桥式起重机智能防摆控制技术研究

李晓芦，刘晓红

（沈阳欧柏斯德起重输送技术有限公司，辽宁沈阳 110000）

0 引言

由于起重机的吊重物是利用绳索一类的柔性体，在起重机工作时由于结构轻便，容易控制，使得工作效率大大提高。但是，绳索类的柔性刚体也给施工带来负面影响，例如起重机负载摆动，不能快速平稳吊运货物。在常用仓库码头，运送货物量较大，起重机系统必须得到有效控制，快速平稳运送货物，在吊运过程中不宜摆动幅度过大，这样才能快速在停车后进行下一步运输。

近年来，人们对桥式起重机的防摆问题进行了各类规范研究，已由传统的制作起重机材料、运行速度慢，起重机设计偏于保守等性能问题提出了新的要求。起重机的设计更加完善，在保证安全和稳定的情况下，适当提高起重机运行速度，相关研究人员凭借不断吸取国外先进经验，将智能化的防摆控制系统应用于起重机，设置吊重防摆模糊控制器，PID 参数优化等控制应用，解决了一些起重机消摆问题。

起重机行业以提升运转速度为行业的核心力量，一般的起重机控制系统，以提高系统稳定性和鲁棒性为目标，但是为提高运转速度控制系统的目标是以最小的过冲和最大的速度将货物移动到引得位置，这一应用将大大提高工作效率。为尽快实现最快速度运行、有效控制摆动问题，我国对起重机系统进行建模，通过Matlab 仿真验证设计可行性。

1 桥式起重器吊物摆动现象的原因

桥式起重机吊物提升运动主要依靠钢丝绳索类柔性体完成活动，其特点是轻便，大大提高了工作效率，但是在桥式起重机工作过程中，可能由于惯性作用或加速、减速，绳索并没有较好地固定在吊物的负载压力下，易形成以绳索长度为半径的摆动，会发现随着吊物重量的增加，摆动的幅度会相对较小，这均可以通过单摆公式分析可得。其实吊物的摆动与质量并不能直接控制摆动幅度，只与钢丝绳索长短有关。因此，可以依据吊绳长短合理设置桥式起重器摆动措施。

2 基于遗传算法的起重机模糊控制

2.1 模糊控制

模糊控制实质上是一种非线性控制，既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景，其基本思想是把人对起重器控摆的过程策略转化成一定的控制规则，利用系统化的理论推理，作用于起重机中。模糊控制从属于智能控制方法中的一种，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。

2.2 模糊控制与传统控制的区别

首先，在传统的控制领域里，复杂的系统由于变量较多，往往不能准确描述系统的动态。虽然工程师也利用各种方法进行控制，但是效果往往不明显，严重的甚至丧失处理复杂性和不确定性问题的能力。然而，模糊控制不仅对明确的系统具有较强而有力的控制能力，对于过于复杂或难以精确的系统的处理能力也很强。其次，传统的控制系统必须通过数学模型得出数据才能设计出合适的控制器，这种方法不能离开数学模型进行工作。而模糊控制则不需要依赖数学模型也可以进行工作。

3 桥式起重机智能防摆控制技术

3.1 机械防摆一般采取的措施

3.1.1 交叉钢丝绳防摆

为了提高起重机智能防摆技术，应顺应起重机小车的运行方向，在运行架上设置两组交叉的防摆钢丝绳和驱动装置，这样一来钢丝绳索在驱动装置的作用下产生一定张力，在一定的起吊载荷操作下能够有效控制吊物摆动。

3.1.2 加大小车处钢绳的出绳角度

加大小车处钢绳的出绳角度的操作方法较为简单，其成本投入少，操作方法是在起重机吊具的4 个角上，将钢丝绳引出形成倒八字的固定结构。当起重机水平移动吊物时，由于倒八字绳索的结构左右受力，吊物摆动将得到很好控制，这也是最常见的一种起重机防摆技术应用。

3.1.3 分离小车式防摇摆

起重机小车活动时，在小车架机构采用滚动轴承，两组小车在驱动系统控制下渐渐向两侧分离，使绳索呈现V 形，增加绳索对吊物的固定性，一定程度上可以控制负载摆动。当活动将要结束时，小车会自然靠拢。但是这种方式结构较为复杂，更容易产生漏洞且加大小车的负荷重量。

3.1.4 跷板式防摇摆

跷板式防摇摆装置是通过在起重机上安装液压缓冲缸和跷板梁，使小车在运动加速的情况下，由于惯性作用，承载物会沿着小车运动的相反方向摆动，这样使得跷板梁向一侧偏斜，而安装液压缓冲缸的作用就是吸收起偏斜的能量。即使载物在摆动过程中撞击阻碍相反方向摆动也会自主的改变方向，不管在何种状况下只要使跷板梁向一侧偏斜，液压缸都会吸收全部能量，有效控制吊物摆动幅度，并且这种方法实用且操作简单，但是组织结构较为复杂。

3.2 电气防摇摆措施

目前，桥式起重机电气防摇摆系统的发展随着不同种类的控制器、变频技术的应用也得到了长足稳定发展。电气防摇摆控制系统的原理是对小车运动与吊物运动中形成的夹角进行测量计算。通过加减速进行控制吊物的摆动，经过不断实验，当小车达到某一速度或静止不动时，吊物与吊架的夹角基本呈垂直状态，吊物的摆动幅度较小将成功消除摆动问题。我国在众多的电气防摇摆控制技术中应用最多的是借助开环控制系统和闭环控制系统，相比之下开环控制系统较为方便，开环控制系统又称无反馈控制系统，是指一个输出只受系统输入控制，没有反馈回路的系统，在活动时无需每次反复测量吊架与吊物之间的角度，只需利用统计好的数据控制起重机便可，这种系统输入直接控制输出，装置较为简单，成本低，具有良好的稳定效果。闭环控制系统是由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统，又称反馈控制系统，相比开环控制系统工作程序要复杂一些，施工人员要测量摆角，虽然准确率高，但是控制操作复杂，投入成本较高。因此桥式起重机多采用开环控制系统，只要设置精准的数据，接下来的工作便能够高效地将数据传输给变频器，提高防摆效果。

一般来说，在行车加减速的过程中，由于行车速度总是优先于吊物运动速度，行车与吊物之间形成夹角，在重力作用下形成摆动现象。电气控制摇摆的方法就是利用这个原理，先统计小车与吊物之间夹角角度，通过测量工具计算钢绳长度，然后通过计算摆动周期等使小车在特定距离减速行驶。通过反复快速调整小车运动速度，平衡行车与吊物的速度，使吊物绳索的中心与荷载物中心位置在一条直线上，消除之间的夹角产生，便可有效消除偏摆问题，使吊物平稳快速运行。

3.3 电气防摇技术的现状和发展

目前我国电气防摇技术已经利用模糊控制、神经网络控制等技术，当模糊控制应用于起重机实际工作时需要根据实际经验建立一个规则库，在小车运动时增加稳定性、精确性。模糊神经控制系统是利用神经网络不断学习优化模糊控制规则和相应的隶属度函数，将专业知识分散到各个神经网络中，这种模糊系统提高了自主学习能力、优化能力，大大提高了控制系统的效率。但是这项技术我国相关研究人员仍需要依靠大量数据和理论模型来实现，工作人员应不断吸取经验，不断带动我国这项技术发展，造福于社会。

4 消摆控制策略

从21 世纪初起人们对各种起重机的动力学特性和消摆控制进行了深入研究，分别提出了模糊逻辑控制、增益调节控制等策略，开发出适应的控制器，有效解决了吊物摆动问题。通过研究起重机的吊物动力学特性发现运动规律，经过计算检验，吊物摆动具有周期性，通过控制小车加速度便能有效控制摆动幅度。该系统只需要设置开环控制系统就可以满足需要，但是控制器是通过给定信号进行下一步工作，这需要操作人员发送操作信号给出位置坐标，再根据系统控制小车加速度并控制驱动小车运动进行工作。此外，为抑制起重机负载摆动，提出了一种新型的位置补偿消摆控制策略。这种方法是通过起升机构和小车同时做加减速、匀速运动，使这种运动系统成为变阻尼、变频率的二小阻尼振动系统，依据摆角合理计算载荷与小车之间的位置偏差，设计控制策略。阻尼控制在合理范围内，达到抑制摆动的目的。该方法在控制过程中不需要测量角速度推算，只需要测量载物摆动角度，这个位置补偿消摆控制在工作中易于实现，且不受噪声影响。

5 结束语

我国起重机的智能防摆技术研究仍需要不断与时俱进，本文主要通过分析桥式起重器吊物摆动现象的原因，基于遗传算法的起重机模糊控制，提出可行性的桥式起重机智能防摆控制技术。如交叉钢丝绳防摆、加大小车处钢绳的出绳角度、跷板式防摇摆、电气防摇摆措施。经过不断在MATLAB 仿真环境Similink 中对传统控系统与模糊控制系统进行仿真测试。最终发现模糊系统具有较强的自适应和自学习能力，将模糊算法与模糊防摆控制相结合的系统可以大大提高系统的控制性能，发挥了遗传算法的现有能力，操作简单，改善了系统控制性能，能够有效消除吊物摆动现象。