[发明专利]自适应调节起重臂回转动刚度以消除摆动的方法和系统

权利要求书

1.一种自适应调节起重臂回转动刚度以消除摆动的方法，其特征是：

首先分析起重机回转机构和起重量对起重臂振动的影响规律，建立起重臂振动系统的动力学模型，然后根据实测的起重臂端部摆动幅值和货物摆动的角度计算起重臂的摆动模态坐标，通过实时测量的起重机回转角速度、角加速度和起重量计算起重臂的实时回转动刚度，最后根据起重臂的实时回转动刚度计算下一时刻的起重臂摆动幅值以计算所需调节的斜拉水平调节绳的长度，通过调节斜拉水平调节绳的长度，从而改变起重臂下一时刻的回转动刚度，以达到消除起重臂摆动的目的；

计算起重臂的摆动模态坐标的过程是：

起重臂摆动幅值y(x,t)与起重臂摆动模态坐标函数q_i(t)的对应关系表示为：

式中，y(x,t)为起重臂在回转平面内在t时刻距离塔身x位置处的摆动幅值，为起重臂第i阶振型函数，其中，β_i为超越方程cos(β_il_b)cosh(β_il_b)+1＝0的解，l_b为起重臂的长度，q_i(t)为起重臂第i阶摆动模态坐标函数；

起重臂第i阶摆动模态坐标函数q(t)与回转运动角速度角加速度和起重量m_l的数学模型表示如下：

式中，用点表示对时间t求导，m_l为货物的质量，m_b为起重臂的单位长度质量，m_a为变幅小车的质量，ρ为变幅小车与起重臂回转中心之间的距离，φ_i(ρ)为变幅小车位置处起重臂第i阶的振型函数值，θ为货物摆动的角度，为货物摆动的角速度，E为起重臂的弹性模量，I为起重臂的截面惯性矩，φ_j为起重臂第j阶振型函数，其中，l为钢丝绳的长度；

利用倾角仪获取塔式起重机正常工作时货物的实时摆动角度θ，利用GPS测量仪获取起重臂端部实时摆动幅值y(l_b,t)，通过上述数学模型计算起重臂第i阶实时摆动模态坐标函数q_i(t)；

计算起重臂的实时回转动刚度的过程是：

基于起重机回转运动角速度角加速度和起重量m_l与起重臂摆动幅值和摆动频率的关系模型，推导出起重臂实时回转动刚度的数学表达式，起重臂的实时回转动刚度为：

利用实测的回转运动的实时角速度变幅小车所处的位置ρ和计算得到的实时摆动模态坐标函数q_i(t)，通过上式计算起重臂相对应的实时回转动刚度。

2.一种自适应调节起重臂回转动刚度以消除摆动的系统，其特征是：该系统，包括斜拉水平调节绳、黑匣子、倾角仪、GPS测量仪、中控系统、起重臂端部摆动模态坐标函数计算子系统、起重臂回转动刚度计算子系统、起重臂端部摆动幅值预测子系统和起重臂回转动刚度自适应调节子系统；

斜拉水平调节绳一端与起重臂铰接，一端与起重臂回转动刚度自适应调节子系统的伺服电机连接；

GPS测量仪安装在起重臂的端部，用于测量起重臂端部在回转平面内运动的实时位置；

倾角仪安装在吊钩上，用于测量吊绳与过起重臂轴线的竖直平面的夹角；

黑匣子用于储存和输出回转运动的角速度、角加速度和起重量；

中控系统，实现数据的转换和控制数据传输功能，将由GPS测量仪输出的数据转换为起重臂的实时摆动幅值输入到起重臂端部摆动模态坐标函数计算子系统；将黑匣子输出的回转运动的角速度、角加速度和起重量输入到起重臂端部摆动模态坐标函数计算子系统和起重臂回转动刚度计算子系统；将起重臂端部摆动模态坐标函数计算子系统和起重臂回转动刚度计算子系统输出的数据输入到起重臂端部摆动幅值预测子系统，将由起重臂端部摆动幅值预测子系统输出的数据输入到起重臂回转动刚度自适应调节子系统；

起重臂端部摆动模态坐标函数计算子系统，建立起重机回转运动角速度、角加速度和起重量与起重臂端部摆动幅值的动力学关系，将通过中控系统输出的起重臂实时摆动幅值、回转运动角速度、角加速度和起重量根据对应关系计算起重臂实时摆动模态坐标，将计算的起重臂实时摆动模态坐标通过中控系统输入到起重臂端部摆动幅值预测子系统；

起重臂回转动刚度计算子系统，基于起重机回转运动角速度、角加速度和起重量与起重臂端部摆动幅值的动力学关系建立起重臂回转动刚度计算公式，通过中控系统输出的回转运动角速度、角加速度和起重量根据起重臂回转动刚度计算公式计算起重臂实时回转动刚度，并将计算数据通过中控系统输入到起重臂端部摆动幅值预测子系统；

起重臂端部摆动幅值预测子系统，利用中控系统输出的起重臂实时摆动模态坐标和起重臂实时回转动刚度通过差分方程计算起重臂下一时刻的摆动幅值并输入到中控系统；

起重臂回转动刚度自适应调节子系统，由伺服驱动器和伺服电机组成，利用由中控系统输出的起重臂下一时刻的摆动幅值计算下一时刻所需调节的斜拉水平调节绳的长度，伺服驱动器驱动伺服电机运动，调整斜拉水平调节绳的长度，进而调整起重臂的刚度，以达到消除起重臂摆动的目的。