其于能量強(qiáng)耦合的建筑起重機(jī)開環(huán)消擺控制

吳紅梅，彭 磊，郭 林

（中國建筑第二工程局有限公司，廣東 深圳 518000）

起重機(jī)是一種可以實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，對(duì)重物進(jìn)行垂直、水平提升的大型機(jī)械設(shè)備，現(xiàn)階段，起重機(jī)已被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、建筑等工程領(lǐng)域內(nèi)。在對(duì)起重機(jī)作業(yè)性能的研究中發(fā)現(xiàn)，其運(yùn)行支撐系統(tǒng)的獨(dú)立控制變量個(gè)數(shù)小于系統(tǒng)自由度個(gè)數(shù)的一類非線性系統(tǒng)，簡單地說就是輸入比要控制的量少的系統(tǒng)。在長期、高壓作業(yè)條件下，欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)開環(huán)出現(xiàn)搖擺，需要消除起重機(jī)開環(huán)出現(xiàn)搖擺而造成的載荷，簡稱開環(huán)消擺。此種現(xiàn)象不僅會(huì)對(duì)設(shè)備作業(yè)的精度造成影響，還會(huì)在一定程度上降低起重機(jī)的作業(yè)效率，從而對(duì)房建工程項(xiàng)目的施工造成較高安全隱患[1]。因此，本文將參照傳統(tǒng)控制方案，基于能量強(qiáng)耦合角度，設(shè)計(jì)一種針對(duì)房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)的開環(huán)消擺控制方法，提高起重機(jī)的作業(yè)效率與綜合作業(yè)水平。

1 建立房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

為實(shí)現(xiàn)對(duì)房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)開環(huán)擺動(dòng)的有效控制，建立如圖1 所示的房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)動(dòng)力學(xué)模型[2]。

圖1 房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

在圖1 所示內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引進(jìn)Euler-Lagrange 方程，建立房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)作業(yè)過程中的動(dòng)力學(xué)函數(shù)，函數(shù)表達(dá)式如下[3]

式（1）中：F表示房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)作業(yè)中的提升力；M表示房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)重量；m表示提升重物負(fù)載質(zhì)量；x表示提升過程中的起重機(jī)位移；l表示起重機(jī)吊繩長度；θ表示起重機(jī)負(fù)載過程中的擺動(dòng)角度。按照上述方式，完成房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建。

2 起重機(jī)開環(huán)載荷擺角消除處理

在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引進(jìn)能量強(qiáng)耦合理念，設(shè)計(jì)起重機(jī)開環(huán)載荷擺角的消除處理[4]。在此過程中，考慮到起重機(jī)的運(yùn)行會(huì)受到多種因素的影響，因此，可按照式（2）計(jì)算在多種作用力與作業(yè)場(chǎng)耦合條件下的起重機(jī)作業(yè)擾動(dòng)作用力。

式中：f表示多種作用力與作業(yè)場(chǎng)耦合條件下的起重機(jī)作業(yè)擾動(dòng)作用力；m1表示作業(yè)場(chǎng)對(duì)起重機(jī)提升重物質(zhì)量造成的影響；h表示提升高度；m2表示多種耦合因素造成的起重機(jī)提升重物質(zhì)量變化質(zhì)量；C表示起重機(jī)摩擦角度；α表示起重機(jī)吊抓過程中的橫向擺動(dòng)最大角度[5]。完成計(jì)算后，參照上述計(jì)算結(jié)果，建立房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)作業(yè)過程中的強(qiáng)耦合矩陣，矩陣表達(dá)式如下。

式中：V表示房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)作業(yè)過程中的強(qiáng)耦合矩陣。定義V為慣性矩陣，即正向矩陣，以此為依據(jù)，建立起重機(jī)在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的斜對(duì)稱矩陣，計(jì)算公式如下。

式中：K表示起重機(jī)在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的斜對(duì)稱矩陣；ξ表示摩擦力矢量；ξ.表示摩擦力矢量均值[6]。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定起重機(jī)復(fù)雜狀態(tài)下擺動(dòng)角度有效控制范圍為±π/2，則可以通過下述公式，進(jìn)行起重機(jī)開環(huán)載荷擺角消除處理。

按照上述方式，完成基于能量強(qiáng)耦合的起重機(jī)開環(huán)載荷擺角消除處理。

3 設(shè)計(jì)開環(huán)最優(yōu)消擺控制

在上述提出內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)開環(huán)最優(yōu)消擺控制，進(jìn)行消擺控制方法的設(shè)計(jì)。此過程如圖2 所示，其中s表示起重機(jī)擺動(dòng)規(guī)律。

圖2 開環(huán)最優(yōu)消擺控制模式

控制過程中，根據(jù)起重機(jī)的初始化運(yùn)行狀態(tài)，在前端輸入啟動(dòng)參數(shù)。此時(shí)，控制器啟動(dòng)，由調(diào)節(jié)器進(jìn)行起重機(jī)作業(yè)過程中開環(huán)擺動(dòng)角度計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果將通過變頻調(diào)速器主動(dòng)調(diào)節(jié)，利用估算的起重機(jī)角速度與擺動(dòng)角，驅(qū)動(dòng)起重機(jī)的控制，以此種方式，實(shí)現(xiàn)房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)開環(huán)消擺控制方法的設(shè)計(jì)。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

基于能量強(qiáng)耦合角度，設(shè)計(jì)一種針對(duì)房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)的開環(huán)消擺控制方法，下述將通過設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式[7]，對(duì)該方法的實(shí)際應(yīng)用效果展開測(cè)試。

將房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)作業(yè)條件與技術(shù)參數(shù)錄入計(jì)算機(jī)，在Simulink/MatLAB 環(huán)境中，建立起重機(jī)結(jié)構(gòu)模型，為確保建立的起重機(jī)結(jié)構(gòu)模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的精準(zhǔn)描述，設(shè)計(jì)起重機(jī)初始化狀態(tài)的作業(yè)參數(shù)。

在使用本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)開環(huán)消擺控制時(shí)，需要基于能量強(qiáng)耦合角度，進(jìn)行起重機(jī)開環(huán)載荷擺角的消除處理，通過設(shè)計(jì)開環(huán)最優(yōu)消擺控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)擺動(dòng)的有效控制。在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引進(jìn)基于聯(lián)合仿真技術(shù)的消擺控制方法、基于自抗擾理論的消擺控制方法，將提出的兩種方法作為傳統(tǒng)方法1 與傳統(tǒng)方法2，使用3 種方法，進(jìn)行房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)的開環(huán)消擺控制。

控制過程中，驅(qū)動(dòng)MatLAB 軟件中的程序，設(shè)定起重機(jī)在初始化狀態(tài)下的提升高度為10m，記錄3 種方法控制后，起重機(jī)提升時(shí)間、位移的變化情況，其結(jié)果如圖3 所示。

圖3 起重機(jī)提升時(shí)間-位移變化

從圖3 中所示的結(jié)果中可以看出，本文方法控制后，起重機(jī)在10s 時(shí)，將重物提升至10m，且提升后重物高度穩(wěn)定在10m 位置未發(fā)生變化，由此可見，本文方法對(duì)起重機(jī)提升作業(yè)的控制效果良好。傳統(tǒng)方法1 在第10s 時(shí)，將重物提升至10m，但10～20s 范圍內(nèi)，起重機(jī)提升貨物的高度未穩(wěn)定，說明控制效果不佳。傳統(tǒng)方法2 未能按照預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，將起重機(jī)提升至10m。

在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將起重機(jī)提升重物過程中開環(huán)擺動(dòng)角度作為評(píng)價(jià)本文方法實(shí)際應(yīng)用效果的關(guān)鍵指標(biāo)[8]。其結(jié)果如圖4 所示。

圖4 起重機(jī)提升重物過程中的開環(huán)擺動(dòng)角度變化

從圖4 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，使用本文方法進(jìn)行起重機(jī)提升重物過程中開環(huán)擺動(dòng)的控制，13s 開環(huán)擺動(dòng)角度達(dá)到零，且控制過程中，最大開環(huán)擺動(dòng)角度為5°。使用傳統(tǒng)方法1 進(jìn)行起重機(jī)提升重物過程中開環(huán)擺動(dòng)的控制，20s 開環(huán)擺動(dòng)角度達(dá)到零，且控制過程中，最大開環(huán)擺動(dòng)角度為10°。傳統(tǒng)方法2 未能按照預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，控制起重機(jī)提升重物過程中開環(huán)擺動(dòng)角度達(dá)到零。

圖4 得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為起重機(jī)初始化狀態(tài)時(shí)，提升重物過程中開環(huán)擺動(dòng)角度變化。為掌握在實(shí)際作業(yè)過程中本方法對(duì)起重機(jī)開環(huán)消擺的控制效果，設(shè)計(jì)起重機(jī)的初始化狀態(tài)為擺動(dòng)狀態(tài)，對(duì)擺動(dòng)狀態(tài)下的起重機(jī)開環(huán)進(jìn)行消擺控制，控制效果如圖5 與圖6 所示。

圖5 初始負(fù)載擺角為5°時(shí)的消擺控制結(jié)果

圖6 初始負(fù)載擺角為10°時(shí)的消擺控制結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，當(dāng)房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)初始負(fù)載擺角為5°、10°時(shí)，使用本文方法進(jìn)行起重機(jī)提升重物過程中開環(huán)擺動(dòng)的控制[9]，10s 開環(huán)擺動(dòng)角度達(dá)到零。使用傳統(tǒng)方法1 進(jìn)行起重機(jī)提升重物過程中開環(huán)擺動(dòng)的控制，22s 開環(huán)擺動(dòng)角度達(dá)到零。傳統(tǒng)方法2 未能按照預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，控制起重機(jī)提升重物過程中開環(huán)擺動(dòng)角度達(dá)到零。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，相比傳統(tǒng)的控制方法，本文設(shè)計(jì)的方法可以實(shí)現(xiàn)在更短時(shí)間內(nèi)，將房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)開環(huán)擺動(dòng)角度控制為零，且控制效果良好。

5 結(jié)語

為發(fā)揮起重機(jī)在房建施工現(xiàn)場(chǎng)更高的價(jià)值與經(jīng)濟(jì)效益，施工方提出了多種可用于控制起重機(jī)開環(huán)擺動(dòng)的技術(shù)方案，并明確了此項(xiàng)工作對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)起吊作業(yè)規(guī)范化實(shí)施的重要性。盡管現(xiàn)有的技術(shù)在應(yīng)用中可以在一定程度上控制開環(huán)擺動(dòng)，但根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)大量的實(shí)踐反饋可知，現(xiàn)行控制方法仍無法達(dá)到預(yù)期。為解決此方面問題，本文基于能量強(qiáng)耦合角度，通過建立房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)動(dòng)力學(xué)模型、起重機(jī)開環(huán)載荷擺角消除處理、設(shè)計(jì)開環(huán)最優(yōu)消擺控制，完成了此次設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明：本文方法可以實(shí)現(xiàn)在更短時(shí)間內(nèi)，將房建施工現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)開環(huán)擺動(dòng)角度控制為零，通過此種方式，解決由于開環(huán)擺動(dòng)造成的現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)異常作業(yè)問題。