基于MATLAB的塔式起重機仿真實體訓(xùn)練系統(tǒng)

彭雪鵬,王永紅

(撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院,113122)

基于MATLAB的塔式起重機仿真實體訓(xùn)練系統(tǒng)

彭雪鵬,王永紅

(撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院,113122)

本文通過采集真實的塔式起重機運動數(shù)據(jù)、駕駛聯(lián)動臺的控制數(shù)據(jù)，對于運動數(shù)據(jù)基于MATLAB進(jìn)行建模分析，建立按比例縮小的塔式起重機仿真實體模型，分析駕駛聯(lián)動臺的控制數(shù)據(jù)，實現(xiàn)伺服電機與塔式起重機動作的高比例仿真動作,用PID 控制模擬抗風(fēng)防擺工作工程。再現(xiàn)塔式起重機操作人員在操作過程中看到的情況，并通過高精度微縮模型的動作達(dá)到與操作者實時互動，大幅度降低培訓(xùn)成本。

塔式起重機;模擬仿真;實體建模

中國法分類號：TH218

1 塔式起重機仿真實體訓(xùn)練系統(tǒng)研究的意義

塔式起重機是建筑施工必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，占地大、耗能高，同時又具備一定的操作危險性，使得培訓(xùn)一名合格的塔式起重機操作員成本巨大。塔式起重機仿真實體訓(xùn)練系統(tǒng)可模擬吊車操作基本動作、吊鉤上下移動、左右旋轉(zhuǎn)、吊載實物操作、指揮手式判斷及操作實踐訓(xùn)練。同時，可進(jìn)行塔機主要零部件機維修保養(yǎng)、常見故障、常見事故、抗風(fēng)防擺等工作模擬和處理，既保證操作人員的實習(xí)時間、實習(xí)的安全，又減少了實訓(xùn)設(shè)備的投入。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)塔式起重機的模擬訓(xùn)練器已經(jīng)研制成功，普遍使用了電腦軟件編制+顯示器模擬的方式，視野較小、只能看到二維的圖像、立體感較差，學(xué)員培訓(xùn)完畢后，仍需要相當(dāng)長的時間來適應(yīng)實際的操作。國外塔式起重機的模擬訓(xùn)練器使用半球幕和高分辨率的投射系統(tǒng)能產(chǎn)生高清晰度的寬視域圖象，提高了立體顯示的實際效果。但成本過高，在國內(nèi)的普通教育機構(gòu)中難以推廣。

目前國內(nèi)外塔式起重機的模擬訓(xùn)練器都沒有塔式起重機的安裝、調(diào)試、故障檢測、抗風(fēng)防擺等功能。

3 塔式起重機仿真實體訓(xùn)練系統(tǒng)方案

3.1 塔式起重機仿真實體模型訓(xùn)練系統(tǒng)組成

塔式起重機仿真實體模型訓(xùn)練系統(tǒng)由真實的塔式起重機駕駛聯(lián)動臺和塔式起重機仿真實體模型（圖1）組成。起重機仿真實體模型與真塔式起重機的比例約是1:50，具體零件尺寸由建模后數(shù)據(jù)分析計算得到。電機驅(qū)動裝置按照實際驅(qū)動裝置以相同比例縮小，按照國家塔吊考核設(shè)備課題要求，制作相應(yīng)大小的吊物，使操作員得操作做到了與實際完全相同，而且實現(xiàn)了各個方位的全景展示，操作員可隨時從個各方向看到自己操作的錯誤，從而實現(xiàn)學(xué)習(xí)塔機的各種功能及操作要點，迅速掌握操作塔機的技能的目的。

3.2 基于MATLAB構(gòu)建動力學(xué)模型

分析運動狀態(tài)，確立變幅機構(gòu)動力學(xué)方程（圖2），基于MATLAB軟件，構(gòu)建線性化動力學(xué)模型。（圖3）

圖2 變幅機構(gòu)動力學(xué)方程

Figure 2. the Kinetic Equation of Luffing Mechanism

基于MATLAB軟件，根據(jù)線性化模型式，計算塔式起重機在同時進(jìn)行變幅、回轉(zhuǎn)和起升運動的工況下系統(tǒng)的運動狀態(tài)，載荷在移動過程中，做變幅擺動，到達(dá)目標(biāo)位置后，做等幅擺動。

圖3 線性化動力學(xué)模型Figure 3. the Dynamic Model of Linearization

根據(jù)Lagrange．Euler運動方程，對塔式起重機微分運算得到塔式起重機非線性動力學(xué)模型，并在一定的條件下，對非線性模進(jìn)行線性化處理，得到線性化動力學(xué)模型。

3.3 構(gòu)建抗風(fēng)荷載模型參數(shù)：

（1）體系運動微分方程建立如下：

上式與常規(guī)動力體系比對，主要差異在于剛度系數(shù)隨動變化，按前述假定，將吊臂和吊繩的振動作為高階振型濾去，主要分析重物的水平振動模式，則按瞬時動平衡條件可知，剛度系數(shù)為吊繩長度或運行速度的函數(shù)，當(dāng)運行速度為勻速時，也可直接表示為起吊時間的函數(shù)，可得剛度系數(shù)與提升時間的函數(shù)關(guān)系為

（2）風(fēng)荷載的確定

吊升過程中，隨著高度的增加，荷載幅增加，參照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，塔機參數(shù)中設(shè)定的作業(yè)風(fēng)速為20m/s，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，計算風(fēng)壓取為0.24，根據(jù)起吊重物特征，風(fēng)載幅值取為2.4（此值在具體作業(yè)過程中，應(yīng)再根據(jù)吊物特征進(jìn)行調(diào)整）；風(fēng)荷載的周期一般在數(shù)秒至幾分鐘，為了模擬體系在不同風(fēng)振頻率下的動響應(yīng)，體系模擬時取荷載頻率從0.25~64，分九種不同的模型進(jìn)行了體系在變幅正弦荷載作用下的動力響應(yīng)分析，基本涵蓋了風(fēng) 的作用頻段，并與將風(fēng)幅值荷載按單調(diào)加載模式的位移響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行比對，

分析如下：

體系的最大響應(yīng)出現(xiàn)在風(fēng)荷載作為單調(diào)增加荷載模式下；

在周期荷載作用下，隨著荷載頻率的減小，體系前期位移相對增大，但后期 位移相對減小，即在周期荷載作用下時，體系響應(yīng)的最大位移與荷載周期有關(guān)；

在各類荷載使用下，當(dāng)進(jìn)入體系后期后，由于體系剛度的增大，同時與剛度有關(guān)的阻尼效應(yīng)也會明顯增強，體系的動位移都會相對減小，

減速及停車階段的控制器設(shè)計，可以實現(xiàn)位置的準(zhǔn)停和減速過程中消除擺動。在仿真工程中，防擺控制器采用了經(jīng)反饋線性化后用經(jīng)典 PD 控制的方案，并將其作為了整個控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，而外環(huán)則是經(jīng) NCD 優(yōu)化的 PID 控制器。

圖4 防擺控制系統(tǒng)框圖Figure 4. the Block Diagram of Anti-swing Control System

4 塔式起重機仿真實體訓(xùn)練系統(tǒng)效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

該裝置核算價格約為 9.2 萬元，一家培訓(xùn)機構(gòu)的基本配置為15臺，那么，形成的產(chǎn)值為138萬元，據(jù)不完全統(tǒng)計，全國各級各類培訓(xùn)機構(gòu)就有近百家，那么，需求為0.15萬臺。形成的產(chǎn)值為1.38億元，經(jīng)濟效益是巨大的。

4.2 社會效益

塔式起重機實體模型仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，很好地改變了目前塔機操作培訓(xùn)落后的局面，顛覆了施工設(shè)備操作培訓(xùn)的傳統(tǒng)方式，為操作培訓(xùn)注入了高科技含量。

5 結(jié)論

塔式起重機實體模型仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，很好地改變了目前塔機操作培訓(xùn)落后的局面，顛覆了施工設(shè)備操作培訓(xùn)的傳統(tǒng)方式，為操作培訓(xùn)注入了高科技含量，適合對大批量人員進(jìn)行培訓(xùn)，大幅度降低培訓(xùn)成本。

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Based on the MATLAB Solid Simulation Training System of Tower Crane

Peng Xuepeng,Wang Yonghong
(Fushun Vocational Technology Institute,113122)

Based on analyzing the motion data with MATLAB,the simulated solid modeling of tower crane is found scaling-down by collecting the motion data of the actual tower crane and the control data of the driving worktable.Therefore,higher simulation action between servo motor and tower crane is achieved.The wind resistance and anti-swing are simulated by PID controller.The operating process by the tower crane driver will be reconstructed and the interaction between the miniatures and the driver will be carried out. As a result,the training cost cuts down.

tower crane;analog simulation;solid modeling

彭雪鵬（1974－），男，遼寧撫順人，副教授，主要從事機械設(shè)計、機械制造開發(fā)利用方面的研究