阅读说明：本技术 用于塔式起重机拉杆的减振系统和减振方法 (Vibration reduction system and vibration reduction method for tower crane pull rod ) 是由 左旸 王爱红 马浩钦 秦泽 王恺 于 2020-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于塔式起重机拉杆的减振系统和减振方法,目的是为了解决塔式起重机拉杆容易在风载荷的激励下产生振动,进而影响塔式起重机起重臂运行平稳性的技术问题。本发明的减振系统包括两个加速度传感器、电荷放大器、模拟数字转换器、控制器、D/A转换器、U/I转换电路和若干作动器；本发明利用磁流变阻尼器阻尼可变的的特性快速吸收振动能量,从而减小振动,使拉杆在短时间之内恢复稳定,避免发生由振动带来的塔机事故。本发明采用模糊PID控制器,采用模糊控制与PID控制相结合,可以弱化磁流变阻尼器结构时滞带来的负面效应,响应迅速,鲁棒性好,能够很好地适应条件的变化,解决系统的非线性问题,减振效果显著,能耗低,且具有高度的智能化。(The invention relates to a vibration reduction system and a vibration reduction method for a tower crane pull rod, and aims to solve the technical problem that the tower crane pull rod is easy to vibrate under the excitation of wind load, so that the operation stability of a crane boom of a tower crane is influenced. The vibration damping system comprises two acceleration sensors, a charge amplifier, an analog-digital converter, a controller, a D/A converter, a U/I conversion circuit and a plurality of actuators; the invention utilizes the characteristic of variable damping of the magnetorheological damper to quickly absorb vibration energy, thereby reducing vibration, enabling the pull rod to recover stably in a short time and avoiding tower crane accidents caused by vibration. The invention adopts the fuzzy PID controller, combines the fuzzy control and the PID control, can weaken the negative effect caused by the time lag of the magnetorheological damper structure, has quick response and good robustness, can well adapt to the change of conditions, solves the nonlinear problem of the system, has obvious vibration reduction effect, low energy consumption and high intellectualization.)

用于塔式起重机拉杆的减振系统和减振方法

技术领域

本发明属于塔式起重机拉杆防振动技术领域，具体涉及一种用于塔式起重机拉杆的减振系统和减振方法。

背景技术

塔式起重机亦称塔机或者塔吊(以下简称塔机)，其可在一定的三维空间范围内进行垂直及水平作业。塔机在建筑行业具有很高的工作效率，其还具有运输方便、操作方式简单以及适用范围广等特点。作为建筑工地上常见的一种起重设备，塔式起重机被用来吊运施工用的钢筋、木楞、混凝土、钢管等施工的原材料。由于工作性质及工作环境的原因，塔式起重机会受到风载荷的作用。拉杆是塔式起重机的主要受力构件之一，拉杆具有刚度小，阻尼小，质量小的特点，容易在风载荷的激励下产生振动，进而危害塔式起重机起重臂等运行的平稳性。

发明内容

本发明的目的是为了解决塔式起重机拉杆容易在风载荷的激励下产生振动，进而影响塔式起重机起重臂运行平稳性的技术问题，提供一种用于塔式起重机拉杆的减振系统和减振方法，避免塔机拉杆在风载荷和其他载荷的激励下产生大幅振动，从而提高塔式起重机的稳定性和安全性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种用于塔式起重机拉杆的减振系统，它包括两个加速度传感器、电荷放大器、模拟数字转换器、控制器、D/A转换器、U/I转换电路和若干作动器；所述两个加速度传感器分别安装在塔式起重机拉杆端部的塔顶和起重臂上，所述加速度传感器的信号输出端连接有电荷放大器，所述电荷放大器的信号输出端连接有模拟数字转换器，所述模拟数字转换器的信号输出端连接有控制器，所述控制器的输出端连接有D/A转换器，所述D/A转换器的信号输出端连接有U/I转换电路，所述U/I转换电路的输出端与作动器连接，所述作动器串联在塔式起重机的拉杆上。

进一步地，所述作动器为磁流变阻尼器。

进一步地，所述作动器的数量为两个。

进一步地，所述减振系统以数字计算机为基础。

进一步地，所述控制器为模糊控制系统与PID控制系统相结合的模糊PID控制器。

采用上述减振系统的起重机拉杆的减振方法，包括以下步骤：

(1)塔式起重机拉杆受风载荷的影响产生振动，加速度传感器采集到振动信号并传输给电荷放大器；

(2)电荷放大器对采集到的信号进行放大并传输给模拟数字转换器，模拟数字转换器将所采集到的模拟信号转换为数字信号并传输给控制器；

(3)数字信号输入控制器后，先经控制器模糊规则计算对PID参数进行调整，然后通过控制器中的计算模块分析计算求得所需的控制力，再通过控制器中的判定模块对控制力进行修正，最后输出修正后的数字信号；

(4)控制器输出的数字信号经过D/A转换器转换为电压信号；

(5)电压信号经过U/I转换电路转换为电流信号流入作动器；

(6)作动器接收电流信号，通过电流产生外加磁场，外加磁场影响作动器阻尼力的输出，并根据起重机拉杆的振动情况实时控制作动器输出的阻尼力，抑制起重机拉杆的振动，从而达到减振效果。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在塔式起重机拉杆上安装磁流变阻尼器，并利用其特殊性能达到实时减弱塔式起重机拉杆的振动，降低风载荷对塔式起重机的危害。当拉杆发生振动时，本发明可利用磁流变阻尼器阻尼可变的的特性快速吸收振动能量，从而减小振动，使拉杆在短时间之内恢复稳定，避免发生由振动带来的塔机事故

2、本发明采用模糊PID控制器，采用模糊控制系统与PID控制系统相结合，可以弱化磁流变阻尼器结构时滞带来的负面效应，响应迅速，鲁棒性好，能够很好地适应条件的变化，解决系统的非线性问题，减振效果显著，能耗低，且具有高度的智能化。

附图说明

图1是本发明减振系统的结构示意图；

图2是本发明减振系统中作动器的安装示意图；

图3是模糊控制系统的组成示意图；

图4是PID控制系统的原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步地描述。

如图1所示，本实施例中的一种用于塔式起重机拉杆的减振系统，它包括两个加速度传感器、电荷放大器、模拟数字转换器、控制器、D/A转换器、U/I转换电路和两个作动器。

所述两个加速度传感器分别安装在塔式起重机拉杆端部的塔顶和起重臂上，所述加速度传感器的信号输出端连接有电荷放大器，所述电荷放大器的信号输出端连接有模拟数字转换器，所述模拟数字转换器的信号输出端连接有控制器，所述控制器的输出端连接有D/A转换器，所述D/A转换器的信号输出端连接有U/I转换电路，所述U/I转换电路的输出端与作动器连接，所述作动器串联在塔式起重机的拉杆上，如图2所示。所述作动器为磁流变阻尼器，只接受电流信号。

所述减震系统以数字计算机为基础，只接收数字信号。考虑到模糊控制器虽响应迅速，鲁棒性强，但是需要占用计算机很大的存储空间，控制精度低的特点；以及PID控制具有很好的适应性，但人工调节参数较为复杂的特点。本发明的控制器采用模糊控制系统与PID控制系统相结合的模糊PID控制器，实现对减振系统的控制。

采用上述减振系统的起重机拉杆的减振方法，包括以下步骤：

(1)塔式起重机拉杆受风载荷的影响产生振动，加速度传感器采集到振动信号并传输给电荷放大器；由于传感器采集到的信息一般很微弱，需要将电荷放大器和传感器相串联；

(2)电荷放大器对采集到的信号进行放大并传输给模拟数字转换器，模拟数字转换器将所采集到的模拟信号转换为数字信号并传输给控制器；

(3)数字信号输入控制器后，先经控制器模糊规则计算对PID参数进行调整，然后通过控制器中的计算模块分析计算求得所需的控制力，再通过控制器中的判定模块对控制力进行修正，最后输出修正后的数字信号；

所述控制器为模糊控制系统与PID控制系统相结合的模糊PID控制器。

因为模糊控制虽然具有响应迅速，超调量小和强鲁棒性的特点，能够解决系统的非线性问题，但是模糊控制器包含模糊理论，知识库等部分，需要占用计算机的很大存储空间，这与计算机的存储量产生矛盾，因此模糊控制器不能完全发挥其作用，控制精度不高。而PID控制器有较好的适应性，但是人工调节参数比较复杂；即使PID参数调节好，当控制系统参数改变时，控制性能会受到影响。基于塔式起重机拉杆所处的工作环境较为复杂，所以本发明采用模糊控制与PID控制相结合。

模糊控制系统分为模糊化接口(对输入进行模糊运算，转换成模糊控制系统可以识别的符号)、知识库(包括数据库和规则库，为模糊运算过程提供数据及规则)、模糊逻辑推理机(由已知知识求解未知结果的过程)和解模糊接口(模糊语言转变为实际需要输出的过程)四个部分。其基本结构如图3所示。模糊规则决定着模糊控制器的控制品质，是模糊控制器的心脏。

PID控制是基于对过去状态的分析、对现在状态的调节和对未来状态的一种把握。在PID控制系统中，以给定值r(t)和反馈值的偏差e(t)作为输入，根据不同的影响因子，以不同的权重对比例、积分、微分环节实现线性组合运算，输出的控制量u(t)直接对被控对象进行控制。PID控制系统原理图如图4所示。控制器的输入输出关系表述如下：

式中K_p为比例增益系数，T_i为积分系数，T_d为微分系数。

模糊PID控制器可以利用模糊规则对PID参数K_p，T_i，T_d实现实时控制。根据系统的偏差，利用模糊推理决策，自动的在线调整PID参数，来适应工作环境和系统参数的变化。模糊控制器关联着PID参数，影响到系统的性能，模糊PID控制能够有效提高控制系统的精度和适应性。模糊控制器的输入变量，经过模糊化计算再根据模糊规则进行推理决策，最后进行解模糊得出模糊控制器的输出变量。然后通过判定模块来判定计算所得出的控制力F是否满足条件，若计算所得的控制力F小于作动器的F_min，则取F＝F_min；若控制力F大于作动器的F_max，则取F＝F_max；最后经过计算分析得出与作动器相匹配的数字信号。

(4)控制器输出的数字信号经过D/A转换器转换为电压信号；

(5)电压信号经过U/I转换电路转换为电流信号流入作动器；

(6)作动器接收电流信号，通过电流产生外加磁场，外加磁场影响作动器阻尼力的输出，并根据起重机拉杆的振动情况实时控制作动器输出的阻尼力，抑制起重机拉杆的振动，从而达到减振效果。

以上所述的实施方式仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施方式来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。