王海艦，袁嘉惠，盧士林，齊子昂，申艷珍，謝 飛，劉 林

(1.桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004；2.沈陽特種設備檢測研究院，遼寧 沈陽 110035)

0 引 言

塔式起重機是大型的垂直吊裝起重運輸機械設備，具有塔身高、有效起吊高度大、作業(yè)范圍廣等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于現(xiàn)代建筑施工行業(yè)中[1，2]。

傳統(tǒng)的塔式起重機都是采用一次性配重原理，即起吊前，起吊端處于空載狀態(tài)，配重端的力矩遠遠大于起吊端；而當起吊端吊起的重物重量較大時，起吊端的力矩又大于配重端的力矩，導致塔機長期處于力矩不平衡的狀態(tài)下，容易發(fā)生塔身翻側、折斷和塔機兩臂折斷等事故，嚴重威脅塔機操作人員的人身安全；同時，塔機倒塌還會對周邊的建筑、設施造成嚴重損害[3，4]。

因此，如何實現(xiàn)塔式起重機兩端的力矩平衡，降低塔身的不平衡負載，是保證塔式起重機長期安全穩(wěn)定運行亟待解決的問題。

對于塔式起重機的平衡控制問題，田立勇等人[5]采用了無線電技術，利用無線遙控發(fā)射和接收芯片組與微計算機接口，完成了塔式起重機的無線遙控；孫輝等人[6]基于塔式起重機在工作工程中的負載擺動現(xiàn)象，分析了塔式起重機的動力學模型，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡輸出逼近系統(tǒng)的不確定項，提出了一種基于遺傳法的塔式起重機神經(jīng)網(wǎng)絡滑模神經(jīng)防擺控制新方法，該方法可有效地提高塔機系統(tǒng)的控制性能；張楠等[7]利用ANSYS構建了塔式起重機起重臂架裝置的最優(yōu)化數(shù)學模型，并通過分析得到了優(yōu)化模型的最優(yōu)解，為塔式起重機臂架裝置的設計提供了高效、便捷的方案；王玲娟[8]以TC7040型塔式起重機為研究對象，運用有限元軟件ABAQUS建立了金屬結構模型，分析了塔式起重機在不同風振響應特性的分析，為塔式起重機的設計與使用安全性提供了科學的指導；董明曉等[9]研究了塔式起重機的變幅運動和起升運動對整機結構振動的影響規(guī)律，得到了起重臂振動幅值和頻率隨著變幅增大而減小，振動的幅值和周期隨著起重量的增大而增大的結論。

然而目前對于塔式起重機的自動化配重以及平衡動態(tài)特性的分析研究相對較少。

本文提出一種基于自動配重的平衡控制方法，通過調(diào)節(jié)塔式起重機起吊過程中配重塊位置，以實現(xiàn)塔式起重機的配重端與起重端的力矩平衡；并對不同工況下系統(tǒng)的動態(tài)特性進行分析，驗證基于自動配重的平衡控制方法的可行性。

1 塔機自動配重實驗平臺構建

1.1 塔機自動配重原理分析

傳統(tǒng)的塔式起重機由于配重是固定在平衡臂端，在空載情況下，平衡臂端的重量遠遠大于起重臂端的重量[10，11]。

想要實現(xiàn)塔機處于平衡狀態(tài)，就要在起吊端起吊適宜的配重實現(xiàn)兩端的力矩平衡，即增加吊重M2，使M1L1=M2L2。

塔式起重機力矩平衡狀態(tài)如圖1所示。

圖1 塔式起重機力矩平衡狀態(tài)

當起吊重量增加，M3>M2時，此時起吊端力矩M3L2>M1L1，為了實現(xiàn)兩端力矩平衡，在不改變配重質(zhì)量的情況下，需要將M1左移，實現(xiàn)M1L1′=M3L2。

起吊端質(zhì)量增加工況如圖2所示。

圖2 起吊端質(zhì)量增加工況

當起吊重量不變，而小車向塔帽方向移動，此時起吊端力臂減小，M3>M2時，此時起吊端力矩M1L1′>M3L2′，為了實現(xiàn)兩端力矩平衡，需要將M1右移，實現(xiàn)M1L1″=M3L2′。

起吊端力臂減小工況如圖3所示。

圖3 起吊端力臂減小工況

綜上分析可知，通過對配重位置的動態(tài)調(diào)節(jié)，改變配重的力臂，可實現(xiàn)塔式起重機不同工況下的平衡調(diào)節(jié)，提高塔式起重機運行的安全系數(shù)，延長塔式起重機的使用壽命。

1.2 自動配重實驗平臺

實現(xiàn)塔式起重機兩端力矩快速平衡調(diào)節(jié)的關鍵是確定兩端的力矩偏差和偏差變化率。本文提出一種通過拉壓力傳感器檢測兩端平衡偏差的方法，即根據(jù)塔式起重機的實際結構特征，等比例構建塔式起重機自動配重實驗平臺[12-15]。

塔機自動配重實驗平臺如圖4所示。

塔機系統(tǒng)的檢測控制模塊以AT89C51單片機作為控制核心芯片，外圍的擴展電路主要由電機驅(qū)動電路、壓力傳感器信號放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、液晶屏顯示電路和光聲報警電路等模塊組成。

設備上電后，拉壓力傳感器感應到塔機吊裝重物時產(chǎn)生的壓力或拉力，轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，即很小的mV電壓，將微小的mV信號經(jīng)過運算放大電路放大到約0～5 V之間，將放大的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到單片機，單片機接收信號后計算兩端力矩的偏差和偏差變化率，并將偏差和偏差變化率輸入到模糊PID中，進而對電機進行正、反轉(zhuǎn)控制，從而調(diào)節(jié)配重的位置實現(xiàn)塔機力矩的快速平衡。

2 基于模糊PID的塔機自動化配重控制

塔式起重機的模糊PID平衡控制系統(tǒng)以拉壓傳感器反饋的電壓信號，與輸入期望值的偏差e及偏差變化率ec作為輸入，系統(tǒng)將量化后的偏差和偏差變化率經(jīng)過模糊化、模糊推理及解模糊過程，獲取PID的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)的最優(yōu)參數(shù)，并代入到下式：

(1)

式中：KP—比例系數(shù)；KI—積分系數(shù)；KD—微分系數(shù)。

通過式(1)輸出結果控制驅(qū)動電機，可實現(xiàn)對塔式起重機平衡配重的快速調(diào)節(jié)。

塔式起重機的模糊PID平衡控制系統(tǒng)結構如圖5所示。

圖5 塔式起重機的模糊PID平衡控制系統(tǒng)結構

本文利用PID參數(shù)模糊自整定確定比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD與偏差e及偏差變化率ec的模糊關系，并根據(jù)模糊控制原理對3個參數(shù)不斷地進行在線修正，以滿足拉壓傳感器實時反饋的不同的偏差e及偏差變化率ec的要求，確保系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能和靜態(tài)性能。

塔式起重機自動配重系統(tǒng)以拉壓傳感器檢測數(shù)據(jù)的偏差e以及偏差的變化率ec作為輸入，以自適應模糊PID的3個參數(shù)KP、KI和KD的值作為輸出。

其輸入和輸出隸屬度函數(shù)如圖6所示。

圖6 輸入和輸出隸屬度函數(shù)

結合專家經(jīng)驗，根據(jù)參數(shù)自整定PID模糊控制的規(guī)則，筆者構建了塔式起重機模糊PID系統(tǒng)參數(shù)KP、KI和KD的模糊規(guī)則表，分別如表(1～3)所示。

表1 KP的模糊規(guī)則表

表2 KI的模糊規(guī)則表

表3 KD的模糊規(guī)則表

3 動態(tài)平衡實驗及結果分析

塔式起重機自動化配重系統(tǒng)需要針對不同運行工況具有良好的普適性，針對起吊重物瞬間、提升過程以及重物擺動等多個工況導致的力矩不平衡均要具有非常好的快速調(diào)節(jié)能力，且這種動態(tài)調(diào)節(jié)能力需要是動態(tài)的、連續(xù)的快速響應調(diào)節(jié)。

為了驗證構建的塔式起重機自動化配重系統(tǒng)的動態(tài)平衡特性，筆者分別對不同工況進行實驗分析。

3.1 起吊瞬間響應分析

塔式起重機提升重物時，提升鋼絲繩由非受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芰埦o狀態(tài)，在該過程中，起吊端受力快速增長，在重物離地的瞬間達到峰值；此時，兩端力矩嚴重不平衡，需要系統(tǒng)隨著起吊端吊重的變化對配重進行快速調(diào)節(jié)，以滿足塔機兩端的力矩平衡。

為了驗證筆者所構建的塔式起重機模糊PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性，本研究對塔式起重機起吊瞬間的響應特性進行分析。

起吊瞬間響應曲線如圖7所示。

圖7 起吊瞬間響應曲線

由圖7可以看出：給系統(tǒng)輸入1個單位階躍信號，系統(tǒng)響應值快速升高，在0.1 s處達到峰值，超調(diào)量不大，并經(jīng)過短暫振蕩后在0.4 s處達到穩(wěn)態(tài)；以上結果表明，系統(tǒng)對偏差的響應較快，能夠根據(jù)塔機兩端力矩的偏差變化進行快速平衡調(diào)節(jié)，具有良好的動態(tài)性能。

3.2 提升過程動態(tài)特性分析

塔式起重機在吊重提升過程中，受塔機提升電機機構、小車行走導致的力臂變化以及重物在空中受風等外界因素導致的微小擺動等影響，會導致塔機兩端力矩處于不平衡狀態(tài)，因此，系統(tǒng)需要不斷調(diào)整配重的位置來平衡兩端的力矩，消除力矩偏差。

本文通過實驗，測試塔式起重機起升過程中伴隨重物微小擺動(擺動傾角小于10°)及小車位移(力臂變化)工況的力矩差值變化情況。

起升過程中力矩差值曲線如圖8所示。

圖8 起升過程中力矩差值曲線

由圖8可以看出：塔機在提升過程中，兩端力矩差值振蕩幅度較小，最大力矩差值為0.045 N·m；由此可以表明，所設計的模糊PID系統(tǒng)能夠?qū)α仄钸M行快速調(diào)節(jié)，實現(xiàn)塔機兩端的力矩平衡。

3.3 重物擺動工況動態(tài)特性分析

塔式起重機吊重過程中，由于小車的變幅運動，重物會發(fā)生一定角度的擺動，在此過程中，由于小車處于運動狀態(tài)，力臂L處于連續(xù)動態(tài)變化狀態(tài)；同時，由于質(zhì)量M處于擺動狀態(tài)下，其在不同時刻垂直向下的重力分量M′也不斷發(fā)生變化，同理，M′L也處于連續(xù)變化狀態(tài)。

重物擺動過程中，對力矩平衡將造成比較顯著的影響。小車變幅時重物擺動工況如圖9所示。

圖9 小車變幅時重物擺動工況

本文分別開展3°、6°和10°不同擺角工況下的塔式起重機自動配重控制系統(tǒng)響應實驗，以驗證自動配重控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。

不同擺角工況配重力矩平衡曲線如圖10所示。

圖10 不同擺角工況配重力矩平衡曲線

從圖10可以看出：塔式起重機自動配重系統(tǒng)對于小車變幅過程中產(chǎn)生的重物不同擺角，均能夠進行快速的平衡調(diào)節(jié)，最大力矩差值僅為0.039 N·m，表明系統(tǒng)具有非常好的動態(tài)性能。

4 結束語

本文提出了一種基于模糊PID的塔式起重機自動配重控制方法，通過分析塔式起重機兩端的力矩平衡關系，利用拉壓力傳感器實現(xiàn)了對兩端力矩偏差的精確檢測，并利用力矩偏差和偏差變化率實現(xiàn)了對兩端力矩平衡的動態(tài)調(diào)節(jié)；利用構建的塔式起重機自動配重實驗平臺，對起吊瞬間、起升過程以及重物擺動不同工況的力矩平衡進行了實驗。

實驗結果表明：筆者構建的自動化配重控制系統(tǒng)滿足塔式起重機的實際工作需要，具有較高的控制精度和動態(tài)特性，為實現(xiàn)塔式起重機的安全穩(wěn)定運行、延長塔式起重機的使用壽命提供了一種重要的技術手段。