提高橋式起重機(jī)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(xiàng)事物，其現(xiàn)代化和自動(dòng)化水平都實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。然而，在橋式起重機(jī)的自動(dòng)化改造中，由于其工藝的復(fù)雜性，想要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化改造可能還需要很長的一段路要走。基于此種情況，筆者對(duì)橋式起重機(jī)的自動(dòng)化改造進(jìn)行了深入地分析和思考，并提出了自己的幾點(diǎn)淺見，希望能給相關(guān)工作人員提供一些有價(jià)值的參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】橋式 起重機(jī) 載荷穩(wěn)定性 自動(dòng)化

橋式起重機(jī)一般應(yīng)用在港口運(yùn)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(dòng)化程度有待提升。由于操作過程中，需要起重機(jī)頻繁地進(jìn)行起、制動(dòng)，容易引發(fā)載荷擺動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，這就對(duì)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(diǎn)，并對(duì)相關(guān)控制技術(shù)進(jìn)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(duì)橋式起重機(jī)進(jìn)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(jí)的時(shí)候。并且，還是在載荷擺動(dòng)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(diǎn)附近。但是，在實(shí)際施工環(huán)境中，起重機(jī)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(jī)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(jì)，在起重機(jī)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(dòng)力學(xué)特性充分描述了出來，同時(shí)，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(kuò)展模型，另一種是簡化模型，它們的劃分依據(jù)是外部激勵(lì)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(lì)簡化到載荷懸掛點(diǎn)，一般認(rèn)為基礎(chǔ)激勵(lì)是產(chǎn)生載荷運(yùn)動(dòng)的原因，但是，它對(duì)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)卻沒有產(chǎn)生影響；而擴(kuò)展模型，主要是在動(dòng)力學(xué)的模型中將起重機(jī)的基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)與支撐機(jī)構(gòu)引進(jìn)來，使載荷擺動(dòng)、基礎(chǔ)、支撐結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(hào)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(jī)中的初級(jí)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(dòng)來進(jìn)行指令位置的跟蹤，與此同時(shí)，再用PD控制器進(jìn)行小車運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到阻尼載荷擺動(dòng)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(jī)的模型之中。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，若是沒有載荷升降運(yùn)動(dòng)，在起重機(jī)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(dòng)現(xiàn)象的出現(xiàn)，這說明閉環(huán)控制策略對(duì)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(dòng)。在經(jīng)過對(duì)PID技術(shù)的優(yōu)化和升級(jí)，通過對(duì)控制策略的修改，將PI小車的位置和速度控制器的級(jí)聯(lián)，以及PD控制器和時(shí)滯補(bǔ)償器的級(jí)聯(lián)，來對(duì)載荷擺動(dòng)阻尼進(jìn)行強(qiáng)化。這一策略使載荷瞬間的擺動(dòng)角度小于1°，沒有殘留擺動(dòng)，同時(shí)，對(duì)外界干擾阻尼也較為有效，但是，這種控制策略對(duì)于繩長非常敏感，這就需要對(duì)鋼絲繩的長度進(jìn)行調(diào)整來不斷對(duì)性能進(jìn)行優(yōu)化。伴隨著PID控制策略的逐漸完善，PI控制器通過對(duì)鋼絲繩長度變化的跟蹤，使載荷擺動(dòng)的反饋控制器能夠和鋼絲繩的慢時(shí)變相適應(yīng)，從而找出不同鋼絲繩長度的最優(yōu)阻尼而對(duì)應(yīng)的增益，實(shí)踐證明，這種控制策略，在目標(biāo)的位置上沒有殘留擺動(dòng)，對(duì)與外部抗干擾能力也較強(qiáng)。

2.2開環(huán)控制技術(shù)

現(xiàn)階段，我國最為先進(jìn)的控制器設(shè)計(jì)，是以開環(huán)控制技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)而成的，具有較高的可行性。這種技術(shù)通過讓起重機(jī)在運(yùn)行的過程中沿著預(yù)訂的軌道形式，從而實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的自動(dòng)化目標(biāo)，提高了操作效率，減少了時(shí)間的浪費(fèi)。目前，應(yīng)用在起重機(jī)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(jī)在運(yùn)行的過程中沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡和距離來行駛。起重機(jī)加速時(shí)，通過對(duì)加速輪廓形式的設(shè)計(jì)，以達(dá)到引起最小擺動(dòng)幅度的目的；減速時(shí)，還要保證在目標(biāo)的位置上沒有殘留擺動(dòng)。這種技術(shù)在起重機(jī)的加減速階段，至少能引起半個(gè)周期或者是半個(gè)周期的整數(shù)倍擺動(dòng)。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(diǎn)，那就是對(duì)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(jī)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(jìn)起重機(jī)的安全性提高其自動(dòng)化效率，很多人都致力于因慣性力而引起的擺動(dòng)研究。雖然，輸入整型技術(shù)有著較大的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在提升起重機(jī)、移動(dòng)速度方面，但是，卻在外界干擾和基礎(chǔ)激勵(lì)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(duì)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(diǎn)，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(bǔ)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(jī)的自動(dòng)化水平來提高其工作效率是具有一定的現(xiàn)實(shí)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(dòng)化水平的提升夯實(shí)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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