其于能量强耦合的建筑起重机开环消摆控制

吴红梅，彭 磊，郭 林

（中国建筑第二工程局有限公司，广东 深圳 518000）

起重机是一种可以实现在一定范围内，对重物进行垂直、水平提升的大型机械设备，现阶段，起重机已被广泛应用到工业、建筑等工程领域内。在对起重机作业性能的研究中发现，其运行支撑系统的独立控制变量个数小于系统自由度个数的一类非线性系统，简单地说就是输入比要控制的量少的系统。在长期、高压作业条件下，欠驱动系统运行会导致起重机开环出现摇摆，需要消除起重机开环出现摇摆而造成的载荷，简称开环消摆。此种现象不仅会对设备作业的精度造成影响，还会在一定程度上降低起重机的作业效率，从而对房建工程项目的施工造成较高安全隐患[1]。因此，本文将参照传统控制方案，基于能量强耦合角度，设计一种针对房建施工现场起重机的开环消摆控制方法，提高起重机的作业效率与综合作业水平。

1 建立房建施工现场起重机动力学模型

为实现对房建施工现场起重机开环摆动的有效控制，建立如图1 所示的房建施工现场起重机动力学模型[2]。

图1 房建施工现场起重机动力学模型

在图1 所示内容的基础上，引进Euler-Lagrange 方程，建立房建施工现场起重机作业过程中的动力学函数，函数表达式如下[3]

式（1）中：F表示房建施工现场起重机作业中的提升力；M表示房建施工现场起重机重量；m表示提升重物负载质量；x表示提升过程中的起重机位移；l表示起重机吊绳长度；θ表示起重机负载过程中的摆动角度。按照上述方式，完成房建施工现场起重机动力学模型的构建。

2 起重机开环载荷摆角消除处理

在上述设计内容的基础上，引进能量强耦合理念，设计起重机开环载荷摆角的消除处理[4]。在此过程中，考虑到起重机的运行会受到多种因素的影响，因此，可按照式（2）计算在多种作用力与作业场耦合条件下的起重机作业扰动作用力。

式中：f表示多种作用力与作业场耦合条件下的起重机作业扰动作用力；m1表示作业场对起重机提升重物质量造成的影响；h表示提升高度；m2表示多种耦合因素造成的起重机提升重物质量变化质量；C表示起重机摩擦角度；α表示起重机吊抓过程中的横向摆动最大角度[5]。完成计算后，参照上述计算结果，建立房建施工现场起重机作业过程中的强耦合矩阵，矩阵表达式如下。

式中：V表示房建施工现场起重机作业过程中的强耦合矩阵。定义V为惯性矩阵，即正向矩阵，以此为依据，建立起重机在作业现场的斜对称矩阵，计算公式如下。

式中：K表示起重机在作业现场的斜对称矩阵；ξ表示摩擦力矢量；ξ.表示摩擦力矢量均值[6]。在此基础上，设定起重机复杂状态下摆动角度有效控制范围为±π/2，则可以通过下述公式，进行起重机开环载荷摆角消除处理。

按照上述方式，完成基于能量强耦合的起重机开环载荷摆角消除处理。

3 设计开环最优消摆控制

在上述提出内容的基础上，通过设计开环最优消摆控制，进行消摆控制方法的设计。此过程如图2 所示，其中s表示起重机摆动规律。

图2 开环最优消摆控制模式

控制过程中，根据起重机的初始化运行状态，在前端输入启动参数。此时，控制器启动，由调节器进行起重机作业过程中开环摆动角度计算，计算的结果将通过变频调速器主动调节，利用估算的起重机角速度与摆动角，驱动起重机的控制，以此种方式，实现房建施工现场起重机开环消摆控制方法的设计。

4 对比实验

基于能量强耦合角度，设计一种针对房建施工现场起重机的开环消摆控制方法，下述将通过设计对比实验的方式[7]，对该方法的实际应用效果展开测试。

将房建施工现场起重机作业条件与技术参数录入计算机，在Simulink/MatLAB 环境中，建立起重机结构模型，为确保建立的起重机结构模型可以实现对其运行状态的精准描述，设计起重机初始化状态的作业参数。

在使用本文设计的方法进行房建施工现场起重机开环消摆控制时，需要基于能量强耦合角度，进行起重机开环载荷摆角的消除处理，通过设计开环最优消摆控制，实现对摆动的有效控制。在上述内容的基础上，引进基于联合仿真技术的消摆控制方法、基于自抗扰理论的消摆控制方法，将提出的两种方法作为传统方法1 与传统方法2，使用3 种方法，进行房建施工现场起重机的开环消摆控制。

控制过程中，驱动MatLAB 软件中的程序，设定起重机在初始化状态下的提升高度为10m，记录3 种方法控制后，起重机提升时间、位移的变化情况，其结果如图3 所示。

图3 起重机提升时间-位移变化

从图3 中所示的结果中可以看出，本文方法控制后，起重机在10s 时，将重物提升至10m，且提升后重物高度稳定在10m 位置未发生变化，由此可见，本文方法对起重机提升作业的控制效果良好。传统方法1 在第10s 时，将重物提升至10m，但10～20s 范围内，起重机提升货物的高度未稳定，说明控制效果不佳。传统方法2 未能按照预设标准，将起重机提升至10m。

在上述设计内容的基础上，将起重机提升重物过程中开环摆动角度作为评价本文方法实际应用效果的关键指标[8]。其结果如图4 所示。

图4 起重机提升重物过程中的开环摆动角度变化

从图4 所示的实验结果中可以看出，使用本文方法进行起重机提升重物过程中开环摆动的控制，13s 开环摆动角度达到零，且控制过程中，最大开环摆动角度为5°。使用传统方法1 进行起重机提升重物过程中开环摆动的控制，20s 开环摆动角度达到零，且控制过程中，最大开环摆动角度为10°。传统方法2 未能按照预设标准，控制起重机提升重物过程中开环摆动角度达到零。

图4 得到的实验结果为起重机初始化状态时，提升重物过程中开环摆动角度变化。为掌握在实际作业过程中本方法对起重机开环消摆的控制效果，设计起重机的初始化状态为摆动状态，对摆动状态下的起重机开环进行消摆控制，控制效果如图5 与图6 所示。

图5 初始负载摆角为5°时的消摆控制结果

图6 初始负载摆角为10°时的消摆控制结果

从实验结果中可以看出，当房建施工现场起重机初始负载摆角为5°、10°时，使用本文方法进行起重机提升重物过程中开环摆动的控制[9]，10s 开环摆动角度达到零。使用传统方法1 进行起重机提升重物过程中开环摆动的控制，22s 开环摆动角度达到零。传统方法2 未能按照预设标准，控制起重机提升重物过程中开环摆动角度达到零。

综合上述实验结果可知，相比传统的控制方法，本文设计的方法可以实现在更短时间内，将房建施工现场起重机开环摆动角度控制为零，且控制效果良好。

5 结语

为发挥起重机在房建施工现场更高的价值与经济效益，施工方提出了多种可用于控制起重机开环摆动的技术方案，并明确了此项工作对于施工现场起吊作业规范化实施的重要性。尽管现有的技术在应用中可以在一定程度上控制开环摆动，但根据施工现场大量的实践反馈可知，现行控制方法仍无法达到预期。为解决此方面问题，本文基于能量强耦合角度，通过建立房建施工现场起重机动力学模型、起重机开环载荷摆角消除处理、设计开环最优消摆控制，完成了此次设计，设计后通过对比实验证明：本文方法可以实现在更短时间内，将房建施工现场起重机开环摆动角度控制为零，通过此种方式，解决由于开环摆动造成的现场起重机异常作业问题。