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- 用虚拟样机技术建模和控制移动式港口起重机系统
Hong-Soek Park和Ngoc-Tran Le
摘要：移动港口起重机（MHC）真实行为的虚拟仿真已经不需要使用传统的构建和测试方法，这是进入设计阶段的必要方法，它可以通过降低制造成本和错误来提高产品的质量。本文介绍了描述MHC力学行为的工程模型，以及用于提高位置精度的控制设计。基于MHC的概念，使用SOLIDWOKS创建了一个虚拟力学模型，然后将其输出到自动动力学机械系统分析（ADAMS）环境。该模型用于研究MHC系统的动态特性。此外，MATLAB / Simulink还开发了一种自适应侧滑模式PID控制器，用于控制起重机小车的位置并抑制负载的摆动角度。这种联合仿真证明了所开发系统的机械和控制功能的可靠性。
关键词：自适应滑模，移动式港口起重机，建模与控制，PID控制器，虚拟样机。
- 介绍
世界经济的快速增长导致大型集装箱船货运需求增加。但由于港口目前的通行能力有限，且由于浅水区和狭窄区域，大型集装箱船不能停靠在这些港口。 由于缺乏投资资金和对环境可持续性的负面影响，扩大港口能力的解决方案是不可行的。在这方面，提出了MHC概念以最大限度地利用集装箱船[1]。该解决方案允许集装箱船在深水中锚定以装载和卸载集装箱，然后将其运送到目的地，而不管任何港口的深度或狭窄区域。
MHC系统是一种高架起重机系统，安装在移动式港口上，用于将集装箱船上的集装箱装卸到船上，反之亦然。由于恶劣的工作环境，MHC比固定在地面上的传统起重机遇到更多的问题。其中一个严重的问题是由于手推车的不适当控制以及外部干扰的影响而引起的负载摆动，例如波浪和风。这是一个严重的问题，因为它可能会对周围的设备和系统造成巨大的损害。此外，如果容器的摆动延伸到转移的末端，则很难控制容器的期望位置[2]。为了提高MHC系统的生产率，所有的起重机运动都应该高速运行，并且负载必须准确地控制到所需的位置。 但是，要满足这些要求是困难的，因为当小车加速或减速时，悬挂的载荷会不停地摆动。而且，由风浪引起的外部干扰以及不断移动的基座使得负载的轨迹不可预知。因此，将负载控制在所需位置是一个难题。通常，已经提出了两种机械和电气解决方案来防止负载摆动。在许多测试情况下，机械解决方案已成功应用以抑制负载的纵向摇摆。然而，这种方法产生振动，响应时间慢，维护成本高[3]。在大多数情况下，
电气解决方案被广泛用于防摆动负载。该解决方案进一步分为两种控制方式，开环控制和闭环控制。[4]中提出的开环控制方案没有配备传感器。 其控制目标是基于预先设定的速度控制和轨迹，这些控制目标已被模拟处理摆动。 使用自然频率较低的起重机时，该方法经济且稳定。但是，对于受干扰影响的不稳定因素而言效率低下。同时，提出闭环控制方案作为起重机的防摆动。这些方案配备了多种类型的传感器来检测线性/非线性控制中负载的摇摆角度[5-11]。 摆角信号在传送给控制器之前，通过观测和估算模型进行处理。提出了几种设备来测量负载的摆动角度。吉田等人[10]建议使用摄像头作为非接触式传感器，以对起重机进行视觉反馈控制。在这种情况下，吊运车上安装了3D摄像头以测量负载的3D位置。这种方法对遇到干扰的起重机很有效。 但是，这种视觉系统成本很高，难以维护。此外，视觉装置的使用寿命在暴露于海洋环境时逐渐减少。
为了取代视觉系统，Kim等[11]介绍了一种用于集装箱起重机的新型视觉无传感器防摇控制系统。使用放置在吊箱架上的倾斜仪来检测负载的摇摆角度。然而，常见的倾斜仪缺乏高精度和响应时间慢。因此，需要昂贵的倾斜仪达到高精度。 为了实现更经济准确和快速的反应，Park等人[12]引入了一种新方法，其中使用三轴加速度计来估计摆动。在这种方法中，摆动角度是由加速度计根据台车和吊具之间固定点的差异来测量的。协同上述方法的目的是有效检测摆角，设计闭环控制系统实现负载的防摆动。这些方法已经达到了预期的控制目标。然而，将新控制产品投放到真实工作环境中需要花费更多的时间和成本来在物理模型上进行构建，测试和验证。
因此，本文提出了一种集成了ADAMS和MATLAB / Simulink的虚拟样机仿真技术。 ADAMS软件用于创建虚拟机械模型，可虚拟测量虚拟模型中任何组件的任何参数。 MATLAB软件以设计控制系统而闻名。我们的两个软件的协同仿真模型在仿真机械系统的实际行为，实施整个虚拟样机模型的闭环控制方面具有优势。结果的模拟不仅可以帮助设计人员修改机械设计，还可以改进控制方法。
- MHC系统的组成和工作原理
MHC是起重机系统，如图2所示，它安装在浮动系统上。它包括一个浮动的框架系统，支撑框架，台车，吊具和吊杆。 浮动可以运载整个起重机系统和负载。 它在海上工作，受风浪影响。框架系统是一个坚固的结构，可承受起重机的总负载。 它沿浮动方向移动，并可水平调整以拾取容器。当起重机开始工作时支撑架升起，停止时降低。此功能旨在折叠起重机系统以便于移动。小车沿着x方向在吊臂导轨上移动，并由电机驱动。它将吊具驱动到所需的位置以拾取和插入容器。吊箱架通过四缆机构悬挂在吊运车上，其功能是调整集装箱的吊钩以提升。 夹紧和定位系统用于精确定位容器。由于在海上工作，MHC受风浪影响。根据张等人[14]可以根据空气动力学中悬垂力的基本方程来评估作用在海上起重机结构上的风致悬垂力：
其中rho;=空气密度，
CD=阻力系数，
A =结构的投影面积，
U（t）=入射风速，
Ū是一个恒定的风速，取决于海平面以上的高度，w（t）是随机波动的湍流风速。 风阻力FD（t）可以写成如下形式：
（3）的第一项称为平均阻力，对于给定的平均风速，该阻力是常数。（3）的第二项和第三项是与湍流有关的力。为了评估风致结构，（3）的第三项通常被忽略。 湍流风速w（t）的波动是一个零均值的高斯随机过程。在本文中，MHC投影面积和高度结构是可忽略的。因此，风对MHC结构的影响被忽略，并被认为是控制系统的高斯随机扰动。否则，海浪引起的干扰是浮动的主要影响因素。 海浪激发的描述对浮动系统的建模至关重要。对于非线性系统的分析，波浪力分为两个部分：主要频率处的谐波力的叠加和一个小的随机分量[15]。海浪由等式表示：
其中表示力的谐波分量，表示随机扰动，分别是波的幅度，频率和相位。
根据Ngo等人[9]，波浪干扰诱导MHC移动六个自由度运动，包括三个平移运动（浪涌，摇摆和重度）和三个旋转运动（滚动，俯仰和偏航）。六自由度运动如图2所示。在文献中，对常规起重机进行了研究，其中货车的运动和摆动是共面的。小车运动用于抑制集装箱摇摆运动。在MHC情况下，悬浮载荷似乎具有额外的侧向摆动，这是由浮动的俯仰运动引起的。由于这种摇摆成分与小车运动方向不一致，笔者提出了一种的侧向摇摆控制机制。
图3.提出了用于横向摆动控制负载的新机制。
图3显示了一种新的侧向摇摆机制控制负载。两条额外的绳索将滑轮和鼓连接到机构。鼓是需要补偿的，当容器上下移动时，附加绳索与主提升绳索之间的绳索长度差异。在那些额外的绳索中，液压制动器产生张力，通过该张力可以传递侧向摆动抑制力矩。
在本文中，考虑了与MHC系统有关的以下假设。
- 浮体应该在笛卡尔坐标中相对固定。 因此，漂浮漂移和偏航运动的绝对坐标可以忽略不计。
- 小车运动被认为是沿着X方向，并且载荷的摆动运动在同一平面上。
- 悬挂载荷在其他平面上的摆动运动可以看作是控制系统的干扰。
- 负载的摇摆运动被认为是类似的摆动运动，并且手推车上的摩擦力可以忽略不计。
3.MHC系统建模
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- 开发用于MHC系统的虚拟样机的必要性
由于产品的复杂性不断增加，为了增加生产竞争，应该减少产品开发周期的要求。因此，构建用于测试的硬件原型已经花费了大部分时间来推出新产品。与传统的构建和测试方法相比，基于虚拟原型的仿真技术被提出作为一种显着降低制造成本和时间的方法。虚拟样机方法是一种集成软件解决方案，包括对机械系统进行建模，模拟和可视化其在实际工作条件下的三维运动行为，并通过迭代设计研究[17]改进和优化设计。这种模拟技术的优点包括构建一个用于虚拟实验的详细模型，与真实场景类似。还可以方便地执行对任何参数和机械模型的任何部件进行虚拟测量的可能性。图4显示了用于测试MHC系统的虚拟原型的创建。
在机电一体化系统的设计过程中，机械设计和控制设计阶段分别使用不同的软件工具完成，但概念是相同的。设计完成后，每个单独的模型都应进行测试和验证，以达到预期的目标，最后应在物理原型上进行联合测试以验证所提出的方法。在对物理原型进行测试期间，如果交互中两个系统之间的操作出现问题，设计人员必须改进机械设计和/或控制设计以实现完美的系统。它节省了时间和成本，并降低了由两个系统之间的冲突导致的设备损坏的风险。
图4.创建用于测试MHC系统的虚拟原型模型。
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- 虚拟原型平台
图5显示了一个虚拟样机平台，其中包括以下软件：CAD-计算机辅助设计（SOLIDWORKS，CATIA，PROENGINEER）;MBS-多体系统（ADAMS，SDEXACT，PLEXUS）; 有限元分析（NASTRAN / PATRAN，COSMOS，ANSYS）和命令与控制（MATLAB，EASY5，MATRIX）[17]。
CAD软件用于创建机械系统的几何模型。该模型包括具有物理原型模型的形状和尺寸的刚性部件，并且包含这些刚性部件的质量和惯性属性的信息。 CAD环境可以用力和扭矩执行简单的运动测试。然后使用STEP（CATIA）或Parasolid.x_t（SOLIDWORKS）等文件格式将几何模型从CAD环境导出到MBS环境。MBS是虚拟平台的中心组件，它用于分析，优化和模拟真实操作条件下机械系统的运动学和动力学行为。 FEA软件用于建模灵活的组件。 MBS能够将负载转移到FEA并从FEA接收灵活的组件反馈。该功能可以捕捉惯性和顺从效果，并以更高的准确度预测负载，从而获得更真实的结果。命令与控制（C＆C）是用于设计控制系统的软件产品。该软件与MBS软件交换信息。交换过程创建一个闭环，其中来自MBS模型的输出是控制系统的输入，反之亦然。 MBS的输出模型是控制所必需的测量参数，控制系统的输出对MBS模拟有影响。
图5.虚拟原型平台
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- 建模MHC机械系统
为了生成MHC系统的力学模型，通过SOLIDWORKS将具有物理模型形状和尺寸的所有组件或元素建模为3D实体。这些元素是用显示MHC系统特征的几何约束创建的。该机械模型通过施加扭矩和力来驱动MHC模型的元件来测试和评估“真实”行为。然后输出到ADAMS执行动态模拟。在ADAMS / view环境中，创建一个MHC建模。建模过程按照以下顺序构建，以便在设计阶段进行简单的修改。 首先，必须定义材料，质量和密度等部件的几何参数，然后自动生成质量矩阵和惯性矩阵。使用以下几何约束，这些部分分别与其他部分相连，以浮动坐标。 这些约束描述如下。浮动质量坐标的中心（用1表示）固定在ADAMS中使用旋转关节的笛卡尔坐标的中心。浮动运动根据波浪扰动函数摇摆。框架（由2表示）安装在浮动物上，并使用平移接头沿着浮动物移动。由电动机产生的力驱动的手推车（由3表示）利用平移接头沿着x方向在框架上滑动。容器（用4表示）使用球形接头连接到吊运车车，并且随着吊运车运动而移动。图6显示了MHC系统的力学模型的虚拟原型。虚拟样机模型的仿真过程被用来研究机械MHC模型的真实行为。Adams模拟中使用的参数值列于表1中。ADAMS模型的计算机上的仿真结果将通过在试验台上的实验进行检查和验证，以评估ADAMS的准确性模型。图7和图8分别示出了台车位移的模拟和实验结果与负载的摇摆角度之间的比较。 通过这些比较，我们可以评估模拟和实验的曲线是一致的。
图6. MHC系统的Adams模型
。
图7.台车位移的模拟和实验响应之间的比较。
图8.负载摇摆角度的仿真与实验响应之间的比较
因此，ADAMS模型可以用来模拟MHC力学模型的特性。该模型也可用于模拟，分析，测试和验证机械和控制系统的行为。
4.开发MHC机制的控制系统
4.1在MATLAB / Simulink中创建adams_sys
构建虚拟MHC的控制系统模型对于将两个单独的仿真程序联合仿真为整个系统是必需的。控制设计是基于ADAMS / Control和MATLAB / Simulink开发的。 为了将虚拟MHC力学模型从ADAMS导出到MATLAB环境，输入和输出变量首先在ADAMS模型中定义。输入信号是控制小车运动的力量。同时，输出信号分别是小车位置的测量参数和负载的摆动角度。随后，这个模型被导出到MATLAB / Simulink。图9显示了Adams和Matlab在协同仿真模型中的关系。
在MATLAB环境中，创建一个.m文件和一个adams_sys。adams_sys提供非线性MSC.ADAMS模型（即MHC机械系统），如图10所示.ADAMS模块是基于.m文件[17]中的信息创建的。这个adams_sys用于在MATLAB / Simulink中建立一个控制系统，其中输入信号是来自控制器的产生信号，输出信号分别是负载的台
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