Robust Disturbance Rejection Based Control with Extended-state Resonant Observer for Sway Reduction in Uncertain Tower-cranes

In this paper, the problem of load transportation and robust mitigation of payload oscillations in uncertain tower-cranes is addressed. This problem is tackled through a control scheme based on the philosophy of active-disturbance-rejection. Here, a general disturbance model built with two dominant components: polynomial and harmonic, is stated. Then, a disturbance observer is formulated through state-vector augmentation of the tower-crane model. Thus, better performance of estimations for system states and disturbances is achieved. The control law is then formulated to actively reject the disturbances but also to accommodate the closed-loop system dynamics even under system uncertainty. The proposed control schema is validated via experimentation using a small-scale tower-crane,and compared with other relevant active disturbance rejection control(ADRC)-based techniques. The experimental results show that the proposed control scheme is robust under parametric uncertainty of the system, and provides improved attenuation of payload oscillations even under system uncertainty.

基于节段模型测力方法的塔式起重机风荷载特性研究

塔式起重机被广泛应用于铁道工程和土木工程施工过程,属于高耸结构体系,风荷载是塔式起重机结构设计的控制性荷载。为完善《塔式起重机设计规范》(GB/T 13752—2017)和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)中的塔式起重机斜风向设计风荷载计算方法,解决风向、吊臂、平衡臂位置等因素对塔式起重机遮挡和干扰引起的设计风荷载计算问题。选取平头塔式起重机为研究对象,对塔身、吊臂、平衡臂进行多工况的节段模型测力风洞试验,研究湍流强度、节段干扰和遮挡等因素对塔式起重机节段风荷载特性的影响规律,研究不同风向下节段阻力系数分布规律,对比标准化阻力系数与当前主要规范的异同,进而探讨节段斜风向标准化阻力系数计算方法。研究结果表明湍流强度对节段阻力系数影响较小,可忽略,而平衡臂和吊臂相邻节段的干扰会减小测试节段的阻力系数;在斜风向下,由于吊臂和平衡臂之间存在相邻节段干扰,国内外规范方法的计算值均会大于干扰工况的节段风洞试验值;当前主要国家规范规定的垂直风向塔身、吊臂、平衡臂阻力系数与风洞试验测得的阻力系数值较为接近,基于风洞试验结果给出典型风向的塔式起重机各节段的风荷载系数取值可用于结构设计;基于风洞试验测试结果推导的塔式起重机斜风向风荷载计算方法具有较好的拟合效果。研究成果可推荐相关工程应用,可为相关规范的修改或补充提供参考。

密度峰值聚类在塔机损伤诊断中的应用研究

建立塔机有限元模型,获取塔机完好状态和各损伤工况的各采集点的动态位移。提出了两种模型建立方法,基于悬臂梁的双输入单输出模型和基于时域数据的动态双输入单输出模型,对基于时域数据的双输入单输出模型首先利用最小二乘法计算参数初值,进一步利用粒子群优化方法进行参数优化,提高了模型精度。以完好工况的塔机数据为基础,建立基于悬臂梁的双输入单输出模型和基于时域数据的双输入单输出模型,计算参数,建立损伤识别模型,用待检状态的位移数值拟合模型,用两种模型计算出的残差方差做损伤因子,利用密度峰值聚类方法对损伤因子进行分析,实现了对塔机的损伤判定和损伤位置的确定。这种基于密度峰值聚类的诊断方法可对塔机微小损伤进行智能诊断和位置确定,该方法只需要塔机完好状态的数据和待检状态的数据即可自动诊断,解决了塔机损伤识别中损伤数据难以获取,因而无法实现智能训练和诊断的问题。

风荷载作用下塔式起重机结构的随机振动分析

对塔式起重机的研究一般是将风荷载进行应力等效或者是流体分析,而本文将结合脉动风的随机特性与Ansys的随机振动模块进行分析。首先计算塔机在非工作状况下的预应力模态,确定其固有频率及振型;其次基于Davenport风速谱计算出随机振动模块所需的PSD数据;最后从后处理模块中得到所需的数值。

装配式混凝土建筑施工现场群塔布置的影响因素分析

装配式混凝土建筑的预制构件类型繁多、数量大,现场吊装作业任务量大。装配式混凝土建筑施工现场进行群塔布置时需要考虑塔吊的选型、施工场地和道路情况、塔吊的站位和群塔作业防碰撞要求等因素。在保证群塔施工中相互运行安全的前提下,群塔的合理布置应可最大限度地提高群塔利用效率,满足施工要求。

风力发电机塔吊装机横梁有限元分析

针对普通风力发电机塔吊装机钢制横梁,重量大、易受到振动破坏的特性,基于铝制结构重量轻、耐腐蚀、易加工等特点,将原钢制横梁改为铝制结构,使用ANSYS Workbench软件对其进行有限元网格划分、静态特性分析、模态分析和谐响应分析,分析其刚度和强度。基于有限元分析结果,对横梁结构进行改进,使吊装机的激振频率远离横梁共振频率,可有效避免工作过程中产生共振,增加风力发电机塔吊装机横梁的稳定性以及耐疲劳性,提高设备的使用寿命。

基于自适应分层滑模的塔式起重机防摆与定位控制

针对三维空间中呈现二级摆结构的塔式起重机的防摆与定位控制问题,考虑变幅回转联合运行工况,提出了一种自适应分层滑模控制方案。首先将塔式起重机系统分为定位子系统、一级摆角子系统和二级摆角子系统,设计了分层滑模控制律;然后设计了自适应律,提高了系统对参数的适应性和对外在干扰的抑制性能;最后验证了系统的稳定性并对系统进行了仿真。仿真结果表明,系统在受到瞬时扰动时,自适应律可估算出扰动大小,控制器能快速做出反应,调整控制力/力矩以抵消瞬时扰动,使瞬时扰动不对系统的位置以及吊钩和负载的摆角造成明显影响。该文自适应分层滑模控制器能在一定程度上抑制瞬时扰动造成的吊钩和负载的摆动,具有较好的鲁棒性。

基于STM32的塔机数据采集和监控系统设计

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。

考虑钢丝绳抖振情况下的塔式吊车消摆控制方法

塔式吊车系统负载摆角的抑制对于其安全运行至关重要,现有的消摆控制方法在抑制摆角方面取得了不错的效果,但这些控制方法均未考虑钢丝绳连同负载发生抖振的情况,存在安全隐患。针对此问题,提出一种考虑钢丝绳抖振情况下的塔式吊车系统摆角抑制方法。具体而言,首先建立塔式吊车水平运动时的非线性抖振机理模型,计算出系统发生抖振后传导到电机主轴上的非线性抖振力矩,并将该抖振力矩等值反向作为补偿力矩。其次,利用陷波器滤除补偿力矩外的其他干扰,再将补偿力矩与一种滑模消摆控制律计算出的控制力矩相叠加,控制驱动电机力矩输出。最后,仿真和实验结果表明提出的消摆方法对于摆角的抑制具有更好的控制效果。

基于模糊补偿的塔式起重机自适应模糊滑模控制

塔式起重机在工作时,负载会产生摆动,且系统具有欠驱动性、非线性和强耦合性的特征,定位与消摆控制难度大。大多数现有控制方法未考虑系统的摩擦项或者考虑系统摩擦项时由固定公式计算得出,而工程实际应用中摩擦项易受到工作环境的影响,引起控制效果的降低。为解决上述问题,提出了一种基于模糊补偿的自适应模糊滑模控制器。首先,通过对原有的系统动力学模型进行改造,构造出新的动力学模型,解决了系统由于欠驱动特性导致控制律难以设计的问题。随后采用模糊逼近的方式对系统的摩擦项进行逼近,解决了不确定性的工作环境对摩擦项的影响。其次在此基础上与滑模控制理论相结合设计控制器,并经严格的稳定性分析,证明了系统是渐进稳定的。最后,经仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

基于RF-PSO的塔吊事故可能发生阶段预测与分析

塔吊在高层建筑的施工现场较为常见,为了探索塔吊事故的影响因素,对塔吊事故可能发生阶段进行预测,建立了塔吊事故的人为因素分析分类系统(HFACS)模型框架,明确了塔吊事故的影响因素;利用卡方检验对事故致因进行特征选择及量化分析,提出了一种基于粒子群优化算法优化随机森林预测模型(RF-PSO)。结果表明:RF-PSO模型的预测是可靠的,训练后的RF-PSO模型可以预测塔吊事故可能发生的阶段,影响因素塔吊安装不符合设计要求、缺乏沟通和个人防护设备缺失发生的概率越大,塔吊事故分别在安拆阶段、吊装阶段和攀爬阶段发生事故的可能性越大。研究结果可为塔吊施工现场管理提供理论依据。

超高层建筑工程内爬塔式起重机附着提升拆除关键技术

内爬塔式起重机是适用于超高层建筑的一种大型设备,本研究介绍了内爬塔结构系统构造及爬升流程,通过设置支撑梁承受结构重力和塔式起重机设计荷载、设置液压油缸和内爬框架进行顶升操作,完成内爬塔结构提升。以小塔拆大塔为塔式起重机拆除原则,设计了两次屋面吊拆除过程,保障拆除工期和屋面结构安全。建立了支撑梁和内爬框架的三维实体有限元计算模型,优化支撑梁系统设计,得到了支撑梁和内爬框架在满载支撑状态下的应力和位移计算结果。结果表明,支撑系统安全可靠。

塔吊基础、附墙杆和预埋件分类和安装方法

当塔吊超过独立高度后,为保证塔身整体稳定性,需将塔吊依附于建筑物进行锚固约束,因此,附着位置的可靠连接显得尤为重要。论文主要介绍了塔吊基础的分类和安装工艺流程,以及塔吊附着安装工艺流程,总结了3种附墙杆的特点和安装工法,以及附墙埋件的分类和安装工法。

基于计算机视觉的塔吊危险区域入侵预警

为解决建筑施工中塔吊作业存在的危险区域识别场景复杂的问题,利用计算机视觉技术,提出一种塔吊危险区域入侵预警方法。该方法结合塔吊危险区域动态判定和计算机视觉检测施工现场人员安全帽、安全带佩戴情况以及塔吊下方人员意外入侵,同时,在YOLOv5算法基础上修改注意力模型,并开发窗口交互式检测软件。结果表明:人的入侵行为和安全防护装备在模型中的识别准确率均达85%以上,具有较高准确度。该方法可在塔吊施工场景下进行有效应用,将塔吊固定式危险区域划分为动态塔吊危险区域,并实时监测人员意外入侵及预警。

塔式起重机相关知识与使用管理

介绍了塔式起重机的相关知识,包括电力驱动特点、供电电缆、配电箱与隔离开关、供电制及漏电保护器、润滑材料及选用原则、稳定性计算等,总结了塔式起重机的操作规程、技术管理要点及安装程序。

塔式起重机附着装置相关要求说明及临时锚固正确方法的探讨

介绍了塔式起重机附墙的基本作用和相关名词的解释,阐述了附着装置的设计标准,通过模型演算塔式起重机临时锚固时吊臂的受力状况,并通过演算结果得出正确的锚固方法,以指导塔式起重机采取正确合适的锚固措施。

塔吊作业事故关联规则挖掘及贝叶斯建模分析

为探究塔吊作业安全风险,深入挖掘事故特征,明确塔吊作业事故成因机制,提出了一种基于Apriori算法关联规则挖掘的改进朴素贝叶斯网络结构,采用数据驱动的方式训练模型,提升塔吊作业事故推理的效率和精度。通过诊断推理得出,塔吊倒塌事故多由物因缺陷造成,高处坠落事故多由人因缺陷造成,吊物伤人事故多由物因缺陷和不良环境共同造成。通过因果推理对诊断结果进行了验证,表明该模型可在设定条件及场景下有效进行事故推理分析。

塔式起重机回转支承系统装配工艺的设计

现代建筑施工中,塔式起重机发挥着重要作用,而回转支承系统是塔式起重机的关键部分。合理设计回转支承系统装配工艺,对塔式起重机的长周期工作极为有利。基于回转支承系统的制作装配工序,分析有效设计塔式起重机回转支承系统的相关装配工艺。研究结果显示,在装配回转支承系统时,既要遵循既定装配顺序,又要适当调整齿轮啮合间隙与回转支承安装位置,由此才能实现塔式起重机回转装配质量的提升。

塔式起重机顶升腰环尺寸优化设计

在塔式起重机顶升运动过程中,腰环起到稳定塔身的作用。为了保证塔式起重机顶升腰环设计的安全和稳定,尽可能降低其自重,文中结合其实体结构,使用Hypermesh软件建立了顶升腰环的有限元模型,依据GB/T3811—2008《起重机设计规范》对顶升腰环进行了静强度分析。在此基础上,利用灵敏度分析筛选对应力影响灵敏度较大的腰环各部分板厚,以筛选后的各部分板厚为设计变量、危险工况最大Von Mises应力为约束条件、质量最小为优化目标对其进行尺寸优化设计,并对优化前后顶升腰环的强度和质量进行比较分析。分析结果显示,优化后各工况的最大应力均有所下降,质量有所减轻,结构应力的分布更加均匀、合理,达到了轻量化的目的,也为今后塔式起重机顶升腰环结构设计提供了参考。

基于组合赋权关联规则的塔吊事故成因分析

为有效提高我国塔吊安全水平,揭示塔吊事故内在联系,利用改进Apriori算法,挖掘塔吊事故关联规则。首先,收集210份塔吊事故调查报告,根据事故调查报告、文献分析提炼塔吊事故基本属性和致因属性。然后,基于不同的事故阶段,提出组合赋权和定向约束的改进关联规则算法,并对塔吊作业事故影响因素进行定量分析,挖掘潜在映射关系。最后,根据挖掘结果,分析塔吊事故关键关联规则,为塔吊事故安全水平的提升提供理论指导,并提出相关建议。