿的起升放绳量

[0070] h＝m2*Ib*(sinθ‑sinθ0)  (8)

[0071] 由于起升放绳量h和臂架变幅后的俯仰角θ都是关于时间的函数，通过式(8)对时间求导得

[0072] h’＝m2*Ib*cos(θ)*θ’  (9)

[0073] 对式(9)进一步求比值得

[0074] h’/θ’＝m2*Ib*cosθ  (10)

[0075] 通过对式(7)和式(10)求比值进一步得到

[0076] h’/J’＝J*m2*Ib*cosθ/(Ia*Ib*sin(α+θ))  (11)

[0077] 将式(5)代入式(11)得到

[0078]

[0079] 在直角三角形DCE中，由三角函数可得α＝arctan(Id/Ic)代入式(12) 得到式(13)如下：

[0080]

[0081] 式(13)就是步骤S1中需要通过塔机司机给定变幅速度来确定跟踪补偿的起升速度的对应关系。

[0082] 步骤S2，判断变幅计算补偿速度与所述变幅线速度的差值是否在预设阈值范围以内，以及起升计算补偿速度与起升线速度的差值是否在预设阈值范围以内，若是，不发出报
警信号，若否，则通过PLC 发出报警信号。也即，通过数学函数关系计算出来的变幅线速度
速度和起升线速度速度与实际运行的变幅线速度和起升线速度作比较，通过几何关系计算
出来的大臂俯仰角和实际角度传感器测量出来的角度值比较，采用双重保护来确立算法的
稳定可靠。

[0083] S300计算动臂塔机在变幅过程中，起升定高控制的双重保护算法实现；

[0084] S301在动臂架的根绞点上安装角度传感器后，可以实时的测量出来大臂俯仰角θ的角度值θ1，对角度测量值θ1与角度计算值θ的比较，θ值角度变化10后，变幅钢丝绳变化量
dl和起升钢丝绳变化量dh的阈值计算，为了保证控制精度，需要满足下面式(14)，式 (15)，
式(16)的变化阈值计算条件，在满足阈值计算条件下的式 (13)的速度对应关系计算就多
了第一层限制保护机制，这样计算出来的阈值限制条件限制由于起升机构由于失速，过速
造成补偿跟随异常的故障发生，

[0085]

[0086] dh＝m2*Ib*(sin(θ+1)‑sinθ0)‑m2*Ib*(sinθ‑sinθ0)≤1.5

[0087] (15)

[0088] |θ1‑θ|≤1  (16)

[0089] 将(4)式代入式(16)中得到：

[0090]

[0091] S302由于控制系统采用PLC，所以需要在PLC的扫描周期内，对速度测量值和速度计算值的比较。dl为变幅钢丝绳的变绳量，dh 为起升钢丝绳的变绳量，dt为PLC的扫描周
期，V11为变幅计算补偿速度，V12为起升计算补偿速度

[0092] V11＝dl/dt                                          (18)

[0093] V12＝dh/dt                                          (19)

[0094] |V1‑V11|≤1                                          (20)

[0095] |V2‑V12|≤1                                          (21)

[0096] 将(1)式和(18)式代入(20)式中得到

[0097] |π＊n＊D1＊f1/(3000＊R1)‑dl/dt|≤1  (22)

[0098] 将(2)式和(19)式代入(21)式中得到

[0099] |π＊n＊D2＊f2/(3000＊R2)‑dh/dt|≤1  (23)

[0100] 通过式(22)对变幅速度的阈值计算和式(23)对起升速度的阈值计算作为限制约束条件，在满足阈值计算条件下的式(13)的速度对应关系计算就多了第二层限制保护机制

[0101] 在动臂塔机的简化数学模型中，通过上述对动臂变幅的几何关系推理和三角函数运算以及双重保护机制，保证在动臂塔机变幅定高的电控补偿的稳定可靠。

[0102] 通过式(20)和式(21)让补偿阈值在控制精度之类做的比较运算，也就是数学计算值和实际运行值的比较，纠正阈值过大的情形。防止阈值过大，从而导致实现不了电控补偿
实现变幅定高的控制。若没有这个电控补偿算法，就是普通的动臂塔机变幅的同时，起升机
构也会对应运动，额外做功，则会增加塔机司机的多余操作。

[0103] 本发明通过两种计算方法计算出来在变幅的时候起升应该以什么速度进行对应的补偿，具体的说就是变幅增大起升随变幅运动收绳，变幅减少起升随变幅运动放绳，这样
的算法只有一道保障，通过步骤2的比较算法限制是第二道保障，就是为了防止差值超过阈
值设定的不可控失速的情况，因为本发明只是针对算法设计，保障算法稳定可靠，

[0104] 综上所述，针对动臂塔机在变幅过程中起升机构跟随变幅做定高控制的计算，是基于数学函数模型计算出来的电气补偿控制方案，未考虑载荷后机构变形、重量、风力摇晃
和臂架振动对计算公式的不良影响，考虑形变因素需要加入应力形变量的补偿量来修正这
些计算值，通过称重传感器采集的信号作为辅助来修正补偿值。

[0105] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。