塔式起重機(jī)自動(dòng)化配重控制及平衡動(dòng)態(tài)特性分析研究*

王海艦，袁嘉惠，盧士林，齊子昂，申艷珍，謝 飛，劉 林

(1.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.沈陽特種設(shè)備檢測研究院，遼寧 沈陽 110035)

0 引 言

塔式起重機(jī)是大型的垂直吊裝起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備，具有塔身高、有效起吊高度大、作業(yè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑施工行業(yè)中[1，2]。

傳統(tǒng)的塔式起重機(jī)都是采用一次性配重原理，即起吊前，起吊端處于空載狀態(tài)，配重端的力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于起吊端；而當(dāng)起吊端吊起的重物重量較大時(shí)，起吊端的力矩又大于配重端的力矩，導(dǎo)致塔機(jī)長期處于力矩不平衡的狀態(tài)下，容易發(fā)生塔身翻側(cè)、折斷和塔機(jī)兩臂折斷等事故，嚴(yán)重威脅塔機(jī)操作人員的人身安全；同時(shí)，塔機(jī)倒塌還會(huì)對(duì)周邊的建筑、設(shè)施造成嚴(yán)重?fù)p害[3，4]。

因此，如何實(shí)現(xiàn)塔式起重機(jī)兩端的力矩平衡，降低塔身的不平衡負(fù)載，是保證塔式起重機(jī)長期安全穩(wěn)定運(yùn)行亟待解決的問題。

對(duì)于塔式起重機(jī)的平衡控制問題，田立勇等人[5]采用了無線電技術(shù)，利用無線遙控發(fā)射和接收芯片組與微計(jì)算機(jī)接口，完成了塔式起重機(jī)的無線遙控；孫輝等人[6]基于塔式起重機(jī)在工作工程中的負(fù)載擺動(dòng)現(xiàn)象，分析了塔式起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出逼近系統(tǒng)的不確定項(xiàng)，提出了一種基于遺傳法的塔式起重機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模神經(jīng)防擺控制新方法，該方法可有效地提高塔機(jī)系統(tǒng)的控制性能；張楠等[7]利用ANSYS構(gòu)建了塔式起重機(jī)起重臂架裝置的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并通過分析得到了優(yōu)化模型的最優(yōu)解，為塔式起重機(jī)臂架裝置的設(shè)計(jì)提供了高效、便捷的方案；王玲娟[8]以TC7040型塔式起重機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS建立了金屬結(jié)構(gòu)模型，分析了塔式起重機(jī)在不同風(fēng)振響應(yīng)特性的分析，為塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)與使用安全性提供了科學(xué)的指導(dǎo)；董明曉等[9]研究了塔式起重機(jī)的變幅運(yùn)動(dòng)和起升運(yùn)動(dòng)對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響規(guī)律，得到了起重臂振動(dòng)幅值和頻率隨著變幅增大而減小，振動(dòng)的幅值和周期隨著起重量的增大而增大的結(jié)論。

然而目前對(duì)于塔式起重機(jī)的自動(dòng)化配重以及平衡動(dòng)態(tài)特性的分析研究相對(duì)較少。

本文提出一種基于自動(dòng)配重的平衡控制方法，通過調(diào)節(jié)塔式起重機(jī)起吊過程中配重塊位置，以實(shí)現(xiàn)塔式起重機(jī)的配重端與起重端的力矩平衡；并對(duì)不同工況下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，驗(yàn)證基于自動(dòng)配重的平衡控制方法的可行性。

1 塔機(jī)自動(dòng)配重實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

1.1 塔機(jī)自動(dòng)配重原理分析

傳統(tǒng)的塔式起重機(jī)由于配重是固定在平衡臂端，在空載情況下，平衡臂端的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于起重臂端的重量[10，11]。

想要實(shí)現(xiàn)塔機(jī)處于平衡狀態(tài)，就要在起吊端起吊適宜的配重實(shí)現(xiàn)兩端的力矩平衡，即增加吊重M2，使M1L1=M2L2。

塔式起重機(jī)力矩平衡狀態(tài)如圖1所示。

圖1 塔式起重機(jī)力矩平衡狀態(tài)

當(dāng)起吊重量增加，M3>M2時(shí)，此時(shí)起吊端力矩M3L2>M1L1，為了實(shí)現(xiàn)兩端力矩平衡，在不改變配重質(zhì)量的情況下，需要將M1左移，實(shí)現(xiàn)M1L1′=M3L2。

起吊端質(zhì)量增加工況如圖2所示。

圖2 起吊端質(zhì)量增加工況

當(dāng)起吊重量不變，而小車向塔帽方向移動(dòng)，此時(shí)起吊端力臂減小，M3>M2時(shí)，此時(shí)起吊端力矩M1L1′>M3L2′，為了實(shí)現(xiàn)兩端力矩平衡，需要將M1右移，實(shí)現(xiàn)M1L1″=M3L2′。

起吊端力臂減小工況如圖3所示。

圖3 起吊端力臂減小工況

綜上分析可知，通過對(duì)配重位置的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，改變配重的力臂，可實(shí)現(xiàn)塔式起重機(jī)不同工況下的平衡調(diào)節(jié)，提高塔式起重機(jī)運(yùn)行的安全系數(shù)，延長塔式起重機(jī)的使用壽命。

1.2 自動(dòng)配重實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)現(xiàn)塔式起重機(jī)兩端力矩快速平衡調(diào)節(jié)的關(guān)鍵是確定兩端的力矩偏差和偏差變化率。本文提出一種通過拉壓力傳感器檢測兩端平衡偏差的方法，即根據(jù)塔式起重機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)特征，等比例構(gòu)建塔式起重機(jī)自動(dòng)配重實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[12-15]。

塔機(jī)自動(dòng)配重實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

塔機(jī)系統(tǒng)的檢測控制模塊以AT89C51單片機(jī)作為控制核心芯片，外圍的擴(kuò)展電路主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、壓力傳感器信號(hào)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、液晶屏顯示電路和光聲報(bào)警電路等模塊組成。

設(shè)備上電后，拉壓力傳感器感應(yīng)到塔機(jī)吊裝重物時(shí)產(chǎn)生的壓力或拉力，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，即很小的mV電壓，將微小的mV信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大電路放大到約0～5 V之間，將放大的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)，單片機(jī)接收信號(hào)后計(jì)算兩端力矩的偏差和偏差變化率，并將偏差和偏差變化率輸入到模糊PID中，進(jìn)而對(duì)電機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)控制，從而調(diào)節(jié)配重的位置實(shí)現(xiàn)塔機(jī)力矩的快速平衡。

2 基于模糊PID的塔機(jī)自動(dòng)化配重控制

塔式起重機(jī)的模糊PID平衡控制系統(tǒng)以拉壓傳感器反饋的電壓信號(hào)，與輸入期望值的偏差e及偏差變化率ec作為輸入，系統(tǒng)將量化后的偏差和偏差變化率經(jīng)過模糊化、模糊推理及解模糊過程，獲取PID的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)的最優(yōu)參數(shù)，并代入到下式：

(1)

式中：KP—比例系數(shù)；KI—積分系數(shù)；KD—微分系數(shù)。

通過式(1)輸出結(jié)果控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)塔式起重機(jī)平衡配重的快速調(diào)節(jié)。

塔式起重機(jī)的模糊PID平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 塔式起重機(jī)的模糊PID平衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文利用PID參數(shù)模糊自整定確定比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD與偏差e及偏差變化率ec的模糊關(guān)系，并根據(jù)模糊控制原理對(duì)3個(gè)參數(shù)不斷地進(jìn)行在線修正，以滿足拉壓傳感器實(shí)時(shí)反饋的不同的偏差e及偏差變化率ec的要求，確保系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能。

塔式起重機(jī)自動(dòng)配重系統(tǒng)以拉壓傳感器檢測數(shù)據(jù)的偏差e以及偏差的變化率ec作為輸入，以自適應(yīng)模糊PID的3個(gè)參數(shù)KP、KI和KD的值作為輸出。

其輸入和輸出隸屬度函數(shù)如圖6所示。

圖6 輸入和輸出隸屬度函數(shù)

結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)參數(shù)自整定PID模糊控制的規(guī)則，筆者構(gòu)建了塔式起重機(jī)模糊PID系統(tǒng)參數(shù)KP、KI和KD的模糊規(guī)則表，分別如表(1～3)所示。

表1 KP的模糊規(guī)則表

表2 KI的模糊規(guī)則表

表3 KD的模糊規(guī)則表

3 動(dòng)態(tài)平衡實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

塔式起重機(jī)自動(dòng)化配重系統(tǒng)需要針對(duì)不同運(yùn)行工況具有良好的普適性，針對(duì)起吊重物瞬間、提升過程以及重物擺動(dòng)等多個(gè)工況導(dǎo)致的力矩不平衡均要具有非常好的快速調(diào)節(jié)能力，且這種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力需要是動(dòng)態(tài)的、連續(xù)的快速響應(yīng)調(diào)節(jié)。

為了驗(yàn)證構(gòu)建的塔式起重機(jī)自動(dòng)化配重系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡特性，筆者分別對(duì)不同工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

3.1 起吊瞬間響應(yīng)分析

塔式起重機(jī)提升重物時(shí)，提升鋼絲繩由非受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芰埦o狀態(tài)，在該過程中，起吊端受力快速增長，在重物離地的瞬間達(dá)到峰值；此時(shí)，兩端力矩嚴(yán)重不平衡，需要系統(tǒng)隨著起吊端吊重的變化對(duì)配重進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，以滿足塔機(jī)兩端的力矩平衡。

為了驗(yàn)證筆者所構(gòu)建的塔式起重機(jī)模糊PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，本研究對(duì)塔式起重機(jī)起吊瞬間的響應(yīng)特性進(jìn)行分析。

起吊瞬間響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 起吊瞬間響應(yīng)曲線

由圖7可以看出：給系統(tǒng)輸入1個(gè)單位階躍信號(hào)，系統(tǒng)響應(yīng)值快速升高，在0.1 s處達(dá)到峰值，超調(diào)量不大，并經(jīng)過短暫振蕩后在0.4 s處達(dá)到穩(wěn)態(tài)；以上結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)偏差的響應(yīng)較快，能夠根據(jù)塔機(jī)兩端力矩的偏差變化進(jìn)行快速平衡調(diào)節(jié)，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

3.2 提升過程動(dòng)態(tài)特性分析

塔式起重機(jī)在吊重提升過程中，受塔機(jī)提升電機(jī)機(jī)構(gòu)、小車行走導(dǎo)致的力臂變化以及重物在空中受風(fēng)等外界因素導(dǎo)致的微小擺動(dòng)等影響，會(huì)導(dǎo)致塔機(jī)兩端力矩處于不平衡狀態(tài)，因此，系統(tǒng)需要不斷調(diào)整配重的位置來平衡兩端的力矩，消除力矩偏差。

本文通過實(shí)驗(yàn)，測試塔式起重機(jī)起升過程中伴隨重物微小擺動(dòng)(擺動(dòng)傾角小于10°)及小車位移(力臂變化)工況的力矩差值變化情況。

起升過程中力矩差值曲線如圖8所示。

圖8 起升過程中力矩差值曲線

由圖8可以看出：塔機(jī)在提升過程中，兩端力矩差值振蕩幅度較小，最大力矩差值為0.045 N·m；由此可以表明，所設(shè)計(jì)的模糊PID系統(tǒng)能夠?qū)α仄钸M(jìn)行快速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)塔機(jī)兩端的力矩平衡。

3.3 重物擺動(dòng)工況動(dòng)態(tài)特性分析

塔式起重機(jī)吊重過程中，由于小車的變幅運(yùn)動(dòng)，重物會(huì)發(fā)生一定角度的擺動(dòng)，在此過程中，由于小車處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，力臂L處于連續(xù)動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)；同時(shí)，由于質(zhì)量M處于擺動(dòng)狀態(tài)下，其在不同時(shí)刻垂直向下的重力分量M′也不斷發(fā)生變化，同理，M′L也處于連續(xù)變化狀態(tài)。

重物擺動(dòng)過程中，對(duì)力矩平衡將造成比較顯著的影響。小車變幅時(shí)重物擺動(dòng)工況如圖9所示。

圖9 小車變幅時(shí)重物擺動(dòng)工況

本文分別開展3°、6°和10°不同擺角工況下的塔式起重機(jī)自動(dòng)配重控制系統(tǒng)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證自動(dòng)配重控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

不同擺角工況配重力矩平衡曲線如圖10所示。

圖10 不同擺角工況配重力矩平衡曲線

從圖10可以看出：塔式起重機(jī)自動(dòng)配重系統(tǒng)對(duì)于小車變幅過程中產(chǎn)生的重物不同擺角，均能夠進(jìn)行快速的平衡調(diào)節(jié)，最大力矩差值僅為0.039 N·m，表明系統(tǒng)具有非常好的動(dòng)態(tài)性能。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于模糊PID的塔式起重機(jī)自動(dòng)配重控制方法，通過分析塔式起重機(jī)兩端的力矩平衡關(guān)系，利用拉壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩端力矩偏差的精確檢測，并利用力矩偏差和偏差變化率實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩端力矩平衡的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)；利用構(gòu)建的塔式起重機(jī)自動(dòng)配重實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)起吊瞬間、起升過程以及重物擺動(dòng)不同工況的力矩平衡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：筆者構(gòu)建的自動(dòng)化配重控制系統(tǒng)滿足塔式起重機(jī)的實(shí)際工作需要，具有較高的控制精度和動(dòng)態(tài)特性，為實(shí)現(xiàn)塔式起重機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、延長塔式起重機(jī)的使用壽命提供了一種重要的技術(shù)手段。