摘要：起重機(jī)是指在一定范圍內(nèi)垂直提升和水平搬運(yùn)重物的多動(dòng)作起重機(jī)械。又稱(chēng)吊車(chē)。屬于物料搬運(yùn)機(jī)械。起重機(jī)的工作特點(diǎn)是做間歇性運(yùn)動(dòng)，即在一個(gè)工作循環(huán)中取料、運(yùn)移、卸載等動(dòng)作的相應(yīng)機(jī)構(gòu)是交替工作的，起重機(jī)在市場(chǎng)上的發(fā)展和使用越來(lái)越廣泛。

　　關(guān)鍵詞：起重機(jī),電子技術(shù),機(jī)電化論文發(fā)表

　　起重機(jī)主要包括起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)等。起升機(jī)構(gòu)是起重機(jī)的基本工作機(jī)構(gòu)，大多是由吊掛系統(tǒng)和絞車(chē)組成，也有通過(guò)液壓系統(tǒng)升降重物的。運(yùn)行機(jī)構(gòu)用以縱向水平運(yùn)移重物或調(diào)整起重機(jī)的工作位置，一般是由電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器和車(chē)輪組成。變幅機(jī)構(gòu)只配備在臂架型起重機(jī)上，臂架仰起時(shí)幅度減小，俯下時(shí)幅度增大，分平衡變幅和非平衡變幅兩種。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用以使臂架回轉(zhuǎn)，是由驅(qū)動(dòng)裝置和回轉(zhuǎn)支承裝置組成。金屬結(jié)構(gòu)是起重機(jī)的骨架，主要承載件如橋架、臂架和門(mén)架可為箱形結(jié)構(gòu)或桁架結(jié)構(gòu)，也可為腹板結(jié)構(gòu)，有的可用型鋼作為支承梁。

　　隨著起重機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展越來(lái)越多的企業(yè)加入到起重機(jī)行業(yè)中來(lái)。高滿(mǎn)指出，工程機(jī)械的風(fēng)險(xiǎn)包括技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、供求風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)等。當(dāng)前工程機(jī)械部分產(chǎn)品的核心技術(shù)主要體現(xiàn)在總體設(shè)計(jì)和技術(shù)集成方面，如果企業(yè)不能及時(shí)研究開(kāi)發(fā)新技術(shù)、新工藝及新產(chǎn)品，滿(mǎn)足市場(chǎng)的要求，產(chǎn)品可能面臨被淘汰的風(fēng)險(xiǎn)。

　　由于我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，特別是國(guó)際工程機(jī)械巨頭大舉進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)。與國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，我國(guó)企業(yè)在產(chǎn)品種類(lèi)、研發(fā)實(shí)力、技術(shù)水平、資本規(guī)模及品牌影響力等方面還有較大差距。此外，世界經(jīng)濟(jì)的波動(dòng)也或?qū)⒔o該行業(yè)帶來(lái)一定的不可控風(fēng)險(xiǎn)。工程機(jī)械行業(yè)作為基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目投資拉動(dòng)型行業(yè)，如果未來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度的放緩，固定資產(chǎn)投資規(guī)模下。

　　起重機(jī)廣泛應(yīng)用于港口碼頭、廠房、車(chē)間、倉(cāng)庫(kù)等工業(yè)場(chǎng)所，要求安全可靠、快速、精確定位以及運(yùn)行平穩(wěn)。然而在起重機(jī)工作過(guò)程中由于大、小車(chē)的加減速和負(fù)載的提升動(dòng)作以及風(fēng)力、摩擦引起的擾動(dòng)等會(huì)引起負(fù)載的來(lái)回?cái)[動(dòng)，這不僅嚴(yán)重影響作業(yè)效率，而且增加了起重機(jī)發(fā)生事故的可能性。為此，起重機(jī)的防擺控制越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。

　　1、起重機(jī)防擺技術(shù)分類(lèi)

　　起重機(jī)防擺技術(shù)分為機(jī)械式防擺和電子式防擺兩類(lèi)。

　　機(jī)械式防擺主要是通過(guò)機(jī)械手段消耗擺動(dòng)的能量來(lái)達(dá)到最終消除搖擺的目的。例如交叉鋼絲繩減搖裝置，分離小車(chē)式減搖裝置，翹板梁式減搖等，然而大多數(shù)機(jī)械防搖裝置因外圍設(shè)備太多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，維修保養(yǎng)工作量大且價(jià)格昂貴，因而實(shí)際應(yīng)用存在諸多問(wèn)題。同時(shí)，傳統(tǒng)的機(jī)械防搖設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中仍存在停機(jī)時(shí)振動(dòng)太大等不足。

　　電子式防擺是通過(guò)各種傳感器和檢測(cè)元件將檢測(cè)到的擺角、角速度等信息，從而控制小車(chē)的運(yùn)行方向和速度，將該擺動(dòng)角度限制到最小，達(dá)到防擺的目的。電子防擺作為一種新興的防搖措施，將減擺和小車(chē)運(yùn)行結(jié)合起來(lái)，通過(guò)控制相應(yīng)的輸入力來(lái)達(dá)到降低搖擺的效果。這就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，從而使減搖脫離了司機(jī)的操作經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)發(fā)展下去也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人化操作。因此，電子防搖技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的重視。電子式防擺按控制方式的不同，可以分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。

　　2、起重機(jī)電子式防擺系統(tǒng)組成及原理

　　電子防擺系統(tǒng)組成

　　橋式起重機(jī)電子防擺控制系統(tǒng)由傳感器、可編程控制器、驅(qū)動(dòng)裝置及橋式起重機(jī)系統(tǒng)組成。其工作原理是：微機(jī)內(nèi)部控制軟件(可編程控制器)對(duì)各種傳感器和檢測(cè)元件檢測(cè)到的信息，如吊具前后擺動(dòng)的角度和角速度，進(jìn)行處理后，將最佳的控制參數(shù)提供給小車(chē)調(diào)速系統(tǒng)(驅(qū)動(dòng)裝置)來(lái)控制小車(chē)的運(yùn)行方向和速度，將吊具及載荷的擺動(dòng)角度限制到最小，達(dá)到防擺和消擺的目的。

　　3、起重機(jī)電子式防擺控制研究現(xiàn)狀

　　鑒于起重機(jī)自動(dòng)控制問(wèn)題的重要性，國(guó)內(nèi)外研究人員都對(duì)起重機(jī)的準(zhǔn)停和防擺問(wèn)題做了一定的研究工作，并取得了一定的成果。

　　3.1由于經(jīng)典控制理論體系的完善和成熟，所求解的控制器簡(jiǎn)單實(shí)用，在實(shí)際工業(yè)控制中大量應(yīng)用。同樣，在防搖問(wèn)題上，許多學(xué)者采用經(jīng)典控制方法的研究。基于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)方法的防擺起重機(jī)在工業(yè)實(shí)踐中通常不用測(cè)量有效載荷的搖擺角度。例如Hetronic公司的ASLC(AntiSwingLoadControl)系統(tǒng)，它主要應(yīng)用來(lái)在工業(yè)橋式和門(mén)式起重機(jī)中，該控制系統(tǒng)不需要反饋載荷擺動(dòng)狀況，根據(jù)操作人員的控制信號(hào)以及繩長(zhǎng)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)載荷擺動(dòng)減小。SmartCrane公司的SmartCrane開(kāi)環(huán)控制防搖的系統(tǒng)，主要依賴(lài)于控制起重機(jī)的加速度來(lái)減小擺動(dòng)。Konecranes公司開(kāi)發(fā)的DynAPilot負(fù)載搖擺控制系統(tǒng)，主要通過(guò)負(fù)載的高度信息和操作指令來(lái)計(jì)算最優(yōu)的加速路徑實(shí)現(xiàn)減小擺動(dòng)的目的。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)不能檢測(cè)誤差，也不能校正誤差，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變動(dòng)很敏感。韓國(guó)學(xué)者Hoon Lee采用經(jīng)典控制理論，用傳統(tǒng)的根軌跡、頻域法分析防搖問(wèn)題，同時(shí)也適當(dāng)?shù)牟扇×爽F(xiàn)代的智能控制，將兩種方法結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了防擺、定位控制器，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，取得了較好的結(jié)果[1]。美國(guó)學(xué)者Hanafy設(shè)計(jì)了基于增益調(diào)度控制思想的全狀態(tài)反饋控制器，采用PID控制分別設(shè)計(jì)定位和防搖的控制器，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了該方法可以有效的迅速消除擺動(dòng)[2]。

　　3.2傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析是建立在已知系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，而實(shí)際系統(tǒng)由于存在復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性、不確定性和不完全性等，一般無(wú)法獲得精確的數(shù)學(xué)模型;研究這類(lèi)系統(tǒng)時(shí)，必須提出并遵循一些比較苛刻的假設(shè)，而這些假設(shè)在應(yīng)用中往往與實(shí)際不相吻合;對(duì)于某些復(fù)雜的和包含不確定性的對(duì)象，由于無(wú)法解決建模問(wèn)題，所以根本不能以傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來(lái)表示;為了提高性能，傳統(tǒng)控制理論可能變得非常復(fù)雜，從而增加了控制設(shè)備初始投資和維修費(fèi)用，降低了系統(tǒng)的可靠性。因此不依賴(lài)數(shù)學(xué)模型且能適應(yīng)不確定性的智能控制方法如模糊控制可以被應(yīng)用到此類(lèi)控制中，當(dāng)前模糊控制在起重機(jī)防擺的試驗(yàn)或仿真方面取得了不少成果。

　　利用模糊控制防擺的主要原理是模仿司機(jī)的操作經(jīng)驗(yàn)：開(kāi)始時(shí)驅(qū)動(dòng)小車(chē)加速運(yùn)行，如果開(kāi)始后還離目的地很遠(yuǎn)，則應(yīng)按一定加速度增加小車(chē)速度，使貨物稍落后于小車(chē);當(dāng)貨物接近目標(biāo)時(shí)，則應(yīng)按一定負(fù)加速度減小小車(chē)速度，使貨物稍前于小車(chē);當(dāng)貨物離目的地很近時(shí)，稍微增大小車(chē)加速度(小車(chē)仍減速行駛)，使貨物正好懸于目標(biāo)位置上，且當(dāng)不搖擺時(shí)，電機(jī)停車(chē)。

　　Chenngyuan C等人設(shè)計(jì)了兩個(gè)模糊控制器，用小車(chē)位置模糊控制器實(shí)現(xiàn)起重機(jī)快速對(duì)位，用吊重?cái)[角模糊控制器達(dá)到抑制吊重?fù)u擺[3]。王曉軍針對(duì)小車(chē)吊重模型的非線性和不確定性，利用兩個(gè)模糊控制器分別對(duì)小車(chē)的位置和負(fù)載的擺動(dòng)進(jìn)行模糊控制，并和線性二次型最優(yōu)控制進(jìn)行了比較，取得良好的控制效果[4]。Sung-Kun Cho使用位置伺服控制和模糊邏輯控制器分別對(duì)起重機(jī)的位置和擺角進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確定位和迅速消擺，取得了比較滿(mǎn)意的控制效果[5]。Benhidjeb和Gissinger.對(duì)起重機(jī)的模糊控制和Linear Quadratic Gaussian(LQG)控制進(jìn)行了比較研究[6]; Nally M和Trabia M B對(duì)起重機(jī)的位置和擺角分別進(jìn)行了控制，其中模糊位置控制規(guī)則的建立側(cè)重于小車(chē)的位置參考曲線[7];波蘭的Nowacki Z和Owezarz D則利用比例PD控制器和模糊PD控制器對(duì)起重機(jī)進(jìn)行控制并利用變結(jié)構(gòu)理論對(duì)系統(tǒng)的魯棒性進(jìn)行了分析[8]; MahfoufM和Kee C H等人在對(duì)起重機(jī)模型進(jìn)行開(kāi)環(huán)試驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)起重機(jī)的模糊控制方法進(jìn)行了閉環(huán)研究，模糊位置控制規(guī)則的建立也是基于小車(chē)的位霞參考曲線[9];國(guó)內(nèi)如中國(guó)民航學(xué)院的華克強(qiáng)”在模型起重機(jī)上對(duì)簡(jiǎn)化的模糊起重機(jī)防擺方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，取得良好效果[10];

　　3.3模糊控制的實(shí)質(zhì)是將基于專(zhuān)家知識(shí)的控制策略轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)的策略，主要原理是模仿司機(jī)的操作經(jīng)驗(yàn)，建立模糊控制規(guī)則庫(kù)。在模糊控制器中，精確量的模糊化、模糊規(guī)則的選取及輸出信息的模糊判決來(lái)自專(zhuān)家和操作員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，且在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中保持不變，不能在線修正模糊推理以適應(yīng)控制對(duì)象的大范圍變化。因此，模糊控制難以解決自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)問(wèn)題單純的模糊控制器的設(shè)計(jì)亦有不足之處，缺乏理論的指導(dǎo)和有效的設(shè)計(jì)方法，不僅隸屬函數(shù)的確定、模糊規(guī)則的選取來(lái)自人的操作經(jīng)驗(yàn)，并需經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，才能得到比較好的控制品質(zhì)，而且不能在線修正以適應(yīng)控制對(duì)象的大范圍變化。因此，模糊控制的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)是需要解決的瓶頸問(wèn)題

　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究開(kāi)始是在20世紀(jì)40年代，并在80年代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究逐漸深化，應(yīng)用面也逐漸擴(kuò)大。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)、自組織、函數(shù)逼近、大規(guī)模并行處理及較強(qiáng)的魯棒性等特點(diǎn)，為解決不確定非線性的建模和控制問(wèn)題提供了一種新的有效途徑。因此，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)己成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家研究的一個(gè)新的方向。J. A. Mendez和L. Acosta等人采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)起重機(jī)控制參數(shù)調(diào)整，使用BP算法在線訓(xùn)練來(lái)減少二次成本函數(shù)[11,12]。

　　郭建明將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成隸屬函數(shù)和修正模糊控制規(guī)則，既克服了單純的模糊控制必須具備較完善的控制規(guī)則和系統(tǒng)自學(xué)習(xí)能力差的缺點(diǎn)，又克服了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息隱式、權(quán)值的初始值難以確定的不足[13]。T. Ishide等人在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練使用反向傳播法來(lái)控制起重機(jī)的擺動(dòng)[14]。J. Smoczek 和 J. Szpytko使用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法研究起重機(jī)的防擺 [15]。

　　4、結(jié)論與展望

　　本文探討了起重機(jī)電子式防擺技術(shù)及其存在的問(wèn)題，分析了電子式防擺技術(shù)工作原理和國(guó)內(nèi)外研究狀況，存在的問(wèn)題。

　　起重機(jī)吊重防搖閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本要求之一就是需要現(xiàn)場(chǎng)提供狀態(tài)變量空間中的小車(chē)位置、小車(chē)速度、吊重?cái)[角和吊重?cái)[角角速度等信息。這可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)的物理傳感器檢測(cè)這些變量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，但前提是這些變量必須具有可測(cè)性或便于測(cè)量。但實(shí)際上并不是每個(gè)變量都具有可測(cè)性，或者有的變量即使具有可測(cè)性也往往測(cè)量成本較高或不方便測(cè)量。由于起重機(jī)小車(chē)與吊重的柔性聯(lián)結(jié)特點(diǎn)，對(duì)吊重?cái)[角和擺角角速度信息測(cè)量就一直成為工程中有待解決的難題，吊重?cái)[角和擺角角速度測(cè)量技術(shù)也成為吊重防搖控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　鑒于起重機(jī)系統(tǒng)模型存在著許多未知干擾，很難用精確數(shù)學(xué)模型來(lái)反映起重機(jī)的實(shí)際動(dòng)態(tài)過(guò)程。開(kāi)發(fā)不依賴(lài)于系統(tǒng)模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制器，使系統(tǒng)有較強(qiáng)的魯棒性能夠適應(yīng)不同的工況。還可以方便的加入一些經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家知識(shí)的數(shù)據(jù)，適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)變化，提高控制效果。