在2025年，塔式起重機(jī)行業(yè)持續(xù)展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢(shì)，在建筑領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著城市化進(jìn)程的加速和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，塔式起重機(jī)的市場(chǎng)需求穩(wěn)步增長(zhǎng)。在建筑領(lǐng)域，塔式起重機(jī)是極為關(guān)鍵的設(shè)備。其憑借回轉(zhuǎn)角度大、作業(yè)效率高、起重質(zhì)量大、起升高度大等突出優(yōu)勢(shì)，在各類建筑項(xiàng)目中承擔(dān)著物料運(yùn)輸和建材構(gòu)件安裝等重要任務(wù)，尤其在超高層建筑建設(shè)中更是不可或缺。然而，塔式起重機(jī)在運(yùn)行過程中存在一些亟待解決的問題，這也促使相關(guān)控制方法的研究不斷深入。
《2025-2030年中國(guó)塔式起重機(jī)行業(yè)市場(chǎng)分析及發(fā)展前景預(yù)測(cè)報(bào)告》指出，塔式起重機(jī)的基本控制目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)起重臂、小車及吊鉤的精準(zhǔn)定位，提升運(yùn)行效率，同時(shí)有效抑制吊鉤及物料的晃動(dòng)，確保安全運(yùn)行。但目前存在諸多挑戰(zhàn)。首先，塔式起重機(jī)屬于典型的非線性系統(tǒng)。其物理系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，常見的有繩索長(zhǎng)度固定的 4 自由度模型，以及能實(shí)現(xiàn)物料起升和降落運(yùn)動(dòng)、考慮繩索長(zhǎng)度變化的 5 自由度模型，二者均為非線性系統(tǒng)，這對(duì)控制系統(tǒng)的性能提出了極高要求。其次，塔式起重機(jī)系統(tǒng)是典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可控制的輸入量個(gè)數(shù)少于系統(tǒng)狀態(tài)變量的個(gè)數(shù)，與物料擺動(dòng)相關(guān)的狀態(tài)量無法直接控制，而是依靠起重機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和小車行走運(yùn)動(dòng)之間的耦合關(guān)系間接控制，這大大增加了控制器設(shè)計(jì)的難度。再者，考慮到塔式起重機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)和機(jī)構(gòu)配置，為保障運(yùn)行安全，其運(yùn)行速度、加速度等物理量需滿足特定物理約束，這就要求在設(shè)計(jì)控制器時(shí)從理論上確保能滿足這種特定約束。
為解決上述問題，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了多種控制方法，總體上分為開環(huán)控制方法和閉環(huán)控制方法。
軌跡規(guī)劃
軌跡規(guī)劃旨在通過分析小車和吊鉤之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)小車的平滑運(yùn)行，防止速度急劇變化而加劇吊鉤和物料的擺動(dòng)。通過構(gòu)造微分平坦輸出信號(hào)和設(shè)計(jì) B 樣條曲線，提出了一種考慮狀態(tài)約束的多目標(biāo)最優(yōu)軌跡規(guī)劃方法，利用改進(jìn)的非支配近鄰免疫算法解決多目標(biāo)優(yōu)化問題，顯著提高了物料的運(yùn)送效率。還有研究提出基于自適應(yīng) 7 段式 S 型速度軌跡的控制策略，有效避免了塔式起重機(jī)變幅作業(yè)過程中引起的擺動(dòng)。
輸入整形方法
輸入整形方法是依據(jù)對(duì)起重機(jī)系統(tǒng)頻率特性和阻尼比的分析，設(shè)計(jì)整形器對(duì)小車的加速度信號(hào)進(jìn)行整形，以達(dá)成小車和吊鉤的精確定位與運(yùn)輸任務(wù)。有研究通過分析塔式起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性，提出了相應(yīng)的輸入整形方法。也有研究關(guān)注塔式起重機(jī)非線性動(dòng)力學(xué)對(duì)輸入整形性能的影響，針對(duì)其非線性回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的振動(dòng)問題，提出了新穎的輸入整形方法。
線性控制方法
線性控制方法常見的包括 PID 控制、LQR 控制以及增益調(diào)度控制等，其中 PID 控制應(yīng)用最為廣泛。為提升塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的工作性能，有研究基于 PID 控制策略設(shè)計(jì)控制器，并通過塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。此外，還涌現(xiàn)出一些基于 PID 形式的優(yōu)化控制方法，如模糊 PID、粒子群 PID、模糊自整定 PID 等。
滑模變結(jié)構(gòu)控制
滑模變結(jié)構(gòu)控制方法以強(qiáng)魯棒性著稱，能夠有效抵抗外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)。與傳統(tǒng)線性滑模面不同，有研究提出一種含有非線性滑模面的滑?？刂品椒ǎ瑸殚]環(huán)系統(tǒng)提供可變的阻尼比?？紤]到起重機(jī)運(yùn)輸過程中的不確定性，一些研究采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)方法，對(duì)起重機(jī)系統(tǒng)模型的不確定項(xiàng)進(jìn)行在線辨識(shí)，并用 PSO 算法優(yōu)化滑?？刂破鞯膮?shù)。還有研究采用 2 層分?jǐn)?shù)階滑模面，分別用于控制臂架小車的位移和起重臂的回轉(zhuǎn)角。
基于能量法的控制
為解決雙擺式塔式起重機(jī)負(fù)載兩級(jí)擺動(dòng)幅度大、定位精度不高、抗干擾能力差的問題，有研究考慮起重機(jī)非線性特性，基于能量強(qiáng)耦合的方法，深入分析塔式起重機(jī)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)和物料擺動(dòng)之間的耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)出可有效消除物料擺動(dòng)的控制方法。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，基于能量法的控制方法能有效應(yīng)用于塔式起重機(jī)小車運(yùn)行和物料擺動(dòng)控制，具有響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
自適應(yīng)控制
與橋式起重機(jī)、門式起重機(jī)等類似，塔式起重機(jī)存在性能參數(shù)不確定性項(xiàng)，如負(fù)載質(zhì)量、繩索長(zhǎng)度和小車運(yùn)行距離等時(shí)變參數(shù)，這給控制器設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。自適應(yīng)控制方法通過在線估計(jì)時(shí)變參數(shù)并反饋給控制系統(tǒng)，成為解決這一問題的有效方案。有研究考慮繩索長(zhǎng)度和物料質(zhì)量的變化，提出自適應(yīng)控制方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。模型參考控制(MRC)是通過設(shè)計(jì)自適應(yīng)系統(tǒng)，迫使被控對(duì)象接近已知參考模型的控制方法，有研究將輸入整形法和 MRC 相結(jié)合，提出新型自適應(yīng)控制方法。
智能控制
隨著自動(dòng)控制研究的深入，眾多智能控制方法被提出并應(yīng)用于多種起重機(jī)系統(tǒng)。有研究提出基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制雖能較好抵抗外部擾動(dòng)和不確定性，但對(duì)訓(xùn)練樣本依賴程度高。模糊邏輯控制則具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，不依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型。還有一系列針對(duì)塔式起重機(jī)的智能控制方法被提出，如建立能量函數(shù)，分析系統(tǒng)的無源特性，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)模糊控制的隸屬函數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高系統(tǒng)的魯棒性能。
總體而言，在控制方法的研究中，閉環(huán)控制方法相對(duì)開環(huán)控制方法更適用于非線性的塔式起重機(jī)系統(tǒng)。線性控制方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但控制效果有待提升。現(xiàn)代控制方法如滑模變結(jié)構(gòu)控制、最優(yōu)控制、模型預(yù)測(cè)控制等，可應(yīng)用于非線性、欠驅(qū)動(dòng)的塔式起重機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)前，智能控制和平行控制方法是研究熱點(diǎn)。不過，目前的研究大多停留在理論層面，部分控制方法仿真效果良好，但受實(shí)際應(yīng)用環(huán)境影響，試驗(yàn)結(jié)果不理想。例如建筑工地橫向風(fēng)大、物料形狀不規(guī)則、物料屬性不同(如液體晃動(dòng))、傳感器測(cè)量不準(zhǔn)甚至無法測(cè)量等因素，均會(huì)對(duì)控制效果產(chǎn)生影響。
展望未來，塔式起重機(jī)控制方法的研究具有明確的方向。在基于能量法的控制器增益方面，雖目前依賴系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)變化大時(shí)控制效果受影響，且一些優(yōu)化方法增加了控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，但隨著配套硬件設(shè)備性能提升，有望解決這一問題。考慮到不確定性因素和外部擾動(dòng)對(duì)控制性能影響較大，研究補(bǔ)償效果更佳的自適應(yīng)控制和智能控制方法是重要途徑。此外，在加快理論研究的同時(shí)，不可忽視工程應(yīng)用，提升硬件性能以增強(qiáng)控制算法的運(yùn)行能力，將理論方法應(yīng)用到工程實(shí)際中，具有重要的工程價(jià)值和潛在的經(jīng)濟(jì)效益。
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