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提高桥式起重机载荷稳定性的理论基础
桥式起重机一般应用在港口运输业和制造业,其操作方式主
要是以人工操作为主,现代化水平较低,自动化程度有待提升。
由于操作过程中,需要起重机频繁地进行起、制动,容易引发载
荷摆动现象的发生,这就对其系统的就位精度以及稳定性产生了
一定的影响。本文以数学建模作为文章内容的切入点,并对相关
控制技术进行了详细地阐述。
1数学建模
1.1分布质量模型
这种模型理论认为,载荷和吊钩为集中质量,而起升钢丝绳
作为分布质量。在平衡位置的附近对桥式起重机进行建模的最初
阶段,没有将载荷的惯性考虑在内,把钢丝绳作为一种无法伸长
的柔性体。经过深入研究,以改变边界条件为载体,将载荷惯性
力纳入了考虑范围之内。分布质量模型一般适用在以下情况,即
钢丝绳的质量和载荷的质量为同等数量级的时候。并且,还是在
载荷摆动和小车位移角度都不大的情况下,因此,分布质量模型
一般都是被用在小车终点附近。但是,在实际施工环境中,起重
机钢丝绳重量一般都要小于吊钩的重量,由此可见,分布质量模
型具有一定的局限性。
1.2集中质量建模
在桥式起重机的建模中,集中质量模型的应用范围较为广
泛,若是将钢丝绳的重量忽略不计,在起重机的吊钩处将钢丝绳、
载荷质量以及吊钩集中在一块,空间摆模型得以高效建立。可以
说,集中质量建模方式不仅将复杂的载荷动力学特性充分描述了
出来,同时,数学表达式也非常紧凑。集中质量建模主要分为两
种类型,一种是扩展模型,另一种是简化模型,它们的划分依据
是外部激励引入系统方法的不同。简化模型采用的方法主要是通
过把外部激励简化到载荷悬挂点,一般认为基础激励是产生载荷
运动的原因,但是,它对基础运动却没有产生影响;而扩展模型,
主要是在动力学的模型中将起重机的基础的运动与支撑机构引
进来,使载荷摆动、基础、支撑结构的动力学模型能够相互作用,
相互影响。
2控制技术
一般说来,控制技术的划分,主要是依据反馈信号的有无来
划分,具体来说,主要分为闭环控制技术和开环控制技术,具体
内容如下:
2.1闭环控制技术
闭环控制技术(PID)在起重机中的初级应用阶段,采用的
主要是双层PID控制技术,这种控制技术,主要是通过PI控制
器以小车的驱动来进行指令位置的跟踪,与此同时,再用PD控
制器进行小车运动的驱动,从而达到阻尼载荷摆动的目的。这种
控制策略和限波器较为类似,而它的中心频率为自然频率,并且,
将控制策略应用到起重机的模型之中。经过实验证明,若是没有
载荷升降运动,在起重机的加减速阶段,载荷的瞬间摆角为3°,
而在目标的位置上,也没有残留摆动现象的出现,这说明闭环控
制策略对载荷的变化并不是十分敏感,但是却容易受到外部环境
的干扰引起载荷摆动。在经过对PID技术的优化和升级,通过对
控制策略的修改,将PI小车的位置和速度控制器的级联,以及
PD控制器和时滞补偿器的级联,来对载荷摆动阻尼进行强化。
这一策略使载荷瞬间的摆动角度小于1°,没有残留摆动,同时,
对外界干扰阻尼也较为有效,但是,这种控制策略对于绳长非常
敏感,这就需要对钢丝绳的长度进行调整来不断对性能进行优
化。伴随着PID控制策略的逐渐完善,PI控制器通过对钢丝绳
长度变化的跟踪,使载荷摆动的反馈控制器能够和钢丝绳的慢时
变相适应,从而找出不同钢丝绳长度的最优阻尼而对应的增益,
实践证明,这种控制策略,在目标的位置上没有残留摆动,对与
外部抗干扰能力也较强。
2.2开环控制技术
现阶段,我国最为先进的控制器设计,是以开环控制技术为
基础设计而成的,具有较高的可行性。这种技术通过让起重机在
运行的过程中沿着预订的轨道形式,从而实现起重机的自动化目
标,提高了操作效率,减少了时间的浪费。目前,应用在起重机
开环控制的技术主要分为两种,一种是最优控制技术,另一种是
输入整型技术。输入整型技术,主要是通过让起重机在运行的过
程中沿着预先设计的轨迹和距离来行驶。起重机加速时,通过对
加速轮廓形式的设计,以达到引起最小摆动幅度的目的;减速时,
还要保证在目标的位置上没有残留摆动。这种技术在起重机的加
减速阶段,至少能引起半个周期或者是半个周期的整数倍摆动。
虽然,以上两种技术有着很大的不同,但是,它们却有着共同的
缺点,那就是对初始状态、参数变化和外界的干扰都非常敏感,
致使在起重机升降载荷的过程中,其控制性能明显下降。
为了能够有效改
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