Устройство автоматического успокоения маятниковых колебаний груза, перемещаемого тележкой мостового крана

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для уменьшения раскачивания подвешенного на канате груза, перемещаемого мостовыми, козловыми или портальными кранами. Устройство предназначено для работы с электроприводами постоянного и переменного тока. Работа устройства заключается во введении в систему управления корректирующего сигнала, пропорционального величине отклонения груза от положения равновесия. Корректирующий сигнал получают с помощью модели системы «точка подвеса - груз». Полученный корректирующий сигнал, пропорциональный углу отклонения груза от вертикальной оси, вычитается из сигнала задания на скорость на входе регулятора скорости. Разница поступает на вход регулятора скорости. Такое решение позволяет, не ограничивая ускорения движения точки подвеса груза в начале переходного процесса, в значительной степени изменять его в конце переходного процесса. Достигаемый технический эффект от применения предлагаемого способа заключается в уменьшении времени успокоения колебаний подвешенного груза и позволяет увеличить степень затухания колебаний груза, за счет формирования более точного значения угла отклонения груза, что позволяет производить его точное позиционирование.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для уменьшения раскачивания подвешенного на канате груза, перемещаемого мостовыми, козловыми или портальными кранами. Устройство предназначено для работы с электроприводами постоянного и переменного тока. Система подчиненного регулирования приводами реализуется с помощью быстродействующего микропроцессорного контроллера.

Груз, прикрепленный с помощью подвески к механизму передвижения, представляет собой математический маятник с подвижной точкой подвеса. При пуске и торможении механизма передвижения точка подвеса груза движется с ускорением, определяемым динамическим моментом, развиваемым приводным электродвигателем. При этом груз под действием сил инерции отклоняется от положения равновесия в сторону, противоположную движению механизма. После достижения приводом механизма передвижения заданной скорости, ускорение точки подвеса становится равным нулю, и колебания груза затухают вследствие действия сил сопротивления. Наличие колебаний приводит к затруднению процесса точного позиционирования груза.

Известен способ демпфирования колебаний и устройство для его осуществления (авторское свидетельство SU 640960, М.Кл. В66С 13/06 от 19.06.74 г.), основанный на создании силы, равной по величине и противоположно направленной силе сопротивления движения, которая вызывает отклонение груза от вертикальной оси во время движения. Создаваемая сила прикладывается к механизму, вызывающему отклонение груза и пропорциональна его скорости.

Работа устройства осуществляющего реализацию описанного способа управления заключается в следующем: при приближении груза к месту его остановки начинает работать схема гашения колебаний, с помощью которой создается момент приводного устройства, изменяющийся по трапециидальному закону. В случае возникновении отклонения груза устройство передвижения сдвинется с места в сторону отклонения груза. Когда в процессе колебания груза его отклонение станет достаточно малым, схема коррекции будет отключена.

Недостатком данного способа успокоения маятниковых колебаний груза, заключается в необходимости дополнительного времени на гашения колебаний и использовании маневров устройства перемещения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для ограничения раскачивания подвешенного на тележке груза (авторское свидетельство SU 1364598 А1, М.Кл. В66С 13/06 от 07.01.88 г.). Принцип работы устройства заключается в формировании сигнала обратной связи, пропорционального скорости изменения угла отклонения груза от вертикали. Обратная связь подается на выход регулятора скорости.

Недостаток данного устройства заключается в том что, не учитывается, длина подвеса при расчете угла отклонения груза. Что приводит к не точному определению угла отклонения груза.

Технической задачей предлагаемого изобретения является уменьшение времени успокоения колебаний подвешенного груза к механизму передвижения тележки и увеличения степень затухания колебаний груза по сравнению с прототипом, за счет формирования более точного значения угла отклонения груза, что способствует процессу точного позиционирования груза.

Использование предлагаемого устройства автоматического успокоения маятниковых колебаний груза, перемещаемого тележкой мостового крана, позволяет получить сигнал пропорциональный углу отклонения груза от вертикальной оси в плоскости движения тележки. Полученный сигнал подается на вход пропорционального усилителя. Сигнал с выхода усилителя вычитается из сигнала задания на скорость. Разница поступает на вход регулятора скорости и является заданием на скорость.

Устройство автоматического успокоения маятниковых колебаний груза, перемещаемого тележкой мостового крана представлено на чертежах, где:

на фиг.1 - представлена расчетная схема усилий в плоскости движения тележки;

на фиг.2 - представлена функциональная схема определения угла отклонения груза в плоскости движения тележки;

на фиг.3 - представлена структурная схема системы управления;

на фиг.4 - представлен график скорости тележки и угла отклонения груза в плоскости движения тележки, иллюстрирующий работу предлагаемого устройства коррекции.

Работа предлагаемого устройства заключается во введении в систему управления корректирующего сигнала, пропорционального величине отклонения груза от положения равновесия. Корректирующий сигнал получают с помощью модели системы «точка подвеса - груз».

Груз массой m_г с помощью подвеса длиной L_п связан с точкой подвеса, движущейся под действием силы F_дт создаваемой приводным двигателем тележки (фиг.1). Длина подвеса изменяется за счет действия силы F _дп, создаваемой двигателем подъема. Груз отклоняется от положения равновесия на некоторый угол а вследствие действия сил, обусловленных весом груза и силы сопротивления движению F_св. Под действием веса груза m_гg возникают силы F_1x=m_гg·sin_x и F_2x=m_гg·cos_x. Сила F_1x вызывает движение груза к своему положению равновесия, a F_2x - определяет натяжение подвеса.

Если принять, что угол отклонения груза невелик и что sin_xx, то дифференциальное уравнение движения груза в плоскости движения тележки (фиг.1) запишется в виде:

где - сила сопротивления движения; x₀ - отклонение груза от положения равновесия; m_г, m_т - массы груза и тележки соответственно; L_п - длина подвеса; K_св, K_т - коэффициенты пропорциональности; a_т - ускорение двигателя тележки.

Период колебаний груза определяется соотношением масс груза, тележки и длиной подвеса:

.

Амплитуда колебаний является функцией величины динамического момента, прикладываемого со стороны привода тележки и периода колебаний:

Ускорение тележки:

где Т_зи__т - время выхода на заданную скорость (параметр задатчика интенсивности системы управления механизмом передвижения тележки).

Подставив (3) в (2) получим:

Из (4) следует что, амплитуда отклонения зависит от величины уставки задатчика интенсивности и длины подвеса. Величина Т_зи__т выбирается при настройке электроприводов (большое значение приведет к значительному снижению колебаний, но вызовет затягивание переходных процессов). На основании уравнений (1) и (4) строим схему устройства ограничения колебаний.

Функциональная схема определения угла отклонения в плоскости движения тележки представлена на фиг.2. Входными параметрами являются: ускорение тележки выход блока задатчика интенсивности и измеренные с помощью датчиков длины подвеса L_n и массы груза m_г . Выход - значение угла отклонения хо в плоскости движения тележки.

Устройство для ограничения раскачивания груза в плоскости движения тележки содержит задатчик интенсивности - 1; пропорциональные усилители 4, 9 и 18 с коэффициентами усиления k_т, К_св и К_кор соответственно; сумматоры - 5, 16, 19; интеграторы - 6, 7; делители - 8, 13 и 15; блоки умножения - 11, 14; блоки, формирующие константные значения: 10 (масса тележки - паспортные данные), 12 (ускорение свободного падения - 9,81 м/с²), 17 (число 1).

Полученное значение угла отклонения груза от вертикальной оси в плоскости движения тележки подаем на вход пропорционального усилителя 18 с коэффициентом масштабирования К_кор. Сигнал с выхода усилителя вычитаем из сигнала задания на скорость. Разница поступает на вход регулятора скорости и является заданием на скорость (фиг.3). На фиг.3: ЗИ - задатчик интенсивности, PC - регулятор скорости, РТ - регулятор тока, М - электропривод.

В начальный момент пуска точка подвеса груза разгоняется с постоянным ускорением, определяемым величиной уставки задатчика интенсивности. При этом груз под действием сил инерции отклоняется от вертикального положения, вследствие чего появляется отклонение в плоскости движения тележки x₀. В какой-то момент времени разница между выходом задатчика интенсивности и корректирующим сигналом становится достаточной для того, чтобы регулятор скорости вышел из режима ограничения, причем это происходит до достижения приводом заданной скорости. Следовательно, в конце переходного процесса уменьшается ускорение привода, что приводит к уменьшению динамического момента на валу двигателя и груз догоняет точку подвеса. В результате после завершения переходного процесса (после достижения заданной скорости) отклонения груза отсутствуют (фиг.4). На фиг.4 V _т - скорость движения тележки, - угол отклонения груза в плоскости движения тележки.

Устройство автоматического успокоения маятниковых колебаний груза, подвешенного к механизму передвижения тележки мостового крана, содержащее гибкий подвес, электропривод механизма передвижения тележки, датчик веса груза, задатчик интенсивности системы подчиненного управления с выходным сигналом - (ускорение механизма), интегратор, блок деления, сумматор, узел задания константы (m_т - масса тележки), отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности гашения колебаний за счет точности определения угла отклонения груза и применения устройства для гашения возникающих колебаний в плоскости движения тележки, интегратор охвачен отрицательной обратной связью с коэффициентом К_св, подключенной к первому сумматору, кроме того, добавлен второй интегратор с единичной отрицательной обратной связью, поступающей на вход первого умножителя, на другой вход которого подается сигнал, определяемый с помощью сигнала с датчика веса (пропорционального массе груза m_г), поступающего на вход делителя, деленного на константу - m_т массу тележки, результат поступает на сумматор, где происходит сложение с константой, равной 1, выход сумматора соединен со входом умножителя, на второй вход умножителя поступает сигнал с выхода делителя, в котором происходит деление константы, равной 9,81 (ускорение свободного падения), на длину подвеса, получаемую с датчика длины, выход умножителя поступает на вход первого умножителя, выход которого подается на вход первого сумматора, на который также поступает сигнал с выхода задатчика интенсивности - , подаваемый через пропорциональный усилитель с коэффициентом усиления К_т, выход второго интегратора поступает на вход делителя, где делится на константу m_т, на выходе делителя получаем величину, пропорциональную углу отклонения в плоскости движения механизма, поступающую на вход пропорционального усилителя с коэффициентом масштабирования К_кор, полученное значение вычитается из сигнала задания на скорость, поступающего на вход регулятора скорости.