只利用旋臂旋转运动的起重机消摆控制探讨

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摘 要 目前，在港口运输业、建筑业和制造业中被广泛使用的起重机是世界上最主要的起吊搬运设备之一。随着我国工业化水平地不断提高，生产规模的扩大及生产效率的提升，起重机在现代化社会生产中的作用也越来越大。本文针对存在二维荷载摆角问题的旋臂旋转起重机提出了一种以旋臂运动方式来实现荷载的消摆控制和旋臂的位置控制。首先，以干扰观测器引出起重机的线性模型；其次，在该线性模型的基础上设计一个非线性的控制装置；最后，通过实验操作来检验所提观点是否有效。研究表明，实现无需控制旋臂起伏运动的起重机设想可以成立，这在很大程度上降低了其生产成本和有效简化了其构造。

关键词 旋臂旋转运动；起重机；消摆控制

中图分类号TH21 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）122-0207-02

0 引言

迅速地运输荷载到指定位置是起重机的职能之一，然而其旋臂的旋转运动却会导致荷载产生二维摆角，因此，操作起重机的工作人员必须具备很强的熟练度，敏捷的行动力，以减少荷载在运输过程中所产生的二维摆角。

旋转起重机的主要工作原理有两个，一个是通过对绳索长度的调节来实现荷载的下降以及上升；另一个是起重机在工作过程中，荷载的旋转运动和自身旋臂的起伏运动，对操作人员而言，前者的操作难度系数较小，且容易控制，而在后者的操作中，由于要对荷载运动进行消摆控制，所以，操作难度系数较大，这就要求操作人员必须具备熟练的机械操作技术以及灵敏的行动力。科研人员为了提高操作人员的工作安全性以及减轻其工作负担，研发了各式各样的起重机控制系统，在现行的研究中，消摆控制的实现都是依靠旋转运动以及旋臂起伏运动实现的。因此，很多研究者为了实现只利用旋臂旋转运动来实现消摆控制，纷纷提出了不同方法，例如因缺乏对外部环境干扰的免疫性，而难以在实际工程中运用的开环控制法，即抑制荷载的摆动；因无法掌控外部对起重机的干扰而无法获得良好控制性能的两模式切换控制法；因只要仿真结果而没有实际操作数据的神经网络控制法等。为此，本文明确提出了只依靠旋臂旋转运动就可抑制荷载的二维摆角的非线性控制器。

1 旋转起重机模型

1.1 模型显示

在图1所示的起重机模型中，θ1是起重机旋臂起伏运动的平面摆角，θ2是旋转运动的平面切线摆角，θ3是旋臂运动的起伏角，θ4是旋转角；L是旋臂长度，l是悬绳索长度；X、Y、Z是荷载的三维位置。

1.2 模型特性

模型具有三个特性，（1）忽视悬绳的扭力，把荷载当作一个质点。（2）出来可以测量到旋臂的角速度、起伏角以及旋转角，还可以测量到两个方向的角速度和摆角。（3）因为两个摆角都很小，所以sinθ=θ，cosθ≤1（θ=θ1+θ2）成立。因此，可以用以下方程来表示旋臂的旋转运动，即：

2 控制器的设计

研究人员通过对李雅普诺夫的稳定性原理的分析，引出了起重机控制器，并推算出其控制律。即：

3 仿真实验

起重机的目标轨道

研究人员为了验证提出的新方法在实际应用中是否有效，将在各工业场合中被广泛应用的摆线作为起重机旋转角的轨道，并将其初始位置以及最终位置的加速度设定为零。

即：

4 结论

本文阐述了如何只利用旋臂的旋转运动来完成起重机的精确定位和抑制荷载的摆动。首先，干扰观测器能让起重机的部分线性模型的关节摩擦以及荷载重量等系数发生改变；其次，在李雅普诺夫稳定性定理的基础上，提出采用非线性控制器对起重机系统进行控制的设想；最后，以仿真实验来验证该设想的有效性。实验证实了，不管是改变起重机的起伏角还是旋转角的目标参数，都可以有效控制旋臂旋转以及摆角大小，这一设想的成立，不仅加强了起重机在工作中的安全性，还在一定程度上简化了其构造，降低了制造成本。

参考文献

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