CN102518743B - 一种塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法，应用于包括附着装置的塔吊-索塔结构中，其中附着装置的撑杆固定连接于塔吊和索塔之间，包括步骤：采集塔吊-索塔结构耦合振动的激励响应信号；根据激励响应信号的位移信息和速度信息、保存的塔吊-索塔结构简化力学模型和保存的主动振动控制算法计算出撑杆上的主动振动控制装置的最优主动控制力；根据最优主动控制力和保存的驱动电压算法计算出主动振动控制装置的驱动电压；根据所述驱动电压驱动主动振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力。采用本发明技术方案可使塔吊-索塔结构在发生耦合振动时保持稳定，减振效果显著，且智能化程度较高。

Description

一种塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法

技术领域

本发明涉及工程机械的振动控制技术，特别是涉及一种塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法。

背景技术

随着国内基础设施安装工程朝着大型、高效和安全的方向发展，桥梁、电厂、风电、化工和高层房屋等领域的建设对大型塔吊(又称塔式起重机)的需求呈快速发展趋势。

由于对现代桥梁大跨度和轻质化的发展要求，在桥梁结构的设计中，索塔段从传统的钢混结构转变为钢制结构，这种转变不仅降低了桥梁的重量，同时也引发了对施工方法的改进。传统的施工方法是人工进行浇筑，效率低且质量得不到保障；为了提高施工效率和质量，现代桥梁的施工采用大吨位塔吊对桥梁钢索塔进行分节吊装。

然而在运用大吨位塔吊对钢索塔进行吊装的过程中，由于起重吨位较重，起升高度较高，容易引起塔吊-索塔结构的耦合振动。一方面钢索塔为多节段钢制结构，自身刚度小，稳定性差，极易因外扰产生大摆幅振动；另一方面塔吊和钢索塔通过附着装置(附着装置是固定在塔吊和建筑物上的框架附着拉杆，当塔吊使用高度超过限定高度时，它可以增加塔吊的牢固程度，不致因为高度过高在起重过程中发生安全事故)相连接，钢索塔产生的振动激励同时会引发塔吊的振动。由于这种“塔吊-索塔结构的耦合振动”存在，大吨位塔吊在对索塔进行分节吊装的过程中，结构稳定性和安全性较差。

现有技术中，通常通过在索塔上安装控制器来进行减振处理。这种减振处理方式没有考虑到外扰作用下附着装置对索塔的影响，在塔吊对索塔进行分节吊装的过程中，耦合振动未被有效控制，塔吊结构稳定性和安全性仍然较差，危险系数较大。

发明内容

本发明提供了一种塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法，用以解决现有技术中塔吊-索塔结构的耦合振动不能被有效控制，塔吊结构稳定性和安全性较差的技术问题。

本发明塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法，应用于包括附着装置的塔吊-索塔结构中，其中，附着装置的撑杆固定连接于塔吊和索塔之间，所述方法包括：

A、采集塔吊-索塔结构耦合振动的激励响应信号；

B、根据激励响应信号的位移信息和速度信息、保存的塔吊-索塔结构简化力学模型和保存的主动振动控制算法计算出撑杆上的主动振动控制装置的最优主动控制力；

C、根据最优主动控制力和保存的驱动电压算法计算出主动振动控制装置的驱动电压；

D、根据所述驱动电压驱动主动振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力。

在本发明技术方案中，由于可根据塔吊-索塔结构耦合振动的激励响应信号的位移信息和速度信息、保存的塔吊-索塔结构简化力学模型和保存的主动振动控制算法计算出主动振动控制装置的最优主动控制力，并且根据最优主动控制力和保存的驱动电压算法计算出主动振动控制装置的驱动电压，进而驱动主动振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力，可使塔吊-索塔结构在发生耦合振动时保持稳定，减振效果显著，且智能化程度较高。

附图说明

图1为塔吊-索塔结构示意图；

图2为塔吊-索塔结构俯视图；

图3为塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法流程图；

图4为塔吊-索塔结构的简化五质点模型示意图；

图5为塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制设备结构示意图；

图6为控制器结构示意图。

附图标记：

10-塔吊        20-索塔

30-附着装置    30a-附着框

30b-支座       30c-撑杆

30d-振动控制装置

具体实施方式

为了解决现有技术中塔吊-索塔结构的耦合振动不能被有效控制，塔吊结构稳定性和安全性较差的技术问题，本发明提供了一种塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法。

如图1和图2所示，在塔吊-索塔结构中，塔吊10位于索塔20的对称中心线上，通过附着装置30与索塔20相互连接。本发明所指附着装置30包括：附着框30a、撑杆30c、支座30b和位于撑杆上的振动控制装置30d。当塔吊-索塔结构受到外部激励而产生耦合振动时，振动控制装置可对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力，从而抵消由于振动所产生的相对位移，使结构保持稳定。其中，主动控制力指：在振动控制过程中，为达到抑制或消除振动的目的，根据所检测到的振动信号，应用一定的控制策略，经过实时计算，驱动振动控制装置对控制目标施加的力。

如图3所示，本发明塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法，应用于包括附着装置的塔吊-索塔结构中，其中，附着装置的撑杆固定连接于塔吊和索塔之间，包括步骤：

步骤101、采集塔吊-索塔结构耦合振动的激励响应信号；

步骤102、根据激励响应信号的位移信息和速度信息、保存的塔吊-索塔结构简化力学模型和保存的主动振动控制算法计算出撑杆上的主动振动控制装置的最优主动控制力；

步骤103、根据最优主动控制力和保存的驱动电压算法计算出主动振动控制装置的驱动电压；

步骤104、根据所述驱动电压驱动主动振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力。

其中，当采集的激励响应信号为模拟信号时，在步骤101和步骤102之间，可以进一步包括步骤：

将采集的激励响应信号的模拟信号转变为数字信号；

在步骤103和步骤104之间，可以进一步包括步骤：

将计算出的驱动电压的数字信号转变为模拟信号。

激励响应信号可以包含位移信息、速度信息或其他相关信息，在本发明中，所述激励响应信号优选为加速度响应信号。

本发明的振动控制装置优选为主动控制作动器。

在步骤102中，塔吊-索塔结构简化力学模型包括通过计算等效质量和等效刚度对塔吊-索塔结构进行降阶和简化的五质点模型。如图4所示，弹簧代表塔吊-索塔结构的等效刚度，M5代表塔吊结构的等效质量体；M1与M2为一组、M3与M4为一组，分别代表位于塔吊两侧的索塔结构的两个等效质量体。因此，步骤102包括：

建立塔吊-索塔结构主动振动控制的状态方程；

根据塔吊-索塔结构主动振动控制的状态方程和保存的最优线性控制算法计算出主动控制作动器的最优主动控制力。

其中，建立塔吊-索塔结构主动振动控制的状态方程，包括：

建立塔吊-索塔结构主动振动控制的运动方程

$M\stackrel{..}{X}+\mathrm{CX}+K\stackrel{.}{X}=B_{s}U\left(t\right)+E_{s}F\left(t\right)$

X(t₀)＝X₀ $\stackrel{.}{X}\left(t_0\right)={\stackrel{.}{X}}_0;$

将运动方程表示为塔吊-索塔结构主动振动控制的状态方程

$\stackrel{.}{Z}\left(t\right)=\mathrm{AZ}\left(t\right)+\mathrm{BU}\left(t\right)+\mathrm{EF}\left(t\right)$

$Z\left(t_0\right)=Z_0={\left[\begin{array}{c}{X}_0\\ {\stackrel{.}{X}}_0\end{array}\right]}_{2n\×1};$

其中，M∈R^n×n为塔吊-索塔结构等效质量矩阵，C∈R^n×n为塔吊-索塔结构阻尼矩阵，K∈R^n×n为塔吊-索塔结构等效刚度矩阵；X(t)∈R^n×1为塔吊-索塔结构位移向量；B_s∈R^n×q为主动控制作动器定位矩阵；U(t)∈R^p×1为主动控制作动器主动控制力向量，式中p为主动控制作动器个数；E_s∈R^n×p为外部激励定位矩阵；F(t)∈R^q×1为外部激励向量，式中q为外部激励个数；X(t₀)∈R^n×1，X(t₀)∈R^n×1分别为塔吊-索塔结构的初始位移和初始速度向量； $A={\left(\begin{array}{cc}{0}_{n\×n}& I_{n\×n}\\ -M^{-1}K& -M^{-1}C\end{array}\right)}_{2n\×2n},$ $B={\left[\begin{array}{c}{0}_{n\×p}\\ {M^{-1}B}_s\end{array}\right]}_{2n\×p},$ $E={\left[\begin{array}{c}{0}_{n\×q}\\ {M^{-1}E}_s\end{array}\right]}_{2n\×q},$ 式中I_n×n为n×n维单位矩阵，0_n×n，0_n×p，0_n×q分别为n×n维，n×p维，n×q维零矩阵。

其中，根据塔吊-索塔结构主动振动控制的状态方程和保存的最优线性控制算法计算出主动控制作动器的最优主动控制力，包括：

定义性能指标的目标函数

$\underset{u}{\min }J=\frac{1}{2}{\∫}_0^{\∞}[Z^T\mathrm{QZ}+U^T\mathrm{RU}]\mathrm{dt};$

计算主动控制作动器的主动控制力

U(t)＝-R^-1B^TPZ(t)，

得出主动控制作动器的最大主动控制力abs|u_max|；

通过优化权矩阵Q和权矩阵R得到主动控制作动器的最优主动控制力。

其中，权矩阵Q和权矩阵R分别为半正定矩阵和正定矩阵；P为Riccati方程-PA-A^TP+PBR^-1B^TP-Q＝0的解；

在求解Riccati方程时，首先根据M，K，C三个塔吊-索塔结构固有矩阵计算得出A，B，E，然后使用MATLAB计算器对Riccati方程求解。

在步骤103中，根据最优主动控制力和保存的驱动电压算法计算出主动控制作动器的驱动电压，依据的是Bang-hang开关控制算法，包括：

当最优主动控制力与速度的方向相同时，主动控制作动器的驱动电压为零；

当最优主动控制力与速度的方向相反，且最优主动控制力小于最大主动控制力时，选取最优主动控制力作为计算主动控制作动器的驱动电压的参数；

当最优主动控制力与速度的方向相反，且最优主动控制力大于最大主动控制力时，选取最大主动控制力作为计算主动控制作动器的驱动电压的参数。

由于不同类型主动控制作动器的工作原理不同，因此，当选择不同的主动控制作动器时，最终计算出的驱动电压数值也会不同。

如图5所示，应用本发明塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法的振动控制设备，包括：

主动振动控制装置52，位于塔吊-索塔结构的附着装置的撑杆上，用于在塔吊-索塔结构产生耦合振动时，在驱动电压的驱动下对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力；

传感器50，用于采集塔吊-索塔结构耦合振动的激励响应信号；

控制器51，用于根据激励响应信号的强度信息计算出主动振动控制装置的主动控制力和驱动电压。

当传感器采集的激励响应信号为模拟信号时，振动控制设备可进一步包括：

DSP(digital signal processor)信号处理器，用于将传感器采集的激励响应信号的模拟信号转变为数字信号，并将所述数字信号传输至存储器和控制器；

D/A(digital to analog converter)数模转换器，用于将控制器计算出的驱动电压的数字信号转变为模拟信号。

所述传感器的数量和位置可以根据实际情况进行相应的设计；优选为加速度传感器，加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，常应用于机械、道路、桥梁等振动检测，具有安全、方便的优点。控制器在接收加速度响应信号的数字信号后对其进行积分和滤波处理，得到相应的位移响应信号和速度响应信号。

所述振动控制装置为主动控制作动器，例如可以是液压作动器、压电陶瓷作动器等；优选为主动变阻尼作动器，主动变阻尼作动器控制的鲁棒性好，能够适应较宽频率范围的外部激励，时滞性小。主动控制作动器可以采用不同的安装方式；根据实际情况，主动控制作动器的数量可以为多个，同时对塔吊-索塔结构进行主动振动控制。

如图6所示，当激励响应信号的强度信息包括位移信息和速度信息时，所述控制器包括：

最优主动控制力计算单元51a，用于根据位移信息和速度信息、保存的塔吊-索塔结构简化力学模型和保存的主动振动控制算法计算出主动控制作动器的最优主动控制力；

驱动电压计算单元51b，根据最优主动控制力和保存的驱动电压算法计算出主动控制作动器的驱动电压。

控制器可以为PC控制器等，优选将所述最优主动控制力计算单元和驱动电压计算单元集成在一个PLC控制器中，这样可以提高整个控制系统的智能化程度，便于塔吊操作人员的操作。

在本发明技术方案中，由于可根据塔吊-索塔结构耦合振动的激励响应信号的位移信息和速度信息、保存的塔吊-索塔结构简化力学模型和保存的主动振动控制算法计算出主动振动控制装置的最优主动控制力，并且根据最优主动控制力和保存的驱动电压算法计算出主动振动控制装置的驱动电压，进而驱动主动振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力，可使塔吊-索塔结构在发生耦合振动时保持稳定，减振效果显著，且智能化程度较高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法，应用于包括附着装置的塔吊-索塔结构中，其中，附着装置的撑杆固定连接于塔吊和索塔之间，其特征在于，所述方法包括：

A、采集塔吊-索塔结构耦合振动的激励响应信号；

B、根据激励响应信号的位移信息和速度信息、保存的塔吊-索塔结构简化力学模型和保存的主动振动控制算法计算出撑杆上的主动控制作动器的最优主动控制力；

C、根据最优主动控制力和保存的驱动电压算法计算出主动控制作动器的驱动电压；

D、根据所述驱动电压驱动主动控制作动器对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力；

其中，所述塔吊-索塔结构简化力学模型包括通过计算等效质量和等效刚度对塔吊-索塔结构进行降阶和简化的五质点模型，所述步骤B具体包括：

建立塔吊-索塔结构主动振动控制的状态方程；

根据塔吊-索塔结构主动振动控制的状态方程和保存的最优线性控制算法计算出主动控制作动器的最优主动控制力。

2.如权利要求1所述的振动控制方法，其特征在于，所述激励响应信号为加速度响应信号。

3.如权利要求1所述的振动控制方法，其特征在于，所述建立塔吊-索塔结构主动振动控制的状态方程，包括：

建立塔吊-索塔结构主动振动控制的运动方程

$M\stackrel{\·\·}{X}+\mathrm{CX}+K\stackrel{\·}{X}=B_{s}U\left(t\right)+E_{s}F\left(t\right)$

X(t₀)=X₀ $\stackrel{\·}{X}\left(t_0\right)={\stackrel{\·}{X}}_0;$

将运动方程表示为塔吊-索塔结构主动振动控制的状态方程

$\stackrel{\·}{Z}\left(t\right)=\mathrm{AZ}\left(t\right)+\mathrm{BU}\left(t\right)+\mathrm{EF}\left(t\right)$

$Z\left(t_0\right)=Z_0={\left[\begin{array}{c}{X}_0\\ {\stackrel{\·}{X}}_0\end{array}\right]}_{2n\×1};$

其中，M∈R^n×n为塔吊-索塔结构等效质量矩阵，C∈R^n×n为塔吊-索塔结构阻尼矩阵,K∈R^n×n为塔吊-索塔结构等效刚度矩阵；X(t)∈R^n×1为塔吊-索塔结构位移向量；B_s∈R^n×q为主动控制作动器定位矩阵；U(t)∈R^p×1为主动控制作动器主动控制力向量，式中p为主动控制作动器个数；E_s∈R^n×p为外部激励定位矩阵；F(t)∈R^q×1为外部激励向量，式中q为外部激励个数;X(t₀)∈R^n×1,

分别为塔吊-索塔结构的初始位移和初始速度向量； $A={\left(\begin{array}{cc}{0}_{n\×n}& I_{n\×n}\\ {-M}^{-1}K& {-M}^{-1}C\end{array}\right)}_{2n\×2n},$ $B={\left[\begin{array}{c}{0}_{n\×p}\\ M^{-1}{B}_s\end{array}\right]}_{2n\×p},$ $E={\left[\begin{array}{c}{0}_{n\×q}\\ M^{-1}{E}_s\end{array}\right]}_{2n\×q},$ 式中I_n×n为n×n维单位矩阵，0_n×n，0_n×p，0_n×q分别为n×n维，n×p维，n×q维零矩阵。

4.如权利要求3所述的振动控制方法，其特征在于，所述根据塔吊-索塔结构主动振动控制的状态方程和保存的最优线性控制算法计算出主动控制作动器的最优主动控制力，包括：

定义性能指标的目标函数

$\underset{u}{\min }J=\frac{1}{2}{\∫}_0^{\∞}[Z^T\mathrm{QZ}+U^T\mathrm{RU}]\mathrm{dt};$

计算主动控制作动器的主动控制力

U(t)=-R^-1BTPZ(t)，

得出主动控制作动器的最大主动控制力abs|u_max|；

通过优化权矩阵Q和权矩阵R得到主动控制作动器的最优主动控制力；

其中，权矩阵Q和权矩阵R分别为半正定矩阵和正定矩阵；P为Riccati方程-PA-A^TP+PBR^-1B^TP-Q=0的解。

5.如权利要求4所述的振动控制方法，其特征在于，步骤C包括：

当最优主动控制力与速度的方向相同时，主动控制作动器的驱动电压为零；

当最优主动控制力与速度的方向相反，且最优主动控制力小于最大主动控制力时，选取最优主动控制力作为计算主动控制作动器的驱动电压的参数；

当最优主动控制力与速度的方向相反，且最优主动控制力大于最大主动控制力时，选取最大主动控制力作为计算主动控制作动器的驱动电压的参数。

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