CN108388109B - 回收机控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回收机控制***及方法。所述***及方法用于具有吊杆(1)、斗轮(2)及平移***(3)的回收机(13)的自动化控制。此***包括：记忆在所述吊杆(1)的转动移动期间使用的操作参数，从而允许知晓其中存在溢流或令人不满意的回收流量的位置。利用此所记忆信息，流量控制器对吊杆转动速度(Vg)做出改变，从而在其中回收流量为低的位置中增加吊杆转动速度(Vg)且在其中存在溢流的位置中减小吊杆转动速度(Vg)。

Description

回收机控制***及方法

技术领域

本发明涉及一种用于回收机的自动化控制的***及方法。

背景技术

回收机为用于处置散装材料(尤其是矿石)的机器。此装备用于材料存储场地、海港及河港以及有必要运输大量散装材料的其它地方。

回收机基本上包括吊杆、斗轮及平移***。所述平移***包括数个转向架及轮且负责机器按照轨道(所述机器安装于其中)的线性移动，从而允许所述机器前后移动。

所述吊杆及所述斗轮由负责回收回收散装材料的元件组成。所述斗轮为具有沿着其径向部分分布的数个铲斗的轮。

所述斗轮旋转使得在其与待回收的材料堆叠接触时其能够将材料收集在其铲斗中且将所述材料卸到机器吊杆中，借此回收所述材料。

所述吊杆由经配置以在其端处支撑所述斗轮的格构梁组成。所述吊杆的另一端固定到所述机器平移***，所述吊杆相对于所述***具有两个旋转度，一个旋转度平行于地面且另一旋转度垂直于地面。

此些自由度允许斗轮的角度移动而且改变所述斗轮到地面的高度。吊杆还具备沿着其结构的传送带，所述传送带负责运输由斗轮收集的材料。

以此方式，被回收的材料量与吊杆的旋转速度及斗轮的旋转速度成正比。为了测量流率(也就是，被收集的材料量)，使用称具。

所述称具始终安装在距斗轮为合理距离处，一般在吊杆传送装置的中点处，以避免由材料在从斗轮转变到吊杆期间所产生的冲力导致的干扰。称具与斗轮之间的此距离导致由称具进行的测量有10秒到15秒的平均延迟时间。

除称具的延迟时间以外，还存在与回收机的转动机构倒置器的加速度及减速度斜坡相关联的延迟时间，其通常介于6秒到10秒之间的范围内。

由PID控制器进行对这些速度的控制，所述PID控制器考虑这些延迟时间且测量所回收材料的流量以验证对这些速度的改变的需要。

除吊杆及斗轮转动速度以外，还存在干扰材料回收流量且与被回收的材料堆叠或梯段有关的其它因素。

回收梯段越稳定，用以控制吊杆转动机构速度以便使回收流量保持等于所要值的PID控制器响应越好。

然而，并非始终可能获得此稳定性，因为数个原因可导致回收梯段的行为的突然改变。梯段的这些改变引起待回收的体积的改变，从而需要来自PID控制器的非常迅速的响应。

用以改变转动速度的流量控制器的此迅速响应是为了在回收过程期间避免溢流(机器超载，也就是，回收流量大于所推荐的回收流量)且避免生产率损失。

在回收机的手动操作中，操作者能够预观回收梯段的突然改变且提前行动以控制吊杆转动速度以便避免溢流的发生。然而，半自动操作需要允许流量控制器预期一些动作的方法，从而尝试预测未来会发生什么。

此为半自动操作中的问题，因为梯段不稳定性可导致吊杆的某一转动速度(原本使回收速率维持等于所要值)在其面对由梯段不稳定性导致的回收体积的大增加时产生溢流。

由于斗轮与称具之间的高延迟时间，因此目前技术水平揭露使用更即时信息使得在不损失回收速率的情况下迅速地进行吊杆转动机构速度的校正的控制。

目前技术水平中的这些校正使用基于预估流量的技术，所述基于预估流量的技术使用来自斗轮电动机的液压或电流的数据来控制回收速率。此控制对斗轮中的压力或电流的变化做出响应，从而视需要自动调整转动速度。

然而，关于此技术的问题是，当此类型的控制面对由上文所提及的不稳定回收梯段引起的问题时，控制器无法处理由于由转动倒置器的加速度及减速度斜坡导致的延迟而延迟的响应时间。

在下文所论述的专利文件US9073701中描述目前技术水平中针对由转动倒置器的加速度及减速度斜坡导致的延迟时间问题存在的另一解决方案。

由美国文件揭示的技术使用安装在斗轮附近的2D传感器，所述2D传感器经配置以计算待由斗轮回收的材料体积。依据所计算材料体积，可能针对待回收的整个梯段预测回收速率及理想吊杆转动速度。

在此技术中，提前(也就是，在通过斗轮的压力或电流进行检测之前)发生2D传感器读取，从而使对吊杆转动速度的控制更快且更高效。当读取溢流或回收速率的减小时，PID控制器接收关于对于给定读取理想的转动速度的信息，因此改进其响应时间。

然而，使用文件US9073701的此技术需要获取稳健2D传感器，从而使其成本非常高。关于此技术的另一问题是，其无法对斗轮上的堆砌坍塌做出响应，因为传感器读取是在斗轮前面的仅几度内进行。

目前技术水平还包含主张用于回收机的自动控制***的其它专利文件。一个此类文件为CN101776867B，其揭示一种用于斗轮回收机的控制方法。

此方法允许***在机器PLC中的数据库中以实验方式或以分析方式获得的数据。控制测量斗轮及回收机吊杆两者的转动电动机的频率。利用这些频率，控制可验证对这些元件的应力、其旋转的速度及被回收的材料量。

另外，控制借助于编码器测量构成回收机的所有元件的位置。利用此数据，控制能够测量其元件的平移及旋转移动。

所输入的数据包含：被收集的材料堆叠的几何形状；适合用于与被收集的材料有关的操作的速度；及其它信息。

因此，回收机能够计算其相对于材料堆叠的位置以及在回收期间对材料堆叠做出的修改。

然而，文件CN101776867B仅演示用于借助于如下解决方案使斗轮回收机自动化的技术：使用在堆叠期间产生的堆叠数据及斗轮电动机电流的数据来检测材料堆叠的边缘。

另外，由使用斗轮电流信息的控制网控制材料流量，所述控制网不能够基于已经进行的回收而改进且控制材料流量。

因此，结论是，上文所提出的解决方案以及专利文件US9073701及CN101776867B中所指出的解决方案两者均不能预期避免溢流或回收速率损失的控制动作。

另外，目前技术水平中的装置、***及方法中无一者能够在不使用稳健2D传感器的情况下改进PID响应时间。

发明内容

本发明的目的在于一种用于控制能够预期避免溢流或速率损失的控制动作的回收机的***。

本发明的目的还在于一种用于控制能够改进机器PID的响应时间的回收机的***。

最终，本发明的目的还在于一种用于执行回收机的控制动作的方法。

在一个方面，本发明提供一种用于回收机(13)的控制***，所述回收机(13)具有吊杆(1)、斗轮(2)及平移***(3)，所述控制***包括流量控制器，所述流量控制器经配置以记录所述吊杆(1)的先前移动的操作参数且使用这些所记录操作参数来调整所述吊杆(1)的当前移动的操作参数。

在另一方面，本发明提供一种用于回收机(13)的操作***，其包括以下步骤：

i.在给定时间内对以下变量进行取样：质量流率(Vz)；吊杆转动速度(Vg)；及吊杆(1)的角位置(θ)；

ii.对在所述吊杆(1)的所述角位置(θ)的每一角度范围处的所述吊杆转动速度(Vg)及流率(Vz)的值求平均。

iii.针对所述吊杆(1)的每一角位置(θ)计算平均吊杆转动速度(Vgm)的值与平均质量流率(Vzm)的值之间的相关(Co)；

iv.如果存在溢流事件，那么记录在溢流事件中所述吊杆(1)的所述角位置(θ)；

v.记录在使所述吊杆(1)的转动移动反向之前所述吊杆的其中获得所考虑质量流率(Vzc)的最后一个角位置(θn)及所述转动速度(Vg)；

vi.在所述转动反向移动之后、也就是在与先前移动相反的方向上初始化所述吊杆(1)的所述移动；

vii.基于在其中获得所考虑质量流率(Vzc)的所述最后一个角位置(θn)处所记录的值而监测所述吊杆转动速度(Vg)，所述值是先前在第五步骤中所记录；

viii.验证在所述吊杆(1)的所述先前移动中其中识别出溢流事件的所述角位置(θ)；

ix.计算在所述吊杆(1)的当前移动期间的理想吊杆转动速度(Vgi)；及

x.验证应用在所述先前步骤中所计算的所述理想转动速度(Vgi)的可能性。

附图说明

基于相应图而对本发明进行详细描述：

图1是回收机的侧视图。

图2是回收机的俯视图。

图3展示在记忆操作参数的过程中涉及的步骤的流程图。

图4展示在使用所记忆操作参数的过程中涉及的步骤的流程图。

具体实施方式

本发明描述用于回收机的半自动控制***及用于这些机器的操作方法。这些回收机针对所要回收流量经设计到额外容量，从而允许不超过机器的最大容量的可变性。

超过机器的最大容量被称作溢流，也就是，当在回收过程期间回收速率超过由机器的设计规定的最大容量时发生溢流。

本发明的主要目标是在不增加溢流指数的情况下增加回收速率的生产率。回收速率由产品的密度加数的乘积而且由控制体积(也就是，被回收的体积)的质量流率来确定。

如由罗登伯格(1983)所展示，回收体积的理论质量流率由以下加数的乘积来确定：梯段高度(H)；斗轮的转动速度(Vr)；最大截面厚度(tmax)；及膨胀因子(f)。

在自动化或半自动回收机中，操作程序规则定义理想梯段高度(H)及最大截面厚度(tmax)值。斗轮的转动速度(Vr)在回收操作期间保持恒定。

因此，通过调整吊杆转动速度(Vg)来控制质量流率。此速度(Vg)直接干扰斗轮2在堆叠中的穿透强度且借助于PID控制器(即流量控制器)的网来调整。

此流量控制器网打算致使所得回收的质量流率(也就是，回收流量)维持接近于所要速率。

因此，本发明的***及方法揭示如下解决方案：使用关于过去所发生的回收机的操作参数的信息来计算在回收机的整个回收移动期间的理想吊杆转动速度。

接着将关于所计算理想吊杆转动速度的此信息集成到PID控制器中以便预期避免溢流或生产率损失的控制动作，借此改进PID控制器的响应时间。

为了计算理想吊杆转动速度，PID控制器记忆在回收过程中的吊杆转动移动期间的重要信息，例如：质量流量(Vz)；吊杆转动速度(Vg)；及吊杆角位置(θ)。

此所记忆信息用于在吊杆的下一转动移动中辅助流量控制器，因此增加生产率且避免机器中的溢流。

换句话说，本发明的控制***使回收机13的吊杆1的转动机构在一个方向上顺时针或逆时针旋转，且记忆在所述移动期间测量且使用的重要参数。

针对吊杆1的每一角位置(θ)记录此信息，从而允许沿着其路径的每一角度检验机器的回收速率。因此，可能验证回收速率是否令人满意或吊杆1的每一角位置(θ)中是否存在溢流。

当吊杆1的角度移动达到极限位置(即反向角)时，吊杆进行反向移动，也就是，如果移动是在顺时针方向上，那么其现在将在逆时针方向上，且反之亦然。

因此，在此反向移动中，控制器能够根据所记录信息确定必须针对此角位置(θ)增加还是减小吊杆1的转动速度(Vg)，因此维持高生产率且避免溢流。

也就是，在顺时针移动中，如果在某一角位置(θ)中回收速率低于所要范围，那么在逆时针移动中，控制器针对相同角位置(θ)增加吊杆转动速度(Vg)以实现令人满意的质量流率(Vz)。

类似地，如果在顺时针移动期间，回收速率在某一角位置(θ)中高于最大容量(溢流情形)，那么在逆时针移动中，控制器针对相同角位置(θ)减小吊杆转动速度(Vg)以避免新溢流。

因此，利用关于给定移动的所记录信息，对于在相同方向上或在反向方向上的相同移动，控制器能够始终使回收速率保持在令人满意的速率，从而维持高生产率及减少溢流事件。

对于确立上文所描述的控制***，本发明使用下文详细地描述的操作方法。

根据图3及4，将所述操作方法划分成两个主要过程：记忆在吊杆1的转动移动期间的重要信息；及使用所记忆信息。

第一步骤在于在给定时间内对以下变量进行取样：吊杆转动速度(Vg)参考、与转动速度(Vg)对应的回收质量流率(Vz)及吊杆1的角位置(θ)。

出于此目的，考虑先前(“先前技术”)所阐释的转动加速度计的加速度及减速度斜坡的延迟值以及斗轮2与称具之间的延迟时间而必须使吊杆转动速度(Vg)延迟。

第二步骤经配置以对在吊杆1的角位置(θ)的每一角度范围处的吊杆转动速度(Vg)及质量流率(Vz)的值求平均。因此，可能确定在吊杆1的移动期间针对每一角度范围的吊杆转动速度的平均值(Vgm)及流率的平均值(Vzm)。根据将执行的操作使角度范围参数化。

接着以针对每一变量的向量形式记忆在第二步骤中所计算的这些平均值，也就是，以吊杆转动速度向量形式记录吊杆转动速度的平均值(Vgm)，同时以流率向量形式记录流率的平均值(Vzm)。

在计算平均流率(Vzm)及平均吊杆转动速度(Vgm)之后，在第三步骤中进行这些所记录平均值之间的相关(Co)。针对每一所确定角度范围进行此相关(Co)且以相关向量形式记录此相关(Co)。

这些平均值的相关(Co)包括将吊杆转动速度的平均值(Vgm)除以质量流率的平均值(Vzm)，且针对每一角度范围进行此计算以确定吊杆1的每一角位置(θ)处的相关(Co)。

除相关(Co)以外，在吊杆1的转动移动期间的溢流的情形中，还在第四步骤中记录此溢流。此步骤在于记录溢流事件，从而使所述溢流事件与吊杆1的角位置(θ)有关。

除角位置(θ)以外，还记录在溢流时的吊杆转动速度(Vg)，因此允许控制器验证在此事件期间使用的位置及转动速度两者。

为使此角位置(θ)准确，信息记录过程考虑加速度斜坡及称具两者的延迟时间，因此确保信息是在其正确角位置(θ)中被精确地记录。

信息记录过程的第五步骤及最终步骤包括记录在转动反向移动之前获得所考虑流率(Vzc)的最后一个转动角度(θn)及转动速度。记录此信息还考虑延迟时间。

为确定所考虑流率(Vzc)值，确立与回收设定点(也就是，工程的最大回收速率)有关的某一百分比。还根据回收机应用使此百分比参数化。

换句话说，此最后一个转动角度(θn)只不过是在到达反向角之前获得所要回收速率的最后一个角度。

在记忆在吊杆1的转动移动期间的重要信息的程序期间执行上文所提及的五个步骤。在吊杆1在与所获得方向相同的旋转方向上的下一转动移动中使用关于吊杆转动速度(Vg)与质量流率(Vz)之间的相关(Co)以及溢流事件的所记录信息。

在吊杆1在与所获得的方向相反的方向上的下一转动移动中(也就是，就在反向移动命令之后)使用关于最后一个所考虑流率(Vzc)角度(θn)及与此角度对应的转动速度(Vg)的信息。

下文阐释在使用此所记录信息的程序中所涉及的步骤，从而证明如何使用所述信息来辅助回收流量控制器。

第六步骤包括在转动反向移动之后、也就是在与先前移动相反的方向上初始化回收。以初始吊杆转动速度初始化回收。

此初始转动速度可等于最终转动速度，也就是在反向移动之前所使用的转动速度，条件是机器平移***3具有在两个方向上具有相同行为的值。

第七步骤在于监测先前在第五步骤中所记录的最后一个转动角度(θn)的值。当转动角度处于最后一个转动角度(θn)的给定度数值时，当前转动速度(Vg)必须等于或小于与最后一个转动角度(θn)对应的平均转动速度(Vgm)。

根据应用使与最后一个转动角度(θn)有关的此所确定度数值参数化。此步骤的目的在于在吊杆1的某些角位置(θ)期间执行对转动速度(Vg)的初步控制。

第八步骤在于验证吊杆1的先前移动中的其中识别出溢流事件的转动角度。利用关于这些角度的信息，回收流量控制器能够预测溢流事件且减小吊杆转动速度(Vg)。

吊杆转动速度(Vg)的此减小致使回收速率在所述特定角度下减小，因此避免此区域(其中已在先前移动中识别出溢流事件)中的溢流。

在第九步骤中，进行计算以确定在当前转动移动期间(也就是，在正执行的移动期间)的理想吊杆转动速度(Vgi)。

先前在方法的第二步骤中针对每一对应角度所计算的平均质量流率(Vzm)用于执行计算。

在每一角度范围处，也就是，在每一所记录转动角度处，将在先前转动移动中所记录的平均流率(Vzm)值与所要设定点进行比较。如果所记录平均流率(Vzm)值在所要范围内，也就是，在设定点的预设定百分比内，那么维持针对所述角度所记录的平均转动速度(Vgm)。

此意味如果在所述特定角位置(θ)处的先前转动移动中所记录的平均流率(Vzm)在所要回收速率范围内，那么所记录平均转动速度(Vgm)等于针对所述特定角度的理想转动速度(Vgi)。

如果所记录平均流率(Vzm)值大于所要值，也就是，其高于设定点的预设定百分比，那么实际吊杆转动速度(Vg)必须小于在先前转动移动中所存储的吊杆转动速度的平均值(Vgm)。

此意味如果在所述特定角位置(θ)处的先前转动移动中所记录的平均流率(Vzm)高于所要回收速率范围，那么所记录平均转动速度(Vgm)大于针对所述特定角度的理想转动速度(Vgi)。

在此情形中，理想转动速度(Vgi)由流量控制器使用且小于所记录平均转动速度(Vgm)以避免另一溢流事件，也就是，质量流率(Vz)高于机器的容量。

第十步骤在于验证应用在先前步骤中所计算的理想转动速度(Vgi)的可能性。借助于在吊杆1的先前移动中所记录的相关(Co)的值执行此验证。

因此，验证先前转动移动的角位置(θ)中的相关(Co)的值，从而将所述相关(Co)与当前转动角度的相关(Co)进行比较。如果这些相关(Co)(也就是，在先前转动角度及当前转动角度中)具有接近值，那么验证所使用的吊杆的转动速度(Vg)。

此验证包括将当前转动速度(Vg)与理想转动速度(Vgi)进行比较。如果其也具有接近值，那么维持当前吊杆转动速度(Vg)，否则验证材料回收速率。

回收速率的此验证还包括验证针对所述特定角度所记录的平均质量流率(Vzm)。如果所记录平均质量流率(Vzm)处于令人满意的速率，那么维持当前吊杆转动速度(Vg)，否则实施理想转动速度(Vgi)。

因此，使用回收机控制***及方法，流量控制器验证存在于回收机的吊杆1的角度移动中的所有角度的所有回收速率，借此确定吊杆1的每一时刻及每一角位置(θ)的理想转动速度(Vgi)。

另外，控制器实时执行吊杆转动速度(Vg)的此些改变，从而考虑由吊杆1上的称具及加速度斜坡的定位引起的所有延迟时间，且不使用稳健2D传感器来预测梯段不规则形。

尽管如此，但吊杆转动速度(Vg)的实时改变除了阻止机器中的溢流事件以外还能够维持回收机13的高生产率，从而确保此装备的效率及安全。

Claims (11)

1.一种用于回收机(13)的控制***，所述回收机(13)具有吊杆(1)、斗轮(2)及平移***(3)，所述控制***包括流量控制器，所述流量控制器经配置以记录所述吊杆(1)的先前移动的操作参数且使用这些所记录操作参数来调整所述吊杆(1)的当前移动的操作参数，

其中所述操作参数包括：质量流率(Vz)；吊杆转动速度(Vg)；及所述吊杆(1)的角位置(θ)；

其中所述流量控制器记录与所述吊杆(1)的每一角位置(θ)有关的所述质量流率(Vz)及所述吊杆转动速度(Vg)，且

其中所述流量控制器对在所述吊杆(1)的所述角位置(θ)的每一角度范围之间的所述质量流率(Vz)及所述吊杆转动速度(Vg)的值求平均，从而针对每一角位置(θ)计算出所述吊杆的平均质量流率(Vzm)及平均转动速度(Vgm)。

2.根据权利要求1所述的用于回收机(13)的控制***，其中所述流量控制器执行所述平均质量流率(Vzm)与所述平均转动速度(Vgm)之间的相关(Co)，且此相关(Co)为所述吊杆的所述平均转动速度(Vgm)与所述平均质量流率(Vzm)之间的比率。

3.根据权利要求1到2中任一权利要求所述的用于回收机(13)的控制***，其中所述流量控制器在所述吊杆(1)的转动移动期间基于针对在所述吊杆(1)的先前旋转移动中的每一角位置(θ)所记录的信息而调整所述吊杆转动速度(Vg)。

4.根据权利要求3所述的用于回收机(13)的控制***，其中所述调整经配置以将回收流量维持在令人满意的速率且低于所述回收机(13)的最大负载。

5.根据权利要求1到2中任一权利要求所述的用于回收机(13)的控制***，其中所述流量控制器将由所述吊杆(1)中的称具的距离以及由用于致动吊杆(1)转动机构的加速度及减速度斜坡导致的时间延迟考虑在内。

6.一种用于回收机(13)的控制方法，其包括以下步骤：

i.在给定时间内对以下变量进行取样：质量流率(Vz)；吊杆转动速度(Vg)；及吊杆(1)的角位置(θ)；

ii.对在所述吊杆(1)的所述角位置(θ)的每一角度范围处的所述吊杆转动速度(Vg)及质量流率(Vz)的值求平均；

iii.针对所述吊杆(1)的每一角位置(θ)计算平均吊杆转动速度(Vgm)的值与平均质量流率(Vzm)的值之间的相关(Co)；

iv.如果存在溢流事件，那么记录在溢流事件中所述吊杆(1)的所述角位置(θ)；

v.记录在使所述吊杆(1)的转动移动反向之前所述吊杆的其中获得所考虑质量流率(Vzc)的最后一个角位置(θn)及所述转动速度(Vg)；

vi.在所述转动反向移动之后、也就是在与先前移动相反的方向上初始化所述吊杆(1)的所述移动；

vii.基于在其中获得所考虑质量流率(Vzc)的所述最后一个角位置(θn)处所记录的值而监测所述吊杆转动速度(Vg)，所述值是先前在第v步骤中所记录；

viii.验证在所述吊杆(1)的所述先前移动中其中识别出溢流事件的所述角位置(θ)；

ix.计算在所述吊杆(1)的当前移动期间的理想吊杆转动速度(Vgi)；及

x.验证应用在所述先前步骤中所计算的所述理想转动速度(Vgi)的可能性。

7.根据权利要求6所述的用于回收机(13)的控制方法，其中步骤v的其中获得所考虑质量流率(Vzc)的所述最后一个角位置(θn)包括其中获得令人满意的回收流量的所述最后一个角位置(θn)。

8.根据权利要求6到7中任一权利要求所述的用于回收机(13)的控制方法，其中进行所述基于在其中获得所考虑质量流率(Vzc)的所述最后一个角位置(θn)中所记录的所述值而监测所述吊杆转动速度(Vg)以使所述吊杆转动速度(Vg)维持低于或类似于所述所记录平均转动速度(Vgm)，从而维持令人满意的回收流量且避免溢流。

9.根据权利要求6到7中任一权利要求所述的用于回收机(13)的控制方法，其中步骤viii中的所述验证其中存在溢流事件的所述角位置(θ)允许流量控制器在经过特定角位置(θ)时减小所述吊杆转动速度(Vg)以避免溢流。

10.根据权利要求6到7中任一权利要求所述的用于回收机(13)的控制方法，其中基于每一角位置(θ)的所述平均吊杆转动速度(Vgm)及所述平均质量流率(Vzm)而执行步骤ix的所述计算所述理想吊杆转动速度(Vgi)。

11.根据权利要求6到7中任一权利要求所述的用于回收机(13)的控制方法，其中基于所述相关(Co)而执行步骤x的所述验证应用所述理想吊杆转动速度(Vgi)的所述可能性，从而验证当前相关(Co)是否接近于针对相同角位置(θ)所记录的转动相关(Co)。

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