專利名稱：消除龍門起重機貨物擺動plc變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，特別是一種基于時滯濾波理論(美國佐治亞理 工學(xué)院稱為輸入整形理論)消除龍門起重機貨物擺動的PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，這一控制系 統(tǒng)可以有效消除貨物擺動，實現(xiàn)無擺運輸貨物。屬于起重機控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
龍門起重機主要用在露天貯料場、船塢、電站、港口和鐵路貨站等地進(jìn)行搬運和安裝作 業(yè)，但目前國內(nèi)、外主要是以人工操作為主，自動化程度低。這主要是因為龍門起重機特殊 的機械結(jié)構(gòu)和操作環(huán)境存在著不確定性決定了龍門起重機具有特殊的動力學(xué)特性，使其難以 實現(xiàn)自動化，加大自動化成本。龍門起重機是由大、小車運行機構(gòu)和起升機構(gòu)組成，貨物是 通過起升鋼絲繩與小車連接，也就是說龍門起重機是通過鋼絲繩移動貨物，鋼絲繩是撓性機 械結(jié)構(gòu)，龍門起重機運行機構(gòu)頻繁的起、制動引起貨物擺動，產(chǎn)生周期性扭矩、彎矩和傾翻 力矩，使龍門起重機難以實現(xiàn)自動取/卸貨物。因此，消除貨物擺動是實現(xiàn)龍門起重機操作自 動化，提高系統(tǒng)安全性、可靠性、工作效率、節(jié)約能源首先要解決的一個關(guān)鍵技術(shù)難題。目 前，消除貨物擺動的方法有機械式消擺和電子式消擺，機械式消擺通常是增 加一套機構(gòu)或者 液壓裝置消耗系統(tǒng)振動能量達(dá)到消除貨物擺振的目的，這種方法增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和維修 保養(yǎng)工作量；而基于控制理論和算法的電子式消擺是當(dāng)前的發(fā)展趨勢，電子式消擺在許多情 況是采用閉環(huán)控制策略，需要安裝攝像系統(tǒng)或者是貨物擺動角度測量系統(tǒng)，這同樣增加了系 統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)響應(yīng)速度。本發(fā)明公開了一種基于龍門起重機動力學(xué)特性和時滯濾 波理論的PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，用于消除龍門起重機貨物擺動，實現(xiàn)無擺運輸貨物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述機械式消擺和電子式消擺的不足之處，根據(jù)龍門起重機的動力學(xué)特性， 應(yīng)用時滯濾波理論提出ZVD時滯濾波器，開發(fā)一種有效消除龍門起重機貨物擺動的PLC變 頻調(diào)速控制系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，操作簡便的龍門起重機PLC 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，為實現(xiàn)龍門起重機自動化操作、無擺運輸貨物提供了一套理論、方法和 技術(shù)。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)
根據(jù)龍門起重機的動力學(xué)特性，建立龍門起重機的慣性笛卡爾坐標(biāo)系、非慣性笛卡爾坐 標(biāo)系和非慣性球坐標(biāo)系；根據(jù)Lagrange-Euler方程建立龍門起重機非線性動力學(xué)模型，在小 擺角的情況下非線形模型線性化模型；基于龍門起重機貨物擺動特性，應(yīng)用時滯濾波理論提 出ZVD時滯濾波器，將這一時滯濾波器應(yīng)用于龍門起重機控制系統(tǒng)中，開發(fā)出基于時滯濾波 理論消除貨物擺動的PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。
4建立龍門起重機坐標(biāo)系統(tǒng)技術(shù)方案。龍門起重機是由大車機構(gòu)、小車機構(gòu)和起升機構(gòu)組 成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖l所示。大車機構(gòu)的作用是驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，使龍門起重機沿著軌道在水 平方向運行，并起到支承整臺龍門起重機的作用；小車機構(gòu)是使小車沿著鋪設(shè)在主梁上的軌 道運行；起升機構(gòu)是起升電動機經(jīng)過減速器減速后帶動鋼絲繩巻筒轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)升降貨物。
龍門起重機是通過大車機構(gòu)和小車機構(gòu)的運動驅(qū)動小車運行，小車通過鋼絲繩移動貨物， 鋼絲繩是撓性機械環(huán)節(jié)，大車和小車機構(gòu)的頻繁起、止動引起貨物擺動，貨物在隨著懸掛點 運動的同時作空間擺運動，而且擺長不斷變化，據(jù)此建立慣性笛卡兒坐標(biāo)系(xo,內(nèi)^)、非慣 性笛卡兒坐標(biāo)系^b力,^)和非慣性球坐標(biāo)系(",",e^坐標(biāo)系統(tǒng)如圖2所示。慣性笛卡兒坐 標(biāo)系的坐標(biāo)原點取在軌道的一端，非慣性笛卡兒坐標(biāo)系和非慣性球坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點取在起 升鋼絲繩的懸掛點處，并且隨著小車同步移動。
貨物懸掛點在慣性笛卡兒坐標(biāo)系中的位置是(xj^)，貨物在非慣性球坐標(biāo)系中的位置用 廣義坐標(biāo)(/,《，^)表示，/表示起升鋼絲繩的長度，^表示起升鋼絲繩與Xi0^平面的夾角， e表示起升鋼絲繩在:c,O,z,平面投影與過貨物懸掛點鉛垂線的夾角。
龍門起重機非線性模型的技術(shù)方案。根據(jù)龍門起重機工作情況，給出如下假設(shè)和要求 ①將鋼絲繩的質(zhì)量集中在吊鉤處；②提升鋼絲繩剛度足夠大，其長度變化可忽略不計；③忽 略空氣阻力。
根據(jù)Lagrange-Euler方程，建立龍門起重機非線性動力學(xué)模型。
+ Z^ji: + w(i + /》cos0cos^ + 2/6cosScos^ - /一2 sini9cos0 + ( 1 )
^ sin 9cos ^ — " sin 0sin ^ - 2"sin Ssin ^ - sin夕cos^ - 2/ cos3sin^) = Fr
M2_p + 6y》+ ff3(y + /》cos^ + 2/0cos^ - /一 sin ^ + 2 sin^) = F， (2) + gcos^cos^ + jisinecos^ + ^sin^ —/卄2 —/^2cos2^) = (3) w(/ 2々'cos ^ + 2〃'々cos ^ + g/ sin 6 + cos P - 2/詢si—) = 0 (4 )
w(/2^' + 2//》+ g/ cos P sin ^ + ))/ cos ^ — id/ sin 6 sin ^ + / W2 sin ^ cos 0) = 0 (5 )
式中M,， M2， m—小車、大車、貨物的質(zhì)量；
~， 6/—小車、大車、起升機構(gòu)的等效阻尼系數(shù)； R， &， F/—作用于小車、大車的驅(qū)動力和起升機構(gòu)的提升力； JC一小車的位移； y—大車的位移； g—重力加速度。
龍門起重機是一個多輸入多輸出系統(tǒng)，電動機驅(qū)動小車和大車往復(fù)運動，小車通過鋼絲 繩拉動貨物移動，小車的加、減速運動引起貨物的擺動，貨物的運動無執(zhí)行器驅(qū)動，只有通 過控制小車的運動來消除貨物的擺動。龍門起重機動力學(xué)模型由運行機構(gòu)動力學(xué)方程和貨物
5擺動運動學(xué)方程組成，狀態(tài)變量之間相互耦合，使系統(tǒng)成為時變的非線性振蕩系統(tǒng)。為了對 龍門起重機動力學(xué)特性進(jìn)行分析，進(jìn)而實現(xiàn)消擺控制，需要對非線性模型進(jìn)行線性化處理。
龍門起重機線性化模型技術(shù)方案。在貨物擺動平衡位置附近，對非線性模型(1) (5) 式進(jìn)行線性化處理，得龍門起重機的線性化模型。
M, + Z^i-附ge + wM-《 (6) M2j) + Z ) — wg0+ = 5 (7)
W + "<》,-g + 3^ + ;^) = F, (8) W + 2/》+ ge = -i (9)
/》'+ 2/> + g—-》 (10)
龍門起重機可以歸結(jié)為含有剛性模態(tài)的振蕩系統(tǒng)，三大運行機構(gòu)的運動是剛體運動，鋼 絲繩和貨物構(gòu)成了振動模態(tài)。貨物擺動線性化模型是關(guān)于擺角^W、 ^W的二階振蕩環(huán)節(jié)， 擺動頻率與鋼絲繩長度有關(guān)，擺動阻尼與提升速度有關(guān)，擺動幅值與小車、大車的加速度有 關(guān)，起升運動使系統(tǒng)成為弱阻尼系統(tǒng)，因此貨物擺動模型是變參數(shù)二階振蕩環(huán)節(jié)。
小車和大車的運動驅(qū)動貨物懸掛點在水平面內(nèi)移動，這2個運動的方向相互垂直，從線 性化模型(6) (10)可以看出，這2個方向的運動可以實現(xiàn)解耦，將空間擺運動簡化為平 面擺運動，貨物擺動傳遞函數(shù)模型為
= ——r 。。
式中w是貨物擺動自然頻率，
^是貨物擺動阻尼比，
g0=-1〃。
時滯濾波理論技術(shù)方案。時滯濾波是有意識地在系統(tǒng)中引入時滯環(huán)節(jié)，將脈沖序列與參 考命令巻積形成的整形命令作為控制信號，消除柔性機構(gòu)殘留振動的一種控制技術(shù)。時滯濾
波器是由一系列的脈沖信號組成，3脈沖時滯濾波器在時域內(nèi)的函數(shù)為
g"0-lM命U (12)
式中，A為第/個脈沖的幅值，6為第i個脈沖的作用時間。
在時滯濾波器控制下，系統(tǒng)殘留振動幅值可以描述為o;和f的函數(shù)，即
6式中參數(shù)c(ta，《)=容4e諷cosOVl —《乂 )' 參數(shù)= t^e樹—力-,
'=1
w是濾波器頻率， 《是濾波器阻尼比。
為了提高時滯濾波器的魯棒性，對殘留振動幅值式(13)及其微分方程進(jìn)行約束，即令 式(13)及其微分為零，求得魯棒性較好的ZVD時滯濾波器(ZVD——Zero Vibration and Derivation),它包括3個時滯脈沖，脈沖幅值和時滯分別為
=1 i + 2尺十a(chǎn):2
2a:
i + 2" a:2
a:2 i + 2《+ a:2
=0
-=772
,3
(14)
式中，參數(shù)尺-e一？，參數(shù)7= 工。
3脈沖ZVD時滯濾波器在設(shè)計頻率處的殘留擺動幅值為零，對參數(shù)變化具有較強的魯棒 性，對參考命令整形過程如圖3所示，殘留振動幅值如圖4所示。
在運輸貨物的過程中起升鋼絲繩長度的變化范圍是最大起升高度，起升速度變化范圍很 小，因此，貨物擺動頻率和阻尼比在一定范圍內(nèi)變化。根據(jù)龍門起重機的結(jié)構(gòu)特點和運行特 性，同時考慮ZVD時滯濾波器的魯棒性，所以，在根據(jù)式(9) 、 (10) 、 (11) 、 (14)、
(15)設(shè)計3脈沖ZVD時滯濾波器時，取時滯濾波器的頻率"=7^,阻尼比《=0，可以
有效消除龍門起重機貨物擺動。有關(guān)證明可參考科學(xué)出版社出版的《時滯濾波理論及其工程 應(yīng)用》。
PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)技術(shù)方案。龍門起重機PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框圖如圖5所示， 包括操作控制臺1、控制器4、 PLC8、變頻器組9、 10、 21、 22、起升電動機14、 16、制動 器13、 17、起升機構(gòu)15、小車電動機ll、小車機構(gòu)12、大車電動機19、 20、大車機構(gòu)18， 控制器4由貨物擺動頻率、阻尼比計算單元5、系統(tǒng)參數(shù)計算單元6、時滯濾波器計算單元7 組成。
以5-75/20t A龍門起重機為例說明PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的技術(shù)方案。該龍門起重機的 主鉤起重量是75 t，配以YZR225M-8型電動機，容量為26KW，副鉤起重量是20 t，配以
7YZR160M2-8型電動機，容量為8.5KW，由于吊鉤是位能性負(fù)載，所以，需配以可以實現(xiàn)四 象限運行的矢量變頻器，并且要配備制動電阻，以防電動機在制動時對變頻器造成沖擊。大 車和小車的運行是一般的反抗性負(fù)載，小車配用YZR132M2-6型電動機，容量為4KW， 一 臺普通變頻器，而大車需配用兩臺YZR180L-6型電動機，容量為17KW，由于兩臺電動機同 時實現(xiàn)對大車的驅(qū)動，控制信號是相同的，所以，大車的兩臺電動機只需配以一臺普通變頻 器即可。這樣，系統(tǒng)就需要配以五臺電動機，四臺變頻器來實現(xiàn)對龍門起重機的調(diào)速控制。 根據(jù)龍門起重機運行特點，同時為了滿足龍門起重機高啟動轉(zhuǎn)矩、低速滿轉(zhuǎn)矩、快速的轉(zhuǎn)矩 上升時間和抱閘順序控制功能的要求，確定大、小車和起升三大機構(gòu)的驅(qū)動電動機分別配置 變頻器，由一臺PLC對變頻器組及電動機制動機構(gòu)實現(xiàn)統(tǒng)一控制，實現(xiàn)對各機構(gòu)電動機的調(diào) 速控制。每臺變頻器通過PLC設(shè)置唯一的通信地址，通過RS-485分別與S7-200 PLC實現(xiàn)通 信。
選用Siemens公司SIMATIC系列的S7-200型PLC,采用具有兩個RS-485通信口的 CPU226，其中一個通信口與上位機連接實現(xiàn)PLC程序、仿真參數(shù)以及變頻器相關(guān)監(jiān)控數(shù)據(jù) 的傳輸，另外一個通信口與變頻器通信實現(xiàn)變頻調(diào)速控制。選擇YASKAWA公司VARISPEED 系列的616G5型變頻器，其界面友好的LCD操作器使操作簡單化，配置高速通信卡(RS-485) 便于與S7-200 PLC通信。PLC為主機，變頻器為從機，主、從機點對點通信實現(xiàn)， 一個S7-200 通信口帶四臺變頻器，通過自由通信口方式與變頻器實現(xiàn)通信，在控制變頻器正常運行的同 時，讀取變頻器的電壓、功率、電流、頻率、過壓和過流等報警參數(shù)，獲得大量變頻器的監(jiān) 控信息，使系統(tǒng)具有更高的可靠性，節(jié)省了PLC寶貴的I/0端口。
PLC編程技術(shù)方案。PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)軟件包括初始化程序模塊、控制主程序模塊、 PLC與上位機以及變頻器的通信子程序模塊。初始化是實現(xiàn)對PLC基本參數(shù)的設(shè)置以及程序 的初始化工作。控制主程序是接收來自司機的操作信號，根據(jù)龍門起重機線性化模型以及 ZVD時滯濾波控制算法在上位機中計算參數(shù)頻率w、阻尼比6脈沖幅值^、 ^、 ^脈沖 時滯^、 /3，調(diào)用PLC與上位機通信處理子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得對變頻器的控制參數(shù)， 再調(diào)用PLC與變頻器的通信子程序?qū)崿F(xiàn)控制信號的點對點傳輸，通過PLC與變頻器的組合 實現(xiàn)電動機的調(diào)速控制，有效抑制龍門起重機的貨物擺動。PLC與上位機以及變頻器的通信 子程序模塊實現(xiàn)PLC與變頻器的通信需要給變頻器組的各個變頻器配置不同的地址，作為主 機的PLC不斷發(fā)出某個通信目標(biāo)變頻器的地址給從機，等待從機的響應(yīng)。
大車機構(gòu)部分PLC控制程序如圖6所示，小車機構(gòu)部分PLC控制程序如圖7所示，起 升機構(gòu)部分PLC控制程序如圖8所示。
本發(fā)明提供一種基于ZVD時滯濾波器有效消除龍門起重機貨物擺動的PLC變頻調(diào)速控 制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，操作簡便，在龍門起重機參數(shù)變化范圍內(nèi)有效 消除貨物擺動，進(jìn)一步提高龍門起重機的工作效率、安全性和可靠性，實現(xiàn)龍門起重機自動 化操作、無擺運輸貨物提供了一套理論、方法和技術(shù)。
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圖l是龍門起重機結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是龍門起重機坐標(biāo)系統(tǒng)圖； 圖3是3脈沖時滯濾波器的整形過程示意圖4是3脈沖ZVD時滯濾波器殘留振動幅值圖； 圖5是龍門起重機PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框圖； 圖6是部分大車機構(gòu)PLC控制程序；
圖7是部分小車機構(gòu)PLC控制程序； 圖8是部分起升機構(gòu)PLC控制程序。
圖5龍門起重機PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框圖1、操作控制臺，2、大車速度給定信號，3、 小車速度給定信號，4、控制器，5、貨物擺動頻率、阻尼比計算單元，6、系統(tǒng)參數(shù)計算單元， 7、時滯濾波器計算單元，8、 PLC, 9、起升機構(gòu)變頻器，10、小車機構(gòu)變頻器，11、小車機 構(gòu)電動機，12、小車機構(gòu)，13、起升機構(gòu)制動器，14、起升機構(gòu)電動機，15、起升機構(gòu)，16、 起升機構(gòu)電動機，17、起升機構(gòu)制動器，18、大車機構(gòu)，19、大車機構(gòu)電動機，20、大車機 構(gòu)電動機，21、大車機構(gòu)變頻器，22、起升機構(gòu)變頻器，23、起升機構(gòu)速度給定信號。
具體實施例方式
在圖5中起升機構(gòu)運行實施方式。操作者按動操作控制臺1，向起升機構(gòu)發(fā)出提升貨物 的速度給定信號23，經(jīng)過PLC8運算向起升機構(gòu)變頻器9、 22發(fā)出控制信號，使起升機構(gòu)電 動機14、 16驅(qū)動起升機構(gòu)15提升貨物。當(dāng)達(dá)到目標(biāo)位置時，操作者按動操作控制臺1，向 起升機構(gòu)發(fā)出降低貨物的速度給定信號23，經(jīng)過PLC8運算向起升機構(gòu)變頻器9、 22發(fā)出控 制信號，使起升機構(gòu)電動機14、 16反向轉(zhuǎn)動，驅(qū)動起升機構(gòu)15降低貨物，同時，使起升機 構(gòu)制動器13、 17開始制動，最后將貨物放在目標(biāo)位置。
小車機構(gòu)運行實施方式。操作者按動操作控制臺1，向小車機構(gòu)發(fā)出加速運行的速度給 定信號3，控制器4的貨物擺動頻率、阻尼比計算單元5計算貨物擺動的頻率和阻尼比，系 統(tǒng)參數(shù)計算單元6計算系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)，時滯濾波器計算單元7計算時滯濾波器的脈沖幅 值和時滯，形成整形的小車運行速度信號，用PLC8與上位機通信處理子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理，獲得對變頻器的控制參數(shù)，再調(diào)用PLC8與變頻器10的通信子程序?qū)崿F(xiàn)控制信號的點對 點傳輸，通過PLC8與小車機構(gòu)變頻器10的組合實現(xiàn)電動機11的加速控制，使小車機構(gòu)電 動機11驅(qū)動小車機構(gòu)12運行，有效抑制小車起動過程引起的貨物擺動，實現(xiàn)貨物沿著主梁 方向運行。當(dāng)達(dá)到目標(biāo)位置時，操作者按動操作控制臺1，向小車機構(gòu)發(fā)出停止運行的速度 給定信號3，控制器4形成整形的速度信號，通過PLC8與小車機構(gòu)變頻器10實現(xiàn)小車機構(gòu) 的減速控制，使小車機構(gòu)電動機11驅(qū)動小車機構(gòu)12停止運行，抑制小車在停車過程引起的 貨物擺動，將貨物準(zhǔn)確停在目標(biāo)位置的正上方。大車機構(gòu)運行實施方式。操作者按動操作控制臺1，向大車機構(gòu)發(fā)出加速運行的速度給 定信號2，控制器4的貨物擺動頻率、阻尼比計算單元5計算貨物擺動的頻率和阻尼比，系 統(tǒng)參數(shù)計算單元6計算系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)，時滯濾波器計算單元7計算時滯濾波器的脈沖幅 值和時滯，形成整形的大車運行速度信號，調(diào)用PLC8與上位機通信處理子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù) 處理，獲得對大車機構(gòu)變頻器21的控制參數(shù)，再調(diào)用PLC8與變頻器21的通信子程序?qū)崿F(xiàn) 控制信號的點對點傳輸，通過PLC8與變頻器21的組合實現(xiàn)電動機19、 20的調(diào)速控制，使 大車機構(gòu)電動機19、 20驅(qū)動大車機構(gòu)18運行，實現(xiàn)貨物沿著軌道方向運行，有效抑制大車 起動過程引起的貨物擺動。當(dāng)達(dá)到目標(biāo)位置時，操作者按動操作控制臺1,向起大車機構(gòu)發(fā) 出停止運行的速度給定信號2,控制器4形成整形的大車運行速度信號，通過PLC8與大車機 構(gòu)變頻器21實現(xiàn)調(diào)速控制，大車機構(gòu)電動機19、 20驅(qū)動大車機構(gòu)18停止運行，抑制大車在 停車過程引起的貨物擺動，將貨物準(zhǔn)確停止在目標(biāo)位置的正上方。
同時實現(xiàn)起升機構(gòu)、大車機構(gòu)、小車機構(gòu)運動的實施方式。操作者按動操作控制臺1， 向起升機構(gòu)發(fā)出提升貨物的速度給定信號23，調(diào)用PLC8與上位機通信處理子程序，進(jìn)行數(shù) 據(jù)處理，獲得對變頻器9、 22的控制參數(shù)，再調(diào)用PLC8與變頻器的通信子程序?qū)崿F(xiàn)控制信 號的點對點傳輸，通過PLC8與起升變頻器9、 22的組合實現(xiàn)電動機的調(diào)速控制，使起升機 構(gòu)電動機14、 16驅(qū)動起升機構(gòu)15提升貨物。操作者按動操作控制臺l，向大車機構(gòu)、小車 機構(gòu)發(fā)出加速運行的速度給定信號2、 3，控制器4的貨物擺動頻率、阻尼比計算單元5計算 貨物擺動的頻率和阻尼比，系統(tǒng)參數(shù)計算單元6計算系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)，時滯濾波器計算單 元7計算時滯濾波器的脈沖幅值和時滯，形成整形的大車、小車運行速度信號，通過PLC8 與大車、小車機構(gòu)變頻器21、 10的組合實現(xiàn)電動機的調(diào)速控制，使大車、小車機構(gòu)電動機 19、 20、 11驅(qū)動大車、小車機構(gòu)18、 12運行，實現(xiàn)貨物沿著軌道和主梁方向運行。當(dāng)達(dá)到 目標(biāo)位置時，操作者按動操作控制臺1，向大車機構(gòu)、小車機構(gòu)發(fā)出停止運行的速度給定信 號2、 3，控制器4形成整形的速度信號，通過PLC8與大車、小車機構(gòu)變頻器21、 IO的組合 實現(xiàn)電動機的調(diào)速控制，使大車、小車機構(gòu)電動機19、 20、 11驅(qū)動小車機構(gòu)18、 12停止運 行。當(dāng)貨物停止在目標(biāo)位置的正上方時，操作者按動操作控制臺1，向起升機構(gòu)發(fā)出降低貨 物的速度給定信號23，通過PLC8與起升機構(gòu)變頻器9、 22的組合實現(xiàn)電動機的調(diào)速控制， 使起升機構(gòu)電動機14、 16反向轉(zhuǎn)動，驅(qū)動起升機構(gòu)15降低貨物，同時，使起升機構(gòu)制動器 13、 17開始制動，最終將貨物停放在目標(biāo)位置上。
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權(quán)利要求
1、消除龍門起重機貨物擺動PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其特征在于根據(jù)龍門起重機的動力學(xué)特性，建立龍門起重機的慣性笛卡爾坐標(biāo)系、非慣性笛卡爾坐標(biāo)系和非慣性球坐標(biāo)系；根據(jù)Lagrange-Euler方程建立龍門起重機非線性動力學(xué)模型，在小擺角的情況下非線形模型線性化模型；基于龍門起重機貨物擺動特性，應(yīng)用時滯濾波理論提出ZVD時滯濾波器，這種時滯濾波器在設(shè)計頻率處的殘留擺動幅值為零，對參數(shù)變化具有較強的魯棒性，將這一時滯濾波器應(yīng)用于龍門起重機控制系統(tǒng)中，開發(fā)出基于時滯濾波理論消除貨物擺動的PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除龍門起重機貨物擺動PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其特征在于 根據(jù)貨物在隨著懸掛點運動的同時做空間擺運動，而且擺長不斷變化的運動特點，建立慣性 笛卡兒坐標(biāo)系、非慣性笛卡爾坐標(biāo)系和非慣性球坐標(biāo)系，慣性笛卡兒坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點取在 軌道的一端，非慣性笛卡爾坐標(biāo)系和非慣性球坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點取在起升鋼絲繩的懸掛點處，并且隨著小車同步移動。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除龍門起重機貨物擺動PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其特征在于根據(jù)Lagmnge-Euler方程，建立龍門起重機非線性動力學(xué)模型和線性化力學(xué)模型，揭示貨物 擺動與龍門起重機的動力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除龍門起重機貨物擺動PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其特征在于 將龍門起重機系統(tǒng)歸結(jié)為含有剛性模態(tài)的振蕩系統(tǒng)，大車、小車機構(gòu)的運動是剛體運動，鋼 絲繩和貨物構(gòu)成了振動模態(tài)，貨物擺動線性化模型是關(guān)于擺角的二階振蕩環(huán)節(jié)，擺動頻率與 鋼絲繩長度有關(guān)，擺動阻尼與起升速度有關(guān)，擺動幅值與大車、小車機構(gòu)的加速度有關(guān)，起 升運動使系統(tǒng)成為弱阻尼系統(tǒng)，因此貨物擺動模型是變參數(shù)二階振蕩環(huán)節(jié)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除龍門起重機貨物擺動PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其特征在于 時滯濾波器是由一系列的脈沖組成，3脈沖時滯濾波器在時域內(nèi)的函數(shù)為式中，A為第z'個脈沖的幅值，/,為第/個脈沖的作用時間。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除龍門起重機貨物擺動PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其特征在于 在3脈沖時滯濾波器控制下，系統(tǒng)殘留振蕩幅值可以描述為頻率w和阻尼比^的函數(shù)，即= e哉^c20w，O + ^(e>^) 式中參數(shù)C ) = tf COS("m,)，參數(shù)<formula>formula see original document page 3</formula>
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除龍門起重機貨物擺動PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其特征在于 3脈沖ZVD時滯濾波器的脈沖幅值和時滯分別為<formula>formula see original document page 3</formula>式中參數(shù)<formula>formula see original document page 3</formula>參數(shù)<formula>formula see original document page 3</formula>
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除龍門起重機貨物擺動PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其特征在于 在設(shè)計3脈沖ZVD時滯濾波器時，取時滯濾波器的頻率w-V^T7，阻尼比《=0，可以有效消除龍門起重機貨物擺動。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除龍門起重機貨物擺動PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其特征在于 PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)包括操作控制臺、控制器、PLC、變頻器組、大車機構(gòu)、小車機構(gòu)和起 升機構(gòu)，控制器由貨物擺動頻率、阻尼比計算單元、系統(tǒng)參數(shù)計算單元、時滯濾波器計算單 元組成，大車機構(gòu)、小車機構(gòu)和起升機構(gòu)的驅(qū)動電動機分別配置變頻器，根據(jù)操作控制臺發(fā) 出的速度給定信號，控制器形成整形的速度指令，由一臺PLC對變頻器組、電動機、制動器 進(jìn)行統(tǒng)一控制，實現(xiàn)對各個運行機構(gòu)的調(diào)速控制。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除龍門起重機貨物擺動PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其特征在 于PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)軟件主要包括初始化程序模塊、控制主程序模塊、PLC與上位機 以及變頻器的通信子程序模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種消除龍門起重機貨物擺動PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。建立龍門起重機的慣性笛卡爾坐標(biāo)系、非慣性笛卡爾坐標(biāo)系和非慣性球坐標(biāo)系，建立龍門起重機非線性動力學(xué)模型和線性化模型，開發(fā)出基于ZVD時滯濾波器消除貨物擺動的PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括操作控制臺、控制器、PLC、變頻器組、起升電動機、制動器、起升機構(gòu)、小車電動機、小車機構(gòu)、大車電動機、大車機構(gòu)，控制器由貨物擺動頻率、阻尼比計算單元、系統(tǒng)參數(shù)計算單元、時滯濾波器計算單元組成。本發(fā)明提供一種基于ZVD時滯濾波器的PLC變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，這一控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，操作簡便，能有效消除貨物擺動。
文檔編號B66C13/22GK101659376SQ200910018739
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月16日
發(fā)明者徐書娟, 朱翠蘭, 楊紅娟, 胡長濤, 脫建智, 董明曉, 陳繼文 申請人:山東建筑大學(xué)