專利名稱：雙起升場橋雙吊具同步控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集裝箱裝卸運(yùn)輸領(lǐng)域，特別涉及雙起升場橋雙吊具的同步控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
雙起升雙吊具場橋是一種新型港口集裝箱起重機(jī)械，已經(jīng)開始在上海港、天津港 等國際集裝箱碼頭的堆場投入使用。這種場橋系統(tǒng)包括兩個吊具獨(dú)立的吊具，它一次可以 吊運(yùn)一個40’的集裝箱或兩個20’的集裝箱，極大地提高了港口裝卸的效率。雙起升雙吊 具場橋控制系統(tǒng)要求在雙吊具運(yùn)行模式下雙吊具能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行，要求精確的起吊位置控制 和起升速度控制，同時，場橋控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠在不同的運(yùn)行模式間方便地切換，以滿足裝 卸任務(wù)的不同要求。傳統(tǒng)的場橋控制系統(tǒng)和控制方法都難以滿足上述這些要求?，F(xiàn)有的雙 吊具控制系統(tǒng)由于控制方式不靈活，控制性能不理想，也限制了新型雙起升雙吊具場橋功 能的發(fā)揮。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種雙起升雙吊具同步控制系統(tǒng)，可以在雙 吊具負(fù)載不均衡的情況下，實(shí)現(xiàn)雙吊具系統(tǒng)的速度同步控制和位置同步控制。為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種雙起升場橋雙吊具同步控制系統(tǒng)，其特征在于，包括分別控制兩個吊具的兩 個閉環(huán)控制器，所述兩個閉環(huán)控制器之間連接可調(diào)節(jié)同步狀態(tài)的補(bǔ)償運(yùn)算單元；每個所述 的閉環(huán)控制器包括依次順序連接的可接收吊具操作指令的位移給定單元、吊具位置控制 器、速度給定單元、吊具速度控制器、驅(qū)動吊具運(yùn)動的功率驅(qū)動單元和吊具起升電機(jī)；所述 吊具起升電機(jī)的輸出端和位移給定單元的輸入端之間連接吊具位置檢測單元；所述吊具起 升電機(jī)輸出端和速度給定單元的輸入端之間連接可實(shí)時估計(jì)吊具速度的吊具速度估計(jì)單兀。進(jìn)一步特征為所述的可調(diào)節(jié)同步狀態(tài)的補(bǔ)償運(yùn)算單元至少包括速度補(bǔ)償器和位 置補(bǔ)償器中的一種，所述速度補(bǔ)償器的輸入端連接每個閉環(huán)控制器中的吊具速度估計(jì)單元 的輸出端，速度補(bǔ)償器的輸出端連接每個閉環(huán)控制器中速度給定單元的輸入端；所述兩個 閉環(huán)控制器的吊具起升電機(jī)輸出端通過位置補(bǔ)償器連接到一個閉環(huán)控制器中的位移給定單元。進(jìn)一步特征為所述吊具操作指令通過操作模式切換邏輯單元連接到兩個閉環(huán)控 制器的位移給定單元。進(jìn)一步特征為所述的速度同步補(bǔ)償器的輸出端通過速度同步補(bǔ)償模式切換邏輯 單元連接到兩個閉環(huán)控制器的速度給定單元。位置補(bǔ)償器通過位置同步補(bǔ)償模式切換邏輯 單元連接到其中一個閉環(huán)控制器中的位移給定單元。在第一個采樣周期，吊具位置操作指令θ &被送到兩個位移給定部件，然后通過 吊具位置控制器計(jì)算出位置控制輸出和，這兩個信號作為速度控制器的給定經(jīng)過速度控制器的運(yùn)算，得到速度控制輸出i-和iqs2，這兩個信號送入功率驅(qū)動單元，分別驅(qū)動 兩個吊具進(jìn)行運(yùn)動，并產(chǎn)生吊具位置信號Q1* θ2。在第二個采樣周期，吊具位置操作指 令θ &被送到兩個位移給定部件與位置檢測值elf和e2f進(jìn)行比較運(yùn)算，得到位置控制器 的給定信號％和％，經(jīng)過位置控制器運(yùn)算得到位置控制輸出和，這兩個信號分別與 吊具速度估計(jì)值ω 、ω2 以及吊具速度補(bǔ)償值ω。” ω。2進(jìn)行綜合，得到吊具速度控制器輸 入Ulr和U2r，即Ulr = Qlr+Qlc+Qlf,u2r = ω&+ω&+ω2 。經(jīng)過吊具速度控制器運(yùn)算得到吊 具起升控制輸出量1_和i2qs，通過驅(qū)動單元驅(qū)動起升電機(jī)運(yùn)行。在這個過程中，雙吊具的 速度保持同步，雙吊具的位置也保持了同步，在兩個閉環(huán)內(nèi)的各種干擾也得到了有效抑制。 在以后的各個控制周期中，將重復(fù)這個控制過程，使得雙吊具協(xié)調(diào)控制目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明涉及的雙起升橋吊系統(tǒng)一般工作在幾種模式下(1)單吊具工作模式；(2) 雙吊具互鎖工作模式；(3)雙吊具獨(dú)立工作模式；(4)其它工作模式。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是不僅在雙吊具互鎖的工作模式中負(fù)載不均衡的情況下，能夠?qū)?現(xiàn)雙吊具系統(tǒng)的速度同步控制和位置同步控制問題，而且在其它的工作模式下，均能夠抑 制起吊過程中出現(xiàn)的負(fù)載擾動和其它擾動，實(shí)現(xiàn)精確的位置控制和起升速度控制；系統(tǒng)中 不需要速度傳感器，結(jié)構(gòu)簡單可靠，根據(jù)不同的裝卸任務(wù)要求，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)在多種工作模 式間自由切換，使用靈活。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié) 合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。參見附圖1，本發(fā)明中的雙起升雙吊具同步控制系統(tǒng)，吊具1操作指令和吊具2操 作指令通過操作模式切換邏輯單元同時輸入給控制兩個吊具的兩個閉環(huán)控制器，兩個閉環(huán) 控制器之間連接可調(diào)節(jié)同步狀態(tài)的補(bǔ)償運(yùn)算單元，吊具對應(yīng)的閉環(huán)控制器包括依次連接的 可接收吊具操作指令的位移給定單元、吊具位置控制器、速度給定部件、吊具速度控制器、 驅(qū)動吊具運(yùn)動的功率驅(qū)動單元和吊具起升電機(jī)，從吊具起升電機(jī)輸出端經(jīng)過吊具位置檢測 單元連接到位移給定單元；所述吊具起升電機(jī)輸出端也通過吊具速度估計(jì)單元連接到速度 給定單元，吊具2的閉環(huán)控制器組成與吊具1 一樣，不再贅述。為了實(shí)現(xiàn)雙吊具的同步控制，就需要在兩個閉環(huán)控制器之間設(shè)置可調(diào)節(jié)同步狀態(tài) 的補(bǔ)償運(yùn)算單元，該補(bǔ)償運(yùn)算單元包括速度補(bǔ)償器和位置補(bǔ)償器，所述速度補(bǔ)償器的輸入 端連接每個閉環(huán)控制器中的吊具速度估計(jì)單元的輸出端，速度補(bǔ)償器的輸出端通過速度同 步補(bǔ)償邏輯單元連接到每個閉環(huán)控制器中速度給定單元的輸入端；所述兩個閉環(huán)控制器的 吊具起升電機(jī)的輸出端通過位置補(bǔ)償器輸出給位置同步補(bǔ)償邏輯后連接到一個閉環(huán)控制 器中的位移給定單元。操作模式切換邏輯單元和速度/位置同步補(bǔ)償邏輯單元是一種聯(lián)動的邏輯運(yùn)算 單元，是一組聯(lián)動邏輯切換開關(guān)，其作用是根據(jù)雙起升雙吊具場橋的不同工作模式，來自動 變換控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。切換邏輯需要根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，通過編程來實(shí)現(xiàn)。具體來說，根據(jù)集裝箱裝卸作業(yè)任務(wù)的不同要求，本發(fā)明涉及的雙起升橋吊系統(tǒng)一般工作在幾種 模式下(1)單吊具工作模式；(2)雙吊具互鎖工作模式；(3)雙吊具獨(dú)立工作模式；(4)其 它工作模式。(1)單吊具工作模式(其中另一個吊具掛起)這時，橋吊系統(tǒng)相當(dāng)于一個普通單 起升場橋，這種模式下只需要一個吊具控制系統(tǒng)(1或2)工作，另一個吊具控制系統(tǒng)及兩個 吊具控制器間的位置/速度補(bǔ)償單元都需要切換掉。這個工作就有可編程的操作模式切換 邏輯、速度同步補(bǔ)償邏輯和位置同步補(bǔ)償邏輯完成。(2)當(dāng)雙吊具工作在同步模式下，由于集裝箱的重量是不確定的，有些情況下箱重 差異很大，這要求雙起升裝置實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載條件下的協(xié)調(diào)控制，既要保證起升位置同步，又 要保持起升速度均衡。這時就需要實(shí)現(xiàn)雙吊具的位置和速度同步控制，操作模式切換邏輯、 速度同步補(bǔ)償邏輯和位置同步補(bǔ)償邏輯必須將系統(tǒng)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)和操作指令環(huán)節(jié)接駁到系 統(tǒng)中，保證位置同步和速度同步控制的有效性。(3)當(dāng)雙吊具處于獨(dú)立工作模式下時，為了適應(yīng)特殊作業(yè)要求兩個吊具各自獨(dú)立 進(jìn)行起吊作業(yè)，此時兩個負(fù)載的起吊高度和負(fù)載載荷可能完全不同，只是小車運(yùn)行速度相 同，此時，兩個吊具控制器系統(tǒng)需要獨(dú)立工作，但不需要保證兩個吊具位置和速度的同步控 制，因此，操作模式切換邏輯單元、速度同步補(bǔ)償邏輯單元和位置同步補(bǔ)償邏輯單元需要切 換掉兩個控制系統(tǒng)之間的位置補(bǔ)償器和速度補(bǔ)償器，保證兩個吊具控制系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行。(4)其它工作模式由于集裝箱碼頭裝卸的需要，有時雙吊具場橋在(2)情況下 對位置/速度控制的要求不高，只要一個速度補(bǔ)償器或一個位置補(bǔ)償器足以滿足同步的精 度，這時有可能單獨(dú)切換掉位置補(bǔ)償器或速度補(bǔ)償器；在(1)情況下，有時需要吊具1、2輪 流分時工作，這時也需要操作模式切換邏輯單元、速度同步補(bǔ)償邏輯單元和位置同步補(bǔ)償 邏輯單元的聯(lián)動，切換掉不使用的吊具控制系統(tǒng)，保證只有一個吊具在工作。總之，港口集裝箱作業(yè)的要求有多種，切換邏輯和補(bǔ)償邏輯單元目的就是要根據(jù) 不同的要求，及時調(diào)整速度/位置補(bǔ)償器和吊具操作指令單元的連接方式，改變雙起升雙 吊具同步控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)這些不同裝卸作業(yè)需求。在此，針對控制系統(tǒng)要求最高的雙吊具同步控制的結(jié)構(gòu)單元原理和工作過程作詳 細(xì)闡述。參見附圖1，吊具1、2操作指令是一種模擬給定信號，這個信號來自于場橋操作臺。雙吊具同步控制系統(tǒng)中的位移/速度給定單元是一個運(yùn)算單元，其功能是對若干 輸入信號進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換(比如D/A變換)和標(biāo)度變換，然后進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，得到一個輸出信 號，供給位置(或速度)控制器使用。給定單元的輸入信號類型主要有操作指令信號、現(xiàn)場 位置/速度檢測(估計(jì))信號和位置/速度補(bǔ)償信號。給定單元由一個單片機(jī)系統(tǒng)(也可 以是一個PLC單元)來實(shí)現(xiàn)，由D/A(或A/D)器件、隔離器件、單片機(jī)(或片上系統(tǒng))、存儲 單元、I/O總線單元和電源系統(tǒng)組成。位置/速度控制器，也是一個數(shù)字運(yùn)算單元，其功能是可以運(yùn)行各種不同的控制 算法，比如普通PID、模糊自整定PID算法、單神經(jīng)元PID控制等，可設(shè)置調(diào)整控制參數(shù)，然 后將運(yùn)算結(jié)果，即控制量，輸出到下一個單元。位置/速度控制器由一個單片機(jī)系統(tǒng)(或片 上單元或PLC模塊)實(shí)現(xiàn)，其核心部件是CPU，執(zhí)行控制邏輯運(yùn)算功能。本發(fā)明中的四個控制器(兩個位置控制器和兩個速度控制器)其控制算法和控制參數(shù)均不同(其中兩個位置 控制器或者兩個速度控制器可以選擇同類控制算法)，控制算法和控制參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場 情況設(shè)計(jì)和整定。位置/速度控制器硬件一般由CPU單元、存儲單元(ROM和RAM)、I/O接 口、邏輯器件、時鐘單元、電源等構(gòu)成，這是本控制系統(tǒng)的核心部件之一?？刂破靼惭b在場橋 控制柜中。本發(fā)明中不對控制器算法選擇進(jìn)行限制。吊具1、2速度估計(jì)器是一個數(shù)據(jù)處理單元，其功能是根據(jù)檢測到的吊具1、2的位 置信號，經(jīng)過運(yùn)算處理，得到小車的速度信號。吊具速度估計(jì)器硬件由CPU(或微分元件)、 存儲器、I/O單元等組成。速度估計(jì)器安裝在同步控制器上。速度估計(jì)的原理有多種，最簡 單的算法是對位置信號進(jìn)行微分運(yùn)算得到相應(yīng)的速度估計(jì)，當(dāng)然也可以采用其它算法，這 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要決定。本發(fā)明并不對速度估計(jì)算法的選擇進(jìn)行限制。功率驅(qū)動單元根據(jù)雙吊具驅(qū)動電機(jī)的不同，可以選擇不同的功率驅(qū)動器。對于目 前比較流行的感應(yīng)式電機(jī)，功率驅(qū)動單元一般采用變頻器實(shí)現(xiàn)。位置/速度補(bǔ)償器是一個數(shù)字運(yùn)算單元，其功能是可以運(yùn)行各種不同的控制算 法，比如普通P、PD、模糊自整定算法等，可設(shè)置調(diào)整補(bǔ)償參數(shù)，然后將補(bǔ)償運(yùn)算結(jié)果，S卩補(bǔ)償 量，輸出到位置給定單元(或速度給定單元)參與控制。本發(fā)明中兩種補(bǔ)償?shù)脑聿灰粯樱?因此補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)也不一樣。兩種補(bǔ)償器都可以選用不同的補(bǔ)償算法，本發(fā)明并未對補(bǔ)償算 法的選擇進(jìn)行限制。雙吊具同步控制方式的工作過程如下設(shè)系統(tǒng)開始處于靜止?fàn)顟B(tài)。在同步控制模式下，操作模式切換邏輯將保證只有一 個吊具操作指令(或有效，同時位置同步補(bǔ)償邏輯和位置同步補(bǔ)償邏輯保證兩個 補(bǔ)償裝置信號接通。設(shè)在第一個采樣周期，吊具位置操作指令θ &被送到兩個位移給定部 件，然后通過吊具位置控制器計(jì)算出位置控制輸出和ω&，這兩個信號作為速度控制器 的給定經(jīng)過速度控制器的運(yùn)算，得到速度控制輸出iqsl和iqs2，這兩個信號送入功率驅(qū)動單 元，分別驅(qū)動兩個吊具進(jìn)行運(yùn)動，并產(chǎn)生吊具位置信號Q1* θ 2。在第二個采樣周期，吊具 位置操作指令θ &被送到兩個位移給定部件與位置檢測值elf和θα進(jìn)行比較運(yùn)算，得到 位置控制器的給定信號 和％，經(jīng)過位置控制器運(yùn)算得到位置控制輸出和ω&，這兩個 信號分別與吊具速度估計(jì)值《lf、C^f以及吊具速度補(bǔ)償值ω?！?ω。2進(jìn)行綜合，得到吊具 速度控制器輸入1^和11&，即Uk = Qlr+Qlc+Qlf,u2r = ω&+ω&+ω2 。經(jīng)過吊具速度控制 器運(yùn)算得到吊具起升控制輸出量1_和i2qs，通過驅(qū)動單元驅(qū)動起升電機(jī)運(yùn)行。在這個過程 中，雙吊具的速度保持同步，雙吊具的位置也保持了同步，在兩個閉環(huán)內(nèi)的各種干擾也得到 了有效抑制。在以后的各個控制周期中，將重復(fù)這個控制過程，使得雙吊具協(xié)調(diào)控制目標(biāo)得 以實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中對位置的補(bǔ)償與對速度的補(bǔ)償采用了不同的方法，由于速度控制閉環(huán)是控 制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，響應(yīng)較快，因而速度補(bǔ)償基于交叉耦合的原理采用了雙回路補(bǔ)償?shù)慕怦羁?制方法，提高速度補(bǔ)償?shù)哪芰?，而位置控制閉環(huán)是控制系統(tǒng)的外環(huán)，位置補(bǔ)償采用了單回路 補(bǔ)償方式，減少了控制補(bǔ)償?shù)鸟詈献饔茫欣谔岣哒麄€同步控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。位置補(bǔ)償 器的輸出一般為一個偏差信號，位置補(bǔ)償原理(即位置補(bǔ)償算法或計(jì)算公式)可以選擇多 種，比如比例算法θ。= k( θ 2- θ》，其中k > 0為一個比例變換系數(shù)；也可用比例積分算 法ec = 1^(9^)+1 / (02-01)肚，其中，1^和1%)為比例和積分常數(shù)。本發(fā)明中不限制位置補(bǔ)償和速度補(bǔ)償所選用的算法。 以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變 化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種雙起升場橋雙吊具同步控制系統(tǒng)，其特征在于，包括分別控制兩個吊具的兩個 閉環(huán)控制器，所述兩個閉環(huán)控制器之間連接可調(diào)節(jié)同步的補(bǔ)償運(yùn)算單元；每個所述的閉環(huán) 控制器包括依次順序連接的可對信號進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換的位移給定單元、可進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的吊 具位置控制器、可對信號進(jìn)行處理的速度給定單元、可進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的吊具速度控制器、驅(qū) 動吊具運(yùn)動的功率驅(qū)動單元和吊具起升電機(jī)；所述吊具起升電機(jī)的輸出端和位移給定部件 的輸入端之間連接吊具位置檢測單元；所述吊具起升電機(jī)輸出端和速度給定部件的輸入端 之間連接可實(shí)時估計(jì)吊具速度的吊具速度估計(jì)單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙起升場橋雙吊具同步控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的可調(diào) 節(jié)同步狀態(tài)的補(bǔ)償運(yùn)算單元至少包括速度補(bǔ)償器和位置補(bǔ)償器中的一種，所述速度補(bǔ)償器 的輸入端連接每個閉環(huán)控制器中的吊具速度估計(jì)單元的輸出端，速度補(bǔ)償器的輸出端連接 每個閉環(huán)控制器中速度給定單元的輸入端；所述兩個閉環(huán)控制器的吊具起升電機(jī)輸出端通 過位置補(bǔ)償器反饋給一個閉環(huán)控制器中的位移給定單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙起升場橋雙吊具同步控制系統(tǒng)，其特征在于，所述吊具操 作指令通過操作模式切換邏輯單元連接到兩個閉環(huán)控制器的位移給定單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙起升場橋雙吊具同步控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的速度 同步補(bǔ)償器的輸出端通過速度同步補(bǔ)償邏輯單元連接到兩個閉環(huán)控制器的速度給定單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙起升場橋雙吊具同步控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的位置 補(bǔ)償器通過位置同步補(bǔ)償邏輯單元連接到其中一個閉環(huán)控制器中的位移給定單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙起升場橋雙吊具同步控制系統(tǒng)，包括分別控制兩個吊具的兩個閉環(huán)控制器，所述兩個閉環(huán)控制器之間連接可調(diào)節(jié)同步補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算單元；每個所述的閉環(huán)控制器包括依次順序連接的可對信號進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換的位移給定單元、可進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的吊具位置控制器、可對信號進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換的速度給定單元、可進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的吊具速度控制器、驅(qū)動吊具運(yùn)動的功率驅(qū)動單元和吊具起升電機(jī)；所述吊具起升電機(jī)的輸出端和位移給定單元的輸入端之間連接吊具位置檢測單元；所述吊具起升電機(jī)輸出端和速度給定部件的輸入端之間連接可實(shí)時估計(jì)吊具速度的吊具速度估計(jì)單元。本發(fā)明控制系統(tǒng)能夠解決雙吊具負(fù)載不均衡的情況下，雙吊具系統(tǒng)的速度同步控制和位置同步控制問題。
文檔編號B66C13/22GK102079484SQ201010114549
公開日2011年6月1日 申請日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者康偉, 徐為民, 褚建新, 顧偉 申請人:上海海事大學(xué)