吳紅梅，彭 磊，郭 林

（中國建筑第二工程局有限公司，廣東 深圳 518000）

起重機是一種可以實現(xiàn)在一定范圍內，對重物進行垂直、水平提升的大型機械設備，現(xiàn)階段，起重機已被廣泛應用到工業(yè)、建筑等工程領域內。在對起重機作業(yè)性能的研究中發(fā)現(xiàn)，其運行支撐系統(tǒng)的獨立控制變量個數小于系統(tǒng)自由度個數的一類非線性系統(tǒng)，簡單地說就是輸入比要控制的量少的系統(tǒng)。在長期、高壓作業(yè)條件下，欠驅動系統(tǒng)運行會導致起重機開環(huán)出現(xiàn)搖擺，需要消除起重機開環(huán)出現(xiàn)搖擺而造成的載荷，簡稱開環(huán)消擺。此種現(xiàn)象不僅會對設備作業(yè)的精度造成影響，還會在一定程度上降低起重機的作業(yè)效率，從而對房建工程項目的施工造成較高安全隱患[1]。因此，本文將參照傳統(tǒng)控制方案，基于能量強耦合角度，設計一種針對房建施工現(xiàn)場起重機的開環(huán)消擺控制方法，提高起重機的作業(yè)效率與綜合作業(yè)水平。

1 建立房建施工現(xiàn)場起重機動力學模型

為實現(xiàn)對房建施工現(xiàn)場起重機開環(huán)擺動的有效控制，建立如圖1 所示的房建施工現(xiàn)場起重機動力學模型[2]。

圖1 房建施工現(xiàn)場起重機動力學模型

在圖1 所示內容的基礎上，引進Euler-Lagrange 方程，建立房建施工現(xiàn)場起重機作業(yè)過程中的動力學函數，函數表達式如下[3]

式（1）中：F表示房建施工現(xiàn)場起重機作業(yè)中的提升力；M表示房建施工現(xiàn)場起重機重量；m表示提升重物負載質量；x表示提升過程中的起重機位移；l表示起重機吊繩長度；θ表示起重機負載過程中的擺動角度。按照上述方式，完成房建施工現(xiàn)場起重機動力學模型的構建。

2 起重機開環(huán)載荷擺角消除處理

在上述設計內容的基礎上，引進能量強耦合理念，設計起重機開環(huán)載荷擺角的消除處理[4]。在此過程中，考慮到起重機的運行會受到多種因素的影響，因此，可按照式（2）計算在多種作用力與作業(yè)場耦合條件下的起重機作業(yè)擾動作用力。

式中：f表示多種作用力與作業(yè)場耦合條件下的起重機作業(yè)擾動作用力；m1表示作業(yè)場對起重機提升重物質量造成的影響；h表示提升高度；m2表示多種耦合因素造成的起重機提升重物質量變化質量；C表示起重機摩擦角度；α表示起重機吊抓過程中的橫向擺動最大角度[5]。完成計算后，參照上述計算結果，建立房建施工現(xiàn)場起重機作業(yè)過程中的強耦合矩陣，矩陣表達式如下。

式中：V表示房建施工現(xiàn)場起重機作業(yè)過程中的強耦合矩陣。定義V為慣性矩陣，即正向矩陣，以此為依據，建立起重機在作業(yè)現(xiàn)場的斜對稱矩陣，計算公式如下。

式中：K表示起重機在作業(yè)現(xiàn)場的斜對稱矩陣；ξ表示摩擦力矢量；ξ.表示摩擦力矢量均值[6]。在此基礎上，設定起重機復雜狀態(tài)下擺動角度有效控制范圍為±π/2，則可以通過下述公式，進行起重機開環(huán)載荷擺角消除處理。

按照上述方式，完成基于能量強耦合的起重機開環(huán)載荷擺角消除處理。

3 設計開環(huán)最優(yōu)消擺控制

在上述提出內容的基礎上，通過設計開環(huán)最優(yōu)消擺控制，進行消擺控制方法的設計。此過程如圖2 所示，其中s表示起重機擺動規(guī)律。

圖2 開環(huán)最優(yōu)消擺控制模式

控制過程中，根據起重機的初始化運行狀態(tài)，在前端輸入啟動參數。此時，控制器啟動，由調節(jié)器進行起重機作業(yè)過程中開環(huán)擺動角度計算，計算的結果將通過變頻調速器主動調節(jié)，利用估算的起重機角速度與擺動角，驅動起重機的控制，以此種方式，實現(xiàn)房建施工現(xiàn)場起重機開環(huán)消擺控制方法的設計。

4 對比實驗

基于能量強耦合角度，設計一種針對房建施工現(xiàn)場起重機的開環(huán)消擺控制方法，下述將通過設計對比實驗的方式[7]，對該方法的實際應用效果展開測試。

將房建施工現(xiàn)場起重機作業(yè)條件與技術參數錄入計算機，在Simulink/MatLAB 環(huán)境中，建立起重機結構模型，為確保建立的起重機結構模型可以實現(xiàn)對其運行狀態(tài)的精準描述，設計起重機初始化狀態(tài)的作業(yè)參數。

在使用本文設計的方法進行房建施工現(xiàn)場起重機開環(huán)消擺控制時，需要基于能量強耦合角度，進行起重機開環(huán)載荷擺角的消除處理，通過設計開環(huán)最優(yōu)消擺控制，實現(xiàn)對擺動的有效控制。在上述內容的基礎上，引進基于聯(lián)合仿真技術的消擺控制方法、基于自抗擾理論的消擺控制方法，將提出的兩種方法作為傳統(tǒng)方法1 與傳統(tǒng)方法2，使用3 種方法，進行房建施工現(xiàn)場起重機的開環(huán)消擺控制。

控制過程中，驅動MatLAB 軟件中的程序，設定起重機在初始化狀態(tài)下的提升高度為10m，記錄3 種方法控制后，起重機提升時間、位移的變化情況，其結果如圖3 所示。

圖3 起重機提升時間-位移變化

從圖3 中所示的結果中可以看出，本文方法控制后，起重機在10s 時，將重物提升至10m，且提升后重物高度穩(wěn)定在10m 位置未發(fā)生變化，由此可見，本文方法對起重機提升作業(yè)的控制效果良好。傳統(tǒng)方法1 在第10s 時，將重物提升至10m，但10～20s 范圍內，起重機提升貨物的高度未穩(wěn)定，說明控制效果不佳。傳統(tǒng)方法2 未能按照預設標準，將起重機提升至10m。

在上述設計內容的基礎上，將起重機提升重物過程中開環(huán)擺動角度作為評價本文方法實際應用效果的關鍵指標[8]。其結果如圖4 所示。

圖4 起重機提升重物過程中的開環(huán)擺動角度變化

從圖4 所示的實驗結果中可以看出，使用本文方法進行起重機提升重物過程中開環(huán)擺動的控制，13s 開環(huán)擺動角度達到零，且控制過程中，最大開環(huán)擺動角度為5°。使用傳統(tǒng)方法1 進行起重機提升重物過程中開環(huán)擺動的控制，20s 開環(huán)擺動角度達到零，且控制過程中，最大開環(huán)擺動角度為10°。傳統(tǒng)方法2 未能按照預設標準，控制起重機提升重物過程中開環(huán)擺動角度達到零。

圖4 得到的實驗結果為起重機初始化狀態(tài)時，提升重物過程中開環(huán)擺動角度變化。為掌握在實際作業(yè)過程中本方法對起重機開環(huán)消擺的控制效果，設計起重機的初始化狀態(tài)為擺動狀態(tài)，對擺動狀態(tài)下的起重機開環(huán)進行消擺控制，控制效果如圖5 與圖6 所示。

圖5 初始負載擺角為5°時的消擺控制結果

圖6 初始負載擺角為10°時的消擺控制結果

從實驗結果中可以看出，當房建施工現(xiàn)場起重機初始負載擺角為5°、10°時，使用本文方法進行起重機提升重物過程中開環(huán)擺動的控制[9]，10s 開環(huán)擺動角度達到零。使用傳統(tǒng)方法1 進行起重機提升重物過程中開環(huán)擺動的控制，22s 開環(huán)擺動角度達到零。傳統(tǒng)方法2 未能按照預設標準，控制起重機提升重物過程中開環(huán)擺動角度達到零。

綜合上述實驗結果可知，相比傳統(tǒng)的控制方法，本文設計的方法可以實現(xiàn)在更短時間內，將房建施工現(xiàn)場起重機開環(huán)擺動角度控制為零，且控制效果良好。

5 結語

為發(fā)揮起重機在房建施工現(xiàn)場更高的價值與經濟效益，施工方提出了多種可用于控制起重機開環(huán)擺動的技術方案，并明確了此項工作對于施工現(xiàn)場起吊作業(yè)規(guī)范化實施的重要性。盡管現(xiàn)有的技術在應用中可以在一定程度上控制開環(huán)擺動，但根據施工現(xiàn)場大量的實踐反饋可知，現(xiàn)行控制方法仍無法達到預期。為解決此方面問題，本文基于能量強耦合角度，通過建立房建施工現(xiàn)場起重機動力學模型、起重機開環(huán)載荷擺角消除處理、設計開環(huán)最優(yōu)消擺控制，完成了此次設計，設計后通過對比實驗證明：本文方法可以實現(xiàn)在更短時間內，將房建施工現(xiàn)場起重機開環(huán)擺動角度控制為零，通過此種方式，解決由于開環(huán)擺動造成的現(xiàn)場起重機異常作業(yè)問題。