[发明专利]消除塔式起重机载荷摆动PLC变频调速控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种PLC变频调速控制系统，特别是一种基于时滞滤波理论(美国佐治亚理工学院称为输入整形理论)消除塔式起重机载荷摆动PLC变频调速控制系统，这一控制系统能有效消除塔式起重机载荷摆动，实现无摆运输载荷。属于起重机控制技术领域。

背景技术

塔式起重机主要用于建筑工地，进行建筑材料的搬运、施工和安装，随着变频调速技术在塔式起重机上的广泛应用，提高了塔式起重机的工作效率、安全性和可靠性。塔式起重机是通过变幅机构和回转机构驱动小车运行，载荷是通过起升钢丝绳与小车连接，也就是说，塔式起重机是通过钢丝绳移动载荷，钢丝绳是挠性机械结构，这使塔式起重机的动力学特性表现为非线性低频振动特性。塔式起重机的运行机构频繁的起、制动引起载荷摆动，载荷摆动带来如下危害：1)产生周期性的扭矩、弯矩和倾翻力矩，影响着塔式起重机的安全性和可靠性；2)延长辅助作业时间，降低了塔式起重机的工作效率；3)增大功率消耗；4)使塔式起重机难以实现自动取/卸载荷，阻止了自动化操作的进程。为此，本发明公开了一种基于塔式起重机动力学特性和时滞滤波理论的PLC变频调速控制系统，有效消除载荷摆动，进一步提高了塔式起重机的工作效率、安全性和可靠性，为实现塔式起重机自动化操作提供了一套理论、方法和技术。

发明内容

本发明的目的是根据塔式起重机的动力学特性，基于时滞滤波理论，提供一种结构简单，成本低廉，操作简便的塔式起重机PLC变频调速控制系统，为实现塔式起重机自动化操作、无摆运输载荷提供了一套理论、方法和技术。本发明通过如下技术方案实现：

根据塔式起重机三大运行机构的动力学特性和载荷摆动特性，建立塔式起重机的惯性极坐标系、非惯性笛卡尔坐标系和非惯性球坐标系；根据Lagrange-Euler方程建立塔式起重机非线性动力学模型和线性化动力学模型；基于塔式起重机载荷摆动特性，应用时滞滤波理论提出EI时滞滤波器，将这一时滞滤波器应用于消除载荷摆动的控制系统中，开发出基于时滞滤波理论消除载荷摆动的PLC变频调速控制系统。

塔式起重机结构示意图及坐标系统技术方案。塔式起重机是由变幅机构、回转机构和起升机构组成，结构示意图如图1所示。回转塔式起重机通过起重臂的回转运动和变幅小车沿着起重臂的移动来运输载荷，根据这一运动特点，建立惯性极坐标系{e_ρ，e_ψ}，坐标原点取在塔身回转中心线与起重臂回转面交点处。载荷随悬挂点运动的同时做空间摆运动，且摆长不断变化，据此建立非惯性笛卡儿坐标系{i，j，k}和非惯性球坐标系{e_θ，e_φ，e_l}，坐标原点取在钢丝绳的悬挂点处，随变幅小车移动，并且与起重臂同步旋转，坐标系统如图2所示。

载荷悬挂点在极坐标系中的位置是(ρ，ψ)，ρ和ψ分别表示小车的位移和起重臂的回转角度，载荷在非惯性球坐标系中的位置用三个广义坐标(l，θ，φ)表示，l表示起升钢丝绳的长度，φ表示起升钢丝绳与x₁o₁z₁平面夹角，θ表示起升钢丝绳在x₁o₁z₁平面投影与过载荷悬挂点铅垂线的夹角。系统有5个参量，变幅小车运动速度或加速度起重臂回转角速度或回转角加速度载荷提升速度或提升加速度载荷摆动角度θ和φ，前三个量是控制量，后两个量为被控制量。

塔式起重机非线性动力学模型技术方案。根据塔式起重机运行实际情况，给出如下假设和要求：(1)将钢丝绳的质量集中在吊钩处；(2)起升钢丝绳刚度足够大，其长度变化忽略不计；(3)忽略空气阻力。

设在图2中x₁o₁y₁平面位置势能为零，Lagrange函数为