（机械设计及理论专业论文）自动化码头高速电动小车定位系统研究.pdf

摘要 摘要 随着经济全球化进程的加快，全球集装箱运输发展迅速，世界各地主要集 装箱码头均面临吞吐量急剧增长的压力。建设集装箱自动化码头可以减少操作 人员，降低营运成本，提高作业效率，从而提高竞争力。现在世界上已建成的 自动化码头不仅投资昂贵、效率低而且还会对环境造成污染。 上海振华港机集团公司提出的高效智能型立体集装箱码头采用立体低架轨 道方式构成集装箱立体输送网络( 立体分配系统) 代替传统的水平运输。立体 分配系统由立体低架桥轨道和运行其上的多组高速电动小车组成。本文以该系 统的高速电动小车为研究对象，一目的是研究满足最大运行速度2 4 0 m m i n ，定位 精度为士l5 m m 的立体轨道式集装箱输送高速电动小车定位系统。 本文对高速电动小车系统进行分析，确定了高速电动小车的电气制动和机 械制动相结合的制动方案。并进行了制动计算，得出制动电阻、减速度、负载 转矩等参数。并在高速电动小车理想定位分析的基础上，计算了不同情况下高 速电动小车的定位距离和定位时间，给出理想定位曲线。 针对高速电动小车变频器异步电动机( 鼠笼) 拖动系统，本文第三章研究 了鼠笼异步电动机的控制技术，重点分析了c r p w m 逆变技术，矢量控制技术， 模糊控制技术，确定了高速电动小车定位控制系统。 最后，应用m a t l a b s i m u l i n k 对模糊控制矢量控制相结合的高速电动 小车定位控制系统进行建模，对高速电动小车定位过程的性能进行了仿真。 仿真结果表明，高速电动小车定位系统可以达到士1 5 m m 的定位精度。 关键词：自动化码头定位控制c r p w m 逆变技术矢量控制模糊控制 ：海科学技术委员会资助项目( n o 0 6 d z l l 2 0 2 ) a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to fe c o n o m i cg l o b a l i z a t i o nc o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o ni sd e v e l o p i n g r a p i d l y t h em a i nc o n t a i n e rt e r m i n a l sa r ef a c i n gc h a l l e n g e o f i n c r e a s i n gt h r o u g h p u t b u t i na l l t o m a t i cc o n t a i n e rt e r m i n a lt h ee f f i c i e n c yi si m p r o v e d ，a n dt h ec o s t i sr e d u c e d 计d l ef e w e rw o 血哪a r en e e d e d ，s ot h ec o m p e t i t i v e n e s so f t h et e r m i n a li s1 m p r o v e d t h e r ea r em a n yp r o b l e m si na u t o m a t i cc o n t a i n e r t e r m i n a l si nu s e ：t h ec o s ti st o oh 1 鲈 a n dt h ee f f i c i e n c yi sl o w e r t h a nt h et r a d i t i o n a lt e r m i n a l ，a n da i rp o l l u t i o ne x i s t si nt h e s e t e r m i n a l s t h eh i g he f f i c i e n c y , a u t o m a t i cc o n t a i n e rt e r m i n a lh a n d l i n g so f z p m ci sa c h i e v e d c o m p l e t e l yb yd r i v i n go ne l e c t r i c r a i l s ，i n s t e a do ft r a d i t i o n a lg a se n g i n eg r o u n d t r a n s p 酣a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ep o s i t i o nc o n t r o lo ft h ev e h i c l e i nt h et e 舢n a l i s i n v e s t i g a t e dt om e e th i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c y ( + 1 5 m m ) w i t ht h em a x i m u ms p e e d 2 4 0 m m i n i nt h i sp a p t h es c h e m eo ft h eb r a k i n gs y s t e mf o rt h ev e h i c l ei sr e s e a r c h e d ，t h e c o m b i n a t i o nm e t h o do fa n de l e c t r i cb r a k i n ga n dm e c h a n i c a lb r a k i n g i sa p p l i e d m a d e c a l c u l a t i o no fb r a k i n ga n do b t a i n e dt h er e l a t e dp a r a m e t e r s b a s e do nt h ea n a l y s l so f t a r g e tp o s i t i o n ，t h ep o s i t i o n i n gd i s p l a c e m e n ta n d t i m ea r ec a l c u l a t e d ，t h ev e l o c i t yc u r v e l ? 母v e n ” i l lm i sp 印e r c o n t r o lo f i n v e r t e r - a s y n c h r o n o u sm o t o r d r i v es y s t e mi si n v e s t i g a t e d c r p w mi n v e r t e rt e c l l i l o l o 鼢v e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n df u z z y c o n t r o lt e c h n o l o g y a r er e s e a r c h e d t h ep o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e mf o r v e h i c l ei sd e s i g n e d t h em o d e lo ff u z z y - v e c t o rc o n t r o lo fv e h i c l ep o s i t i o n i n gi sd e v e l o p e d ，a n dt h e s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ec o n t r o ls y s t e mi sm a d e ，a n dr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h er e q u i r e d a c c u r a c yc a n b em e t k e yw o r d s ：a u t o m a t i cc o n t a i n e rt e r m i n a l ，p o s i t i 。n i n gc o n t r o l ，c r p w mi n v e n e r t e c h n o l o g y , v e c t o rc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l s u p o r t e db ys c i e n c ea n d t e c h n o l 。g yc 。r e m i s s i o no fs h a n g h a im u n i c i p a i 时( g m t n 。0 6 d zll2 0 2 ) i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 2 肋8 年 荔春f 弓月l8 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 曰 。0 ，丌1 翟 月 6 弓 孝 、 年 佟 城 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题的来源、目的和意义 本课题来源于上海市科学技术委员会计划项目高效智能型立体装卸集 装箱码头核心技术研发与应用，项目编号为：0 6 d z l l 2 0 2 。 此项目目标是建成世界上第一个高效智能型立体装卸集装箱码头长兴岛试 验示范线，更新换代当今集装箱码头传统的地面内燃机驱动车辆水平运输工具 ( 集卡、a g v 、跨运车) 转运模式，以集装箱自动化码头为研究对象，研制比 目前世界上常规人工码头和现有自动化码头效率更高而投资相对较低的高效经 济型装卸系统。 现在世界上建成的自动化码头，如荷兰的鹿特丹港和德国的汉堡港，采用 自动导航小车即a g v 系统的水平运输，存在着两个共同的问题：投资和运行维 护昂贵；系统复杂、没有人操作码头效率高，因而未能得到普遍推广应用。高 效智能型立体集装箱码头取消水平运输，采用立体低架轨道方式构成集装箱立 体输送网络；采用机电优势互补，同时实现高速运行与高精度定位。 智能化立体轨道电动小车传送分配系统，即立体轨道方式构成了集装箱立 体输送网络( 简称“立体分配系统”) 是高效智能型立体装卸集装箱码头研发的 关键技术创新点之一。立体分配系统取代了目前世界上所有集装箱码头前沿岸 桥和后方堆场场桥之问的水平运输全部采用内燃机驱动的水平运输工具的地面 运输系统，实现集装箱在码头前沿岸桥和场桥间的快捷立体传送分配，便于实 现智能化调度，自动化控制，提高集装箱传送效率，且可极大地缩短岸桥和场 桥问的码头占地面积、减少码头造价。并由于采用了电动小车，比内燃机驱动 的集卡、a g v 、跨运车节能降耗，降低设备成本，提高经济性，又消除了内燃 机废气排放和噪声污染，符合环保要求。因此，立体分配系统的相关技术攻关 提上了议程。前方岸桥、后方场桥与立体分配系统的多组电动小车构成了整个 集装箱运输系统的关键设备。因此立体分配系统的电动小车能否高速运行，高 速运行的情况下能否按调度指令准确的定位则成为立体分配系统乃至整个自动 化码头能否高效、智能、安全运行的关键环节。 第1 章引言 本文以立体轨道式集装箱输送高智能电动小车为研究对象，目的是研究满 足最大运行速度2 4 0 m m i n ，定位精度为士15 m m 的立体轨道式集装箱输送高速智 能型电动小车高精度定位系统，为高速高精度定位提供一种可行的解决方案。 研究成果的应用将有助于高精度电动小车的研发，从而提高立体输送环节 效率和效能，为整个自动化码头的高效、安全、智能运行提供现实保障。为高 效智能型立体集装箱码头示范线的构建奠定了坚实的基础。为相关的高速高精 度定位系统的研究提供一定的参考价值。 1 2 自动化码头装卸系统及其相关技术现状和发展综述 1 2 1 自动化码头的现状和发展 随着经济全球化进程的加快，全球集装箱运输发展迅速，世界各地主要集 装箱码头均面临吞吐量急剧增长的压力。集装箱船舶装载能力的最大化以及船 舶在港时问的最小化要求大幅提高港口装卸作业效率，为此配置的大量人员， 车辆和堆场导致营运成本和管理难度大量增加【1 ，2 1 。 集装箱自动化码头的出现正是为了减少操作人员，降低营运成本，稳定可 靠地提高作业效率，从而提高竞争力。2 0 世纪9 0 年代初，荷兰鹿特丹港e u r o p e c o n t a i n e rt e r m i n a l s ( e c t ) 投入使用了世界上的第一个集装箱自动化码头【3 】，随后 在日本川崎，英国泰晤士、德国汉堡以及新加坡和香港等集装箱自动化码头也 投入建设或设计中。 自动化集装箱码头的自动化运转设备包括岸边集装箱起重机、码头内的集 装箱水平运输设备及集装箱堆场作业设备。岸边集装箱起重机完全自动化技术 尚未成熟，目前仍然主要是半自动应用。堆场作业则主要采用全自动的轨道式 或轮胎式龙门起重机。码头内的水平运输主要采用集装箱拖挂车、跨运车和自 动导航小车a g v 。a g v 是8 0 年代发展起来的新技术，因其具有无人驾驶、自 动导航、定位精确、线路灵活、路径优化以及安全避障等智能化特征，在国防 工农业生产等领域中都具备着传统车辆运输所无法比拟的巨大优势，港口集装 箱调度任务的同益繁重使得a g v 在该领域中获得越来越广泛的应用【i j 。 岸边集装箱起重机和码头内集装箱堆场之间，现有的自动化或半自动化码 头都采用了内燃机驱动的水平运输设备【4 】。于1 9 9 3 年投入运行的全自动化集装 2 第1 章引言 箱码头荷兰鹿特丹港e c t 的d e l t as e a l a n d 集装箱码头，采用无人控制的a g v 小车【2 训。德国汉堡港c t a ( c o n t a i n e r t e m m i n a l a t e n w e r d e r ) 是利用可靠、成熟 的技术建设的自动化集装箱码头，c t a 于2 0 0 2 年1 0 月投产第一期自动化集装 箱码头全部采用全自动的a g v 小车实现岸桥亡专堆场的自动化【2 4 ，5 】。然而由于 a g v 及相关技术投资昂贵，并且由于其路径优化，安全引导，碰撞等安全隐患 的存在，以及初期安装和调试、控制复杂等困难的存在，其效率还没有人操作 的自动化码头效率高。因此除了人力资源非常昂贵的地区建成的自动化码头 ( 如：e c t 和c t a ) 投产之外，其他国家的自动化码头都处于半自动化或者项 目搁浅的状态。英国伦敦t h a m e s p o r t 是按着a g v 系统开发的，但由于资金不足， 只做了试验，前方现仍采用牵引车和板车。新加坡港p p t ( p a s i rp a n j a n g t e r m i n e l ) 是利用中控电视c c t v 远距离控制方式进行作业，在一期工程中用y t 代替 a g v 作业【2 ，制。香港h i t ( h o n g g k o n gi n t e r n a t i o n a lt e r m i n a l ) 由于从19 9 0 年起 集装箱吞吐量猛增，为了在不增加泊位的情况下解决这一问题，实施了部分自 动化作业。1 9 9 5 年改装后，由于自动化部分出许多错误动作，到了1 9 9 9 年年中 开始只在堆场上实行了自动化作业【4 1 。日本川崎港选择了英国t h a m e s p o r t 的自 动化系统，但是由于多方面的原因，没有能按计划实现全自动化集装箱码头， 只在堆场实现自动化【3 ，4 1 。名古屋港是以2 0 0 7 年3 月实现全自动化为目标推进的 自动化集装箱码头的建设中设计采用a g v 小车【4 】。海南国光阳港三期工程第二 阶段的集装箱码头计划2 0 0 9 年全部正式投产，其装卸桥到堆场的运输采用自动 化车辆( a g v ) 4 1 。而其更换a g v 后的成本和效率等问题现在还不得而知。 a g v 系统运用在港口存在的主要限制有：伴随着集装箱码头吞吐量的增加， 现场作业的a g v 数量也越来越多，这不仅需要越来越大的a g v 工作场地，而 且对于成本较低的电磁式引导的a g v ，其路径埋于地下，a g v 数量的增加必然 使施工、路径规划等问题将变得越来越复杂，这就决定了自动化码头的扩建非 常困难；如果取消地下布置路径的形式，必然要更新a g v 的导引方式，采用无 线导引的形式，如激光导引和g p r s 、g p s 导引，这不仅提高了a g v 运输系统 本身的造价，而且码头上的无线信号干扰严重，必将给本身就存在相互碰撞等 安全隐患的a g v 系统的准确控制、调度和定位带来更大的困难，g p s 的定位精 度也不够；a g v 小车的传统驱动方式是内燃机驱动和铅酸蓄电池驱动，内燃机 和铅酸蓄电池都存在腐蚀设备，污染空气的缺点；a g v 小车的水平运输系统的 购置成本高，在自动化码头建设初期存在较多的技术问题需要现场调试。因此， 3 第1 章引言 a g v 的效率还没有由人操作的码头高。最终，自动化码头只限于人工成本很高 的发达国家，并未能得到普遍推广应用。 上海振华港机在世界上首创的立体轨道式集装箱电动小车智能传送分配的 全新方案，取代了目前世界上所有集装箱码头都非常普遍的前沿岸桥和后方堆 场场桥之间地面运输系统，实现集装箱在码头前沿岸桥与码头后方堆场场桥间 的快捷立体传送分配。立体轨道与多组电动小车组成的立体分配系统便于实现 智能化调度、自动化控制，提高集装箱传送效率，且可极大地缩短岸桥与场桥 间的码头占地面积、减少码头造价。而且由交流异步电机驱动电动小车，节能 降耗、降低设备成本、提高经济性，又消除了内燃机废气排放和噪声污染，符 合环保要求。因此，立体分配系统的相关技术攻关提上了议程。而电动小车的 高速运行和准确定位成为立体分配系统能否取代a g v ，能否真正的降低自动化 码头的成本，提高自动化码头的效率，开创新一代的自动化码头的决定性因素。 1 2 2 交流调速系统的发展 直流电机拖动和交流电机拖动在1 9 世纪先后诞生。在2 0 世纪的大部分年 代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动 机，而约占电气传动总容量8 0 的不变速传动则采用交流电动机，这种分工在 一段时期内已成为一种举世公认的格局。然而，由于直流电动机本身存在机械 式换向器和电刷这一固有的结构性缺陷，给直流调速系统带来一定的限制：在 工业生产中，对一些要求特高转速、特大功率的场合根本无法采用直流调速方 案；直流电机换向器必须经常检查和维修，电刷必须经常更换，致使直流调速 系统维护工作量大，维修费用高；在一些恶劣的工作环境不能或者不适宜使用 直流调速系统。交流电动机，特别是鼠笼电动机，具有结构简单、制造容易、 价格低廉、坚固耐用、使用环境及结构发展不受限制等优点。但是受当时科技 发展的限制，交流调速系统虽然有多种方案问世，并已获得一些实际应用的领 域，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。 直到2 0 世纪7 0 年代初，能源危机丌始席卷全球，迫使工业发达国家投入 大量人力和财力去研究高效高性能的交流调速系统，经过多年努力，到了7 0 年 代末期，大见成效，交直流传动按调速分工的格局终于被打破了，在各工业发 达国家，已经开始使用交流调速系统取代直流调速系统。这主要是因为电力电 4 第1 章引言 子器件、脉宽调制技术、矢量控制技术、直接转矩控制和智能控制等控制技术、 特别是以微处理机为核心的全数字化控制等关键技术的发展，使结构简单、造 价低廉的交流电机调速系统得以替代结构复杂、维修不便的直流电机调速系统 【6 - 9 】 o 1 2 3 电子器件和脉宽调制技术的发展 电力电子器件的发展是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响 交流调速的发展。2 0 世纪8 0 年代中期以前，变频调速装置功率回路主要采用晶 闸管元件，装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置 相比。8 0 年代中期以后，第二代电力电子器件g t r 、g t o 、v d m o s i g b t 等 功率器件制造的变频器在性能上与直流调速装置相当。9 0 年代第三代电力电子 器件问世，在这个时期，中、小功率的变频器( 1 1 0 0 0 k w ) 主要采用i g b t 器 件，大功率的变频器采用g t o 器件。2 0 世纪9 0 年代末，电力电子器件的发展 进入了第四代，主要实用的器件有高压i g b t 、门极控制功率大大减少的i g c t 、 高压、大容量、全控型的i e g t 和s g c t 等功率器件逐步走向实用化阶段，g t r 、 g t o 本身存在无法克服的缺陷，将被逐渐的淘汰【7 9 ，1 0 】。 1 9 6 4 年，德国学者a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 提出将通信中的调制技术应 用到电动机控制中，于是产生了脉冲宽度调制技术，简称脉宽调制( p w m ) 【8 ，9 】。 脉宽调制技术的发展和应用优化了变频装置的性能，适用于各类调速系统。脉 宽调制( p w m ) 种类很多，并且还在不断发展。但基本上可分为四类：等宽p w m 、 正弦p w m ( s p w m ) 、磁链追踪型p w m ( s v p w m ) 及电流滞环跟踪型p w m ( c r p w m ) 。p w m 技术的应用克服了相控方法的所有弊端，使交流电动机定子 得到了接近正弦波的电压和电流，提高了电动机的功率因数和输出功率【9 】。 1 2 4 交流控制技术的发展 交流传动系统的控制技术包含内容比较多，具有代表性的有转速开环恒压 频t 卜, ( u f - 常数) 控制、转差频率控制、磁场定向控制( 矢量控铜j ) p a 及直接转矩控 制和智能控制等。 开环恒压频比控制是一种比较简单的方法，但是它只控制了电机的气隙磁 通，而不能调节转矩，动态性能不高。转差频率控制能够在一定程度上控制电 5 第1 章引言 机的转矩，但它是以电机的稳态方程为基础设计的，并不能真正控制动态过程 中的转矩，从而得不到很理想的动态控制性能。 1 9 7 1 年德国西门子公司的eb l a s c h k e 等提出了“感应电机磁场定向的控制 原理”和美国p c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子电压的坐 标变换控制”【8 】，以后在实践中经过不断改进，形成了现已普遍应用的矢量控制 变压变频调速系统。矢量控制【l 】的基本思想是把交流电动机模拟成直流电动机 来控制。其基本原理是：以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将电子电 流分解成相互正交的电流励磁分量和转矩励磁分量，然后分别对其进行独立控 制，获得可与直流电机相似的动态特性。 随着矢量控制在实际生产中的广泛运用，矢量控制技术飞速发展。人们不 光围绕着矢量控制技术自身的系统结构、非线性问题和电机参数变化影响系统 性能等问题进行了大量的研究，还将现代控制理论应用到了矢量控制之中，对 矢量控制进行了拓展。无速度传感器矢量控制技术，模糊控制技术运用于矢量 控制，基于磁通观测器的矢量控制系统等等新技术的研究和应用使得交流电动 机调速性能特别是动态性能已经可以和直流调速性能匹敌。 继矢量控制技术之后，1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授首次提出 了六边形定子磁链的直接转矩控制理论，取得了直接转矩控制实际应用的成功【9 ， 1 2 】。直接转矩的基本思想是通过检测定子电压和定子电流，直接计算出交流电机 的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器，直接实现对定子磁链和转矩的解耦控 制。目前直接转矩控制技术在理论上尚不成热、不够完善，还存在低速转矩脉 动缺陷，低速区定子电阻的变化引起的定子电流和磁链的畸变，磁链观测模型 的不精确和无速度传感器实用化困难等问题，这些问题一直阻碍着直接转矩控 制系统的进一步发展。 直接转矩控制系统和矢量控制系统都是已获得实际应用的高性能异步电机 调速系统，两者在性能上各有千秋，下表列出了两种系统的特点和性1 n u l l , 较1 3 】。 表1 1 直接转矩控制系统和欠量控制系统的特点和性能比较 特点j 性能直接转矩控制系统矢量控制系统 磁链控制定了磁链转了磁链 转矩控制砰砰控制，脉动连续控制，半滑 旋转坐标变换不需要需要 转了参数变化影响无无 调速范围不够宽较宽 6 第l 章引言 1 2 5 模糊控制的发展 “模糊控制理论”是由美国学者加利福尼亚大学著名教授l a z a d e h 于 1 9 6 5 年首先提出的【1 4 1 7 】。它是以模糊数学为基础，用语言规则描述知识和经验 的方法，结合先进的计算机技术，通过模糊推理进行判决的一种高级控制策略。 模糊控制是智能控制的一种，它针对各类具有非线性、强耦合、不确定性、时 变的多变量复杂系统，在各控制领域得到广泛的应用，并取得良好的控制效果。 模糊控制最早取得应用的是英国伦敦大学教授e h m a m d a n i 在1 9 7 4 年首 先利用模糊语句组成的模糊控制器，控制锅炉与汽轮机的运行，在实验室试验 中获得成功。2 0 世纪8 0 年代，日立公司的y a s u n o b u 和m i y a m o t o 为仙台地铁开 发的模糊系统创造了世界上最先进的地铁系统。模糊机器人手，倒立摆的平衡 等模糊控制系统的实现，使得更多的学者转变传统观念并致力于该领域的研究。 1 9 9 2 年，首届i e e e 模糊系统国际会议在圣地亚哥召开了，这次大会标志着模糊 理论已被世界上最大的工程师协会i e e e 所接受。模糊系统应用于控制理论 的前景已经越来越清晰【l 引。 模糊控制主要用来解决那些用传统方法无法解决的复杂系统的控制问题， 与传统控制相比，具有以下优点：适用于不易获得精确数学模型的被控对象， 其结构参数不很清楚或难以求得，只要求掌握现场操作人员或有关专家的经验、 知识或操作数据；模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量 的形式定性地表达，避开状态方程和传递函数；系统的鲁棒性强，尤其适用于 非线性、时变、滞后系统的控制；从不同的观点出发，可以设计几个不同的指 标函数，其语言控制规则是分别独立的，但整个系统的设计可以得到总体的协 调控制。 具体的说模糊控制的研究对象具备以下一些特点： 1 模型的不确定性 传动的控制是基于模型的控制，而模糊控制的对象通常存在严重的不确定 性：一是模型未知或知之甚少，二是模型的结构和参数可能随环境等的影响发 生变化。 2 非线性 在传统的控制理论中，对于非线性的控制对象，虽然也有一些非线性控制 的方法，但总的说来，非线性控制理论还不成熟，方法也比较复杂，采用模糊 7 第1 章引言 控制的方法往往可以比较好地解决非线性系统的控制问题。 3 复杂的任务要求 传统的控制系统中，控制的任务要求输出量为定值或跟随期望的运动轨迹， 模糊系统的任务要求往往比较复杂，如：复杂的工业过程控制系统中，除了要 求对各被控物理量实现定值调节，还要求能够实现整个系统的自动启停、故障 诊断及紧急情况的自动处理等功能。 模糊控制技术的鲁棒性强，适用于非线性，时变，滞后系统控制的特点， 使其在交流电机的控制领域有着很广阔的发展的空间。模糊控制技术和矢量控 制技术的结合，成为了交流电机控制的必然的趋势。 1 3 论文的主要内容 本文对高效智能型自动化码头立体轨道式集装箱输送高速智能电动小车的 工作特点等进行了深入的分析，根据高速智能电动小车的定位要求，对各种交 流调速方案、交流控制技术以及交流电动机制动方法进行了对比研究，最终确 定了高速电动小车精确定位的控制方案，并应用m a t l a b s i m u l 玳k 对定位控 制系统进行了静动态性能仿真，验证了定位控制方案的可行性。 第一章介绍了自动化码头的发展情况，针对高速电动小车拖动系统，对定 位系统涉及的相关技术进行了分析和综述。 第二章对高效智能型立体装卸集装箱码头进行分析，引出本文的研究对象 立体轨道式集装箱输送高速电动小车，对其拖动系统和制动过程小车力传递情 况进行分析，得出高速小车的减速力和减速度，制动时间和制动距离以及制动 过程中高速小车与拖动电机之间的转矩和速度传递关系。 第三章对高速电动小车定位系统关键技术进行研究。 第四章设计高速电动小车高精度定位控制系统，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境中建立定位控制系统的模型，对其性能进行仿真。 第五章进行总结和展望。 8 第2 章自动化码头高迷电动小1 壕统分析 第2 章自动化码头高速电动小车系统分析 21 高效智能型自动化码头装卸系统简介 2i 1 高效智能型自动化码头装卸系统构成 图21 高教智能型自动化码头全景目 如图2 1 为高效智能型自动化码头全景图。高效智能型自动化码头装卸系 统由六个分系统构成：高效岸桥装卸船系统( 简称“岸桥系统”) 、智能化立体 轨道电动小车传送分配系统( 简称“立体分配系统”) 、智能化场桥堆放与装卸 系统( 简称“场桥系统”) 、装卸设备调度和协调控制系统( 简称“设备调控系 统”) ，内部装卸计划及对外接口系统( 简称“内部装卸计划系统”) 以及设备远 程控制和智能维护系统( 简称“远程监控系统”) 。岸桥系统、立体分配系统、 9 第2 章自动化码头高速电动小乍系统分析 场桥系统是高效型自动化码头装卸机械系统，设备调控系统、内部装卸计划系 统和远程监控系统是高效型自动化码头装卸电气控制系统。如图2 2 所示六大 系统的逻辑关系。 图2 2 高效智能型自动化码头装卸系统结构逻辑图 电气控制系统是整个自动化码头的中枢神经。设备调控系统实现设备高效 智能化装卸，包括装卸全系统规划与调度的优化、智能化，以及各设备问协调 控制的优化、智能化。例如根据码头装卸管理系统规划进行设备控制系统的软 件丌发、仿真分析、硬件研制、监控管理和智能调度等。内部装卸计划系统是 根据装卸要求，完成本系统堆场集装箱堆放计划、装卸设备调配计划、船舶集 装箱配载计划与码头总系统的衔接。它所关心的是如何减少进出港货船在码头 的周转时间，如何减少堆场集装箱的倒箱次数，如何分配最佳运输路径，如何 分配堆场集装箱的堆存区域、如何高效使用装卸设备等。远程监控系统采用 i n t e m e t 通信技术、g i s 技术及故障诊断等技术，建立装卸系统与设备全球监控 及智能维护服务平台，并及时把信息传送到信息中心，通过故障预测、预报、 预警、预防，实现智能维护。 机械系统是集装箱运输的智能设备，负责将运输船中的集装箱运往自动化 码头的后方堆场，或者将码头后方堆场中的集装箱运往海测装船。岸桥起重机、 立体分配系统、场桥起重机以及备用的特殊箱运送的智能集卡等集装箱运输设 备构成了高效型自动化码头的机械系统。岸桥系统和场桥系统之间的立体分配 1 0 第2 章白动化码头高速i ；l 王动小下系统升析 系统直接决定了自动化码头的运行效率，成为高效智能型自动化码头装卸系统 的核心环节。 2 l2 立体分配系统结构 图2 3 立体轨道式电动小午传送分配系统翻 自动化码头立体分配系统由地面电动小车轨道、低架桥和多组高速智能电 动小车组成。低架桥有上下两层轨道。如图2 4 为高效智能型自动化码头轨道 布嚣示意图，其中立体分配系统地面屯动平板小车轨道与后方堆场起重机轨道 平行；顶层起重小车轨道与中间层电动平扳小午轨道平行霄于同一低架桥上， 并与地面电动中板小车轨道成9 0 度；岸桥起重机轨道与低架桥平行，置于地面， 因此与场桥以及立体装卸系统地面电动平板轨道成9 0 度关系。 自动化码头立体智能输送网络( 立体分配系统) 的核心设备是运行于三层 轨道之上高速智能电动小车，它们是负责输送集装箱的一群智能化机器，根据 备自功能和位置，又可以进一步细分成三个小组：立体轨道桥r 1 动起重小车、 中层轨道电动平板小车、地面轨道电动平板小车。在构造上，它们各有特点： 第2 章白动化码头高速电动小1 。系统分析 低架桥顶j 矗轨道岸桥起生机 低架桥中层轨道 地i 自l l u 动小1 ：轨道顶层起重小币 ：冀：嚣_ 十层平1 =场桥赳查机轨道_ 4 。 i l 幽2 4 高散钳能型自动化码 轨道布置平而示意图 地面电动小午 场桥起重机 智能集 1 1 旋转起重小车位于最上层的轨道，结构上类似于龙门吊，负责将电动平 板小车上的集装箱起吊并放置于地面轨道回转式电动平板小车上只是在起重 小车上部结构中还增加了个旋转装置，从中层电动平板小车上吊起集装箱后 完成9 0 度转动，然后运行至地面平板小车位置，下放集装箱。 2 1 中层平板小车位丁中层轨道，结构上类似于货运车辆的一节，负责接受 岸边集装箱起重机输送来的集装箱并高速运行至起重小车下方精确的位置。 3 ) 底层地面电动平板小车结构型式与中层平板小车相同底层高速电动小 车位于地面轨道，负责接受旋转起重小车输送来的集装箱，并高速运行至堆场 前端，由堆场桥吊将集装箱吊运至后方堆场预定位置。自动化码头执行装船作 业时运行方式相仿，只是输送方向相反。 v 熵 第2 章自动化码头高速u 动小午系统分析 直体分配系统的各组电动小车是怎么样与前方岸桥、后方场桥协调工作， 完成集装箱运输船与后方堆场问的集装箱运输的呢? 下面以集装箱从运输船运 行后方堆场为例，介绍岸桥、立体分配和场桥系统的= 作流程。如图25 ，集装 箱从船到后方堆场的整个运输流程为：集装箱运输船岸桥起重机靠体分配系 统中间层轨道甲板小车( 高速l 乜动小车) 立体分配系统顶层起重小牟地l l i i 平 板小牟场桥起重机后方堆场。虚线框内为立体分配系统的集装箱运输流程。 立体分配系统 蹙城 鞯运 输船 嘲2 5 卸船时集装箱 r 高被r j 动化码头的j 薹输流程h 21 3 高速电动小车拖动系统分析 不h 堆场 不考虑起重小车的旋转运动的控制，选取中屡电动平扳小车为例对其八轮 拖动系统进行介绍。如图2 6 。 电阻柜 广外变爪器 幽2 6 中层电动平板小印八轮拖动 构图 高速电动小车的控制系统由滑触线供电，电动小车有八_ = 【独立车轮，均为 驱动轮，由三相异步电机分别驱动，采用p g 光电码盘进行转速测量，构成高性 第2 章自动化码头高速电动小车系统分析 能的闭环控制系统。以四只变频器对电机进行控制，每只变频器为并联的两只 电机提供交流变频电源。各子系统之间通过s x b u s 总线相连，实现同步运行。 如图2 7 ，中层平板电动小车八轮驱动的变频器电动机拖动系统原理图。 图2 7 中层电动平板小币八轮驱动变频器电动机系统原理图 基于定位精度的要求，高速电动小车的定位控制系统需要进行位置闭环控 制。自动化码头自行式高速电动小车的长行程位移测量采用了k h 5 3 线性绝对值 编码器，基于非接触的磁性检测原理。k h 5 3 是无磨损的非接触式测量，特别适 合用于恶劣环境中工作的起重机械和有轨小车，组成位置闭环控制。 2 1 4 高速电动小车定位控制要求 高速智能电动小车的运输的起点、路径、终点均在一个固定的轨道上，并 且，小车的泊位点也是事先确定的有限个点，只需要在调度指令的控制下在各 自轨道上往复运行。立体轨道输送系统不仅要求各组高速电动小车相互之间的 高精度定位，而且要求它们的泊位点相对于岸桥和场桥而言也必须保证高精度 定位，这就要求针对不同的工况( 环境情况、接收指令时与定位点的距离以及 高速小车所载运的集装箱等情况) 提供相应的制动力，保证电动小车在每个要 求的泊位点高精度定位。 1 4 第2 章自动化码头高速电动小车系统分析 在给出定位控制方案之前，有必要对将要予以定位的运输中的电动小车的 工况及工作要求进行分析： 第一：高速智能电动小车的运行速度最高可达2 4 0 m m i n ； 第二：由于岸桥系统采用双4 0 英尺箱岸桥的智能装卸集装箱，每个集装箱 重量可达4 0 吨，所以高速电动小车的运输重量最多可达4 0 2 = 8 0 吨； 第三：高速电动小车在轨道的任何位置、在允许速度范围内的任何速度的 情况下，均应该能够按照指令要求准确到达指定位置，并且定位误差最大不得 超过+ 1 5 m m 。 第四：港口环境因素影响大，并且电动小车为轮轨运输形式，粘着成为高 速电动小车安全、高效、准确运行的决定性因素。 第五：高效智能型自动化码头立体分配系统的高速电动小车有自行式和牵 引式两种牵引形式，此文主要对自行式高速电动小车进行研究。 2 2 高速电动小车的制动方案确定 要使车辆减速或者停车，就必须减少或消除运动物体的动能，要把速度降 低到零，就必须把动能全部消除。但动能不能简单地消除或抛弃，必须使之转 换成其他形式的能量，即或者转换为由摩擦所产生的热能，或在装有动力制动 装置的车辆上将电流通过电阻箱所产生的热能。 高速电动小车运送的集装箱最重可达8 0 吨，其惯性非常大，为了能够达到 士1 5 m m 的定位要求，必然要采用电气制动和机械制动相结合的多次制动方式。 高速电动小车的驱动电机为异步电动机。异步电动机的机械制动，一般采 用制动抱闸来实现。制动力矩可以通过调整机械制动器的结构来实现。机械制 动控制线路常有切断电源制动和接通电源制动两种( 常开、常闭式) 。机械制动是 利用运动表面相接触时所产生的摩擦阻力达到减速或终止运动目的的，其特点 是停车准确，不受中途断电或电气故障的影响而造成事故。 在由变频器、异步电动机和机械负载所组成的变频调速传动系统中，减速 和制动是通过逐渐降低给定频率来实现的，当电动机减速或者拖动的位能负载 下放时，电动机将处于再生发电制动状态。 另外还有一种制动方式，即异步电动机定子通入直流电，实现电动机的能 耗制动，常称为直流制动( d c 制动) 。d c 制动可以用于要求准确停车的场合或 1 5 第2 章自动化码头高速电动小车系统分析 起动前制止电动机由外界因素引起的不规则旋转。 2 2 1 再生制动 在变频调速系统中，电机的降速是通过逐渐减小频率来实现的，在频率减 小的瞬间，电机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电机的转子转 速不变。当同步转速小于转子转速时，电机从电动状态变为发电状态；与此同 时，电机轴上的转矩变成了制动转矩，使电机的转速迅速下降，电机处于再生 制动状态18 1 。再生状态的机械特性如图2 8 。 i l i 蛰一 - 2 3 t q i 矿 i l l 曲线1 ：原机械特件曲线 曲线2 ：频率下降后的机械特性 图2 8 再生制动的机械特性曲线 当变频调速系统降速时，由于频率降低，机械特性由曲线l 变成曲线2 。但 是由于拖动系统的惯性，系统的转速不可能突变，因而工作点将从曲线1 上的q 点按转速未变的原则“跳转”到曲线2 上，而曲线2 上与转速n 门对应的点是第 二象限的b 点，于是得到反方向的制动转矩瓦，使拖动系统迅速降速。 在通用变频器中，对再生能量有三种处理方式：耗散到制动电阻中、用并 联直流回路向多台变频器供电、使能量回馈到电网中【l 9 1 。 2 2 2 能耗制动 把异步电动机的定子绕组从交流电源上切断，并立即按一定的接线方式把 1 6 第2 章自动化码头高速电动小车系统分析 它接到直流电源上，此时电动机处于能耗制动状态。直流电流流过定子绕组， 在电动机内建立了一个位置固定、大小不变的恒定磁场。电动机转子由于惯性 继续旋转，转子导体切割恒定磁场产生感应电动势和电流，该电流和恒定磁场 相互作用产生电磁转矩，转矩的方向与转子实际旋转方向相反，起到制动的作 用【1 引。 ， 彳 邈 ) ， 7 一卅 月m 瓦 弋 器 一c 曲线i ：转了不外串电阻； 曲线2 ：转了回路外串i 乜阻r ； 曲线3 ：真流电流增加，转r 不外串电阻。 图2 9 异步电动机能耗制动时的机械特性 能耗制动时制动转矩的大小，与通入定子中的直流电流有关，也与转子电 路中的电阻有关。异步电动机能耗制动时的机械特性如图2 9 。 由机械特性曲线可知：机械特性曲线都经过原点；当通入的直流电流一定， 最大转矩不变；转子回路电阻增加，最大转矩对应的转速增加；转子回路电阻 不变，直流电流增加时，最大转矩增加，而最大转矩对应的转速不变。 如曲线1 ：能耗制动时，电机由于惯性，制动开始时转速来不及变化，工作 点从a 到b ，电动机的转矩为负，为制动性转矩，然后电动机从b 点沿机械特 性曲线l 不断减速，直至坐标原点( n = o ，t = 0 ) 。如果负载时反抗性负载，则 电机停止转动，实现快速制动停车。能耗制动应用于快速停车时，由于电动机 减速到o 时就自动停止，对于反抗性负载能够实现准确停车。 在变频调速的情况下，这种给定子绕组通直流励磁电流产生固定磁场是很 容易实现的，因为变频器主电路的直流母线上已经具备了直流电压，只要适当 1 7 第2 章自动化码头高速电动小车系统分析 控制逆变器开关器件的触发方式即可调节制动矩的大小。 2 2 3 制动电阻的计算 上面确定了高速电动小车的制动方案，下面对再生制动和能耗制动( 直流 制动) 过程中的制动电阻等参数进行分析【2 0 1 。 1 制动转矩瓦 瓦：( g d 2 m + g d ；) ( n i - n 2 ) 一正 ( 2 1 ) 占一j i 二j i ：一一c 、z 1 j) f 式中：制动转矩，n m ；g d 2 m ：电动机的飞轮矩，n 1 1 1 2 ；删：负载折 算到电动机轴上的飞轮矩，n i l l 2 ；一乃：负载转矩，n m ；n ：减速开始的速 度，r m