集装箱起重机电子防摇控制技术研究

上海交通大学硕士学位论文集装箱起重机电子防摇控制技术研究姓名：肖鹏申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：王冰20050201VMEMSVIMATLABPLCVIIRESEARCHONELECTRICALANTI-SWAYCONTROLTECHNOLORYFORCONTAINERCRANEABSTRACTContainercraneisthemainequipmentwhichusedtoloadingandunloadingcontainerbetweenshipandyard,anditscapacityandvelocitydecidetheefficiencyoftheyard.Withthedevelopmentoftheworldbusinessandtrade,inordertopromotetheloadingandunloadingefficiencyofcontainercrane,itisveryimportanttodecreaseoravoidtheswingofcontainerandspreader.Electricalanti-swaycontrolisanactivemethod,itdoesnotrelyontheexperienceoftheoperator,buttakethecontrolofbothanti-swayandmovementofthetrolleyintoaccount,whichmakestheloadingandunloadingmoreefficient,andalleviatestheoperator'sburdenofwork.Itisatrendtomakeelectricalanti-swayintoapplicationinportstorealizetheautomationofloadingandunloading.Basedontheresearchandimprovementofthemechanicalorhydro-mechanicalandconventionalelectricalanti-swaycontrolsystem,thisthesisproposesanewvision-sensorlessanti-swaycontrolscheme,wheretheswayangleoftheloadisestimatedwithasimpleaccelerationsensor,whichcanbeequippedonthetrolley.Theswayofthesuspendedloadissuppressedbyaddingthedampingfactorwhichiscalculatedwiththeswayangle.Comparedtothemechanicalorhydro-mechanicalandconventionalelectricalanti-swayVIIIschemewhichrequiresacomplexandexpensivevisionsensorsystem,thiscontrolschemeissimpleandefficient.Thisthesisproposesthemathematicmodelofthetrolleyandloadsystem,analyzestherelationbetweentheloadswayandthemovementoftrolley,thenanewanti-swaycontrolschemeisproposedandverifiedbythecomputersimulationexperimentwiththehelpofMATLABsoftware.Andintroducesthespeedcontrolsystemindetailsincludeinverter,PLCandsoon,finally,accomplishthehardwareandsoftwaredesignofthewholeanti-swaycontrolsystem.KEYWORDSContainercrane,electricalanti-sway,velocitycontrolmode,accelerator,inverter,PLC,simulationexperimentIIIIV1206030,,,1,,,,22080PID23ElectricalAnti-SwayControlSystem208090PLCProgrammableLogicControllerPLCPLCIPCSiemensABBYaskawaGEGeneralElectricABBTE4GE34PLCPLC5Figure1-1Flowchartofthethesis65Figure2-1Diagramofacontainercrane7205010t60708080906748AHAHAHAHHAHAH458096095t8AH130.5t61t65t231314~172032m65m70m2431027~40m47.5m4600~800t1200~2000t50~120m/min90~200m/min120m/min240m/min300~350m/min20022320m/minGPSCMSRCMS91110150mm200mm180m/min2m130m/min10m10s10cm111240t4810s10cm5s10cmV131220801450%PLCABBABBABBAEGABBAEGAEGABBAEG1315上海交通大学硕士学位论文16第三章小车-吊重偏摆系统动力学分析近十几年来，大学和制造商联合做了大量的工作，开发电子或计算机控制系统辅助控制小车运动以达到减摇目的。最普遍的方法是基于直线式的悬挂构想（或叫纯单摆几何学）,把集装箱运行小车、钢丝绳及吊重（吊具与集装箱）组成的系统近似看作为一单摆系统，目前几乎所有已研制的防摇装置的都是基于纯单摆几何学建立的【14】。3.1本文所建立的力学模型集装箱起重机是一个非常复杂的系统，为了简化分析，根据起重机工作的基本情况，作以下假设:①由于集装箱起重机在进行装卸作业过程中，大车机构一般都是处于静止状态，因此本文在建立力学模型时，不考虑大车机构的运动；②吊重与起升钢丝绳在整个运行过程中所受的风力和空气阻尼均不计；③吊重（吊具与集装箱）只作平面运动，且始终处于水平状态；④起升钢丝绳的质量相对于吊重的质量可忽略不计。考虑小车运行牵引力、吊重的偏摆及小车与轨道间的摩擦阻力，得到小车-吊重偏摆系统的简化力学模型如图3-1所示。图3-1小车－吊重偏摆系统力学模型Figure3-1MechanicalmodeloftrolleyandloadFxL小车Mg吊重mgfθ上海交通大学硕士学位论文17其中，M和m分别为小车和吊重的质量,L为起升钢丝绳的长度，x表示小车在水平方向上的位移，θ表示吊重偏离竖直方向的摆角，F为小车运行牵引力，f为小车运行静阻力，g为重力加速度（取为9.82s/m）。由于起升钢丝绳绳长L、小车在水平方向上的位移x、吊重偏离竖直方向的摆角θ这三个变量相互独立，将其作为广义坐标，并设起升钢丝绳的张力为T,对小车建立运动微分方程有0sin=+−−fFTxMθ&&式(3-1)根据达朗伯原理，对吊重m（吊具＋集装箱）进行受力分析：它受重力mg,缆绳张力T,法向惯性力ngF，切向惯性力τgF，水平惯性力1F作用。如图3-2所示。图3-2吊重力学分析Figure3-2Mechanicalanalysisofload在水平方向上建立动力学平衡方程，有0sincossin1=−++θθθτnggFFFT式(3-2)式中：法向惯性力)(2LLmFng&&&−=θ切向惯性力)2(θθτ&&&&LLmFg+=水平惯性力xmF&&=1由式(3-1)可知：fFxMT+−=&&θsin代入到式(3-2)，有：fFLmLmmLxmM−=++−++θθθθθθθcos2sin)sincos()(2&&&&&&&&&式(3-3)在垂直于缆绳方向上建立平衡方程，有Lθ吊重mgT1FτgFxngF上海交通大学硕士学位论文180sincos=++τθθgFmgxm&&式(3-4)整理得：0sin2cos=+++θθθθgLLx&&&&&&式(3-5)因此，小车－吊重偏摆系统的线性化模型为=+−−=+++−=++−++0sin0sin2coscos2sin)sincos()(2fFTxMgLLxfFLmLmmLxmMθθθθθθθθθθθθ&&&&&&&&&&&&&&&&&式(3-6)式中：M－小车质量，kgm－吊重质量，kgF－小车运行牵引力，Nf－小车运行静阻力，Nx－小车在水平方向上的位移，m2/8.9smg=－重力加速度，θ－吊重摆角，radT－钢绳总张力，NL－吊重摆长，m由于集装箱起重机进行装卸及运输作业时，为减小吊重偏摆幅度以及避免碰撞事故的发生，往往都是先通过起升电机将吊重上升到一定高度，然后再通过牵引电机驱使小车运行。因此，在整个小车运行过程中，可不考虑起升钢丝绳的长度变化，假定在整个运行过程中起升钢丝绳的长度L始终保持恒定不变【15】。则：0==LL&&&由此方程组(3-6)简化为：=+−−=++−=−++00sincossincos)(2fFTxMgLxfFmlmLxmMθθθθθθθθ&&&&&&&&&&&式(3-7)如果只考虑在操作点00=θ附近只有很小的θ变化，可作进一步简化：θθ=sin，1cos=θ，02=θ&由此方程组(3-7)简化为：=+−−=++−=++00)(fFTxMgLxfFmLxmMθθθθ&&&&&&&&&&式(3-8)根据(3-8)式，可知在t时刻，对小车-吊重偏摆系统有：上海交通大学硕士学位论文190)()()(=++tgtLtxθθ&&&&式(3-9)整理得：LtxtLgt)()()(&&&&−=+θθ式(3-10)显然，根据式（3-10），可以很清楚的看出吊重的摆动是随时间作周期性变化，吊重偏摆角度θ、偏摆角速度θ&与小车运行加速度)(tx&&成正比。因此在摆长L已知的情况下，只要确定了小车运行加速度)(tx&&的大小与方向，吊重的偏摆角度θ、偏摆角速度θ&也就可以相应得到确定，通过建立反馈控制系统，对所获取的反馈信息进行处理，进一步控制小车的运行，调整小车运行速度，即可抑制吊重偏摆达到减摇目的【16】。3.2两种控制方式的比较3.2.1力控制方式由式(3-7)，小车－吊重偏摆系统的力学模型为：=+−−=++−=−++0sin0sincos)sincos()(2fFTxMgLxfFmLxmMθθθθθθθθ&&&&&&&&&&&为实现对小车的运行控制，如果将小车运行牵引力F与钢丝绳总张力T作为输入，即相当于将小车运行牵引电机的力矩与吊重提升电机的力矩作为输入，将吊重偏摆角度θ和偏摆角速度θ&作为输出，不仅求解困难，而且要达到控制吊重偏摆角θ的目的也很困难，因此不作深入探讨。3.2.2速度控制方式如果将小车的运行速度x&与吊重的提升速度L&作为输入变量，小车运行牵引力F与钢丝绳总张力F作为输出变量，而小车位移x、吊重摆长L、吊重摆角θ与摆动角速度θ&作为系统的状态变量，则小车－吊重摆动系统的状态矢量X、输入变量U和输出变量Y分别为上海交通大学硕士学位论文20==θθ&LxxxxxX4321==LxuuU&&21==TFyyY21状态方程为[]+−−====3134224432211cossin21xuxgxuxxxxuxux&&&&&式(3-11)输入方程为+−+=++=3224231223132421mgcosxxmxmxsinxxms