起重機防搖擺控制策略的研究與應用

溫建平

（1.山西省檢驗檢測中心（山西省標準計量技術研究院）特種設備檢驗技術研究所， 山西 太原 030006；2.安泰源特種設備檢測集團有限公司， 山西 太原 030009）

0 引言

移動回轉式起重機是工業生產過程中最常見的一種起重機類型，屬于回轉驅動結構，在實際應用吊重過程中擺動極為嚴重。這不僅會影響到貨物擺放的精準度，降低運輸效率，而且會給周邊的設備和人員帶來安全隱患，發生事故的概率增加[1]。目前，在移動回轉式起重機的應用過程中，常常采用外力拖拽的方式來對控制吊重搖擺，此種方式過渡依賴工作人員的操作經驗。因此，設計一套防搖擺機構，成為提高移動回轉式起重機應用效率的關鍵所在。

1 起重機防搖擺控制策略的整體設計

目前，起重機的防搖擺設計主要是通過控制起重機吊臂和旋轉臺的的運動軌跡來實現的。這種設計方式能夠起到一定的防搖擺作用，但在復雜工況下，起重機吊重的搖擺情況并不能得到良好的控制。因此，本次根據某企業5 t 移動回轉式起重機的運動特點，設計一套在4 個電機驅動下的機械防擺機構。該防擺機構的設計是在起重機吊臂的基礎上進行設計，通過在吊臂4 個對稱位置處設置拖拽鋼絲來實現對吊重搖擺進行控制。同時，為防擺機構啟動電機搭配實時仿真控制系統（dSPACE MicroLabBox）。在防搖擺機構的吊盤上安裝角度測量裝置，在防搖擺控制過程中，上位機獲取吊盤的角度信息，經過閉環控制程序的判斷，得出起重機吊重的擺動角度，之后將電機控制信息傳遞到搭載dSPACE MicroLabBox 的下位機中，對4個電機進行驅動，改變電機繩索的長度，來控制吊重的擺動，進而保障吊重的快速穩定。

2 起重機防搖擺機構的零部件設計

2.1 防搖擺驅動機構的設計

防搖擺驅動機構的核心動力源頭是驅動電機，而由驅動電機牽引的鋼絲繩是減緩吊重擺動的重要受力部件，需要根據擺動力選用電機類型。本次設計是以某企業5 t 移動回轉式起重機為例，其最大負載量為5 t。經過計算，每臺電機的轉矩需要達到90～130 N·m，因此，本次選用130ZYT51 型號的電機。電機與減速機相連接，減速機端安裝有儲繩卷筒，防擺鋼絲繩均勻纏繞在電機上保障牽引力的穩定輸出。鋼絲繩需要利用C 型平鍵進行固定，確保鋼絲繩不會在儲繩卷筒上打滑。防擺電機減速機與吊臂利用螺栓連接，減速機底部用緊定螺釘頂死，防止卷筒擺動。4 個防擺動電機以吊臂為基礎進度對稱安置，起重機吊重主電機安裝在吊臂尾端。

為了避免牽引繩在空間中出現交叉情況，需要根據電機位置在吊臂的另一端設計與各電機相對應的滑輪，由防擺電機引出的4 根牽引鋼絲繩經過吊臂另一端的滑輪與防擺吊盤相連接。吊盤采用平整度良好的不銹鋼板制作，吊盤切割采用激光切割的方式，確保吊盤在應用過程中的均勻性。整個起重機防搖擺機構設計如圖1 所示。

圖1 回轉式起重機防搖擺結構模型

2.2 防搖擺角速度測量系統設計

對某企業移動回轉式起重機的應用情況分析發現，在一般工況下，吊重的平面擺角在10°以內，最大也不會超過20°。通常情況下，傾角檢測傳感器在檢測過程中擺角應當在檢測儀量程的80%以內。因此，本次選用SIN-VT 傾角傳感器（深圳維特智能科技有限公司）。該傳感器量程為0°～±90°，響應時間為0.01 s，具有檢測三軸加速度、角速度以及角度的功能，并且集成了卡爾曼濾波算法，可以在動態條件下實時輸出傾角數據。將其安裝于吊盤的中間位置，安裝時傳感器需要與吊盤緊密貼合，確保測量的準確性。為了保證吊盤在空載時的平衡性，需要在吊盤上焊接配重塊。SIN-VT 傾角傳感器通過RS232 端口與上位機連接，進行測量角度的傳輸。

3 起重機防搖擺控制系統的設計

本次控制系統設計是基于dSPACE MicroLabBox對防搖擺驅動電機進行控制。在該系統的應用過程中，傾角傳感器將收集到的吊重姿態信息傳遞給上位機，上位機將相關信息代入到MATLAB/Simulink 中的防搖擺控制程序中，對吊重的搖擺情況進行仿真模擬，之后將模擬出的信號傳遞給dSPACE MicroLab-Box，隨即下位機發出電機驅動指令，對吊重擺動的反方向進行牽引，從而抑制吊重搖擺。為了提高防搖擺控制的精度，本次設計采用模糊PID 控制的方式，對傾角傳感器的信號進行分析，在MATLAB/Simulink 軟件中進行模糊控制器的設計。

為了驗證PID 控制器與模糊PID 控制器的控制效果，在仿真模型中設置電機的PID 控制和模糊PID控制方式，相對誤差設置為10-6，時間設置為1 s，設定轉速為100 r/min，在0.5 s 時增加負載，在0.8 s 是提高轉速至120 r/min，得出不同控制模式下的響應結果，如圖2 所示。

圖2 不同控制模式下防搖擺電機轉速變化情況

由圖2 可知，在模糊PID 控制器的仿真過程中，防搖擺電機在啟動時并無超調情況，并且響應時間相對較短。在0.5 s 加入負載時，下降量與傳統PID 控制器控制下一致，但恢復轉速時間相對較短。在0.8 s 提高轉速時，并無超調量，調整時間為0.04 s，小于傳統PID 控制器轉速調整時間。由此可見，模糊PID 控制方式具有快速響應、超調量小和魯棒性強的優勢，在應用過程中能夠更及時地對吊重搖擺進行響應處理，具有更好的防搖擺效果。

4 起重機防搖擺控制策略的應用分析

在某企業當中，共有4 臺同型號、同規格的移動回轉式起重機，主要應用于物料的裝卸。在實際作業過程中，為了提高效率，需要配備一名專業工作人員對勾頭進行拖拽。此種方式雖然能夠降低吊重的搖擺幅度，但同時增大了物料轉移的危險性。2020 年，出現過3 次吊重脫鉤現象，嚴重影響了生產安全。為此，該企業提出起重機防搖擺的自動化控制改造。設計了防搖擺控制系統，將其應用于起重機當中，并對起重機吊重搖擺情況進行分析。

4.1 防搖擺控制效果分析

某企業移動回轉式起重機常規工況下所裝卸的物料重量為2 t，本次驗證以常規工況為準，吊重2 t，吊高為6 m。在驗證過程中利用傾角傳感器對吊重的搖擺情況進行檢測，檢測數據傳遞至上位機中，由人機交互界面顯示，具體驗證結果如圖3 所示。

圖3 防搖擺控制情況

圖3 為上位機顯示出的傾角傳感器檢測結果。其中，在未加防擺系統下，吊重最大擺角為17.6°，而在加入防擺控制系統下，吊重最大擺角為12.3°，降低了30.1%。在防擺控制系統的作用下，吊重傾角在4 s時已經趨近于0°。而未應用防擺控制系統時，吊重傾角在16 s 后才開始趨近于0°。由此可見，在防搖擺控制系統下，吊重的搖擺情況得到了有效抑制。

4.2 經濟性分析

某企業的4 臺移動回轉式起重機在改造之前平均裝1 t 貨物需要用時16 min，卸1 t 貨物需要用時13 min。經過改造后，通過一個月的裝卸作業發現，平均裝1 t 貨物需要用時6 min，卸1 t 貨物需要用時5 min。裝卸效率提升50%以上。原需要4 臺起重機共同工作，現僅需要2 臺便可以完成該廠區的裝卸任務。該起重機電機功率為22 kW，每日工作時長為16 h，1 臺起重機的每日耗能352 kW·h。經過改造，每臺起重機增加4 臺1 kW 防搖擺電機，每日耗能為4×16=64 kW·h。在同種工況下，每日能夠降低能耗352×2-64×2=576 kW·h。該企業每年工作日為330 d左右，企業所在地工業用電費用為0.73 元/（kW·h），每年可為企業節約能源費13.88 萬元。原來，每臺設備需要設置4 人進行操控，每人月工資為5 500 元，每年可降低人工費用52.8 萬元，全年總計可為企業節約66.68 萬元。

5 結論

1）對起重機防搖擺機構方案進行總體設計，確定以4 個電機為防搖擺驅動力，同時搭載dSPACE MicroLabBox 系統。

2）對防搖擺驅動機構進行詳細設計，明確電機安裝位置。同時，對傾角檢測系統進行設計。

3）在MATLAB/Simulink 軟件中進行防搖擺控制系統的模擬試驗，驗證模糊PID 控制器的優勢。

4）將防搖擺控制措施應用于某企業當中，實踐表明：該防搖擺控制措施具有良好的應用效果，應用后，全年總計可為企業降低66.68 萬元。