專利名稱：用于控制吊車的承載部件和負(fù)載的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)利權(quán)要求1的前序部分的方法和一種根據(jù)權(quán)利要求9的前序部分的控制設(shè)備，它們用來減緩吊車的承載部件和其上所掛負(fù)載的擺動和偏轉(zhuǎn)，和用來在水平方向和在偏轉(zhuǎn)方向?qū)ζ渚_定位。用繩懸掛的吊車的承載部件和負(fù)載在吊車加速和減速時有擺動的傾向。尤其是集裝箱吊車的擺動是有害的，因為吊車應(yīng)當(dāng)能夠以相對高的精度放置集裝箱。
例如，從第943401號芬蘭專利申請中已知一種上面描述的類型的方法和設(shè)備。在該設(shè)備中，對吊車的控制是通過包括由具有馬達(dá)和剎車的三個機(jī)械上互連的機(jī)構(gòu)組成的機(jī)構(gòu)架的控制設(shè)備實現(xiàn)的。該機(jī)構(gòu)架的最外側(cè)馬達(dá)包括雙繩滾筒，其上總是按以下方式連接兩根輔助繩當(dāng)一根輔助繩從繩滾筒上松開時，另一根輔助繩則卷到繩滾筒上去。當(dāng)擺動被減緩和繩被從一個滾筒上卷到另一個滾筒上時，允許機(jī)構(gòu)架在水平方向移動。該機(jī)構(gòu)架還可利用第三控制機(jī)構(gòu)在橫向移動，該第三控制機(jī)構(gòu)位于機(jī)構(gòu)架的中部并通過齒輪與機(jī)構(gòu)架相連，而與輔助繩不直接相連。
上面提及的專利申請中公開的控制設(shè)備主要是在機(jī)械上實現(xiàn)的，各個方向的移動在機(jī)械上均互相牽連。
本發(fā)明的目的是改進(jìn)用于控制吊車的承載部件和負(fù)載的方法和設(shè)備，以在機(jī)械上對其進(jìn)行簡化，并允許對每根輔助繩的控制都可被獨立控制但卻比以前更加精確和可靠，這樣可最大程度地控制承載部件。
這是利用其特征是權(quán)利要求1的特征部分公開的特征的本發(fā)明的控制方法和其特征是權(quán)利要求9的特征部分公開的特征的本發(fā)明的控制設(shè)備實現(xiàn)的。
本發(fā)明是以利用四個相同的但機(jī)械上獨立的控制機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的，它們的控制完全以電的方式實現(xiàn)的；該控制以每根輔助繩的承重信息和與輔助繩或滾筒相連的馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度為基礎(chǔ)。在繩的滾筒上總存有足夠長度的繩，它對于輔助繩和起吊繩的不同幾何結(jié)構(gòu)自動進(jìn)行補(bǔ)償。作用在每根輔助繩上的力被根據(jù)由控制邏輯回路給出的指令進(jìn)行調(diào)整以防承載部件和其上懸掛的負(fù)載擺動。利用該控制設(shè)備及其控制邏輯回路可同時實現(xiàn)減緩負(fù)荷的擺動和對其精確定位。因此上面介紹的機(jī)械上進(jìn)行簡化的解決方案可利用電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)。
本發(fā)明的一個基本特征是利用承重傳感器測量輔助繩的繩力，和利用轉(zhuǎn)速計測量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。以這些測量為基礎(chǔ)，利用馬達(dá)控制裝置計算目標(biāo)值。
根據(jù)本發(fā)明，每一控制邏輯回路包括用來實現(xiàn)和保持期望繩力的力控制器，根據(jù)轉(zhuǎn)速來糾正繩滾筒和馬達(dá)軸的偏轉(zhuǎn)的速度控制器，和對轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)的反饋力的作用進(jìn)行補(bǔ)償?shù)钠谕K力的前置放大器。這種傳感器布置是本發(fā)明和第943401號芬蘭專利申請的方案的實質(zhì)區(qū)別，在該專利申請中沒有采用上面提到的測量。
該控制器理想地是P-/PD-型控制器，它們是特殊類型的PID控制器(PID＝比例+微分+積分)?？衫脤嶒灮蚶孟到y(tǒng)的動態(tài)模型對控制器進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)(選擇控制器的參數(shù))。
下面將參照附圖利用最佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)的介紹，其中

圖1表示本發(fā)明的控制設(shè)備的總布置，圖2表示控制設(shè)備的控制機(jī)構(gòu)，和圖3是每一控制機(jī)構(gòu)和與之相連的控制邏輯回路的工作原理的示意圖。
圖1表示吊車1和掛在吊車的承載部件3上的負(fù)載2(例如集裝箱)。承載部件3由互相以一定距離位于承載部件3的上方的第一和第二起吊滾筒8和9上固定的四根起吊繩4-7所吊起。
起吊繩4的一端在點11處與吊車架10相連，起吊繩4從這里延伸到承載部件3的第一角處的滑輪12然后向上回到第一起吊滾筒8的一側(cè)。起吊繩5的一端在點13處與吊車架10相連，起吊繩5從這里延伸到承載部件3的第二角處的滑輪14然后向上回到第一起吊滾筒8的另一側(cè)。
相應(yīng)地，起吊繩6的一端在點15處與吊車架10相連，起吊繩6從這里延伸到承載部件3的第三角處的滑輪16然后向上回到第二起吊滾筒9的一側(cè)。起吊繩7的一端在點17處與吊車架10相連，起吊繩7從這里延伸到承載部件3的第四角處的滑輪18然后向上回到起吊滾筒9的另一側(cè)。
起吊繩4-7從起吊滾筒8和9看的方向可以是垂直向下的，因為擺動的減緩是通過與獨立偏轉(zhuǎn)的輔助繩一起提供的控制設(shè)備實現(xiàn)的。下面將對該控制設(shè)備進(jìn)行介紹。
安裝在吊車上的控制設(shè)備在X-X’和Z-Z’兩個水平方向上減緩承載部件3的擺動；它也減緩承載部件3的偏轉(zhuǎn)。此外，控制設(shè)備還用于精確定位，即用來在兩個水平方向?qū)⒊休d部件3做短距離移動，還用來將承載部件沿著順時針(CW)和反時針(CCW)做小角度偏轉(zhuǎn)。
控制設(shè)備包括固定在吊車架10上起吊滾筒8和9之間的空間中部的四個相同的控制機(jī)構(gòu)19-22，例如以諸如矩形的每一角上有一個控制機(jī)構(gòu)這樣的矩形方式布置。但是不用必須將控制機(jī)構(gòu)19-22對稱布置，因為利用下面介紹的控制系統(tǒng)可以處理事先已知的不對稱。從原理上講，控制機(jī)構(gòu)19-22可被置于任意四邊形的角上。該控制系統(tǒng)允許通過恰當(dāng)?shù)剡x擇期望的繩力來實現(xiàn)控制，因而可對幾何上的不對稱進(jìn)行補(bǔ)償。第943401號芬蘭專利申請公開的設(shè)備中的問題是這些控制機(jī)構(gòu)必須非常精確地定位在特定的位置，這使得其他方面的布局復(fù)雜化。由于控制機(jī)構(gòu)對布局設(shè)定的這種要求，因而難以在吊車的行車上布置如駕駛艙這樣的設(shè)備。
每一控制機(jī)構(gòu)(見圖2)包括通過齒輪24與電動馬達(dá)25相連的繩滾筒23，以及在機(jī)構(gòu)19-22和承載部件3之間的與垂直方向傾斜的四根輔助繩26-29。繩滾筒23對于這種控制設(shè)備是至關(guān)重要的。輔助繩26-29的一定長度卷在其上，且這些繩被利用下面將要介紹的控制系統(tǒng)保持所期望的松緊程度。輔助繩26-29在滾筒23上的卷繞自動補(bǔ)償繩的拉伸。因而不需要以一定間隔對繩的拉伸量進(jìn)行單獨安排或校準(zhǔn)。
控制設(shè)備在起吊滾筒8和9的中部還包括用于輔助繩26-29的四個繩槽部分。起吊滾筒8和9及繩槽部分可提供有常規(guī)的繩槽，或者繩槽也可與第943401號芬蘭專利申請中的繩槽類似。
輔助繩26的一端接在第一起吊滾筒8的第一繩槽部分。該輔助繩從這里向下伸出到位于承載部件3的第一端的中部的滑輪30然后向上回到第一機(jī)構(gòu)19的繩滾筒上。
輔助繩27的一端接在第一起吊滾筒8的第二繩槽部分。該輔助繩從這里向下伸出到位于承載部件3的第一端的中部的滑輪31然后向上回到第二機(jī)構(gòu)20的繩滾筒上。
輔助繩28的一端接在第二起吊滾筒9的第一繩槽部分。該輔助繩從這里向下伸出到位于承載部件3的第二端的中部的滑輪32然后向上回到第三機(jī)構(gòu)21的繩滾筒上。
輔助繩29的一端接在第二起吊滾筒9的第二繩槽部分。該輔助繩從這里向下伸出到位于承載部件的第二端的中部的滑輪33然后向上回到第四機(jī)構(gòu)22的繩滾筒上。
每一控制機(jī)構(gòu)19-22還包括(見圖2)用來測量輔助繩的繩力的傳感器34，用來測量繩滾筒23或馬達(dá)25的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速計35，和用來連續(xù)地調(diào)整馬達(dá)25的轉(zhuǎn)速(圖3中的n)或轉(zhuǎn)矩的馬達(dá)控制裝置36(圖3)。如果馬達(dá)25是AC馬達(dá)，馬達(dá)控制裝置36可以例如是逆變器或頻率轉(zhuǎn)換器。而且也可自然地使用例如DC馬達(dá)、DC執(zhí)行器或液壓執(zhí)行器；下面將要介紹的控制系統(tǒng)對執(zhí)行器的選擇選擇沒有任何限制。
該控制設(shè)備還包括與每一機(jī)構(gòu)19-22相連并作用于其上的四個相同的控制邏輯回路C(圖3)。以每一繩滾筒23的轉(zhuǎn)速和每一輔助繩26-29的荷重信息為基礎(chǔ)，控制邏輯回路C控制作用在輔助繩26-29上的作用力(圖3中的F)以防止承載部件3擺動。
從圖3中可以看出，每一控制邏輯回路C包括用來獲得和保持期望的繩力的力控制器C2，用來抵制繩滾筒23和馬達(dá)25的軸的偏轉(zhuǎn)的速度控制器C3，以及用來補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)MC上的反饋力的作用的期望繩力的前置放大器C1。圖3中的下標(biāo)i表示在每一情形中控制邏輯回路C與四個相同的機(jī)構(gòu)中的一個、馬達(dá)25、馬達(dá)控制裝置36、機(jī)構(gòu)19-22的承載傳感器34和轉(zhuǎn)速計35、以及與采用的系統(tǒng)有關(guān)的變量相連。
力控制器C2理想地是包括放大部分和微分部分的PD-控制器，P-部分被精調(diào)為慢的以便以平衡狀態(tài)實現(xiàn)期望的繩力，D-部分被用以動態(tài)改變轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)MC的值。速度控制器C3理想地是包括被調(diào)為快的放大部分以對動態(tài)情況有足夠強(qiáng)的反應(yīng)的P-控制器。
在對稱布置輔助繩26-29的情況下，當(dāng)承載部件3的擺動和偏轉(zhuǎn)被減緩時給予作用在每一輔助繩26-29上的力Fi的目標(biāo)值可以相同。因而在平衡狀態(tài)Fi＝Firef，即所有的繩力Fi相等，且繩滾筒23的轉(zhuǎn)速ni為零。
在輔助繩不對稱懸掛的情況下，對力Fi設(shè)定的可選的不相等的目標(biāo)值是這樣的這些力Fi的水平分量互相抵消。
當(dāng)在水平方向和偏轉(zhuǎn)的方向進(jìn)行短距離移動或精確定位時，作用在輔助繩26-29上的力Fi被給定不相等的值。因而輔助繩26-29上的不對稱的力使得承載部件3沿著期望的方向移動。
輔助繩26-29上的期望拉力Firef可按以下方式選定小負(fù)載時的拉力水平比大負(fù)載時的拉力水平小。因而這些機(jī)構(gòu)和馬達(dá)的負(fù)載都盡可能小。其相應(yīng)的優(yōu)點是馬達(dá)的溫度保持為相對較低，機(jī)構(gòu)的服務(wù)壽命可相應(yīng)延長。此外，如果不采用緩沖特性，可這樣選定期望的拉力使它僅保持輔助繩26-29拉緊但不影響負(fù)載2和承載部件3的移動。
此外，輔助繩26-29上的期望拉力Firef可這樣選定事先對已知的干擾作用(加速或移動)加以考慮。因而能夠事先(即行車的移動開始時)利用繩力(通過拉緊位于加速方向前側(cè)的輔助繩26-29)對干擾加以考慮。當(dāng)干擾發(fā)生時，承載部件3和負(fù)載2可保持穩(wěn)定不擺動。
控制邏輯回路C的控制序列可以是馬達(dá)25的轉(zhuǎn)矩，這是利用以向量控制的馬達(dá)控制裝置36的轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)MC而直接實現(xiàn)的，或者作為替代，作為標(biāo)量控制的馬達(dá)控制裝置36的頻率基準(zhǔn)，利用反饋以保證實現(xiàn)期望的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩控制可利用與控制系統(tǒng)其它部分同樣的儀表和計算單元來實現(xiàn)；換言之，它不需要在設(shè)備上進(jìn)行任何修改。
控制設(shè)備C的參數(shù)值是作為起吊高度和負(fù)載的函數(shù)進(jìn)行計算的。對參數(shù)的精調(diào)是按實驗方式計算的或利用系統(tǒng)的動態(tài)模型計算的。
該控制系統(tǒng)可利用具有浮點數(shù)運算的可編程邏輯控制器(PLC)實現(xiàn)。對測量信號的濾波可通過電氣方式或利用軟件實現(xiàn)。
本發(fā)明的方法在它以可得到的測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)直接控制控制機(jī)構(gòu)19-22的馬達(dá)25和直接防止承載部件3的擺動的思想方面是主動的。機(jī)構(gòu)19-22和控制邏輯回路C形成獨立的單元，因而對擺動的減緩?fù)耆挥绊懙踯囍衅渌鼨C(jī)構(gòu)的運行；換言之，起吊和移動是獨立于控制機(jī)構(gòu)19-22運行的。
本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員可明顯看出本發(fā)明并不限于上述工作示例，而是可在下面權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行修改。因此，用來控制擺動的設(shè)備安裝在吊車中的定義也可以指的是該設(shè)備是安裝在吊車的行車中。還可以將本發(fā)明應(yīng)用到非集裝箱吊車中，只要可在其中實現(xiàn)上述輔助繩布置。除了上述控制系統(tǒng)外，控制機(jī)構(gòu)還可被另一種系統(tǒng)，例如基于離散模型的系統(tǒng)控制，在這種情況下對干擾的提前處理可被最優(yōu)地實現(xiàn)。在基于離散模型的系統(tǒng)的情況下，可以將力控制器和速度控制器區(qū)分開，但它們在結(jié)構(gòu)上不是P-/PD-控制器。此外，應(yīng)指出本發(fā)明允許將空的承載部件3利用控制機(jī)構(gòu)19-22由輔助繩26-29吊起，因而不需要一個必須將承載部件3降低以進(jìn)行維護(hù)操作的單獨的支持機(jī)構(gòu)就可對起吊機(jī)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)操作。
權(quán)利要求
1.一種用來控制由吊車(1)的起吊滾筒(8，9)用起吊繩(4-7)吊起的承載部件(3)，和掛在所述承載部件(3)上的負(fù)載(2)的控制方法，所述控制指的是利用由安裝在吊車上并提供有馬達(dá)(25)的控制機(jī)構(gòu)(19-22)，和在控制機(jī)構(gòu)和承載部件(3)之間的四根輔助繩(26-29)組成的控制設(shè)備來減緩承載部件(3)的水平(X，X’，Z，Z’)擺動和偏轉(zhuǎn)及對其在水平方向和偏轉(zhuǎn)方向(CW，CCW)精確定位，所述方法包括通過利用使用具有繩滾筒(23)、用來測量繩力的裝置(34)、和/或轉(zhuǎn)速計(35)及馬達(dá)控制裝置(36)的四個同樣的控制機(jī)構(gòu)(19-22)，其中所述四個機(jī)構(gòu)每個均與一根輔助繩(26-29)相連，以及四個與每一機(jī)構(gòu)相連的用來由馬達(dá)(25)控制作用在輔助繩上的力(F)的控制邏輯回路(C)的控制機(jī)構(gòu)來移動輔助繩來控制承載部件(3)以防止承載部件(3)擺動；其特征在于以每一繩滾筒(23)的轉(zhuǎn)速(n)和每一輔助繩(26-29)的承載信息為基礎(chǔ)利用包括用來得到和保持期望繩力(F)的力控制器(C2)、用來抵制繩滾筒(23)和馬達(dá)(25)的軸的偏轉(zhuǎn)的速度控制器(C3)、以及用來補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)(MC)上的反饋力的作用的期望繩力(F)的前置放大器(C1)組成的控制邏輯回路(C)對馬達(dá)(25)進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在減緩承載部件(3)的擺動和偏轉(zhuǎn)期間給予作用在每一對稱布置的輔助繩(26-29)上的力的目標(biāo)值相同，因而所有的繩力(F)相等，且繩滾筒(23)的轉(zhuǎn)速(n)為零。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在減緩承載部件(3)的擺動和偏轉(zhuǎn)期間給予作用在每一非對稱布置的輔助繩(26-29)上的力的目標(biāo)值不同，這些繩力的水平分量互相抵消，因而繩力(F)保持負(fù)載和承載部件處于平衡位置，且繩滾筒(23)的轉(zhuǎn)速(n)為零。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在水平方向和偏轉(zhuǎn)方向(CW，CCW)短距離移動或精確定位期間，給予作用在輔助繩(26-29)上的力(F)的目標(biāo)值不同，因而輔助繩上的不對稱力將承載部件(3)按期望方向移動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于作用在輔助繩(26-29)上的力(F)的目標(biāo)值是根據(jù)預(yù)期控制的原理確定的，因而可利用系統(tǒng)的動態(tài)模型來計算繩力的目標(biāo)值以消除已知的干擾因素，典型的是吊車的移動的加速。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩(MC)被用于控制邏輯回路(C)的控制，所述轉(zhuǎn)矩由向量控制馬達(dá)控制裝置(26)的轉(zhuǎn)矩控制直接實現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩(MC)被用于控制邏輯回路(C)的控制，所述轉(zhuǎn)矩由作為標(biāo)量控制馬達(dá)控制裝置(36)的頻率基準(zhǔn)，利用力反饋以保證實現(xiàn)期望轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于控制邏輯回路(C)的參數(shù)的精調(diào)是利用系統(tǒng)的動態(tài)模型來計算的。
9.一種用來控制由吊車(1)的起吊滾筒(8，9)用起吊繩(4-7)吊起的承載部件(3)，和掛在所述承載部件(3)上的負(fù)載(2)的設(shè)備，所述控制指的是減緩承載部件(3)的水平(X，X’，Z，Z’)擺動和偏轉(zhuǎn)及對其在水平方向和偏轉(zhuǎn)方向(CW，CCW)精確定位，所述控制設(shè)備包括安裝在吊車上并提供有馬達(dá)(25)的控制機(jī)構(gòu)(19-22)，和在控制機(jī)構(gòu)和承載部件(3)之間的四根輔助繩(26-29)，因而利用這些控制機(jī)構(gòu)通過移動輔助繩來控制承載部件(3)，所述控制設(shè)備包括具有繩滾筒(23)，用來測量繩力的裝置(34)和/或轉(zhuǎn)速計(35)及馬達(dá)控制裝置(36)的四個同樣的控制機(jī)構(gòu)(19-22)，其中所述四個機(jī)構(gòu)每個均與一根輔助繩(26-29)相連，以及四個與每一機(jī)構(gòu)相連的用來控制馬達(dá)(25)的控制邏輯回路(C)以防止承載部件(3)擺動；其特征在于每一控制邏輯回路(C)包括用來得到和保持期望繩力(F)的力控制器(C2)、用來抵制繩滾筒(23)和馬達(dá)(25)的軸的偏轉(zhuǎn)的速度控制器(C3)、以及用來補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)(MC)上的反饋力的作用的期望繩力(F)的前置放大器(C1)，所述控制邏輯回路(C)以每一繩滾筒(23)的轉(zhuǎn)速(n)和每一輔助繩(26-29)的承載信息為基礎(chǔ)對馬達(dá)進(jìn)行控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其特征在于力控制器C2是包括放大部分和微分部分的PD-控制器，P-部分被精調(diào)為慢的以便以平衡狀態(tài)實現(xiàn)期望的繩力，D-部分被用來以動態(tài)改變轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)(MC)的值，而速度控制器(C3)是包括放大部分并被調(diào)為快的以對動態(tài)情況有足夠強(qiáng)的反應(yīng)的P-控制器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其特征在于一定長度的輔助繩(26-29)被存儲在每一繩滾筒(23)上以補(bǔ)償輔助繩的拉伸和輔助繩與起吊繩(4-7)的不同的幾何結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其特征在于空的承載部件(3)可利用控制機(jī)構(gòu)(19-22)由輔助繩(26-29)吊起以允許不用單獨的支持機(jī)構(gòu)就可進(jìn)行維護(hù)操作。
全文摘要
一種用來控制由吊車(1)的起吊滾筒(8，9)用起吊繩(4-7)吊起的承載部件(3)，和掛在所述承載部件(3)上的負(fù)載(2)的方法和設(shè)備，所述控制指的是利用由安裝在吊車上并提供有馬達(dá)(25)的控制機(jī)構(gòu)(19-22)，和在控制機(jī)構(gòu)和承載部件(3)之間的四根輔助繩(26-29)組成的控制設(shè)備來減緩承載部件(3)的水平(X，X’，Z，Z’)擺動和偏轉(zhuǎn)及對其在水平方向和偏轉(zhuǎn)方向(CW，CCW)精確定位，所述方法包括通過利用控制機(jī)構(gòu)來移動輔助繩來控制承載部件(3)。這種控制是使用具有繩滾筒(23)，用來測量繩力的裝置(34)和/或轉(zhuǎn)速計(35)及馬達(dá)控制裝置(36)的四個同樣的控制機(jī)構(gòu)(19-22)，其中所述四個機(jī)構(gòu)每個均與一根輔助繩(26-29)相連，以及四個與每一機(jī)構(gòu)相連的用來由馬達(dá)(25)控制作用在輔助繩上的力(F)的控制邏輯回路(C)來實現(xiàn)以防止承載部件(3)擺動。
文檔編號B66C13/08GK1164847SQ96191008
公開日1997年11月12日 申請日期1996年8月29日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月30日
發(fā)明者奧拉維·朱賽拉, 逖茂·奧薩 申請人:Kci國際有限公司