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港口门座起重机的运行建模与仿真
Haiwei Liu， Weijian Mi， Ning Zhao， and Yufei Feng
摘要：
港口的节能降耗越来越受到重视，为了实现绿色港口的目标，越来越多的学者开始研究港口机械节能技术。一般来说，由于港口作业繁忙，港口机械不能为了单独研究而脱离作业线。 此外，使用实际的港口机械研究成本很高，因此，有必要寻找一个低成本，高精度的研究平台进行港口机械研究。本文以某种门座起重机为例，使用仿真软件建立了机械模型，电机模型和控制模型， 并将这三种模型整合到整个模拟平台中，为门座起重机的研究设计提供了一个节能的研究平台。并模拟港口起重机的起升和变幅运行，分析起升和变幅过程中的功率变化和能耗。仿真结果表明，该仿真平台完全可以满足门座机节能研究的要求。
介绍：
节能已成为工程机械的发展趋势，能源的消耗和回收利用成为机械设计和运行的重要方面。而已经投入使用的机械需要增加额外的节能系统，以避免机械更换造成不必要的花费。随着经济全球化的发展，港口工业迅速发展，港口机械节能研究成为专家学者的研究热点，而港口机械的重要组成部分是工程机械。 在港口吞吐量占港口货物总量一半以上的散装港口中，门座起重机起着至关重要的作用。一般的港口起重机可以处理重量大，高度高的货物，在作业过程中一般做起升、下降和变幅运动， 因此在货物装卸过程中会产生大量的能量。一般来说，动力制动会消耗能量，导致高能耗和低效率。Li 等人（2010），Liu and Gong(2010)提出如果能够将门座式起重机作业过程中产生的大量势能转化为可用于散货港口的电能，这将对减少能源浪费和合理利用资源具有重要意义。
但是，由于港口作业较为繁忙，将门座起重机与一般作业线分开，来研究门座起重机节能技术是不可能的。更重要的是，使用实际的门座起重机进行研究的成本非常高，因此，有必要找到一种低成本，高精度的方法。近来越来越多的仿真技术被用于港口研究， 例如，Kim等人（2013）采用模拟方法研究海啸对Koborinai港的影响。使用仿真平台也可以为上述问题提供一个很好的解决方案，建立精确的仿真研究平台可以大大降低门座机的节能研究成本。
目前，节能研究主要集中在集装箱港口，重点在电气或机械节能方面。有些专家只考虑电力节能方法， 例如，Chang等人 （2010），Iannuzzi，Piegari和Tricoli，（2009）提出了一种基于AFE系统能量回收的节能方法；Beldiajev，Lehtla和Molder（2010），Liu 等人（2008）提出通过频率控制实现节能。另一方面，一些专家只考虑机械节能方法， 例如，Flynn，McMullen和Solis（2008），Hearn等人 （2013年），Ahrens，Kucera和Larsonneur（1996年）提出在起重机运行过程中通过使用飞轮执行能量回收和释放。因此，目前对港口机械的模拟主要集中在港口机械的一部分，电气或者机械。基于这两部分结合平台很少见。Kinght等人（2012）使用SimPower Systems建立门座起重机电气仿真平台，通过平台可以获得工作过程各个部分的电压，电流和其他变化， 该平台为门座机的节能技术研究提供了依据；曹等人（2010）利用非奇异终端滑模方法建立了控制器仿真模型，用于研究起重机电机速度控制; Tandel，Patel和Motiyani（2009）建立了起重机直流驱动仿真模型，以验证所提出的用于起重机电机驱动可行性的新方法; Wang等人 （2011）使用Soildworks建立了基于40吨重和33米高的门座起重机的机械结构模型，并用该模型研究变幅过程中铰点处的应力变化；Yang，Zhang和Yu（2010）通过虚拟现实技术建立了一个三维模型模拟港口机械，但这种模拟主要用于教学任务，而不是节能机械。
上述的港口机械模拟研究只侧重于电气或机械部件，或港口机械的整体模拟，都不能用于能效研究。因此，结合门座起重机的特点，针对节能研究的重点，本文通过Matlab / simMechanics和Matlab / simPower建立机械模块，电机模块和控制模块，并将这三个模块组合成一个完整的门座式起重机仿真平台，实现门座起重机电气仿真与机械仿真的结合，为门座式起重机节能研究奠定坚实的基础。为了验证模型的可靠性，我们模拟了不同的负载情况下可再生能源的功率和变幅机构的工作情况。实验结果表明，所建立的门座起重机仿真平台能够快速，准确地模拟操作条件，为门座机的节能研究提供了良好的实验基础。
港口起重机的仿真模拟
为建立仿真平台，首先分析了门座起重机的机械结构，并基于机构设计原理，利用Matlab / Simulink建立了门座起重机机械模块。针对机构的实际运动，本文根据阻尼运动原理设计了阻尼运动模块。其次，根据动力学方程建立各种机构的动态模型，并基于该模型在Matlab / Simulink中建立了控制模块。本文还分析了各机构的驱动方式式，并根据电气工程相关知识在Matlab / Simulink中建立了相关电机模型。 最后，将这三个模块组合成一个完整的仿真平台，如图2-1所示 。 根据图2-1，使用Matlab / Simulink建立门座起重机节能研究仿真平台，如图2-2所示，其中第1部分是机械模型，第2部分是提供转矩和速度的电机模型，第3部分是为平台提供控制信号的控制模块，第4部分是负载，它是控制系统的变量输入以模拟不同的载荷，第5部分是显示不同载荷下的最佳变幅时间的屏幕。
图2-1 仿真平台设计
图2-2 整体模拟平台
港口门座起重机机械仿真模型
如图2-3所示，门座起重机由起升机构、变幅机构、运行机构和回转机构等部分组成。 在本文中，为了简化模型，只建立了变幅机构。在建立变幅机构模型的过程中，首先根据运动特点建立起组合臂架，然后根据平衡原理建立补偿模型，最后，根据传动机构模块的特点构建齿条传动机构。
图2-3 门座起重机的组成部分
SimMechanics在matlab / Simulink中建立的门座起重机机械模型如图2-4所示。
第1部分是机械环境设置模块，这个模块对于建立机械模型是必要的，并且它被用于设置模拟中的主要算法，误差，重力，步长和其他参数。第2部分是机架固定模块，这个模块被用作整个机械模型的一个固定点，它是绝对坐标系的原点，因为完整的机械模块通常至少有一个固定点。第3部分是具有阻尼因子的旋转模块，该模块被用作不同铰链之间的性连接，为了使仿真更真实，考虑了阻尼因素。第4部分是臂架模块，该部分用来 连接刚体，如拉杆、象鼻梁、重物等，它是机械模型的基础。第5部分是象鼻梁头部的传感器模块，用于整个机械运动的检测和观察。第6部分是驱动模块，该模块为变幅机构提供驱动力。
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图2-4 门座起重机的机械模型
在Matlab / Simulink中，连接处是没有任何阻力的理想模块，变幅机构将处于周期性振动状态。因此在每个连接点处或节点上需要增加阻尼运动子模块，以满足实际情况，即阻尼运动。图2-5显示了一个用于确定弹性K和阻尼系数D的平衡模块，通过计算和测试，最佳弹性和阻尼系数分别为10-9和10-2。
驱动模式是整个模型的关键，起重机通常用齿条驱动方式，齿轮旋转带动齿条做直线移动，齿条驱动臂架运动，其结构如图2-6所示。因此，本文定义了一个2自由度的连接来实现从平移到滚动的传递。
图2-5 平衡模块
图2-6 驱动模块的参数设置
在建立上述模型后，本文完成了门座起重机仿真的构建。 图2-7是门座起重机的可视化图，我们可以从可视化图中观察门座起重机的操作和模拟。
图2-7 门座起重机的可视化图
港口门座起重机电机模拟模块
在本节中，根据电机的基本原理在Matlab / Simulink中构建电机模型。在门座起重机电源系统中，交流电机的容量通常比较大，由于起动电流过大会导致电网电压下降，并会对其他电气设备的正常运行造成影响， 因此，通常采用降压启动模式以减小启动电流。本文还利用这种模式构建了电机仿真模型。
传统的降压起动方法包括星形- 三角形起动和自耦变压器起动等。许多基于晶闸管交流稳压原理的软起动控制器已经问世，本文采用这种软起动控制器来控制电机起动。软启动控制器可以通过电压调节器限制启动电流，并且电动机通常产生较高的启动转矩。在启动结束后，软启动控制器将被接触器切断，电机连接到三相电源以完成启动过程。电气原理图如图2-8所示。软启动电路由晶闸管三相稳压器电路、软启动控制器（给定积分器）和触发器等组成，晶闸管控制角从大变小，使得电机上的电压从小到大逐渐上升。
图2-8 晶闸管软启动的电气原理图
图2-9显示了整个电机的建立模型。
整个电机模型由第1部分电机，第2部分触发器，第3部分晶闸管控制器，第4部分GI和第5部分Fcn组成。电机模型是根据实际情况设置的，触发器为晶闸管控制器提供脉冲，晶闸管控制器用于调整交流电压以提供电机启动。
图2-9 门座起重机电机仿真模型
港口门座起重机控制仿真模块
控制模块是在分析门座起重机起升机构的基础上建立的。起升机构是一个非常重要的机构，其作用是提升货物。起升机构一般由驱动装置，制动器，传动装置，卷绕装置和其他部件组成。图2-10是控制仿真模块，根据门座起重机的组成和公式求解可求出第二部分的最佳变幅时间。
图2-10 控制模拟模块
上面建立的控制模块可以控制2-4和2-9建立的机械模型和电机模型，为整个模拟奠定了基础。
仿真模型验证
本文利用MATLAB / Simulink搭建了机械模块、电机模块和控制模块，再将这三个模块组合成一个完整的仿真平台。整个仿真平台基于40t-30m门座起重机的参数建立如表3-1所示。
图3-1是10吨、20吨、30吨和40吨门座起重机的功率和高度之间的关系图。
从图中可以看出，功率与负载的质量成正比，与高度的平方成正比，即pprop;m h1/2。从纵坐标可以看出，功率一开始会逐渐增加，但随着高度的增加而逐渐趋于平缓。图中直线和曲线的交点显示了同样的功率下对于不同的负载所需要的高度。
如图3-2所示，在仿真平台上可以观察到最大和最小变幅下的运行状态，在变幅过程中，运动路径可以通过安装在象鼻梁上的传感器来观察。 图3-3显示了门座起重机在32吨载荷下的运动状态。
表3-1 仿真平台的关键参数
图3-1 起升机构功率图
图3-2 门座起重机的最大和最小变幅状态
图3-3 门座起重机的变幅曲线
从图3-3中的门座起重机变幅曲线可以看出，变幅过程的模拟不是严格的线性运动，而是呈曲线运动的轻微波动，波动lt;0.2 m，与现实生活中门座起重机变幅运动的过程相近。 这一发现证明，该仿真平台能模拟实际的门座起重机变幅机构运动。
综上所述，我们利用Matlab建立的门座起重机仿真平台，可以在门座起重机的操作过程中快速、准确地模拟变幅机构的工作和能量的再生，这为门座起重机的节能研究提供了良好基础。
结论
本文研究门座起重机仿真模型的建立，通过Matlab / SimMechanics和Matlab / simPower建立仿真平台方法，将机械模块、电气模块和控制模块相结合，该方法实现了机电仿真门座起重机的一体化。第二部分详细描述了建立模型的过程。为了验证模型的可靠性，在第三部分中，我们模拟了在不同负载下的变幅机构工作时的可再生能源的功率，仿真结果表明，该门座起重机仿真平台是可行的，该平台可以快速、准确地提供实验数据，为门座机的节能仿真研究提供良好的实验基础。
引用文献
Ahrens, M.; Kucera, L., and Larsonneur, R., 1996. Performnce of a magnetically suspended flywheel energy storage device. IEEE Xplore: Control Systems Technology, 4(5), 494-502.
Beldiajev, V.; Lehtla, T., and Molder, H., 2010. Influence of regenerative braking to power characteristics of a gantry crane. Proceeding s of 2010 International Conference on Electrical and Control Engineering (Kuressaare, Estonia), pp.73-78.
Cao, L.Z.; Lou, F.P.; Li, X.B.; Cui, G.Z., and Li, C.W., 2010. Design and simulation analyze of speed control strategy for cra
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