專利名稱：用于臂架振動主動控制的控制器、系統(tǒng)以及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工程機(jī)械領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于臂架振動主動控制的控制器、系統(tǒng)以及方法。
背景技術(shù)：
具有臂架的工程機(jī)械(例如混凝土泵車)工作時臂架部分伸展較大，在力學(xué)上屬懸臂梁結(jié)構(gòu)，受力比較復(fù)雜，容易產(chǎn)生振動。混凝土泵車臂架振動是影響泵車整車性能和施工質(zhì)量的重要因素之一，振動過大會造成臂架末端的軟管無法精確定位，同時產(chǎn)生的動應(yīng)力直接影響泵車的疲勞壽命。隨著高壓、大排量泵送和超長臂架技術(shù)的發(fā)展，臂架振動問題越發(fā)受到重視，如何有效地主動抑制臂架振動的需求日益迫切。現(xiàn)有的主動抑制臂架振動的方法一種方式是增設(shè)抑制油缸，通過調(diào)整抑制油缸的動作來達(dá)到減振的目的，但是這種方式要增加抑制油缸、改造機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)施起來較為復(fù)雜；另一種方式是如CN102071809A中記載的，采集臂架振動幅度和角度參數(shù)來控制電磁比例閥以達(dá)到減振的目的，但是這種方式只能起到簡單的主動抑制作用，不夠精確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于臂架振動主動控制的控制器、系統(tǒng)以及方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于臂架振動主動控制的控制器，該控制器包括:信號采集單元，用于采集表征臂架振動情況的振動信號以及表征臂架姿態(tài)的姿態(tài)信號并將振動信號和姿態(tài)信號分別轉(zhuǎn)換為振動數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；臂架動態(tài)特性獲取單元，用于根據(jù)信號采集單元轉(zhuǎn)換得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取與該姿態(tài)數(shù)據(jù)對應(yīng)的臂架動態(tài)特性；以及振動控制單元，用于根據(jù)信號采集單元轉(zhuǎn)換得到的振動數(shù)據(jù)以及臂架動態(tài)特性獲取單元獲取的臂架動態(tài)特性來計(jì)算控制信號并將該控制信號輸出到臂節(jié)作動控制單元。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提供一種用于臂架振動的主動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:本發(fā)明提供的用于臂架振動主動控制的控制器；臂架振動監(jiān)測單元，用于檢測臂架的振動情況，生成振動信號并輸出到所述控制器中的信號采集單元；臂架姿態(tài)監(jiān)測單元，用于檢測臂架的姿態(tài)，生成姿態(tài)信號并輸出到所述控制器中的信號采集單元；以及臂節(jié)作動控制單元，用于接收來自所述控制器中振動控制單元的控制信號并根據(jù)該控制信號運(yùn)行。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明還提供一種用于臂架振動的主動控制方法，該方法包括以下步驟:采集表征臂架振動情況的振動信號以及表征臂架姿態(tài)的姿態(tài)信號并將振動信號和姿態(tài)信號分別轉(zhuǎn)換為振動數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取與該姿態(tài)數(shù)據(jù)對應(yīng)的臂架動態(tài)特性；以及根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的振動數(shù)據(jù)以及獲取的臂架動態(tài)特性來計(jì)算控制信號并將該控制信號輸出到臂節(jié)作動控制單元。通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的用于臂架振動的主動控制的控制器、控制系統(tǒng)以及方法通過對臂架進(jìn)行振動監(jiān)測和姿態(tài)監(jiān)測從而得到振動信號和姿態(tài)信號，然后利用姿態(tài)信號得到臂架在當(dāng)前姿態(tài)下的動態(tài)特性，結(jié)合振動信號計(jì)算出控制信號用以控制臂節(jié)作動控制單元，從而達(dá)到了較好的主動減振的目的。本發(fā)明獲得的減振效果良好，理想泵送工況下可消減混凝土泵車各臂節(jié)90%以上的振動量，且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式
部分予以詳細(xì)說明。


附圖是用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式
一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中:圖1是根據(jù)本發(fā)明提供的用于臂架振動主動控制的控制器的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式提供的控制器中振動控制單元的計(jì)算原理圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明提供的用于臂架振動的主動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式提供的臂架振動監(jiān)測單元的結(jié)構(gòu)圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明提供的用于臂架振動的主動控制方法的流程圖；圖6是采用本發(fā)明的主動控制策略所達(dá)到的控制效果示意圖。附圖標(biāo)記說明
10 信號釆集單元 20 臂架動態(tài)特性獲取單元
30 振動控制單元 100 用于臂架振動主動控制的控制器
200 臂架振動監(jiān)測單元201 第一振動傳感器
202 第二振動傳感器 203 角度傳感器
204 安裝架205 保護(hù)罩
300 臂節(jié)作動控制單元 400 臂架姿態(tài)監(jiān)測單元
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式
僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。如圖1所示，為本發(fā)明提供的用于臂架振動主動控制的控制器100(以下簡稱為“控制器100”)，該控制器100包括:信號采集單元10，用于采集表征臂架振動情況的振動信號以及表征臂架姿態(tài)的姿態(tài)信號并將振動信號和姿態(tài)信號分別轉(zhuǎn)換為振動數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；臂架動態(tài)特性獲取單元20，用于根據(jù)信號采集單元10轉(zhuǎn)換得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取與該姿態(tài)數(shù)據(jù)對應(yīng)的臂架動態(tài)特性；以及振動控制單元30，用于根據(jù)信號采集單元10轉(zhuǎn)換得到的振動數(shù)據(jù)以及臂架動態(tài)特性獲取單元20獲取的臂架動態(tài)特性來計(jì)算控制信號并將該控制信號輸出到臂節(jié)作動控制單元。其中，信號采集單元10所采集的振動信號為任何能夠表征臂架振動情況的信號，優(yōu)選是表征臂架末端的振動情況的信號，包括但不限于位移信號、速度信號、加速度信號、傾角信號等振動信號，只要是能夠表征振動的信號均可以。所采集的姿態(tài)信號為任何能夠表征臂架姿態(tài)的信號，可以包括各個臂節(jié)相對于水平面的傾角信號和/或臂架整體相對于回轉(zhuǎn)臺軸線的回轉(zhuǎn)角度信號。信號采集單元10對振動信號和姿態(tài)信號的處理主要是模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，因?yàn)檎駝有盘柡妥藨B(tài)信號一般是通過傳感器采集到的電流值為4-20mA的模擬信號，而信號采集單元10通過對模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，也就是將振動信號轉(zhuǎn)換成振動數(shù)據(jù)，將姿態(tài)信號轉(zhuǎn)換成姿態(tài)數(shù)據(jù)。除此之外，優(yōu)選情況下，信號采集單元10還可以對接收到的信號進(jìn)行濾波、調(diào)理等處理。信號采集單元10在將振動信號和姿態(tài)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)之后，還進(jìn)一步將振動數(shù)據(jù)輸出到振動控制單元30，將姿態(tài)數(shù)據(jù)輸出到臂架動態(tài)特性獲取單元20。臂架動態(tài)特性獲取單元20用于根據(jù)姿態(tài)數(shù)據(jù)得到臂架在該姿態(tài)數(shù)據(jù)所代表的情況下的臂架動態(tài)特性并傳送給振動控制單元30。該臂架動態(tài)特性獲取單元20中預(yù)設(shè)有數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫存儲有臂架動態(tài)特性與姿態(tài)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，從而可以根據(jù)姿態(tài)數(shù)據(jù)查找得到臂架動態(tài)特性。該數(shù)據(jù)庫可通過理論方法建立臂架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型獲取，也可以通過大量實(shí)驗(yàn)獲取，例如設(shè)定臂架的一個姿態(tài)(即設(shè)定臂節(jié)的一組傾角和/或回轉(zhuǎn)角度)，然后對臂架進(jìn)行激振，測定臂架此時的動態(tài)特性，并對應(yīng)存儲起來，備以調(diào)用。所謂臂架動態(tài)特性可以包括但不限于臂架的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣、阻尼矩陣等等。優(yōu)選情況下，所述數(shù)據(jù)庫中還存儲有臂架的結(jié)構(gòu)參數(shù)，與臂架動態(tài)特性對應(yīng)，臂架動態(tài)特性獲取單元20在獲得臂架動態(tài)特性時還考慮臂架的結(jié)構(gòu)參數(shù)。接著，振動控制單元30根據(jù)振動數(shù)據(jù)和臂架的動態(tài)特性來進(jìn)行控制，計(jì)算得到臂節(jié)作動控制單元的控制信號，該信號通過PWM的方式發(fā)送給臂節(jié)作動控制單元(例如臂節(jié)油缸電磁閥的引線插頭端)，通過使臂節(jié)作動控制單元在該控制信號的控制下工作，得以控制臂節(jié)的運(yùn)動狀態(tài)，給臂節(jié)施加主動控制作用，從而使得臂架振動得到抑制。其中，該控制信號可以為控制電壓信號或控制電流信號。優(yōu)選情況下，振動控制單元30利用獨(dú)立模態(tài)空間分析算法來計(jì)算控制信號。模態(tài)分析是指將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。下面結(jié)合圖2來詳細(xì)說明振動控制單元30的工作原理。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解的是，下面介紹的計(jì)算過程并不是唯一的，該具體實(shí)施方式
也不是用于限定本發(fā)明的范圍，而是提供一種實(shí)現(xiàn)方式，然而本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在本發(fā)明的教導(dǎo)下可以靈活地運(yùn)用模態(tài)分析的方法。在下面的實(shí)施方式中，假定采集到的振動信號為加速度信號Y，獲取的臂架動態(tài)特性為在當(dāng)前姿態(tài)下臂架系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣M、剛度矩陣K和阻尼矩陣C。(I)為了實(shí)現(xiàn)臂架系統(tǒng)的獨(dú)立模態(tài)空間主動控制，需要知道振動系統(tǒng)的模態(tài)位移響應(yīng)Qi和模態(tài)速度響應(yīng)4，而根據(jù)加速度信號Y可以得到模態(tài)加速度響應(yīng)免，下面具體介紹。首先，振動控制單元30引入模態(tài)濾波器對加速度信號Y進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)從物理加速度到各階模態(tài)加速度響應(yīng)免的轉(zhuǎn)換。根據(jù)模態(tài)疊加原理有:
權(quán)利要求
1.種用于臂架振動主動控制的控制器，該控制器包括: 信號采集單元(10)，用于采集表征臂架振動情況的振動信號以及表征臂架姿態(tài)的姿態(tài)信號并將振動信號和姿態(tài)信號分別轉(zhuǎn)換為振動數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)； 臂架動態(tài)特性獲取單元(20)，用于根據(jù)信號采集單元(10)轉(zhuǎn)換得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取與該姿態(tài)數(shù)據(jù)對應(yīng)的臂架動態(tài)特性；以及 振動控制單元(30)，用于根據(jù)信號采集單元(10)轉(zhuǎn)換得到的振動數(shù)據(jù)以及臂架動態(tài)特性獲取單元(20)獲取的臂架動態(tài)特性來計(jì)算控制信號并將該控制信號輸出到臂節(jié)作動控制單元。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中，所述臂架動態(tài)特性獲取單元(20)中預(yù)設(shè)有數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫存儲有臂架動態(tài)特性與姿態(tài)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。
3.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制器，其中，所述臂架動態(tài)特性包括臂架的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣、阻尼矩陣。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中，所述振動控制單元(30)利用獨(dú)立模態(tài)空間分析算法來計(jì)算控制信號。
5.據(jù)權(quán)利要求4所述的控制器，其中，所述信號采集單元(10)采集到的振動信號為加速度信號i，所述臂架動態(tài)特性獲取單元(20)獲取的臂架動態(tài)特性為在當(dāng)前姿態(tài)下臂架系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣M、剛度矩陣K和阻尼矩陣C，所述振動控制單元(30)按照如下方式計(jì)算控制信號: 1)使用模態(tài)濾波器對加速度信號Y進(jìn)行處理，以從物理加速度轉(zhuǎn)換到各階模態(tài)加速度響應(yīng)釔:^=Φ]χ = φ Μχ 其中Y為加速度信號，％為第i階振型向量，爐f為第i階振型向量的轉(zhuǎn)置矩陣，M為質(zhì)量矩陣，免為第i階模態(tài)加速度響應(yīng)，i為模態(tài)的階數(shù)； 2)通過狀態(tài)觀測器實(shí)現(xiàn)從模態(tài)加速度響應(yīng)故到模態(tài)速度響應(yīng)4和模態(tài)位移響Sqi的轉(zhuǎn)換； 3)針對要控制的第i階模態(tài)，計(jì)算出對應(yīng)的模態(tài)控制力A: 其中，gi為模態(tài)控制力位移增益，h為模態(tài)控制力速度增益； 4)根據(jù)模態(tài)控制力A得到實(shí)際控制力Frfrl:
6.據(jù)權(quán)利要求5所述的控制器，其中，所述模態(tài)控制力位移增益gi和模態(tài)控制力速度增益Iii通過極點(diǎn)配置法來確定。
7.種用于臂架振動的主動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括: 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的用于臂架振動主動控制的控制器(100)； 臂架振動監(jiān)測單元(200)，用于檢測臂架的振動情況，生成振動信號并輸出到所述用于臂架振動主動控制的控制器(100)中的信號采集單元(10)； 臂架姿態(tài)監(jiān)測單元(400)，用于檢測臂架的姿態(tài)，生成姿態(tài)信號并輸出到所述用于臂架振動主動控制的控制器(100)中的信號采集單元(10);以及 臂節(jié)作動控制單元(300)，用于接收來自所述用于臂架振動主動控制的控制器(100)中振動控制單元(30)的控制信號并根據(jù)該控制信號運(yùn)行。
8.據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述臂架振動監(jiān)測單元(200)包括第一振動傳感器(201)、第二振動傳感器(202)和角度傳感器(203)，其中第一振動傳感器(201)與第二振動傳感器(202)的檢測方向彼此正交，角度傳感器(203)用于檢測臂架與水平面之間的夾角。
9.據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述臂架姿態(tài)監(jiān)測單元(400)所生成的所述姿態(tài)信號包括各臂節(jié)相對于水平面的傾角和/或臂架相對于回轉(zhuǎn)臺軸線的回轉(zhuǎn)角度。
10.據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述臂架姿態(tài)監(jiān)測單元(400)包括多個角度傳感器，所述多個角度傳感器分別安 裝在臂架的各個臂節(jié)上和/或回轉(zhuǎn)臺上，用于檢測各個臂節(jié)相對于水平面的傾角和/或臂架整體相對于回轉(zhuǎn)臺軸線的回轉(zhuǎn)角度。
11.種用于臂架振動的主動控制方法，該方法包括以下步驟: 采集表征臂架振動情況 的振動信號以及表征臂架姿態(tài)的姿態(tài)信號并將振動信號和姿態(tài)信號分別轉(zhuǎn)換為振動數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)； 根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取與該姿態(tài)數(shù)據(jù)對應(yīng)的臂架動態(tài)特性；以及 根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的振動數(shù)據(jù)以及獲取的臂架動態(tài)特性來計(jì)算控制信號并將該控制信號輸出到臂節(jié)作動控制單元。
12.據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取與該姿態(tài)數(shù)據(jù)對應(yīng)的臂架動態(tài)特性的步驟是通過查找預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)庫得到的，該數(shù)據(jù)庫存儲有臂架動態(tài)特性與姿態(tài)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。
13.據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中，所述臂架動態(tài)特性包括臂架的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣、阻尼矩陣。
14.據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述計(jì)算控制信號的步驟利用獨(dú)立模態(tài)空間分析算法來計(jì)算控制信號。
15.據(jù)權(quán)利要求14所述的控制器，其中，所采集到的振動信號為加速度信號h所獲取的臂架動態(tài)特性為在當(dāng)前姿態(tài)下臂架系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣M、剛度矩陣K和阻尼矩陣C，所述計(jì)算控制信號的步驟包括: I)使用模態(tài)濾波器對加速度信號Y進(jìn)行處理，以從物理加速度轉(zhuǎn)換到各階模態(tài)加速度響應(yīng)故:
16.據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述模態(tài)控制力位移增益gi和模態(tài)控制力速度增益Iii通過極點(diǎn)配置法來確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于臂架振動主動控制的控制器、系統(tǒng)以及方法，其中所述控制器(100)包括信號采集單元(10)，用于采集表征臂架振動情況的振動信號以及表征臂架姿態(tài)的姿態(tài)信號并將振動信號和姿態(tài)信號分別轉(zhuǎn)換為振動數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)；臂架動態(tài)特性獲取單元(20)，用于根據(jù)信號采集單元(10)轉(zhuǎn)換得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取與該姿態(tài)數(shù)據(jù)對應(yīng)的臂架動態(tài)特性；以及振動控制單元(30)，用于根據(jù)振動數(shù)據(jù)以及臂架動態(tài)特性來計(jì)算控制信號并將該控制信號輸出到臂節(jié)作動控制單元。本發(fā)明通過利用姿態(tài)信號得到臂架在當(dāng)前姿態(tài)下的動態(tài)特性，結(jié)合振動信號計(jì)算出控制信號用以控制臂臂節(jié)作動控制單元，從而達(dá)到了較好的主動減振的目的。
文檔編號G05D19/02GK103092225SQ20121003703
公開日2013年5月8日 申請日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)明者黃毅, 王佳茜 申請人:中聯(lián)重科股份有限公司