桥式起重机外文翻译.docx
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桥式起重机外文翻译
毕业设计（论文）外文资料翻译
学院：
机械工程学院
专业班级：
机械设计制造及其自动化机械133
学生姓名：
钱珠
学号：
2013120102
指导教师：
邓晓红（副教授）
外文出处：
IFACProceedingsVolumes
附件：
1.外文资料翻译译文；2.外文原文
指导教师评语：
签名：
年月日
Proceedingsofthe17thWorldCongress
TheInternationalFederationofAutomaticControl
Seoul,Korea,July6-11,2008
一种工业桥式起重机的多工作模式防摇与定位控制
KhalidSorensen∗HannasFisch∗∗SteveDickerson∗∗∗
WilliamSinghose∗UrsGlauser∗∗
摘要:
用铝板制造的30吨工业桥式起重机配备了一套起重机操纵系统，能够实现自由摆动运动、抗干扰和精确定位。
在抗摇摆、定位和起重机控制的这些领域里，先前的研究中取得了非常重要的贡献。
这些进步被结合到这里描述的统一起重机操纵系统中。
提供了该系统的概述，以及实验结果以及人工操作者如何使用起重机的描述。
关键词：
输入整形，指令整形，起重机控制，防摇摆，反馈控制，机器视觉
1.介绍
起重机使用于世界各地的成千上万的造船厂,建筑工地、钢厂、仓库、核能和废物贮存设施,以及其他工业园区。
这些结构的安全、高效运动是工业生产力的一个重要贡献。
起重机可能对安全和高效运动产生不利影响的重要性能是起重机有效载荷倾向于摆动。
外部干扰，例如风、命令运动，可能导致显著的有效载荷摆动。
有效载荷摆动使得精确定位对于操作者来说是耗时的；此外，当有效载荷或周围障碍物具有危险或脆弱性质时，有效载荷摆动可能存在安全隐患。
起重机的广泛使用，加上需要减少不希望的振荡，已经推动了大量的研究。
在1）运动诱导振荡降低，2）扰动抑制，3）定位能力，4）有效载荷摆动检测以及5）操作员界面设计方面已经取得了显着进步。
每个这些领域的进步已被合并成一个统一的起重机操纵系统（CMS）。
CMS的实用性在于它为操作者提供了产生安全和有效的无摆动运动以及精确定位能
力的方法。
本文介绍了CMS的组件，以及在30吨工业桥式起重机上实施该系统。
这台起重机位于洛根铝业，一家领先的铝板产品制造商。
在第2节，介绍了Logan起重机及其动态行为。
第3节提供了CMS的概述以及该系统如何集成到Logan起重机中。
在配备有CMS的Logan起重机上进行的性能实验的结果在4节中给出。
2.系统介绍
图1显示了30吨洛根起重机的照片。
手推车沿着桥跨过大约30米的距离。
同样，桥可以沿着固
定轨道移动大约50米的距离。
吊钩悬挂在手推车下方。
在操作过程中，吊缆长度在3至10米之间变化。
该桥装备有两个7.5千瓦（10马力）480伏交流感应电动机。
类似地，小车配备有两个3.75千瓦（5马力）的480伏交流感应电动机。
电机由MagnetekImpulse
矢量驱动器控制。
该设备允许连续
可变速度控制.此外，驱动器是可参数化的。
最大允许速度和加速度限制已分别编程为0.75m/s和0.75m/
。
在安装CMS之前，操作者通过从杠杆接口直接向起重机驱动器发出命令来制动起重机。
该致动过程的模型用图2的框图示出。
DM表示系统的矢量驱动器和AC感应电动机的行为。
该设备接受由操作人员向起重机发出的参考速度指令
，并将这些信号转换为架空滑车的实际速度
。
小车的运动使钩和附加的有效载荷以缆绳角度θ摆动。
这种行为由块G表示。
（a）桥、吊钩和跑道
（b）台车特写镜头
图1.洛根铝业30吨起重机
2.1工业起重机动态模型
AC感应电机和矢量驱动器的行为是非线性的。
然而，这种行为可以通过组合几个更简单的组件来准确建模[Sorensen，2005]。
图2的DM块在图3中被扩展以显示这样的模型。
该模型由四个元件组成：
饱和器，开关，速率限制器和大阻尼二阶设备。
饱和元件截断对起重机的过度速度命令，而速率限制器对起重机的加速度设置上限和下限。
H用于模拟驱动器和电机的平滑性能。
开关元件的功能是将参考信号
传递到速率限制块。
图2.起重机驱动方框图
图3.驱动器和电机模型块的扩展视图
然而，当向起重机发出过渡速度命令时，开关临时发送零信号。
过渡速度命令是改变起重机行进方向的命令（前进到后退或反之亦然）。
这种类型的行为取决于
和
，并且可以用以下切换规则来描述：
（1）
该模型可以用于通过适当地选择与模型相关联的五个参数来表示Logan起重机驱动器和电动机的行为：
p-饱和阈值，X-开关阈值，m-速率限制器的最大斜率，ζH-H的阻尼比，ωnH-H的固有频率。
对于Logan起重机，这些参数估计分别为0.75
，0.038
，0.63
，0.75和3.7
。
图4比较了模型的响应和实际系统对几个速度命令的响应。
当电动机移动起重机时，振动被诱导到钩中。
如图2所示，钩子对手推车的运动的角响应由装置G建模。
钩的振荡行为可以由线性传递函数表示[Sorensen，2007a]：
G=
（2）
对于Logan起重机，阻尼比ζ约为0.01。
固有频率ωn是电缆悬挂长度L和重力加速度g的函数：
（3）
图4.将驱动器和电机的实际响应和建模响应与不同速度命令进行比较
（1）响应100%速度的不长
（2）响应50%速度的步长（3）响应从100%速度到-100%速度的步长
3.CMS的集成
第2节中描述的起重机已经增加了CMS。
图5中示出了装备CMS的起重机的拓扑图。
该图描述了构成CMS的元素：
●一种用于实现无摆动运动的控制架构
●用于辅助起重机的精确定位的可视人机界面。
该接口在触摸屏监视器上实现。
●一个操纵杆界面，用于简化总运动任务。
●标准杆接口。
●一种用于感测吊钩摆动的机器视觉系统。
●用于测量起重机位置的激光测距传感器。
CMS的主要元素是防摆动和定位控制。
该组件接受来自其他CMS元件的信息：
来自三个接口装置的运动命令，来自激光测距传感器的起重机位置信息，以及来自机器视觉系统的吊钩位移信息。
来自这些元件的信息由控制器使用以产生低速速度命令，这些命令被发送到起重机驱动器。
以下小节提供有关CMS的每个元素的更多详细信息。
3.1人机界面
在将CMS安装到Logan起重机上之前，操作员通过使用三杆接口指令起重机运动。
该装置允许桥，手推车和钩通过它们各自的致动杆而彼此独立地被命令。
两个附加的接口设备与CMS一起安装：
操纵杆接口和可视触摸屏接口。
实施这些装置的动机源自于改进操作者控制起重机的方式。
视觉界面允许简化的定位控制，而操纵杆允许简化的速度控制。
简化定位在许多应用中，需要精确和重复的有效载荷定位。
视觉界面是起重机和起重机工作空间的实时图形表示，其允许操作者存储期望的有效载荷目的地，并且命令起重机行进到这些位置[Suter等人，2007，Sorensenet等人，2007b]。
为了存储有效载荷目的地以供将来使用，操作者
必须首先将起动机手动定位在该位置。
然后，对应于起重机位置的坐标可以自动存储在可视界面中。
目标图像表示触摸屏上的位置。
操作者通过触摸在图形工作空间图像中显示的存储的目标来指定期望的钩目的地。
一旦操作者指定期望的目的地，反馈控制系统自动地将起重机驱动到指定位置而没有有效负载摆动。
图5.CMS的组件集成到起重机系统中
图6是可视界面的屏幕截图。
在区域A中，操作员可以存储和指定挂钩目的地。
区域B显示各种系统指示符，例如防盗活动，系统错误和操作模式。
区域C显示实际和期望的起重机位置信息。
对于精确定位应用，可视界面比传统的手动控制具有显着的效率优势[Sorensen等人，2007b]。
这是因为使用接口的操作员可以以近似时间最佳和无摆动的方式将起重机自动定位在期望的位置。
手动定位更困难。
操作员必须接受广泛的培训。
通常，结构移动非常缓慢以确保准确和安全的定位。
类似于这里所述的可视界面被安装在位于佐治亚理工学院的10吨工业桥式起重机上。
对这台起重机进行的操作员研究表明，使用视觉界面的操作员比手动操作完成定位任务的速度快5％到45％[Sorensen等，2007b]。
除了定位简单性之外，使用可视界面还有其他好处。
这些好处与人类操作者的认知过程有关。
由视觉界面提供的基于姿势的控制的类型利用基于直觉的行为[Frigola等人，2003，Amat等人，2004]，其不太复杂，并且比手动定位需要更少的认知资源使用。
如在[Stahre，1995]中所讨论的，将操作者动作“转移”为基于直觉的行为的巨大好处是操作者的更多精神资源可以自由地分析新的情况并监视系统的现有状态。
图6.Logan起重机视觉界面的屏幕截图
简化速度控制鉴于视觉界面有助于自动起重机运动，杠杆和操纵杆界面可用于手动运动任务。
通常，操纵杆界面允许比杠杆界面更有效地完成这些类型的任务[Sorensen等人，2007b]。
当操作者尝试使用杆接口指令起重机运动时，他或她在精神上实现几个步骤。
首先，钩和有效载荷的期望轨迹被分离成对应于不同致动模式（即，前向反转，左右，上下）的运动分量。
第二，解耦的轨迹在心理上映射到相应的致动杆。
最后，操作者尝试物理地压下杆的正确组合，使得起重机沿着期望的轨迹移动。
为了有效运动，通常两个操纵杆必须由操作者同时控制。
由于这是困难的，操作者通常沿着需要每次仅在一个致动方向上运动的较低效率的轨迹操纵起重机。
为了用操纵杆操纵起重机，操作者将操纵杆手柄指向具有可变位移的期望方向。
操纵杆手柄的方向和位移对应于起重机行驶的方向和速度。
这种手动控制模式可以促进比杠杆接口更有效的起重机运动。
这是因为对于使用操纵杆的操作者来说更容易在桥和滑车方向上同时致动起重机。
3.2感觉信息
机器视觉系统通过使用西门子720系列视觉系统获得关于钩摆动的感觉信息。
该摄像机是一个独立的图像传感器，具有板上图像采集，处理和通信功能。
视觉系统安装在手推车上，靠近钩悬挂线缆的支点，并且定向成观察钩和周围的工作空间。
在这种向下看的构造中，起重机吊钩的顶部总是在摄像机视野内，如图7所示。
为了便于可靠的钩跟踪，安装了发光二极管（LED）阵列。
当视觉系统获取图像时，LED阵列同时发出脉冲（类似于相机上的闪光灯泡）由反光材料制成并安装到钩的顶部的两个基准标记将脉冲光反射回相机透镜。
通过这样做，基准标记容易从图像中的其他特征识别。
在图7的子照片中示出了基准标记的近视图。
照相机每70ms采集图像。
照相机内的程序处理图像以获得关于基准标记的坐标信息。
该信息随后被传送到防摇和定位控制器。
图7.由机器视觉系统捕获和处理的图像（大照片）；关闭安装在钩子上的基准点的照片（子照片）。
激光测距传感器绝对桥和手推车位置通过使用两个BannerLT3系列激光测距传感器获得。
这些位置传感器具有50m的范围和在该距离的约1.2cm的分辨率。
两个传感器安装在桥上。
一个被定向为检测手推车沿着桥的位置。
另一个被定向为检测桥沿着固定的跑道的位置。
3.3抗摇摆和定位控制
图8中示出了防摇摆和定位控制的框图。
该框图描绘了原始起重机系统集成到双回路反馈结构中的控制架构。
控制产生参考速度命令，当发送到非线性驱动器和电机设备DM时，在有效载荷中实现三个期望的结果：
1）精确的定位能力2）运动诱发的振荡抑制3）干扰抑制。
在下面的小节中，提供了能够实现这些结果的控制元件的简要描述。
因为对该控制及其稳定性的全面描述超出了本文的范围，对该控制的开发感兴趣的读者和严格的稳定性分析的结果应该参考[Sorensen，2005，Sorensen等人，2007a，Sorensen和Singhose，2007]。
运动诱发振荡抑制抑制运动诱发振荡的成功方法是产生使系统抵消其自身振荡的命令。
一种称为输入整形的这种技术通过将参考命令与称为输入整形器的脉冲序列进行卷积来实现[Smith，1957，SingerandSeering，1990]。
然后，卷积积而不是原始参考命令被发送到工厂。
对于正确设计的输入整形器，线性系统将响应于修改的命令而呈现零剩余振荡。
这种情况在图9（a）中示出。
参考命令（在这种情况下是一个步骤）由双脉冲输入整形器修改。
成形器的脉冲时间和脉冲幅度已经被适当地选择以抵消H的振荡动力学。
图8.防摇控定位控制器
当成形指令驱动H时，结果是零残余振动。
表示一般输入整形过程的框图如图9（b）所示.IS是输入整形器，H是线性工厂。
通过将输入整形器并入信号路径中，将这种类型的运动诱导振荡抑制集成到CMS控制结构中。
在图8中，输入整形器由标记为IS的块表示。
该整形器被设计为否定由干扰抑制反馈环路形成的闭环传递函数的振荡动力学。
输入整形器从三个元件中的一个接收命令的速度信号
。
如果正在手动操纵起重机，则来自操纵杆或杆接口的信号被发送到输入整形器。
如果通过使用触摸屏自动定位起重机，则来自定位控制块的信号被发送到成形器。
成形的命令
然后用作干扰抑制环路的参考命令。
虽然输入整形对线性系统有效，但驱动器和电机DM中包含的非线性元件可以显着降低成形指令的消除振荡的能力[Lawrence等人，2004,2005，Sorensen和Singhose，2007]。
[Sorensen和Singhose，2007]提出了一种缓解DM块内饱和度和速率限制的有害影响的策略。
人工饱和元件和人工速率限制元件可并入信号路径中，使得这些元件在输入整形器修改参考命令之前对其进行滤波。
通过这样做，由输入整形器产生的整形命令将不会被包含在驱动器和电动机中的饱和和速率限制元件破坏。
人工元件的饱和度和速率限制参数必须等于或者比实际饱和度和速率限制参数更保守。
图9.输入整形过程
精确有效载荷定位当操作者通过使用可视界面控制起重机时，向CMS控制器发出位置参考命令。
由于有效载荷最终直接停留在开销支持单元下方，因此最终定位相当于有效载荷的最终定位。
因此，通过使用来自激光测距传感器的位置信息来控制手推车的位置来实现精确的有效载荷定位。
，
和
分别是参考手推车位置，实际手推车位置和定位误差。
响应于定位误差，比例微分（PD）控制块产生尝试将起重机驱动到期望位置的速度信号。
如果该信号直接发送到驱动器和电动机，则将实现电车定位的目的，但是将显示明显的钩摆动。
然而，由
于输入整形器过滤这些命令，实现了将起重机驱动到期望位置同时还防止运动引起的振荡的双重目的。
在反馈环路内使用输入整形器是非常规的控制架构。
然而，存在大量的文献论述这些类型的系统的稳定性[Zuo等人，1995，Kapila等人，2000，Staehlin和Singh，2003，Huey和Singhose，2005]。
对于CMS控制，通过使用在[Huey和Singhose，2005]中呈现的根轨迹近似技术获得了实现期望的系统性能的稳定的PD控制增益。
该根轨迹技术忽略了控制结构内的非线性元件，因此不能保证非线性系统的稳定性。
然而，它确实提供了洞察成形器在环系统的动态，并揭示了当系统在其线性区域内操作时的预期行为。
从根轨迹近似技术获得的PD控制增益在系统的非线性模型上通过使用[Sorensen等，2007a]中给出的数值方法进行了严格的验证。
干扰抑制虽然电缆摇摆的主要来源是命令运动，但是诸如外部干扰或未建模动态的次级振荡源也有助于不期望的摆动。
这些类型的扰动可以被建模为诱导破坏角
，其与未扰动角
相加以产生实际电缆角度
。
通过利用机器视觉系统来提供实际缆索角度
的感觉反馈来实现扰动抑制。
对于小角度，钩子从垂直静止位置的水平位移可以通过
合理地估计。
该量被用在
块中，其产生校正速度命令以衰减破坏性振荡。
这些信号被添加到从输入整形器获得的成形的速度信号
。
然后组合的信号被发送到系统驱动器。
虽然驱动器和电动机包含非线性元件，但是这些部件经常在其线性区域内操作。
因此，在这些时间段期间，叠加成立。
因此，因为信号
连续地将起重机驱动到期望的设定点，并且信号
试图衰减振荡，CMS控制将实现定位和干扰抑制的双重目的。
此外，因为
是输入形状的命令，所以运动诱发的钩摆动将被减少。
以这种方式，CMS控制消除运动诱导的振荡，抑制干扰，并且能够精确地定位有效载荷。
3.4组合输入整形与反馈控制的有益属性
在前面小节中呈现的控制架构将运动诱发振荡抑制的任务分配给输入整形滤波器。
通过反馈控制来实现干扰引起的振荡抑制。
虽然单独的反馈可以抑制运动和干扰诱导的有效载荷摇摆，当这些任务分离时，显示有益的系统行为[Muenchhof和Singh，2002，Kenison和Singhose，2002]。
与反馈控制的反应方式相反，输入整形以预期的方式减少运动诱发的振荡。
使用在振荡发生之前预期振荡的参考信号来完成振荡抑制，而不是使用试图将偏差恢复回到参考信号的校正信号。
在起重机控制的上下文中，这意味着当使用输入整形时，运动诱发的振荡通常可以在振荡的一个半周期内被抑制。
为了通过反馈控制实现类似的性能，必须使用积极的增益，这导致比使用输入整形时更高的致动器力和更大的命令失真。
将运动诱发振荡抑制分配给输入整形滤波器的另一有益结果与多模式电缆摆动有关。
对于一些有效载荷和索具配置，起重机可以呈现“双摆”振荡动力学[Singhose等人，InPress]。
在这种情况下，积极的干扰抑制反馈增益将导致非线性驱动器和电机表现出极限循环。
通过利用输入整形，可以快速抑制多模式系统的运动诱发振荡抑制，而没有积极的控制增益。
4.CMS性能评估
配备了CMS的Logan起重机的抗摆动和定位能力得到了严格的测试。
第4.1节讨论运动诱导的振荡抑制。
第4.2节讨论了干扰抑制。
最后，第4.3节讨论定位。
4.1运动诱发振荡抑制
为了评估CMS抑制运动引起的振动的能力，在启用和不启用CMS的情况下驱动起重机。
在第一组这样的测试中，杠杆接口用于向桥发出速度的阶跃命令。
桥对该命令的速度响应如图
中的实线所示。
钩子对桥运动的振荡响应如图
的实线所示。
当启用CMS时进行相同的测试。
这些结果用图
的虚线示出。
桥梁具有明显不同的运动轮廓，这导致少得多的吊钩摆动。
当在小车方向上重复这些测试时，以及在小车和桥方向上同时进行这些测试时，获得了类似的结果。
图11的条形图总结了这些测试中的每一个的摆幅。
（a）速度命令
（b）钩摆动
图10.在启用和不启用CMS的情况下的运动诱导振荡抑制
图11.向起重机发出步进速度命令后的剩余挂钩摆动幅度
进行另一组测试，其中向起重机发出速度脉冲（而不是步长）。
对于这些测试中的每一个，使用杆接口来快速加速起重机至最大速度。
在起重机以最大速度行进大约两秒钟之后，起重机迅速减速到完全停止。
这些测试的摆幅振幅结果总结在图12的条形图中。
图11和12中总结的结果表明，装有CMS的起重机可以将运动引起的振动减少大90％。
4.2干扰抑制
通过在CMS被停用时给系统赋予初始钩摆动来评估CMS的抗干扰能力。
然后，在记录起重机位置和挂钩位置数据的同时激活CMS。
在几个不同的悬挂电缆长度范围从10m至3m重复该实验。
对该实验的典型系统响应示于图13中。
桥位置用实线示出，有效载荷位置用虚线示出。
在大约时间
时激活CMS。
钩振荡大多被时间
衰减，持续时间大约为两个振荡周期。
4.3定位能力
通过向起重机发出几个参考位置来评估CMS的定位能力。
自动控制试图将起重机驱动到期望的位置，同时限制运动引起的和干扰引起的振荡。
起重机对典型位置命令的响应如图14所示。
该图仅示出了在手推车方向上的运动，但是每个测试需要起重机同时在手推车和桥的方向上定位。
对于图14所示的试验，手推车在0m位置开始，然后命令移动1.25m位置。
实曲线表示整个实验过程中手推车的位置;虚线曲线表示钩的位置。
八次试验的定位误差结果如图15所示。
该图的垂直轴表示期望起重机位置和实际起重机位置之间的最终径向定位误差。
基于这些结果，平均径向定位误差约为1.8cm，标准偏差等于约1.3cm。
图12.向起重机发出脉冲速度命令后的残余挂钩摆动幅度
图13.扰动引起的振荡的消除
图14.CMS启用的小车响应位置命令为1.25m
图15.从期望位置到实际起重机位置径向测量的最终定位误差
5.结论
在30吨桥式起重机上开发和实施了起重机操纵系统（CMS）。
该系统包括用于感测吊钩位置的机器视觉系统，用于获得桥和手推车位置的激光测距传感器，用于简化总体运动任务的操纵杆界面，用于简化定位任务的视觉触摸屏界面，以及防摇/定位控制法。
CMS使操作员能够以几乎无摆动的方式操纵起重机。
运动诱发的钩的振荡减少了大约90％。
控制也可以拒绝外部诱导的摆动。
通过几厘米量级的定位能力证明了钩的精确定位。
致谢
如果没有CAMotion公司和西门子能源和自动化公司的慷慨支持，这个项目是不可能的。
我们还感谢洛根铝业公司的BarryGardner先生，他提供了专业的技术能力和服务。
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