【摘 要】
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塔式起重机具有工作范围大、操作方便和占地面积小等优点,被广泛应用于建筑行业。为了提高生产效率,塔式起重机的变幅机构通常以高速运行。然而,变幅机构的频繁启停会使货物产生摆动。过大的摆动不仅会影响货物的定位精度,降低施工效率,还会对工作人员的安全造成威胁。另外,由于塔式起重机的整体尺寸较大,并且一般在室外工作,货物非常容易受到风载荷的影响,增加了摆动的不确定性。因此需要一种塔式起重机专用的控制系统对货
【基金项目】
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国家自然科学基金“塔式起重机结构振动与载荷摆动耦合机理及其控制理论研究”资助项目（NO.51475277）； 济南市“高校20条”科研带头人工作室资助项目“起重机械装备智能化创新技术”（NO.2019GXRC064）；
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塔式起重机具有工作范围大、操作方便和占地面积小等优点,被广泛应用于建筑行业。为了提高生产效率,塔式起重机的变幅机构通常以高速运行。然而,变幅机构的频繁启停会使货物产生摆动。过大的摆动不仅会影响货物的定位精度,降低施工效率,还会对工作人员的安全造成威胁。另外,由于塔式起重机的整体尺寸较大,并且一般在室外工作,货物非常容易受到风载荷的影响,增加了摆动的不确定性。因此需要一种塔式起重机专用的控制系统对货物摆动进行抑制。本文针对塔式起重机运行过程中的货物摆动问题,通过动力学模型分析货物摆动规律,提出一种开闭环结合的货物消摆控制策略,并基于虚拟样机技术对该控制策略进行构建、测试和验证。主要研究内容如下:（1）基于拉格朗日函数建立了塔式起重机在风载荷作用下的货物摆动动力学模型,提出了以风力等级为标准的风载荷计算方法,通过数值仿真分析了不同工况对货物摆动特性的影响,将仿真曲线与实验结果进行比较,验证了动力学模型的准确性。（2）基于QTZ5613塔式起重机的结构尺寸和工作参数,应用Solid Works软件和ADAMS软件建立塔式起重机虚拟样机,并对其进行了模型校验、强度校核和稳定性校核。按照实际工况对虚拟样机进行仿真,将虚拟样机得到的货物摆动曲线与动力学方程得到的货物摆动曲线进行比较,验证虚拟样机模拟货物摆动的准确性。（3）基于货物摆动动力学方程设计了适用于塔式起重机的PD结合输入整形控制器,并确定了控制器的具体参数。将塔式起重机虚拟样机导出至MATLAB/Simulink环境中,完成ADMAS软件与MATLAB软件之间的通信,在MATLAB/Simulink环境中建立虚拟样机的PD结合输入整形货物消摆控制系统,调整虚拟样机的联合仿真参数,对所建立的控制系统进行测试。（4）使用MATLAB软件和ADAMS软件对塔式起重机虚拟样机进行联合仿真,分别验证了所设计的PD结合输入整形控制系统在无风、逆风和顺风情况下抑制货物摆动的实际效果,并与标准的PD反馈控制系统进行对比。仿真结果表明,本文所设计的PD结合输入整形控制系统可以有效抑制塔式起重机的货物摆动,但随着风载荷的增大,控制系统的作用效果会逐渐减弱。
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