高處作業(yè)懸吊平臺的智能調(diào)平系統(tǒng)

孫 佳，吳玉厚，，陳士忠，秦敬賢

（大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.沈陽建筑大學(xué) 交通與機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

高處作業(yè)懸吊平臺（SAP）是我國現(xiàn)代工業(yè)和民用建筑施工過程中重要的高空立面施工機械，通過提升機帶動工作鋼絲繩將承載施工人員和施工材料的懸掛平臺提升至高層建筑物表面的一種施工設(shè)備.它由起升提升機、懸掛機構(gòu)及配重荷載、安全鎖及安全鋼絲繩、整體懸吊平臺及電氣設(shè)備等部分組成.由于高處作業(yè)懸吊平臺操作簡單、靈活、方便，具有實用性、安全性和可靠性等特點，被廣泛應(yīng)用于高層建筑的裝修、墻壁的涂刷和維修清洗，為施工者在施工技術(shù)、質(zhì)量和時間上帶來諸多好處.建筑行業(yè)的快速發(fā)展、建筑物高度的增加以及建筑形狀變化的多樣性使施工更加困難，增加了更多的安全隱患［1-3］.每年都會發(fā)生很多高處作業(yè)懸吊平臺在高層建筑外墻作業(yè)時的意外墜落事故，還有因繩索或者機制維護不當而造成的嚴重破壞和死亡事故.因此，對于高處作業(yè)懸吊平臺的智能控制需求更加強烈.高處作業(yè)懸吊平臺的框架主要包括懸架、高處作業(yè)懸吊平臺、提升機、安全鎖、電控箱、工作鋼絲繩和安全鋼絲繩等.調(diào)平是高處作業(yè)懸吊平臺的主要技術(shù)之一.有效降低調(diào)平用時，提高準確性是平臺重要的技術(shù)指標.

傳統(tǒng)的高處作業(yè)懸吊平臺采用手動調(diào)平，當發(fā)現(xiàn)高處作業(yè)懸吊平臺未平時，操作者根據(jù)他的估計按下按鈕來升降驅(qū)動器調(diào)整平臺水平.隨著自動控制和電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了很多智能調(diào)平技術(shù).調(diào)平控制技術(shù)的關(guān)鍵是如何選擇控制算法并實現(xiàn)自動調(diào)平的技術(shù)方法.通過推導(dǎo)，姚舜才等［4］建立了高處作業(yè)懸吊平臺的傾斜角和4支點高度之間的復(fù)雜方程式，同時采用了1個4支點的解耦控制方法.通過增加液壓傳感器，張艷冰［5］等有效地消除了虛假的支點，并計算出2個在x軸方向傾斜角度值傳感器和y軸傳感器以及高處作業(yè)懸吊平臺的整體調(diào)平的精確方程式.裴冬等［6］根據(jù)可編程控制器上的變速重型卡車控制自動調(diào)平系統(tǒng)，將調(diào)平速度分成粗調(diào)和細調(diào)模式.史厚強［7］推導(dǎo)了計算過程中3點支撐高度值公式.楊紅軍［8］利用坐標轉(zhuǎn)換推導(dǎo)出平整等矩陣的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，并使用矩陣研究了一套找平策略.上述調(diào)平系統(tǒng)主要用在具有4個靜態(tài)支點的設(shè)備上，但對于高處作業(yè)懸吊平臺在升降作業(yè)時所需要的實時檢測及調(diào)平控制系統(tǒng)，目前尚未出現(xiàn)相關(guān)研究.本文研究了多點驅(qū)動器的自動調(diào)平系統(tǒng)在高處作業(yè)懸吊平臺的應(yīng)用，該系統(tǒng)采用可編程控制器作為控制核心，它響應(yīng)快、調(diào)平精度高.同時，在系統(tǒng)設(shè)計過程中考慮到了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其在系統(tǒng)里的振動將得到有效的避免.該系統(tǒng)可以進行實時監(jiān)測并具有及時調(diào)整高處作業(yè)懸吊平臺水平的功能.實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的測試精度和可靠性.

1 懸吊平臺調(diào)平過程

1.1 追逐式調(diào)平方法

懸吊平臺的調(diào)平過程是使平臺所在的平面逐漸與水平面重合的過程.目前懸吊平臺所使用的懸吊方式主要有2點懸吊、3點懸吊和4點懸吊等，如圖1所示.圖中A，B，C為3個提升機的安裝位置.2點懸吊較易實施，調(diào)平相對容易，缺點是調(diào)平后水平誤差較大.4點懸吊提升可靠，但存在非靜定問題，容易產(chǎn)生“虛吊”.非靜定次數(shù)越高，系統(tǒng)越復(fù)雜，理論上存在多組調(diào)平策略的選擇，給整個控制系統(tǒng)帶來了巨大的計算負擔，在一定程度上影響了控制系統(tǒng)的實時性.綜合考慮上述因素，選用3點提升懸吊平臺為例來研究高處作業(yè)懸吊平臺的多點提升自動調(diào)平系統(tǒng).根據(jù)3點決定1個平面的原理，采用追逐式調(diào)平方法，即平臺上升時，進入調(diào)平處理后，平臺的最高懸吊點不動，其余各點依次向之調(diào)齊；平臺下降時，進入調(diào)平處理后，平臺的最低懸吊點不動，其余各點依次向之調(diào)齊.這種方法保證了電機運轉(zhuǎn)同向性［9］.

當高處作業(yè)懸吊平臺上升，進入調(diào)平的運作，固定該高處作業(yè)懸吊平臺最高點提升機，其他低點提升機相繼升高.同樣，當高處作業(yè)懸吊平臺下降，進入調(diào)平的運作，固定該高處作業(yè)懸吊平臺的最低點升降機，其他升降機繼續(xù)下降，直至平臺水平.采用同向追逐策略的自動調(diào)平控制系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了調(diào)平精度.

圖1 3點驅(qū)動圓形、U形和T形懸吊平臺Fig.1 Cirque shape，U shape and T shape suspended access platform with three-point drives

1.2 平臺的傾角傳感器

通用雙軸傾角傳感器的2個測量角度夾角為90°，可以對x軸和y軸方向的傾角進行測量.如果x軸和y軸的方向控制誤差均為±δ，則平臺整體精度誤差為η＝δ1／2.該值與傳感器之間的夾角有關(guān)，當夾角為60°時，η＝2δ.圖2為三維坐標軸x，y，z，標準基準面狀態(tài)坐標軸角標為0.當傳感器對x軸的測量偏角為α，對y軸的測量偏角為β時，平臺平面與調(diào)平基準面之間的夾角為θ.下面分析它們之間的關(guān)系：當x0和z0軸繞y0軸偏轉(zhuǎn)α角度時形成x1和z1軸，y0和z1軸繞新形成的x1軸旋轉(zhuǎn)β角，形成z2和y1軸，此時z2與z0之間的角度就是θ.此時θ＝（α2＋β2）1／2.同時，傳感器的在平臺上的安裝位置與其處理精度也有直接的關(guān)系.

圖2 三維坐標軸的旋轉(zhuǎn)示意圖Fig.2 Rotating of the three-dimensional coordinate

1.3 智能調(diào)平系統(tǒng)

根據(jù)均衡原則，作為系統(tǒng)的1個重要組成部分，傾角傳感器應(yīng)安裝在高處作業(yè)懸吊平臺底部的中間，離重心越近越好.懸吊平臺x，y軸方向的角α和β信號將從傳感器被輸入到控制器.作為設(shè)備的核心控制器，控制器主要執(zhí)行信號采集、數(shù)據(jù)處理和信號輸出等任務(wù).該控制器的算法實現(xiàn)的流程圖如圖3所示.對于多點驅(qū)動的高處作業(yè)懸吊平臺，常采用的有3點、4點、6點提升，調(diào)平算法基本與3點提升平臺算法一致.本文研究的是有3個提升機的高處作業(yè)懸吊平臺.該平臺提升機安裝位置為A，B和C，A和B被設(shè)置到前組，C設(shè)置為后組，A和C被設(shè)置為左組，B被設(shè)置到右組（參見圖1）.采用單軸調(diào)整，程序如圖3所示.

首先，x軸是按角度α找平（左右方向），y軸按照角β找平（前后方向），在單軸法調(diào)整的過程中，采用與提升方向同向的調(diào)平策略.該控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快及測量精度高的特點.

具體操作如下：平臺上行過程中，當傳感器傳回的數(shù)據(jù)經(jīng)判斷不滿足精度要求時，則根據(jù)x軸方向傳感器的信號，找出左右提升組中較高側(cè)一組，控制器輸出n個脈沖時間的停止信號給較高側(cè)提升機，另外一組繼續(xù)上升，直至x軸方向滿足精度要求.程序開始判斷前后傾角，即y軸方向上較高的一端.同樣通過PLC控制器將較高組停止m個脈沖信號（n，m與傾斜角度α，β有關(guān)），使前后水平度滿足精度要求，從而結(jié)束了一次調(diào)平過程.而在平臺下降過程中，控制器停止的提升機是從左右和前后提升組中的較低點的提升機，使高點繼續(xù)下降，從而使平臺調(diào)平.這種方案的缺點是調(diào)平時間長，優(yōu)點是協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性較好.

圖3 調(diào)平控制流程圖Fig.3 Communication flow chart of leveling control

2 硬件和軟件

2.1 系統(tǒng)控制器的硬件設(shè)計

該系統(tǒng)的主要組成部分是西門子公司的SMATIC S7-300系列的可編程序控制器，包括中央處理單元（CPU 314）、數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸入輸出模塊和模擬量輸入模塊.安裝1個中等規(guī)模的程序，程序執(zhí)行速度較好，中央處理單元包含高速配置和中型的I／O.測量傳感器采用芬蘭公司生產(chǎn)的雙軸SCA100T傾角傳感器，它的工作原理是測量重力加速的重力.每個軸的最大輸出范圍為±4°，有效輸出范圍為±30°.系統(tǒng)的框圖如圖4.從框圖可以看出，該系統(tǒng)是1個負反饋控制系統(tǒng)，控制器處理傳感器的反饋信號.為了減少操作次數(shù)，調(diào)平系統(tǒng)允許有一定范圍的誤差.該高處作業(yè)懸吊平臺驅(qū)動器的精度預(yù)期小于±2°.也就是說，x軸和y 軸的準確度分別為±1.41°.此時提升點移動的距離是1×tan1.41°.如果2個吊點之間的長度為7.5m，那么高度大約為0.18m.

2.2 控制器設(shè)計

該調(diào)平系統(tǒng)將能夠處理從傳感器獲得的數(shù)學(xué)信號，這個過程的動力學(xué)方程為

圖4 系統(tǒng)控制框圖Fig.4 Block diagram of the entire system

式中：X（t）為系統(tǒng)的狀態(tài)向量，X（t）＝［x1（t） x2（t）］T，t為時間變量，x1（t），x2（t）為系統(tǒng)狀態(tài)變量；u（t）為系統(tǒng)輸入向量.

式中：Tn為傳感器采樣率；K為增益常數(shù).

對于控制系統(tǒng)的設(shè)計，它需要獲得調(diào)平裝置的動態(tài)數(shù)據(jù).對于手動控制和控制過程中的非線性誤差等不確定因素，該控制器是問題的1種有效解決途徑.通過這個控制系統(tǒng)，調(diào)整時間明顯減少，精確度大大提高，實現(xiàn)自動啟動、停止與手動控制的協(xié)調(diào)工作 ，實現(xiàn)多點同步控制.因為多點調(diào)平控制策略的要求很高，并且工人的高處作業(yè)懸吊平臺升降操作會對控制器產(chǎn)生干擾，機械傳動及摩擦傳動會形成嚴重的非線性不確定性，使傳統(tǒng)的比例-積分-微分（PID）控制器無法實現(xiàn)在各種非線性抑制的動態(tài)和靜態(tài)因素下的控制.

使用1個假設(shè)的傳感器，角度值α為從傳感器獲得的測量信號，lAB是A和B之間的調(diào)整距離，它的高度可調(diào)，系統(tǒng)需要調(diào)整的距離是：

如果平均速度v和脈沖時鐘ε的模糊控制器是已知的，x軸的調(diào)節(jié)脈沖n可以計算如下：n＝h.根據(jù)傾斜角度傳感器產(chǎn)生的信號，控制系統(tǒng)可以使用脈沖信號調(diào)整高處作業(yè)懸吊平臺至水平［10］.用于控制高處作業(yè)懸吊平臺水平的算法是傳統(tǒng)的智能控制器.角度默認設(shè)置值是0°，輸入實際的角度可進行調(diào)節(jié).本文中使用了簡化的離散增量比例-積分（PI）控制器.實踐證明了該控制器可以消除振蕩，但因為在控制過程中有很多干擾和誤操作，其控制難度增加了.

該系統(tǒng)采用模糊邏輯控制克服以上問題.它的優(yōu)點是不依賴于對象模型，動態(tài)性能好，并消除了在調(diào)平過程中的不確定干擾的影響.為了取得顯著的樣本數(shù)據(jù)，至少需要5個樣本實驗.如果是50ms的采樣周期，那么5個樣本需要2.5s，這個時間差有效地提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性.在調(diào)整結(jié)束前，為了能更好地初始化控制器的結(jié)果，該系統(tǒng)處于等待狀態(tài).根據(jù)控制理論，空采樣周期一定程度上是專為這個控制器設(shè)計的.空采樣周期后，系統(tǒng)會通過控制脈沖輸入信號.當輸出改變使過程變量超出設(shè)定值范圍，系統(tǒng)將進入錯誤處理初始化.

3 實驗與討論

對智能調(diào)平與人工凋整調(diào)平的角度和振動做對比，如圖5—7所示，從圖5可以明顯看出，x軸調(diào)整水平精度比y軸調(diào)整精度更好.

對比手動調(diào)節(jié)，最大的智能調(diào)節(jié)角度在y軸方向出現(xiàn)時，該值只有1.2°，這樣的結(jié)果表明，智能調(diào)平系統(tǒng)是遠遠優(yōu)于手動調(diào)節(jié).通過上述測試，可以認為，自動調(diào)平系統(tǒng)的安裝能提高系統(tǒng)的安全性能，但這個系統(tǒng)是否可以降低調(diào)整過程中的振動，又進行了下1個測試.應(yīng)用加速度傳感器和放大信號器及振動測試軟件對平臺在整個22min的運行過程包括水平調(diào)節(jié)過程進行了振動測試，并將手動水平調(diào)節(jié)和自動水平調(diào)節(jié)的2組數(shù)據(jù)濾波處理后得出x軸振動曲線（見圖6）和y軸振動曲線（見圖7）.從圖6和圖7可以看出兩個問題，第一，y軸振動曲線比x軸振動曲線流暢.這主要是因為在調(diào)平過程中從x軸方向開始，然后是y軸的方向.這是調(diào)平方案增加了x軸方向的振動，而y軸方向影響并不顯著.第二，從振動曲線也可以看到，智能調(diào)平遠優(yōu)于手動調(diào)整模式.

圖5 手動／自動調(diào)平程度示意圖Fig.5 Leveling degree of the platform with manual adjustment and automatic adjustment

自動調(diào)平的振動幅度很小，可滿足平臺的穩(wěn)定運行.通過實驗證實，系統(tǒng)可以實現(xiàn)多點高處作業(yè)懸吊平臺的自動調(diào)平，其調(diào)平精度小于±2°，調(diào)整時間約2s.

圖6 x軸方向平臺振動波形Fig.6 Vibration curve of the platform working in x-axis direction

圖7 y軸方向平臺振動波形Fig.7 Vibration curve of the platform working in y-axis direction

4 結(jié)論

以現(xiàn)代控制技術(shù)為基礎(chǔ)，對高處作業(yè)懸吊平臺智能調(diào)平系統(tǒng)的特點進行了詳細研究，提出了1種新的方法，使得高處作業(yè)懸吊平臺更準確更安全.由于高處作業(yè)懸吊平臺手動調(diào)節(jié)有一定的振動，人工調(diào)整的影響將降低使用安全系數(shù)，需要減少人工對高處作業(yè)懸吊平臺的調(diào)整.結(jié)果表明，智能調(diào)平系統(tǒng)更優(yōu)于人工調(diào)配，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)獲得了專利申請受理.

［1］HOON L，YI B J，LEE S H.Architectural singularity analysis and design optimization of a parallel mechanism with a suspended platform［C］∥2009 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation.Piscataway：IEEE Computer Society，2009：3545-3550.

［2］JUSTUS J，SEARLE R，BRUMNEN L Z.Suspended platforms complete plan is critical［J］.Facility Engineering Associates Informational Newsletter，2003，11（3）：1-3.

［3］RAHIMI M A，HEMAMI H，ZHENG Y F.Experimental study of a cable-driven suspended platform［C］∥IEEE Robotics and Automation Society.Proceedings of the 1999IEEE International Conference on Robotics and Automation.Piscataway：IEEE，1999：2342-2347.

［4］姚舜才，張艷冰.基于PLC的自動調(diào)平系統(tǒng)［J］.華北工學(xué)院學(xué)報，2003，24（1）：14-17.YAO Shuncai，ZHANG Yinbing.An automatic leveling system based on PLC ［J］.Journal of North China Institute of Technology，2003，24（1）：14-17.

［5］姚舜才，張艷冰，仁作新.PLC控制的4點調(diào)平系統(tǒng)［J］.華北工學(xué)院學(xué)報，2004，25（3）：198-200.YAO Shuncai，ZHANG Yanbing，REN Zuoxin.Four-point leveling system controlled by PLC［J］.Journal of North China Institute of Technology，2004，25（3）：198-200.

［6］裴東，張振良，鄧方剛.基于PLC的重型載車自動調(diào)平系統(tǒng)［J］.起重運輸機械，2009，27（3）：72-74.PEI Dong，ZHANG Zhenliang，DENG Fanggang.PLC based level adjusting system for heavy truck［J］.Hoisting and Conveying Machinery，2009，27（3）：72-74.

［7］史厚強.平臺對角線快速調(diào)平的新方法［J］.機械制造與自動化，2007，22（2）：58-59.SHI Houqiang.New method of fast level for measurement of platform diagonal［J］.Machine Building ＆ Automation，2007，22（2）：58-59.

［8］楊紅軍，李剛炎.車載平臺的調(diào)平方法與控制技術(shù)研究［J］.機械設(shè)計與制造，2008（12）：134-136.YANG Hongjun，LI Gangyan.Study on leveling method and control technology of a vehicle-borne platform［J］.Machinery Design ＆Manufacture，2008（12）：134-136.

［9］LIANG Jie，GUAN Zhiquang.Design of intelligent automatic leveling control system based on ultrasonic distance measuring technology［C］∥Automation and Logistics 2007IEEE International Conference.Piscataway：Inst of Elec and Elec Eng Computer Society，2007：676-681.

［10］LI Shujiang，LIN Chengjun，CHANG Yunlong.Intelligent control of spot welding inverter based on single chip microcomputer［C］∥20061st IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications.Piscataway：Inst of Elec and Elec Eng Computer Society，2006：1-4.