全地面起重机超起卷扬自动排绳控制研究

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Research on the control of winch rope automatic arranging ofall-terrian crane super-liftingZHENG Dong，PAN Zhi-yi，XIAO Yu-chen，SONG Xiao-guang全地面起重机超起卷扬是主臂伸缩时收放超起钢丝绳的装置，由于风载和悬索效应 等因素的影响，造成超起卷扬收放钢丝绳时人绳角度过大，导致乱绳现象的发生，不仅严重影响起重机的工作效率，而且对现场施工造成了安全隐患。

解决卷扬乱绳问题的基本方法是增加 自动排绳装置 其基本形式有机械式、电动式、液压气动式等。文献 [1]设计了-种往复丝杆式 自动排绳装置，通过链传动机构、往复丝杆、导向滑块和导向头等保证入绳角度和 自动变换绳的排列方向，实现自动排绳。文献 [3]通过在卷简处安装速度传感器，并将其旋转信号输入PLC中以控制步进电动机转速，从而控制丝杠旋转，使滑块相应作直线运动 ，实现自动排绳。文献 [4]介绍了-种排绳速度可以用液压控制系统进行实时控制的装置，从而使卷扬在工作过程中避免乱绳，提高安全生产效率。虽然自动排绳的方法很多，但基本集中在矿用绞车上，针对全地面起重机超起卷扬自动排绳的研究尚处于起步阶段。目前国外同类产品如利勃海尔LTM1 1200全地面起重机已成功应用超起卷扬自动排绳技术。

本文以-种超起卷扬 自动排绳装置为研究对象，介绍了系统的组成、原理及控制策略，利用经典控制理论对系统进行了建模；通过仿真验证其排绳效果，为设计及调试工作提供参考，以缩短研制周期、降低研制成本。

1 超起卷扬自动排绳系统简介1.1 系统组成及工作原理本文设计的自动排绳系统装置如图l所示 ，由排绳辊、排绳油缸、摆动杆和编码器等装置组成。

主臂伸缩时，超起卷扬配合主臂放出或卷入-定长度的钢丝绳，在此过程中，通过排绳油缸推动摆动杆，带动排绳辊及支架在导轨上作往复运动，从而控制钢丝绳的人绳角度，防止出现乱绳现象。

1.排绳辊 2.排绳辊支架 3.排绳油缸 4.摆动杆5.单圈绝对值编码器 6.多圈绝对值编码器 7.超起卷筒图1 超起卷扬 自动排绳装置[收稿日期 ]2013-04-10[通讯地址 ]郑冬 ，大连市高新园区汇贤园1号 (腾飞园区 )10层CONSTRUCTION MACHINERY 201 3 8 87专题研究l s眦 cH1.2 系统控制策略该系统为阀控液压缸位置控制系统。多圈绝对值编码器6检测卷筒转动圈数，控制器对该值进行计算后，给出此时油缸的理想伸长量。单圈绝对值编码器5检钡0摆动杆的角度，由控制器计算得到油缸的实际伸长量∝制器对两者比较后得到偏差信号，利用该信号控制油缸的运动，形成闭环负反镭制。

2 超起卷扬自动排绳系统建模本文以主臂按-定速度伸缩的工况为研究对象。为确保排绳效果 ，钢丝绳应始终处于紧绷状态，即超起卷扬放出或卷人钢丝绳的长度完全由主臂伸缩长度决定，且该值决定了钢丝绳在卷筒上特定的入绳位置，即排绳辊中心位置。该位置则决定了此时油缸的理想伸长量，即油缸伸长量给定信号。系统模型包含两个部分--油缸伸长量给定信号模型和排绳装置液压系统模型。

2.1 油缸伸长量信号模型的建立2.1.1 超起钢丝绳伸长量与主臂长度关系超起钢丝绳伸长量与主臂长度的关系如图2所示，其中超起支架与主臂在其工作平面成9O。，由三角函数关系得超起钢超起支臂图2 全地面起重机结构简图，： 丽 - (1)88 建筑机械 2013，8(上半月刊)式中Z为超起钢丝绳伸长量；L为主臂伸长量；d为超起支架长度；口为主臂臂头初始位置与超起支架绞点的距离。

2.1.2 排绳辊位置与钢丝绳伸长量关系假设此工况下超起卷筒由第6层开始出绳。通过计算可知，超起卷筒上的钢丝绳放出到第3层时即可满足主臂全部伸出时钢丝绳长度的需要，故以下建模过程只针对3-6层之间的关系式。自动排绳装置的平面结构如图3所示，图中排绳辊的位置即为第6层出绳的起始位置，以图中排绳辊支架上- 点P的初始位置为坐标原点，导轨轴线的方向为曲建立坐标系。由于排绳装置的支架与排绳辊固连，所以用图中P点的位置代替2个排绳辊中心的位置进行讨论。得如下关系式图3 自动排绳装置平面结构图l 妄 l

2.1.3 排绳辊位置与油缸伸长量关系为了方便对长度和角度的讨论 ，将 自动排绳装置的平面图简化为如图4所示线条图 图中虚线为油缸伸长-定长度后的摆杆及油缸的位置，P点为D c与瑚 的交点。由图中各杆之间的关系可得.Xsin0tan -i-xc-osO (6)xg - (7)式中 为油缸伸长量；Xo为油缸原始长度；ol为PC与CO的夹角；f为OC的长度；JB为AC与BC的夹角；jsJAC的长度；O为PO与CO的夹角； 为 c的长度。

综上所述，可得主臂伸长量L与油缸伸长量之间的具体关系，在Simulink中建立以主臂速度v为输入、以油缸伸长量 为输出的信号模型，并将系统的具体参数代人，得到油缸伸长量信号模型如图5所示。

图4 自动排绳装置平面线条图图5 油缸伸长量信号模型2.2 自动排绳装置液压系统模型的建立2.2.1 比例阀的传递函数以电压 为输人、阀芯位移 为输出的传递函数为 、 ]- Ksc㈩ 式中 为比例阀增益；∞ 为比例阀固有频率；6为比例阀阻尼比。

CONSTRUCTION MACHINERY 201 3 8 89，专题研究l s cH2.2.2 阀控液压缸的传递函数以阀芯位移K及外负载力 为输入、油缸位移为输出的传递函数为E s，。 )：Kq(s)(9)式中 为滑阀流量增益；Kc 为流量压力系数；A。为液压缸有效作用面积； 。为容积滞后频率； 为液压固有频率； 为液压阻尼比。

2.2.3 液压系统传递函数方框图及参数确定以理想油缸伸长量 为参考输入、实际油缸伸长量 为输出的闭环负反馈系统传递函数，其方框图如图6所示。根据系统的实际数据计算得到的各参数见表1。

表1 系统参数图6 排绳液压系统传递函数方框图符号 名称 数值c 比例阀增益 3.42×10- m/V比例阀固有频率 1 13.04rad/s6 比例阀阻尼比 0.7滑阀的流量增益 2.60m2/sKce 流量压力系数 3.19×10-m /sPa液压缸有效作用面积 1.3 X 10～m1 容积滞后频率 192rad/sh 液压固有频率 201.76rad/s 液压阻尼比 0.21O050O- 50l[叮- lOO- 1 5O- 200- 0～ tIIY90 建筑机械 2013.8(上半月粤3 超起卷扬自动排绳系统调整、分析与仿真验证3.1 阀控液压缸系统PID参数调整与分析在Simulink仿真软件中建立阀控液压缸系统模型。利用临界比例法调整系统PID参数 ，使其具有较好的动静态性能，经反复调整后最终确定 7，Ki228，Kd0.07。利用MATLAB软件绘出系统的Bode图 ，单位阶跃响应图及单位斜坡响应图如图7所示。

O O.05 0.1 O.1 5 0.2 O.25 O.3时间/sb.单位阶跃响应图7 系统-眭能图组迥时IN/sc.单位斜坡响应、-、-、，J -， /I ～ - - 由图7a可知，系统相位裕量 37.8。，幅值裕量 6.27dB，具有较好的相对稳定性 ，满足工程上要求的30。< <60。， >6dB 。由图7b可知，系统响应速度很快，在0.3s内瞬态过程基本结束，且超调量在50%以内。由图7c可知，系统的跟踪速度很快，在0.2s以后误差可以忽略。综上所述，经过调整的阀控液压缸系统具有良好的动静态特性。

3.2 自动排绳系统整体仿真分析将油缸伸长量给定信号输入阀控液压缸系统，设定主臂的伸缩速度为lm/s，伸长时间100s、缩回时间100s。由于钢丝绳处于绷紧状态 ，所以系统始终在负载力F 的作用下，且该力的作用形式近似为正弦波，设定该力大小为10kN、频率为0.2rad/s。系统仿真模型如图8所示。

l(3.785e.3)/192s3l785e.3 I - F] 彳1 1/201.762s2q].2/201.76sZs l .：：r止5幺放 负载力传递函数 求和器2 示波器. . . i 3.42e.3 f l 2e3 1. -k - r .1 rl10ut1- - -l 1/1 1 3.04 2s20.7/1 1 3.04s1 I I 1/201.76"2s320.2/20i.76sZs I- uPID控制器 比例阀传递函数 阀控缸传递函数 。 丽 子系统图8 自动排绳系统仿真模型仿真结果如图9所示。由图9a可知，阀控缸系统对输入信号有很好的跟随效果，图中实际油缸伸长量曲线基本与给定伸长量曲线重合 ；由图9b可知，系统只在油缸运动换向时，出现误差峰值8O量 60唰 4O世 再20丑 OO·2O.1E。

9- 0.1- O.20.16mm。通过计算可知，0.16mm的跟随误差所产生的人绳角度远小于工程要求1.5。 ，能够满足 自动排绳的要求。

霉 /l -- - ， l ，--、 I -、 ，- 、 l - -- 、 -- I 、 - / 、 ～ /吖 ./ I- fI I40 60 8O 1OO l2O时间t/sb.系统误差值图9 自动排绳系统仿真结果图4 结论(1)本文所提出的自动排绳系统能够解决超160起卷扬钢丝绳的乱绳问题，排绳辊跟随误差最大值为0.16ram，完全满足排绳要求。

(2)通过对系统的研究 ，得到了系统中各变CONSTRUCTION MACHINERY 2013 8 91专题研究 SPEClAL RESEARCH量的关系，揭示了系统中阀控液压缸元件的特点，使工程设计人员能够理解系统，为现场调试时程序的编制和参数的设定提供参考。

(3)在MATLAB/Simulink环境下，实现了PID控制算法在超起卷扬自动排绳系统中的应用，为实际控制器所沿制算法提供了评判依据。