正面吊吊具垂直运动与复合运动

摘要：集装箱正面吊运机的大规模使用中，通常只是简单的对支撑油缸及大臂油缸进行伸缩运动方向的控制。这样其运动坐标系与操作者日常所习惯的坐标系有很大的不同，造成了设备操作困难，也降低了工作效率。基于模糊控制理论及直线插补原理，提出一种新的正面吊吊具控制方法。通过该办法可同时对支撑油缸及大臂油缸进行电液比例控制，变换其运动坐标系使之符合日常习惯，使正面吊吊具进行垂直运动、水平运动。方便了操作者的使用，同时也提高了工作效率。

关键词：模糊控制；垂直运动；正面吊；吊具

Abstract: the lifting of the container positive machine in extensive use, usually just simple to support cylinder and arm oil cylinder for adjustable direction of motion control. So the movement coordinate system and the operator of the habit daily coordinate system is very different, caused the equipment operation difficulty, also reduces the working efficiency. Based on the fuzzy control theory and linear interpolation theory, this paper proposed a new positive crane sling control method. Through this method can also to support cylinder and arm oil cylinder for electro-hydraulic proportional control, transform the movement coordinate system with daily habits, makes the front of vertical movement crane sling, horizontal movement. Convenient operator use, but also improves the work efficiency.

Keywords: fuzzy control; Vertical movement; Positive condole; sling

中图分类号：D912.29文献标识码：A 文章编号：

随着经济发展，港口吞吐量的不断刷新，使得集装箱正面吊运机这一港口设备得到了广泛使用。集装箱正面吊运机机动灵活稳定性好，能适应狭窄通道作业，场地利用率高。在其使用中，常常利用集装箱正面吊运机对高垛多排集装箱进行操作。

由于正面吊自身机械结构的问题，通常只对其进行简单的运动控制：如支撑油缸的伸缩、大臂油缸的伸缩等动作。而此类运动坐标系与操作者日常所习惯的坐标系有很大的不同。这样一来，加大了设备操作的难度，同时也降低了其实际使用效率。

1 工作原理

为了解决上述问题，提出了一种基于模糊控制理论及直线插补原理的智能控制方法。该方法能实现对正面吊吊具的垂直控制、水平控制。因其控制实际上就是对坐标系统的转化，这在机床控制上有着广泛的应用，这里就借用数控机床控制中的直线插补原理来简要说明控制方法。

1.1 直线插补原理

在运动控制中，吊具在X、Y轴上的最小移动单位设为一个脉冲当量（一步）。因此，吊具的运动轨迹是具有极小台阶所组成的折线（数据点密化）。正面吊垂直运动就是支撑油缸（假设为X轴）、大臂油缸（假设为Y轴），那么要使吊具沿垂直方向（假设为目标曲线）运动，吊具是沿X轴移动一步或几步，再沿Y轴方向移动一步或几步，直至到达目标点。从而合成所需的运动轨迹。

考虑到本项目的实际应用，进一步考虑如何控制运动速度的问题。

1.2运动速度分析

在本项目中如图2所示，正面吊的最大仰角α≯45°，DE为垂直运动的轨迹。

图1 正面吊几何结构

在大臂油缸AD和支撑油缸BC以同样的速度伸出时，观察图1可知垂直运动时，以支撑油缸BC的运动为主运动。图2为极限速度（360mm/s）时理论计算出的各项运动参数曲线。

图2 正面吊运动参数

通过对运动速度的分析，可以得出以下结论：

1、在单向运动中，速度的变化总是连续的。速度曲线是一个连续的平滑的曲线并且在单位时间内是没有大的变化率（＜20%实时速度）。

2、两油缸运动的速度的比值总是有规律可循的。对运动速度函数的分析，能大致掌握两油缸运动速度的比值关系。

这就为控制发动机进行平滑变速的实现提供了理论基础。并且，液压泵采用自控制变量泵，它能对总流量变化起到一定的自动调节作用，进一步降低了控制的复杂性。

2 理论计算

这里以垂直运动为例，进行简要分析计算。如图2所示，在做垂直运动过程中，AE保持不变为初始值，此时公式为：

若每步运动距离为Y，则第n步完成时上述变量变化为：

其中下标n为第n步结果，n-1为第n-1步结果。

通过以上公式，即可求得第n步时吊臂及支撑油缸长度和夹角。按照直线插补控制进行移动使大臂油缸和支撑油缸到达所需要的位置。

3 实现方法

3.1 模糊变滑模结构

根据正面吊实际运动中的特点，可对速度曲线进行模糊化划分，分成若干个具有一定线性的特征的曲线。对于每个小曲线，都能够进行精确的描述及确定变量输出数值。通过将控制策略的细分，将控制变得相对简单，易于操作和理解。

3.2 阶段模糊控制

对于输出进行变幅控制。将输出频率的变化率控制在一定范围之内，避免出现过激运动及突变运动。不仅在稳态时具有良好的运动控制效果，而且在阶段过渡过程也能表现出稳定的控制效果。

图3 比例电磁阀的模糊控制

对于每一个阶段需要进行比例电磁阀的模糊控制，如图3所示。需进行参数模糊化、模糊推理、解模糊等步骤，从而计算出给定输出频率。

此模糊控制系统有以下几个特点：

1、垂直操作时，进行微调时优先对伸缩油缸进行调整，响应速度快；有较大变化量时，优先调整举升油缸，随后对伸缩油缸进行自动微调，以弥补误差。

2、具有自动微量调节控制。根据上一步运动时间与期望周期时间的差值（较小范围），推理出本次流量微小加减量的程度，使控制效果趋于更优化、更符合期望的方向发展。即最大程度符合期望输出曲线。

4 结语

在正面吊吊具的运动中最主要的运动为垂直运动。它主要用于集装箱吊装过程中的对准锁具、垂直起吊、精准堆码集装箱等操作。利用上述方法可实现正面吊吊具的垂直运动及水平运动的控制。这种方法的应用，能降低操作者的劳动强度，提高人工操作的准确性，一定程度上提高了工作效率。

参考文献：

1、曾光奇、刘春玲，等.模糊控制理论与工程应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.8.

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3、蔡自兴.智能控制导论[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

4、杜国臣，王士军.机床数控技术[M].北京：中国林业出版社；北京大学出版社，2006.8