其于能量強耦合的建筑起重機開環消擺控制

吳紅梅，彭 磊，郭 林

（中國建筑第二工程局有限公司，廣東 深圳 518000）

起重機是一種可以實現在一定范圍內，對重物進行垂直、水平提升的大型機械設備，現階段，起重機已被廣泛應用到工業、建筑等工程領域內。在對起重機作業性能的研究中發現，其運行支撐系統的獨立控制變量個數小于系統自由度個數的一類非線性系統，簡單地說就是輸入比要控制的量少的系統。在長期、高壓作業條件下，欠驅動系統運行會導致起重機開環出現搖擺，需要消除起重機開環出現搖擺而造成的載荷，簡稱開環消擺。此種現象不僅會對設備作業的精度造成影響，還會在一定程度上降低起重機的作業效率，從而對房建工程項目的施工造成較高安全隱患[1]。因此，本文將參照傳統控制方案，基于能量強耦合角度，設計一種針對房建施工現場起重機的開環消擺控制方法，提高起重機的作業效率與綜合作業水平。

1 建立房建施工現場起重機動力學模型

為實現對房建施工現場起重機開環擺動的有效控制，建立如圖1 所示的房建施工現場起重機動力學模型[2]。

圖1 房建施工現場起重機動力學模型

在圖1 所示內容的基礎上，引進Euler-Lagrange 方程，建立房建施工現場起重機作業過程中的動力學函數，函數表達式如下[3]

式（1）中：F表示房建施工現場起重機作業中的提升力；M表示房建施工現場起重機重量；m表示提升重物負載質量；x表示提升過程中的起重機位移；l表示起重機吊繩長度；θ表示起重機負載過程中的擺動角度。按照上述方式，完成房建施工現場起重機動力學模型的構建。

2 起重機開環載荷擺角消除處理

在上述設計內容的基礎上，引進能量強耦合理念，設計起重機開環載荷擺角的消除處理[4]。在此過程中，考慮到起重機的運行會受到多種因素的影響，因此，可按照式（2）計算在多種作用力與作業場耦合條件下的起重機作業擾動作用力。

式中：f表示多種作用力與作業場耦合條件下的起重機作業擾動作用力；m1表示作業場對起重機提升重物質量造成的影響；h表示提升高度；m2表示多種耦合因素造成的起重機提升重物質量變化質量；C表示起重機摩擦角度；α表示起重機吊抓過程中的橫向擺動最大角度[5]。完成計算后，參照上述計算結果，建立房建施工現場起重機作業過程中的強耦合矩陣，矩陣表達式如下。

式中：V表示房建施工現場起重機作業過程中的強耦合矩陣。定義V為慣性矩陣，即正向矩陣，以此為依據，建立起重機在作業現場的斜對稱矩陣，計算公式如下。

式中：K表示起重機在作業現場的斜對稱矩陣；ξ表示摩擦力矢量；ξ.表示摩擦力矢量均值[6]。在此基礎上，設定起重機復雜狀態下擺動角度有效控制范圍為±π/2，則可以通過下述公式，進行起重機開環載荷擺角消除處理。

按照上述方式，完成基于能量強耦合的起重機開環載荷擺角消除處理。

3 設計開環最優消擺控制

在上述提出內容的基礎上，通過設計開環最優消擺控制，進行消擺控制方法的設計。此過程如圖2 所示，其中s表示起重機擺動規律。

圖2 開環最優消擺控制模式

控制過程中，根據起重機的初始化運行狀態，在前端輸入啟動參數。此時，控制器啟動，由調節器進行起重機作業過程中開環擺動角度計算，計算的結果將通過變頻調速器主動調節，利用估算的起重機角速度與擺動角，驅動起重機的控制，以此種方式，實現房建施工現場起重機開環消擺控制方法的設計。

4 對比實驗

基于能量強耦合角度，設計一種針對房建施工現場起重機的開環消擺控制方法，下述將通過設計對比實驗的方式[7]，對該方法的實際應用效果展開測試。

將房建施工現場起重機作業條件與技術參數錄入計算機，在Simulink/MatLAB 環境中，建立起重機結構模型，為確保建立的起重機結構模型可以實現對其運行狀態的精準描述，設計起重機初始化狀態的作業參數。

在使用本文設計的方法進行房建施工現場起重機開環消擺控制時，需要基于能量強耦合角度，進行起重機開環載荷擺角的消除處理，通過設計開環最優消擺控制，實現對擺動的有效控制。在上述內容的基礎上，引進基于聯合仿真技術的消擺控制方法、基于自抗擾理論的消擺控制方法，將提出的兩種方法作為傳統方法1 與傳統方法2，使用3 種方法，進行房建施工現場起重機的開環消擺控制。

控制過程中，驅動MatLAB 軟件中的程序，設定起重機在初始化狀態下的提升高度為10m，記錄3 種方法控制后，起重機提升時間、位移的變化情況，其結果如圖3 所示。

圖3 起重機提升時間-位移變化

從圖3 中所示的結果中可以看出，本文方法控制后，起重機在10s 時，將重物提升至10m，且提升后重物高度穩定在10m 位置未發生變化，由此可見，本文方法對起重機提升作業的控制效果良好。傳統方法1 在第10s 時，將重物提升至10m，但10～20s 范圍內，起重機提升貨物的高度未穩定，說明控制效果不佳。傳統方法2 未能按照預設標準，將起重機提升至10m。

在上述設計內容的基礎上，將起重機提升重物過程中開環擺動角度作為評價本文方法實際應用效果的關鍵指標[8]。其結果如圖4 所示。

圖4 起重機提升重物過程中的開環擺動角度變化

從圖4 所示的實驗結果中可以看出，使用本文方法進行起重機提升重物過程中開環擺動的控制，13s 開環擺動角度達到零，且控制過程中，最大開環擺動角度為5°。使用傳統方法1 進行起重機提升重物過程中開環擺動的控制，20s 開環擺動角度達到零，且控制過程中，最大開環擺動角度為10°。傳統方法2 未能按照預設標準，控制起重機提升重物過程中開環擺動角度達到零。

圖4 得到的實驗結果為起重機初始化狀態時，提升重物過程中開環擺動角度變化。為掌握在實際作業過程中本方法對起重機開環消擺的控制效果，設計起重機的初始化狀態為擺動狀態，對擺動狀態下的起重機開環進行消擺控制，控制效果如圖5 與圖6 所示。

圖5 初始負載擺角為5°時的消擺控制結果

圖6 初始負載擺角為10°時的消擺控制結果

從實驗結果中可以看出，當房建施工現場起重機初始負載擺角為5°、10°時，使用本文方法進行起重機提升重物過程中開環擺動的控制[9]，10s 開環擺動角度達到零。使用傳統方法1 進行起重機提升重物過程中開環擺動的控制，22s 開環擺動角度達到零。傳統方法2 未能按照預設標準，控制起重機提升重物過程中開環擺動角度達到零。

綜合上述實驗結果可知，相比傳統的控制方法，本文設計的方法可以實現在更短時間內，將房建施工現場起重機開環擺動角度控制為零，且控制效果良好。

5 結語

為發揮起重機在房建施工現場更高的價值與經濟效益，施工方提出了多種可用于控制起重機開環擺動的技術方案，并明確了此項工作對于施工現場起吊作業規范化實施的重要性。盡管現有的技術在應用中可以在一定程度上控制開環擺動，但根據施工現場大量的實踐反饋可知，現行控制方法仍無法達到預期。為解決此方面問題，本文基于能量強耦合角度，通過建立房建施工現場起重機動力學模型、起重機開環載荷擺角消除處理、設計開環最優消擺控制，完成了此次設計，設計后通過對比實驗證明：本文方法可以實現在更短時間內，將房建施工現場起重機開環擺動角度控制為零，通過此種方式，解決由于開環擺動造成的現場起重機異常作業問題。