拉緊起重機的方法

專利名稱：拉緊起重機的方法
技術領域：
本發明涉及一種控制起重機擺動阻滯的方法，適用于有著一個吊運車和一個提升絞車的懸掛式起重機，和有著一個索控式起重小車傳動橫向裝置和一個提升絞車的集裝箱起重機。
一般說來，懸掛式起重機具有如圖8所示的配置，其中吊運車1在輪2上沿軌3移動。輪2由一個裝在吊運車1上的移動馬達11通過減速器12來驅動旋轉。在馬達11的旋轉軸上連接一個電磁制動器12，和一個用于檢測移動馬達11速度的速度檢測器14。
在吊運車1上裝有一個具有提升卷筒41的提升絞車4。提升卷筒41由提升馬達42通過減速器43來驅動旋轉。在提升馬達42的旋轉軸上連接一個電磁制動器44，和一個用于檢測該馬達速度脈沖信號發生器45。索5被繞在提升卷筒41上，用于通過一個提升附件51來提升負載6。
通過使用一個移動驅動控制器20控制移動馬達11，可實現對吊運車1移動速度的控制。

圖10是移動驅動控制器20的方塊圖。來自速度命令器21的速度命令信號被輸入到，一個可提供斜坡速度命令NRF的線性命令器22。來自由速度檢測器14檢測并通過作為一階滯后元件的濾波器26所生成的一個馬達速度反饋信號NMFB與斜坡速度命令NRF的偏差，被輸入到一個具有積分器的速度控制器23中并被它放大，該積分器具有比例增益A和時間常數τI，而后作為轉矩命令信號TRF而被輸出。轉矩命令信號TRF被輸入到一個馬達轉矩控制器24，以便以所加的一階滯后時間常數τγ來控制馬達的轉矩。這樣，移動馬達11的轉矩TM被調整以控制移動馬達11的速度。速度反饋信號NMFB是使馬達旋轉速度通過一階滯后元件而生成的。25表示一個代表移動馬達11的機械時間常數τM的方塊，NM表示馬達的速度(p.u)。27表示一個代表負載動態模型的方塊，以及28表示一個代表馬達負載轉矩TL(p.u)模型的方塊。
在方塊27中，θ代表索5的擺動角(rad)。
當圖10中的移動驅動控制器20，根據一個通過把高速或低速的速度命令信號從速度命令器21輸入到線性命令器22而得到的斜坡加速/減速的速度命令NRF，來控制吊運車1的移動速度時，則響應于吊運車1的加速與減速而發生負載的周期性擺動。索5的擺動角隨著吊運車1的加速與減速的增加而增加。
作為這一問題的解決辦法，操作者在吊運車加速或減速期間，根據負載的擺動，手工地改變吊運車的移動速度，以阻止負載的周期性擺動。
圖11說明了速度命令、馬達速度、索擺動角和負載轉矩之間的關系，并表明負載在吊運車加速與減速期間連續發生周期性擺動，使吊運車的變速特征不穩定。索擺動角θ是用符“°”表示的。
在上述配置情況下，為了阻止負載的周期性擺動，起重機操作者必須依據負載的擺動來加速和減速吊運車。當起重機被遙控地或自動地操作時，必須很慢地改變吊運車的加速度和減速度。這就大大降低了起重機的搬運能力。
本發明的一個目的是抑制由于吊運車加速與減速而引起的負載周期性擺動，從而使起重機可在保持吊運車高速移動的情況下自動地操作。
根據本發明，提供一種阻止懸掛式起重機擺動的方法，這種起重機具有一個移動馬達，用于驅使吊運車移動；一個移動驅動控制器，它具有控制馬達速度的控制功能，方法是使用一個只有一個比例積分器或比例增益的速度控制器，根據從移動馬達上速度檢測器所檢測的一個移動馬達速度反饋信號NMFB和從移動馬達速度命令器所輸出的一個速度命令信號NRF0之間的偏差的信號來計算轉矩命令；一個提升馬達，用于驅動一個裝在吊運車上的提升絞車；一個提升附件，用于在索端懸掛一個要由提升絞車提升的負載；和一個用于提升馬達的驅動控制器，其中按照一個移動速度命令信號NRF1，通過使用移動馬達速度控制器控制移動馬達速度，在負荷擺動時生成一個阻尼因數；修正NRF1，使吊運車位置與抑制負載擺動的最佳移動位置的誤差ERR1接近于0；進行修正的方法是，把一個用比例積分放大器或比例放大器放大位置誤差ERR1而得到的一個速度修正信號NRFDP，加到由速度命令器輸出的速度命令信號NRF0上；從下列因素按下式計算可得出位置誤差ERR1由連接提升附件的速度檢測器檢測的負載在其移動方向上的速度VLE，設置的阻尼系數δ，移動速度命令信號NRF0，馬達速度反饋信號NMFB和提升速度檢測器得出的從提升卷筒至負載索長度的側量值LEERR1＝NRF0/S－NMFB/S－{2δ/(VRωE)}VLE式中WE＝(g/LE)1/2；VR代表相應于移動馬達額定速度的吊運車速度；g代表重力加速度；和S代表一個拉普拉斯算子。
現在按照本發明對用于抑制負載周期性擺動的控制器操作，和對索擺動抑制所依據的原理進行描述。
參照圖9，從下面作為方程1給出的眾所周知的運動方程，可得到索擺動角(rad)，在方程中用V1(m/sec)表示吊運車的移動速度，并用L(m)表示索長。d2θdt2+ω2θ=(ω2g)dv1dt,whereω=gL--(1)]]>吊運車的移動速度V1和移動馬達的速度NM滿足下述方程2所定義的關系。
V1＝VRNM(2)將方程(2)代入方程(1)，得到如下所述的方程(3)。d2θdt2+ω2θ=(ω2VRg)dNMdt-----(3)]]>用拉普拉斯算子S可改變方程(3)如下。s2θ+ω2θ=(ω2VRg)sNM(s)--(4)]]>從方程(4)能夠求出θ(S)，如下面方程(5)所示。θ=(ω2ss2+ω2)(VRg)NM(s)--(5)]]>方程(5)與圖1方塊27中索擺動角的動態模型等效。
因為t＝0時θ＝0，故移動馬達處于預定加速度(P.u/sec)時的θ(t)，能夠從方程(4)得出，如下面方程(6)所示。θ=(VRαg)(1-cosωt)--(6)]]>方程(6)表明，擺角θ是振動性的。在吊運車開始加速時，振動開始；在加速停止以后，振動持續一段相當長的時間，因為只存在空氣阻力或類似阻力，該阻力施加一個力以阻尼負載周期性擺動。
如果負載在其移動方向上的以吊運車移動起點作原點的移動位置用x表示，并且索擺角(rad)由于很小而用sinθ＝θ近似地表示，則可得到方程(7)。θ=VRNMLs-xL--(7)]]>式中L表示提升索的長度。
在把方程7代入方程4中的θ以后，方程4變成一個關于負載在其移動方向上的位置x的方程(下述方程8)。s2x+ω2x=ω2VRNMs--(8)]]>式中W＝(g/L)1/2方程8表明，負載在其移動方向上的位置x是一個周期變化的函數。
通過控制使吊運車移動的馬達的速度，能夠阻尼使負載位置周期性改變的上述運動；因此，方程8的右邊會包含一個-sx的函數。于是，方程8的右邊被分成如下述方程9的右邊所示。ω2VRNMs=ω2VRNMOs-2δωsx--(9)]]>式中δ表示一個用于負載擺動運動的阻尼系數的設置值；NM0表示馬達速度NM中的一個速度分量，該分量正比于由速度命令器輸出的速度命令NRF0。用NRF0來替換NM0，方程9能夠變成如下所示的方程10。NRF0s-NMs-(2δVRω)sx=0--(10)]]>方程10左邊第3項的sx是負載位置x的一個微分信號，并且等于負載的運動速度VL。因此，通過用VL來替換sx和用ERR來代替方程10的左邊，得出方程11如下。ERR=NRF0s-NMs-(2δVRω)VL--(11)]]>方程11右邊第1項表示位置命令值，因為它是移動馬達的速度命令信號的時間積分。
方程11右邊第2項表示吊運車的位置，因為它是移動馬達速度的時間積分。
方程11右邊第3項是一個正比于負載運動速度的信號。
方程11左邊的ERR表示與用于抑制方程10所示負載擺動的最佳位置條件有關的吊運車的位置誤差。
方程11能夠變成如下所述的方程13，方程13給出吊運車的位置誤差ERR1，ERR1與用于抑制負載擺動的最佳位置條件有關，其改變方法是用移動馬達反饋信號NMFB替換方程11右邊第2項的NM；用負載的運動速度檢測信號VLE替換第3項的VL；用根據如下所述的方程12，從提升索的測量長度LE和重力加速度g算出的負載擺動的角速度ωE，來替換第3項的ω。ωE=gLE--(12)]]>ERR1=NRFOs-NRFBs-(2δVRωE)VLE--(13)]]>通過使用一個被修正到使其位置誤差信號ERR1接近于零的移動速度命令信號來控制移動馬達的速度，可在負載擺動運動時生成一個阻尼因數，以抑制周期性擺動。
如上所述，本發明能夠使吊運車在加速與減速期間產生的負載的周期性擺動受到抑制，從而無需用手工操作去阻止擺動。這就使吊運車可在高速下移動，并能通過自動操作來大大提高起重機的搬運能力。
圖1是一個方塊圖，根據本發明示出移動驅動控制器的第一實施例。
圖2是一個方塊圖，根據本發明示出移動驅動控制器的第二實施例。
圖3是一個方塊圖，根據本發明示出移動驅動控制器的第三實施例。
圖4是一個方塊圖，根據本發明示出移動驅動控制器的第四實施例。
圖5是一個方塊圖，根據本發明示出移動驅動控制器的第五實施例。
圖6是一個方塊圖，根據本發明示出移動驅動控制器的第六實施例。
圖7根據本發明說明一個用于吊運車的移動驅動控制器的加速與減速特性。
圖8說明懸掛式起重機的一種配置，一個其上裝有提升絞車的吊運車可在該起重機上移動。
圖9說明吊運車移動裝置與負載重量之間的動態關系。
圖10是一個方塊圖，說明一個常規的移動驅動裝置。
圖11說明一個常規移動驅動裝置的加速與減速特性。
圖12說明一個索驅動起重機的配置，該起重機有裝于其固定側的一個橫向驅動裝置和一個提升驅動裝置。
現在參照附圖所示的諸實施例來描述本發明。
圖1是一個根據本發明的移動驅動器的方塊圖，用于一個具有速度控制器的吊運車。相關技術描述部分所參考與圖10中部件相同的部件用同樣的名稱與標號給出，故不再重述。
現在參照圖1敘述本發明的第一實施例。
馬達速度檢測反饋信號NRFB是一個來自于連接在移動馬達11旋轉軸的速度檢測器14的信號，該信號通過一個具有一階滯后元件的濾波器26反饋到信號NRF1；而NRF1是通過把一個用于阻尼控制的速度命令修正信號NRFDP加到一個速度命令器21的輸出信號NRF0而得到的。
把速度命令NRF1與馬達速度檢測信號NMFB的偏差輸入到一個速度控制器23中，該控制器又輸出一個轉矩命令信號TRF，該TRF是通過把一個把速度偏差信號乘以比例增益A而完成的信號和一個以時間常數τI對速度偏差信號積分而得到的信號相加，來得出的。如果速度控制器23只有比例增益A，就把一個通過把速度偏差信號乘以A而得到的信號作為馬達轉矩命令信號TRF輸出到轉矩控制器24中。
轉矩控制器24按照轉矩命令信號TRF，使用一階滯后元件τT來控制馬達轉矩TM的轉矩。
30表示一個角速度計算器，用于計算負載擺動的角頻率ωB。角頻率ωB是由從提升卷筒算起的索長度測量值(LE)和由提升速度檢測器得到的負載值，按照方程12計算的。
下面敘述阻尼控制器29的操作。
在阻尼控制器29中，一個由一個比例增益器G和一個積分時間常數器τDP組成的比例積分放大器，放大一個吊運車偏離抑制其擺動的最佳位置的位置誤差ERR1，該位置誤差是按照方程13基于以下信號得到的移動速度命令信號NRF0，馬達速度反饋信號NMFB，角頻率信號ωB，一個檢測信號LE，該信號顯示負載在其移動方向上的速度，它是由一個連接于提升附件51的負載速度檢測器31來檢測的，以及一個預置的阻尼系數δ。結果，得到用于阻止擺動的阻尼控制速度命令修正信號NRFDP。
把阻尼控制速度命令修正信號NRFDP加到由速度命令器21輸出的移動速度命令信號NRF0(p.u)中，就得到速度命令信號NRF1(p.u)；把它與速度檢測信號NMFB(p.u)的偏差輸入到速度控制器23中。然后，速度控制器23控制馬達速度NM，使它跟蹤速度命令信號NRF1。
上述控制使負載的擺動運動以預置的阻尼系數δ受到阻尼，這可抑制負載的周期性擺動。
現在參照圖2，敘述本發明的第二實施例。
用一個加速度檢測器32檢測負載在其移動方向上的加速度/減速度αVLE，去代替第一實施例中的一個顯示負載在其移動方向上的速度的檢測信號VLE。像第一實施例一樣，吊運車離開抑制擺動的最佳位置的位置誤差ERR1，是用負載在其移動方向的速度VLE1計算的，而VLE1是用一個負載速度計算器36通過對加速度/減速度檢測信號αLVB進行積分而得到的。這樣，以與第一實施例相同的方式進行控制。
現在參照圖3敘述本發明的第三實施例。
在此第三實施例中，是使用負載在其移動方向的速度VLE2去代替第一實施例中的移動速度檢測信號VLE。VLE2是按照如下所示的方程14，基于來自移動速度控制器的馬達速度反饋信號NMFB，提升索長度測量值LE，和由索擺角檢測器38檢測的擺角信號θE計算的。使用速度VLE2，吊動車離開抑制擺動的最佳位置的位置誤差ERR1，像第一實施例一樣進行計算，以便按照與第一實施例相同的方式進行控制。
VLE2＝VRNMFB－sLEθE(14)現在參照圖4敘述本發明的第四實施例。
如本發明第一實施例所述，在控制起重機擺動的方法中，阻尼系數轉換開關34的從SW1至SWn的諸開關，是根據移動馬達的操作狀態進行操作的，以便在從δ1至δn的多個阻尼系數預置值中選擇任何一個，從而輸出一個阻尼系數預置值信號。
在把一個由阻尼系數轉換開關34選擇的阻尼系數預置值信號輸入到一個阻尼系數切換調整器35中時，通過一個一階滯后元件產生所選擇的阻尼系數預置值信號作為一個阻尼系數預置值δ。
例如，假定阻尼系數轉換開關34的輸出信號是從δ1切換到δ2。那么，即使阻尼系數轉換開關34的輸出信號被馬上從δ1切換到δ2，但來自阻尼系數切換調整器35輸出側的信號卻變化緩慢。結果，在由阻尼控制器進行的用于阻尼控制的速度修正信號NRFDP的計算中，不發生直接的延遲。這就容許對阻止起重機擺動進行穩定的控制。
作為本發明的第五和第六實施例，可進行如圖5和圖6所示的配置，其中，第四實施例所述的阻尼系數轉換開關34和阻尼系數切換調整器35，被設置在根據第二和第三實施例的配置中。這樣，操作阻尼系數轉換開關34的從SW1至SWn的諸開關，以選擇從δ1至δn的多個阻尼系數預置值中的任何一個值，從而輸出一個阻尼系數預置值信號；把由阻尼系數轉換開關34選擇的阻尼系數預置值信號輸入到阻尼系數切換調整器35中；通過一個一階滯后元件產生所選擇的阻尼系數預置值信號作為一個阻尼系數預置值δ。
雖然參照一種具有裝于一個吊運車上的一個移動驅動裝置和一個提升驅動裝置的起重機，描述了本發明的諸優選實施例，但如圖12所示，本發明可以原封不動地用于一些其他類型的起重機，例如集裝箱起重機，該起重機具有一個使用一個索吊運驅動系統的橫向吊運車，其中一個橫向驅動裝置和一個提升驅動裝置都裝于其固定側。在圖12中，51表示一個橫動裝置；56表示軌道；58表示一個橫向吊運車；53表示一個提升裝置；54表示一個集裝箱，它是一個負載；55表示一個控制器；60表示一個橫動索；59表示諸輪；61表示一個卷筒，用于驅動索繩；62表示一個減速器；63表示一個橫向馬達；64表示一個電磁制動器；65表示一個速度檢測器；67和69表示導向控制器；71表示一個提升卷筒；72表示一個減速器；73表示一個提升馬達；74表示一個電磁制動器；75表示一個速度檢測器；76表示一個提升索；77表示一個提升部件；80表示一個提升附件；81至89表示導輥；以及90表示一個卷筒。如果“移動”一詞被修正成“橫動”，則迄今所述皆適用于對圖12中所示的橫向驅動裝置進行控制的方法。可以在“移動”一詞被“橫動”所取代的情況下理解所公開的內容和所附的權利要求書，以便以同樣的方式針對一種起重機把本發明用于這樣一種方法，在這種起重機中一個移動驅動裝置和一個提升驅動裝置裝在一個吊運車上。
圖7是一個相應于說明先有技術的圖11的特性曲線圖，它根據本發明說明用抑制擺動的方法得到的吊運車的操作特性。從此圖明顯看出，同說明先有技術的圖11所示特性相比，其負載擺是受到充分抑制的，并且吊運車的變速特性是穩定的。
本發明可用于懸掛式起重機和集裝箱起重機的自動化操作領域；前者具有一個用于驅動吊運車的移動裝置和一個提升裝置，而后者具有一個索吊運驅動式的橫動裝置和一個提升絞車等。
權利要求
1.一種阻止懸掛式起重機擺動的方法，該起重機包括一個移動馬達，用于驅動一個移動用的吊運車；一個移動驅動控制器，它具有控制馬達速度的控制功能，方法是使用一個只有一個比例積分器或比例增益的速度控制器，從移動馬達上一個速度檢測器所檢測的一個移動馬達速度反饋信號NMFB與從移動馬達的一個速度命令器所輸出的一個速度命令信號NRF0的偏差所顯示的一個信號，來計算一個轉矩命令信號TRF；一個提升馬達，用于驅動一個裝在吊運車上的提升絞車；一個提升附件，用于在索端懸掛一個將要由提升絞車提升的負載；和一個驅動控制器，用于提升馬達；其中按照一個已被修正成使吊運車離開抑制負載擺動的最佳移動位置的位置誤差ERR1接近0的移動速度命令信號，通過移動馬達速度控制器來控制移動馬達的速度，可在負載擺動時生成一個阻尼因數；進行修正的方法是，把一個用一個比例積分放大器或比例放大器放大位置誤差ERR1所得的速度修正信號NRFDP，加到一個由速度命令器輸出的速度命令信號NRF0上；得出位置誤差ERR1的方法是按照下式用下列因素進行計算在連接于提升附件的速度檢測器所檢測出的負載在其移動方向上的速度VLE，一個設置的阻尼系數δ，移動速度命令信號NRF0，馬達速度反饋信號NMFB，和一個由提升速度檢測器測得的從提升卷筒到負載的索長測量值LEERR1＝NRF0/s-NMFB/s-{2δ/(VRωE)}VLE式中ωE＝(g/LE)1/2；VR表示相應于移動馬達額定速度的吊運車速度；g表示重力加速度；以及S表示拉普拉斯算子。
2.根據權利要求1所述的阻止起重機擺動的方法，其中吊運車離開其抑制負載擺動的最佳移動位置的位置誤差ERR1，是用對來自一個連接于提升附件且用于檢測負載在其移動方向上的加速度的檢測器的檢測信號αVL進行時間積分得出的一個速度信號VLE1代替根據權利要求1所述的由連接于提升附件的速度檢測器的檢測的負載在其移動方向上的速度信號VLE，而計算出來的。
3.根據權利要求1所述的阻止起重機擺動的方法，其中吊運車離開其抑制負載擺動的最佳移動位置的位置誤差ERR1，是用一個通過進行以下計算得到速度信號VLE2來計算的VLE2＝VRNMFB－SLEθE上式基于從移動速度控制器得出的馬達速度反饋信號NMFB，由索擺角檢測器所檢測的擺動角信號θE，和一個由提升馬達速度檢測器所得的提升索長度側量值LE；用速度信號VLE2代替根據權利要求1所述的由連接于提升附件的速度檢測器所檢測的負載在其移動方向上的移動速度檢測信號VLE。
4.根據權利要求1、2和3中任何一項所述的阻止起重機擺動的方法，其中一個根據馬達操作狀態從多個阻尼系數預置值中任意選擇的信號是通過一個一階滯后元件而生成的；并且其中該信號被用作最終阻尼系數預置值。
全文摘要
在一種懸掛式起重機中，一個用于阻尼負載擺動的條件方程是作為下列諸因素的函數而推導出來的用于移動裝置的操作速度命令，來自用于檢測負載在其移動方向上的速度的檢測器的信號，和提升負載所用索長度的測量值；吊運車的移動速度是根據一個移動速度命令信號來控制的。這使人們有可能抑制由吊運車加速和減速引起的索的擺動，并且在保持吊運車高移動速度的情況下自動地操作起重機。
文檔編號B66C13/18GK1128010SQ95190356
公開日1996年7月31日 申請日期1995年4月27日 優先權日1994年4月28日
發明者柴田尚武, 武口美之 申請人:株式會社安川電機