用于使起重机系统的可动的起重机元件低振动地运动的方法以及控制装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于借助于马达(2)来低振动地控制起重机系统(10)的可动的起重机元件(14,16,18)例如起重机悬臂(18)的运动的方法和控制装置，起重机系统(10)可被激励成以固有频率(fEIG)振动并且具有阻尼率(ζ)，其中，利用这样的控制信号(VSOLL)操控可动的起重机元件(14,16,18)，即控制信号的频谱基本上不包含起重机系统(10)的固有频率(fEIG)，其中，在考虑起重机系统(10)的系统参数的情况下从操作者的操作信号(SBED)中计算出控制信号(VSOLL)。为了在开头提及的类型的方法和控制装置中在摆动运动期间减小在旋转塔式起重机的结构中的振动并且简化控制装置的配置，设置成，在运行期间自动地计算以起重机系统(10)的固有频率(fEIG)以及阻尼率(ζ)的形式的系统参数，并且实时地从实施操作者的操作信号(SBED)以及计算出的起重机系统的固有频率(fEIG)和阻尼率(ζ)中计算出控制信号(VSOLL)以作为主动的速度参考曲线(VSOLL)。
【专利说明】用于使起重机系统的可动的起重机元件低振动地运动的方法以及控制装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于借助于马达来低振动地(schwingungsarm)控制起重机系统的可动的起重机元件例如起重机悬臂的运动的方法，该起重机系统可被激励成以固有频率振动并且具有阻尼率，其中，利用这样的控制信号操控该可动的起重机元件，即该控制信号的频谱基本上不包含起重机系统的固有频率，其中，在考虑起重机系统的系统参数的情况下从操作者的操作信号中计算出控制信号，本发明也涉及一种用于低振动地控制起重机系统的可动的起重机元件例如起重机悬臂的运动的控制装置，该起重机系统可被激励以固有频率振动并且具有阻尼率，其中，可利用这样的信号操控该可动的起重机元件，即其频谱基本上不包含固有频率，其中，在理论值计算单元中在考虑系统参数的情况下从操作者的操作信号中计算出控制信号，并且其中，将在理论值计算单元的输出部处的控制信号输送到马达控制部处以用于操控马达。
【背景技术】
[0002]在文献DE-A-10 2004 052 616中描述了开头提及的类型的方法和控制装置。该方法用于控制起重机系统的可动的起重机元件的运动，其中，可激励起重机系统的至少一些部件进行摇摆振动。在此，该起重机系统具有至少一个固有频率，其可通过可动的起重机元件的运动改变。借助于操控回路产生控制信号，该控制信号操控起重机系统的驱动单元以用于使可动的起重机元件例如以吊运车(Laufkatze)的形式的起重机单元运动。在此，基本上在没有起重机系统的摆动振动的固有频率的情况下产生控制信号，从而尽可能不发生摇摆振动的激励。
[0003]储存在旋转塔式起重机(Turmdrehkran)的柔性的结构中的能量在摆动运动的加速和减速期间引起在该结构中的振动。与起重机悬臂的摆动速度重叠的该振动能够被起重机驾驶员作为悬臂端部的不稳定的速度感觉到。这种特性使起重机的控制、特别是在较低摆动速度时摆动运动的手动控制和精确的定位变得困难。
[0004]旋转塔式起重机在摆动运动期间如弹簧一样作用。由马达给出的能量引起塔和悬臂的扭转。储存在机械系统中的能量引起结构的振动，例如这在图1b中示出。
[0005]存在不同的用于处理通过摆动运动引起的振动的可能性。
[0006]对于不带频率转换器的驱动部:
-流体联结(在马达和摆动轴之间的间接联结)
-涡流制动，其中，通过涡流制动施加制动力矩，
对于带有频率转换器的驱动部:
-v/f马达控制模式(软式马达控制模式，通过扭矩影响马达速度)，
-限制发电机扭矩(如果在发电机象限(Quadranten)中，通过扭矩影响马达速度)，通过以上列举的可能性应通过减小作为振动的主要诱因的力解决该问题。但是这意味着，驱动马达确切地说驱动轴的速度通过由振动在结构中引起的扭矩影响。所提出的被动的解决方案都不是最优的，因为为了减小振动而牺牲了反应性能。
[0007]此外已知这样的方法，即，在其中使用速度特征曲线的主动产生，例如由0.J.M.Smith 提出的 “Posicat” 控制和由 N.C.Singer、W.E.Singose 和 W.P.Seering 提出的 Input-Shaping(输入整形)或者 T.Sing 等的 “Tutorial on input shaping/timedelay control of maneuvering flexible structures, N.Singer: An input shapingController enabling crans to move about sway”(操纵柔性机构的输入整形/时间延迟控制指南，N.Singer:使起重机来回摆动运动的输入整形控制器)，整体地参考其内容。
[0008]然而，上述论文涉及悬挂在起重机悬臂处的负载的摇摆运动。
[0009]文献DE 41 30 970 Al公开了一种用于电马达的控制系统，该电马达驱动矿石绞车或输送系统的绳鼓轮，该输送系统具有被绳承载的运输器件并且形成起振动作用的系统。该控制系统具有用于监视绳的负载的负载传感器、用于监视从绳鼓轮上绕开的绳长度的绳长度传感器、对传感器的信号反应的马达控制单元，该马达控制单元计算用于起振动作用的系统的转速、加速度和压力运动的理论值。该控制单元产生控制信号，该控制信号被置于与起振动作用的系统的固有振动特性成关系，以防止在系统中产生振动并且相应于控制信号控制马达驱动装置。由此，应实现用于正常运行和用于紧急制动过程的控制系统，其在纵向上减小振动。
[0010]在文献DE 10 2006 048 988 Al中描述了一种用于带有塔和可摆动地安装在塔处的悬臂的悬臂起重机。该悬臂起重机包括用于产生悬臂的摇摆运动的第一执行器、用于使塔旋转的第二执行器、用于通过测量获得悬臂头部的位置和/或速度的第一器件、用于通过测量获得塔的旋转角度和/或旋转速度的第二器件，其中，该控制系统控制第一和第二执行器。在此，由于通过悬臂的摇摆运动造成的起重机的旋转引起的在径向方向上的负载的加速取决于通过第二器件获得的塔的转速平衡。应提供用于悬臂起重机的控制系统，该控制系统具有更高的精度并且尤其地导致对负载的摇摆振动的减振的更好的控制。
[0011]文献DE 10 2009 032 270 Al涉及一种用于操控起重机的驱动部的方法。在此，悬臂顶端的理论运动用作输入参数，以该输入参数为基础计算出用于操控驱动部的控制参数。为了提供用于操控起重机的驱动部的方法(其减小由于振动引起的起重机结构的负载)，设置成，在计算控制参数时考虑由驱动部和其起重机机构组成的系统的动态振动，以减小固有振动。基于起重机结构的数学模型计算控制参数。该数学模型的建立和计算带来显著的成本。
[0012]文献DD 260 052涉及一种用于起重机的弹性的、有间隙的行驶机构驱动部的运动过程的控制，特别是用于这种过程的控制，即在其中通过在驱动部中的间隙或者通过支承装置的弹性在起动和制动时产生不期望的振动应力。这种控制部具有的目的是，在弹性的起重机结构的驱动部中或在带有间隙的驱动部中如此自动地控制运动过程，即，保持不期望的振动应力远离支承装置和驱动部。被视为有利的是，通过应力减小降低由于驱动部或支承机构的组件由于过载引起的破坏而造成的起重机停机时间，并且减小支承机构在目的地处的稳定时间。
【发明内容】
[0013]基于此本发明的目的为，如此改进开头提及的类型的方法和控制装置，即减小在摆动运动期间在旋转塔式起重机的结构中的振动并且简化控制装置的配置方案。
[0014]根据本发明，该目的通过以下方式实现，即在运行期间自动地计算以起重机系统的固有频率以及阻尼率的形式的系统参数，并且实时地从操作者的操作信号以及计算出的起重机系统的固有频率和阻尼率中计算出控制信号以作为主动的(aktiv)速度参考曲线。
[0015]根据本发明的方法使用自动产生的速度参考曲线用于驱动马达例如摆动马达，以用于抑制在起重机系统的结构的固有频率时的振动。
[0016]作为开环控制方法实施该方法。实时地从操作者的控制命令确切地说操作信号、系统的固有频率及其阻尼率中计算出修正的速度参考曲线。
[0017]这些参数在使用自动的识别和配置算法的情况下被计算出来。
[0018]与现有技术相比该方法以此而出众，即起重机结构的数学模型不一定是必要的。
[0019]用于自动地计算参数的尤其优选的方法基于当前马达扭矩和/或马达电流的值，该值在带有可变的速度的马达控制部处探测。马达扭矩和/或马达电流的值以与起重机的机械结构振动相同的频率波动。因此实现，在使用扫描的扭矩曲线的情况下导出起重机结构的参数。优选地，从测得的马达的电流和/或扭矩中计算出固有频率fErc和阻尼率U)。
[0020]用于旋转塔式起重机的优选的自动配置方法具有以下方法步骤:
a)通过借助于可自由选择的速度曲线例如带有线性走向的加速斜坡进行加速来实施可动的起重机元件 的第一运动，该加速斜坡足够倾斜以用于激励起重机系统的振动，
b)扫描(Abtasten)扭矩和/或电流值，
c)优选地借助于傅里叶变换进行探测的扭矩和/或电流值的频谱分析，并且获得频谱分布，
d)找出(Auffinden)频谱分布的主频作为起重机系统的固有频率，
e)从最初扫描的电流和/或扭矩值中计算出阻尼率。
[0021]优选地，可利用在相应之前的循环中获得的加速斜坡有规律地重复这些方法步骤。
[0022]在加速结束之后在电流和/或扭矩振动的至少一个周期上扫描电流和/或扭矩值。
[0023]一种优选的方法由此而出众，即通过由操作者预定的操作信号与抑制在起重机系统的结构的固有频率时的振动的频率消除信号的数学卷积计算出速度参考曲线，其中，实时地从获得的固有频率和阻尼率中导出该频率消除信号。
[0024]通过来自操作者的任意速度命令与消除在起重结构的固有频率时的振动的频率消除信号的卷积得到期望的速度参考曲线。该卷积运算的结果是速度参考信号，其在系统的固有频率时不激发振动并且由此允许悬臂的柔和的摆动运动。
[0025]根据优选的方法设置成，频率消除信号具有两个时间上错开的分别带有幅度的脉冲，其中，这些脉冲彼此通过以下公式错开时间t，
【权利要求】
1.一种用于借助于马达(2)来低振动地控制起重机系统(10)的可动的起重机元件(14，16，18)例如起重机悬臂(18)的运动的方法，所述起重机系统可被激励成以固有频率(fEIG)振动并且具有阻尼率(4)，其中，利用这样的控制信号(VSm)操控所述可动的起重机元件(14，16，18)，即所述控制信号的频谱基本上不包含所述起重机系统(10)的固有频率(fErc)无，其中，在考虑所述起重机系统(10)的系统参数的情况下从操作者的操作信号(Sbed)中计算出所述控制信号(U， 其特征在于， 在运行期间自动地计算以所述起重机系统(10)的固有频率(fEK)以及阻尼率U)的形式的系统参数，并且实时地从操作者的操作信号(Sbed)以及计算出的起重机系统的固有频率(fErc)和阻尼率U)中计算出所述控制信号(vSM)以作为主动的速度参考曲线(Vsoll)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从测得的所述马达(20)的电流(I)和/或扭矩(M)中计算出所述起动机系统(10)的固有频率(fErc)和阻尼率U)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据以下方法步骤获得所述系统参数: a)通过借助于可自由选择的速度曲线(56，88)例如带有线性走向的加速斜坡使起重机系统加速来实施所述可动的起重机元件(18)的第一运动，所述加速斜坡足够倾斜以用于激励所述起重机系统(10)的振动， b)扫描扭矩和/或电流值(M/I)， c)优选地借助于离散的傅里叶变换进行所探测的扭矩和/或电流值的频谱分析，并且获得频谱分布(94)， d)找出所述频谱分布(94)的主频(fd)作为起所述重机系统的固有频率(fErc)，以及 e)从最初扫描的电流和/或扭矩值中计算出所述阻尼率(ζ)。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在所述加速结束之后在至少一个周期上扫描所述扭矩和/或电流值(Μ/I)。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，通过由所述操作者预定的操作信号(Sbed)与抑制在所述起重机系统(10)的结构的固有频率(fEK)时的振动的频率消除信号(Sfkeq)的数学卷积计算所述速度参考曲线(VSc)，其中，实时地从所获得的固有频率(fEIG)和阻尼率⑴中导出所述频率消除信号(Sfkeq)。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，使用矩形信号或梯形信号作为所述操作者的操作信号(Sbed)。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，所述频率消除信号(Sfkeq)具有两个时间上错开的分别带有幅度(Al，A2)的脉冲(68，70; 72，74; 76，78; 80，82; 84，86)，其中，所述脉冲通过以下公式彼此错开时间t，
8.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在所述起重机系统(10)的运行期间连续地计算以所述固有频率(fErc)和阻尼率(ζ)的形式的系统参数并且在所述结构的机械特性变化时对所述速度参考曲线(vSM)进行匹配。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，以周期性的节拍在离散的时间段上实施以所述固有频率(fErc)和阻尼率(ζ)的形式的系统参数的计算，其中，使用实施周期以用于计算所述速度参考曲线(VSm)。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，为了找出所述频谱分布(94)的主频(fd)，获取所述频谱分布(94)的最大值(96)，其中，所述最大值(96)必须至少相应于所述频谱分布(94)的平均值(MWl)的三倍，并且其中，其它频率都不可具有大于所述频谱分布(94)的平均值(MWl)的两倍的幅度。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，根据以下条件获得所述频谱分布(94)的主频(fd): -所述主频(fd)的幅度必须大于所述平均值(MWl)， -所述主频(fd)必须在这样的频率带之内，即所述频率带对于所述起重机系统(10)来说是似乎可信的，优选地在约0.03Hz ^ fd ^ 0.25Hz的范围中， -所述主频(fd)必须满足奈奎斯特-香农-原理的条件，也就是说，所述频率必须小于1/2X采样周期并且大于I/整个扫描时间。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，根据以下公式计算所述阻尼率U)
13.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，借助于傅里叶变换(FFTI, FFT2)从带有所述电流/扭矩曲线(Ι，Μ)的周期(Pl，Ρ2)的长度的两个相继的时间段中获得所述阻尼率(? )，其中，从所述第一周期(PD的傅里叶变换(FFTl)中获得带有最大值(xl)的频谱分布(106)，其中，借助于所述第二周期(Ρ2)的傅里叶变换(FFT2)获得带有最大值(x2)的频谱分布(110)，其中，所述频谱分布(106，110)的幅度最大值(xl，x2)位于所述主频(fn)处，其中，借助于以下公式计算对数的衰减量.Vt
14.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其特征在于，在矢量控制模式中利用可变的速度操控所述马达(20)。
15.一种用于低振动地控制起重机系统(10)的可动的起重机元件(14，16，18)例如起重机悬臂(18)的运动的控制装置(30)，所述起重机系统(10)可被激励成以固有频率(fEIG)振动并且具有阻尼率(? )，其中，利用这样的控制信号(VSm)操控所述可动的起重机元件(14，16，18)，即所述控制信号的频谱基本上不包含固有频率(fEK)，其中，在理论值计算单元(52)中在考虑系统参数的情况下从操作者的操作信号(Sbed)中计算出所述控制信号(VSm)，并且其中，将在所述理论值计算单元(52)的输出部处的控制信号(VsJ输送到马达控制部处以用于操控所述马达(20)， 其特征在于， 所述控制装置(30)具有用于探测隐性地包含所述起重机系统的固有频率(fEK)和阻尼率(ξ)的振动曲线出2，92，90)的测量装置(42)以及与所述测量装置相连接的参数计算单元(48，50)以用于从所探测的测量值(Ι，Μ)中实时计算以固有频率(fEK)以及阻尼率(O的形式的系统参数， 所述参数计算单元(48，50)与构造成速度参考曲线发生器的理论值计算单元(52)相连接，在所述理论值计算单元中在考虑实时地获得的所述起重机系统(10)的固有频率(fEIG)和阻尼率(ζ)的情况下从由操作者预定的输入信号中可计算出所述控制信号以作为主动的速度参考曲线(Vst^)。
16.根据权利要求15所述的控制装置，其特征在于，所述测量装置(42)构造成探测所述马达电流(I)或所述马达扭矩(M)的测量装置。
17.根据权利要求15所述的控制装置，其特征在于，所述测量装置(42)包括用于探测所述起重机系统(20)的机械结构的振动的振动传感器。
18.根据权利要求15 至17中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述参数计算单(48，50)元具有构造成频谱分析器例如快速傅里叶变换单元的计算单元(48)，并且所述计算单元(48)的输出部与用于计算所述系统参数固有频率(fEK)和阻尼率(ζ)的计算单元(50)相连接。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述理论值计算单元(52)的输出部与马达控制部(32)相连接，所述马达控制部(32)构造成开环控制部，其包括速度调节器(34)、优选地下级的扭矩/电流调节器(40)以及测量装置(42)，其中，所述马达电流和/或马达扭矩通过布置在所述速度调节器和扭矩/电流调节器(40)之间的加法器(38)被输送回所述扭矩/电流调节器(40)中。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述马达控制部(32)此外具有速度估算元件(44)，所述速度估算元件从在所述测量装置(42)中获得的电流-扭矩值中导出速度实际值(Vist)，将该速度实际值与所述速度参考值(VsJ相结合并且输送到所述速度调节器(34)。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述操作信号(Sbed)通过修正单元(54)与所述理论计算单元(52)相连接。
【文档编号】B66C13/06GK103608282SQ201280021690
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年3月5日 优先权日:2011年3月4日
【发明者】M.维托夫斯基 申请人:施奈德电气自动控制有限责任公司