肖德鐘

（江西省檢驗檢測認證總院特種設(shè)備檢驗檢測研究院贛州檢測分院， 江西 贛州 341000）

0 引言

橋式起重機是貨物搬運過程中最重要的現(xiàn)代化工具之一，對降低工作人員勞動強度，提高貨物運輸效率發(fā)揮著重要的作用。在橋式起重機的實際使用當中，由于環(huán)境因素和貨物自身的運動慣性，吊運時負載吊重會出現(xiàn)搖擺情況，不僅增大了作業(yè)難度，而且會降低作業(yè)效率，存在安全隱患[1]。因此，設(shè)計一套防搖定位控制系統(tǒng)，降低橋式起重機負載吊重的擺動幅度和擺動頻率，確保貨物搬運安全。

1 橋式起重機防搖定位控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 控制系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

橋式起重機在運行過程中，吊重與鋼纜之間為柔性連接，運行過程中受到外部因素和吊重自身運動慣性影響，會發(fā)生振蕩搖擺現(xiàn)象[2]。想要降低搖擺幅度，可通過降低啟動加速度或提前減速的方式將吊重的擺角保持在可控范圍內(nèi)。因此，可以從啟動和停止兩方面入手，進行防搖定位控制系統(tǒng)設(shè)計。

1.2 輸入整形控制器設(shè)計

本文選用零振蕩及零導數(shù)法進行整形控制器設(shè)計，此設(shè)計方式魯棒性較好。在設(shè)計中，將起重機提升吊重至設(shè)定高度時定義為零時刻，整形器中賦予兩個脈沖。在啟動時，起重機由靜止開始運動，此時吊重也在向著一個方向移動，可將其視為正向加速度脈沖，脈沖幅值為“1”。在半個系統(tǒng)振動周期時，再向小車輸入幅值的脈沖（T為系統(tǒng)振動周期，a為小車加速度），這兩個脈沖幅度疊加后吊重的擺角在T/2 時，返回為0。在終止定位階段，起重機驅(qū)動小車在即將到達指定位置后，系統(tǒng)根據(jù)運行距離計算出減速階段所應用的時間周期（Tj）。在終止定位階段初始時，輸入整形控制器向小車輸入脈沖幅值為“1”的反向加速度脈沖，在半個系統(tǒng)振動周期時，再向小車輸入幅值為的脈沖。此時，兩個脈沖幅度疊加后，吊重的擺角在T/2 時，返回為0。勻速階段指的是起重機驅(qū)動小車在T/2 時刻后，在減速時刻前的狀態(tài)，此時小車的速度可以表示為

1.3 模糊控制結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)起重機工況分析，模糊控制器的設(shè)計可通過控制小車運行位置、運行速度、吊重擺角以及角速度等變量進行控制。本文通過簡化設(shè)計，將這四個變量分為兩個部分，分別為小車運動位移模糊控制器、防搖模糊控制器。

小車運動位移模糊控制器（TFLC）的設(shè)計是在控制器當中將小車的位移和速度作為基礎(chǔ)值，將其與期望值進行對比，計算出誤差值，并將誤差值輸入到預先設(shè)定好的軟件程序當中進行模糊計算，由控制器輸出小車的驅(qū)動力F1。防搖擺模糊控制器（ASFLC）設(shè)計是在控制器當中將吊重的擺角和角速度作為基礎(chǔ)值，將其與擺角和角速度的期望值進行對比，計算出誤差，并將誤差輸入到程序系統(tǒng)當中進行模糊計算，進而由控制器給出小車的驅(qū)動力F2。小車在驅(qū)動力F1和F2的共同作用下，形成實際運行驅(qū)動力F。

2 橋式起重機防搖定位系統(tǒng)試驗

為了驗證橋式起重機防搖定位控制系統(tǒng)的可行性，本次選用伺服電機系統(tǒng)、滑臺和運動控制卡等硬件組成系統(tǒng)試驗臺，模擬起重機的運行狀態(tài)。在試驗過程中利用LabVIEW 設(shè)計控制程序。

2.1 試驗平臺設(shè)計

2.1.1 硬件部分

試驗平臺包含運動控制卡、同步帶滑臺、工控機、伺服電機系統(tǒng)、姿態(tài)檢測模塊和電源。其中，型號為MPC08D 的運動控制卡，能夠設(shè)置梯形升高降速曲線，并配備有工控機驅(qū)動程序，可以滿足試驗模擬要求。伺服電機系統(tǒng)選用60EBP115ALC 伺服電機（時代超群），驅(qū)動器型號選用時代超群860 系列。同步滑臺尺寸為45 mm×45 mm，滑臺一端預留有同步帶驅(qū)動軸，用于伺服電機連接。

2.1.2 試驗方法

在試驗平臺搭建完成后，利用LabVIEW 編寫控制程序，并將其輸入至控制器當中。模糊控制器根據(jù)模糊規(guī)則進行合理決策，計算出輸出值。在試驗中，首先將吊重向?qū)к壏聪蜻M行移動，使吊重具有初始擺角（＜10°）。然后，由模糊控制程序?qū)_進行自主控制，并由吊重自由搖擺，記錄吊重搖擺情況。

2.2 橋式起重機防搖定位系統(tǒng)試驗結(jié)果分析

試驗條件：滑臺最大速度控制為0.1 m/s，吊重初始擺角設(shè)置為6°，滑臺運行位移共800 mm。試驗結(jié)果如圖1、圖2 所示。

圖1 滑臺位移曲線

圖2 滑臺吊重擺角曲線

由圖1、圖2 可知，在11 s 左右滑臺達到指定位置，但由于吊重擺角依舊存在，在ASFLC 的作用下滑臺向兩側(cè)移動調(diào)整。在18 s 左右，吊重擺角消失，滑臺接近目標距離。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，滑臺停止距離為787.86 mm，誤差為12.14 mm，誤差率1.52%，此時吊重擺幅1.06°，定位精度與吊重擺幅符合設(shè)計和應用要求。

為了驗證初始擺角對防搖定位控制系統(tǒng)影響的研究，本次試驗在改變初始擺角的情況下進行了多次試驗，試驗結(jié)果如表1 所示。

表1 不同初始擺角下防搖定位控制系統(tǒng)試驗結(jié)果

橋式起重機防搖定位控制系統(tǒng)的防搖定位時間與吊重初始擺角呈正相關(guān)，初始擺角越大，該系統(tǒng)在防搖和定位過程中所耗費的時間越長，并且穩(wěn)定后吊重擺幅也越大。因此，在該系統(tǒng)運行之前，抑制吊重初始擺角，能夠提高橋式起重機運行效率。

3 橋式起重機防搖定位控制系統(tǒng)應用經(jīng)濟性分析

某公司包裝車間1 號橋式起重機主要用于貨物搬運，該起重機起重量為10 t，操作方式為人工操控。該公司在2022 年8 月3—15 日對控制系統(tǒng)進行了自動化改造，將防搖定位控制系統(tǒng)應用其中。經(jīng)過3 個月的應用發(fā)現(xiàn)，使用防搖定位控制系統(tǒng)后，有效縮短了吊運定位時間，搬運效率得到進一步提升，具體結(jié)果如表2 所示。

表2 橋式起重機防搖定位系統(tǒng)應用前后效果

由表2 可知，在某公司應用橋式起重機防搖定位系統(tǒng)后，每次吊裝用時縮短4.3 min，吊卸用時縮短2.2 min，極大地提高了貨物搬運效率。相比較改造前，每月吊裝量增長453.79 t，每日吊卸量增長414.07 t，吊裝量與吊卸量呈線性關(guān)系。除去成本，每多吊裝1 t貨物，能夠為企業(yè)帶來769.8 元收益。在改造完成后，每月企業(yè)能夠增長效益為453.79 t×769.8 元/t≈35 萬元。從人工成本方面來看，工作人數(shù)由7 人降至3 人，按平均每人每月薪酬＋保險金額為7 835 元計，人工成本能夠降低7 835 元/人×4 人=31 340 元。某公司在應用橋式起重機防搖定位控制系統(tǒng)后，每月可獲益38 萬元。

4 結(jié)論

1）確定橋式起重機防搖定位控制系統(tǒng)架構(gòu)，對輸入整形控制器和模糊控制結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

2）對橋式起重機防搖定位系統(tǒng)進行試驗驗證，結(jié)果表明，應用系統(tǒng)后滑臺停止誤差率為1.52%，吊重擺幅1.06°，符合設(shè)計要求，證實該系統(tǒng)能夠有效縮短定位時間，抑制吊重搖擺。

3）將橋式起重機防搖定位控制應用于某公司1號橋式起重機，經(jīng)過3 個月的應用，平均每月吊裝量能夠提高453.79 t，從整體來看，每月能夠為該公司創(chuàng)造38 萬元收益。