起重機的防擺控制研究

方 靜

（尚風科技股份有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

塔式起重機為當前工程項目施工中必不可少的大型機械設備，在未來具有極大的應用前景。塔式起重機在實際施工過程中存在吊重擺動的情況，尤其是在刮風天氣，其不僅影響起重機的工作效率而且存在極大的安全隱患，最終導致塔式起重機僅能單獨的完成回轉、變幅以及起升等動作，無法完成上述動作的協同工作，嚴重影響設備的工作效率。為解決塔式起重機在風載情況下回轉、變幅以及起升等動作的協同工作，開展了塔式起重機的防擺控制研究。

1 塔式起重機動力學模型

為切實掌握塔式起重機在風載時其在定位防擺情況上所面臨的實際問題，為后續解決其防擺奠定基礎，需要精準建立塔式起重機的動力學模型。綜合分析拉格朗日代入法和牛頓歐拉迭代法建模方法的特點，針對塔式起重機的動力學建模需求，本文將采用拉格朗日代入法對其在風載時多輸入多輸出、強耦合且非線性的動力學模型進行構建[1]。在建模時，需要做出如下假設：忽略鋼絲繩、吊鉤以及吊重的質量不計；將塔式起重機的吊重和小車視為沒有體積的質點；忽略塔式起重機包含鋼絲繩在內等所有機構的彈性變形，視為各部件的剛度足夠大；對塔式起重機在實際施工過程中回轉、變幅以及起升等動作的摩擦忽略不計；認為可對塔式起重機在風載環境中風速、風向等參數可精準測量。

根據塔式起重機在風載環境下的實際工況，可將風載分解為變幅運動和垂直于變幅運動的風載。因此，在風載時塔式起重機為五個輸入對應五個輸出的非線性系統，其中五個輸入指的是大臂轉矩、小車推力、起升力、變幅及垂直變幅的風載力，五個輸出指的是大臂轉角、小車位移、鋼絲繩伸長量、吊重變幅及與其垂直的兩個方向的擺角；而在非風載時塔式起重機屬于三個輸入對應五個輸出的強耦合、非線性系統。所構建的塔式起重機在風載時對應的動力學模型如圖1 所示。

圖1 塔式起重機動力學模型

2 塔式起重機防擺控制器設計

2.1 塔式起重機防擺控制機理

結合塔式起重機司機的操作經驗，在實際施工中采取如下動作可以有效方式塔式起重機的防擺。具體如下：在初始階段保證驅動小車以勻加速的狀態運動，使得塔式起重機的負載稍微落后與吊繩；當距離目的地較遠時，可控制驅動小車為勻速運動[2]；當距離目的地較近時，可稍微減小對驅動小車的驅動力，此時對應驅動小車為勻減速運動，在負載慣性的作用下其會超前于吊繩；當快到目的地時，適當地增加驅動小車的驅動力，此時當負載達到目的時可將其擺角減小為0。

2.2 塔式起重機防擺控制器的設計

在工業控制算法中，PID 控制算法和模糊控制算法具有其各自的優勢。其中，PID 控制算法具有結構簡答、工作可靠、調整較快的優勢；而模糊控制算法具有較強的抗干擾特性。因此，針對塔式起重機的防擺控制需求，擬采用PID 控制算法與模糊控制算法相結合方式對塔式起重機進行控制。

模糊PID 控制器的核心在于可根據系統的輸出值采用模糊控制算法對PID 控制器中的比例、積分和微分三個環節的系數進行自適應整定，已達到精準、快速的控制效果。其中，對比例環節系數的整定可以提高控制系統的響應速度和精度；對積分環節系數的整定可以消除控制系統的穩態誤差；對微分環節系數的整定可以消除并抑制系統的偏差[3]。

基于模糊PID 算法所設計的塔式起重機防擺控制器，并基于MATLAB軟件構建仿真模型如圖2 所示。

圖2 塔式起重機防擺控制仿真模型

根據塔式起重機的實際工況確定PID 控制器中比例環節的初始參數為7.85，微分環節的初始參數為0.2，積分環節的初始參數為2.85。基于上述所構建的仿真模型對模糊PID 控制器和模糊控制器的控制效果進行對比，以對擺角控制為例，兩種控制算法對應的控制效果如圖3 所示。

圖3 負載擺角控制效果對比

由圖3 可知，采用模糊PID 控制器后負載擺角相比采用模糊控制器達到穩態的時間可以從15 s 縮短為8 s，直接提前7 s；而且，采用模糊PID 控制器在整個控制過程中系統出現的振動次數和幅值較小，即系統具有較好的穩定性。同理得出，針對驅動小車位移控制響應時間可直接縮短20 s，且在整個控制過程中無靜差[4-5]。

總之，采用模糊PID 控制器對應塔式起重機的防擺控制具有很好的快速響應特性，而且在控制過程中無誤差和超調量，極大地改善了塔式起重機的防擺控制效果。

3 塔式起重機防擺控制系統的設計

結合塔式起重機的實際工況和特點，采用以PAC為核心的電氣控制系統，為保證控制過程的平穩性，系統中的各個機構采用變頻調速方式進行控制。塔式起重機的防擺控制系統的整體結構如圖4 所示。

圖4 塔式起重機防擺控制結構

PAC 相比傳統PLC 控制器具有開放架構、控制功能豐富、通信速率高、實時性好以及成本低等優勢。本系統采用型號為ADAM-5550 kW 的8 槽可編程控制器為核心實現塔式起重機防擺控制的目的。針對各機構變頻控制的需求，系統采用三菱公司的FR-A740 系列變頻器實現變頻控制的功能。為實時掌握塔式起重機的實際工況，采用KeyenceLs 5000 系列的高速激光掃描測量儀對塔式起重機吊重擺角進行測量；采用電阻應變式壓力傳感器對塔式起重機的載重進行測量；采用2RHIB 型光電編碼器對驅動小車的位移和起升高度進行測量。

在上述硬件支撐的基礎上，并參照塔式起重機防擺控制機理設計如圖5 所示的防擺控制軟件流程。

圖5 塔式起重機防擺控制流程

4 結語

塔式起重機為當前工程實施過程中的核心機械設備，本文研究重點為解決塔式起重機在實際施工過程中出現負載擺動的問題，不僅存在極大的安全隱患而且對應的工作效率降低。針對塔式起重機的防擺控制需求，提出基于模糊PID 控制器對塔式起重機驅動小車和負載擺角進行控制，通過仿真分析可知：采用模糊PID 控制器后可比模糊控制器具有更快的響應特性，其中，驅動小車達到穩態時間縮短20 s，負載擺角為零控制所需時間縮短7 s；而且在控制過程中無誤差和超調量，極大地改善了塔式起重機的防擺控制效果。