摘要：吊车作为一种运输工具广泛应用于各种工业场合。但由于吊车自身结构的原因，负载在吊运过程中不可避免的会产生摆动，不仅降低了吊车的运行效率而且容易引起安全事故。吊车是一种运载工具，它广泛地应用于工厂车间、建筑工地、装卸货物等场合。吊车的快速、准确定位与防摆，对人们的工作效率以及人身安全具有重要意义。因此，如何快速消除吊运过程中的摆动，长期以来是国内外控制领域研究的典型问题。
关键词：吊车；防摆；控制
一、引言
在实际应用中，吊车使用范围最广、数量最多，它一般横架于车间上空，两端坐落在高大的水泥柱或金属支架上，因形似桥状而得名。为使吊车结构轻便，负载位置高低可控，一般采用吊绳（如钢索）等柔性来搭载重物，但因此也引入了非线性因素，使得吊车系统输入输出不能满足叠加原理，增加了控制难度。台车在运动过程中，负载会跟随台车的运动而发生晃动，可能造成碰撞，引发安全事故，同时，由于控制过程中存在轨道摩擦力、风力、空气阻力等因素造成的扰动，加之吊车绳长变化与负载质量变化产生的影响都大大增加了控制的难度。
目前，工业现场的吊车系统通常需要由专业的操作员进行操作，他们能够通过目测对台车的位置与负载摆角的大小进行估计，然后实时调整操作方式从而达到快速将负载运送到目标位置且抑制负载摆动的目的。但是，吊车操作人员一般要求具有丰富的经验，且该工作需要操作人员长时间进行单一重复劳动，易疲劳，因此，因操作不当造成的安全事故仍时有发生。这不仅影响了生产过程中人的解放，阻碍了生产效率的提高，同时，对生产安全也产生了威胁。在一些危险场合中，如核工业等，人的参与和安全更是受到了巨大的限制，因此针对吊车系统设计一种稳定高效的控制器，实现吊车系统的自动控制对工业生产等具有深远意义。
二、吊车防摆问题
吊车，又名起重机，随着工业生产规模的扩大和自动化水平的提高，它越来越多地应用在工矿企业、安装工地、货场码头以及仓库的装卸和运输作业中。根据吊车结构形式的不同，它又可以分为桥式吊车、塔式吊车和挺杆式吊车等。吊车在给人们带来方便的同时也存在着自身的不足，阻碍生产效率的进一步提高。由于起吊重物的惯性和风力等外界扰动的影响，吊车在运送重物的过程中不可避免地会出现重物摇摆现象，这种摇摆不仅会影响生产效率，还给吊车机械机构带来不利（如增大吊车机械本体的疲劳度，使吊车系统提前报废），更严重的是给工业生产带来很大危害。例如，在冶金浇铸车间吊送金属熔液时，吊运过程中的摆动会导致金属液洒落，从而威胁到操作工人的安全。因此，如何能在准确定位的同时，消除吊运过程中的重物摆动，提高生产效率和降低操作工人劳动强度是吊车防摆控制研究的目的，此问题的解决及成果的广泛应用将对提高生产效率和安全生产有重大意义。
吊车防摆控制技术的研究不仅具有很大的现实应用价值，还具有一定的拓展应用价值。从吊车工作原理可知，各种吊车都是利用连在活动架上的缆绳提升和移动重物的机械装置，即都属于柔性系统，因此，吊车防摆系统的研究成果对于柔性系统的控制具有一定的适用性。在战争、救援等紧急事件中，广泛使用直升机吊运物资，但是由于直升机也采用柔性的绳索吊运重物，在吊运的过程中不可避免会产生重物的摆动。为了安全，直升机需要在摆动消除后才能下放重物，这将降低效率，浪费了宝贵的工作时间。研究吊车、直升机等一类运用柔性绳索吊运重物时如何消除摆动的问题，将对工业、国防等领域具有深远的意义。
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三、吊车防摆控制技术设计
1.机械系统实现
吊车防摆实验装置由机械系统及电控系统组成。机械部分外形主要由行走小车、横梁、立柱、底座等组成，是实际吊车的等比例缩小模型，用以模拟吊车运行中的各种状态。
（1）行走与提升机构设计
小车内部具有行走机构和提升机构，分别使得小车吊运重物在横梁方向上进行水平运动和在竖直方向上进行升降运动，可实现重物在二维平面内运输。小车的行走机构采用悬臂轴支撑、二级开式齿轮传动、伺服电机驱动的方式，二级齿轮传动的减速比i = 4。伺服电机的额定参数如下：松下MINAS A 系列的MSMA 小惯量交流伺服电机，额定功率200W，额定转矩0.64Nm，额定转速3000r/min。
小车的提升机构由提升电机、单级齿轮减速器、卷筒、钢丝绳组成，电机驱动一级减速机构，带动卷筒提升或下放钢丝绳，实现重物在竖直方向上的运动控制。这里，提升电机采用四通两相混合式步进电机，其保持转矩为7.5N·m，考虑到步进电机的矩频特性，给定脉冲的最大频率为1kHz。单级齿轮传动减速比i = 2，卷筒直径为0.05m。
（2）检测与限位保护机构设计
为了测量小车运行时的状态变化，系统安装有多个传感器。传感器可分为两类：一类是测量装置，它包括重物摆角测量装置和小车位移检测装置；另一类是限位保护装置，包括上限位传感器和左、右限位传感器，当系统运动行程过限时提供报警信号。
2.电控系统组成
（1）交流伺服驱动
该电机的部分技术指标为：额定功率 200W，额定转矩0.64Nm，额定转速3000r/min，额定电压200V，带2500P/r 增量式旋转编码器。MINAS A 系列交流伺服电机及驱动器（型号为MSDA023A1A）是一种功能强大、技术先进的伺服驱动系统，它具有全闭环控制功能，配有多种精度的编码器可供选用，可以选择脉冲量进行位置控制、模拟量进行速度控制与转矩控制等6 种控制方式，具有完善的过压、过载、过电流保护功能，是一个开放式的交流伺服电机系统，人们可以根据实际需要，调整电机参数，从而达到满意的使用效果。
（2）步进电机驱动
在吊车的提升/下放装置中，希望在提升重物的过程中可以同时对绳长有记忆功能，由于步进电机是通过对其发送脉冲进行工作的，这样通过对所发脉冲个数的计算就可以得到绳长变化值。这里采用四通公司的两相混合式步进电机(型号为86BYG250C)及其驱动器(型号为SH-20806C)实现重物在竖直平面内的驱动控制。
2．基于工业计算机的控制平台
吊车防摆系统以工业计算机为控制核心，它最突出的特点是具备高性能的运算能力和存储容量，有大量的应用软件可以使用，适用于复杂应用和大量数据处理。通过在工业计算机内安装数据采集卡和图像采集卡等，就可对吊车系统的运动参数进行采集，并且产生伺服电机与步进电机的控制信号。
3.控制算法的实现
在吊车系统各状态变量信号采集的基础上，这一部分将介绍整个吊车定位防摆控制的实现过程。在吊车定位防摆控制系统中，小车水平位移由伺服电机进行闭环控制，垂直方向绳长由步进电机进行开环控制，绳长受一定频率的方波脉冲控制进行匀速变化。
系统开始运行后，设定位置和绳长的期望值，通过期望位置和当前位置、期望绳长和当前绳长的比较，计算出所需改变的位置和绳长，并确定位置变化和绳长变化的方向，对小车水平方向和垂直方向的运动同时开始控制。水平方向上利用采集的状态变量信号，并根据所提出的逆系统非线性控制方法计算出控制伺服电机的实时电压值；垂直方向上向步进电机提供一定频率固定数量的脉冲，控制重物匀速的提升或下放。小车位移采用闭环控制方式，当小车实际位置与期望位置距离不超过0.01m 时，令伺服电机零速嵌位，小车水平方向定位结束；垂直方向绳长采用开环控制方式，当所计算出的脉冲数目发送完毕之后，绳长定位结束。
参考文献：
[1]梁 春 燕 , 贾青. 提升起重机的时滞滤波消摆控制[J]. 应用科学学报.2001,19(2):157-160
[2]刘殿通, 易建强, 谭民. 一类非线性系统的自适应滑模模糊控制[J]. 自动化学报. 004,30(1):143-150
论文作者:郭晋
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/21
标签：吊车论文; 重物论文; 系统论文; 小车论文; 过程中论文; 脉冲论文; 位置论文; 《防护工程》2018年第27期论文;