本发明涉及工程机械领域， 具体地， 涉及一种用于臂架振动主动控制 的控制器、 系统以及方法。 背景技术

具有臂架的工程机械 （例如混凝土泵车） 工作时臂架部分伸展较大， 在力学上属悬臂梁结构， 受力比较复杂， 容易产生振动。 混凝土泵车臂架 振动是影响泵车整车性能和施工质量的重要因 素之一， 振动过大会造成臂 架末端的软管无法精确定位， 同时产生的动应力直接影响泵车的疲劳寿命。 随着高压、 大排量泵送和超长臂架技术的发展， 臂架振动问题越发受到重 视， 如何有效地主动抑制臂架振动的需求日益迫切 。

现有的主动抑制臂架振动的方法一种方式是增 设抑制油缸， 通过调整 抑制油缸的动作来达到减振的目的， 但是这种方式要增加抑制油缸、 改造 机械结构， 实施起来较为复杂； 另一种方式是如 CN102071809A中记载的， 采集臂架振动幅度和角度参数来控制电磁比例 阀以达到减振的目的， 但是 这种方式只能起到简单的主动抑制作用， 不够精确。 发明内容

本发明的目的是提供一种用于臂架振动主动控 制的控制器、 系统以及 方法。

为了实现上述目的， 本发明提供一种用于臂架振动主动控制的控制 器， 该控制器包括： 信号采集单元， 用于采集表征臂架振动情况的振动信号以 及表征臂架姿态的姿态信号并将振动信号和姿 态信号分别转换为振动数据 和姿态数据； 臂架动态特性获取单元， 用于根据信号采集单元转换得到的 姿态数据获取与该姿态数据对应的臂架动态特 性； 以及振动控制单元， 用 于根据信号采集单元转换得到的振动数据以及 臂架动态特性获取单元获取 的臂架动态特性来计算控制信号并将该控制信 号输出到臂节作动控制单 元。

根据本发明的另一方面， 本发明还提供一种用于臂架振动的主动控制 系统， 该系统包括： 本发明提供的用于臂架振动主动控制的控制器 ； 臂架 振动监测单元， 用于检测臂架的振动情况， 生成振动信号并输出到所述控 制器中的信号采集单元； 臂架姿态监测单元， 用于检测臂架的姿态， 生成 姿态信号并输出到所述控制器中的信号采集单 元； 以及臂节作动控制单元， 用于接收来自所述控制器中振动控制单元的控 制信号并根据该控制信号运 行。

根据本发明的又一方面， 本发明还提供一种用于臂架振动的主动控制 方法， 该方法包括以下步骤： 采集表征臂架振动情况的振动信号以及表征 臂架姿态的姿态信号并将振动信号和姿态信号 分别转换为振动数据和姿态 数据； 根据转换得到的姿态数据获取与该姿态数据对 应的臂架动态特性； 以及根据转换得到的振动数据以及获取的臂架 动态特性来计算控制信号并 将该控制信号输出到臂节作动控制单元。

通过上述技术方案， 本发明提供的用于臂架振动的主动控制的控制 器、 控制系统以及方法通过对臂架进行振动监测和 姿态监测从而得到振动信号 和姿态信号， 然后利用姿态信号得到臂架在当前姿态下的动 态特性， 结合 振动信号计算出控制信号用以控制臂节作动控 制单元， 从而达到了较好的 主动减振的目的。 本发明获得的减振效果良好， 理想泵送工况下可消减混 凝土泵车各臂节 90%以上的振动量， 且系统稳定可靠。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施 方式部分予以详细说 明。 附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解， 并且构成说明书的一部分， 与下面的具体实施方式一起用于解释本发明， 但并不构成对本发明的限制。 在附图中：

图 1是根据本发明提供的用于臂架振动主动控制� �控制器的结构框图; 图 2是根据本发明优选实施方式提供的控制器中� �动控制单元的计算 原理图；

图 3是根据本发明提供的用于臂架振动的主动控� �系统的结构框图； 图 4是根据本发明优选实施方式提供的臂架振动� �测单元的结构图； 图 5是根据本发明提供的用于臂架振动的主动控� �方法的流程图； 图 6是采用本发明的主动控制策略所达到的控制� �果示意图。 附图标记说明

10 信号采集单元 20 臂架动态特性获取单元

30 振动控制单元 100 用于臂架振动主动控制的控制器

200 臂架振动监测单元 201 第一振动传感器

202 第二振动传感器 203 角度传感器

204 安装架 205 保护罩

300 臂节作动控制单元 400 臂架姿态监测单元 具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详 细说明。应当理解的是， 此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释 本发明， 并不用于限制本发 明。

如图 1所示， 为本发明提供的用于臂架振动主动控制的控制 器 100 (以 下简称为 "控制器 100") , 该控制器 100包括： 信号采集单元 10， 用于采 集表征臂架振动情况的振动信号以及表征臂架 姿态的姿态信号并将振动信 号和姿态信号分别转换为振动数据和姿态数据 ；臂架动态特性获取单元 20， 用于根据信号采集单元 10转换得到的姿态数据获取与该姿态数据对应� ��臂 架动态特性； 以及振动控制单元 30， 用于根据信号采集单元 10转换得到的 振动数据以及臂架动态特性获取单元 20获取的臂架动态特性来计算控制信 号并将该控制信号输出到臂节作动控制单元。

其中， 信号采集单元 10所采集的振动信号为任何能够表征臂架振动� �� 况的信号， 优选是表征臂架末端的振动情况的信号， 包括但不限于位移信 号、 速度信号、 加速度信号、 倾角信号等振动信号， 只要是能够表征振动 的信号均可以。 所采集的姿态信号为任何能够表征臂架姿态的 信号， 可以 包括各个臂节相对于水平面的倾角信号和 /或臂架整体相对于回转台轴线的 回转角度信号。

信号采集单元 10对振动信号和姿态信号的处理主要是模数转� ��处理， 因为振动信号和姿态信号一般是通过传感器采 集到的电流值为 4-20mA 的 模拟信号，而信号采集单元 10通过对模拟信号进行模数转换得到数字信号� �� 也就是将振动信号转换成振动数据， 将姿态信号转换成姿态数据。 除此之 夕卜， 优选情况下， 信号采集单元 10还可以对接收到的信号进行滤波、 调理 等处理。

信号采集单元 10在将振动信号和姿态信号转换成数据之后， 还进一步 将振动数据输出到振动控制单元 30， 将姿态数据输出到臂架动态特性获取 单元 20。

臂架动态特性获取单元 20用于根据姿态数据得到臂架在该姿态数据所 代表的情况下的臂架动态特性并传送给振动控 制单元 30。 该臂架动态特性 获取单元 20中预设有数据库， 该数据库存储有臂架动态特性与姿态数据之 间的关系， 从而可以根据姿态数据查找得到臂架动态特性 。 该数据库可通 过理论方法建立臂架系统的数学模型获取， 也可以通过大量实验获取， 例 如设定臂架的一个姿态（即设定臂节的一组倾 角和 /或回转角度），然后对臂 架进行激振， 测定臂架此时的动态特性， 并对应存储起来， 备以调用。 所 谓臂架动态特性可以包括但不限于臂架的质量 矩阵、 刚度矩阵、 阻尼矩阵 等等。 优选情况下， 所述数据库中还存储有臂架的结构参数， 与臂架动态 特性对应， 臂架动态特性获取单元 20在获得臂架动态特性时还考虑臂架的 接着， 振动控制单元 30根据振动数据和臂架的动态特性来进行控制� �� 计算得到臂节作动控制单元的控制信号，该信 号通过 PWM的方式发送给臂 节作动控制单元 （例如臂节油缸电磁阀的引线插头端）， 通过使臂节作动控 制单元在该控制信号的控制下工作， 得以控制臂节的运动状态， 给臂节施 加主动控制作用， 从而使得臂架振动得到抑制。 其中， 该控制信号可以为 控制电压信号或控制电流信号。

优选情况下， 振动控制单元 30利用独立模态空间分析算法来计算控制 信号。 模态分析是指将线性定常系统振动微分方程组 中的物理坐标变换为 模态坐标， 使方程组解耦， 成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方 程， 以便求出系统的模态参数。 坐标变换的变换矩阵为模态矩阵， 其每列 为模态振型。

下面结合图 2来详细说明振动控制单元 30的工作原理。本领域普通技 术人员可以理解的是， 下面介绍的计算过程并不是唯一的， 该具体实施方 式也不是用于限定本发明的范围， 而是提供一种实现方式， 然而本领域普 通技术人员在本发明的教导下可以灵活地运用 模态分析的方法。 在下面的 实施方式中， 假定采集到的振动信号为加速度信号 ， 获取的臂架动态特性 为在当前姿态下臂架系统的质量矩阵 、 刚度矩阵 和阻尼矩阵 C。

( 1 ) 为了实现臂架系统的独立模态空间主动控制， 需要知道振动系统 的模态位移响应 和模态速度响应 ， 而根据加速度信号 λ可以得到模态加 速度响应 ， 下面具体介绍。 首先， 振动控制单元 30引入模态滤波器对加速度信号 λ进行处理， 以 实现从物理加速度到各阶模态加速度响应 的转换。 根据模态叠加原理有：

X

公式 ( 1 ) 其中 为加速度信号， 为第 阶振型向量， 为第 阶模态加速度响 应， 为模态的阶数，可以任意控制选定的模态振动 ，控制的模态阶数越多， 控制精度就越高。 对于臂架的振动控制， 因为在泵送过程中泵车臂架系统 主要以第一阶模态振动为主， 所以选择控制第一阶模态振动， 效果就很明 显， 也就是取 =1。 然后在公式（1 )的两边乘以模态滤波器向量 Φ ( = φ- Μ , Μ为 质量矩阵， 为第 阶振型向量的转置矩阵）， 则有 公式 (2) 如果 = j

又因为 公式 ( 3 )

如果 ≠ j 则得到 = 公式 （4) 从而得到 = Φ; = φ; Μχ 公式 (6) 实现了从物理加速度 到各阶模态加速度响应 的转换。 ( 2 )然后，通过状态观测器实现从模态加速度响� � 到模态速度响应 ^ 和模态位移响应 的转换。这个步骤对于本领域技术人员是公知 的，下面简 单介绍。 其中模态速度响应 和模态位移响应 按照如下方式得到： q _t =fu _ni (K ₀ ,q) 公式 （7) q _t =fun ₂ (K _o ,q) 公式 （8) 其中 为状态观测器的增益矩阵， 为模态速度响应观测器函数， fun )为模态位移响应观测器函数。

(3)然后， 针对要控制的第 阶模态， 按照公式（9)计算出对应的模 态控制力 。

fn k^ 公式 （ ₉₎ 其中， 为模态控制力位移增益， 为模态控制力速度增益。 这两个增 益值是通过极点配置法来确定的。

例如， 由闭环特征方程 + + ( _gi + ^ = o及其对应的特征方程 λ ² +Η _ί λ + ω + _ί ) = 0 , 则可以得出， 若要求第 i 阶模态极点配置在 Λ.=«,.±Α 处 （即 《、 β 分别为要求配置的第 i 阶模态极点的坐标为 - = _; ± )， gi和 hi如下式所示： ω' 公式 αο)

其中 为系统第 阶固有频率， 是由质量矩阵 M、 刚度矩阵^:和阻尼 矩阵 C共同确定的。

(4) 然后， 对独立模态空间控制算法来说， 振动系统的各阶模态都是 相互独立的， 所以可以根据模态控制力 得到实际控制力 F _ctri 。

公式 （li) 其中 为由模态控制力 到实际控制力 F _ciW 的变换矩阵。

对于振动方程 Μ¾ + 0^ + ^ = ， 由模态理论 x = _W ， 则可以得到 Mcpii + Cq^ + Kcpq二 F _ctrl 。 而 =/， /为单位矩阵， 即 + Q^ + = /， 而 两边同乘以 M ， 就可以从模态控制力 转换到实际控制力 F _ciW 。 所以， 可 以得到：

V _i =† _j Mi _?i 公式 （12 ) i=l

代入公式 （11 ) 得到

Ρ^ = ^ = -∑ _φί ^. ₊ ^. ) 公式 （13 ) i=l

(5 ) 最后， 根据实际控制力 F _dr 将实际控制力 F _dr 转换为臂节作动控 制单元的控制信号 S _ctrl 。

H 公式 （14 )

其中 为由实际控制力 F _eif 到臂节作动控制单元的控制信号 &w的变 换矩阵， 相当于由臂架油缸控制力力到臂节作动控制单 元的控制信号的转 换系数。 最终得到的控制信号 为一矩阵， 振动控制单元 30根据该矩阵 来控制臂节作动控制单元以相对应的信号来运 作。 事实上是对臂架系统施 加了大小为 F _ci 的控制力， 在臂架系统的激励力 F _exi 和控制力 F _c w的共同作 用下， 对臂架的振动实施主动抑制。

上述模态控制算法可实现对所需振动模态的独 立控制， 而不影响其它 未控模态， 具有易设计的优点， 容易实现， 能够方便地应用到现有工程机 械如混凝土泵车的臂架上， 实现实时振动主动控制。

下面根据本发明的另一方面， 结合图 3来介绍本发明提供的用于臂架 振动的主动控制系统。 如图 3所示， 该系统包括： 上述控制器 100; 臂架振 动监测单元 200， 用于检测臂架的振动情况， 生成振动信号并输出到所述控 制器 100中的信号采集单元 10; 臂架姿态监测单元 400， 用于检测臂架的 姿态， 生成姿态信号并输出到所述控制器 100中的信号采集单元 10; 以及 臂节作动控制单元 300， 用于接收来自所述控制器 100中振动控制单元 30 的控制信号并根据该控制信号运行。

其中，臂架振动监测单元 200可以为各种能够检测臂架的振动情况（优 选检测臂架末端的振动情况） 的装置， 例如为位移传感器、 速度传感器、 加速度传感器、 角度传感器中的一者或几者。 所生成的振动信号为能够表 征臂架振动情况的信号， 可以包括位移信号、 速度信号、 加速度信号、 倾 角信号中的一者或几者， 以供信号采集单元 10采集。

优选情况下， 可以采用如图 4所示的这种臂架振动监测单元 200， 该臂 架振动监测单元 200包括第一振动传感器 201、第二振动传感器 202和角度 传感器 203，其中第一振动传感器 201与第二振动传感器 202的检测方向彼 此正交， 角度传感器 203用于检测臂架与水平面之间的夹角。 其中， 第一 振动传感器 201和第二振动传感器 202可以为加速度传感器、 速度传感器 或者位移传感器， 优选为加速度传感器， 所述角度传感器 203可以为单轴 的角度传感器。 这样臂架振动监测单元 200生成的振动信号包括两个加速 度信号 （或速度信号、 位移信号） 和一个角度信号， 从而信号采集单元 10 可以根据角度信号对两个加速度信号 （或速度信号、 位移信号） 转换成任 意给定方向上的加速度信号， 例如重力加速度方向或水平方向， 以得到给 定方向上的振动信号。

为了便于安装上述第一振动传感器 201和第二振动传感器 202以使得 二者正交， 该臂架振动监测单元 200还包括安装架 204， 该安装架 204为彼 此正交的两块板， 第一振动传感器 201和第二振动传感器 202分别安装在 其中一块板上， 以保证检测方向彼此正交， 角度传感器 203 安装在其中一 块板上。

为了保护各传感器， 优选情况下， 该臂架振动监测单元 200还可以包 括保护罩 205， 上述第一振动传感器 201、 第二振动传感器 202、 角度传感 器 203和安装架 204均置于保护罩 205中， 并且安装架 204与保护罩 205 固定连接， 保护罩 205具有一开口， 用于将第一振动传感器 201、第二振动 传感器 202、 角度传感器 203的输出线引出。

所述臂架姿态监测单元 400所生成的所述姿态信号包括各臂节相对于 水平面的倾角和 /或臂架相对于回转台轴线的回转角度。 因此， 所述臂架姿 态监测单元 400可以包括多个角度传感器， 所述多个角度传感器分别安装 在臂架的各个臂节上和 /或回转台上， 用于检测各个臂节相对于水平面的倾 角和 /或臂架整体相对于回转台轴线的回转角度。

臂节作动控制单元 300可以为臂节油缸电磁阀 （各臂节油缸的有杆腔 和无杆腔的电磁阀）或者用于臂节减振的电磁 阀， 该电磁阀能够控制减振。

本发明提供的用于臂架振动的主动控制系统通 过对臂架进行振动监测 和姿态监测从而得到振动信号和姿态信号， 然后利用姿态信号得到臂架在 当前姿态下的动态特性， 结合振动信号计算出控制信号用以控制臂节作 动 控制单元， 从而达到了较好的主动减振的目的。

此外， 本发明还提供一种用于臂架振动的主动控制方 法， 如图 5所示， 该方法包括以下步骤：

采集表征臂架振动情况的振动信号以及表征臂 架姿态的姿态信号并将 振动信号和姿态信号分别转换为振动数据和姿 态数据；

根据转换得到的姿态数据获取与该姿态数据对 应的臂架动态特性； 以 及

根据转换得到的振动数据以及获取的臂架动态 特性来计算控制信号并 将该控制信号输出到臂节作动控制单元。

上述三个步骤分别由本发明提供的控制器 100中的信号采集单元 10、 臂架动态特性获取 20、振动控制单元 30所执行， 由于前面已经对各单元的 工作原理进行了说明， 同样的内容在此不再赘述。

尤其需要说明的是， 所述根据转换得到的姿态数据获取与该姿态数 据 对应的臂架动态特性的步骤是通过查找预设的 数据库得到的， 该数据库存 储有臂架动态特性与姿态数据之间的关系。

所述计算控制信号的步骤利用独立模态空间分 析算法来计算控制信 号。 独立模态空间分析算法与上述的振动控制单元 30所执行的流程一样， 在此不再赘述。

如图 6所示， 为施加本发明的主动减振策略之前与之后的臂 架末端的 位移随时间变化的虚线图， 从中可以看出， 施加本发明的主动减振策略之 后获得的减振效果良好， 理想泵送工况下可消减混凝土泵车各臂节 90%以 上的振动量， 且系统稳定可靠。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方 式， 但是， 本发明并不 限于上述实施方式中的具体细节， 在本发明的技术构思范围内， 可以对本 发明的技术方案进行多种简单变型， 这些简单变型均属于本发明的保护范 围。

另外需要说明的是， 在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术 特 征， 在不矛盾的情况下， 可以通过任何合适的方式进行组合， 为了避免不 必要的重复， 本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外， 本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行 任意组合， 只要 其不违背本发明的思想， 其同样应当视为本发明所公开的内容。