专利名称：一种塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法及其设备的制作方法
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及其设备。
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及其设备，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强度信息选择振动控制的类型，所述振动控制的类型包括主动振动控制和被动振动控制；
当选择主动振动控制时，通过控制撑杆上的振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力；
当选择被动振动控制时，通过控制撑杆上的振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的被动控制力。
本发明塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制设备，包括
振动控制装置，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对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力或被动控制力；
传感器，用于采集塔吊-索塔结构耦合振动的激励响应信号；
控制器，用于根据激励响应信号的强度信息选择振动控制的类型，所述振动控制的类型包括主动振动控制和被动振动控制，当选择主动振动控制时，通过控制振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力，当选择被动振动控制时，通过控制振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的被动控制力。
在本发明技术方案中，由于可根据激励响应信号的强度信息设置振动控制的类型，控制振动控制装置对塔吊-索塔结构进行主动控制减振或被动控制减振，因此，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。
图1为塔吊-索塔结构示意图2为塔吊-索塔结构俯视图3为液压作动器结构示意图4为塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法流程图5为塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制设备结构示意图6为塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法一具体实施例流程图。
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301--油箱
302--伺服阀303--比例阀
304--液压缸40-传感器
50-控制器具体实施方式
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和设备。
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振动时，振动控制装置可对撑杆施加与振动方向相反的控制力，从而抵消由于振动所产生的相对位移，使结构保持稳定。
振动控制包括主动振动控制和被动振动控制，其中，主动振动控制指在振动控制过程中，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一定的影响，达到抑制或消除振动的目的；被动振动控制是相对于主动振动控制而言的，它是一种不需要外部能源的结构控制技术，例如，通过附加在结构上的耗能阻尼器耗散振动能量，实现减振目的。
如图4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强度信息选择振动控制的类型，所述振动控制的类型包括主动振动控制和被动振动控制；
当选择主动振动控制时，通过控制撑杆上的振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力；
当选择被动振动控制时，通过控制撑杆上的振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的被动控制力。
激励响应信号的强度信息可以包含位移信息、速度信息或其他相关信息，在本发明中，所述激励响应信号的强度信息同时包括塔吊-索塔结构耦合振动的频率，则在步骤 102 中
当塔吊-索塔结构耦合振动的频率小于设定频率时，选择主动振动控制；
当塔吊-索塔结构耦合振动的频率不小于设定频率时，选择被动振动控制。
其中，步骤102中的通过控制撑杆上的振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力，具体包括
步骤一根据激励响应信号的位移信息和速度信息计算出振动控制装置的主动控制力和驱动电压；
步骤二 根据所述驱动电压驱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。
所述振动控制装置优选为液压作动器，包括比例阀、伺服阀和液压缸，则
步骤二包括关闭比例阀并对伺服阀施加驱动电压，在伺服阀的调节下，通过液压缸的活塞杆对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力；
所述通过控制撑杆上的振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的被动控制力， 包括打开比例阀，使液压缸与比例阀形成闭环的液压系统，在比例阀的调节下，通过液压缸的活塞杆对撑杆施加与振动方向相反的被动控制力。
为了给实际的振动控制提供定量分析和参考，本发明塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法进一步包括仿真的步骤，即
对塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制进行仿真，得到模拟激励下的模拟时域响应信息；
根据模拟时域响应信息判断模拟振动控制是否获得设定的振动控制效果，如果是，模拟中设定的参数可应用到实际振动控制中；否则，在减振效果较差时，需要对被控结构的简化力学模型进行修改，再次进行仿真，直到模拟振动控制获得设定的振动控制效果。
对振动控制进行仿真的具体步骤包括
建立塔吊-索塔结构的简化力学模型，即通过计算等效质量对塔吊-索塔结构进行降阶和简化，建立5质点模型；
计算振动控制装置对撑杆施加的模拟主动控制力，所述模拟主动控制力由最优线性控制算法获得；
对塔吊-索塔结构简化力学模型进行瞬态有限元仿真并得到模拟激励下的模拟时域响应信息。
其中，振动控制效果包括振动控制前后被控结构的位移幅值比，被控结构在主动控制力下的稳定性，以及考虑时滞性对于振动控制的影响等。
当模拟振动控制可获得设定的振动控制效果时，仿真过程中所建立的塔吊-索塔结构简化力学模型可被应用于实际的主动振动控制中，例如，对控制器的设计。
如图6所示，本发明塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制方法一具体实施例(振动控制装置为液压作动器)的流程为
步骤301 建立塔吊-索塔结构简化力学模型；
步骤302 计算液压作动器对撑杆施加的模拟主动控制力；
步骤303 对简化力学模型进行瞬态有限元仿真并得到模拟激励下的模拟时域响应信息；
步骤304 根据模拟时域响应信息判断模拟振动控制是否获得设定的振动控制效果，如果是，执行步骤305，否则，返回步骤301 ；
步骤305 采集塔吊-索塔结构耦合振动的激励响应信号；
步骤306 判断塔吊-索塔结构耦合振动的频率是否小于设定频率，如果是，执行步骤307，否则执行步骤310 ；
步骤307 根据位移信息和速度信息计算出液压作动器的主动控制力；
步骤308 根据主动控制力计算出液压作动器的驱动电压；
步骤309 关闭比例阀并对伺服阀施加驱动电压，在伺服阀的调节下，通过液压缸的活塞杆对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力；
步骤310 打开比例阀，使液压缸与比例阀形成闭环的液压系统，在比例阀的调节下，通过液压缸的活塞杆对撑杆施加与振动方向相反的被动控制力。
如图5所示，本发明塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制设备，包括振动控制装置 30d、传感器40和控制器50，其中，
所述振动控制装置30d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对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力或被动控制力；
所述传感器40用于采集塔吊-索塔结构耦合振动的激励响应信号，传感器的数量和位置可以根据实际情况进行相应的设计；
所述控制器50，用于根据激励响应信号的强度信息选择振动控制的类型，所述振动控制的类型包括主动振动控制和被动振动控制；当选择主动振动控制时，通过控制振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力；当选择被动振动控制时，通过控制振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的被动控制力。
控制器可以是PC控制器或者PLC控制器等，优选为PLC控制器，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。
当激励响应信号的强度信息包括塔吊-索塔结构耦合振动的频率信息时，所述控制器，用于在塔吊-索塔结构耦合振动的频率小于设定频率时选择主动振动控制，在塔吊-索塔结构耦合振动的频率不小于设定频率时选择被动振动控制。
当激励响应信号的强度信息同时包括位移信息和速度信息时，所述控制器，用于根据激励响应信号的位移信息和速度信息计算出振动控制装置的主动控制力和驱动电压， 并根据所述驱动电压驱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。
在本发明中，振动控制装置为作动器，例如可以是液压作动器、粘性液体作动器等。优选为液压作动器，通过伺服阀控制的液压作动器在工作时只需要调节或控制伺服阀阀口的大小，耗能很低，一般几十瓦就可以提供IOOt 200吨的阻尼力，且振动控制的鲁棒性好，能够适应较宽频率范围的外部激励，时滞性小。
如图3所示的实施例，液压作动器作为振动控制装置，主要包括油箱301、比例阀 303、伺服阀302和液压缸304，其中，
所述液压缸包括活塞、由活塞隔开的两腔油缸和位于活塞两侧并伸出两腔油缸外与撑杆接触的活塞杆；液压缸两腔油缸的压力差即为液压作动器的控制力；
当比例阀打开时，所述液压缸与比例阀形成闭环的液压系统，该液压系统相当于被动阻尼器，液压油只在该闭环系统中流动，而不需要耗费外部能源，在比例阀的调节下， 通过活塞杆对撑杆施加与振动方向相反的被动控制力；
当比例阀关闭时，伺服阀在控制器实时计算得出的驱动电压的驱动下，控制进出液压缸的两腔油缸的油量，液压缸在伺服阀的调节下，通过活塞杆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，由于可根据激励响应信号的强度信息设置振动控制的类型，控制振动控制装置对塔吊-索塔结构进行主动控制减振或被动控制减振，因此，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。
权利要求
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强度信息选择振动控制的类型，所述振动控制的类型包括主动振动控制和被动振动控制；当选择主动振动控制时，通过控制撑杆上的振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力；当选择被动振动控制时，通过控制撑杆上的振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的被动控制力。
2.如权利要求1所述的振动控制方法，其特征在于，所述激励响应信号的强度信息包括塔吊-索塔结构耦合振动的频率，则步骤B中，当塔吊-索塔结构耦合振动的频率小于设定频率时，选择主动振动控制；当塔吊-索塔结构耦合振动的频率不小于设定频率时，选择被动振动控制。
3.如权利要求2所述的振动控制方法，其特征在于，所述激励响应信号的强度信息进一步包括位移信息和速度信息，则通过控制撑杆上的振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力，包括B11、根据激励响应信号的位移信息和速度信息计算出振动控制装置的主动控制力和驱动电压；B12、根据所述驱动电压驱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。
4.如权利要求3所述的振动控制方法，其特征在于，所述振动控制装置为液压作动器， 包括比例阀、伺服阀和液压缸，则步骤B12包括关闭比例阀并对伺服阀施加驱动电压，在伺服阀的调节下，通过液压缸的活塞杆对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力；所述通过控制撑杆上的振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的被动控制力，包括打开比例阀，使液压缸与比例阀形成闭环的液压系统，在比例阀的调节下，通过液压缸的活塞杆对撑杆施加与振动方向相反的被动控制力。
5.如权利要求1所述的振动控制方法，其特征在于，在步骤A之前，进一步包括Cl、对塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制进行仿真，得到模拟激励下的模拟时域响应信息；C2、根据模拟时域响应信息判断模拟振动控制是否获得设定的振动控制效果，如果是， 执行步骤A ；否则，返回步骤Cl。
6.如权利要求5所述的振动控制方法，其特征在于，所述步骤Cl包括C11、建立塔吊-索塔结构简化力学模型；C12、计算振动控制装置对撑杆施加的模拟主动控制力；C13、对塔吊-索塔结构简化力学模型进行瞬态有限元仿真并得到模拟激励下的模拟时域响应信息。
7.如权利要求6所述的振动控制方法，其特征在于，步骤B中，所述当选择主动振动控制时，通过控制撑杆上的振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力，包括对塔吊-索塔结构简化力学模型的应用。
8.一种塔吊-索塔结构耦合振动的振动控制设备，其特征在于，包括振动控制装置，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对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力或被动控制力；传感器，用于采集塔吊-索塔结构耦合振动的激励响应信号；控制器，用于根据激励响应信号的强度信息选择振动控制的类型，所述振动控制的类型包括主动振动控制和被动振动控制，当选择主动振动控制时，通过控制振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力，当选择被动振动控制时，通过控制振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的被动控制力。
9.如权利要求8所述的振动控制设备，其特征在于，所述激励响应信号的强度信息包括塔吊-索塔结构耦合振动的频率，则所述控制器，用于在塔吊-索塔结构耦合振动的频率小于设定频率时选择主动振动控制，在塔吊-索塔结构耦合振动的频率不小于设定频率时选择被动振动控制。
10.如权利要求9所述的振动控制设备，其特征在于，所述激励响应信号的强度信息进一步包括位移信息和速度信息，则所述控制器，用于根据激励响应信号的位移信息和速度信息计算出振动控制装置的主动控制力和驱动电压，并根据所述驱动电压驱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。
11.如权利要求10所述的振动控制设备，其特征在于，所述振动控制装置为作动器。
12.如权利要求11所述的振动控制设备，其特征在于，所述作动器为液压作动器，包括比例阀、伺服阀和液压紅，其中，所述液压缸包括活塞、由活塞隔开的两腔油缸和位于活塞两侧并伸出两腔油缸外与撑杆接触的活塞杆；当比例阀打开时，所述液压缸与比例阀形成闭环的液压系统，在比例阀的调节下，通过活塞杆对撑杆施加与振动方向相反的被动控制力；当比例阀关闭、伺服阀被驱动电压驱动时，所述液压缸在伺服阀的调节下，通过活塞杆对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力。
全文摘要
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，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强度信息选择振动控制的类型，所述振动控制的类型包括主动振动控制和被动振动控制，当选择主动振动控制时，撑杆上的振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的主动控制力；当选择被动振动控制时，撑杆上的振动控制装置对撑杆施加与振动方向相反的被动控制力。本发明技术方案根据激励响应信号的强度信息设置振动控制的类型，控制振动控制装置对塔吊-索塔结构进行主动控制减振或被动控制减振，减振效果显著，且智能化程度较高。
文档编号E04B1/98GK102518047SQ20111045563
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者刘仰清, 曾亚平, 曾光, 王维金, 阳云华 申请人:中联重科股份有限公司