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起重机电子防摆技术发展

       随着工业机械的不断发展,起重机(桥式起重机、门式起重机、双梁式起重机、单梁式起重机)广泛应用于港口码头、厂房、车间、仓库等工业场所,要求安全可靠、快速、精确定位以及运行平稳。然而在起重机工作过程中由于大、小车的加减速和负载的提升动作以及风力、摩擦引起的扰动等会引起负载的来回摆动,这不仅严重影响作业效率,而且增加了起重机发生事故的可能性。为此,起重机的防摆控制越来越受到广泛关注。
起重机的防摆技术主要分为两类:

 
      1.机械式防摆。机械式防摆主要是通过机械手段消耗摆动的能量来达到最终消除摇摆的目的,然而大多数机械防摇装置因外围设备太多,结构复杂,可靠性差,维修保养工作量大且价格昂贵,因而实际应用存在诸多问题。
      2.电子式防摆。电子式防摆是通过各种传感器和检测元件将检测到的摆角、角速度等信息,从而控制小车的运行方向和速度,将该摆动角度限制到最小,达到防摆的目的。电子防摆作为一种新兴的防摇措施,将减摆和小车运行结合起来,通过控制相应的输入力来达到降低摇摆的效果。这就可以实现自动控制,从而使减摇脱离了司机的操作经验,同时发展下去也可以实现无人化操作。因此,电子防摇技术得到了越来越广泛的重视。电子式防摆按控制方式的不同,可以分为开环控制和闭环控制。


      鉴于起重机自动控制问题的重要性,国内外研究人员都对起重机的准停和防摆问题做了一定的研究工作,并取得了一定的成果。


      由于经典控制理论体系的完善和成熟,所求解的控制器简单实用,在实际工业控制中大量应用。同样,在防摇问题上,许多学者采用经典控制方法的研究。基于开环控制系统方法的防摆起重机在工业实践中通常不用测量有效载荷的摇摆角度。例如Hetronic公司的ASLC(AntiSwingLoadControl)系统,它主要应用来在工业桥式和门式起重机中,该控制系统不需要反馈载荷摆动状况,根据操作人员的控制信号以及绳长的变化来实现载荷摆动减小。SmartCrane公司的SmartCrane开环控制防摇的系统,主要依赖于控制起重机的加速度来减小摆动。Konecranes公司开发的DynAPilot负载摇摆控制系统,主要通过负载的高度信息和操作指令来计算最优的加速路径实现减小摆动的目的。开环控制系统不能检测误差,也不能校正误差,而且对系统参数的变动很敏感。韩国学者Hoon Lee采用经典控制理论,用传统的根轨迹、频域法分析防摇问题,同时也适当的采取了现代的智能控制,将两种方法结合起来,设计了防摆、定位控制器,并进行了仿真实验,取得了较好的结果[1]。美国学者Hanafy设计了基于增益调度控制思想的全状态反馈控制器,采用PID控制分别设计定位和防摇的控制器,通过仿真实验说明了该方法可以有效的迅速消除摆动。


     传统控制系统的设计与分析是建立在已知系统精确数学模型的基础上,而实际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等,一般无法获得精确的数学模型;研究这类系统时,必须提出并遵循一些比较苛刻的假设,而这些假设在应用中往往与实际不相吻合;对于某些复杂的和包含不确定性的对象,由于无法解决建模问题,所以根本不能以传统数学模型来表示;为了提高性能,传统控制理论可能变得非常复杂,从而增加了控制设备初始投资和维修费用,降低了系统的可靠性。因此不依赖数学模型且能适应不确定性的智能控制方法如模糊控制可以被应用到此类控制中,当前模糊控制在起重机防摆的试验或仿真方面取得了不少成果。
     

       鉴于起重机(桥式起重机、门式起重机、双梁式起重机、单梁式起重机)系统模型存在着许多未知干扰,很难用精确数学模型来反映起重机的实际动态过程。开发不依赖于系统模型的神经网络模糊控制器,使系统有较强的鲁棒性能够适应不同的工况。还可以方便的加入一些经验和专家知识的数据,适应系统参数变化,提高控制效果。

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