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基于改进果蝇优化算法的塔机自适应滑模控制研究

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工程设计学报 2023年第3期30卷 271-280页

作者：何育民韩莹周晶西安建筑科技大学机电工程学院陕西西安710055

针对部分工况下塔机负载摆角直接测量困难、系统滑模控制器抖振明显以及控制器参数调节复杂等问题,提出了一种基于改进果蝇优化算法的塔机自适应滑模控制方法。首先,根据拉格朗日方程,得到了塔机单摆系统的动力学模型。然后,设计了线性... 详细信息

针对部分工况下塔机负载摆角直接测量困难、系统滑模控制器抖振明显以及控制器参数调节复杂等问题,提出了一种基于改进果蝇优化算法的塔机自适应滑模控制方法。首先,根据拉格朗日方程,得到了塔机单摆系统的动力学模型。然后,设计了线性扩张状态观测器,用于观测塔机负载摆动状态,并将观测结果反馈到自适应滑模控制器中;在构造滑模面时,采用双曲正切函数代替常用的符号函数以增加其连续性,从而减小抖振。最后,改进了果蝇优化算法的寻优策略及搜索半径,并对自适应滑模控制器的参数进行了优化。结果表明,所设计的线性扩张状态观测器跟踪观测塔机负载摆角的收敛速度较快且跟踪误差小于1.3%;经改进果蝇优化算法优化后的自适应滑模控制器不仅对负载摆动有较好的抑制作用,而且具有较强的抗干扰性和鲁棒性。所提出的控制方法可在实现精确定位的同时有效避免塔机负载摆动带来的安全隐患,保障工人的安全和工程的顺利开展。

关键词：塔机负载摆动扩张状态观测器果蝇优化算法自适应滑模控制

基于STM32的塔机数据采集和监控系统设计

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仪表技术与传感器 2024年第4期 53-58页

作者：胡欣王生辉常娅姝肖剑袁晔长安大学能源与电气工程学院长安大学电子与控制工程学院宁夏回族自治区无线电监测站

针对塔机作业对运行状态参数和作业环境实时监测的需求,设计了一种基于STM32的塔机数据采集和监控系统。该系统采用STM32F103RCT6为核心的微处理器对塔机运行各项状态参数结合传感器进行数据采集和处理,传感器信号经带数字隔离的A/D转... 详细信息

针对塔机作业对运行状态参数和作业环境实时监测的需求,设计了一种基于STM32的塔机数据采集和监控系统。该系统采用STM32F103RCT6为核心的微处理器对塔机运行各项状态参数结合传感器进行数据采集和处理,传感器信号经带数字隔离的A/D转换模块和RS485转TTL模块传输到微处理器,微处理器通过串口转以太网模块将采集的传感器数据发送到由工业交换机和网络摄像机组建的局域网中。最后,采用Java语言结合Spring Boot框架开发系统上位机页面对传感器数据和视频监控画面进行显示。通过测试,该系统能够对塔机运行状态参数和塔机作业环境进行实时监测,传感器采集数据的平均相对误差为0.74%,摄像机监控画面平均延时20.4 ms,实现了数据高速准确的实时监测,满足了监测塔机的系统需求。

关键词：塔机 A/D转换 STM32 Spring Boot框架局域网

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塔机监控系统数据传输方法及工程应用

塔机监控系统数据传输方法及工程应用

作者：冯玉祥武汉轻工大学

学位级别：硕士

目前,塔机监控管理系统大多分为监控终端和远程监控中心两个模块,监控终端负责将塔机运行参数以图形和文字的形式展现给塔机司机,并将塔机运行参数传输到远程监控中心,远程监控中心对收到数据进行处理和显示,从而达到远程监控的目的。... 详细信息

目前,塔机监控管理系统大多分为监控终端和远程监控中心两个模块,监控终端负责将塔机运行参数以图形和文字的形式展现给塔机司机,并将塔机运行参数传输到远程监控中心,远程监控中心对收到数据进行处理和显示,从而达到远程监控的目的。实现远程监控的核心是数据传输,但目前很少有人对塔机数据传输系统进行研究,导致大部分塔机远程监控系统性能参差不齐,数据传输时效性差、效率低、传输不稳定,甚至不能保证数据的完整性。塔机数据传输系统性能的优劣决定了远程监控中心进行动态化监控的质量水平,本文针对塔机数据传输系统进行研究和设计,以提高整个监控系统的监控管理水平。通过分析塔机监控系统现状,根据工程实际需求,对基于数据传输的塔机监控系统进行了总体结构分析,提出了基于数据传输的塔机监控系统总体架构。为了实现系统的可扩展性,总体架构由塔机监控终端、云端和远程塔机综合管理系统三层组成。为了提高工程实践中系统的可靠性,系统在软件结构上采用广泛使用的MVC架构模式。另外,针对塔机监测数据和图片数据的耦合,提出了将图片传输与监测数据传输分解为两个独立模块的解耦方法。根据监控系统要求,分析了数据传输系统的需求,确定了数据传输系统的功能,根据功能设计了数据传输系统的类图和数据传输模型以及各个功能模块协调工作方式和功能模块中数据的流向。以国标《塔式起重机安全监控系统及数据传输》为基础,根据工程实际需要扩展制定了数据传输协议结构。根据设计的类图和数据传输协议,采用流式套接字的TCP连接协议对数据传输系统功能进行了开发实现。对设计开发的数据传输系统进行了功能测试,实现了塔机监控系统终端通过5G无线网络将数据传输到远程塔机综合管理系统,实现了数据传输的完整性、实时性和可靠性。最终将数据传输系统集成到实际工程应用系统进行测试以及工程应用,实现了塔机的远程实时监控,从而保证了远程动态化监控。

关键词：塔机远程监控数据传输流式套接字

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塔机数字孪生应用开发平台研究

塔机数字孪生应用开发平台研究

作者：苑文峰长安大学

学位级别：硕士

针对塔机故障和事故所引发的安全问题以及塔机信息化和智能化施工的发展需求,以数字孪生技术为基础,设计了塔机的数字孪生应用开发平台,为塔机的数字孪生系统开发提供一个原型开发平台和可借鉴的设计思路与技术路线。主要完成工作如下:... 详细信息

针对塔机故障和事故所引发的安全问题以及塔机信息化和智能化施工的发展需求,以数字孪生技术为基础,设计了塔机的数字孪生应用开发平台,为塔机的数字孪生系统开发提供一个原型开发平台和可借鉴的设计思路与技术路线。主要完成工作如下:(1)设计了塔机数字孪生应用开发平台的总体架构和技术路线。从数字孪生系统的共性技术以及塔机数字孪生系统的需求出发,完成塔机数字孪生应用开发平台的总体框架设计,设计了孪生端数字模型建立的方案,并完成相应的技术路线的设计。(2)完成了IMU(Inertial Measurement Unit,惯性测量单元)模块测试平台的控制器设计。根据IMU模块的选型与设计过程中的测试需求确定测试平台控制器的方案,随后根据方案完成控制器中步进电机驱动、编码器数据采集以及开关量数据采集等功能模块的设计。(3)完成了塔机数字孪生应用开发平台数据采集系统的设计。使用IMU模块完成变幅小车实时位置获取方案的设计,随后针对IMU模块的误差设计了相应的卡尔曼滤波算法,并进行算法验证,最后对变幅小车实时位置获取方案进行了验证。(4)完成了塔机数字孪生应用开发平台孪生端数字模型的建立。基于有限元软件完成孪生端数字模型的建立,并以不同型号塔机的建模和求解为基础,进行软件求解实时性的验证。(5)完成了塔机数字孪生应用开发平台原型系统的设计与测试。从应用开发平台角度出发,确定原型系统的总体设计方案,完成了原型系统开发扩展功能、功能模块和数据库模块的设计。最后对塔机数字孪生应用开发平台的原型系统进行了测试。通过以上研究,初步解决了塔机数字孪生应用开发平台的共性技术问题,测试结果也基本满足预期,证明了方案的可行性,为后续塔机数字孪生系统的开发提供了一个基础的原型系统。

关键词：塔机数字孪生卡尔曼滤波算法有限元方法应用开发平台

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基于改进蚁群算法的塔机路径规划(英文)

Journal of Measurement Science and Instrumentation 2023年

作者：何育民胡象洋张锦华姚世鹏刘帝芳门新延西安建筑科技大学机电工程学院陕西建设机械股份有限公司

针对塔式起重机的路径规划问题，提出了一种改进蚁群算法。首先将塔式起重机简化成一个三自由度的机械臂，建立D-H运动模型求解正、逆运动学方程。其次对传统蚁群算法进行了改进：对启发函数进行改进，将可选节点与目标点的距离引入启... 详细信息

针对塔式起重机的路径规划问题，提出了一种改进蚁群算法。首先将塔式起重机简化成一个三自由度的机械臂，建立D-H运动模型求解正、逆运动学方程。其次对传统蚁群算法进行了改进：对启发函数进行改进，将可选节点与目标点的距离引入启发函数；在状态转移概率中引入周围点安全因素，对转移概率进行了改进；采用局部路径分块策略对局部多拐点路径进行了优化，减少了局部冗余拐点。最后根据吊钩的位姿，对塔机进行运动学求逆，得到各关节的变量。通过在简单环境和复杂环境下塔机路径规划的仿真研究，提出的改进蚁群算法加快了收敛速度，缩短了最优路径长度，改善了路径质量。

关键词：塔机蚁群算法转移概率局部路径分块策略路径规划

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塔机包装运输支架产品化设计及其应用

建筑机械 2024年第5期 160-163页

作者：张声学郑敏中联重科建筑起重机械有限公司湖南常德415000 湖南特力液压有限责任公司湖南常德415000

随着塔机产品竞争日趋激烈,塔机全生命周期内转场包装运输成本控制及便捷性体验已经成为其未来发展制高点,塔机包装运输支架产品化集成研究已经成为关键。本文从包装运输支架集成产品化研究的背景、意义以及具体的应用实例出发,探索其... 详细信息

随着塔机产品竞争日趋激烈,塔机全生命周期内转场包装运输成本控制及便捷性体验已经成为其未来发展制高点,塔机包装运输支架产品化集成研究已经成为关键。本文从包装运输支架集成产品化研究的背景、意义以及具体的应用实例出发,探索其基本的设计原则及思路方法。

关键词：塔机转场包装运输支架支架产品化

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塔式起重机动态特性及受荷响应的研究

塔式起重机动态特性及受荷响应的研究

作者：韩志聪山东建筑大学

学位级别：硕士

风荷载是塔式起重机(以下简称塔机)的控制荷载,风荷载大小不仅与基本风压、塔机高度、塔机形状有关,还与风振系数有关,而风振系数又取决于塔机的动力特性,尤其是塔机自振周期。我国现行荷载规范中可用于塔机自振周期的估算公式,非常粗糙... 详细信息

风荷载是塔式起重机(以下简称塔机)的控制荷载,风荷载大小不仅与基本风压、塔机高度、塔机形状有关,还与风振系数有关,而风振系数又取决于塔机的动力特性,尤其是塔机自振周期。我国现行荷载规范中可用于塔机自振周期的估算公式,非常粗糙,亟待研究。本文首先针对中天6513平头式塔机、永茂5513塔帽式塔机,分别进行了空载、半载和满载时的振动曲线现场测试,得到了不同起重量下塔机的自振周期实测值,测试结果表明,起重量占比对自振周期的影响并不显著;然后利用有限元软件对这两台塔机分别进行了空载、半载和满载时的模态分析,得到了自振周期分析值,与实测值相比,最大偏差不足5%,验证了有限元方法的可靠性和准确性。通过对比有限元模态分析下的位移云图,发现塔机的振型图与单自由度杆件十分相似,将塔机简化为单自由度模型,其中塔身简化为等截面弹性杆,塔机上部简化为单质点,初步提出了塔机自振周期简化计算公式。由于测试数据较少,不能充分反应塔身高度、起重量占比等参数对自振周期的影响,利用有限元软件展开参数化分析。考虑塔机质量分布和高度的影响,对推导的结构自振周期计算公式进行了两次修正。首先,按照不同上部结构质量占比进行模态分析,得到自振周期随着上部结构质量占比变化的数据,对简化计算公式进行质量分布修正;然后,通过增减塔身标准节,分别建立了高度间距为6米的塔帽式塔机和平头式塔机模型,对简化计算公式进行高度修正。最后,得到了修正后的自振周期计算公式。参考建筑结构中《高耸结构设计规范》的设计思路,将其应用到塔机风荷载计算中去。计算风荷载需要用到塔机自振周期,将本文提出的自振周期计算公式应用于其中,可避免逐个进行有限元模拟求取模态分析数据,简化了计算步骤。依照不同塔身高度、选取多种基本风压和地面粗糙度类型,得到了各起吊荷载下的风荷载精确计算值,对比计算数值的大小和变化趋势,总结各个算法的特点。将Davenport风速功率谱转化为各个塔身阶段的风压时程曲线,按照与塔身不同夹角输入到有限元模型中,对塔机进行风压时程分析;在起重臂的任一转角下,保持塔机工作状态的起重力矩为一固定值,改变重物的起吊距离,比较塔身顶端的风荷载作用位移,探求各向风压下起重臂的最不利转角,避免在强风作用下沿此方向工作,减少倾覆危险。采用ABAQUS对塔机进行了地震反应谱有限元分析,获得塔身顶端位移。通过与单自由度模型下简化计算公式所得的顶端位移值进行比较,得到了地震作用下塔身顶端位移的修正系数。将修正系数引入到单自由度位移计算公式中,得到了考虑不同等级地震作用下的塔身顶端位移计算公式,为塔机摆放间距提供了参考。选取符合规范要求的地震波和根据反应谱得到的人工波与风压时程曲线一并输入到ABAQUS有限元分析软件中,通过改变风荷载和地震作用夹角,得到荷载组合下的塔顶位移,验证最不利作用夹角。

关键词：塔机自振周期风振系数有限元模拟反应谱分析荷载组合

基于机电联合仿真的塔式起重机变幅定位与防摆控制研究

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制造业自动化 2023年第12期45卷 158-162页

作者：卢宁宋鹏程北京建筑大学机电与车辆工程学院北京100044 北京市建筑安全监测工程技术研究中心北京100044

针对塔式起重机在变幅作业过程中吊物易摆动造成危险的问题,为保证作业安全性,通过ADAMS和MATLAB软件进行机电联合仿真,对小车定位以及吊物防摆进行研究。首先,在SolidWorks中建立塔机的三维模型;采用ADAMS的Cable模块建立变幅传动系统... 详细信息

针对塔式起重机在变幅作业过程中吊物易摆动造成危险的问题,为保证作业安全性,通过ADAMS和MATLAB软件进行机电联合仿真,对小车定位以及吊物防摆进行研究。首先,在SolidWorks中建立塔机的三维模型;采用ADAMS的Cable模块建立变幅传动系统的钢丝绳—滑轮模型;在MATLAB/Simulink中建立变幅驱动系统的控制模型;其次,设计了用于小车定位与吊物摆角控制的双模糊自适应PD控制器;最后,针对变幅作业在实际运行中的两种工况,利用ADAMS以及MATLAB/Simulink等软件进行机电联合仿真,并将仿真结果与传统PD控制的结果进行对比。研究结果表明,相较于传统PD控制器,模糊自适应PD控制下的小车就位速度更快,吊物摆动的角度更小。工况一中,塔机作业效率提升了12%,吊物防摆效率提升了9.5%;工况二中,塔机作业效率提升了17.2%,吊物防摆效率提升了32%,整体提高了塔式起重机变幅作业的效率与安全性。

关键词：塔机定位防摆控制机电联合仿真模糊自适应PD

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塔机驾驶室专用电梯设计与数值模拟分析

建筑机械 2023年第8期 133-139,144页

作者：陈云钢丁忠陈伽韬张胜张宏俊仝茂祥安徽工业大学建筑工程学院安徽马鞍山243032 安徽省晋昇起重科技有限公司安徽马鞍山243032

针对塔机司机攀爬通道缺乏安全性与舒适性,基于人因工程学设计研发一款塔机司机攀爬驾驶室专用电梯。利用SolidWork构建塔机司机攀爬专用电梯的三维数字模型,并进行静力学分析,得到装置在风载作用下最大应力为116.2MPa,最大位移为0.66m... 详细信息

针对塔机司机攀爬通道缺乏安全性与舒适性,基于人因工程学设计研发一款塔机司机攀爬驾驶室专用电梯。利用SolidWork构建塔机司机攀爬专用电梯的三维数字模型,并进行静力学分析,得到装置在风载作用下最大应力为116.2MPa,最大位移为0.66mm。运用ANSYS/LS-Dyna对设计产品进行坠落仿真分析,得出装置在风荷载与地震共同作用下整体位移为20.89mm,应变最大值为343.77MPa。结果表明,该装置具有一定的可靠性与安全性,为其样机的研制提供了参考依据。

关键词：塔机驾驶室专用电梯设计选型有限元分析坠落仿真