橋式起重機(jī)防搖定位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

肖德鐘

（江西省檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證總院特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院贛州檢測(cè)分院， 江西 贛州 341000）

0 引言

橋式起重機(jī)是貨物搬運(yùn)過程中最重要的現(xiàn)代化工具之一，對(duì)降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高貨物運(yùn)輸效率發(fā)揮著重要的作用。在橋式起重機(jī)的實(shí)際使用當(dāng)中，由于環(huán)境因素和貨物自身的運(yùn)動(dòng)慣性，吊運(yùn)時(shí)負(fù)載吊重會(huì)出現(xiàn)搖擺情況，不僅增大了作業(yè)難度，而且會(huì)降低作業(yè)效率，存在安全隱患[1]。因此，設(shè)計(jì)一套防搖定位控制系統(tǒng)，降低橋式起重機(jī)負(fù)載吊重的擺動(dòng)幅度和擺動(dòng)頻率，確保貨物搬運(yùn)安全。

1 橋式起重機(jī)防搖定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

橋式起重機(jī)在運(yùn)行過程中，吊重與鋼纜之間為柔性連接，運(yùn)行過程中受到外部因素和吊重自身運(yùn)動(dòng)慣性影響，會(huì)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(dòng)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(dòng)和停止兩方面入手，進(jìn)行防搖定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.2 輸入整形控制器設(shè)計(jì)

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

1.3 模糊控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)起重機(jī)工況分析，模糊控制器的設(shè)計(jì)可通過控制小車運(yùn)行位置、運(yùn)行速度、吊重?cái)[角以及角速度等變量進(jìn)行控制。本文通過簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，將這四個(gè)變量分為兩個(gè)部分，分別為小車運(yùn)動(dòng)位移模糊控制器、防搖模糊控制器。

小車運(yùn)動(dòng)位移模糊控制器（TFLC）的設(shè)計(jì)是在控制器當(dāng)中將小車的位移和速度作為基礎(chǔ)值，將其與期望值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出誤差值，并將誤差值輸入到預(yù)先設(shè)定好的軟件程序當(dāng)中進(jìn)行模糊計(jì)算，由控制器輸出小車的驅(qū)動(dòng)力F1。防搖擺模糊控制器（ASFLC）設(shè)計(jì)是在控制器當(dāng)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(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出誤差，并將誤差輸入到程序系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行模糊計(jì)算，進(jìn)而由控制器給出小車的驅(qū)動(dòng)力F2。小車在驅(qū)動(dòng)力F1和F2的共同作用下，形成實(shí)際運(yùn)行驅(qū)動(dòng)力F。

2 橋式起重機(jī)防搖定位系統(tǒng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證橋式起重機(jī)防搖定位控制系統(tǒng)的可行性，本次選用伺服電機(jī)系統(tǒng)、滑臺(tái)和運(yùn)動(dòng)控制卡等硬件組成系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，模擬起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在試驗(yàn)過程中利用LabVIEW 設(shè)計(jì)控制程序。

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件部分

試驗(yàn)平臺(tái)包含運(yùn)動(dòng)控制卡、同步帶滑臺(tái)、工控機(jī)、伺服電機(jī)系統(tǒng)、姿態(tài)檢測(cè)模塊和電源。其中，型號(hào)為MPC08D 的運(yùn)動(dòng)控制卡，能夠設(shè)置梯形升高降速曲線，并配備有工控機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，可以滿足試驗(yàn)?zāi)M要求。伺服電機(jī)系統(tǒng)選用60EBP115ALC 伺服電機(jī)（時(shí)代超群），驅(qū)動(dòng)器型號(hào)選用時(shí)代超群860 系列。同步滑臺(tái)尺寸為45 mm×45 mm，滑臺(tái)一端預(yù)留有同步帶驅(qū)動(dòng)軸，用于伺服電機(jī)連接。

2.1.2 試驗(yàn)方法

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

2.2 橋式起重機(jī)防搖定位系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果分析

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

圖1 滑臺(tái)位移曲線

圖2 滑臺(tái)吊重?cái)[角曲線

由圖1、圖2 可知，在11 s 左右滑臺(tái)達(dá)到指定位置，但由于吊重?cái)[角依舊存在，在ASFLC 的作用下滑臺(tái)向兩側(cè)移動(dòng)調(diào)整。在18 s 左右，吊重?cái)[角消失，滑臺(tái)接近目標(biāo)距離。經(jīng)過測(cè)量發(fā)現(xiàn)，滑臺(tái)停止距離為787.86 mm，誤差為12.14 mm，誤差率1.52%，此時(shí)吊重?cái)[幅1.06°，定位精度與吊重?cái)[幅符合設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求。

為了驗(yàn)證初始擺角對(duì)防搖定位控制系統(tǒng)影響的研究，本次試驗(yàn)在改變初始擺角的情況下進(jìn)行了多次試驗(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

橋式起重機(jī)防搖定位控制系統(tǒng)的防搖定位時(shí)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(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，并且穩(wěn)定后吊重?cái)[幅也越大。因此，在該系統(tǒng)運(yùn)行之前，抑制吊重初始擺角，能夠提高橋式起重機(jī)運(yùn)行效率。

3 橋式起重機(jī)防搖定位控制系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性分析

某公司包裝車間1 號(hào)橋式起重機(jī)主要用于貨物搬運(yùn)，該起重機(jī)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(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)化改造，將防搖定位控制系統(tǒng)應(yīng)用其中。經(jīng)過3 個(gè)月的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，使用防搖定位控制系統(tǒng)后，有效縮短了吊運(yùn)定位時(shí)間，搬運(yùn)效率得到進(jìn)一步提升，具體結(jié)果如表2 所示。

表2 橋式起重機(jī)防搖定位系統(tǒng)應(yīng)用前后效果

由表2 可知，在某公司應(yīng)用橋式起重機(jī)防搖定位系統(tǒng)后，每次吊裝用時(shí)縮短4.3 min，吊卸用時(shí)縮短2.2 min，極大地提高了貨物搬運(yùn)效率。相比較改造前，每月吊裝量增長(zhǎng)453.79 t，每日吊卸量增長(zhǎng)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?yàn)槠髽I(yè)帶來769.8 元收益。在改造完成后，每月企業(yè)能夠增長(zhǎng)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(xiǎn)金額為7 835 元計(jì)，人工成本能夠降低7 835 元/人×4 人=31 340 元。某公司在應(yīng)用橋式起重機(jī)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(jī)防搖定位控制系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)輸入整形控制器和模糊控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2）對(duì)橋式起重機(jī)防搖定位系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，應(yīng)用系統(tǒng)后滑臺(tái)停止誤差率為1.52%，吊重?cái)[幅1.06°，符合設(shè)計(jì)要求，證實(shí)該系統(tǒng)能夠有效縮短定位時(shí)間，抑制吊重?fù)u擺。

3）將橋式起重機(jī)防搖定位控制應(yīng)用于某公司1號(hào)橋式起重機(jī)，經(jīng)過3 個(gè)月的應(yīng)用，平均每月吊裝量能夠提高453.79 t，從整體來看，每月能夠?yàn)樵摴緞?chuàng)造38 萬元收益。