起重机的防摆控制研究.pdf

结构设计andNo.7,2023DevelopmentManagementMechanical2023年第7 期Total243总第2 4 3 期机械管理开发D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.048起重机的防摆控制研究方静（尚风科技股份有限公司，山西太原030006)摘要：为解决塔式起重机在实际施工过程中所存在的负载摆动问题，提高塔式起重机的施工安全性，在对塔式起重机动力学模型构建的基础上，提出采用模糊PID控制器实现其防摆控制的目的，并对模糊PID控制策略和模糊控制策略的控制效果进行对比；并根据塔式起重机的工况特点和控制机理设计了控制系统，完成了关键硬件的选型和软件控制流程。关键词：塔式起重机；动力学模型；模糊PID控制器；响应特性；控制系统中图分类号：TH21文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-7 7 3 X(2023)07-0122-030引言塔式起重机为当前工程项目施工中必不可少的大型机械设备，在未来具有极大的应用前景。塔式起重机在实际施工过程中存在吊重摆动的情况，尤其是在刮风天气,其不仅影响起重机的工作效率而且存在极大的安全隐患，最终导致塔式起重机仅能单独的完成回转、变幅以及起升等动作，无法完成上述动作的协同工作，严重影响设备的工作效率。为解决塔式起重机在风载情况下回转、变幅以及起升等动作的协同工作，开展了塔式起重机的防摆控制研究。1塔式起重机动力学模型为切实掌握塔式起重机在风载时其在定位防摆情况上所面临的实际问题，为后续解决其防摆奠定基础，需要精准建立塔式起重机的动力学模型。综合分析拉格朗日代人法和牛顿欧拉迭代法建模方法的特点，针对塔式起重机的动力学建模需求，本文将采用拉格朗日代人法对其在风载时多输入多输出、强耦合且非线性的动力学模型进行构建。在建模时，需要做出如下假设：忽略钢丝绳、吊钩以及吊重的质量不计；将塔式起重机的吊重和小车视为没有体积的质点；忽略塔式起重机包含钢丝绳在内等所有机构的弹性变形，视为各部件的刚度足够大；对塔式起重机在实际施工过程中回转、变幅以及起升等动作的摩擦忽略不计；认为可对塔式起重机在风载环境中风速、风向等参数可精准测量。根据塔式起重机在风载环境下的实际工况，可将风载分解为变幅运动和垂直于变幅运动的风载。因此，在风载时塔式起重机为五个输人对应五个输出的非线性系统，其中五个输入指的是大臂转矩、小车推力、起升力、变幅及垂直变幅的风载力，五个输出指的是大臂转角、小车位移、钢丝绳伸长量、吊重变幅及与其垂直的两个方向的摆角；而在非风载时塔式起重机属于三个输人对应五个输出的强耦合、非线性系统。所构建的塔式起重机在风载时对应的动力学模型如图1 所示。大臂转角转角速度厂T_aerfa转角加速度小车位移厂小车速度小车加速度绳长0.01A_beta摆角0.01A-amaTw_beitawb提角速度摆角加速度偏角A榻角速度偏角加速度风载塔机图1塔式起重机动力学模型2塔式起重机防摆控制器设计2.1塔式起重机防摆控制机理结合塔式起重机司机的操作经验，在实际施工中采取如下动作可以有效方式塔式起重机的防摆。具体如下：在初始阶段保证驱动小车以匀加速的状态运动，使得塔式起重机的负载稍微落后与吊绳；当距离目的地较远时，可控制驱动小车为匀速运动 2 ；当距离目的地较近时，可稍微减小对驱动小车的驱动力，此时对应驱动小车为匀减速运动，在负载惯性的作用下其会超前于吊绳；当快到目的地时，适当地增加驱动小车的驱动力，此时当负载达到目的时可将其摆角减小为0。2.2塔式起重机防摆控制器的设计在工业控制算法中,PID控制算法和模糊控制算法具有其各自的优势。其中,PID控制算法具有结构收稿日期：2 0 2 2-0 9-0 1作者简介：方静（1 9 8 1 一），女，山西大同人，本科，毕业于太原理工大学土木工程专业，工程师，从事机械设计工作123.方静：起重机的防摆控制研究2023年第7 期简答、工作可靠、调整较快的优势；而模糊控制算法具有较强的抗干扰特性。因此,针对塔式起重机的防摆控制需求，拟采用PID控制算法与模糊控制算法相结合方式对塔式起重机进行控制。模糊PID控制器的核心在于可根据系统的输出值采用模糊控制算法对PID控制器中的比例、积分和微分三个环节的系数进行自适应整定，已达到精准、快速的控制效果。其中,对比例环节系数的整定可以提高控制系统的响应速度和精度；对积分环节系数的整定可以消除控制系统的稳态误差；对微分环节系数的整定可以消除并抑制系统的偏差 3 。基于模糊PID算法所设计的塔式起重机防摆控制器，并基于MATLAB软件构建仿真模型如图2 所示。ConstantSubtractGain2MGain4Fuzzy LogicControllerfuzzypiddistancedistanceSubsystemDerivativeGaingGainl1352+0.2sfuzzy_pid_angleangle55*+9.8Gain3Gain8Gain5Fuzzy LogicDerivativelGain6Controllerl图2塔式起重机防摆控制仿真模型根据塔式起重机的实际工况确定PID控制器中比例环节的初始参数为7.8 5，微分环节的初始参数为0.2,积分环节的初始参数为2.8 5。基于上述所构建的仿真模型对模糊PID控制器和模糊控制器的控制效果进行对比，以对摆角控制为例，两种控制算法对应的控制效果如图3 所示。由图3 可知，采用模糊PID控制器后负载摆角相比采用模糊控制器达到稳态的时间可以从1 5 s缩短为8 s,直接提前7 s;而且，采用模糊PID控制器在整个控制过程中系统出现的振动次数和幅值较小，即系统具有较好的稳定性。同理得出，针对驱动小车位移控制响应时间可直接缩短2 0 s，且在整个控制过程中无静差 4 5 总之，采用模糊PID控制器对应塔式起重机的防摆控制具有很好的快速响应特性，而且在控制过程中无误差和超调量，极大地改善了塔式起重机的防摆控制效果。3塔式起重机防摆控制系统的设计结合塔式起重机的实际工况和特点，采用以PAC为核心的电气控制系统，为保证控制过程的平稳性，系统中的各个机构采用变频调速方式进行控制。塔式起重机的防摆控制系统的整体结构如图4 所示。PAC相比传统PLC控制器具有开放架构、控制0.200.15理想位置信号位置信号跟踪0.10PE/0.050.00-0.05-0.10-0.15-0.20L051015202530时间/s3-1模糊控制器0.25理想位置信号0.20位置信号跟踪0.150.100.050.00-0.05-0.10-0.15-0.20-0.25012345678910时间/s3-2模糊PID控制器图3负载摆角控制效果对比司机操作台可编程自动化控制器PAC工控PC机变频器角度传感器牵引电机起升机构旋转编码器压力传感器运行机构旋转编码器F一水平方向外力;f一;I一绳长;0 一摆角图4塔式起重机防摆控制结构功能丰富、通信速率高、实时性好以及成本低等优势。本系统采用型号为ADAM-5550kW的8 槽可编程控制器为核心实现塔式起重机防摆控制的目的。针对各机构变频控制的需求，系统采用三菱公司的FR-A740系列变频器实现变频控制的功能。为实时掌握塔式起重机的实际工况，采用KeyenceLs5000系列的高速激光扫描测量仪对塔式起重机吊重摆角进行测量；采用电阻应变式压力传感器对塔式起重机的载重进行测量；采用2 RHIB型光电编码器对驱动小车的位移和起升高度进行测量。在上述硬件支撑的基础上，并参照塔式起重机防摆控制机理设计如图5 所示的防摆控制软件流程。na)Changing in Coal Mines（编辑：柴晓峰）上接第1 2 1 页（编辑：王慧芳）124.第3 8 卷机械管理开发开始编码器清零按下启动按钮N起升达到高度？继续上升Y停止起升，小车平移采集速度数据N接近目标位置？继续运行Y小车减速采集摆角数据运行防摆系统到达指定位置图5塔式起重机防摆控制流程4线结语塔式起重机为当前工程实施过程中的核心机械设备，本文研究重点为解决塔式起重机在实际施工过程中出现负载摆动的问题，不仅存在极大的安全隐患而且对应的工作效率降低。针对塔式起重机的防摆控制需求，提出基于模糊PID控制器对塔式起重机驱动小车和负载摆角进行控制，通过仿真分析可知：采用模糊PID控制器后可比模糊控制器具有更快的响应特性，其中，驱动小车达到稳态时间缩短2 0 s，负载摆角为零控制所需时间缩短7 s；而且在控制过程中无误差和超调量，极大地改善了塔式起重机的防摆控制效果。参考文献1王晓军，邵惠鹤.基于模糊的桥式起重机的定位和防摆控制研究J.系统仿真学报,2 0 0 5,1 7(4：7 4.2王克琦.桥式起重机的定位和防摆控制研究.系统仿真学报，2007,19(8):1 799-1 802.3蒋理，陈树广基于模糊控制的桥式起重机定位防摆研究 J.计算机仿真，2 0 0 9(6)：1 7 9-1 8 2.4王生海，孙茂凯，曹建彬，等.船用起重机吊重防摆控制研究进展J.大连海事大学学报，2 0 2 1,4 7(4)：1-9.5谢政，杜文正，童国林.基于摩擦补偿的门式起重机定位与防摆控制研究 J1.机床与液压，2 0 1 3，4 1（1 5）：9 2-9 5.Research on Anti-Swing Control of CranesFang Jing(Shangfeng Technology Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030006,China)Abstract:In order to solve the problem of load swing of tower crane in the actual construction process and improve the construction safetyof tower crane,based on the construction of the dynamics model of tower crane,the purpose of using fuzzy PID controller to achieve itsanti-swing control is proposed,and the control effect of fuzzy PID control strategy and fuzzy control strategy is compared;finally,accordingto the working condition characteristics of tower crane and Finally,the control system is designed according to the working conditions andcontrol mechanism of the tower crane,and the selection of key hardware and software control process are completed.Key words:tower crane;dynamics model;fuzzy PID controller;response characteristics;control system机可拆卸的设计形式可以很好的适用到小断面巷道的钻探过程中。5结语为解决传统的矿用钻车在工作时的换杆效率问题，本文设计出了一种自动换杆液压钻车，主要介绍了液压钻车的总体结构、工作原理以及关键性部件的具体组成。最后，为了验证其可靠性，进行了工业性试验，其结果表明，与传统钻车相比，本文研制的液压钻车不但能提高了作业效率，同时也降低了人工劳动强度，针对一些小断面也可以正常的施展作业，有一定的安全可靠性。参考文献1陈维钦.履带式液压掘进钻车的设计 J.煤矿机电，2 0 1 2(3)：38-39;44.2张再涛，马勇，马强.煤矿用自动换杆液压钻车的研制 刀.新型工业化,2 0 2 1,1 1(2):1 2 6-1 2 7.3张凯，吴鑫，张明柱.煤矿用自动换杆液压钻车的研制 刀.煤矿机械,2 0 1 5,3 6(1 0):8 8-9 0.on of Hydraulic Drilling Carriage for RodDesign and Application of Hydraulic DrillinZhou Xiaofen(Shanxi Coking Coal Huozhou Coal and Power Ganhe Coal Mine,Hongtong Shanxi 041600,ChiAbstract:The traditional mining drill truck needs to be changed by hand when working,which not only reduces the driling efficiency ofthe truck,but also increases the labour intensity of workers.In order to solve this problem,a new type of hydraulic drill truck for coal minerod changing was designed.It adopts a fully hydraulic drive mode,with a crawler travel mode,and is paired with an automaticrod-changing device.In order to further verify its reliability,it was subjected to industrial tests,which showed that the drll truck is able tocomplete the automatic rod changing process well,and at the same time has a compact structure that enables free operation downhole.Key words:hydraulic drll truck;automatic rod change;crawler type