專利名稱：用于操縱懸吊在承載纜上的負載的起重機的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于操縱懸吊在承載纜上的負載的起重機，其包括用于轉動起重機的 回轉機構、用于使吊桿上擺的變幅機構、和用于降低或升高懸吊在承載纜上的負載的提升 機構。該起重機包括用于計算回轉機構、變幅機構和/或提升機構操作的控制單元。有利 的是，控制單元包括負載擺動阻尼，它通過回轉機構，變幅機構和/或提升機構的合適的操 作可減弱負載在起重機運動過程中的振蕩。
背景技術：
這樣的起重機例如從德國專利DE10064182獲知。控制指令的輸入、期望軌跡的生 成和回轉機構、變幅機構以及提升機構的操作計算通過圓柱坐標系來實現。為了負載擺動 阻尼，回轉機構、變幅機構以及提升機構的合適操作的計算是昂貴并且相對不精確的。
發明內容
本發明的目的是提供一種帶有改進的起重機控制器的用于操縱懸吊在承載纜上 的負載的起重機。為此，本發明提供一種用于操縱懸吊在承載纜上的負載的起重機，其包括用于轉 動該起重機的回轉機構、使吊桿上擺的變幅機構、和用于降低和升高懸吊在承載纜上的該 負載的提升機構，該起重機帶有用于計算回轉機構、變幅機構和/或提升機構的操作的控 制單元，其中，該控制單元有利地包括負載擺動阻尼，其特征在于，用于操作回轉機構、變 幅機構和/或提升機構的操作指令的計算基于用笛卡爾坐標系表示的期望負載運動來實 現。。該起重機包括用于轉動起重機的回轉機構、用于吊起吊桿的變幅機構、和用于降 低和升高懸吊在承載纜上的負載的提升裝置。起重機包括帶有控制單元以用于計算回轉機 構、變幅機構和/或提升機構操作的起重機控制器。有利地，控制單元包括負載擺動阻尼。 根據本發明，控制單元如此配置，從而用于操作回轉機構、變幅機構和/或提升機構的操作 指令的計算基于笛卡爾坐標系所表示的期望負載運動來實現。這具有如此的優點，即基于 笛卡爾坐標系中的期望運動的計算是大大地簡化的和改進的。尤其是，可以基于笛卡爾坐 標系中的期望負載運動來實現更簡單的更有效的負載擺動阻尼。有利地，控制單元的負載擺動阻尼是基于懸吊在承載纜上的負載以及起重機的物 理模型的反演，其中反演的物理模型將笛卡爾坐標系中的懸吊在承載纜上的負載的給定運 動轉換為回轉機構、變幅機構和/或提升機構的操作信號。物理模型包括懸吊在承載纜上 的負載的動力學，尤其是擺動動力學，從而通過模型反演可以實現極為有效的負載擺動阻 尼。在笛卡爾坐標系中的計算允許將Z方向上的提升運動與水平(即X和Y方向)運動準 靜態解耦。這提供了更簡單的模型反演。本發明的起重機有利地包括一個或多個傳感器，其用于確定一個或多個涉及負載 和/或起重機的位置和/或運動的測量值，尤其是用于確定一個或多個這些變量，如徑向纜
4繩角、切向纜繩角、變幅角、回轉角、纜繩長度和它們的導數，其中一個或多個測量值被包含 在物理模型的反演中。尤其是，多個這些變量、有利的是所有這些變量被包括在物理模型的 反演中。測得的狀態變量的反饋用于物理模型的反演，否則要使得物理模型的反演可逆將 要費很大功夫，或者甚至該物理模型的反演是不可逆的。本發明的起重機還包括一個或多個傳感器，其用于確定涉及負載和/或起重機的 位置和/或運動的測量值，尤其是用于確定一個或多個這些變量，如徑向纜繩角、切向纜繩 角、變幅角、回轉角、纜繩長度和它們的導數，其中一個或多個測量值被反饋到控制單元中。 獨立于模型的反演，測得的狀態量的反饋對于穩定操作來說也是很有利的。有利地，提供第一變換單元，其基于測得的一個或多個變量計算負載在笛卡爾坐 標系中的實際位置和/或實際運動，該一個或多個變量尤其是在X，Y和Z軸上的位置，在X， Y和Z軸上的速度，在X和Y軸上的加速度，和在X和Y軸上的在單位時間內的加速度變化 中的一個或多個。因此，第一變換單元允許負載的實際位置和/或實際運動與在笛卡爾坐 標系中可獲得的負載的期望位置和/或期望運動相比較。除了負載的實際位置之外，在笛 卡爾坐標系中有利于計算負載的實際速度和可能的更高階導數。傳感器信號對應于在起重機坐標系中或在纜繩坐標系中的測得值，例如，徑向纜 繩角、切向纜繩角、變幅角、回轉角和纜繩長度以及它們的導數這些變量，負載的實際位置 和/或實際運動可以從這些變量通過在笛卡爾坐標系中的第一變換單元計算出。變幅角和 回轉角也可以作為起重機坐標系中的測量值來獲得。另一方面，纜繩角度可從纜繩坐標系 中獲得，其可相對于從吊桿端頭豎直向下的軸線而測得。第一變換單元要求從這些坐標系 到負載的笛卡爾坐標系的變換。根據本發明的起重機有利地包括纜繩角度傳感器，其中一個或多個纜繩角度傳感 器測得值反饋到控制單元中。纜繩角度傳感器為控制單元尤其是擺動阻尼提供擺動的反 饋。這提供了閉路控制回路，借助于該閉路控制回路使得根據本發明的控制單元尤其是擺 動阻尼穩定工作。尤其地，第一變換單元基于一個或多個纜繩傳感器測得的測得值計算在笛卡爾坐 標系中負載的實際位置和/或實際運動。除了負載的實際位置之外，還計算出實際位置的 導數以及更高階導數。在負載的實際位置和/或實際運動的計算中，可以包括另外測得的 變量。尤其是，變幅角、回轉角和/或纜繩長度以及可能的它們的導數可以考慮作為測得的變量。起重機控制器有利地還包括用于由操作者和/或自動化系統輸入控制指令的輸 入單元，其中在輸入單元和控制單元之間設有第二變換單元，其基于控制指令計算負載在 笛卡爾坐標系中的期望運動。因而控制指令的輸入在起重機坐標中也有效。起重機坐標系 有利地包括起重機的回轉角、吊桿的變幅角或外伸距、和提升高度。這些坐標系表現為本發 明的起重機的自然坐標系，由此在這些坐標系中控制單元的輸入可以是直觀的。第二變換 單元因而將在起重機坐標系中期望的負載運動變換為在笛卡爾坐標系中的期望負載運動。然而作為替代，輸入在笛卡爾坐標系中的負載期望運動也是可行的。尤其是，當起 重機通過遙控操作時，笛卡爾坐標系中的輸入對于操作者來說更容易，尤其是當它位于例 如提升位置時。因此可以省略第二變換單元。此外，本發明的起重機有利地包括一個或多個傳感器，其用于確定關于起重機的
5位置和/或運動測量值，尤其用于確定變幅角和/或回轉角，其中第二變換單元參照一個或 多個測量值被初始化。因而這確保了有效地使起重機坐標系正確地變換到笛卡爾坐標系。 借助于一個或多個測量值，第二變換單元的初始化例如可以當打開起重機控制器時生效。根據本發明的起重機控制器還有利地包括路徑規劃模塊，其由輸入單元的控制指 令產生軌跡以用作控制單元的輸入變量。路徑規劃模塊因此由操作者輸入的控制指令計算 出負載的期望運動。有利地，在起重機坐標系中產生軌跡，從而第二變換單元布置在軌跡規劃模塊與 控制單元之間。起重機坐標系有利地是起重機的圓柱坐標系，即回轉角、變幅角或外伸距和 提升高度。在這些坐標中很容易生成軌跡，因為系統約束也存在于這些坐標系中。有利地，在考慮到系統約束的情況下在路徑規劃模塊中由控制指令最優地生成軌 跡。有利地，控制單元還考慮到懸吊在承載纜上的負載的動力學，以衰減負載的振蕩。 這尤其是可以在控制單元的負載擺動阻尼中起作用，以衰減負載的擺動振蕩。此外，可能還 要考慮到并衰減負載在提升方向上的振蕩。有利地，控制單元基于懸吊在承載纜上的負載的和起重機的物理模型的反演。物 理模型優選地描述依據回轉機構、變幅機構和/或提升機構的操作的負載運動。因此通過 對模型進行反演，可以基于負載的期望軌跡獲得相應機構的操作。模型有利地將懸吊在承載纜上的負載的振蕩動力學納入考慮。這導致了有效的負 載振蕩衰減，尤其是有效的負載擺動阻尼。此外，控制單元可以很容易地適合于不同起重 機。有利地，物理模型是非線性的。這是重要的，因為負載擺動阻尼的許多決定性效果 是非線性的。有利地，模型允許在笛卡爾坐標系中的負載的豎直運動的準靜態解耦。負載在提 升方向上的豎直運動與負載在水平方向上的運動的準靜態解耦提供了回轉機構、變幅機構 和/或提升機構的簡化和改進的操作運算。尤其是，這可獲得更簡單的負載擺動阻尼。此外，負載的豎直運動的準靜態解耦提供了負載的豎直運動的直接操作，而水平 運動通過負載擺動阻尼操作。因此，在本發明的起重機中可以如此設置，即控制單元參考操作者和/或自動化 系統的控制指令直接操作提升機構，而回轉機構和變幅機構的操作通過負載擺動阻尼起作 用。因而本發明的系統可以更容易地且以更低成本實現。此外，滿足了更高的安全標準，因 為就安全性而言，其它的要求著眼于提升運動而不是在水平方向上的負載運動。根據本發 明，操作者和/或自動化系統因而可以直接地作用提升機構的速度，而對于操作回轉機構 和變幅機構，負載的期望運動首先由操作者和/或自動化系統的輸入而生成，負載擺動阻 尼由這些輸入計算出提升機構和變幅機構的操作，這避免或衰減了負載擺動振蕩。根據本發明的起重機的驅動機構例如可以是液壓驅動機構。電驅動機構同樣也是 可行的。變幅機構例如可以通過液壓缸或通過縮回機構實現，該縮回機構通過纜繩系統使 吊桿移動。除了起重機之外，本發明還包括用于操作起重機的回轉機構、變幅機構和/或提 升機構的起重機控制器。起重機控制器包括用于計算回轉機構、變幅機構和/或提升機構
6的操作的控制單元。該控制單元有利地還包括負載擺動阻尼。根據本發明，控制單元如此 配置，從而用于操作回轉機構、變幅機構和/或提升機構的操作指令的計算是基于笛卡爾 坐標系中所表示的期望負載運動來實現。起重機控制器有利地配置成如上關于起重機所描述的那樣。有利地，起重機控制 器是計算機實施的起重機控制器。本發明還包括用于操作起重機的相應方法。尤其是，本發明包括操作用于懸吊在承載纜上的負載的起重機的方法，該起重機 包括用于轉動起重機的回轉機構、用于吊起吊桿的變幅機構、和用于降低和升高懸吊在承 載纜上的負載的提升機構，其中用于操作回轉機構、變幅機構和/或提升機構的操作指令 的計算基于笛卡爾坐標系中所表示的期望負載運動來實現。如上文關于起重機所述的，基 于笛卡爾坐標系中所表示的期望負載運動的操作指令的計算提供了簡化的和改進的計算。 尤其是，當計算用于操作回轉機構、變幅機構和/或提升機構的操作指令時可以執行負載 擺動阻尼，借助于該負載擺動阻尼，負載的擺動被衰減。該負載擺動阻尼有利地在考慮懸吊 在承載纜上的負載的動力學的情況下起作用，尤其是考慮懸吊在承載纜上的負載的擺動動 力學的情況下起作用，以通過回轉機構和變幅機構的合適操作衰減負載的球形擺動振蕩。有利地，該方法以上述關于起重機或起重機控制器的詳細描述的相同方式來實 施。尤其是，本發明的方法是如上所述用于操作起重機的方法。
現在將參考實施例和附圖來詳細說明本發明，其中圖1示出了用于操作的物理模型的結構；圖2示出了用相關的坐標系表示的起重機和懸吊在承載纜上的負載的示意圖；圖3示出了根據本發明的起重機控制器的控制結構的示意圖；圖4示出了根據本發明的部分控制結構，其中詳細示出了測得值借助于第二變換 單元的反饋；圖5示出了依據吊桿的外伸距的、吊桿端頭在徑向上的最大速度；圖6示出了在吊桿變幅運動過程中負載的徑向位置；圖7示出了在吊桿變幅運動過程中負載在X和Y方向上的相應位置；圖8示出了在起重機轉動過程中負載在轉動方向上的位置、速度和加速度；圖9示出了在起重機轉動過程中負載在徑向上的位置；和圖10示出了在起重機轉動過程中負載在X和Y方向上的相應位置。
具體實施例方式現在將詳細解釋本發明的起重機、用于控制該起重機的方法和在其中實施該方法 的相應起重機控制器的實施例。在根據本發明的方法的起重機操作自動化中，關鍵的控制任務在于負載擺動阻尼 和負載速度跟蹤控制。為此目的，使用了非線性的動態起重機模型，其結合了纜繩引導的負 載的運動和簡化的驅動動力學的方程式。基于起重機模型的平坦性，通過狀態反饋獲得線 性控制法則。平滑的和可實現的參考路徑的產生被表達為一個最優控制問題。將控制系統與起重機的軟件，尤其是與移動式港口起重機的軟件集成在一起。根據本發明的起重機自動化的關鍵目的包括增加裝載過程中的效率和安全性。起 重機操作和外部干擾會導致弱的衰減的負載擺動運動。與龍門起重機相比，回轉式起重機 的控制的另一問題在于回轉運動和變幅運動的非線性耦合。有效的負載擺動阻尼和期望的 負載速度的精確時序(其通過操作者的手柄信號來給定)是用于控制移動式港口起重機的 關鍵控制任務。軌跡追蹤的問題通過對控制法則進行求導來解決，其基于狀態信息將非線性化 的起重機系統線性化(由狀態反饋來線性化)。在控制機構的設計中，顯示出了并利用了 MIMO(多輸入多輸出)系統的平坦性。所獲得的線性化的系統另外通過漸近的輸出控制來 穩定。由于基于模型的控制器設計，所有參數是可經分析法復制的，并且控制思想可以容易 地適用于不同的配置和起重機類型。基于模型的、非線性設計方法的應用需要足夠平滑的參考軌跡，其可參考系統的 輸入和狀態約束來實現。因此，追蹤問題被表達為可在線解決的一個最優控制問題，以產生 用于精確的線性化系統的可實現的參考軌跡。軌跡的生成被認為是模型預測控制(MPC)。 在平坦坐標系中的最優控制問題的方程式減少了進行數值解的所需要的努力。在以下的段落中，由懸吊在纜繩上的負載的運動方程和由驅動動力學的近似來推 導出起重機的動力學模型。然后，示出起重機模型的微分平坦性并且對非線性的基于平坦 性的控制法則進行求導。軌跡生成問題的方程式和數值解表示為一個最優控制問題。來自 于移動式港口起重機上的控制策略實現的測量值在最后一段中表示出。動態的起重機模型本發明采用帶有吊桿1的起重機，該吊桿鉸接到起重機塔2上從而關于水平的變 幅軸線上擺。為了使吊桿1上擺，吊桿缸布置在塔和吊桿之間。塔可繞豎直轉動軸線轉動。 為此，塔布置在上支架上，該塔可借助于回轉機構繞著豎直轉動軸線相對于上支架轉動。此 外，用于使負載升高的提升機構布置在上支架上。提升纜繩從布置在上支架上的提升絞盤 導出通過在塔頂和吊桿末端3上的轉向滑輪到達負載。在該實施例中，上支架包括行走機 構，從而起重機是可行走的。在該實施例中，起重機是移動式港口起重機。該起重機具有高 達200噸的承載能力、最大60米的外伸距和高達80米的纜繩長度。吊桿起重機的動態模型通過將整個系統劃分為兩個子系統來推導，如圖1所示。 第一子系統是剛性的起重機結構5，其由起重機塔2和吊桿1構成。該子模型具有兩個自 由度。回轉角為(ps和起豎角為φι。第二子系統6表示懸吊在纜繩上的負載。懸吊點在吊桿 末端。如圖1所示，起重機結構通過吊桿末端的運動作用在被纜繩導引的負載上，這導致球 擺負載運動。參考用于驅動機構的輸入信號7，起重機結構的物理模型描述了吊桿末端的 運動8，并且參考吊桿末端的運動8，懸吊在起重機纜繩上的負載的物理模型描述了于負載 9的運動，該模型考慮到了負載的擺動。起重機結構的動力學起重機結構設置成在運轉時通過液壓馬達轉動，而通過液壓缸使吊桿變幅運動。 假設液壓泵具有一階延時行為，并且回轉速度％與通過泵傳遞的油流成比例，可獲得如下 用于回轉運動的等式
權利要求
一種用于操縱懸吊在承載纜上的負載的起重機，其包括用于轉動該起重機的回轉機構、使吊桿上擺的變幅機構、和用于降低和升高懸吊在承載纜上的該負載的提升機構，該起重機帶有用于計算回轉機構、變幅機構和/或提升機構的操作的控制單元，其中，該控制單元有利地包括負載擺動阻尼，其特征在于，用于操作回轉機構、變幅機構和/或提升機構的操作指令的計算基于用笛卡爾坐標系表示的期望負載運動來實現。
2.根據權利要求1所述的起重機，其特征在于，該控制單元的負載擺動阻尼是基于懸 吊在承載纜上的負載和起重機的物理模型的反演，其中，該反演的物理模型將在笛卡爾坐 標系中的懸吊在承載纜上的負載的給定運動轉變成回轉機構、變幅機構和/或提升機構的 操作信號。
3.根據權利要求2所述的起重機，其特征在于，該起重機還包括一個或多個傳感器，所 述一個或多個傳感器用于確定關于負載和/或起重機的位置和/或運動的一個或多個測 量值，尤其是用于確定如下變量中的一個或多個，即徑向纜繩角、切向纜繩角、變幅角、回轉 角、纜繩長度和它們的導數，其中，該測量值被包括在物理模型的所述反演中。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的起重機，其特征在于，該起重機包括一個或多個 傳感器，所述一個或多個傳感器用于確定關于負載和/或起重機的位置和/或運動的一個 或多個測量值，尤其是用于確定如下變量中的一個或多個，即徑向纜繩角、切向纜繩角、變 幅角、回轉角、纜繩長度和它們的導數，其中測量值被反饋到控制單元中。
5.根據權利要求4所述的起重機，其特征在于，提供第一變換單元，其基于所述測量值 計算負載在笛卡爾坐標系中的實際位置和/或實際運動，尤其是X，Y和Z軸上的可變位置、 X，Y和Z軸上的速度、X和Y軸上的加速度、X和Y軸上的在單位時間內的加速度變化中的 一個或多個。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的起重機，其特征在于，該起重機包括一個或多個 纜繩角度傳感器，其中，該一個或多個纜繩角度傳感器的測得值被反饋到控制單元中。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的起重機，其特征在于，該起重機包括用于由操作 者輸入控制指令的輸入單元，其中在輸入單元和控制單元之間設置第二變換單元，該第二 變換單元基于該控制指令計算負載在笛卡爾坐標系中的期望運動。
8.根據權利要求7所述的起重機，其特征在于，該起重機包括一個或多個傳感器，該一 個或多個傳感器用于確定關于起重機的位置和/或運動的測量值，尤其是用于確定變幅角 和/或回轉角，其中所述第二變換單元借助于這些測量值被初始化。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的起重機，其特征在于，該起重機包括路徑規劃模 塊，其由操作者和/或自動化系統的控制指令生成軌跡，其用作控制單元的輸入變量。
10.根據權利要求9所述的起重機，其特征在于，所述軌跡在起重機坐標系中生成并且 該第二變換單元布置在路徑規劃模塊和控制單元之間。
11.根據權利要求9或10所述的起重機，其特征在于，在考慮了系統約束的情況下，由 控制指令在路徑規劃模塊中最優化地生成所述軌跡。
12.根據權利要求1至11中任一項所述的起重機，其特征在于，所述控制單元參考操作 者和/或自動化系統的控制指令直接地操作所述提升機構，而回轉機構和變幅機構的操作 通過所述負載擺動阻尼來實現。
13.一種用于根據權利要求1至12中任一項所述的起重機中的起重機控制器。
14.一種用于操縱懸吊在承載纜上的負載的起重機操作的方法，該起重機包括用于轉 動該起重機的回轉機構、使吊桿上擺的變幅機構、和用于降低和升高懸吊在承載纜上的該 負載的提升機構，其特征在于，用于操作回轉機構、變幅機構和/或提升機構的操作指令的 計算基于用笛卡爾坐標系表示的期望負載運動來實現。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，該方法用于操作根據權利要求1至12 中任一項所述的起重機。
全文摘要
本發明涉及一種用于操縱懸吊在承載纜上的負載的起重機，其包括用于轉動該起重機的回轉機構、使吊桿上擺的變幅機構、和用于降低和升高懸吊在承載纜上的該負載的提升機構，該起重機帶有用于計算回轉機構、變幅機構和/或提升機構的操作的控制單元，其中，用于操作回轉機構、變幅機構和/或提升機構的操作指令的計算基于用笛卡爾坐標系表示的期望負載運動來實現。
文檔編號B66C13/18GK101985343SQ20101022641
公開日2011年3月16日 申請日期2010年7月8日 優先權日2009年7月8日
發明者E·艾卡特, J·諾宇伯特, K·L·克尼黑姆, K·施耐德, O·薩沃德內 申請人:嫩青利勃海爾-維克股份有限公司