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CN111153326B - 天车防摆荡与定位控制系统及其加减速曲线计算方法 - Google Patents

天车防摆荡与定位控制系统及其加减速曲线计算方法 Download PDF

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CN111153326B CN201910079621.6A CN201910079621A CN111153326B CN 111153326 B CN111153326 B CN 111153326B CN 201910079621 A CN201910079621 A CN 201910079621A CN 111153326 B CN111153326 B CN 111153326B
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康育铭
许朝咏
陈启政
李科贤
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Taiwan China Iron And Steel Co ltd
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Abstract

本发明关于一种天车防摆荡与定位控制系统及其加减速曲线计算方法。该天车防摆荡与定位控制系统包括一天车、一大车测距仪、一小车测距仪、一大车变频器、一小车变频器及一可编程控制器。天车包括一大车及一小车，大车具有一大车电机，小车具有一小车电机。大车测距仪用以测量大车的方向坐标及移动速度。小车测距仪用以测量小车的方向坐标及移动速度。大车变频器电性连接大车电机及用以驱动大车电机。小车变频器电性连接小车电机及用以驱动小车电机。可编程控制器电性连接大车测距仪、小车测距仪、大车变频器及小车变频器。本发明可以有效控制夹具摆荡，并且具有建置成本低的优点。

Description

天车防摆荡与定位控制系统及其加减速曲线计算方法
技术领域
本发明关于一种天车控制系统，且更特定言之，关于一种天车防摆荡与定位控制系统及其加减速曲线计算方法。
背景技术
天车进行钢卷搬运作业时，必须控制夹具摆荡才可顺利夹取及堆放钢卷，而摆荡发生原因主要来自于急速的天车移动，若无法有效控制夹具摆荡的发生，将影响天车吊运安全及作业效率。
现有天车夹具防摆荡控制方法主要有机械防摆荡及电气防摆荡两种。机械防摆荡是利用增设机械装置来达到防止摆荡的目的，例如增加夹具钢索数量、改变钢索绕线方式避免摆荡，或是将夹具改造成刚性可伸缩结构避免晃动。惟，机械防摆荡通常须改变天车机械结构，因此，建置成本高且可能减少天车实际荷重。
电气防摆荡大多是依据天车三维运动数学模型设计各种控制器，以解决天车移动中摆荡角过大的问题。然而，在无法精确考量车轮与轨道摩擦力、动力传输耗损等参数情形下，推导出的数学模型无法呈现系统真实动态，导致设计出的控制器参数不易调整，进而造成控制性能不佳。
基于上述分析，有必要提供一创新且具进步性的天车防摆荡与定位控制系统及其加减速曲线计算方法，以解决上述现有缺失。
发明内容
在一实施例中，一种天车防摆荡与定位控制系统包括一天车、一大车测距仪、一小车测距仪、一大车变频器、一小车变频器及一可编程控制器。该天车包括一大车及一小车，该大车具有一大车电机，该小车具有一小车电机。该大车测距仪用以测量该大车的方向坐标及移动速度。该小车测距仪用以测量该小车的方向坐标及移动速度。该大车变频器电性连接该大车电机及用以驱动该大车电机。该小车变频器电性连接该小车电机及用以驱动该小车电机。该可编程控制器电性连接该大车测距仪、该小车测距仪、该大车变频器及该小车变频器。
在一实施例中，一种天车防摆荡与定位控制系统的加减速曲线计算方法包括：设定天车的走行距离；依据所设定的天车的走行距离，动态计算最佳急冲度设定值；及依据天车的走行距离及最佳急冲度设定值，计算出防摆荡加减速曲线。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1显示本发明天车防摆荡与定位控制系统的架构图。
图2显示小车处于静止状态的示意图。
图3A显示小车进行加速度运动的示意图。
图3B显示小车进行加速度运动时吊重负载摆荡位置变换的示意图。
图3C显示小车停止加速的示意图。
图4A显示小车进行减速度运动的示意图。
图4B显示小车进行减速度运动时吊重负载摆荡位置变换的示意图。
图4C显示小车停止减速的示意图。
图5显示本发明天车防摆荡与定位控制系统的可编程控制器的控制架构图。
图6显示天车于等加速度运动时的梯形速度曲线图。
图7显示天车于变加速度运动时的加减速曲线图。
图8显示本发明天车的防摆荡加减速曲线分段图。
图9显示本发明的急冲度参数最佳化曲线图。
附图标号：
10 天车防摆荡与定位控制系统
11 天车
112 大车
112M 大车电机
114 小车
114M 小车电机
12 大车测距仪
13 小车测距仪
14 大车变频器
15 小车变频器
16 可编程控制器
161 流程控制模块
162 急冲度设定模块
162A 输入端
162B 输出端
163 加减速曲线规划模块
17 大车转速回授编码器
18 小车转速回授编码器
A,B,C,D 位置
Figure BDA0001959960730000031
加速度或减速度
Figure BDA0001959960730000032
重力
L 吊重负载
Figure BDA0001959960730000033
速度
x,y,z 坐标方向
1,2 摆荡角
具体实施方式
参阅图1，其显示本发明天车防摆荡与定位控制系统的架构图。本发明的天车防摆荡与定位控制系统10包括一天车11、一大车测距仪12、一小车测距仪13、一大车变频器14、一小车变频器15及一可编程控制器16。
在本实施例中，该天车11包括一大车112及一小车114，该大车112具有一大车电机112M，该小车114具有一小车电机114M。
该大车测距仪12用以测量该大车112的方向坐标及移动速度。该小车测距仪13用以测量该小车114的方向坐标及移动速度。在本实施例中，该大车测距仪12及该小车测距仪13设置于该大车112上，且较佳地，该大车测距仪12及该小车测距仪13为激光测距仪。
关于该天车11的走行摆荡现象说明如下：
(1)静止
图2显示小车处于静止状态的示意图。配合参阅图1及图2，以该天车11的小车114为观察点，当该小车114及吊重负载L于静止位置A时，吊重负载L受力为重力
Figure BDA0001959960730000041
(2)加速
2.1参阅图3A，其显示小车进行加速度运动的示意图。该小车114以加速度
Figure BDA0001959960730000042
往+x坐标方向加速，吊重负载L受加速度
Figure BDA0001959960730000043
往-x坐标方向摆荡至位置B，其摆荡角为1。
2.2若吊重负载L摆荡至位置B时，该小车114仍持续以加速度
Figure BDA0001959960730000044
往+x坐标方向加速，则吊重负载L的摆荡角维持在1。
2.3参阅图3B，其显示小车进行加速度运动时吊重负载摆荡位置变换的示意图。若吊重负载L摆荡至位置B时，该小车114以加速度
Figure BDA0001959960730000045
往+x坐标方向加速，吊重负载L继续往-x坐标方向摆荡至位置C，其摆荡角会增加至2。
2.4参阅图3C，其显示小车停止加速的示意图。若吊重负载L摆荡至位置B时，该小车114即停止加速
Figure BDA0001959960730000046
而以等速度
Figure BDA0001959960730000047
移动，则吊重负载L会在位置B→A→D→A→B之间周期性摆荡。
(3)减速
3.1参阅图4A，其显示小车进行减速度运动的示意图。该小车114以减速度
Figure BDA0001959960730000048
往-x坐标方向减速，吊重负载L受一加速度
Figure BDA0001959960730000049
往+x坐标方向摆荡至位置B，其摆荡角为1。
3.2若吊重负载L摆荡至位置B时，该小车114仍持续以减速度
Figure BDA00019599607300000410
往-x坐标方向减速，则吊重负载L摆荡角维持在1。
3.3参阅图4B，其显示小车进行减速度运动时吊重负载摆荡位置变换的示意图。若吊重负载L摆荡至位置B时，该小车114以减速度
Figure BDA00019599607300000411
往-x坐标方向减速，吊重负载L继续往+x坐标方向摆荡至位置C，其摆荡角会增加至2。
3.4参阅图4C，其显示小车停止减速的示意图。若吊重负载L摆荡至位置B时，该小车114即停止减速
Figure BDA00019599607300000412
而以等速度
Figure BDA00019599607300000413
移动，则吊重负载L会在位置B→A→D→A→B之间周期性摆荡。
由上述摆荡现象可得知摆荡角是因该天车11移动瞬间所施予的加速度而产生，一旦该天车11不再加速而以等速移动，则吊重负载将失去作用力而开始进行周期性摆荡，因此，控制该天车11走行中的吊重摆荡的关键因素在于加速度而非速度。
再参阅图1，该大车变频器14电性连接该大车电机112M及用以驱动该大车电机112M。
该小车变频器15电性连接该小车电机114M及用以驱动该小车电机114M。
此外，为使该大车变频器14及该小车变频器15能精确地分别驱动该大车电机112M及该小车电机114M，在本实施例中，该天车防摆荡与定位控制系统10可还包括一大车转速回授编码器17及一小车转速回授编码器18。该大车转速回授编码器17电性连接该大车变频器14，该大车转速回授编码器17用以取得该大车电机112M的转速信号，并将该大车电机112M的转速信号回传至该大车变频器14，以使该大车变频器14能依据所得的转速信号适当调整该大车电机112M的转速。该小车转速回授编码器18电性连接该小车变频器15，该小车转速回授编码器18用以取得该小车电机114M的转速信号，并将该小车电机114M的转速信号回传至该小车变频器15，以使该小车变频器15能依据所得的转速信号适当调整该小车电机114M的转速。
图5显示本发明天车防摆荡与定位控制系统的可编程控制器的控制架构图。配合参阅图1及图5，该可编程控制器16电性连接该大车测距仪12、该小车测距仪13、该大车变频器14及该小车变频器15，并依据该大车测距仪12及该小车测距仪13所分别测得的方向坐标(x轴与y轴)，设定该大车112与该小车114的走行距离(x轴与y轴方向)，及规划可防止摆荡的加减速曲线，并输出至该大车变频器14及该小车变频器15。在本实施例中，该可编程控制器16包括一流程控制模块161、一急冲度设定模块162及一加减速曲线规划模块163。
该流程控制模块161连接该急冲度设定模块162的一输入端162A。该流程控制模块161用以下达一天车移动命令，并依据该大车测距仪12及该小车测距仪13的量测值检测移动误差及执行定位作业。
该急冲度设定模块162的一输出端162B连接该加减速曲线规划模块163。在本实施例中，所述急冲度为加速度的微分量，且该急冲度设定模块162依据所设定的该天车11的走行距离，动态计算最佳急冲度设定值。
该加减速曲线规划模块163依据该天车11的走行距离、最大速度设定值、最大加速度设定值及最佳急冲度设定值，计算及输出防摆荡加减速曲线至该大车变频器14及该小车变频器15，而该大车变频器14及该小车变频器15依据所述防摆荡加减速曲线分别驱动该大车电机112M及该小车电机114M，以达到天车走行防摆荡与定位的效果。
以下针对本发明的摆荡控制及加减速策略进行详细说明。
(1)等加速度运动(梯形加减速曲线)对摆荡角的影响
参阅图6，其显示天车于等加速度运动时的梯形速度曲线图。该天车于等加速度运动时，速度为斜坡函数，加速度在启动瞬间达到最大值，天车瞬间受力大，容易造成设备震动及产生摆荡角。
(2)加减速曲线(S-Curve)对摆荡角的影响
参阅图7，其显示天车于变加速度运动时的加减速曲线图。为消除因该天车起停瞬间加速度过大所产生的摆荡角，可经由控制急冲度(JERK，加速度的微分量，
Figure BDA0001959960730000061
)来限制加速度变化量，使加速度以一变化量逐渐增加或减少，减少该天车起停时的瞬间受力，避免设备剧烈晃动。且藉由急冲度限制所产生的加减速曲线(S-Curve)，在S-Curve到达极速(Vmax)阶段前，加速度须经历持续增加→维持定量→持续减少过程，期间所产生的正加速度及负加速度正好可相互抵消，连带消除因正加速度及负加速度所产生的摆荡角变化。
(3)具摆荡控制及定位的加减速曲线规划
参阅图8，其显示本发明天车的防摆荡加减速曲线分段图。具摆荡控制的加减速曲线为将速度曲线分成7段，其急冲度以
Figure BDA0001959960730000062
作为基底函数，该函数曲线在起始及到达最大值时的变化率相同，且为一平滑曲线，可有效消除加速及减速期间的加速度变化量，避免梯形速度曲线瞬间加速度变化太大造成的设备晃动。
3.1参数定义
j(t)：急冲度(M3/sec)
a(t)：加速度(M2/sec)
v(t)：速度(M/sec)
x(t)：移动距离(M)
Jmax：最大急冲衝度
Amax：最大加速度
Vmax：最大速度
Ts：急冲时间
Ta：加速时间
T：走行时间
t0＝0
t1＝Ts
t2＝Ta-Ts
t3＝Ta
t4＝T-Ta
t5＝T-Ta+Ts
t6＝T-Ts
t7＝T
3.2急冲度、加速度、速度、距离与时间的关系式
急冲度(Jerk)
Figure BDA0001959960730000071
加速度(Acceleration)
Figure BDA0001959960730000072
Figure BDA0001959960730000073
速度(Velocity)
Figure BDA0001959960730000081
Figure BDA0001959960730000082
v2＝v1+a1(Ta-2·Ts)
v3＝v1+v2
移动距离(Distance)
Figure BDA0001959960730000083
Figure BDA0001959960730000084
Figure BDA0001959960730000085
Figure BDA0001959960730000086
x4＝v3(t4-t3)+x3
Figure BDA0001959960730000087
Figure BDA0001959960730000088
3.3依据走行距离计算加减速时间
再参阅图1及图5，依据该大车电机112M、该小车电机114M、该大车变频器14及该小车变频器15的性能，可得知该天车11的最大速度Vmax、最大加速度Amax及最大急冲度Jmax，经由推导移动距离X、Vmax、Amax、Jmax、急冲时间Ts、加速时间Ta及走行时间T的关系，可得到t0～t7间的七段加减速时间，再将t0～t7带入j(t)、a(t)、v(t)即可求得任意移动距离X的加减速曲线。
3.4依天车移动距离动态调整急冲度设定值
3.4.1固定移动距离下，调整急冲度设定值，使天车移动时的摆荡减至最小。
3.4.2参阅图9，其显示本发明的急冲度参数最佳化曲线图。将各个移动距离X下所测得的最佳急冲度设定值J，以最小平方法求其最佳近似曲线(J(X)＝a·X2+b·X+c)的多项式系数a、b及c。
3.4.3依据天车移动距离X，将X带入Jerk近似曲线(J(x)＝a·X2+b·X+c)，可求得该移动距离X下的最佳急冲度设定值Jmax，将移动距离X、Vmax、Amax、Jmax、急冲时间Ts、加速时间Ta、走行时间T代入本发明的速度曲线函式，即可产生防止摆荡及定位的加减速曲线。
再参阅图1，本发明将上述加减速曲线输出至该大车变频器14及该小车变频器15，以使该大车变频器14及该小车变频器15可依据所述加减速曲线分别驱动该大车电机112M及该小车电机114M，进而可达到天车走行防摆荡与定位的效果。
上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，并非限制本发明，因此熟悉此技术的技术人员对上述实施例进行修改及变化仍不脱本发明的精神。本发明的权利范围应如权利要求所界定范围所列。

Claims (6)

1.一种天车防摆荡与定位控制系统，其特征在于，包括：
一天车，包括一大车及一小车，所述大车具有一大车电机，所述小车具有一小车电机；
一大车测距仪，用以测量所述大车的方向坐标及移动速度；
一小车测距仪，用以测量所述小车的方向坐标及移动速度；
一大车变频器，电性连接所述大车电机及用以驱动所述大车电机；
一小车变频器，电性连接所述小车电机及用以驱动所述小车电机；及
一可编程控制器，电性连接所述大车测距仪、所述小车测距仪、所述大车变频器及所述小车变频器；
其中所述大车测距仪及所述小车测距仪设置于所述大车上；
其中所述可编程控制器包括一流程控制模块、一急冲度设定模块及一加减速曲线规划模块，所述流程控制模块连接所述急冲度设定模块的一输入端，所述急冲度设定模块的一输出端连接所述加减速曲线规划模块，所述急冲度设定模块依据所述天车的走行距离，动态计算最佳急冲度设定值，所述加减速曲线规划模块依据所述天车的走行距离、最大速度设定值、最大加速度设定值及最佳急冲度设定值，计算及输出防摆荡加减速曲线至所述大车变频器及所述小车变频器，所述加减速曲线包括将速度曲线分成多段，且其急冲度以
Figure FDA0003484728580000011
作为基底函数，该函数曲线在起始及到达最大值时的变化率相同，且为一平滑曲线。
2.如权利要求1所述的天车防摆荡与定位控制系统，其特征在于，所述大车测距仪及所述小车测距仪为激光测距仪。
3.如权利要求1所述的天车防摆荡与定位控制系统，其特征在于，还包括一大车转速回授编码器，所述大车转速回授编码器电性连接所述大车变频器，所述大车转速回授编码器用以取得所述大车电机的转速信号，并将所述大车电机的转速信号回传至所述大车变频器。
4.如权利要求1所述的天车防摆荡与定位控制系统，其特征在于，还包括一小车转速回授编码器，所述小车转速回授编码器电性连接所述小车变频器，所述小车转速回授编码器用以取得所述小车电机的转速信号，并将所述小车电机的转速信号回传至所述小车变频器。
5.如权利要求1所述的天车防摆荡与定位控制系统，其特征在于，所述流程控制模块用以下达一天车移动命令，并依据所述大车测距仪及所述小车测距仪的量测值检测移动误差及执行定位作业。
6.如权利要求1所述的天车防摆荡与定位控制系统，其特征在于，所述大车变频器及所述小车变频器依据所述防摆荡加减速曲线分别驱动所述大车电机及所述小车电机。
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