提高橋式起重機載荷穩(wěn)定性的理論基礎(chǔ)

張歡

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，無論是在人們生活還是在工作中的各項事物，其現(xiàn)代化和自動化水平都實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。然而，在橋式起重機的自動化改造中，由于其工藝的復(fù)雜性，想要實現(xiàn)自動化改造可能還需要很長的一段路要走?；诖朔N情況，筆者對橋式起重機的自動化改造進行了深入地分析和思考，并提出了自己的幾點淺見，希望能給相關(guān)工作人員提供一些有價值的參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】橋式 起重機 載荷穩(wěn)定性 自動化

橋式起重機一般應(yīng)用在港口運輸業(yè)和制造業(yè)，其操作方式主要是以人工操作為主，現(xiàn)代化水平較低，自動化程度有待提升。由于操作過程中，需要起重機頻繁地進行起、制動，容易引發(fā)載荷擺動現(xiàn)象的發(fā)生，這就對其系統(tǒng)的就位精度以及穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的影響。本文以數(shù)學(xué)建模作為文章內(nèi)容的切入點，并對相關(guān)控制技術(shù)進行了詳細(xì)地闡述。

1 數(shù)學(xué)建模

1.1分布質(zhì)量模型

這種模型理論認(rèn)為，載荷和吊鉤為集中質(zhì)量，而起升鋼絲繩作為分布質(zhì)量。在平衡位置的附近對橋式起重機進行建模的最初階段，沒有將載荷的慣性考慮在內(nèi)，把鋼絲繩作為一種無法伸長的柔性體。經(jīng)過深入研究，以改變邊界條件為載體，將載荷慣性力納入了考慮范圍之內(nèi)。分布質(zhì)量模型一般適用在以下情況，即鋼絲繩的質(zhì)量和載荷的質(zhì)量為同等數(shù)量級的時候。并且，還是在載荷擺動和小車位移角度都不大的情況下，因此，分布質(zhì)量模型一般都是被用在小車終點附近。但是，在實際施工環(huán)境中，起重機鋼絲繩重量一般都要小于吊鉤的重量，由此可見，分布質(zhì)量模型具有一定的局限性。

1.2集中質(zhì)量建模

在橋式起重機的建模中，集中質(zhì)量模型的應(yīng)用范圍較為廣泛，若是將鋼絲繩的重量忽略不計，在起重機的吊鉤處將鋼絲繩、載荷質(zhì)量以及吊鉤集中在一塊，空間擺模型得以高效建立。可以說，集中質(zhì)量建模方式不僅將復(fù)雜的載荷動力學(xué)特性充分描述了出來，同時，數(shù)學(xué)表達(dá)式也非常緊湊。集中質(zhì)量建模主要分為兩種類型，一種是擴展模型，另一種是簡化模型，它們的劃分依據(jù)是外部激勵引入系統(tǒng)方法的不同。簡化模型采用的方法主要是通過把外部激勵簡化到載荷懸掛點，一般認(rèn)為基礎(chǔ)激勵是產(chǎn)生載荷運動的原因，但是，它對基礎(chǔ)運動卻沒有產(chǎn)生影響；而擴展模型，主要是在動力學(xué)的模型中將起重機的基礎(chǔ)的運動與支撐機構(gòu)引進來，使載荷擺動、基礎(chǔ)、支撐結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型能夠相互作用，相互影響。

2 控制技術(shù)

一般說來，控制技術(shù)的劃分，主要是依據(jù)反饋信號的有無來劃分，具體來說，主要分為閉環(huán)控制技術(shù)和開環(huán)控制技術(shù)，具體內(nèi)容如下：

2.1閉環(huán)控制技術(shù)

閉環(huán)控制技術(shù)（PID）在起重機中的初級應(yīng)用階段，采用的主要是雙層PID控制技術(shù)，這種控制技術(shù)，主要是通過PI控制器以小車的驅(qū)動來進行指令位置的跟蹤，與此同時，再用PD控制器進行小車運動的驅(qū)動，從而達(dá)到阻尼載荷擺動的目的。這種控制策略和限波器較為類似，而它的中心頻率為自然頻率，并且，將控制策略應(yīng)用到起重機的模型之中。經(jīng)過實驗證明，若是沒有載荷升降運動，在起重機的加減速階段，載荷的瞬間擺角為3°，而在目標(biāo)的位置上，也沒有殘留擺動現(xiàn)象的出現(xiàn)，這說明閉環(huán)控制策略對載荷的變化并不是十分敏感，但是卻容易受到外部環(huán)境的干擾引起載荷擺動。在經(jīng)過對PID技術(shù)的優(yōu)化和升級，通過對控制策略的修改，將PI小車的位置和速度控制器的級聯(lián)，以及PD控制器和時滯補償器的級聯(lián)，來對載荷擺動阻尼進行強化。這一策略使載荷瞬間的擺動角度小于1°，沒有殘留擺動，同時，對外界干擾阻尼也較為有效，但是，這種控制策略對于繩長非常敏感，這就需要對鋼絲繩的長度進行調(diào)整來不斷對性能進行優(yōu)化。伴隨著PID控制策略的逐漸完善，PI控制器通過對鋼絲繩長度變化的跟蹤，使載荷擺動的反饋控制器能夠和鋼絲繩的慢時變相適應(yīng)，從而找出不同鋼絲繩長度的最優(yōu)阻尼而對應(yīng)的增益，實踐證明，這種控制策略，在目標(biāo)的位置上沒有殘留擺動，對與外部抗干擾能力也較強。

2.2開環(huán)控制技術(shù)

現(xiàn)階段，我國最為先進的控制器設(shè)計，是以開環(huán)控制技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計而成的，具有較高的可行性。這種技術(shù)通過讓起重機在運行的過程中沿著預(yù)訂的軌道形式，從而實現(xiàn)起重機的自動化目標(biāo)，提高了操作效率，減少了時間的浪費。目前，應(yīng)用在起重機開環(huán)控制的技術(shù)主要分為兩種，一種是最優(yōu)控制技術(shù)，另一種是輸入整型技術(shù)。輸入整型技術(shù)，主要是通過讓起重機在運行的過程中沿著預(yù)先設(shè)計的軌跡和距離來行駛。起重機加速時，通過對加速輪廓形式的設(shè)計，以達(dá)到引起最小擺動幅度的目的；減速時，還要保證在目標(biāo)的位置上沒有殘留擺動。這種技術(shù)在起重機的加減速階段，至少能引起半個周期或者是半個周期的整數(shù)倍擺動。雖然，以上兩種技術(shù)有著很大的不同，但是，它們卻有著共同的缺點，那就是對初始狀態(tài)、參數(shù)變化和外界的干擾都非常敏感，致使在起重機升降載荷的過程中，其控制性能明顯下降。

為了能夠有效改進起重機的安全性提高其自動化效率，很多人都致力于因慣性力而引起的擺動研究。雖然，輸入整型技術(shù)有著較大的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在提升起重機、移動速度方面，但是，卻在外界干擾和基礎(chǔ)激勵方面的能力較低，魯棒性較差。而線性控制技術(shù)應(yīng)用在輸入整型技術(shù)，成功避免了上述的弊端，但是它對載荷質(zhì)量的大范圍變化、鋼絲繩的長度等因素還是體現(xiàn)出一定的缺點，即魯棒性差。而整型基本策略通過模糊邏輯技術(shù)和自適應(yīng)控制技術(shù)的融入，所形成的復(fù)合控制技術(shù)，能夠有效彌補輸入整型技術(shù)的不足之處。這種復(fù)合型控制技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

總而言之，通過提升橋式起重機的自動化水平來提高其工作效率是具有一定的現(xiàn)實意義的。雖然，目前在開展相關(guān)工作的過程中，還存在著一些問題，但是只要相關(guān)人員，加大研究力度，積極探索新的研發(fā)模式，轉(zhuǎn)變工作理念，從而為橋式起重器自動化水平的提升夯實牢固的基礎(chǔ)，為先關(guān)工作的可持續(xù)發(fā)展提供巨大助力。

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