塔式起重机自动化配重控制及平衡动态特性分析研究*

王海舰，袁嘉惠，卢士林，齐子昂，申艳珍，谢 飞，刘 林

(1.桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004；2.沈阳特种设备检测研究院，辽宁 沈阳 110035)

0 引 言

塔式起重机是大型的垂直吊装起重运输机械设备，具有塔身高、有效起吊高度大、作业范围广等优点，已经广泛应用于现代建筑施工行业中[1，2]。

传统的塔式起重机都是采用一次性配重原理，即起吊前，起吊端处于空载状态，配重端的力矩远远大于起吊端；而当起吊端吊起的重物重量较大时，起吊端的力矩又大于配重端的力矩，导致塔机长期处于力矩不平衡的状态下，容易发生塔身翻侧、折断和塔机两臂折断等事故，严重威胁塔机操作人员的人身安全；同时，塔机倒塌还会对周边的建筑、设施造成严重损害[3，4]。

因此，如何实现塔式起重机两端的力矩平衡，降低塔身的不平衡负载，是保证塔式起重机长期安全稳定运行亟待解决的问题。

对于塔式起重机的平衡控制问题，田立勇等人[5]采用了无线电技术，利用无线遥控发射和接收芯片组与微计算机接口，完成了塔式起重机的无线遥控；孙辉等人[6]基于塔式起重机在工作工程中的负载摆动现象，分析了塔式起重机的动力学模型，利用RBF神经网络输出逼近系统的不确定项，提出了一种基于遗传法的塔式起重机神经网络滑模神经防摆控制新方法，该方法可有效地提高塔机系统的控制性能；张楠等[7]利用ANSYS构建了塔式起重机起重臂架装置的最优化数学模型，并通过分析得到了优化模型的最优解，为塔式起重机臂架装置的设计提供了高效、便捷的方案；王玲娟[8]以TC7040型塔式起重机为研究对象，运用有限元软件ABAQUS建立了金属结构模型，分析了塔式起重机在不同风振响应特性的分析，为塔式起重机的设计与使用安全性提供了科学的指导；董明晓等[9]研究了塔式起重机的变幅运动和起升运动对整机结构振动的影响规律，得到了起重臂振动幅值和频率随着变幅增大而减小，振动的幅值和周期随着起重量的增大而增大的结论。

然而目前对于塔式起重机的自动化配重以及平衡动态特性的分析研究相对较少。

本文提出一种基于自动配重的平衡控制方法，通过调节塔式起重机起吊过程中配重块位置，以实现塔式起重机的配重端与起重端的力矩平衡；并对不同工况下系统的动态特性进行分析，验证基于自动配重的平衡控制方法的可行性。

1 塔机自动配重实验平台构建

1.1 塔机自动配重原理分析

传统的塔式起重机由于配重是固定在平衡臂端，在空载情况下，平衡臂端的重量远远大于起重臂端的重量[10，11]。

想要实现塔机处于平衡状态，就要在起吊端起吊适宜的配重实现两端的力矩平衡，即增加吊重M2，使M1L1=M2L2。

塔式起重机力矩平衡状态如图1所示。

图1 塔式起重机力矩平衡状态

当起吊重量增加，M3>M2时，此时起吊端力矩M3L2>M1L1，为了实现两端力矩平衡，在不改变配重质量的情况下，需要将M1左移，实现M1L1′=M3L2。

起吊端质量增加工况如图2所示。

图2 起吊端质量增加工况

当起吊重量不变，而小车向塔帽方向移动，此时起吊端力臂减小，M3>M2时，此时起吊端力矩M1L1′>M3L2′，为了实现两端力矩平衡，需要将M1右移，实现M1L1″=M3L2′。

起吊端力臂减小工况如图3所示。

图3 起吊端力臂减小工况

综上分析可知，通过对配重位置的动态调节，改变配重的力臂，可实现塔式起重机不同工况下的平衡调节，提高塔式起重机运行的安全系数，延长塔式起重机的使用寿命。

1.2 自动配重实验平台

实现塔式起重机两端力矩快速平衡调节的关键是确定两端的力矩偏差和偏差变化率。本文提出一种通过拉压力传感器检测两端平衡偏差的方法，即根据塔式起重机的实际结构特征，等比例构建塔式起重机自动配重实验平台[12-15]。

塔机自动配重实验平台如图4所示。

塔机系统的检测控制模块以AT89C51单片机作为控制核心芯片，外围的扩展电路主要由电机驱动电路、压力传感器信号放大、模数转换电路、液晶屏显示电路和光声报警电路等模块组成。

设备上电后，拉压力传感器感应到塔机吊装重物时产生的压力或拉力，转换成模拟信号输出，即很小的mV电压，将微小的mV信号经过运算放大电路放大到约0～5 V之间，将放大的模拟信号经过A/D转换器转换成数字信号输入到单片机，单片机接收信号后计算两端力矩的偏差和偏差变化率，并将偏差和偏差变化率输入到模糊PID中，进而对电机进行正、反转控制，从而调节配重的位置实现塔机力矩的快速平衡。

2 基于模糊PID的塔机自动化配重控制

塔式起重机的模糊PID平衡控制系统以拉压传感器反馈的电压信号，与输入期望值的偏差e及偏差变化率ec作为输入，系统将量化后的偏差和偏差变化率经过模糊化、模糊推理及解模糊过程，获取PID的比例系数、积分系数和微分系数的最优参数，并代入到下式：

(1)

式中：KP—比例系数；KI—积分系数；KD—微分系数。

通过式(1)输出结果控制驱动电机，可实现对塔式起重机平衡配重的快速调节。

塔式起重机的模糊PID平衡控制系统结构如图5所示。

图5 塔式起重机的模糊PID平衡控制系统结构

本文利用PID参数模糊自整定确定比例系数KP、积分系数KI和微分系数KD与偏差e及偏差变化率ec的模糊关系，并根据模糊控制原理对3个参数不断地进行在线修正，以满足拉压传感器实时反馈的不同的偏差e及偏差变化率ec的要求，确保系统具有良好的动态性能和静态性能。

塔式起重机自动配重系统以拉压传感器检测数据的偏差e以及偏差的变化率ec作为输入，以自适应模糊PID的3个参数KP、KI和KD的值作为输出。

其输入和输出隶属度函数如图6所示。

图6 输入和输出隶属度函数

结合专家经验，根据参数自整定PID模糊控制的规则，笔者构建了塔式起重机模糊PID系统参数KP、KI和KD的模糊规则表，分别如表(1～3)所示。

表1 KP的模糊规则表

表2 KI的模糊规则表

表3 KD的模糊规则表

3 动态平衡实验及结果分析

塔式起重机自动化配重系统需要针对不同运行工况具有良好的普适性，针对起吊重物瞬间、提升过程以及重物摆动等多个工况导致的力矩不平衡均要具有非常好的快速调节能力，且这种动态调节能力需要是动态的、连续的快速响应调节。

为了验证构建的塔式起重机自动化配重系统的动态平衡特性，笔者分别对不同工况进行实验分析。

3.1 起吊瞬间响应分析

塔式起重机提升重物时，提升钢丝绳由非受力状态转变为受力张紧状态，在该过程中，起吊端受力快速增长，在重物离地的瞬间达到峰值；此时，两端力矩严重不平衡，需要系统随着起吊端吊重的变化对配重进行快速调节，以满足塔机两端的力矩平衡。

为了验证笔者所构建的塔式起重机模糊PID调节系统的动态特性，本研究对塔式起重机起吊瞬间的响应特性进行分析。

起吊瞬间响应曲线如图7所示。

图7 起吊瞬间响应曲线

由图7可以看出：给系统输入1个单位阶跃信号，系统响应值快速升高，在0.1 s处达到峰值，超调量不大，并经过短暂振荡后在0.4 s处达到稳态；以上结果表明，系统对偏差的响应较快，能够根据塔机两端力矩的偏差变化进行快速平衡调节，具有良好的动态性能。

3.2 提升过程动态特性分析

塔式起重机在吊重提升过程中，受塔机提升电机机构、小车行走导致的力臂变化以及重物在空中受风等外界因素导致的微小摆动等影响，会导致塔机两端力矩处于不平衡状态，因此，系统需要不断调整配重的位置来平衡两端的力矩，消除力矩偏差。

本文通过实验，测试塔式起重机起升过程中伴随重物微小摆动(摆动倾角小于10°)及小车位移(力臂变化)工况的力矩差值变化情况。

起升过程中力矩差值曲线如图8所示。

图8 起升过程中力矩差值曲线

由图8可以看出：塔机在提升过程中，两端力矩差值振荡幅度较小，最大力矩差值为0.045 N·m；由此可以表明，所设计的模糊PID系统能够对力矩偏差进行快速调节，实现塔机两端的力矩平衡。

3.3 重物摆动工况动态特性分析

塔式起重机吊重过程中，由于小车的变幅运动，重物会发生一定角度的摆动，在此过程中，由于小车处于运动状态，力臂L处于连续动态变化状态；同时，由于质量M处于摆动状态下，其在不同时刻垂直向下的重力分量M′也不断发生变化，同理，M′L也处于连续变化状态。

重物摆动过程中，对力矩平衡将造成比较显著的影响。小车变幅时重物摆动工况如图9所示。

图9 小车变幅时重物摆动工况

本文分别开展3°、6°和10°不同摆角工况下的塔式起重机自动配重控制系统响应实验，以验证自动配重控制系统的动态特性。

不同摆角工况配重力矩平衡曲线如图10所示。

图10 不同摆角工况配重力矩平衡曲线

从图10可以看出：塔式起重机自动配重系统对于小车变幅过程中产生的重物不同摆角，均能够进行快速的平衡调节，最大力矩差值仅为0.039 N·m，表明系统具有非常好的动态性能。

4 结束语

本文提出了一种基于模糊PID的塔式起重机自动配重控制方法，通过分析塔式起重机两端的力矩平衡关系，利用拉压力传感器实现了对两端力矩偏差的精确检测，并利用力矩偏差和偏差变化率实现了对两端力矩平衡的动态调节；利用构建的塔式起重机自动配重实验平台，对起吊瞬间、起升过程以及重物摆动不同工况的力矩平衡进行了实验。

实验结果表明：笔者构建的自动化配重控制系统满足塔式起重机的实际工作需要，具有较高的控制精度和动态特性，为实现塔式起重机的安全稳定运行、延长塔式起重机的使用寿命提供了一种重要的技术手段。