雙起升雙吊具場橋控制系統及其控制方法
2023-10-19 10:30:27 1
專利名稱：雙起升雙吊具場橋控制系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種港口裝卸機械的控制系統，特別涉及一種雙起升雙吊具場橋控制 系統以及與該系統配套使用的控制方法。
背景技術：
場橋控制的目標是要實現負載的防搖和負載的精確對位。現在廣泛使用中的場橋 大部分都是單起升場橋系統，都以手工控制操作為主，只是在一些大型貨櫃場橋中為了 達到更好的操作效果，提高裝卸效率，安裝了一些機械防搖裝置和電子防搖裝置，但這些都 不是自動化場橋系統，即都沒有從根本上實現場橋操作的自動控制，即自動防搖控制和定 位控制。為了能夠實現對場橋的自動控制，在有些單起升場橋也採用了諸如PLC等作為場 橋控制器，但是這些場橋控制器很多沒能同時實現負載防搖和負載定位的控制。這些場橋 控制系統在結構上有各種形式，一般使用了一個位置控制器或一個擺角控制器，但這些場 橋控制系統中普遍採用了比較複雜的速度傳感器進行小車速度反饋，同時使用了攝像頭、 角度傳感器等檢測裝置實現負載擺角的檢測，這些檢測裝置價格昂貴，使用複雜，抗幹擾能 力差，維護也不方便，有的還對使用環境有特殊要求(比如採用攝像頭進行角度識別就要 求天氣狀況良好，具備能見度高，無塵無霧無雨等自然條件)，控制系統工作的適應能力差。雙起升雙吊具場橋是一種新型港口裝卸機械，由於它具有兩個起升吊具，因而大 大提高了裝卸效率，同時這種雙起升雙吊具場橋結構複雜，工作方式多樣，給控制帶來很大 的難度。雙起升雙吊具場橋具有兩個可以單獨起升的吊具系統，現有的單場橋控制系統無 法直接應用到雙起升雙吊具場橋中來解決雙吊具場橋的位置控制和防搖定位控制問題。
發明內容
本發明針對上述現有場橋控制系統所存在的缺陷，而提供一種雙起升雙吊具場橋 控制系統，該系統採用位置傳感器和加速度計進行信息檢測，成本低廉，使用可靠，維護簡 單，完全克服了上述問題。為了達到上述目的，本發明採用如下的技術方案雙起升雙吊具場橋控制系統，該系統應用於雙起升雙吊具場橋控制，所述控制系 統包括實時檢測雙起升雙吊具場橋系統中場橋小車位置的位置傳感器和加速度的加速度 計、小車位置控制器、第一吊具擺角控制器、第二吊具擺角控制器以及驅動雙起升雙吊具場 橋系統的場橋小車驅動器；所述小車位置控制器接受場橋操作指令和位置傳感器檢測的場 橋小車位置信號形成的位置偏差控制信號，該偏差信號再與小車速度估計值一起運算得到 位置控制信號，所述第一吊具擺角控制器和第二吊具擺角控制器根據加速度計檢測的場橋 小車加速度信號分別計算得到控制第一吊具和第二吊具的第一吊具擺角控制信號和第二 吊具擺角控制信號；所述位置控制信號與第一吊具擺角控制信號、第一吊具擺角控制信號 綜合形成最終場橋控制信號，並輸入到場橋小車驅動器；所述場橋小車驅動器根據最終場橋控制信號驅動雙起升雙吊具場橋運動。所述控制系統中還包括位置檢測單元以及加速度檢測單元，所述位置檢測單元通 過CAN總線獲取位置傳感器檢測到的小車位置信號，並對小車位置信號進行濾波、變換、隔 離和A/D轉換處理；所述加速度檢測單元通過CAN總線獲取加速度計檢測到的場橋小車加 速度信號，並對場橋小車加速度信號進行濾波、變換、隔離和A/D轉換處理。所述控制系統中還包括小車速度估計器，所述小車速度估計器根據檢測到的場橋 小車位置信號，經過運算得到小車的速度估計值，並將得到小車速度估計值輸入至小車位 置控制器。所述控制系統中還包括第一吊具擺角估計器和第二吊具擺角估計器，所述第一吊 具擺角估計器和第二吊具擺角估計器分別根據檢測到的場橋小車加速度信號估計第一吊 具的擺角和第二吊具的擺角，並將估計得到的第一吊具的擺角和第二吊具的擺角分別輸入 至第一吊具擺角控制器和第二吊具擺角控制器。本發明的另一個目的為提供一種雙起升雙吊具場橋控制系統的控制方法，該控制 方法能夠實現雙起升雙吊具場橋系統中小車和雙吊具擺角的控制。為了達到上述目的，本發明採用的技術方案如下雙起升雙吊具場橋控制系統的控制方法，該控制方法基於雙起升雙吊具場橋控制 系統實施，所述控制方法包括如下步驟(1)控制臺發出控制指令，指定雙起升雙吊具場橋系統中場橋小車運行的目標位 置；(2)在位置傳感器和加速度計的第一個採樣周期內，該控制指令經過小車位置控 制器的處理髮送到場橋小車驅動器，控制場橋小車運行到一定位置；(3)在第二個採樣周期內，位置檢測單元檢測到場橋小車的實際位置後，利用小車 速度估計器進行場橋小車速度估計得到場橋小車速度估計值，並將場橋小車速度估計值傳 至到小車位置控制器，小車位置控制器根據場橋小車速度估計值、場橋小車目標位置與實 際位置之間的位置偏差值進行運算，得到小車位置控制信號；同時，第一吊具擺角估計器和 第二吊具擺角估計器分別估計得到第一吊具和第二吊具擺角的估計值，並將第一吊具和第 二吊具擺角的估計值分別傳至第一吊具擺角控制器和第二吊具擺角控制器，得到第一吊具 擺角控制信號和第二吊具擺角控制信號；(4)綜合小車位置控制信號、第一吊具擺角控制信號和第二吊具擺角控制信號，形 成控制信號，傳至場橋小車驅動器驅動場橋小車運行；(5)在以後的採用周期內，重複步驟(3)至步驟G)，來糾正場橋小車位置控制的 偏差，消減兩個吊具擺角的幅度，實現同時控制場橋小車位置和雙吊具的兩個擺角幅度。根據上述技術方案得到的本發明，其控制系統採用三個獨立的控制器，分別控制 場橋小車的位置、第一吊具的擺角和第二吊具的擺角。同時該控制系統僅需要一個安裝在 小車上的加速度計和一個場橋小車位置檢測裝置(如碼盤等)就可以得到控制所需的小車 的速度和兩個吊具的擺角，這樣的控制系統有效的解決了雙起升雙吊具場橋的小車位置控 制問題和雙吊具的防搖擺控制問題，同時不需要額外的速度傳感器和角度傳感器。從而使 得控制系統結構簡單，控制有效，對控制量檢測裝置的要求較低，成本低廉，易於實現，使用 和維護方便，並能夠同時實現小車位置控制和兩個吊具擺角的控制。
同時本發明提供的控制方法，該控制方法步驟簡單，易於實現，與控制系統配合使 用，簡化了控制系統的操作步驟，實現了雙起升雙吊具場橋防搖和定位控制的自動化，提高 工作效率。
以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發明。圖1為本發明中控制系統的示意圖。圖2為本發明中控制方法的流程圖。
具體實施例方式為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結 合具體圖示，進一步闡述本發明。為了解決了雙起升雙吊具場橋系統的小車位置控制問題和雙吊具的防搖擺控制 問題，同時不需要額外的速度傳感器和角度傳感器，本發明採用三個獨立的控制器，分別控 制場橋小車的位置、第一吊具的擺角和第二吊具的擺角。同時僅需要一個安裝在小車上的 加速度計和一個場橋小車位置檢測裝置(如碼盤等)就可以得到控制所需的小車的速度和 兩個吊具的擺角。基於上述原理，本發明提供的雙起升雙吊具場橋控制系統如圖1所示，其主要包 括小車位置控制器、第一吊具擺角控制器、第二吊具擺角控制器、小車速度估計器、第一吊 具擺角估計器、第二吊具擺角估計器、信號比較器(包括第一比較器和第二比較器)以及控 制總線，同時還包括位置傳感器和加速度計。其中位置傳感器和加速度計安置在雙起升雙吊具場橋系統中小車上，用於檢測場 橋小車的位置和加速度。為了使位置傳感器和加速度計檢測到的信號能夠便於控制系統處 理，本發明還在系統中設置了位置檢測單元和加速度檢測單元，這兩個檢測單元的輸入端 分別通過現場總線(即CAN總線)與位置傳感器的輸出端和加速度計的輸出端連接。參見圖1，位置檢測單元的輸出端連接到第一比較器和小車速度估計器，第一比較 器與控制臺相接，同時連接到小車位置控制器。小車位置控制器與小車速度估計器相接，並 連接到第二比較器。加速度檢測單元的輸出端分別連接到第一吊具擺角估計器和第二吊具擺角估計 器。第一吊具擺角估計器和第二吊具擺角估計器分別連接第一吊具擺角控制器和第二吊具 擺角控制器，第一吊具擺角控制器和第二吊具擺角控制器都連接到第二比較器。第二比較器通過現場總線(CAN總線)連接到場橋小車驅動器，場橋小車驅動器通 過現場總線(CAN總線)驅動控制雙起升雙吊具場橋系統。 本發明中的第一比較器和第二比較器都是一個運算單元，其功能是對若干輸入信 號進行類型轉換(比如D/A變換)和標度變換，然後進行數值運算，得到一個輸出信號，分 別供給控制器或場橋驅動器使用。 第一比較器的輸入信號主要有操作臺發出的操作信號、現場檢測單元發出的檢測 信號，第二比較器的輸入信號主要有小車位置控制器、第一吊具擺角控制器和第二吊具擺 角控制器的輸出信號。
本系統中第一比較器將輸入的操作信號與檢測信號按照負反饋原理進行減法運 算，在進行標度變換後傳送到位置控制器，其計算公式為 = k(\_Xf)，其中，k > 0為一 變換係數。而第二比較器對輸入的三個信號進行綜合，其運算公式為義+、+、。比較器由一個單片機系統(也可以是一個PLC單元)來實現，由D/A(或A/D)器 件、隔離器件、單片機或片上系統、存儲單元、I/O總線單元和電源系統組成，屬於弱電系統， 它一般安裝在場橋控制器上，其中第二比較器通過CAN總線與小車驅動單元(變頻調速器) 連接，這樣能夠很好的保證相應信號的穩定傳輸速率。本發明中的位置檢測單元和加速度檢測單元是一個檢測部件，其功能是對現場來 的模擬量進行信號濾波處理、信號變換、信號隔離和A/D轉換，然後將處理的信號傳送給控 制系統。檢測單元由CPU系統、I/O接口晶片、A/D轉換模塊、隔離元件、電源、總線控制單 元等組成。位置檢測單元和加速度檢測單元通過CAN總線分別與檢測元件(碼盤、加速度 計)相連，它們安裝在場橋控制器上，通過CAN總線獲得現場傳感器信息，這樣能夠很好的 保證相應信號的穩定傳輸速率。本發明的中控制器有三個，分別為小車位置控制器、第一吊具擺角控制器和第二 吊具擺角控制器，這三個控制都是一個數字運算單元，其功能是可以運行各種不同的控制 算法，比如普通PID、模糊自整定PID算法、單神經元PID控制等，可設置調整控制參數，然後 將運算結果，即控制量，輸出到第二比較器。小車位置控制器由一個單片機系統(或片上單 元或PLC模塊)實現，其核心是CPU部件，執行控制邏輯運算功能。本發明中的三個控制器 其控制算法和控制參數均不同，控制算法和控制參數需要根據現場情況設計和整定。控制 器一般由CPU單元、存儲單元(ROM和RAM)、I/O接口、邏輯器件、時鐘單元、電源等構成，這 是本控制系統的核心部件之一。控制器安裝在場橋控制櫃中。本系統中的三個控制器對信號的處理取決於具體的應用需要，可以選擇各種控制 算法，比如選用PID算法等，這極大的提高了本系統的實用性。本發明中的小車速度估計器是一個數據處理單元，其中功能是根據位置檢測單元 輸入的小車位置信號，經過運算處理，得到小車的速度信號。速度估計器由CPU(或微分元 件)、存儲器、I/O單元等組成。速度估計器安裝在速度控制器上，其功能也可以由小車位置 控制器的CPU來實現。本發明中的第一吊具擺角估計器和第二吊具擺角估計器是一個數據處理單元，其 功能是根據容易檢測到的小車加速度信息估計吊具的擺角。吊具擺角估計器由CPU、存儲 器、I/O單元等組成。擺角估計器安裝在擺角控制器上，其功能也可以由擺角控制器實現。本發明中的場橋驅動器根據場橋小車驅動電機的不同，選擇不同的場橋驅動器。 對於目前比較流行的感應式電機，場橋驅動器一般採用變頻器實現。場橋驅動器安裝在場 橋臂上，其通過現場總線(CAN總線)驅動控制場橋小車，這樣能夠很好的保證相應信號的 穩定傳輸速率。本發明的控制臺為駕駛臺，是場橋司機的操作設備，用於發出司機操作命令。本發明加速度計和位置傳感器是模擬量檢測器件，安裝在場橋小車的相應位置。根據上述技術方案得到的雙起升雙吊具場橋控制系統的控制過程如下(參見圖1 和圖2、第一步，首先由司機在控制臺發出操作指令，指定小車運行的目標位置\。
第二步，在第一個採樣周期內，該指令傳輸至第一比較器，第一比較器記錄該指令 並傳至小車位置控制器，小車位置控制器對該指令進行處理，得到小車位置控制信號，並經 過第二比較器發送到場橋小車驅動器，場橋小車驅動器根據小車位置控制信號控制場橋運 行到一定位置。第三步，在場橋運行到相應位置後，在第二個採樣周期內，位置檢測單元檢測到 場橋小車的實際位置A後，將該實際位置A傳至小車速度估計器和第一比較器，其中第 一比較器根據接受到的小車運行目標位置\和小車的實際位置 得到位置偏差值 = k(Xr-Xf)(其中，k > 0為一變換係數)，並發送至小車位置控制器，同時小車速度估計器根 據小車的實際位置A對小車速度進行估計，得到小車速度估計值^，然後將小車速度估計值 麼發送到小車位置控制器，小車位置控制器將小車速度估計值i與位置偏差值^進行運算， 得到小車位置控制信號Ue，發送到第二比較器；同時，加速度檢測單元根據加速度計的輸出得到小車加速度檢測信號χ，並將該信 號傳至第一吊具擺角估計器和第二吊具擺角估計器，兩個吊具擺角估計器根據輸入的小車 加速度檢測信號$進行運算，分別估計得到第一吊具擺角和第二吊具擺角的估計值^和成， 並將該估計值^和或分別傳至第一吊具擺角控制器和第二吊具擺角控制器中，第一吊具擺角 控制器和第二吊具擺角控制器根據輸入的估計值 和或計算得到相應的吊具控制量 和、， 分別形成第一吊具擺角控制信號和第二吊具擺角控制信號傳至第二比較器中。第四步，第二比較器對輸入的小車位置控制信號eu、第一吊具擺角控制信號 和第 二吊具擺角控制信號、進行綜合運算，最終得到新的控制輸出「+ ，送入場橋小 車驅動器驅動場橋運行。第五步，在以後的採用周期內，重複步驟C3)至步驟G)，來糾正場橋小車位置控 制的偏差，消減吊具擺角的幅度，實現同時控制場橋小車位置和雙吊具的兩個擺角。根據上述技術方案得到的控制系統置結構簡單，與控制方法配合使用能夠實現對 雙起升雙吊具場橋系統的有效控制，對控制量檢測裝置的要求較低，成本低廉，易於實現， 使用方便，並能夠同時實現小車位置控制和對兩個吊具擺角的控制。以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術 人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其 等效物界定。
權利要求
1.雙起升雙吊具場橋控制系統，該系統應用於雙起升雙吊具場橋系統，其特徵在於，所 述控制系統包括實時檢測雙起升雙吊具場橋系統中小車位置的位置傳感器和加速度的加 速度計、小車位置控制器、第一吊具擺角控制器、第二吊具擺角控制器以及驅動雙起升雙吊 具場橋小車的驅動器；所述小車位置控制器接受場橋操作指令和位置傳感器檢測到的場橋 小車位置信號而形成的位置偏差控制信號，再與小車速度估計值進行運算得到位置控制信 號，所述第一吊具擺角控制器和第二吊具擺角控制器根據加速度計檢測的場橋小車加速度 信號分別計算得到控制第一吊具和第二吊具的第一吊具擺角控制信號和第二吊具擺角控 制信號；所述位置控制信號與第一吊具擺角控制信號、第二吊具擺角控制信號綜合形成最 終場橋小車控制信號，並輸入到場橋小車驅動器；所述場橋小車驅動器根據最終場橋小車 控制信號驅動雙起升雙吊具場橋小車系統運動。
2.根據權利要求1所述的雙起升雙吊具場橋控制系統，其特徵在於，所述控制系統中 還包括位置檢測單元以及加速度檢測單元，所述位置檢測單元通過CAN總線所獲取的位置 傳感器檢測到的小車位置信號，並對小車位置信號進行濾波、變換、隔離和A/D轉換處理； 所述加速度檢測單元通過CAN總線獲取加速度計檢測到的場橋小車加速度信號，並對場橋 小車加速度信號進行濾波、變換、隔離和A/D轉換處理。
3.根據權利要求1所述的雙起升雙吊具場橋控制系統，其特徵在於，所述控制系統中 還包括小車速度估計器，所述小車速度估計器根據檢測到的場橋小車位置信號，經過運算 得到小車的速度估計值，並將得到的小車速度估計值輸入至小車位置控制器。
4.根據權利要求1所述的雙起升雙吊具場橋控制系統，其特徵在於，所述控制系統中 還包括第一吊具擺角估計器和第二吊具擺角估計器，所述第一吊具擺角估計器和第二吊具 擺角估計器分別根據檢測到的場橋小車加速度信號估計第一吊具的擺角和第二吊具的擺 角，並將估計得到的第一吊具的擺角和第二吊具的擺角分別輸入至第一吊具擺角控制器和 第二吊具擺角控制器。
5.雙起升雙吊具場橋控制系統的控制方法，該控制方法基於雙起升雙吊具場橋控制系 統實施，其特徵在於，所述控制方法包括如下步驟(1)控制臺發出控制指令，指定雙起升雙吊具場橋系統中場橋小車運行的目標位置；(2)在位置傳感器和加速度計的第一個採樣周期內，該控制指令經過小車位置控制器 的處理髮送到場橋小車驅動器，控制場橋小車運行到一定位置；(3)在第二個採樣周期內，位置檢測單元檢測到場橋小車的實際位置後，利用小車速度 估計器進行場橋小車速度估計得到場橋小車速度估計值，並將場橋小車速度估計值傳至到 小車位置控制器，小車位置控制器根據場橋小車速度估計值、場橋小車目標位置與實際位 置之間的位置偏差值進行運算，得到小車位置控制信號；同時，第一吊具擺角估計器和第二 吊具擺角估計器分別估計得到第一吊具和第二吊具擺角的估計值，並將第一吊具和第二吊 具擺角的估計值分別傳至第一吊具擺角控制器和第二吊具擺角控制器，得到第一吊具擺角 控制信號和第二吊具擺角控制信號；(4)綜合小車位置控制信號、第一吊具擺角控制信號和第二吊具擺角控制信號，形成控 制信號，傳至場橋小車驅動器驅動場橋小車運行；(5)在以後的採用周期內，重複步驟C3)至步驟G)，來糾正場橋小車位置控制的偏差， 消減兩個吊具擺角的幅度，實現同時控制場橋小車位置和雙吊具的兩個擺角幅度。V
全文摘要
本發明公開了雙起升雙吊具場橋控制系統及其控制方法，控制系統採用三個獨立的控制器，分別控制場橋小車的位置、兩個吊具的擺角。控制過程歷經多個周期循環完成，控制系統能夠有效實現雙起升雙吊具場橋的防搖定位控制。本發明的控制系統結構簡單，控制有效，對控制量檢測裝置的要求較低，成本低廉，易於實現，使用方便，並能夠同時實現小車位置控制和對兩個吊具擺角的控制。
文檔編號B66C13/06GK102079481SQ201010114550
公開日2011年6月1日 申請日期2010年2月26日 優先權日2010年2月26日
發明者康偉, 徐為民, 褚建新, 顧偉 申請人:上海海事大學