一种工业桥式起重机的多工作模式防摇摆与定位控制外文翻译资料

 2022-04-05 09:04

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一种工业桥式起重机的多工作模式防摇摆与定位控制

Khalid Sorensen lowast; Hannas Fisch lowast;lowast; Steve Dickerson lowast;lowast;lowast;

William Singhose lowast; Urs Glauser lowast;lowast;

摘要:用铝板制造的30吨工业桥式起重机配备了一套起重机操纵系统，能够实现自由摆动运动、抗干扰和精确定位。在抗摇摆、定位和起重机控制的这些领域里，先前的研究中取得了非常重要的贡献。这些进步被结合到这里描述的统一起重机操纵系统中。提供了该系统的概述，以及实验结果以及人工操作者如何使用起重机的描述。

关键词：输入整形，指令整形，起重机控制，防摇摆，反馈控制，机器视觉

第一章 介绍

起重机使用于世界各地的成千上万的造船厂,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、高效运动是工业生产力的一个重要贡献。

起重机可能对安全和高效运动产生不利影响的重要性能是起重机有效载荷倾向于摆动。外部干扰，例如风、命令运动，可能导致显著的有效载荷摆动。有效载荷摆动使得精确定位对于操作者来说是耗时的；此外，当有效载荷或周围障碍物具有危险或脆弱性质时，有效载荷摆动可能存在安全隐患。

起重机的广泛使用，加上需要减少不希望的振荡，已经推动了大量的研究。在1）运动诱导振荡降低，2）扰动抑制，3）定位能力，4）有效载荷摆动检测以及5）操作员界面设计方面已经取得了显着进步。每个这些领域的进步已被合并成一个统一的起重机操纵系统（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，以及在30吨工业桥式起重机上实施该系统。这台起重机位于洛根铝业，一家领先的铝板产品制造商。

在第2节，介绍了Logan起重机及其动态行为。第3节提供了CMS的概述以及该系统如何集成到Logan起重机中。在配备有CMS的Logan起重机上进行的性能实验的结果在4节中给出。

第二章.系统介绍

图1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。

该桥装备有两个7.5千瓦（10马力）480伏交流感应电动机。类似地，小车配备有两个3.75千瓦（5马力）的480伏交流感应电动机。电机由Magnetek Impulse 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制已分别编程为0.75m/s和0.75m/ 。在安装CMS之前，操作者通过从杠杆接口直接向起重机驱动器发出命令来制动起重机。该致动过程的模型用图2的框图示出。DM表示系统的矢量驱动器和AC感应电动机的行为。该设备接受由操作人员向起重机发出的参考速度指令，并将这些信号转换为架空滑车的实际速度。小车的运动使钩和附加的有效载荷以缆绳角度theta;摆动。这种行为由块G表示。

（a）桥、吊钩和跑道

（b）台车特写镜头

图1.洛根铝业30吨起重机

2.1 工业起重机动态模型

AC感应电机和矢量驱动器的行为是非线性的。然而，这种行为可以通过组合几个更简单的组件来准确建模[Sorensen，2005]。图2的DM块在图3中被扩展以显示这样的模型。

该模型由四个元件组成：饱和器，开关，速率限制器和大阻尼二阶设备。饱和元件截断对起重机的过度速度命令，而速率限制器对起重机的加速度设置上限和下限。H用于模拟驱动器和电机的平滑性能。开关元件的功能是将参考信号传递到速率限制块。

图2 . 起重机驱动方框图

图3. 驱动器和电机模型块的扩展视图

然而，当向起重机发出过渡速度命令时，开关临时发送零信号。过渡速度命令是改变起重机行进方向的命令（前进到后退或反之亦然）。这种类型的行为取决于和，并且可以用以下切换规则来描述：

(1)

该模型可以用于通过适当地选择与模型相关联的五个参数来表示Logan起重机驱动器和电动机的行为：p-饱和阈值，X-开关阈值，m-速率限制器的最大斜率，zeta; H - H的阻尼比，omega;nH - H的固有频率。对于Logan起重机，这些参数估计分别为0.75，0.038，0.63，0.75和3.7。 图4比较了模型的响应和实际系统对几个速度命令的响应。

当电动机移动起重机时，振动被诱导到钩中。如图2所示，钩子对手推车的运动的角响应由装置G建模。钩的振荡行为可以由线性传递函数表示[Sorensen，2007a]：

G= (2)

对于Logan起重机，阻尼比zeta;约为0.01。固有频率omega;n是电缆悬挂长度L和重力加速度g的函数：

(3)

图4.将驱动器和电机的实际响应和建模响应与不同速度命令进行比较

（1）响应100%速度的不长（2）响应50%速度的步长（3）响应从100%速度到-100%速度的步长

第三章 CMS的集成

第2节中描述的起重机已经增加了CMS。图5中示出了装备CMS的起重机的拓扑图。 该图描述了构成CMS的元素：

● 一种用于实现无摆动运动的控制架构

●用于辅助起重机的精确定位的可视人机界面。该接口在触摸屏监视器上实现。

●一个操纵杆界面，用于简化总运动任务。

●标准杆接口。

●一种用于感测吊钩摆动的机器视觉系统。

●用于测量起重机位置的激光测距传感器。

CMS的主要元素是防摆动和定位控制。该组件接受来自其他CMS元件的信息：来自三个接口装置的运动命令，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由控制器使用以产生低速速度命令，这些命令被发送到起重机驱动器。以下小节提供有关CMS的每个元素的更多详细信息。

3.1人机界面

在将CMS安装到Logan起重机上之前，操作员通过使用三杆接口指令起重机运动。该装置允许桥，手推车和钩通过它们各自的致动杆而彼此独立地被命令。两个附加的接口设备与CMS一起安装：操纵杆接口和可视触摸屏接口。

实施这些装置的动机源自于改进操作者控制起重机的方式。视觉界面允许简化的定位控制，而操纵杆允许简化的速度控制。

简化定位 在许多应用中，需要精确和重复的有效载荷定位。视觉界面是起重机和起重机工作空间的实时图形表示，其允许操作者存储期望的有效载荷目的地，并且命令起重机行进到这些位置[Suter等人，2007，Sorensenet等人，2007b]。为了存储有效载荷目的地以供将来使用，操作者必须首先将起动机手动定位在该位置。然后，对应于起重机位置的坐标可以自动存储在可视界面中。目标图像表示触摸屏上的位置。操作者通过触摸在图形工作空间图像中显示的存储的目标来指定期望的钩目的地。一旦操作者指定期望的目的地，反馈控制系统自动地将起重机驱动到指定位置而没有有效负载摆动。

图5. CMS的组件集成到起重机系统中

图6是可视界面的屏幕截图。在区域A中，操作员可以存储和指定挂钩目的地。区域B显示各种系统指示符，例如防盗活动，系统错误和操作模式。区域C显示实际和期望的起重机位置信息。

对于精确定位应用，可视界面比传统的手动控制具有显着的效率优势[Sorensen 等人，2007b]。这是因为使用接口的操作员可以以近似时间最佳和无摆动的方式将起重机自动定位在期望的位置。手动定位更困难。 操作员必须接受广泛的培训。通常，结构移动非常缓慢以确保准确和安全的定位。

类似于这里所述的可视界面被安装在位于佐治亚理工学院的10吨工业桥式起重机上。对这台起重机进行的操作员研究表明，使用视觉界面的操作员比手动操作完成定位任务的速度快5％到45％[Sorensen 等，2007b]。

除了定位简单性之外，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。由视觉界面提供的基于姿势的控制的类型利用基于直觉的行为[Frigola等人，2003，Amat等人，2004]，其不太复杂，并且比手动定位需要更少的认知资源使用。如在[Stahre，1995]中所讨论的，将操作者动作“转移”为基于直觉的行为的巨大好处是操作者的更多精神资源可以自由地分析新的情况并监视系统的现有状态。

图6. Logan起重机视觉界面的屏幕截图

简化速度控制 鉴于视觉界面有助于自动起重机运动，杠杆和操纵杆界面可用于手动运动任务。通常，操纵杆界面允许比杠杆界面更有效地完成这些类型的任务[Sorensen等人，2007b]。

当操作者尝试使用杆接口指令起重机运动时，他或她在精神上实现几个步骤。首先，钩和有效载荷的期望轨迹被分离成对应于不同致动模式（即，前向反转，左右，上下）的运动分量。第二，解耦的轨迹在心理上映射到相应的致动杆。最后，操作者尝试物理地压下杆的正确组合，使得起重机沿着期望的轨迹移动。为了有效运动，通常两个操纵杆必须由操作者同时控制。由于这是困难的，操作者通常沿着需要每次仅在一个致动方向上运动的较低效率的轨迹操纵起重机。

为了用操纵杆操纵起重机，操作者将操纵杆手柄指向具有可变位移的期望方向。操纵杆手柄的方向和位移对应于起重机行驶的方向和速度。这种手动控制模式可以促进比杠杆接口更有效的起重机运动。这是因为对于使用操纵杆的操作者来说更容易在桥和滑车方向上同时致动起重机。

3.2感觉信息

机器视觉系统 通过使用西门子720系列视觉系统获得关于钩摆动的感觉信息。该摄像机是一个独立的图像传感器，具有板上图像采集，处理和通信功能。视觉系统安装在手推车上，靠近钩悬挂线缆的支点，并且定向成观察钩和周围的工作空间。在这种向下看的构造中，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阵列同时发出脉冲（类似于相机上的闪光灯泡）由反光材料制成并安装到钩的顶部的两个基准标记将脉冲光反射回相机透镜。通过这样做，基准标记容易从图像中的其他特征识别。在图7的子照片中示出了基准标记的近视图。

照相机每70ms采集图像。照相机内的程序处理图像以获得关于基准标记的坐标信息。该信息随后被传送到防摇和定位控制器。

图7.由机器视觉系统捕获和处理的图像（大照片）；关闭安装在钩子上的基准点的照片（子照片）。

激光测距传感器 绝对桥和手推车位置通过使用两个Banner LT3系列激光测距传感器获得。这些位置传感器具有50m的范围和在该距离的约1.2cm的分辨率。两个传感器安装在桥上。一个被定向为检测手推车沿着桥的位置。另一个被定向为检测桥沿着固定的跑道的位置。

3.3抗摇摆和定位控制

图8中示出了防摇摆和定位控制的框图。该框图描绘了原始起重机系统集成到双回路反馈结构中的控制架构。控制产生参考速度命令，当发送到非线性驱动器和电机设备DM时，在有效载荷中实现三个期望的结果：1）精确的定位能力 2）运动诱发的振荡抑制 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描述。因为对该控制及其稳定性的全面描述超出了本文的范围，对该控制的开发感兴趣的读者和严格的稳定性分析的结果应该参考[Sorensen，2005，Sorensen等人，2007a，Sorensen 和Singhose，2007]。

运动诱发振荡抑制 抑制运动诱发振荡的成功方法是产生使系统抵消其自身振荡的命令。一种称为输入整形的这种技术通过将参考命令与称为输入整形器的脉冲序列进行卷积来实现[ Smith，1957，Singer and Seering，1990]。然后，卷积积而不是原始参考命令被发送到工厂。对于正确设计的输入整形器，线性系统将响应于修改的命令而呈现零剩余振荡。这种情况在图9（a）中示出。 参考命令（在这种情况下是一个步骤）由双脉冲输入整形器修改。成形器的脉冲时间和脉冲幅度已经被适当地选择以抵消H的振荡动力学。

图8. 防摇控定位控制器

当成形指令驱动H时，结果是零残余振动。表示一般输入整形过程的框图如图9（b）所示.IS是输入整形器，H是线性工厂。

通过将输入整形器并入信号路径中，将这种类型的运动诱导振荡抑制集成到CMS控制结构中。在图8中，输入整形器由标记为IS的块表示。该整形器被设计为否定由干扰抑制反馈环路形成的闭环传递函数的振荡动力学。输入整形器从三个元件中的一个接收命令的速度信号。如果正在手动操纵起重机，则来自操纵杆或杆接口的信号被发送到输入整形器。如果通过使用触摸屏自动定位起重机，则来自定位控制块的信号被发送到成形器。成形的命令然后用作干扰抑制环路的参考命令。

虽然输入整形对线性系统有效，但驱动器和电机DM中包含的非线性元件可以显着降低成形指令的消除振荡的能力[Law

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