編輯|九鼎鑒史

塔式起重機在實際施工過程中存在吊重擺動的起重且非情況，尤其是吊重的動在刮風天氣，其不僅影響起重機的擺動工作效率而且存在極大的安全隱患，最終導致塔式起重機僅能單獨的何預完成回轉(zhuǎn)、變幅以及起升等動作，防精無法完成上述動作的準建協(xié)同工作，嚴重影響設(shè)備的立強力學工作效率。

常用的耦合防擺控制方法

機械防擺是一種傳統(tǒng)的防擺控制方法，通過改變起重機的線性結(jié)構(gòu)或增加減擺裝置來減小擺動，例如，模型通過增加增穩(wěn)筒或安裝物料固定裝置等方式來提高起重機的起重且非穩(wěn)定性。

常見的吊重的動擺動減振方法包括液壓減振和擺動阻尼器，液壓減振利用液流的擺動阻尼效應來減小起重物的擺動，而擺動阻尼器則通過增加阻尼力來降低擺動的何預程度，擺動減振是防精利用阻尼裝置來減小起重物的擺動幅度。

主動控制是一種基于傳感器和控制系統(tǒng)的防擺控制方法，通過分析起重機當前狀態(tài)和環(huán)境條件，采取相應的控制策略來減小擺動，主動控制可以實時調(diào)整起重機的參數(shù)和工作狀態(tài)，從而提高防擺效果。

預測控制是一種基于數(shù)學模型的防擺控制方法，它通過建立起重機的動力學模型，并利用該模型進行預測和優(yōu)化控制，預測控制可以提前預測起重機的擺動趨勢，并通過控制輸入來減小擺動幅度。

塔式起重機動力學模型

為切實掌握塔式起重機在風載時其在定位防擺情況上所面臨的實際問題，為后續(xù)解決其防擺奠定基礎(chǔ)，需要精準建立塔式起重機的動力學模型，綜合分析拉格朗日代入法和牛頓歐拉迭代法建模方法的特點。

針對塔式起重機的動力學建模需求，本文將采用拉格朗日代入法對其在風載時多輸入多輸出、強耦合且非線性的動力學模型進行構(gòu)建。

在建模時，需要做出如下假設(shè)：忽略鋼絲繩、吊鉤以及吊重的質(zhì)量不計；將塔式起重機的吊重和小車視為沒有體積的質(zhì)點；忽略塔式起重機包含鋼絲繩在內(nèi)等所有機構(gòu)的彈性變形，視為各部件的剛度足夠大；

對塔式起重機在實際施工過程中回轉(zhuǎn)、變幅以及起升等動作的摩擦忽略不計；認為可對塔式起重機在風載環(huán)境中風速、風向等參數(shù)可精準測量。

根據(jù)塔式起重機在風載環(huán)境下的實際工況，可將風載分解為變幅運動和垂直于變幅運動的風載，因此，在風載時塔式起重機為五個輸入對應五個輸出的非線性系統(tǒng)。

其中五個輸入指的是大臂轉(zhuǎn)矩、小車推力、起升力、變幅及垂直變幅的風載力，五個輸出指的是大臂轉(zhuǎn)角、小車位移、鋼絲繩伸長量、吊重變幅及與其垂直的兩個方向的擺角；而在非風載時塔式起重機屬于三個輸入對應五個輸出的強耦合、非線性系統(tǒng)。

塔式起重機防擺控制器設(shè)計

結(jié)合塔式起重機司機的操作經(jīng)驗，在實際施工中采取如下動作可以有效方式塔式起重機的防擺，具體如下：在初始階段保證驅(qū)動小車以勻加速的狀態(tài)運動，使得塔式起重機的負載稍微落后與吊繩；當距離目的地較遠時，可控制驅(qū)動小車為勻速運動。

當距離目的地較近時，可稍微減小對驅(qū)動小車的驅(qū)動力，此時對應驅(qū)動小車為勻減速運動，在負載慣性的作用下其會超前于吊繩；當快到目的地時，適當?shù)卦黾域?qū)動小車的驅(qū)動力，此時當負載達到目的時可將其擺角減小為0。

在工業(yè)控制算法中，PID控制算法和模糊控制算法具有其各自的優(yōu)勢，其中，PID控制算法具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、調(diào)整較快的優(yōu)勢；而模糊控制算法具有較強的抗干擾特性，因此，針對塔式起重機的防擺控制需求，擬采用PID控制算法與模糊控制算法相結(jié)合方式對塔式起重機進行控制。

模糊PID控制器的核心在于可根據(jù)系統(tǒng)的輸出值采用模糊控制算法對PID控制器中的比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)的系數(shù)進行自適應整定，已達到精準、快速的控制效果，其中，對比例環(huán)節(jié)系數(shù)的整定可以提高控制系統(tǒng)的響應速度和精度；對積分環(huán)節(jié)系數(shù)的整定可以消除控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；對微分環(huán)節(jié)系數(shù)的整定可以消除并抑制系統(tǒng)的偏差。

根據(jù)塔式起重機的實際工況確定PID控制器中比例環(huán)節(jié)的初始參數(shù)為7.微分環(huán)節(jié)的初始參數(shù)為0.積分環(huán)節(jié)的初始參數(shù)為2.85。

基于上述所構(gòu)建的仿真模型對模糊PID控制器和模糊控制器的控制效果進行對比，以對擺角控制為例，兩種控制算法對應的控制效果如下圖。

采用模糊PID控制器后負載擺角相比，采用模糊控制器達到穩(wěn)態(tài)的時間可以從15s縮短為8s，直接提前7s；而且，采用模糊PID控制器在整個控制過程中系統(tǒng)出現(xiàn)的振動次數(shù)和幅值較小，即系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，同理得出，針對驅(qū)動小車位移控制響應時間可直接縮短20s，且在整個控制過程中無靜差。

總之，采用模糊PID控制器對應塔式起重機的防擺控制，具有很好的快速響應特性，而且在控制過程中無誤差和超調(diào)量，極大地改善了塔式起重機的防擺控制效果。

結(jié)合塔式起重機的實際工況和特點，采用以PAC為核心的電氣控制系統(tǒng)，為保證控制過程的平穩(wěn)性，系統(tǒng)中的各個機構(gòu)采用變頻調(diào)速方式進行控制。

PAC相比傳統(tǒng)PLC控制器具有開放架構(gòu)、控制功能豐富、通信速率高、實時性好以及成本低等優(yōu)勢，本系統(tǒng)采用型號為ADAM-5550kW的8槽可編程控制器為核心實現(xiàn)塔式起重機防擺控制的目的，針對各機構(gòu)變頻控制的需求。

系統(tǒng)采用三菱公司的FR-A740系列變頻器實現(xiàn)變頻控制的功能，為實時掌握塔式起重機的實際工況，采用KeyenceLs5000系列的高速激光掃描測量儀對塔式起重機吊重擺角進行測量。

采用電阻應變式壓力傳感器對塔式起重機的載重進行測量；采用2RHIB型光電編碼器對驅(qū)動小車的位移和起升高度進行測量。

在上述硬件支撐的基礎(chǔ)上，并參照塔式起重機防擺控制機理，設(shè)計出了防擺控制軟件流程。

塔式起重機為當前工程實施過程中的核心機械設(shè)備，研究重點為解決塔式起重機在實際施工過程中出現(xiàn)負載擺動的問題，不僅存在極大的安全隱患而且對應的工作效率降低，針對塔式起重機的防擺控制需求，提出基于模糊PID控制器對塔式起重機驅(qū)動小車和負載擺角進行控制。

通過仿真分析可知：采用模糊PID控制器后可比模糊控制器具有更快的響應特性，其中，驅(qū)動小車達到穩(wěn)態(tài)時間縮短20s，負載擺角為零控制所需時間縮短7s；而且在控制過程中無誤差和超調(diào)量，極大地改善了塔式起重機的防擺控制效果。

其他的外部因素

起重機作為一種用于搬運和起吊重物的重要設(shè)備，其穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要，在高空作業(yè)時，起重機容易受到外部因素的影響而產(chǎn)生擺動，因此，考慮和控制外部因素對于實現(xiàn)有效的防擺控制非常關(guān)鍵。

風速是起重機防擺控制中最主要和最常見的外部因素之一，強風會對起重機造成不可忽視的側(cè)向力，導致起重物擺動幅度加大甚至發(fā)生嚴重的危險情況，因此，起重機的風速監(jiān)測和風向判別系統(tǒng)是必不可少的，可以及時檢測風速超過安全范圍，并采取相應的控制措施，例如降低工作狀態(tài)、減小提升速度等，以確保起重機的穩(wěn)定性和安全性。

不平穩(wěn)的地面可能會導致起重機的基礎(chǔ)不穩(wěn)定，從而增加起重機的擺動風險，因此，在選擇起重機工作位置時，應對地面進行充分評估，并采取相應的策略來確保起重機的穩(wěn)定性，例如使用支撐腳墊或平衡調(diào)節(jié)裝置等。

作業(yè)環(huán)境的因素也會對起重機的防擺控制產(chǎn)生影響，例如，必須考慮起重物的形狀、質(zhì)量分布、懸掛點的高度等因素，這些因素可能會改變起重機的動態(tài)特性，從而影響其防擺控制的效果。

另外，還需要注意作業(yè)場景中可能存在的振動、顫振等因素，這些也會對起重機的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。

起重機的控制系統(tǒng)響應時間也是防擺控制中需要考慮的因素之一，防擺控制需要及時對外部因素做出反應，并采取相應的控制措施，因此，控制系統(tǒng)的響應時間必須足夠快，通過優(yōu)化控制算法和提高控制系統(tǒng)的響應速度，可以更好地實現(xiàn)起重機的防擺控制，降低擺動風險。

結(jié)論

起重機防擺控制的研究對于提升操作安全性和效率具有重要的意義，當前的防擺控制方法已經(jīng)取得了一定的成果，但仍然有待進一步深入研究和改進。

未來的研究方向包括智能化控制技術(shù)和多參數(shù)協(xié)同控制等，這將有助于推動起重機防擺控制技術(shù)的發(fā)展，為工業(yè)生產(chǎn)提供更加安全和高效的解決方案。