张欢

【摘 要】随着科学技术的快速发展，无论是在人们生活还是在工作中的各项事物，其现代化和自动化水平都实现了质的飞跃。然而，在桥式起重机的自动化改造中，由于其工艺的复杂性，想要实现自动化改造可能还需要很长的一段路要走。基于此种情况，笔者对桥式起重机的自动化改造进行了深入地分析和思考，并提出了自己的几点浅见，希望能给相关工作人员提供一些有价值的参考和借鉴。

【关键词】桥式 起重机 载荷稳定性 自动化

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。

为了能够有效改进起重机的安全性提高其自动化效率，很多人都致力于因惯性力而引起的摆动研究。虽然，输入整型技术有着较大的优势，主要体现在提升起重机、移动速度方面，但是，却在外界干扰和基础激励方面的能力较低，鲁棒性较差。而线性控制技术应用在输入整型技术，成功避免了上述的弊端，但是它对载荷质量的大范围变化、钢丝绳的长度等因素还是体现出一定的缺点，即鲁棒性差。而整型基本策略通过模糊逻辑技术和自适应控制技术的融入，所形成的复合控制技术，能够有效弥补输入整型技术的不足之处。这种复合型控制技术，具有广阔的发展和应用前景。

3 结语

总而言之，通过提升桥式起重机的自动化水平来提高其工作效率是具有一定的现实意义的。虽然，目前在开展相关工作的过程中，还存在着一些问题，但是只要相关人员，加大研究力度，积极探索新的研发模式，转变工作理念，从而为桥式起重器自动化水平的提升夯实牢固的基础，为先关工作的可持续发展提供巨大助力。

参考文献：

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