橋式起重機(jī)智能防擺控制技術(shù)研究

李曉蘆，劉曉紅

（沈陽歐柏斯德起重輸送技術(shù)有限公司，遼寧沈陽 110000）

0 引言

由于起重機(jī)的吊重物是利用繩索一類的柔性體，在起重機(jī)工作時(shí)由于結(jié)構(gòu)輕便，容易控制，使得工作效率大大提高。但是，繩索類的柔性剛體也給施工帶來負(fù)面影響，例如起重機(jī)負(fù)載擺動(dòng)，不能快速平穩(wěn)吊運(yùn)貨物。在常用倉(cāng)庫(kù)碼頭，運(yùn)送貨物量較大，起重機(jī)系統(tǒng)必須得到有效控制，快速平穩(wěn)運(yùn)送貨物，在吊運(yùn)過程中不宜擺動(dòng)幅度過大，這樣才能快速在停車后進(jìn)行下一步運(yùn)輸。

近年來，人們對(duì)橋式起重機(jī)的防擺問題進(jìn)行了各類規(guī)范研究，已由傳統(tǒng)的制作起重機(jī)材料、運(yùn)行速度慢，起重機(jī)設(shè)計(jì)偏于保守等性能問題提出了新的要求。起重機(jī)的設(shè)計(jì)更加完善，在保證安全和穩(wěn)定的情況下，適當(dāng)提高起重機(jī)運(yùn)行速度，相關(guān)研究人員憑借不斷吸取國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，將智能化的防擺控制系統(tǒng)應(yīng)用于起重機(jī)，設(shè)置吊重防擺模糊控制器，PID 參數(shù)優(yōu)化等控制應(yīng)用，解決了一些起重機(jī)消擺問題。

起重機(jī)行業(yè)以提升運(yùn)轉(zhuǎn)速度為行業(yè)的核心力量，一般的起重機(jī)控制系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性為目標(biāo)，但是為提高運(yùn)轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)的目標(biāo)是以最小的過沖和最大的速度將貨物移動(dòng)到引得位置，這一應(yīng)用將大大提高工作效率。為盡快實(shí)現(xiàn)最快速度運(yùn)行、有效控制擺動(dòng)問題，我國(guó)對(duì)起重機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過Matlab 仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)可行性。

1 橋式起重器吊物擺動(dòng)現(xiàn)象的原因

橋式起重機(jī)吊物提升運(yùn)動(dòng)主要依靠鋼絲繩索類柔性體完成活動(dòng)，其特點(diǎn)是輕便，大大提高了工作效率，但是在橋式起重機(jī)工作過程中，可能由于慣性作用或加速、減速，繩索并沒有較好地固定在吊物的負(fù)載壓力下，易形成以繩索長(zhǎng)度為半徑的擺動(dòng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著吊物重量的增加，擺動(dòng)的幅度會(huì)相對(duì)較小，這均可以通過單擺公式分析可得。其實(shí)吊物的擺動(dòng)與質(zhì)量并不能直接控制擺動(dòng)幅度，只與鋼絲繩索長(zhǎng)短有關(guān)。因此，可以依據(jù)吊繩長(zhǎng)短合理設(shè)置橋式起重器擺動(dòng)措施。

2 基于遺傳算法的起重機(jī)模糊控制

2.1 模糊控制

模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制，既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實(shí)際應(yīng)用背景，其基本思想是把人對(duì)起重器控?cái)[的過程策略轉(zhuǎn)化成一定的控制規(guī)則，利用系統(tǒng)化的理論推理，作用于起重機(jī)中。模糊控制從屬于智能控制方法中的一種，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。

2.2 模糊控制與傳統(tǒng)控制的區(qū)別

首先，在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，復(fù)雜的系統(tǒng)由于變量較多，往往不能準(zhǔn)確描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。雖然工程師也利用各種方法進(jìn)行控制，但是效果往往不明顯，嚴(yán)重的甚至喪失處理復(fù)雜性和不確定性問題的能力。然而，模糊控制不僅對(duì)明確的系統(tǒng)具有較強(qiáng)而有力的控制能力，對(duì)于過于復(fù)雜或難以精確的系統(tǒng)的處理能力也很強(qiáng)。其次，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)必須通過數(shù)學(xué)模型得出數(shù)據(jù)才能設(shè)計(jì)出合適的控制器，這種方法不能離開數(shù)學(xué)模型進(jìn)行工作。而模糊控制則不需要依賴數(shù)學(xué)模型也可以進(jìn)行工作。

3 橋式起重機(jī)智能防擺控制技術(shù)

3.1 機(jī)械防擺一般采取的措施

3.1.1 交叉鋼絲繩防擺

為了提高起重機(jī)智能防擺技術(shù)，應(yīng)順應(yīng)起重機(jī)小車的運(yùn)行方向，在運(yùn)行架上設(shè)置兩組交叉的防擺鋼絲繩和驅(qū)動(dòng)裝置，這樣一來鋼絲繩索在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下產(chǎn)生一定張力，在一定的起吊載荷操作下能夠有效控制吊物擺動(dòng)。

3.1.2 加大小車處鋼繩的出繩角度

加大小車處鋼繩的出繩角度的操作方法較為簡(jiǎn)單，其成本投入少，操作方法是在起重機(jī)吊具的4 個(gè)角上，將鋼絲繩引出形成倒八字的固定結(jié)構(gòu)。當(dāng)起重機(jī)水平移動(dòng)吊物時(shí)，由于倒八字繩索的結(jié)構(gòu)左右受力，吊物擺動(dòng)將得到很好控制，這也是最常見的一種起重機(jī)防擺技術(shù)應(yīng)用。

3.1.3 分離小車式防搖擺

起重機(jī)小車活動(dòng)時(shí)，在小車架機(jī)構(gòu)采用滾動(dòng)軸承，兩組小車在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制下漸漸向兩側(cè)分離，使繩索呈現(xiàn)V 形，增加繩索對(duì)吊物的固定性，一定程度上可以控制負(fù)載擺動(dòng)。當(dāng)活動(dòng)將要結(jié)束時(shí)，小車會(huì)自然靠攏。但是這種方式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，更容易產(chǎn)生漏洞且加大小車的負(fù)荷重量。

3.1.4 蹺板式防搖擺

蹺板式防搖擺裝置是通過在起重機(jī)上安裝液壓緩沖缸和蹺板梁，使小車在運(yùn)動(dòng)加速的情況下，由于慣性作用，承載物會(huì)沿著小車運(yùn)動(dòng)的相反方向擺動(dòng)，這樣使得蹺板梁向一側(cè)偏斜，而安裝液壓緩沖缸的作用就是吸收起偏斜的能量。即使載物在擺動(dòng)過程中撞擊阻礙相反方向擺動(dòng)也會(huì)自主的改變方向，不管在何種狀況下只要使蹺板梁向一側(cè)偏斜，液壓缸都會(huì)吸收全部能量，有效控制吊物擺動(dòng)幅度，并且這種方法實(shí)用且操作簡(jiǎn)單，但是組織結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

3.2 電氣防搖擺措施

目前，橋式起重機(jī)電氣防搖擺系統(tǒng)的發(fā)展隨著不同種類的控制器、變頻技術(shù)的應(yīng)用也得到了長(zhǎng)足穩(wěn)定發(fā)展。電氣防搖擺控制系統(tǒng)的原理是對(duì)小車運(yùn)動(dòng)與吊物運(yùn)動(dòng)中形成的夾角進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。通過加減速進(jìn)行控制吊物的擺動(dòng)，經(jīng)過不斷實(shí)驗(yàn)，當(dāng)小車達(dá)到某一速度或靜止不動(dòng)時(shí)，吊物與吊架的夾角基本呈垂直狀態(tài)，吊物的擺動(dòng)幅度較小將成功消除擺動(dòng)問題。我國(guó)在眾多的電氣防搖擺控制技術(shù)中應(yīng)用最多的是借助開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，相比之下開環(huán)控制系統(tǒng)較為方便，開環(huán)控制系統(tǒng)又稱無反饋控制系統(tǒng)，是指一個(gè)輸出只受系統(tǒng)輸入控制，沒有反饋回路的系統(tǒng)，在活動(dòng)時(shí)無需每次反復(fù)測(cè)量吊架與吊物之間的角度，只需利用統(tǒng)計(jì)好的數(shù)據(jù)控制起重機(jī)便可，這種系統(tǒng)輸入直接控制輸出，裝置較為簡(jiǎn)單，成本低，具有良好的穩(wěn)定效果。閉環(huán)控制系統(tǒng)是由信號(hào)正向通路和反饋通路構(gòu)成閉合回路的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱反饋控制系統(tǒng)，相比開環(huán)控制系統(tǒng)工作程序要復(fù)雜一些，施工人員要測(cè)量擺角，雖然準(zhǔn)確率高，但是控制操作復(fù)雜，投入成本較高。因此橋式起重機(jī)多采用開環(huán)控制系統(tǒng)，只要設(shè)置精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，接下來的工作便能夠高效地將數(shù)據(jù)傳輸給變頻器，提高防擺效果。

一般來說，在行車加減速的過程中，由于行車速度總是優(yōu)先于吊物運(yùn)動(dòng)速度，行車與吊物之間形成夾角，在重力作用下形成擺動(dòng)現(xiàn)象。電氣控制搖擺的方法就是利用這個(gè)原理，先統(tǒng)計(jì)小車與吊物之間夾角角度，通過測(cè)量工具計(jì)算鋼繩長(zhǎng)度，然后通過計(jì)算擺動(dòng)周期等使小車在特定距離減速行駛。通過反復(fù)快速調(diào)整小車運(yùn)動(dòng)速度，平衡行車與吊物的速度，使吊物繩索的中心與荷載物中心位置在一條直線上，消除之間的夾角產(chǎn)生，便可有效消除偏擺問題，使吊物平穩(wěn)快速運(yùn)行。

3.3 電氣防搖技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

目前我國(guó)電氣防搖技術(shù)已經(jīng)利用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等技術(shù)，當(dāng)模糊控制應(yīng)用于起重機(jī)實(shí)際工作時(shí)需要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)建立一個(gè)規(guī)則庫(kù)，在小車運(yùn)動(dòng)時(shí)增加穩(wěn)定性、精確性。模糊神經(jīng)控制系統(tǒng)是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷學(xué)習(xí)優(yōu)化模糊控制規(guī)則和相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，將專業(yè)知識(shí)分散到各個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，這種模糊系統(tǒng)提高了自主學(xué)習(xí)能力、優(yōu)化能力，大大提高了控制系統(tǒng)的效率。但是這項(xiàng)技術(shù)我國(guó)相關(guān)研究人員仍需要依靠大量數(shù)據(jù)和理論模型來實(shí)現(xiàn)，工作人員應(yīng)不斷吸取經(jīng)驗(yàn)，不斷帶動(dòng)我國(guó)這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展，造福于社會(huì)。

4 消擺控制策略

從21 世紀(jì)初起人們對(duì)各種起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性和消擺控制進(jìn)行了深入研究，分別提出了模糊邏輯控制、增益調(diào)節(jié)控制等策略，開發(fā)出適應(yīng)的控制器，有效解決了吊物擺動(dòng)問題。通過研究起重機(jī)的吊物動(dòng)力學(xué)特性發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，經(jīng)過計(jì)算檢驗(yàn)，吊物擺動(dòng)具有周期性，通過控制小車加速度便能有效控制擺動(dòng)幅度。該系統(tǒng)只需要設(shè)置開環(huán)控制系統(tǒng)就可以滿足需要，但是控制器是通過給定信號(hào)進(jìn)行下一步工作，這需要操作人員發(fā)送操作信號(hào)給出位置坐標(biāo)，再根據(jù)系統(tǒng)控制小車加速度并控制驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)進(jìn)行工作。此外，為抑制起重機(jī)負(fù)載擺動(dòng)，提出了一種新型的位置補(bǔ)償消擺控制策略。這種方法是通過起升機(jī)構(gòu)和小車同時(shí)做加減速、勻速運(yùn)動(dòng)，使這種運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)成為變阻尼、變頻率的二小阻尼振動(dòng)系統(tǒng)，依據(jù)擺角合理計(jì)算載荷與小車之間的位置偏差，設(shè)計(jì)控制策略。阻尼控制在合理范圍內(nèi)，達(dá)到抑制擺動(dòng)的目的。該方法在控制過程中不需要測(cè)量角速度推算，只需要測(cè)量載物擺動(dòng)角度，這個(gè)位置補(bǔ)償消擺控制在工作中易于實(shí)現(xiàn)，且不受噪聲影響。

5 結(jié)束語

我國(guó)起重機(jī)的智能防擺技術(shù)研究仍需要不斷與時(shí)俱進(jìn)，本文主要通過分析橋式起重器吊物擺動(dòng)現(xiàn)象的原因，基于遺傳算法的起重機(jī)模糊控制，提出可行性的橋式起重機(jī)智能防擺控制技術(shù)。如交叉鋼絲繩防擺、加大小車處鋼繩的出繩角度、蹺板式防搖擺、電氣防搖擺措施。經(jīng)過不斷在MATLAB 仿真環(huán)境Similink 中對(duì)傳統(tǒng)控系統(tǒng)與模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試。最終發(fā)現(xiàn)模糊系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力，將模糊算法與模糊防擺控制相結(jié)合的系統(tǒng)可以大大提高系統(tǒng)的控制性能，發(fā)揮了遺傳算法的現(xiàn)有能力，操作簡(jiǎn)單，改善了系統(tǒng)控制性能，能夠有效消除吊物擺動(dòng)現(xiàn)象。