（机械设计及理论专业论文）港口集装箱起重机智能防摇控制系统研究与仿真.pdf

中文摘要 随着生产的扩大化，物料搬运设备在生产过程中应用越来越广，作用越来越大， 水上运输在整个世界物流系统中占有相当大的比例，而港口起重机在水上运输中又 起着特殊重要的作用。因此研究如何提高港口起重机的生产率显得相当重要。而影 响港口起重机生产效率的主要因素为吊重的摆动。因此消除或控制吊重的摆动对提 高起重机的工作效率，减少装卸作业安全生产隐患具有重要意义。 本文对起重机防摇控制研究的国内，国外现状进行了综述，在分析起重机物理 模型的基础上，建立了岸边集装箱起重机的非线性数学模型，并以此为基础在 s i m u l i n k 环境下建立了非线性的仿真模型。 根据起重机系统的非线性模型，本文设计了起重机小车定位和吊重摆角p i d 控 制器，并用n c d 对p i d 控制器进行了优化设计，并且可以在可变参数在一定范围内 变化的情况下，对参数进行优化。 由于实际起重机在运行中自身的非线性和摩擦及风等引起的不确定性，使得起 重机的建模过程中，很难用精确的数学模型来反映出现实中起重机的实际动态过程。 为了更精确的控制吊重摆动对起重机的影响，本文以s i m u l i n k 仿真系统为平台， 对起重机系统进行了动态特性仿真分析，并总结了系统参数变化对起重机系统产生 的影响。然后利用输入整形技术进一步建立了起重机非线性系统输入整形控制器， 并基于仿真结果讨论了设计的控制器的性能。 通过仿真分析，两种控制器可以在位置很小的超调下迅速达到目标位置，同时 能够消除摆动，很好的实现了控制目标，并且在绳长，吊重等物理量变化时，具有 一定的鲁棒性。 关键词：起重机；防摇；智能控制；输入整形；仿真 a b s t r a c t w i t ht h eg l o b a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，m o r ea n dm o r em a t e r i a lt r a n s i t e q u i p m e n ta r eu s e di np r o d u c t i o np r o c e s s s e at r a n s p o r t a t i o nt a k eal a r g e p r o p o r t i o n i nt h ew h o l ei n t e r n a t i o n a lm a t e r i a l t r a n s i t s y s t e m ，a n dp o r t c o n t a i n e rc r a n e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h es e at r a n s p o r t a t i o n s ot h e i m p o r t a n ta s p e c tw h a tw es h o u l dr e s e a r c hi sh o wt oi n c r e a s et h ep r o d u c t i v i t y o fp o r tc o n t a i n e rc r a n e s t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ri n f l u e n c i n gt h ee f f i c i e n c y o fp o r tc o n t a i n e rc r a n e si st h eo s c i l l a t i o n so ft h ep a y l o a do nc r a n e s t h e n e l i m i n a t i n ga n dc o n t r o l l i n gt h es w a y i n go fl o a d si sv e r yi m p o r t a n tf o r i n c r e a s i n gt h ew o r ke f f i c i e n c yo fc r a n e sa sw e l la sd e c r e a s i n gs a f e t yh a z a r d d u r i n gl o a d i n g & u n l o a d i n go p e r a t i o n t h es t a t u so fr e s e a r c ha b o u ta n t i s w a yc o n t r o lo fc o n t a i n e rc r a n ei s e x p a t i a t e di nt h i st h e s i s o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h ep h y s i c a lm o d e lo f c o n t a i n e rc r a n e ，an o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu p ，a n dan o n l i n e a r s i m u l i n km o d e lb a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l i sc o n s t r u c t e d w h i c ho f f e r s af o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rc o n t r o l l e rd e s i g n i nt h i sp a p e r , at w o c l o s e d - l o o pp i dc o n t r o l l e ri sf i r s t l yd e s i g n e db a s e do n t h en o n l i n e a rm o d e lb yt h ef e e d b a c ko fp o s i t i o na n d a n g e l t h ep a r a m e t e ro f p i dc o n t r o l l e rc a nb eo p t i m i z e db yt h en c d b l o c k ，a n db e s i d e s ，t h en c d b l o c kc a np e r m i tt h ep a r a m e t e ro fs y s t e mv a r i a b l ei nac e r t a i nr a n g ew h e n o p t i m i z i n g d u et ob e i n gm a n yu n p r e d i c t a b l ed i s t u r bw h e nt h ec r a n er u n n i n g ，i t s d i 筒c u l ta n de v e nu n r e a l i z e dt oc o n s t r u c taa c c u r a t em o d e lt or e f l e c tt h e c r a n e sd y n a m i cp r o c e s s i no r d e rt oc o n t r o lt h eo s c i l l a t i o nm o r ee x a c t l ya n d e v e ne l i m i n a t i n gt h e s w a y i n gi n f l u e n c e ，t h i sp a p e rs i m u l a t et h ed y n a m i c b e h a v i o r so ft h ec r a n e s y s t e mb a s e do ns i m u l i n ks i m u l a t es y s t e m ，a n d s u m m a r i z e st h ei n f l u e n c er e s u l t so f t h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo f t h ec r a n ew i t h d i f f e r e n tk i n do f p a r a m e t e rs e t t i n g t h e na c r a n en o n l i n e a rs y s t e mc o n t r o l l e ri s d e s i g n e du t i l i z i n gi n p u ts h a p i n gt e c h n i q u e a n dd i s c u s s e st h ep e r f o r m a n c eo f t h ed e s i g n e dc o n t r o l l e rb a s e do ns i m u l i n ks i m u l a t i o nr e s u l t t h r o u g ho b s e r v i n gt h eo m c o m e o ft h ec o n t r o ls y s t e mw ec a r lc o n c l u d e ： t h et w oc o n t r o l l e rc a nm a k et h ec r a n ep a c ka c c u r a t e l ya tt h ed e s t i n a t i o na n d e l i m i n a t ep a y l o a do s c i l l a t i o na tt h es a m et i m e ，t h ep e r f o r m a n c ei ss a t i s f a c t o r y , m o r e o v e r , t h et w oc o n t r o ls y s t e mh a sb e t t e rr o b u s tw h e nt h em a s so f l o a da n d t h el e n g t ho fr o p ec h a n g i n g t h es i m u l i n ke x p e r i m e n tc a np r o v et h a tt h et w o c o n t r o l l e r sa r ee f f e c t i v ea n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：c r a n e ；a n t i - s w a y i n g ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，i n p u t s h a p i n g ， s i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：垒兰兰垦兰 日期： 7 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：叠兰型 日期： 卅j 导师虢一事卑咚嗍兰：竺至 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 课题提出的依据及研究意义 随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为物料搬运重要设备的起重机在 现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来愈大，对起重机的要求也越来越高，科 学技术的飞速发展，推动了现代设计和制造能力的提高，激烈的国际市场竞争也越 来越依赖于技术的竞争。这些都促使起重机的技术性能进入崭新的发展阶段，起重 机正经历着一场巨大的变革。在物料搬运中，水上运输在世界整个物流系统中占有 相当大的比例，而港口起重机在港口物流中又起着特殊重要的作用。因此，研究如 何提高港口起重机的生产率就显得相当的重要。 近几年国际航运迅猛发展，货物吞吐量剧增，各港口对起重机提出了更大型、 更高效的要求。目前己经出现了小车速度达2 4 0 m m i n ，并正向3 0 0 - - - 3 5 0 m m i n 的速 度发展，起升额定载荷最大已达1 0 0 吨。起升高度己达轨上4 5 m ，正向5 0 m 的高度 发展，起升速度满载9 0 m r a i n ，空载2 0 0 m m i n ，外伸距达6 5 米，由于悬吊的钢丝绳 的长度增大，钢丝绳在垂直和水平两个方向的速度提高，司机视距的不断加大，跟 钩操作越来越困难，如何稳定吊具、平稳操作是人们共同关注的问题。对小车防摇 系统的要求也越来越迫切。能够有效提高港口起重机作业的“防摇”控制技术也得 到了各起重机制造厂家的重点关注和研剜。 岸边集装箱起重机向着高速化、大型化快速发展，起重机行走小车的运行速度 及集装箱的起升高度也相应提高。在起重机运行小车制动停车后，吊具及其所起吊 的集装箱将会产生摇摆，而且随着小车速度的提高，所产生的摇摆将会增大。而起 重机在装卸过程中，吊具需要与集装箱对位，起吊的集装箱需要与底盘车对位或放 置到堆场、船舶的一定位置。尽管目前集装箱吊具普遍装有导板装置，但是导板 装置也只是在吊具和集装箱的连接位置相距1 5 0 m m 至2 0 0 m m 以内才能有效的工 作。吊具及集装箱的摇摆将使准确有效的定位变得越来越困难，所花费的时间更长， 严重影响起重机的运输及装卸效率。同时，吊具及集装箱的摇摆也将使整机产生剧 烈的摇摆与振动，不仅缩短起重机使用寿命，而日也影响操作者舒适性，造成系统 的不安全因素1 2 j 。 有实验数据显示，当起重机小车行走速度达到1 8 0 m m i n 以上时，如无减摇装置， 那么在小车制动停车后，吊具及集装箱的摇摆幅度可达2 m 。需要半分钟才能自行停 1 港口集装箱起重机智能防摇控制系统研究及仿真 止。因此，对于小车行走速度较大的高速型岸边集装箱起重机，必须安装吊具减( 防) 摇装置。而对于小车行走速度在1 3 0 r n m i n 以下的岸边集装箱起重机，则一般不必装 设减摇装置，在有些国家就曾出现已经装设了减摇装置的岸边集装箱起重机，由于 减摇性能不够理想反而拆下不用的现象。 带着提升载荷( 空吊具或空吊具+ 满载集装箱) 的主小车在运行到预定位置时， 依靠减摇装置使悬吊着的提升载荷围绕悬吊点的摇摆幅度在规定的时间内或规定的 摇摆周期内减到规定的数值内。这个功能称为吊具的防摇功能。目前，世界各国的 吊具减摇装置的性能，要求在起吊离开地面l o m ，小车以额定速度行走，制动停车 后l o s 内，将吊具的摇摆量控制在1 0 c m 以内 3 1 。 自6 0 年代起，世界上许多设计者和生产厂家一直致力于提高港口起重机生产效 率的研究、设计和制造，通过提高小车横移、起升速度和加减速性能，提高了生产 率。但同时也引起吊具摆动性的增加，不但对装卸效率有影响，而且增加了操作者 的劳动强度。虽然摇摆引起每个循环的定位延迟只有数秒钟，但对装卸一条船来说， 累计结果就不是那样简单了，甚至以小时计算，这种结果无论对船务公司还是对码 头经营者都是不利的。摇摆是影响装卸效率的主要原因之一，根据统计，传统的装 卸设备在每个集装箱起卸时，平均约有超过百分之三十的时间浪费在以固定其摇晃 不定的落点，因此必须想办法减小直至消除摇摆。 岸边起重机的“防摇 控制方式，已经经历了人工手动方式、机械分离小车方 式、多功能液压方式、带吊具角度检测传感器的电子方式，大多因外围设备太多， 结构复杂，可靠性差，维修保养工作量大且价格昂贵( 4 5 万美金) 。因而实际应用存 在诸多问题。如机械分离小车控制摇摆，它是通过横移小车上的分离小车将两组起 升绳的上端向两边分离，产生两个方向相反的水平分力，牵制集装箱前后摆动，以 达到控制集装箱摇摆的目的。然而，因绳索长度影响，仍存在相当的摆动，加上货 物和起升绳弹性影响了摆动周期，并引起不希望的运动：因附加了牵制绳和滑轮， 无疑增加了设备的复杂性。而且为了分离小车，必须增加许多设备，随之增加了额 外重量。传统的机械防摇设备在实质上都是通过机械手段来消耗摆动的能量以达到 最终消除摇摆的目的的，因而并不是真正意义上的防摇，在实际应用中仍存在停机 时振动太大等不足。 根据发展的需要，如何稳定吊具、平稳操作成为人们共同关注的问题，对起重 机防摇系统的要求越来越迫切，能够有效提高起重机作业的“防摇”技术也得到了 各起重机制造厂家和研究机构的重点关注和研究。研究起重机这种运用柔性绳索吊 2 第一章绪论 运重物时如何消摆问题，将对提高货物调运效率，缩短工业产品的生产周期，提高 质量、减少安全生产隐患具有深远的意义。综上所述，在起重机实现智能防摇控制 时，面临的核心问题是如何实现起重机小车的目标位置准确停车与吊重消摆的同步 控制。这便是本文所要研究的课题【4 ，5 】。 1 2 国内外研究动态及防摇控制技术 1 2 1 国内外研究动态 国内对起重机自动控制开始于8 0 年代末，较早研究的学者是哈尔滨工程大学，高 淑玲、华克强1 6 , 7 , 8 】等人和哈尔滨建筑大学的齐伯文1 9 等人。在文献【6 ，7 】中，作者以桥式 起重机为对象建立了比较精确的数学模型，并设计了最优控制器、自适应控制器和 模糊控制器。在文献【8 】中，作者设计了模糊控制器，实现了计算机的位置准停和消摆 的同步控制。在文献 9 a p ，作者对塔式起重机设计了最优控制器。国内华克强等人最 早在此领域做了比较深入的研究，并且进行了一定的实验，为进一步研究奠定了基 础。 从9 0 年代初，山东建筑工程学院的李伟等人开始对起重机自动控制做了大量的 研究，并发表了多篇学术论文。在文献【1 0 1 中，作者采用b a n g b a n g 控制策略，实现了 基于时间最优的两拍或四拍消摆。文献【1 1 】中作者采用极点配置技术，以积分二次型 性能指标提出最优消摆策略，同时实现消摆、提高运行速度两个目标。文献1 1 2 】中， 作者基于误差最小设计了最优反馈控制器，实现了在一个周期内迅速消摆，且保证 了误差最小。在文献】中，作者设计了一台实验用小型桥式起重机，并把基于时间 最优的b a n g - b a n g 控制策略和基于误差最优的连续控制策略成功的运用其上，这对起 重机的消摆控制的研究具有重要意义。李伟等人在起重机消摆的理论研究和实验研 究方面都取得了一定成果，但其仅实现了起重机的消摆，未能实现准停和消摆的同 步控制。 山东大学的邹军、陈志坚等人在此方面也进行了一定的研究，在文献【1 4 】中建立 了桥式起重机的数学模型，并依据此模型，应用基于时间最优控制理论，对桥式起 重机的水平运动规律和抓斗摆动规律进行了研究在文酬1 5 】中，作者根据文献中提 出的理论，提出了一种抓斗防摆的一种方法，该方法通过b a n g - b a n g 控制实现了起重 机的停车与抓斗消摆的同步控制。但此种方法对于具有初始摆角的情形时，无法达 到控制目标，而且开环的b a n g b a n g 控制对外界干扰和参数变化太敏感，控制效果往 往不理想。 3 港口集装箱起重机智能防摇控制系统研究及仿真 近年来，随着控制理论的发展，一些新的控制方法也应用到了起重机的自动控 制研究上。上海交通大学的梁春燕【l6 】等人将一种能抑制系统残留震荡的时滞滤波技 术应用到防摆控制中。北方工业大学的薛朵【l7 】和武汉理工大学的周勇也都各自设计 了更加实用的模糊控制器。上海交通大学的王晓军，邵惠鹤【l8 】对时变输入整形在桥 式起重机防摆控制中的应用进行了相应的研究同样，哈尔滨工业大学的张晓华，贾 智勇【1 9 j 也对输入整形策略在船上回转吊车防摆控制上的应用进行了深入研究。国内 的研究也开始进入应用智能控制理论和新的控制方法的新阶段。 国外对于起重机的防摆问题研究比较早，在7 0 年代就有人提出起重机防摆的问 题。随着控制理论的不断完善与发展，不断有新的思想、新的方法出现。瑞典的a b b 公司已经有具有防摆功能的电子防摇起重机问世。 经典控制方法现在已经成熟，它简单实用的优点，受到许多学者的青睐，在现 在控制工程中还大量应用。在起重机防摆控制的研究中，一些学者仍然偏重于经典 控制方法研究，韩国学者h o h o o nl e e 是偏重于经典控制方法的一个典型代表，在文 献【2 0 】中，h o h o o nl e e 采用了根轨迹、频域法等常规分析方法为主的古典控制方法与 现在的智能控制相结合，设计了防摆、定位控制器。文献【2 l 】中美国学者h a n 啦采用 增益调度的方法设计了全状态反馈的控制器，并且采用经典p i d 控制的方法分别设计 了防摆和定位控制器，并进行了仿真和实验。 文献1 2 2 】中，a z a 1 g a m i 等人建立了精确的三自由度起重机的状态模型并利用现 代控制理论的方法实现了基于时间和误差综合最优的反馈控制。文献【2 3 】中韩国学者 s u c h o i * 设计了神经网络自整定的p i d 控制器，文献【2 4 , 2 5 中，作者分别提出了一种基 于l y a p u n o v 稳定性理论设计的防摆控制器。文献1 2 6 2 7 】中，作者设计了具有较好鲁棒 性的模糊控制器，取得了较好的控制效果。 鉴于反馈控制对干扰信号和参数变化不敏感的优点，对于起重机定位和防摆控 制器的设计多采用反馈控制，这就需要测量摆角的大小。但因为绳长是变化的，在 传感器的安装和使用上便存在一定的困难，测量精度不高，此外，增加了传感器的 同时也提高了成本因而在起重机控制方面出现了不测量摆角的发展方向。文献【2 8 】中 韩国学者y o n g s e o kk i m 采用了测量加速度来估计摆角作为反馈量的方法。 文献【2 州中韩国学者h o h o o nl e e 采用双闭环的控制思想：内环为摆角环，以小车 位移来估计摆角，通过模糊控制器进行防摆控制；外环为位置环，采用p i 控制器进行 定位控制，这样可使得在定位过程结束的同时，消除运动过程中产生的摆动。文献【3 0 1 中z i y a dn m a s o u d 和m o h a m m e df d a q a q 设计了用在超巴拿马型集装箱起重机上的 4 第一章绪论 输入整形控制器，并进行了实验，产生了很好的控制效果。在文献【3 l 】里s i r r is u n a y g u r l e y u k ，o z g u rb a h a d i r , 等对t s 输入整形技术进行了研究分析，得出了一种新型的输 入整形控制方法。 在起重机防摆防摆控制的研究上，国外学者采用的控制方法多种多样，既有比 较传统的经典控制理论、现代控制理论、最优控制理论，也有现在比较新颖的控制 理论，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制以及新兴起的命令整形控制。近年 来，随着非线性控制技术的发展，许多学者开始进行起重机防摆非线性控制技术的 研究。 1 2 2 国内外防摇控制技术 按照分析对象和采取措施的阶段的不同，防摇装置可分为主动式防摇和被动式 防摇两大类。主动式防摇通常是通过直接控制小车的牵引电机改变小车速度来达到 控制摇摆的目的，在吊重摇摆没有产生之前消除或尽量避免产生摇摆；被动式防摇 是吊重摇摆产生时或产生后，通过增加小车与吊重中间的横向刚性，将摇摆能量通 过各种形式的阻尼消耗吸收以抑制吊重相对于小车的摇摆，达到防摇目的。 若按照控制系统的方式防摇装置可分为机械式防摇( 包括纯机械式防摇以及液 压式防摇) 和电子式防摇两大类。机械式防摇装置分为分离小车式和分离小车和翘 翘梁组合式。 随着岸边集装箱起重机性能与结构的不断改进，世界各国研制出各种形式的减 摇装置。下面简要介绍下目前常见的发展较为成熟的几种防摇技术和装置： 1 起升钢丝绳交叉卷绕减摇装置 这是一种最简单的减摇装置。由于集装箱起重机的起重量一般为4 0 t 或更大，通 常用四根钢丝绳并通过吊具滑轮形成八根独立的钢丝绳承受外载荷。使用交叉卷绕 减摇系统就是将起升钢丝绳交叉卷绕，通过调整钢丝绳张力的差异，达到减摇目的。 这种减摇装置虽然构造简单，但对钢丝绳造成很大的磨损，严重影响起升钢丝 绳的使用寿命，减摇效果也较差，当小车停车后1 0 s 内，吊具的摇摆超过1 0 c m ；同 时起重机在吊满载集装箱和不吊集装箱时，减摇性能差异很大。 2 附加交叉钢丝绳减摇装置 由日本三菱重工公司研制的交叉钢丝绳减摇装置，是在行走小车上沿小车运行 方向装设两组交叉悬挂的减摇钢丝绳及其驱动装置。这两组交叉悬挂的减摇钢丝绳 一端与卷筒连接，另一端与吊具连接，每组交叉悬挂的钢丝绳装置由卷筒，力矩马 达、增速器、超越离合器和液压泵组成。通过驱动装置驱动液压泵，通过液压回路 5 港口集装箱起重机智能防摇控制系统研究及仿真 中安全阀的阻抗，使钢丝绳产生张力，从而防止集装箱摇摆。 使用这种交叉钢丝绳减摇装置，当小车停车后5 s 内，摇摆幅度可以减到l o o m 以内。而且不影响起升钢丝绳的使用寿命，当减摇钢丝绳发生折断时，集装箱也不 致掉下，但是由于这种减摇装置需要附加一套减摇钢丝绳卷绕系统，增加了系统安 装和维护的复杂性；同时吊集装箱和不吊集装箱时，减摇性能同样有很大差异。 3 分离小车式减摇装置 以形位变化控制摆动的一种最常见且有效的方式就是分离小车式。其工作原理 是：当小车行走时，前后两组小车通过螺杆驱动机构向两头分离，使起升钢丝绳形 成v 字形，使钢丝绳产生两个方向相反的水平分阻力，牵制吊具及集装箱前后摆动 或围绕悬挂点摇摆，实现减摇控制目的。当主小车停止运行，到达海侧船舶上方时， 海陆侧分离小车将根据起升高度位置，在某个事先设定的高度以上按恒定的分离夹 角限制自动分离到某个间距；而在某个高度( 一般甲板以下) 。前后两组小车自行靠 拢，使起升绕组和不起升绕组都不致碰撞船舱。同时还设有手动操作，司机可根据 实际情况( 潮位以及甲板上集装箱的层数等因素) 将分离小车分离到所需的任何间 距。 最初，人们认为使用分离小车式减摇装置能单独地将第一种摆动减少到可接受 的程度。然而，因受起升钢丝绳弹性、绳索长度变化的影响。实际与理论减摇效果 差异还是较大。由于集装箱仍将绕吊具滑轮组中心线转动，因此在控制第一种摆动 的同时还必须想法控制第二种摆动。此外，这种减摇装置使小车重量增大，构造也 较为复杂。 4 翘板梁式减摇装置 由日本日立制作所研制的翘板梁式减摇装置，是由翘板梁和装载行走小车上的 液力缓冲缸组成当悬挂物( 上架，吊具或集装箱) 向海侧摆时陆侧起升绳受力 比海侧大。与铅垂线的夹角也比海侧大，使翘翘梁陆侧向下摆，海测向上摆。当悬 挂物向陆侧摆时，情况相反，使翘翘梁陆侧向上摆，海测向下摆。翘翘梁的每一次 摆动，就吸收了摆动的能量，通过液力缓冲缸作液压阻尼或制动器，它将集装箱， 吊具的摇摆能量转化为翘板梁的转动能量，迅速地加以吸收缓冲，以此达到减摇的 目的。 这种减摇装置操作容易，工作平稳，不必使用复杂的电气、机械控制装置。只 是由机械式上下摇动的翘板梁和液力缓冲缸进行减摇，无需精确的转速调整措施， 而且除了起升钢丝绳外，也没有其它附加的减摇钢丝绳和滑轮组等，但由于需要附 6 第一章绪论 加安装大量的液压设备，增加了起重机的成本费用。 由穿绕机构变位引起的偏摆，使用翘板梁式减摇装置是一种解决办法。因为必 须减弱或消除摇摆能量，可利用分离小车的钢丝绳力，通过液压缸消耗能量。事实 证明，对高空集装箱作业，如果调整恰当，系统工作令人满意，在手动和自动模式 下都是有效的。但在强烈外界干扰因素影响下减摇效果将大大减弱。如果协调不当 仍将会产生很大的转动或偏转1 3 2 】。 5 电子防摇装置 2 0 世纪8 0 年代末出现的电子防摇控制装置主要是通过直接控制牵引小车的电机 达到控制运行小车的速度进行控制集装箱、吊具的摆幅或摆角。目前，电机调速控 制的电气化使小车吊重的电子防摇成为可能，不仅在直流电机上采用了晶体管整流 技术，而且在大功率交流电机上采用了变压变频新技术。近十几年来，大学和制造 商联合做了大量工作，开发电子或计算机产品解决小车运动以达到减摇目的，起重 机通过加速或减速能以最少的时间控制载荷稳定的到达终点。如果防摇控制系统中 没有应用反馈去控制外部影响，这被称为“开环 控制。通过测量，吊重偏摆角度 和角速度而实施反馈控制时，我们称之为“闭环”控制。在目前的电子防摇控制系 统研究中，既有开环的也有闭环的。 开环控制方案：芬兰科恩公司开发了一种手动操作时的电子系统，用在桥式起 重机上。该公司与赫尔辛基大学共同研究了数年时间，他们使用了修改过的“砰一 砰 方法。根据操作者提供给转辙器的信号，控制加速度和速度以消除摆动。每当 参考信号改变时，通过预示方法修正结果。由于是“开环”系统，不能消除原始摆 动或风载作用，并限制了起升速度为小车速度的5 0 ，如果整个运行在厂房内，无 风载影响，忽略绳索伸展性及没有异载情况，系统运行还是很令人满意的。对于集 装箱起重机操作而言，要想忽略外界干扰因素的影响，显然是不大可能的，因此使 用开环控制系统很难取得好的控制效果。 闭环控制方案：用各式的传感器检测小车、吊重的参数，如光电传感器检测运 行小车的速度、摆角等检测控制参数反馈给p l c 进行控制，经微机处理后发送出控 制信息，从而控制小车运行的速度和方向，抑制吊重及吊具的偏摆。瑞典a b b 公司 应用基本反馈路径研制的电子系统已投入使用，通过光学传感器反馈，a b b 驱动计 算机计算出一个最小时间的动态减摇。a b b 驱动系统硬件的使用是防摇手段的需要。 尽管有随意运动控制，允许在整个码头及整个船舶的随意位置之间自动操作，但操 作者界面还是有一定的复杂性。系统编入了小车运行与集装箱起升同时运作功能， 7 港口集装箱起重机智能防摇控制系统研究及仿真 以获得最小时间周期并能适应失常情况，例如自动操作期间的风载和偏载( 集装箱 各处载重不均匀) ，应用这种系统实际上并末能减少工作循环时间。德国的a e g 公 司开发了一种类似的系统，反馈是通过与a b b 使用的光学指示器相对应的钢丝绳角 位移传感器来完成的。a e g 系统的一个额外优点就是其独立的计算机使反馈适应于 a e g 以外的系统，即使用范围比较广。但无论是a b b 还是a e g 系统，在手动操作 模式下对控制摇摆均无能为力。 考虑集装箱起重机的起升钢丝绳伸展，长度变化、结构偏斜绳索垂直线等有关 的非线性摆动的综合复杂性，通过模拟实验及计算机仿真实验证明，要获取较好的 防摇控制效果，应使用反馈系统，目的是保证在终点位置时集装箱的稳定。没有反 馈，上述因素的影响会使开环系统变得毫无效果。配有反馈或“闭环 系统的控制 器就可调协出能响应并接近严格减摇的最大速度。但“闭环 控制也并非完美， 在“闭环”控制系统中存在的最大问题就是：如果反馈系统无休止的使用，其结果 只能是使系统速度降低，这样必然将降低起重机的运输及装卸效率【3 引。 1 3 本课题研究的主要意义及内容 本课题中以岸边集装箱起重机作为研究实体，依据上述文献对目前岸边集装箱 起重机通常采用的几种控制系统进行了分析总结： 1 机械式控制系统：一般结构比较简单，不必使用复杂的电气、机械控制装置。 但是由于钢丝绳具有弹性，绳索长度变化影响，实际与理论上控制结果有较大的差 别。还有些机械控制结构比较复杂，在强烈的外界干扰下控制效果大大减弱，并不 能够达到理想控制结果。 2 开环控制系统：开环控制系统虽然响应时间较快，但是只是依据预示方法修 正结果，通过控制速度与加速度消除吊重摆动，由于集装箱起重机工作环境恶劣， 工作过程中存在多种外界干扰因素，要想忽略外界干扰因素影响，显然不可能取得 较好的控制效果。 3 闭环控制系统，对于复杂的岸边集装箱起重机非线性系统，闭环控制能够很 好的抑制外界干扰对系统的影响，并能改善系统的响应特性。能够获得较好的控制 效果，所以目前闭环控制系统广泛应用在起重机控制系统中。但是闭环系统具有 定的滞后性，同时若反馈系统无休止的使用，其结果只能是使系统速度降低，这样 必然将降低起重机的运输及装卸效率。 4 模糊控制系统，对不确定性系统具有很好鲁棒性，可以使得不确定性因素对 8 第一章绪论 系统影响达到最小，控制器具有很好的鲁棒性。但在外界干扰时有可能会失去某些 性能，不能进行正常工作。 要解决这些问题，反馈控制和整形控制相结合的控制方式是一种有效的方法。 但由于起重机行业的特殊性，采用反馈控制和整形控制相结合的控制方法是最近几 年才开始应用的新技术，国内外只有很少的研究。根据国外一些研究，在理论上， 反馈控制与整形控制相结合的控制方法对于起重机的恶劣工况比较适用，对提高起 重机的工作效率，功率因数和起重机的安全可靠性都是非常有益的。相比较发达国 家而言，我国的相关技术水平差距较大。主要技术难度体现在：对起重机系统运行 的稳定性和可靠性要求愈来愈高，起重机的起重量及运行速度等技术参数越来越大， 起重机的自动化程度越来越高，在这种条件下，能够实现精确定位控制和防摇存在 一定的困难，为此，有必要对岸边集装箱起重机防摇控制系统进行研究。 本论文通过对国内外研究动态与发展的基础上，基于m a t l a b 及其s i m u l i n k 仿真 平台完成以下几项主要工作。 1 综述了起重机防摇研究工作的背景及其现实意义，并详细讨论了防摇系统的国 内外研究状况及其发展趋势； 2 建立岸边集装箱起重机精确的数学模型； 3 。设计优化p i d 控制器并进行仿真分析； 4 起重机系统动态仿真； 5 设计输入整形控制器并进行仿真分析； 6 总结。 9 第一章岸边集装箱起重机搜力学模型的建立 第二章岸边集装箱起重机及力学模型的建立 在进行集装箱起重机防摇控制器的设计开发之前，必须对集装箱起重机的结构 和操作步骤以及防摇控制操作有一定的了解，为此，本章对岸边集装箱起重机的结 构和目前围内外各种防摇控制方法及装置进行了整理与分析，为本文咀后部分的智 能防摇控制系统的研究与设计奠定良好的理论基础。 2 1 岸边集装箱起重机 211 岸边集装箱起重机的起源与发展 集装箱起重机是为集装箱运输而建造的专用装卸搬运机械，主要安装在码头、 货场等水路、铁路和公路中转站，包括岸边集装箱起重机、集装箱龙门起重机和集 装箱装卸桥等。这里以岸边集装箱起重机为例，对集装箱起重机作简要介绍。斟2 1 为岸边集装葙起重机示意图p “。 凹二1 岸边集装箱起重机 f i g u r e 2 - iq u a y s i d ec o n t a i n e rc r 龃e s 二次大战结束以来，出现了半个世纪的世界范围内的和平，为国际贸易发展创 造了前所末有的好条件。为了繁荣国家经济，各国无一倒外的要发腱国际贸易，而 开展国际贸易离不开越洋运输。寻觅一种高效，低成本、安全可靠的货物运输方式， 是摆在世界运输界而前的一个重大课题。2 0 世纪5 0 年代中叶，一种将货物装在特制 箱子内再置于船上的运输方式，即集装箱运输在美国脱颖而出，美国泛太西洋航运 公司( 海陆公司前身) 首创将一艘杂货船改装为集装箱船。由于满载的集装箱重量 在1 0 t 以上当时一般码头无大起重量的起重机，只好在船的甲板上安装轨道式集装 箱龙门起重机进行装卸。进入6 0 年代中期，它逐步发展到欧洲、日本、澳大利亚等 发达国家的港口。进入7 0 年代，集装箱运输方式在世界范围内得到广泛应用，帕色 科公司开始大量生产制造这种岸边集装箱起重机，并很快被世界上很多集装箱装卸 公司和集装箱码头所采用，成为码头前沿装卸集装箱的一种摹本机型。西欧、日本 1 1 港口集装箱起重机智能防摇控制系统研究及仿真 等主要厂商从争相仿造发展到独立设计制造这种岸边集装箱起重机，并很快形 成了批量生产能力。8 0 年代初各国的集装箱制造厂商研制了轻型结构的岸边集装箱 起重机，这种起重机特别适合于由旧杂货码头改建的集装箱码头上使用。8 0 年代中 期到9 0 年代以来随着环球国际集装箱运输的发展和第四代“超宽巴拿马型，集装 箱船的出现，在美国、西欧、日本等国家地区的最大集装箱港口使用了新一代大型 岸边集装箱起重机。我国的港口机械制造工业发展迅速，上海振华港机公司己经成 为当今世界上最大的港口装卸机械的生产企业，其岸边集装箱起重机的订单居世界 同行之首，并连续五年保持了世界销量第一，该公司为法国诺曼底勒阿弗港的集装 箱码头生产的双小车岸边集装箱起重机，为当前世界最大的起重机【3 5 。 2 1 2 岸边集装箱起重机的基本结构 岸边集装箱起重机作为码头前沿进行集装箱装卸作业的装卸设备，它的形式依 据作业特性和操作功能而定目前世界上上千台岸边集装箱起重机因供应商不同而 呈不同形式，但其基本形式不变m j 。 现代岸边集装箱起重机的基本结构主要由以下几大机构组成： 起升机构：是岸桥最主要的工作机构，作用是实现集装箱或吊具、吊梁升降运 动。主要由驱动机构、钢丝绳卷绕系统，吊具和安全保护装置等组成。 俯仰机构：实现前大梁绕大梁铰点作俯仰运动的机构。由驱动机构、钢丝绳卷 绕机构、安全钩装置及安全保护装置等组成。 小车运行机构：使集装箱或吊具和上架作水平往复运动的机构总称称为运行小 车系统。包括运行小车总成、运行小车驱动系统、小车钢丝绳卷绕和安全保护装置。 大车行走机实现整机沿着码头前沿轨道作水平运动的机构。由设在门框下的4 组 行走台车及其驱动装置组成。 应急机构：断电或电控系统发生故障时利用各用电源使起重机回到安全位置或 将负荷安全卸下等驱动机构。包括俯仰应急机构、起升应急机构和小车应急机构。 附属装置：包括托绳装置、机器房和附属设备，载人户外电梯、理货室及俯仰 机构操作室、码头附属设备等。 2 1 3 岸边集装箱起重机的分类 岸边集装箱起重机通常按门架的结构型式，前大梁的让船方式( 可限制岸桥高 度) 以及行走小车牵引方式进行分类。 1 按门架结构型式可以分为三类：a 型门架、h 型门架和a h 组合型门架。 岸边集装箱起重机早期门架结构型式为a 型，其特点是结构紧凑，海侧门架向陆 】2 第_ 二章岸边集装箱起重机及力学模型的建立 侧门架倾斜，因而使前后大梁绞点可收缩到码头岸线以内，不致碰到船舶上层建 筑整机重量较轻，比较适用于起重量不大的小轨距岸桥中。 h 型门架结构受轨距大小变化影响不大，其特点是海侧门框垂直，多用于海侧轨 道与码头前沿的距离足够大的码头。 a h 型门架是在h 型门架的基础上，吸收了a 型门架可防止大梁绞点与船舶上层 建筑相碰的优点，虽然它和h 型门架相比，制造工艺相对复杂些，但由于目前国际航 运中起重机和船舶日益大型化，要求船与起重机有更大的相对净空，而用户又不大 愿意加大海侧轨道与码头前沿的距离，因此目前国际上广泛使用a h 型门架。 2 按前大梁的让船方式可分为三类： 俯仰式：整个前大梁可以升起或放下。在工作状态，主梁仰至4 5 0 ，其主梁下的 净空能安全避开船侧上层建筑。主梁的顶部高度就不会影响航线，一旦在非工作状 态，主梁仰至8 0 0 、可拄好钩。这种型式较为简单但仰起后高度较大。 折叠式：前大粱分为两段，做成可弯曲的形式，装卸作业时主梁可放置水平 位置，仰起时从中间折叠。可保证起重机最高点不超过允许的净空高度，因其形状 像鹅颈，俗称鹅颈式主梁。这种型式适用于码头周围、机场附近等对岸桥高度有一 定限制的情况下使用。 滑梁式：这种型式的前主梁可通过套驱动机构进行伸缩，作业时，前主梁向 海侧力一向伸出，非工作状态时，可将前主梁滑移到陆侧框架内。这种岸桥主要适 用于对净空高度要求较严的场所。这种型式的前主梁是悬臂梁，受的弯矩大，因此 主梁端面尺寸大，重量大，通常采用桁架结构，以减轻主梁重量。 3 按行走小车牵引方式可分为三类： 自行式起重小车，这种小车是将运行小车的主起升机构和驱动机构都装设在小 车车架上，与牵引小车相比，它没有一整套绳索牵引装置，大大减少了钢丝绳用量 和滑轮用量，小车可以自行。起升绳长度短，钢丝绳使用寿命长，结构紧凑，吊具 易于对箱，司机视线好，缺点是小车自重大( 通常可达6 0 一- 9 5 t ) ，小车轮压也较大， 驱动功率大，要求码头具有较高的承受能力。 全绳索牵引小车：这种小车是将起升驱动装置和小车驱动装置都装设在机器房 内，而不装设在小车车架上，小车行走靠钢丝绳牵引。它的特点是小车自重小，整 机自重小；小车牵引性能好，起动和加速性能好，由于钢丝绳的复杂缠绕，造成维 护不便，钢丝绳的下垂还会影响吊具的精确对位。 半绳索牵引小车：这种小车也称自行小车，它是将起升驱动装置设在机器房内， 13 港口集装箱起重机智能防摇控制系统研究及仿真 而小车行走驱动装置仍设在小车车架上。它取消了小车牵引钢丝绳系统，起升钢丝 绳的缠绕与全绳索牵引式小车有所不同，即起升钢丝绳从机器房中引出，经过大梁 后部滑轮，最后至前大梁固定，起升钢丝绳的缠绕是一个封闭系统。起升钢丝绳在 小车行走过程中不致发生升降现象，因而这种小车及其绕绳系统也无需平衡小车和 其它补偿措施。起升钢丝绳的缠绕系统还可兼作吊具的横倾和纵倾动作。半绳索牵 引式小车兼有自行式小车和全绳索牵引式小车的优点，但仍然存在着钢丝绳容易磨 损的问题。半绳索牵引式小车是目前岸边集装箱起重机中用得较多得一种行走小车 结构型式【3 7 】。 根据在港口常见的集装箱起重机的型式，在开发集装箱起重机防摇控制器时选 用了用得最多的a h 型门架、俯仰式、全绳索牵引式小车为例子。 2 1 4 岸边集装箱起重机的发展方向 岸边集装箱起重机的装卸能力直接决定集装箱港口作业生产率，高生产率是岸边 集装箱起重机的根本目的。随着社会的发展和科学技术的进步，展望未来岸边集装 箱起重机发展，主要有以下方面的方向： 高参数化和大型化 1 额定起重量大幅增长。吊具的额定起重量从3 0 5 t 增大至u 6 1 t ，最大己达6 5 t ； 2 外伸距越来越大。随着集装箱船的不断大型化，船宽己从第三代巴拿马集装箱 船的1 3