集裝箱裝卸橋減搖吊具電子控制裝置的設(shè)計

陳 華

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院湛江檢測院，廣東湛江 524000）

0 引言

隨著集裝箱運輸船舶尺寸大幅增加，在岸邊的物流作業(yè)中，岸邊集裝箱起重機(jī)向大型化發(fā)展。集裝箱起重機(jī)在裝卸貨物時，由于整個系統(tǒng)內(nèi)的小車運行速度、起升高度也相應(yīng)地提高，在產(chǎn)生振動干擾時，吊具柔性的鋼絲繩極難控制，會導(dǎo)致吊具及集裝箱來回擺動，影響吊裝效率；操作司機(jī)為消除集裝箱橫向擺動，需要進(jìn)行手動操作，這一環(huán)節(jié)存在較大的難度。吊具的減搖技術(shù)己成為實現(xiàn)起重機(jī)自動化的關(guān)鍵技術(shù)之一，開發(fā)新型減搖技術(shù)或改進(jìn)傳統(tǒng)的減搖技術(shù)是十分重要的課題。

1 吊具搖動原因分析

一般港口岸邊集裝箱起重機(jī)都采用柔性的鋼絲繩連接小車與吊具。在裝載作業(yè)時，小車沿路徑運動，鋼絲繩同吊具與小車保持相同速度運動，在小車制動停止后，吊具同鋼絲繩缺乏制動手段，會產(chǎn)生水平方向上的擺動[1]。在對吊裝系統(tǒng)的建模分析中，其固定點是停止的小車，柔性繩為懸垂鋼絲繩，質(zhì)點為吊具，因此，單擺模型則是吊具的擺動。通過以上分析可得，吊具勢必會發(fā)生擺動（圖1）。

圖1 簡化吊具模型

圖2 岸橋集裝箱吊裝過程

2 機(jī)械減搖吊具技術(shù)介紹

常用的吊裝裝置包括機(jī)械防搖控制系統(tǒng)和電子防搖控制系統(tǒng)兩大部分。目前，分離小車式、交叉鋼絲繩、蹺板梁式、機(jī)械阻尼—分離小車式和電子減搖裝置，是岸邊集裝箱起重機(jī)中常見的減搖裝置形式[2]。

3 電子防搖控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 現(xiàn)有控制方式存在的問題

現(xiàn)有技術(shù)中的電子減搖控制方法是通過對小車加速度進(jìn)行控制，這種控制方法通過傳感器檢測吊具擺角與小車運行加速度之間的動態(tài)關(guān)系，簡化吊具的模型和受力，使用拉格朗日原理和方法，對吊具系統(tǒng)展開動力學(xué)分析，得到小車—吊具的動力學(xué)控制方程，控制器采用PID（比例—積分—微分）控制形式，通過對吊具擺角的實時檢測，得到小車速度切換指令的各控制參數(shù)，包括了加速度大小和方向、持續(xù)時間和維持時刻，然后將包含相應(yīng)參數(shù)的指令發(fā)送至行進(jìn)控制器，通過對相應(yīng)參數(shù)的控制、調(diào)節(jié)，干擾小車加速度，實現(xiàn)對擺動幅度的控制[3]。

根據(jù)公開報道，現(xiàn)有技術(shù)中電子防搖存在的問題是，吊具運行中的擺長變化對防搖控制的影響較大。如圖2 所示，吊具從A到F 點的運行過程中，B 到F 點之間為主要的防搖控制段，而其中的C 到D 點的吊具鋼絲長度，將其作為吊具實際擺長，以不變量的形式存在，而變量則是B 到C 點和D 到E 點的吊具擺長，因為吊具擺長和擺動周期息息相關(guān)。

經(jīng)研究的一種集裝箱岸邊橋吊防搖控制方法，當(dāng)升降吊具時，防搖控制器實時獲取傳感器采集并轉(zhuǎn)換得到的小車速度、小車位置、吊具起升速度、吊具擺長和吊具擺角的參數(shù)，防搖控制器將吊具的擺動角度與預(yù)設(shè)值比對，當(dāng)擺動角度大于預(yù)設(shè)值時，防搖控制器根據(jù)吊具擺長或擺長變化量所落入的判斷區(qū)間，選取與判斷區(qū)間相對應(yīng)的控制模型與擺長代表值[4]。在選取過后，防搖控制器會通過吊具擺動角度與擺長代表值，對小車調(diào)速參數(shù)進(jìn)行計算，在算出實際結(jié)果后，將其提供給行走控制器，實現(xiàn)小車加速，進(jìn)而抑制吊具的擺動角度實現(xiàn)防搖控制。

3.2 防搖控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

集裝箱吊裝裝置硬件部分包括小車、吊具等機(jī)械部分；控制部分分別使用PLC（可編程控制器）作為防搖控制器和小車行走控制器；對于集裝箱搖擺數(shù)據(jù)的采集使用高速相機(jī)和固定在吊具上的反光板；其他數(shù)據(jù)采集傳感器還包括行走絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器和起升絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器[5]。

3.3 防搖控制系統(tǒng)的信號采集

防搖控制系統(tǒng)實際工作中涉及到以下5 個信號參數(shù)，分別是：吊具擺長、擺角、起升速度、小車速度、位置，以上測量信號會用到行走絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器、起升絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器和由智能相機(jī)、反光板等組成的機(jī)器視覺傳感器測量，并通過現(xiàn)場總線向防搖控制器傳輸，最終進(jìn)行運算及控制。實時測量吊具擺角用到傳感器，提高防搖控制效果，且不會受到重物初始狀態(tài)的干擾，若有風(fēng)力等不良因素的干擾，也能做出補償調(diào)節(jié)。機(jī)器視覺傳感器包括在小車底部安裝的高速相機(jī)和在吊具上安裝的反光板等組成，吊具與集裝箱前后擺動時，視覺傳感器系統(tǒng)將檢測到的圖像傳至控制器通訊接口，經(jīng)過算法處理后，可以實時檢測吊具的準(zhǔn)確擺動角度[6]。

3.4 動力學(xué)建模過程

在對減搖系統(tǒng)進(jìn)行主動控制時，首先需要針對簡化后的模型建立其動力學(xué)模型，得到相應(yīng)的控制方程。其次，要清楚影響質(zhì)點系的條件，選擇廣義坐標(biāo)代表動力學(xué)方程，最終得到運動微分方程，即拉格朗日方程。

建模過程選取的廣義坐標(biāo)分別為小車滾筒角位移（φ1）、起升滾筒角位移（φ2）和集裝箱擺角（θ）。根據(jù)上述符號變量，可寫出減搖裝置的動能與勢能（懸掛吊繩處為零勢能點）。

然后利用拉格朗日定理建立方程，其中L 為拉格朗日常量，L=T+V，Qi為廣義力。

將（1）式代入到（2）式中，可以推導(dǎo)出系統(tǒng)模型的運動方程式（3），根據(jù)物理關(guān)系可以得到表達(dá)式（4）。

將（4）式關(guān)系代入到運動方程（3）中，做進(jìn)一步化簡得到式（5）。

在大多數(shù)實際情況下，集裝箱擺角θ 并不顯著，可近似認(rèn)為其足夠?。╯inθ≈0，cosθ≈1），進(jìn)一步對（5）式做出簡化，得到了系統(tǒng)的控制方程式（6）。

根據(jù)所得控制方程，可確定控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，所設(shè)計的控制流程圖如圖3 所示，u1代表小車的控制輸入，代表電機(jī)的控制，代表來自外界的擾動。當(dāng)小車和吊具在起升段AB、起升移動段BC、下降移動段DE 和下降段EF 中，此刻由于吊具擺長變化，當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾時（如風(fēng)擾），若控制系統(tǒng)采用固定的控制模型，會造成模型匹配錯誤，對小車加速度的反饋計算不正常，影響到防搖效果，此時需要采用多控制模型切換的防搖控制方法，系統(tǒng)根據(jù)擺長的變化量自動判斷選用不同擺長的吊具模型（M1，M2，…Mn），多種擺長的吊具模型對小車進(jìn)行反饋。

3.5 防搖控制系統(tǒng)工作原理

將小車及其吊具從岸邊的集裝箱卡車底盤向貨輪的運行過程A～F 劃分成起升段AB、起升移動段BC、水平移動段CD、下降移動段DE 以及下降段EF 等5 個階段。如果吊具擺角θ≤θmax（θmax為吊具最大允許擺角），防搖控制器不啟動；反之，一旦檢測到吊具擺角θ＞θmax，則防搖控制器啟動，自動切換到防搖控制程序。防搖控制器使用固定控制模型，對小車速度、位置、吊具起升速度、擺長及擺角進(jìn)行傳送，最終實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。控制模型是用來根據(jù)吊具擺角與擺長計算小車速度控制參數(shù)的小車—吊具數(shù)學(xué)模型[7]。

在小車水平運動、吊具起升運動與外界干擾擺動下，造成吊具擺角θ 產(chǎn)生平衡梁式減搖裝置相應(yīng)的變化，通過視覺傳感器測量到θ 變化，送入防搖控制器中，然后根據(jù)擺長長度產(chǎn)生的相應(yīng)變化，選取控制模型，通過實際計算，求得小車調(diào)速參數(shù)，同時向小車行走控制器發(fā)出信號，在接受到信號后實施速度的調(diào)節(jié)[8]。

4 結(jié)論

通過岸橋吊裝集裝箱減搖吊具機(jī)械與電子裝置的設(shè)計和分析，得到了多種機(jī)械結(jié)構(gòu)對于防搖效果的對比，并提出了一種可切換的多控制模型的電子防搖控制系統(tǒng)，通過對集裝箱吊具搖擺角度的實時監(jiān)測，對小車的運動參數(shù)給出反饋，以達(dá)到抗振減搖的效果。

圖3 小車反饋控制