控制用於泵送混凝土的關節臂的振動的方法及相關裝置的製作方法
2023-05-25 14:54:11
專利名稱：控制用於泵送混凝土的關節臂的振動的方法及相關裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及 一 種控制用於泵送混凝土的關節臂的振動的方法 以及相關的裝置。
更具體地，本發明涉及一種用於減少關節臂的各個,殳(segment) 所經受的振動的主動控制方法，該臂用於在才喿作枳4成中泵送混凝 土，該操作機械為諸如卡車上運送的泵、混凝土攪拌器等，無論它 們安裝或未安裝在卡車或拖車上。
背景技術：
眾所周知，建築業中使用的重型作業車輛通常包括其上關節連 接地安裝有可延展臂和/或可伸縮延展臂的卡車以分配並澆鑄混凝 土。這些卡車可以裝備或不裝備混凝土攪拌器。
已知類型的可延展臂包括可相互樞轉且可摺疊在彼此上面的 多個段，從而能夠呈現出接近卡車的摺疊結構和工作結構，在工作 結構中，這些,殳一4殳相對另一賴:地延展從而允"i午到達離卡車非常遠 的區i或。
這些可延展臂的最重要的特徵之一 在於它們能夠達到的最大 可能高度和/或長度，從而能夠保證與相同的卡車 一起使用的最大靈 活性和通用性。關節連接的段的數量的增加或每段的度量範圍的擴大， 一方面 帶來了在最大延展狀態下獲得更大的總長度的可能性，但另一方面 也帶來了重量和體積的增加，這不符合當前的法規或與車輛的操作 性與功能性相矛盾。
還已知的是，關於這些臂的正確有效性的一個非常嚴重的在夾點 在於分配混凝土時臂經受的振動現象，這種缺點隨著臂的總長度及 其段的數量的增大而增大。這些振動不僅給負責為排出混凝土的管 道進行手動定位和引導的操作者帶來了相當大的操作困難，而且也 給通過遠程控制裝置來移動臂的操作者帶來了相當大的操作困難。
振動的 一 個重要成分還源自這些積j械的類型和它們的形狀特 徵、它們的慣性和彈性特性、以及構造類型。這些特徵使得關節臂 中產生了動態應力，這些動態應力不4旦與枳4成在基本,爭止狀況下或 不進行泵送的任何情況下的動作相關，而且還與動態負載相關，該 動態負載與泵送混凝土的步驟相關。
事實上，對於使用而言，機械總是必須在一個位置與下一個位 置之間的過渡狀態中或在其移動過程中進行工作，這意味著機械持
振動，該動態振動限制了機械的工作壽命並且降低了操作者的安全性。
此外，這些歲文應增加了與用於泵送混凝土的活塞泵相關的受迫
脈動運作(forced pulsating functioning )，這經常發生在接近機械自 身頻率的頻率處。
US-B2-7,143,682中描述了一種已知的裝置，該裝置具有抑制 關節臂的振動的功能。在這種已知的裝置中，在該裝置系統的側部上設置有4卜償機構以4卜償確定臂相對於設定位置的位移的幹擾，該 幹4尤可以包括例如傳送混凝土時的壓力波動。
具體地，US，682的教導針對在混凝土的傳送階段中產生的臂 或其多個段中的一段或多段的不受控位移，具體地，該位移是由混 凝土分配臂在傳送階段中經受的並且具有使得整個臂進行振動動 作的周期性負載造成的。此外，該文獻沒有提供建立並使用理論數 學模型的教導，該理論數學模型能夠表示當臂和/或其段經受在開始 傳送混凝土步驟之前操作者將臂移動到混凝土傳送位置中的運動 時臂和/或其段的狀態。
JP 7133094和JP 2000-282687中描述了用於控制和補償關節臂 的振動的其它裝置。
然而，在實際中，由於這些已知裝置的幹預邏輯4又限於4交正檯r 測出振動的點處的振動，並試圖用本地化衝交正幹預(localized correction intervention )對其進^f亍4卜償，而非在考慮導W展動的各個 構件的條件下對臂的整體結構進行主動幹預，所以這些已知裝置並 不完全令人滿意。
因此，本發明的目的在於獲得一種主動控制關節臂的振動的改 進方法，該方法允許4交正並補償4展動。
本申請人已經設計、試驗並實施了本發明以實現該目的、以及 隨後描述的其它優點。
發明內容
本發明在獨立權利要求中闡述並描述了本發明的特徵，而從屬 權利要求描述了其它創新特徵。根據本發明的用於抑制泵送混凝土的關節臂的振動的主動控
制方法的機能邏輯基於這樣的事實實施主動控制的主要困難基本 包4舌以下兩點
-機械源自於其工作時的構造來改變其慣性和彈性特徵，這使 得應用並調整例如"i者如上述現有^支術文獻中描述的那些控制器的 標準控制器變得困難；
-通過以成本和強度形式易於實施的測量，對於控制系統的反 々貴量的測必須能夠將與4展動運動相關的部分與定位步驟中所需 的移動以及來自操作者的指令相關的那些部分區分開。
需要考慮的另一點是，為了抑制一個特定點(例如傳送混凝土 的臂的末端)的振動需要考慮其對臂的所有段的振動的影響，該影 響包括由於l喿作者施加的定位運動而引起的分量和疊加至才喿作者 施加的運動的振動引起的分量。
需要考慮的又一點是本發明旨在控制沿著臂的整個長度分布 的每個特定點的振動，而不僅是混凝土傳送中所涉及的最後一段的 特定點的振動。事實上，情況可能是還需要控制臂的中間點，例如 以臂的中間部分將臂引入窗口中，或者臂移動至靠近樹、建築物等 的情況下。
基於這些考慮，本發明基本包括一種主動控制方法以及一種執 行上述方法的電子控制裝置，並且該主動控制方法和電子控制裝置 基於以下各項來執行控制邏輯
-機械的結構化和物理數學模型，能夠在靜態以及動態條件下 定義機械自身的實際結構；-各種結構的^:關於列線圖(abacus)的線性表示，這些列線 圖包含通過使用多個狀態(自動估計(auto-values)的定位)的控 制方法來估計的反^t貴控制器的增益；
-為極點的定位方法應用的模態方案，該^t態方案允許將描述 整個臂及其所有段的行為的參考數學模型歸約到有限數量的自由 度(並因此具有有限數量的變量)，以便於實時管理，從而具有高 的響應速度；
-與所謂的狀態觀察器一起的一個或多個儀器(例如傳感器 等)，能夠允許物理測量值(加速度、變形、位移或速度)與在控 制步驟中使用的"模態"模型之間的接合。
更具體地，前述一個或多個儀器配置於獲取與臂和沿其整個長 度的所有段的行為相關的數據，而不僅僅獲取與臂的某一特定端點 的4亍為相關的數據。
如果操作者在一個指令中進行幹預，則振動的控制邏輯藉助於 反饋力而起作用，該反饋力添加至由操作者對整個臂的運動而給出 的指令，或者該反饋力也在其自身引起振動的泵送4乘作過程中在臂 靜止的情況下確定一個補償力。
臂的剛性運動(下文中命名為"主要動作，，)在任何情況下都 依賴於操作者的控制，而整個臂的振動的主動控制均以疊加至操作 者的指令的附加指令的形式起作用，該附加指令具有抑制臂的整個 結構的擺動的任務，以使整個臂遵循操作者指揮的理i侖運動而運 動。
根據本發明的主動控制方法的主要目的是包含與第 一振動模 式相關的結構的擺動，該第一振動才莫式主要參與(participate)到動態負載的增加中。事實上，更高頻率的模式具有更高的阻尼，因此 對運動沒有明顯影響。
基於需要包含變量並包含估計次數的這種考慮，使得根據本發 明的方法僅對有限數量的振動模式提供幹預。
根據本發明，通過使用基於數學模型而確定的控制來進行抑制 振動的操作，對於該數學模型的實施和應用，其基於以結構模式(模 態模型)的形式編寫的參考模型。
才艮據本發明的優選形式的實施例，源自於經驗數據或源自於設 計者可獲得的結構模型來構造數學模態模型。
基於這些數據和/或模型，能夠構造出動態模型，該動態模型通 過剛性運動和關於所述主要動作的變形來描述臂的行為，源自於假 定的位置由振動模型的疊加來描述上述主要動作的變形。
在該建模過程中，描述系統的狀態變量不再是物理變量(位移 和速度)，而是才莫態變量，並且還源自於手動控制所施加的主要動 作來表示參與到臂的整個運動中的每種振動模式各有多少的"測量 值"。
這些狀態變量在數量上等於系統的模式的數量。
然而，如上所述，更高頻率的模式是可忽略的，因此僅選取與 第一振動模式相關的影響是可能的，從而獲得簡化並歸約的"模態 模型"，該模態模型在控制器增益的合成中是有用的。
儘管由有限數量的自由度構成，但這種數學模態模型在任何情 況下均構成完整數學模型的最佳近似，並且從計算量的角度而言更 加便於管理。在如上所述地定義了歸約的模態模型的條件下，就能夠使用這 些狀態來估計控制器的增益，例如使用配置的自動估計的方法。
根據本發明的非限制性的優選實施例，通過在複數高斯平面中 配置系統極點的位置來執行計算。在配置極點的過程中，目標在於 增加系統的阻尼(或者僅是自動估計的實部)。
這些增益將表達成由主要動作過程中所假定的臂的位置的函 數。由於這個原因，這些增益必須製成表格且記錄在預存儲的表格 中，隨後通過使用各段進行線性化的步驟引入控制系統中。在動作 過程中，電子控制器源自於檢測到的位置來插入存儲的增益值，並 在參考狀態(其僅與例如由操作者發出的指令造成的主要動作相 符，所以沒有振動動作)和當前振動(由模態坐標描述)之間的反 々貴控制邏輯中使用這些值。
因此，將計算得到的增益乘以參考模態坐標(零)和測量得到 的(或估計的)值之間的差值，並能夠確定利用相關致動器施加給 臂或至少 一部分相關段的控制力。
最後的步驟設置於估計不能直接測量得到的模態坐標。
為實現這個功能，根據本發明的控制系統設置於使用狀態估計器。
如上所述，模態坐標不能直接追溯到任何物理測量值，因此它 們是不可直接測量的。因此，出現了源自於(加速計、應變儀、延 展致動器等)可獲得的測量值來估計坐標的問題。估計器接收測量 值和實際作用在臂上的已知力作為輸入，並提供才莫態坐標作為輸 出。估計器也源自於歸約才莫態才莫型的知識來工作，該衝莫態模型內存 在源自於假定的位置來表述系統特徵的矩陣。
估計器將估計的測量值(通過將估計的模態坐標乘以一個適合 的矩陣來進行計算，這將在下文中進行更詳細地描述)與真實值進 4亍比4交，隨後衝交正該估計^直，以<吏其在真實<直處收症夂。通過將測量 值與估計值之間的差值乘以一組適合的增益來進4於才交正。
才艮據本發明，可以利用各種不同的方法來確定增益；為了計算 該增益，提供的優選解決方案是採用"卡爾曼濾波器"或其它類似 的或相^f以的"i十算方法。
從隨後參照附圖對作為非限制性實例給出的優選形式的實施 例的描述中，本發明的這些和其它特徵將變得顯而易見，附圖中
圖1是其中應用了才艮4居本發明的控制方法的用於混凝土分配的 關節臂的操作機械的示意圖2是根據本發明的控制方法的方框圖3是使用在根據本發明的控制方法中的估計步驟的方框以及
圖4是根據本發明的方法的簡化的邏輯框圖。
具體實施例方式
參照圖1,示出了根據本發明的能夠為建築業分配混凝土或類
似材料的可延展關節臂10，其位於重型作業車輛11上的組裝位置
中，並處於其摺疊狀態以便運輸。
重型車輛11包括駕駛員室20和支撐架21，臂10安裝在該支 撐架上。
根據本發明的可延展臂10包括多個關節連接的段，例如，在 所示實施例中，為在各自的端部處4皮此樞轉的六,殳，該六,殳分別為 第一段12、第二段13、第三段14、第四段15、第五段16和第六 段17。雖然系統在此未示出，但關節連接的段12-17相對於車輛11 的垂直軸線以已知的方式能夠旋轉的總角度甚至高達360° 。
參照圖1,第一l殳12以已知的方式相對轉i荅18^區轉，並且可 以通過其自身的致動器而相對於轉塔旋轉。其它段13-17在各自的 端部處彼此順序樞轉並能夠通過其自身的致動器源自於具體要求 來單獨驅動，這些致動器在圖4中整體以參考標號40指示。
參照圖2,示出了根據本發明的使用電子控制器25和狀態估計 器26來控制關節臂10的振動的主動控制方法的方框圖。
根據本發明的方法提供了構造歸約數值模態模型27的步驟， 源自於經驗數據或源自於設計者可獲得的結構模型來構造該模型。
如上所述，在這種建模過程中，描述系統的狀態變量不再是物 理變量(位移和速度)，而是才莫態變量，並且這些狀態變量表示了 參與到臂10的整體動作中的每個振動模式的多少的影響。歸約數值模態模型27構成了整個模型的最佳近似，並且從計 算量的角度來看是易於管理的。
本方法中的第二個步驟設置於通過歸約模態模型(對於在主要 動作過程中機械完成的每一種構造均不同)來在複數高斯平面中配 置由參考標號28指示的系統極點的位置以估計狀態控制器25的增 益。在配置才及點28時，目標是要增大系統阻尼。
在主要動作過程中，這些增益4皮表達為實際位置的函lt,該實 際位置由關節臂10源自於操作者實際傳輸給臂10的力29的值來 設定，其中，如將在下文中進行更詳細描述的，在加法器30中， 力29被增加到反饋控制值中。
換言之，以計算反饋矢量的方式來執行對通過使用根據本發明 的數值模態模型27所施加的振動進行控制的操作
H￡ = [G]￡ ( 1 )
其中，e表示由歸約模態模型獲得的參考值和真實狀態之間的 誤差矢量，同時，[G]是使用上述方法計算得到的增益矩陣。振動控 制的目的在於定義增益矩陣[G]，該增益矩陣源自於系統的狀態來拔二 供反饋控制動作，以遵循圖4中所示的邏輯框圖來限制上述振動。
可以使用下文中描述的計算過程來計算增益矩陣[G]。
規定關節臂10的動態的等式系統可以寫為
= [A(2i)] 2￡ + [B(20] (ue) ( 2 )其中，向量2L包含例如描述臂的主要動作的位移和速度的物理 坐標，[A]是系統的狀態矩陣，而[B]是一個矩陣，該矩陣是關節連 接的段達到的位置的函數，該位置與致動器40傳輸的力有關。
將t視為所關心的系統(即，僅為第一振動模式)的模態坐標 的向量，則能夠從模態模型(2)推導而獲得表示為下式的歸約數 學模態模型
g = [Amod] g + [Bmod] (uc) ( 3 )
在等式(l)中，我們可以將&表示為增益矩陣[G]乘以誤差函 數S:(gr丄f-g)的形式，其中，我們將增益矩陣[G]推演成多種影響的
函數，其中，第一種與矩陣[Am。d]直接相關，第二種代表通過新的極
點來表示系統阻尼的目標增長，以及最後一種與臂10的位置相關。
在作為檢測出的臂10或其各段的位置的函數的運動期間，電 子控制器25插入存儲的增益值，並在參考狀態g^f (其僅與主要動 作相符，所以沒有振動動作)和當前振動g (然而，由模態坐標描 述)之間的反饋控制邏輯中使用這些值。
因此，計算得到的增益乘以參考模態坐標(零)與那些測量得 到的(或估計的)坐標之間的差值，並允許確定將由相關的致動器 裝置施加給臂10或至少施加給相關段的控制力。
最後的步驟設置於估計不能直接測量的才莫態坐標。
為了執行這種估計，控制器25設置於使用狀態估計器26。
如上所述，為了計算控制力，需要知道歸約模型i的模態坐標。 這些坐標不能直4妄追溯到任何物理測量值，以及因此不能直接對其 進行測量。因此，產生了根據從圖2中所示的與臂10的各段相關的多個傳感器31能夠獲得的測量值來估計坐標的問題，該傳感器 包括例如加速計、應變儀、延展致動器、或者其他類似或相似的元 件。如圖3中所示，估計器26接收來自上述傳感器31的由參考標 號32指示的測量值和由參考標號33指示的實際作用在臂10上的 已知力作為輸入，並以估計狀態44的形式提供模態坐標作為輸出。
估計器26也源自於歸約模態模型27的知識來工作。
具體地，該估計器通過將從歸約模態模型27獲得的估計的模 態坐標與由[C糾]表示的估計矩陣34相乘來計算估計的測量值。
接下來，在加法器37中，將在圖3中由參考標號38指示的估 計的測量值與真實測量值32進行比較，以校正估計值，從而使其 在真實值處收斂。
估計器26通過將測量值32與估計值38之間的差值乘以一組 適合的(例如由卡爾曼濾波器獲得的)增益35來進行^^交正。
可以對前述的方法和裝置進行1奮改和變化，這些都落入由所附 權利要求限定的保護範圍中。
權利要求
1.一種通過電子控制器(25)來控制關節臂(10)的振動的主動方法，所述關節臂包括相互關節連接的多個段(12-17)，其特徵在於，所述方法包括以下步驟a)構造所述關節臂(10)由模態變量描述的數學模態模型(27)，所述數學模態模型基於以臂的結構模式的形式編寫的參考模型並源自於經驗數據或源自於結構模型而獲得；b)配置所述電子控制器(25)的增益；c)將所述增益乘以參考模態坐標與通過源自於直接測量到的量的所述模態模型(27)計算出的值之間的差值，以確定將施加給所述臂(10)或施加給至少一部分相關段的控制力；d)通過狀態估計器(26)來估計所述模態坐標；e)將通過使用所述模態坐標估計的測量值(38)與真實測量值(32)進行比較以校正所述估計值，以使其在真實值處收斂。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過沿著所述臂的 長度分布的多個致動器(40)來將所述控制力施加給所述臂(10)或其相關段(12-17)的一段或多段。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，為構建所述數 學模態模型(27)，僅使用與第一振動模式相關的影響以獲得 具有有限數量的變量的簡化且歸約的模態模型。
4. 根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，為估計 所述歸約模型(27)的所述模態坐標，所述估計器(26)使用從與所述臂(10)的各段(11-17)相關的多個傳感器(31 ) 獲得的可得到的測量值，以獲取關於所述臂(10 )或沿其整個 長度的各段(12-17)的行為的數據。
5. 根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述傳感器是加速 計、應變儀、延展致動器、或其它類似或相似的元件。
6. 根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，為了估計所述模態 坐標，所述估計器(26 )從所述傳感器(31 )接收多個測量值(32)以及實際作用在所述臂(10)上的已知力(33)作為輸 入，並以估計狀態(34)的形式糹是供所述才莫態坐標的所述估計 值作為輸出。
7. 根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，通過在 複數高斯平面中配置所述臂(10)的極點(28)的位置來執行 配置所述電子控制器的所述增益的步驟，其中，在所述才及點(28)的所述配置中，目標是增大所述臂(10)的阻尼。
8. —種通過電子控制器(25)來控制關節臂(10)的振動的主動 控制裝置，所述關節臂包括相互關節連接的多個段(12-17), 其特徵在於，所述電子控制器包括指令和控制單元，其裝備 有處理和存儲器件，其中，源自於經-驗數據或源自於結構模 型來構造並存儲由模態變量描述的所述臂(10 )的數學模態模 型(27);配置所述電子控制器(25)的增益的器件；用於將 所述增益乘以參考模態坐標與通過源自於直接測量得到的量 的所述模態模型而計算出的值之間的差值以確定將施加給所 述臂(10)或將施加給至少一部分相關段的控制力的單元；以 及用於將通過4吏用所述才莫態坐標估計的測量4直(38 )與真實測 量值(32 )進行比較以校正估計值，以使所述估計值在真實值 處收《支的單元。
9. 根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，其包括沿所述臂 (10)的長度分布的多個致動器(40)，以能夠由所述電子控 制器(25 )驅動以將相關的控制力施加給形成所述臂(10)至 少一部分段(12-17),以控制所述臂或其段所經受的振動。
全文摘要
本發明為控制用於泵送混凝土的關節臂的振動方法及相關裝置。本發明公開了一種通過電子控制器(25)來控制關節臂(10)的振動的主動控制方法，該關節臂包括相互關節連接的多個段(12-17)，該方法包括以下步驟a)源自於經驗數據或源自於結構模型構造關節臂(10)的數學模態模型；b)配置電子控制器的增益；c)將增益乘以參考模態坐標與通過源自於直接測量得到的量的模態模型而計算出的值之間的差值，以確定將施加給臂(10)或施加給至少一部分相關段的控制力；d)通過狀態估計器來估計模態坐標；e)將通過使用模態坐標估計的測量值(38)與真實測量值(32)進行比較，以校正估計值，以使其在真實值處收斂。
文檔編號E04G21/04GK101538941SQ20091012719
公開日2009年9月23日 申請日期2009年3月17日 優先權日2008年3月17日
發明者亞歷山德羅·託西, 保羅·達裡奧·馬伊尼, 尼古拉·皮裡, 弗朗切斯科·裡帕蒙蒂, 費魯齊·雷斯塔 申請人:西法股份公司