桥式起重机防摇定位控制系统的设计与应用研究

肖德钟

（江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院赣州检测分院， 江西 赣州 341000）

0 引言

桥式起重机是货物搬运过程中最重要的现代化工具之一，对降低工作人员劳动强度，提高货物运输效率发挥着重要的作用。在桥式起重机的实际使用当中，由于环境因素和货物自身的运动惯性，吊运时负载吊重会出现摇摆情况，不仅增大了作业难度，而且会降低作业效率，存在安全隐患[1]。因此，设计一套防摇定位控制系统，降低桥式起重机负载吊重的摆动幅度和摆动频率，确保货物搬运安全。

1 桥式起重机防摇定位控制系统设计

1.1 控制系统整体架构设计

桥式起重机在运行过程中，吊重与钢缆之间为柔性连接，运行过程中受到外部因素和吊重自身运动惯性影响，会发生振荡摇摆现象[2]。想要降低摇摆幅度，可通过降低启动加速度或提前减速的方式将吊重的摆角保持在可控范围内。因此，可以从启动和停止两方面入手，进行防摇定位控制系统设计。

1.2 输入整形控制器设计

本文选用零振荡及零导数法进行整形控制器设计，此设计方式鲁棒性较好。在设计中，将起重机提升吊重至设定高度时定义为零时刻，整形器中赋予两个脉冲。在启动时，起重机由静止开始运动，此时吊重也在向着一个方向移动，可将其视为正向加速度脉冲，脉冲幅值为“1”。在半个系统振动周期时，再向小车输入幅值的脉冲（T为系统振动周期，a为小车加速度），这两个脉冲幅度叠加后吊重的摆角在T/2 时，返回为0。在终止定位阶段，起重机驱动小车在即将到达指定位置后，系统根据运行距离计算出减速阶段所应用的时间周期（Tj）。在终止定位阶段初始时，输入整形控制器向小车输入脉冲幅值为“1”的反向加速度脉冲，在半个系统振动周期时，再向小车输入幅值为的脉冲。此时，两个脉冲幅度叠加后，吊重的摆角在T/2 时，返回为0。匀速阶段指的是起重机驱动小车在T/2 时刻后，在减速时刻前的状态，此时小车的速度可以表示为

1.3 模糊控制结构设计

根据起重机工况分析，模糊控制器的设计可通过控制小车运行位置、运行速度、吊重摆角以及角速度等变量进行控制。本文通过简化设计，将这四个变量分为两个部分，分别为小车运动位移模糊控制器、防摇模糊控制器。

小车运动位移模糊控制器（TFLC）的设计是在控制器当中将小车的位移和速度作为基础值，将其与期望值进行对比，计算出误差值，并将误差值输入到预先设定好的软件程序当中进行模糊计算，由控制器输出小车的驱动力F1。防摇摆模糊控制器（ASFLC）设计是在控制器当中将吊重的摆角和角速度作为基础值，将其与摆角和角速度的期望值进行对比，计算出误差，并将误差输入到程序系统当中进行模糊计算，进而由控制器给出小车的驱动力F2。小车在驱动力F1和F2的共同作用下，形成实际运行驱动力F。

2 桥式起重机防摇定位系统试验

为了验证桥式起重机防摇定位控制系统的可行性，本次选用伺服电机系统、滑台和运动控制卡等硬件组成系统试验台，模拟起重机的运行状态。在试验过程中利用LabVIEW 设计控制程序。

2.1 试验平台设计

2.1.1 硬件部分

试验平台包含运动控制卡、同步带滑台、工控机、伺服电机系统、姿态检测模块和电源。其中，型号为MPC08D 的运动控制卡，能够设置梯形升高降速曲线，并配备有工控机驱动程序，可以满足试验模拟要求。伺服电机系统选用60EBP115ALC 伺服电机（时代超群），驱动器型号选用时代超群860 系列。同步滑台尺寸为45 mm×45 mm，滑台一端预留有同步带驱动轴，用于伺服电机连接。

2.1.2 试验方法

在试验平台搭建完成后，利用LabVIEW 编写控制程序，并将其输入至控制器当中。模糊控制器根据模糊规则进行合理决策，计算出输出值。在试验中，首先将吊重向导轨反向进行移动，使吊重具有初始摆角（＜10°）。然后，由模糊控制程序对滑台进行自主控制，并由吊重自由摇摆，记录吊重摇摆情况。

2.2 桥式起重机防摇定位系统试验结果分析

试验条件：滑台最大速度控制为0.1 m/s，吊重初始摆角设置为6°，滑台运行位移共800 mm。试验结果如图1、图2 所示。

图1 滑台位移曲线

图2 滑台吊重摆角曲线

由图1、图2 可知，在11 s 左右滑台达到指定位置，但由于吊重摆角依旧存在，在ASFLC 的作用下滑台向两侧移动调整。在18 s 左右，吊重摆角消失，滑台接近目标距离。经过测量发现，滑台停止距离为787.86 mm，误差为12.14 mm，误差率1.52%，此时吊重摆幅1.06°，定位精度与吊重摆幅符合设计和应用要求。

为了验证初始摆角对防摇定位控制系统影响的研究，本次试验在改变初始摆角的情况下进行了多次试验，试验结果如表1 所示。

表1 不同初始摆角下防摇定位控制系统试验结果

桥式起重机防摇定位控制系统的防摇定位时间与吊重初始摆角呈正相关，初始摆角越大，该系统在防摇和定位过程中所耗费的时间越长，并且稳定后吊重摆幅也越大。因此，在该系统运行之前，抑制吊重初始摆角，能够提高桥式起重机运行效率。

3 桥式起重机防摇定位控制系统应用经济性分析

某公司包装车间1 号桥式起重机主要用于货物搬运，该起重机起重量为10 t，操作方式为人工操控。该公司在2022 年8 月3—15 日对控制系统进行了自动化改造，将防摇定位控制系统应用其中。经过3 个月的应用发现，使用防摇定位控制系统后，有效缩短了吊运定位时间，搬运效率得到进一步提升，具体结果如表2 所示。

表2 桥式起重机防摇定位系统应用前后效果

由表2 可知，在某公司应用桥式起重机防摇定位系统后，每次吊装用时缩短4.3 min，吊卸用时缩短2.2 min，极大地提高了货物搬运效率。相比较改造前，每月吊装量增长453.79 t，每日吊卸量增长414.07 t，吊装量与吊卸量呈线性关系。除去成本，每多吊装1 t货物，能够为企业带来769.8 元收益。在改造完成后，每月企业能够增长效益为453.79 t×769.8 元/t≈35 万元。从人工成本方面来看，工作人数由7 人降至3 人，按平均每人每月薪酬＋保险金额为7 835 元计，人工成本能够降低7 835 元/人×4 人=31 340 元。某公司在应用桥式起重机防摇定位控制系统后，每月可获益38 万元。

4 结论

1）确定桥式起重机防摇定位控制系统架构，对输入整形控制器和模糊控制结构进行设计。

2）对桥式起重机防摇定位系统进行试验验证，结果表明，应用系统后滑台停止误差率为1.52%，吊重摆幅1.06°，符合设计要求，证实该系统能够有效缩短定位时间，抑制吊重摇摆。

3）将桥式起重机防摇定位控制应用于某公司1号桥式起重机，经过3 个月的应用，平均每月吊装量能够提高453.79 t，从整体来看，每月能够为该公司创造38 万元收益。