全地面起重机卷扬随动策略研究

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全地面起重机卷扬随动策略研究A Study on Hoist Servomechanism Strategy in All—terrain Crane何冰 叶桦 孙晓洁HEBing YEHua SUNXiao-jie当前全地面起重机在执行主臂变幅或者主臂伸缩时，可能会产生安全性问题，影响操作的连贯性，并且作业效率相对不高。针对这类问题，结合起重机基本模型，提出一种卷扬随动的控制策略，优化起重机的操控方式。在阐述卷扬随动原理的同时，本文以一套起重机仿真实验装置作为平台，说明该策略的具体效果。实验结果表明卷扬随动策略可以有效保障主臂变幅或者伸缩过程中的操作安全，同时进一步提高起重机的作业效率，具有一定的工程实用价值 。

自动控制技术 全地面起重机 卷扬随动 PLCAbstract During the luffing angle or stretching length of boom in all-terrain crane，it probably causessecurity issues that affect coherence and has relatively low operating efi ciency．For such problems，a kind of hoistservomechanism control s~ategy based on a basic crane model is proposed．After the explanations of such strategy,thepaper also shows the specific efects based on a crane simulation experimental platform．The result of the experimentshows that the strategy can effectively guarantee the security during the operation and further improve workingeficiency,SO it truly has certain practical engineering value.

Keywords Automatic control technology All—terrain crane Hoist servomechanism PLC1引言doi：10．396％．issn．1672—9528．2013．04．21全地面起重机是一种兼有汽车起重机和越野起重机性能特点的轮式起重机，具有优越的起重性能和广泛的作业范围，应用于石化、风电、高铁等项目的大型预制构件的起重安装作业中。随着对其关键技术的深入研究，全地面起重机将具有更方便的操作方式、更友好的人机交互以及更可靠的安全保障等。

本文以全地面起重机为研究模型，分析起重机上车操作流程 ，提出一种基于卷扬随动策略的操作优化方案。在参考相关工程机械仿真控制系统 H 的基础上，结合全地面起重机的机械运动、液压系统等特点，搭建以PLC为核心，基于CAN总线网络的起重机仿真实验平台。在实验平台中，选取合理参数值，模拟起重机动作，说明优化方案的具体效果。当操作员进行主臂变幅或者主臂伸缩时，卷扬随动方法依据起· 东南大学自动化学院 江苏 南京 21 0096重机实际工况联动调节卷扬收放速率，在保证主臂变幅或伸缩动作连贯完成的同时，也提高了起重机工作效率和操作安全性。

2起重机操作过程分析当前全地面起重机的基本操作包括转台回转、主臂变幅、主臂伸缩以及起升等。起重机操作员在一段作业时间内，往往只执行一项起重机操作，但是这种操作方式有时会带来问题。以主臂伸出操作为例，随着起重机某节臂的伸出，在卷扬不动的情况下，吊钩逐渐上升，并靠近臂头滑轮。如果操作员处理不当，将极易触发高度限位开关，致使主臂伸出中止，严重时甚至会造成起吊钢绳断裂。为了避免上述情况的发生，操作员在主臂伸出一段时间后，会调节卷扬收放，使吊钩与臂头滑轮保持一定安全距离，避免触发高度限位开关。可是，这种操作方式导致在主臂伸出到指定位置的过程中，操作员可能会进行若干次卷扬收放调节操作。由此带来的弊端是相应的主臂伸出过程既不连贯、耗时长，整体作业效率也不高。另外，操作安全性也得不到可靠的保障。

为了解决这类问题，应考虑在进行起重机主臂变幅或者伸缩的同时，卷扬收放速度也能自动根据起重机工况相应调整，以使吊钩离地高度保持在设定的安全高度范围之内。这样，操作员在进行主臂变幅或者伸缩时，就能连贯地执行该项操作，同时只需微调吊钩高度，便可继续执行后续的起吊重物作业，提高了作业效率。

3卷扬随动策略为便于阐述卷扬随动策略，以如图l所示起重机基本模型作为分析对象，主要讨论主臂变幅起升和主臂伸出两种情况。卷扬随动策略以吊钩离地高度H作为控制目标，当起重机进行主臂变幅起升或者主臂伸出时，卷扬根据工况调整转动角速度，以使 H较快地达到安全高度并保持在安全范围内。

图 1起重机基本模型卷扬随动角速度 ∞ 与吊钩起升速度 v 的关系式为：∞ ， ： v， (1)‘ R 。

其 中，N表示吊钩倍率，R表示卷扬钢丝绳缠绕半径。

假设PLC扫描周期为T，接收到的检测信息是起重机变幅角度 o、主臂臂长L、吊钩离地高度 H。当起重机以角速度 ∞ 变幅起臂时，L保持不变，a随时间 t变化，则 H满足关系式：H=H_ni +Lsin仅一 V2dx (2)若要保持H不变，由dH／dt=O可得吊钩起升速度v。满足关系式：v ： LCOSⅨ (3) V =—— 。 dt结合 (1)(3)两式，可得到此时卷扬随动角速度∞，的差分方程为：∞，(kT)：一N
× ．
~(kT)-a[(k-1)T]Lcos (kT)(4)R T 、当起重机以速度v 伸出主臂时，a保持不变，L随时间t变化，则H满足关系式：H：Hi it+(L—Lb 。)(1+sinct)一 v2dx (5)若要保持H不变，由dH／dt=O可得卷扬起升速度v 满足关系式：v，： fl+ inctS1 1 (6)1 =—— ll+ ) 、dt、结合 (1)(6)两式，可得到此时卷扬随动角速度ca)。的差分方程为：∞：(kT)= × (1+sinct) ’假设吊钩离地安全高度 H 如的最小值为 H ，最大值为 H ，则安全高度 H ，。区间为 [H ，H ]。当H处于安全高度区间时，卷扬角速度为正常随动角速度，即由式 (4)(7)得到的两种情况下的卷扬随动角速度；当HH 时，卷扬角速度为正常随动角速度的m2倍。

在主臂变幅起升或者主臂伸出的情况中，合理的一种配置方式为m 和 均取2H／(H1+H )。这样，当初始高度与设定的安全高度距离较大时，dH／dt较大，即初始阶段 H能以较快的速度收敛。

卷扬随动策略在全地面起重机中的控制流程如图2所示。

4实验过程与结果4．1 实验平台说明起重机仿真实验平台主要包括可编程逻辑控制器PLC、显示器、力限器网络传感器功能模块、手柄发动机功能模块、起重机机构仿真模块以及数据分析上位机等。起重机仿真实验平台整体框架如图3所示。

PLC程序开发图 2卷扬随动控制流程图琵磅翼簇 干起对cAN网络 ]『 数 析l输可编程逻辑 l入控制器PLC 亡=l输l出丌 ：CANOPEN协议输出输入 J1939协议串口 1 l l串口 2起 重 机 机 构仿真模块手柄、发动机等功能仿真模块图3起重机仿真实验平台整体框架CAN网络4．1．I 可编程逻辑控制器 PLCPLC选用 STW公司的ESX一3XL型可编程控制器。

PLC与手柄发动机功能模块等构成基于 31939协议的CAN网络，PLC通过此网络可以接收到手柄方向、手柄偏移量、发动机转动速度等信息。PLC与显示器、力限器网络传感器功能模块等构成基于 CANopen协议的CAN网络，PLC通过此网络可以接收到力限器、网络传感器检测信息，也可以接收来自显示器的控制命令。实际中PLC通过输出一定占空比的PWM至起重机相关阀组，由液压系统来驱动执行机构的运转。

当执行卷扬随动策略时，PLC根据接收到的变幅角度 a、主臂长度L、吊钩离地高度H等信息得出卷扬随动角速度的期望值，与卷扬实际角速度构成闭环控制，PLC输出相应占空比的PwM给卷扬相关阀组，控制卷扬马达按照期望的随动角速度运转。

4．1．2 显示器显示器选用 Wachendorff公司的OPUS A1RVC型触屏液晶显示器。显示器可以显示全地面起重机工作时的监视参数值，能够针对起重机基本操作显示相应界面，同时根据起重机作业状况及时显示警告信息，提高了起重机操控安全性。在原有界面的基础上，可以设计实现卷扬手柄控制与卷扬随动控制模式切换的人机交互界面，同时操作员允许设置安全高度 H 的区间 [H ，H2]。通过这种方式，操作员既可 以按照原有的操作模式作业，也可以利用显示器人机交互界面，简单方便地切换到卷扬随动的操作模式进行作业。

4．1．3 起重机机构仿真模块该模块用于模拟起重机的机构运行。通过接收来自PLC的阀路控制信号，结合 由起重机动力学及运动学特性建立的起重机模型，较真实地模拟起重机的运动过程。

4．2 实验参数选取及设定结合全地面起重机主要技术参数，选取合适的参数值进行实验模拟，并通过上位机软件显示 H的变化 曲线。参 数 值选 取 如 下：T=ls，H 一=3m，Lb~se=15．4m， (I)1?=0．00872rad／s，Vlmax-O．1m／S，H =Sm，H =6m。为了方便又不失真实性，假设当主臂变幅且手柄偏移量达最大值时，变幅角速度 CO 从 0开始以最大角加速度变化到 ，然后保持 匀速运动； 当主臂伸 出且手柄偏移量达最大值时，伸出速度 v 从 0开始以最大加速度变化到v 一，然后保持 v 匀速运动。实际中，变幅角度 a、主臂长度 L、吊钩离地高度 H等信息可由力限器、高度指示仪等检测设备获取，而在实验中，上述值由起重机机构仿真模块中建立的模型计算得出，随后计算值发送至 CAN网络中，并由PLC周期性读取。

4．3实验结果实验分成两种情况：①主臂变幅起升： 变幅角度从 a=O变化到 Hinit=Hbase=3m；②主臂伸出：主臂长度从 L=L 。=15．4m变化到L=26．8m，模拟第 2节臂完整伸出的过程，变幅角度 a=n／3保持不变，H初始值设为 Hinit=8m。

在这两种情况下，H随时间的变化曲线分别如图4a、b所示。

墨趔 4 243 83 63 43 23詈趔 T罂 6 86 65 46 2Bs 8图4两种情况下的H变化曲线图o=n／3，主臂长度L=L 保持不变，H初始值设为由图4可以看出：情况①中，随着主臂变幅起升，卷扬角速度随动调节，H逐渐从初始值 3m上升到设定的安全高度区间，并维持在安全高度最小值 5m；情况②中，随着主臂伸出，卷扬角速度随动调节，H逐渐从初始值 8m下降到设定的安全高度区间，并维持在安全高度最大值6m。结合起重机基本模型，在操作员执行主臂变幅起升或者主臂伸出时，卷扬随动策略可以使吊钩离地高度较快地趋向于设定的安全高度区间，并维持 H处于安全高度范围内。在卷扬随动模式下，操作员可以连贯地完成主臂变幅或者伸出过程，与原有的操控方式比较，安全性和作业效率都有较大程度提高。

5结束语卷扬随动策略可以有效解决起重机操作员在执行主臂变幅或者伸缩时面临的问题，能够提升操作过程中的安全性和连贯性，并且缩短后续起吊重物作业时调整吊钩离地高度所需的时间，提升作业效率。实际起重机系统比所搭建的起重机基本模型更为复杂，一些实际因素比如主臂伸出较长时的弯曲程度、所选用传感器的检测精度等均会对卷扬随动效果产生影响，应该根据实际情况对控制策略进行调整，使其满足工程应用要求。

参考文献 ：[1] 蔡福海 ，高顺德 ，王欣 ．全地面起重机发展现状及其 关键 技术探讨 [J]． 工程机械 与维修 ，2006(9)：66-70.

[2] 程磊 ．QAY125全地 面起 重机 关键技 术研究[D]．吉林：吉林大学，2005.

[3] 徐州重型机械有限公司．QAY300全地面起重机操作手册 [EB／0L]．徐州重型机械有限公司 ，201 0—2011.

[4] 于荣 ，孙晓洁，孟玉静等 ．混凝土泵车臂架半实物仿真控制系统 [J]．工业控制计算机 ，20l2，25(4)：8-9，60.

[作者简介 ] 何冰，男，江苏常熟人，硕士研究生，主要研究方向为模式识别与智能系统。

(收稿 日期：201 3-07-24)