桥式起重机防摇系统控制参数理论分析及实验研究

ANALYSIS RESEARCH 分析研究分析其应力及变形的变化与原因，并有针对性地提出了优化方案，使结构更加稳定、可靠，得出结论如下：1)对于卸料装置的主体结构，最大应力位置往往是由于上侧滚筒传递的胶带最大张力引起的，主腹杆为方形结构伸出上层平台的形式，稳定性较差，容易发生扭转，产生最大应力点，可适当加强该部分结构。

2) 悬臂结构的尾部位置变形较大，易产生最大变形量，应多加注意并适当进行结构的处理。

3) 对卸料装置的主体结构进行了优化设计，使结构最大应力降低21.03%，结构最大变形量降低21.39%，有效提高了结构的稳定性和可靠性。

参考文献[1] 陈文琛，宋远卓，金龙，等.基于ANSYS和iSIGHT的伸缩布料机多目标优化设计[J].水力发电，2014（3）： 43-46.[2] GB 50007-2003 钢结构设计规范[S]北京:中国建筑工业出版社，2003.[3] 王浩，刘红卫，程佳.门式刮板取料机门架结构有限元分析[J]. 工艺与装备，2016（4）：83，84.作者：冯松涛电子邮箱：nhi_feng@收稿日期：2017-03-15桥式起重机防摇系统控制参数理论分析及实验研究赵 炯 唐超隽 周奇才 熊肖磊 王 璐同济大学 上海 201804摘 要：提出一组起重机吊钩防摇效果界定指标，分析一种应用于桥式起重机的防摇系统主导控制参数对防摇效果的影响及其设计方法，归纳了该防摇控制方法涉及的核心主导参数，并从理论上分析了各参数的确定方法和取值范围。

最后在桥式起重机样机上进行实验，结合文中提出的防摇效果界定指标，定量地描述了各参数的取值对防摇效果的影响。

实验结果与理论分析结论基本一致，验证了控制参数理论设计方法的正确性。

Abstract: The paper proposes a set of indicators of anti-swing effect for crane hook, analyzes the influence of dominant control parameters of the anti-swing system for bridge crane use on the anti-swing effect and its design method, sums up the core dominant parameters related to the anti-swing control method, and analyzes theoretically the method of determining parameters and value range. The final part is experiment on the prototype bridge crane and quantitative description of the influence of parameter value on anti-swing effect on the basis of the said indicators of anti-swing effect. The experimental results are in good agreement with the conclusions from theoretical analysis, thus proving that the theoretical design method of control parameters is correct.关键词：桥式起重机；防摇效果界定指标；定速防摇；控制参数分析；主导参数取值Keywords: bridge crane; indicator of anti-swing effect; constant speed anti-swing; control parameter analysis; dominant parameter value中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2017）11-0114-060 引言桥式起重机（以下简称桥机）是现代化工业生产和起重运输中实现生产过程机械化、自动化的重要工具和设备，广泛应用于室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等部门和场所。

桥机的大、小车高速运行时会导致吊钩及吊重产生较大摇晃，造成安全隐患，且难以对货物精确定位，进而影响作业效率。

因此，通过一定手段抑制吊钩在大、小车运动中的摆动十分有ANALYSIS RESEARCH分析研究必要。

现有的桥机防摇控制策略大多基于定位控制[1-3]，并不适用于人工操作模式。

同济大学及北京起重运输机械设计研究院的学者提出了一种适用于人工操作的桥机的定速防摇控制方法，并进行了仿真及模型试验[4，5]。

但所涉及的防摇控制方法中对控制性能起主导作用的配置参数并未给出确定方法，且在实际应用中，由于受诸多现实条件限制（如变频器有一定的频率变化率上限、单向操作运行机构运行时不应出现反向调速等），为了获取更好的系统性能，应讨论更合理的参数设计方法，分析主导参数对防摇效果的影响。

事实上，目前业内缺少公认的防摇效果界定标准，难以对不同控制策略防摇效果进行定量描述和对比。

因此，本文首先提出了起重机吊钩防摇效果界定指标，以便于定量描述和对比防摇控制效果。

随后，针对文献［5］提出的一种定速防摇控制方法及系统，归纳了控制系统的核心主导参数，从理论上讨论了它们对防摇效果的影响作用，并总结了主导参数确定方法。

最后在样机上进行实验，基于提出的防摇效果界定指标量化了各主导参数对实际防摇效果的影响，得出相应的结论。

1 防摇控制效果界定指标由于文中所述为适用于人工操作的桥机防摇控制系统的主导参数设计方法，故只针对人工操作模式下提出桥机防摇控制效果界定指标。

在起重运输领域，往往期望在货物运行过程中及最终定位时都能够实现良好的防摇效果，以保证作业安全并提高工作效率。

此外，引入防摇控制后，起重机应保持原有性能，不应在运行过程中产生较大的冲击、振动及噪声等。

综合上述要求，防摇控制方法及系统的防摇效果可以通过三方面描述：有效性、快速性及平稳性。

1.1 防摇控制效果测试实验要求研究表明[6]，起重机吊钩及载荷产生的摆动大小主要与起重机本身的运行速度和加速度、起升高度等因素有关。

一般而言，不同起重机的运行机构最高速度、常用的工作起升高度都不同。

为了使防摇效果指标更通用、更具一般性，进行防摇效果测试实验时满足以下要求：1）实验时应保证吊钩及吊重重心至悬挂点距离为l ＝10 m左右；2）大、小车应以最高速度起停。

1.2 防摇控制策略有效性指标一般通过引入防摇控制实现吊钩减摆的目的在于提高作业安全性以及实现快速对位。

防摇控制的有效性可以用运行中及制动后的吊钩最大摆角体现。

考虑到现场难以检测吊钩实际摆角，可检测对应摆幅代替。

定义有效性指标E用来综合描述起重机运行过程中及到位停止后的防摇效果，即1122e a e aEd+=（1）式中：e1a1/d、e2a2/d为运行阶段及停止后的防摇效果；e1、e2为权值，用以表示对运行过程及停止后的防摇效果的重视程度，取值为[0，1]，且e1+e2＝1，若只关注货物到位停止后的防摇效果而不在意运行过程中的摆幅，则可取e1＝0，e2＝1；a1和a2分别为运行中及制动后的载荷最大摆幅，在实验中用以一定的方法测量，d为极限可接受偏摆幅度，用以将E转化为无量纲量。

l＝10 m时一般可取d＝100 mm，E≤1时，可认为控制策略防摇效果达标，E越小则防摇直观效果越显著。

1.3 防摇控制策略快速性指标防摇控制的引入必然导致运行机构运行时间延长。

加入防摇控制后对原先控制的延时越短，防摇控制策略的快速性越好。

可用引入防摇控制后的延时百分比表征防摇控制策略的快速性。

定义快速性指标R用来描述起重机引入防摇控制后的快速性，即s nnt tRt−=（2）式中：t n为不采用防摇控制，大、小车最快加速到最大速度耗时；t s为采用防摇控制，大、小车最快加速到最大速度耗时。

快速性指标R达标标准在不同应用场合下不同。

一般可允许引入防摇控制后延时50%，即R≤0.5时控制策略快速性达标，R越小则防摇控制越迅速。

1.4 防摇控制策略平稳性指标防摇控制的引入可能会导致运行机构速度和加速度脉动变化，产生机械冲击和噪声，严重影响机械设备性能，司机室内的操作员的体感也会大打折扣。

一方面，ANALYSIS RESEARCH分析研究运行机构的最大加速度与机械冲击有直接联系；另一方面，速度变化曲线相邻波峰波谷相差量产生的不和谐振动会影响机械设备寿命及操作员体感，后者可用速度最大超调量表征。

定义平稳性指标S 用来描述起重机引入防摇控制后的平稳性，即1p 011SM .αα+ （3）式中：α0、α1为无、有防摇控制情况下起重机运行过程中的最大加速度；M p 为运行机构速度最大超调。

一般允许α1≤1.1α0，M p ≤0.2，即S ≤1.2时控制策略平稳性达标，则R 越小运行机构运行越平稳，防摇控制的引入对机械设备造成的负面影响越小。

2 控制参数分析及其确定方法2.1 控制系统主导参数归纳文献5利用极点配置法设计状态反馈实现运行机构速度及吊钩摆角闭环控制，状态反馈矩阵K 由式（4）确定，即()()()()123s s s s µµµ−=−−−-I A BK （4）式中：I 为三阶单位矩阵；矩阵A 、B 分别为加入积分环节后的系统矩阵和输入矩阵；μ1、μ2、μ3为三阶系统闭环期望极点。

可将三阶系统视作1个二阶系统和1个一阶系统串联组成，并假设分别对应的极点为μ1、μ2、μ3，且12n µζωω=−±, （5）3n n µζω=− （6）式中：j 为虚数符号，ωn 、ζ为期望极点的无阻尼自然频率和阻尼比，n 为第三极点实部与共轭极点实部比值，简称为三极点实部倍数。

可见，就防摇控制策略设计角度而言，与定速防摇控制目标相关、主导系统控制性能的参数为闭环系统期望极点的无阻尼自然频率ωn 、阻尼比ζ、三极点实部倍数n 。

2.2 主导参数对防摇控制效果的影响及其确定方法一般进行极点配置时，系统的极点μ3配置在s 平面左半平面离二阶系统一对共轭极点较远的实轴上（n ≥5），则一阶系统的延时作用很小，可以忽略，二阶系统的2个极点μ1、μ2为闭环主导极点，对系统的瞬态响应特征起主导作用，即运行机构速度和吊钩防摇控制效果主要取决于期望极点的无阻尼自然频率和阻尼比。

而在实际应用中，变频器最高频率、频率加速时间都有一定限制。