桥式起重机防摇摆控制系统的应用

宗浩;王子庆

【摘 要】通过对起重机电气控制技术的发展和防摇摆技术应用现状的分析,总结起重机运行时吊钩摇摆现象的产生原因,并提出有效的控制措施. 【期刊名称】《现代制造技术与装备》 【年(卷),期】2017(000)007 【总页数】3页(P132-134) 【关键词】起重机;电气控制;防摇摆 【作 者】宗浩;王子庆

【作者单位】山东丰汇设备技术有限公司,济南 250200;山东丰汇设备技术有限公司,济南 250200 【正文语种】中 文

随着全球一体化工业的发展和生产规的扩大，提升和物料搬运系统在工业生产中的作用日趋增强，成为影响生产效率和生产安全的重要因素。桥式起重机是一种重要的物料装卸搬运设备，在工业各领域具有广泛应用。但是，起重机在运行过程中不可避免会产生吊重摇摆。因此，研究控制并消除起重机作业时吊点的摇摆，对提高起重机的作业效率、搬运精度以及消除作业的安全隐患具有重要意义。目前，如科尼集团、卫华集团等行业领先的起重机制造企业已经研发出自己的起重机防摇系统，大大提升了产品性能。

起重机工作时的摇摆主要由柔性钢丝绳产生。起重机在加、减速运行过程中，由于

惯性力作用，吊物动作总是落后于起重机行走机构，致使其在吊物和钢丝绳出绳点形成一定角度，进而在重力作用下会以钢丝绳出绳点为吊点、以钢丝绳长度为半径来回摇摆，即出现钟摆现象，如图1所示。

起重载荷的摇摆可以近似看作单摆现象。由单摆周期公式T=2π/g可以看出，吊物摆动的周期和重物的质量无关，只跟摆绳的长度有关。绳长越长，摆动周期越大。 机构部分和电气部分为起重机运行的驱动和控制部分，主导起重机的运行状态。因此，起重机防摇摆措施一般从机械和电气控制两个方面入手。常见的方式主要有以下几种。

2.1 机械防摇摆一般采取的措施

第一，加大小车处钢绳的出绳角度。例如，在吊具的四个角上通过滑轮引出钢丝绳，形成倒八字的机构。当吊物水平移动时，左右钢丝绳都受力，限制吊物摆动。这种防摇系统较为简单，节约成本，防摇效果也较好，应用较广泛。

第二，交叉钢丝绳防摇摆。沿小车运行方向在小车架上装两组交叉悬挂的减摇钢丝绳和驱动装置，驱动液压系统使钢丝绳产生张力，从而控制载荷的摆动。这种方式在起吊不同的载荷式效果差异较大。

第三，分离小车式防摇摆。小车行走时，两部分小车通过驱动机构向两侧分离，使钢丝绳呈V型，从而有效地控制载荷摆动；当小车停止运行时，两组小车自动靠拢，执行起升或下降指令。这种方式增加了小跑车的重量，机构也较为复杂。 第四，跷板式防摇摆。跷板式防摇装置包含跷板梁和安装在起重机上的液压缓冲缸。当小车加速时，由于惯性力作用，载荷向小车运行的反方向摆动，从而使跷板梁随之倾斜，其能量由液压缓冲缸吸收；载荷向后方向的摆动受阻后，将再次改变方向反向摆动。如此反复运动，由液压缸吸收能量，从而有效控制载荷摆动。这种方式操作方便，工作平稳，减摇效果明显，但结构复杂。

以上任何一种机械防摇摆都需要增加机械设备自重且造价较高，在一些尺寸要求较

高的场合受到限制，不利于起重设备轻量化发展，因此目前新制造设备很少采用。2.2电气防摇摆措施

随着各类控制器、PLC、变频器等技术在起重机中的成熟应用，电气防摇摆控制系统迅速发展。它的主要实现原理是，当小跑车以一定的加速度运行时，测量出吊钩的偏摆角度，再通过控制小车加速或减速限制摆动。当物体达到设定的速度或者停止时，摆动很小或者基本没有摆动，从而抵消偏摆角。电气防摇摆可以采用开环控制系统或闭环控制系统完成。闭环控制系统需要增加偏摆角度测量装置，控制精度高，稳定性好，但控制较复杂，成本较高。开环控制系统不需要测量偏摆角，而是根据已有的测量数值通过控制算法实现对桥机的防摇控制。它一般能减少摇摆度90%，也能起到良好的稳定效果，满足现场需求，且控制难度和成本较闭环系统有所降低。因此，一般情况下，多选用开环控制方案。

图2是一种带闭环控制的起重机电气控制系统，包含操作器、程序控制器、数据采集器、控制驱动器、执行机构等部分。

此系统采用的是典型的闭环控制系统，控制精度高，经济性好。在进行防摇系统的开发工作时，可以参考此方案进行。

目前，在一些场合，开环控制应用较为普遍。最常见的开环防摇摆控制方法为双脉冲前馈控制（Double Pulse Control），也称为POSICAST控制，是一种常见的处理震荡的方法，由O.J.MSmith在1958年提出。具体地，当行车以一定加速度运行时，吊物会以一定摆动周期T摆动，在一半摆动周期T/2时施加一个等量等时的短脉冲后，吊物形成的摆动将会消除。 图3 为双脉冲时序图。

基于双脉冲前馈控制控制算法，控制思路大致为：运行启动或加速时，首先根据运行加速度计算钢丝绳的偏摆角度，然后根据编码器测量值计算钢丝绳长度，再根据绳长和偏摆角计算重物偏摆周期和偏摆距离，最后通过控制小车一定距离内的减速

运行，使钢丝绳的中心和吊物的重心位置在竖直方向重合，随后小车加速运行并与吊物的速度保持一致，从而使吊物消除偏摆而稳定运行。减速停止过程的控制和加速过程控制原理上相同，不同之处在于对运行机构加速或减速的控制。整个运行过程如图4所示。

随着起重机防摇摆系统重要性逐渐体现和市场的广阔前景，近年来一些变频器厂家也进行了防摇方面的研究。例如，施耐德、西门子、汇川等品牌开发出针对起重机防摇控制的防摇卡，应用时只需要选购防摇卡并作出正确的配置即可，大大减轻了用户的工作强度。施耐德的防摇摆控制系统，起升变频器采用一台ATV71变频器加防摇功能卡，大车和小车各采用一台ATV32或ATV71变频器，变频器之间采用CANopen总线通讯方式，起升编码器直接连接变频器的防摇卡。如果防摇辅助功能的参数已经设置完毕，则变频器可实时测得吊钩高度，并通过通讯将数据传输给大车变频器和小车变频器。大车和小车变频器根据吊钩高度值控制速度给定，系统将自动在大小车两个轴向上执行防摇控制和调整。

图5为激活防摇功能与没有激活防摇功能速度停止时的震荡曲线图。可以看出，没有激活防摇功能时，运行速度由满速降为0速呈线形关系，保持二阶系统阶跃响应曲线，阻尼系数大约在0.1～0.2；激活防摇功能后，运行速度由满速降为0速为曲线关系，震荡幅度的二阶曲线阻尼系数和震荡频率ωn明显增大，体现为系统的响应时间和震荡衰减过程显著加快。

双脉冲前馈控制是基于二阶理论的控制方法。此外，还有一些先进的控制方式用在防摇控制系统中，通过不断尝试并获得了一定成果，如模糊控制、神经网络控制等。模糊控制作为控制主要分支，通过模仿起重机司机的实际操作经验建立模糊控制规则库，通过控制小车的速度及加速度，以克服由于过程本身的不确定性、不精确性及噪声带来的困难。当前，模糊控制技术在起重机防摇试验或仿真方面取得了一定成果。模糊神经网络控制器是一个四层的神经网络，其中第一层为输入层，第二层

为模糊化层，第三层为规则层，第四层为输出层，能够解决模糊控制中难以实现的“隶属度函数的自动实现”和“模糊规则的自动提取”，进而增强系统的适应能力。神经网络控制基于真实可靠的理论模型和大量的实验数据实现，需要长期积累经验，所以此项技术正处于不断探索中。

综上所述，起重机的防摇摆技术正处于快速发展时期，将带动起重设备向智能化方向发展。