方 靜

（尚風(fēng)科技股份有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

塔式起重機為當(dāng)前工程項目施工中必不可少的大型機械設(shè)備，在未來具有極大的應(yīng)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(fēng)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(dǎo)致塔式起重機僅能單獨的完成回轉(zhuǎn)、變幅以及起升等動作，無法完成上述動作的協(xié)同工作，嚴重影響設(shè)備的工作效率。為解決塔式起重機在風(fēng)載情況下回轉(zhuǎn)、變幅以及起升等動作的協(xié)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(xué)模型

為切實掌握塔式起重機在風(fēng)載時其在定位防擺情況上所面臨的實際問題，為后續(xù)解決其防擺奠定基礎(chǔ)，需要精準建立塔式起重機的動力學(xué)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(xué)建模需求，本文將采用拉格朗日代入法對其在風(fēng)載時多輸入多輸出、強耦合且非線性的動力學(xué)模型進行構(gòu)建[1]。在建模時，需要做出如下假設(shè)：忽略鋼絲繩、吊鉤以及吊重的質(zhì)量不計；將塔式起重機的吊重和小車視為沒有體積的質(zhì)點；忽略塔式起重機包含鋼絲繩在內(nèi)等所有機構(gòu)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(zhuǎn)、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(fēng)載環(huán)境中風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)可精準測量。

根據(jù)塔式起重機在風(fēng)載環(huán)境下的實際工況，可將風(fēng)載分解為變幅運動和垂直于變幅運動的風(fēng)載。因此，在風(fēng)載時塔式起重機為五個輸入對應(yīng)五個輸出的非線性系統(tǒng)，其中五個輸入指的是大臂轉(zhuǎn)矩、小車推力、起升力、變幅及垂直變幅的風(fēng)載力，五個輸出指的是大臂轉(zhuǎn)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(fēng)載時塔式起重機屬于三個輸入對應(yīng)五個輸出的強耦合、非線性系統(tǒng)。所構(gòu)建的塔式起重機在風(fēng)載時對應(yīng)的動力學(xué)模型如圖1 所示。

圖1 塔式起重機動力學(xué)模型

2 塔式起重機防擺控制器設(shè)計

2.1 塔式起重機防擺控制機理

結(jié)合塔式起重機司機的操作經(jīng)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(qū)動小車以勻加速的狀態(tài)運動，使得塔式起重機的負載稍微落后與吊繩；當(dāng)距離目的地較遠時，可控制驅(qū)動小車為勻速運動[2]；當(dāng)距離目的地較近時，可稍微減小對驅(qū)動小車的驅(qū)動力，此時對應(yīng)驅(qū)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(dāng)快到目的地時，適當(dāng)?shù)卦黾域?qū)動小車的驅(qū)動力，此時當(dāng)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(shè)計

在工業(yè)控制算法中，PID 控制算法和模糊控制算法具有其各自的優(yōu)勢。其中，PID 控制算法具有結(jié)構(gòu)簡答、工作可靠、調(diào)整較快的優(yōu)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(jié)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(jù)系統(tǒng)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(huán)節(jié)的系數(shù)進行自適應(yīng)整定，已達到精準、快速的控制效果。其中，對比例環(huán)節(jié)系數(shù)的整定可以提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度；對積分環(huán)節(jié)系數(shù)的整定可以消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；對微分環(huán)節(jié)系數(shù)的整定可以消除并抑制系統(tǒng)的偏差[3]。

基于模糊PID 算法所設(shè)計的塔式起重機防擺控制器，并基于MATLAB軟件構(gòu)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(jù)塔式起重機的實際工況確定PID 控制器中比例環(huán)節(jié)的初始參數(shù)為7.85，微分環(huán)節(jié)的初始參數(shù)為0.2，積分環(huán)節(jié)的初始參數(shù)為2.85?；谏鲜鏊鶚?gòu)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(yīng)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(wěn)態(tài)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(tǒng)出現(xiàn)的振動次數(shù)和幅值較小，即系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。同理得出，針對驅(qū)動小車位移控制響應(yīng)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(yīng)塔式起重機的防擺控制具有很好的快速響應(yīng)特性，而且在控制過程中無誤差和超調(diào)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(tǒng)的設(shè)計

結(jié)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(tǒng)，為保證控制過程的平穩(wěn)性，系統(tǒng)中的各個機構(gòu)采用變頻調(diào)速方式進行控制。塔式起重機的防擺控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 塔式起重機防擺控制結(jié)構(gòu)

PAC 相比傳統(tǒng)PLC 控制器具有開放架構(gòu)、控制功能豐富、通信速率高、實時性好以及成本低等優(yōu)勢。本系統(tǒng)采用型號為ADAM-5550 kW 的8 槽可編程控制器為核心實現(xiàn)塔式起重機防擺控制的目的。針對各機構(gòu)變頻控制的需求，系統(tǒng)采用三菱公司的FR-A740 系列變頻器實現(xiàn)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(yīng)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(qū)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(chǔ)上，并參照塔式起重機防擺控制機理設(shè)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(jié)語

塔式起重機為當(dāng)前工程實施過程中的核心機械設(shè)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(xiàn)負載擺動的問題，不僅存在極大的安全隱患而且對應(yīng)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(qū)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(yīng)特性，其中，驅(qū)動小車達到穩(wěn)態(tài)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(diào)量，極大地改善了塔式起重機的防擺控制效果。