集裝箱門式起重機吊重系統(tǒng)偏擺控制研究

計三有，楊宗儒，吳銳鵬

（武漢理工大學 物流工程學院，武漢 430063）

集裝箱門式起重機是目前全球大型的專業(yè)化集裝箱碼頭堆場的通用裝卸設備，主要分為輪胎式集裝箱門式起重機RTG （rubber tired container gantry crane）和軌道式集裝箱門式起重機RMG（rail mounted container gantry crane）兩大類，都可以裝卸搬運標準集裝箱[1]。當小車或大車運行時，集裝箱門式起重機的起吊貨物（吊具和集裝箱）會產生相對于豎直中心線的晃動，操作人員在消除擺動和精確對位上需要浪費更多的時間，從而造成裝卸作業(yè)效率降低，甚至引起安全事故，因此需要相應的防搖控制系統(tǒng)或裝置來抑制或消除這種不利擺角。

集裝箱門式起重機的吊重偏擺防搖技術主要有機械式防搖、液壓式防搖、機械電子式防搖以及智能電子式防搖幾種，按照控制對象的不同又可以分為主動控制和被動控制[2]。本文運用現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)反饋控制，將研究對象系統(tǒng)用狀態(tài)空間進行描述，利用所有狀態(tài)變量信息通過反饋增益網絡輸送至系統(tǒng)的輸入端，形成閉環(huán)反饋控制，達到防搖的目的。同時建立數(shù)學模型，利用計算機仿真小車吊重系統(tǒng)的偏擺控制系統(tǒng)進行動態(tài)仿真，以驗證控制系統(tǒng)的有效性和實用性。

1 集裝箱門式起重機吊重系統(tǒng)動力學模型

1.1 吊重系統(tǒng)的模型建立

對起重機吊重偏擺的分析可以看出，當小車或者大車在起動或者制動過程中，其運動狀態(tài)發(fā)生變化，使得通過柔性鋼絲繩的貨物即使不考慮外界干擾或風阻力的影響，只在慣性力的作用下也會發(fā)生小幅的球狀面運動；當大車不動只有小車運行時，吊重會在小車運行的豎直平面內偏擺，這種擺動近似單擺[3]。分析吊重的偏擺運動所采用的起重機運動簡化模型如圖1所示。

圖1 集裝箱門式起重機吊重系統(tǒng)空間模型Fig.1 Space model of hoisting system of container gantry crane trolley

集裝箱門式起重機防搖實質就是控制吊重相對于豎直線的擺動角度在較小的范圍內。集裝箱門式起重機的作業(yè)系統(tǒng)是典型的非線性多變量耦合系統(tǒng)，大小車的運行速率、起升高度的變化、風阻力摩擦阻力的影響等都會影響系統(tǒng)的工作性能。因此，需要建立一個相當精確的數(shù)學模型，為了研究方便，在滿足實際需求的前提下忽略一些次要因素，對實際模型進行合理的假設和簡化：①不考慮空氣和風阻力；②考慮集裝箱門式起重機小車與吊具之間采用的是四吊點聯(lián)結的形式，忽略吊重水平面的扭轉運動，那么四吊點與單吊點運動狀態(tài)是相同的，所以可以將起重小車和吊具與貨物都簡化為一個質點；③忽略滑輪和鋼絲繩的質量，不計鋼絲繩受力后的變形；④假設車輪與軌道的摩擦阻力與小車位置的一階微分即小車速度成線性比例關系[4]；⑤忽略起升高度的變化，即繩長恒定不變；⑥只計吊重在橫向運動時產生的擺角；⑦不考慮小車驅動機構的影響，認為輸出力矩直接控制小車驅動力。

假設小車和吊重的質量分別為M和m，繩長為l，擺角為θ，小車沿x軸方向的驅動力為Fx，大車沿y軸方向的驅動力為Fy，x為小車相對于坐標原點的水平位置。

建立空間坐標系xyz，3個坐標軸分別表示小車運行方向、大車運行方向和吊重升降方向，α為吊重在豎直方向的擺角在xoz面內的投影，反映了吊重在xoz面內的擺動幅度，β為吊重在豎直方向的擺角在yoz面內的投影，反映了吊重在yoz面內的擺動幅度，θ為吊重相對于豎直線的擺角。

小車的質心坐標表示為（xM，yM，zM），吊重的質心坐標表示為（xm，ym，zm），則：

小車的速度分量為

吊重的速度分量為

取系統(tǒng)的廣義坐標為（x，y，α， β），小車車輪與軌道之間的摩擦系數(shù)為μx，大車車輪與軌道之間的摩擦系數(shù)為 μy，則系統(tǒng)的廣義力為（Fx，F(xiàn)y，0，0），系統(tǒng)的拉格朗日方程為

假定集裝箱門式起重機起升機構卷筒制動，鋼絲繩的長度記為常數(shù)，則可得系統(tǒng)的一個簡化條件為

系統(tǒng)的動能為

選取小車運行平面為系統(tǒng)的零勢能面，則系統(tǒng)勢能為

為了保證吊重運輸?shù)陌踩?，大小車的運行速度加速度都會受到限制，使得吊重實際的擺角非常小接近于0，為了找出吊重擺角的影響因素，需要對非線性系統(tǒng)進行必要的線性化處理，將微分方程中的高階部分影響因素忽略，主要考慮低階線性部分的影響，得到簡化后的起重機吊重系統(tǒng)的線性動力學模型為

觀察可知大車和小車對吊重擺動的影響是相互獨立的，所以θ是相互獨立的擺角α與β的復合，吊重實際的微小球裝面運動是分別在大小車運行方向上做單擺運動的合成，從而集裝箱門式起重機的空間三維模型可以簡化為平面二維模型來處理，如圖2所示。

同理可得到系統(tǒng)的平面數(shù)學模型為

1.2 吊重系統(tǒng)的狀態(tài)空間和傳遞函數(shù)

線性微分方程轉變?yōu)闋顟B(tài)空間來研究系統(tǒng)的內部特征，可以得到系統(tǒng)的時域響應特性。選取小車的位移x，小車的速度x˙，吊重的擺角θ，吊重的擺動角速度θ˙作為狀態(tài)變量，傳遞矩陣D為0，則可得系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程為

傳遞函數(shù)和微分是相互對應的，對微分方程作拉普拉斯變換得到的傳遞函數(shù)是動力學仿真和分析常用的一種數(shù)學模型。對系統(tǒng)的線性定常微分方程進行變換為

可以得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

可以看出集裝箱門式起重機小車吊重系統(tǒng)是一個以小車驅動力為輸入，小車位置和吊重擺角為輸出的單輸入雙輸出系統(tǒng)。

2 基于Simulink的集裝箱門式起重機吊重系統(tǒng)的動態(tài)仿真及偏擺控制的設計

2.1 小車吊重系統(tǒng)的仿真分析

對前述的吊重系統(tǒng)二維模型進行整理變形可以得到：

仿真分為小車起動至停止階段和小車制動后吊重的擺動階段兩個部分。其中第一階段不考慮鋼絲繩阻尼的作用。為了進行仿真結果的比較，設定工況 1（m=25 t，l=10 m）、工況 2（m=25 t，l=5 m）、工況3（m=12.5 t，l=5 m）。起停階段仿真時間設置為12 s，驅動加速8 s，制動4 s。在Simulink中輸入信號選擇Stair Generator，從Scope模塊中獲得動態(tài)響應曲線，并根據微分方程組的系數(shù)添加對應的增益Gain和積分模塊Integrator，在Simulink中連接各仿真模塊可以得到如圖3～圖6曲線，同理可以仿真得到第二階段的擺角與角速度在時域內的曲線，如圖7、圖8所示。

圖3 小車位移-時間曲線Fig.3 Displacement-time curve of trolley

圖4 小車速度-時間曲線Fig.4 Speed-time curve of trolley

圖5 吊重的擺角-時間曲線Fig.5 Swing angle-time curve of hoisting

圖6 吊重的角速度-時間曲線Fig.6 Angular velocity-time curve of hoisting

圖7 吊重擺角-時間曲線Fig.7 Swing angle-time curve of hoisting

圖8 吊重角速度-時間曲線Fig.8 Angular velocity-time curve of hoisting

綜合兩個階段的仿真分析，小車在加速運動和制動階段，吊重的最大擺角達到了0.2 rad即11°左右，擺動相對明顯，且大的擺角都出現(xiàn)在制動階段，驗證了仿真所得到的結論，制動階段才是防搖的重點。而實際吊重在沒有任何控制裝置作用下，自行衰減到零的速度非常緩慢，消擺的時間都在2 min以上。小車的啟制動即加減速階段是吊重偏擺的主導因素。

仿真得到的結果與實際的數(shù)據之間會有一些誤差存在，通過對建模階段的合理性假設的分析可以看出，由于建模時忽略了一些實際中的影響因素例如摩擦接觸風阻力等對吊重系統(tǒng)的影響，因此產生一些誤差是完全合理和可以接受的。仿真模型具備較高的精確度，所建立的數(shù)學模型很接近實際情況。

2.2 集裝箱門式起重機偏擺控制系統(tǒng)設計

對于集裝箱門式起重機所建立和簡化的線性定常系統(tǒng)設置狀態(tài)反饋控制，通過參考輸入的控制和狀態(tài)變量的反饋作用，達到防搖控制的目的[5]。最常用的就是通過控制小車驅動電機，間接控制小車驅動力、小車位置、小車速度、吊重擺角和擺動角速度等狀態(tài)變量，完成對小車在規(guī)定時間內消除擺動的目標，本文選擇控制電壓為控制輸入。閉環(huán)反饋仿真框圖如9所示。

圖9 閉環(huán)反饋仿真框圖Fig.9 Closed loop feedback simulation block diagram

在Simulink中進行仿真可以得到吊重擺角、角速度與時間的曲線如圖10、圖11所示。

從仿真的各變量動態(tài)響應曲線可以看出，在小車達到目標位置停止穩(wěn)定時，調節(jié)10 s結束后，吊重的擺角和角速度都衰減為零，吊重不再擺動，小車也不再受驅動力的控制。顯示了閉環(huán)控制良好的抑制吊重擺角的效果。吊重的擺角在整個響應過程有很好的阻尼特性，同時幾乎沒有超調量。

圖10 吊重擺角-時間響應曲線Fig.10 Response curve of hoisting swing angle-time

圖11 吊重擺動角速度-時間響應曲線Fig.11 Response curve of hoisting angular velocity-time

3 結語

通過建立基于廣義坐標下的拉格朗日建模法的集裝箱門式起重機小車吊重系統(tǒng)的空間數(shù)學模型，使用Matlab/Simulink軟件分別對集裝箱門式起重機小車起停階段和小車停止后的吊重擺動階段的數(shù)學模型進行了仿真，掌握了影響吊重擺角的因素和吊重的擺動規(guī)律，得到的仿真結果比較符合實際情況，驗證了所建模型的精確性。論文還對集裝箱門式起重機偏擺的狀態(tài)反饋控制進行仿真驗證，為同類起重機的偏擺控制提供借鑒和參考。

[1]王小明，盧志強.國內外大型起重機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22（2）：6-7.

[2]卞永明，金曉林，秦利升.集裝箱橋吊吊具的電子主動防搖裝置試驗研究[J].振動、測試與診斷，2005，25（4）：292-295.

[3]喬連順.提高岸邊集裝箱起重機效率的幾種途徑[J].重工與起重技術，2006（1）：31-32.

[4]石國楨.集裝箱起重機起重速度，小車速度最佳值的確定[J].武漢交通科技大學學報，1995（1）：81-85.

[5]徐軍，汪偉剛.起重機防搖控制研究綜述[J].造船技術，2013（2）：25-30.