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建模和模拟港口门座式起重机的操作
摘要：随着越来越多的对节能的关注、减少港口消费实现绿色港口的概念,致力于在港口机械节能技术专家学者的数量正在增加。一般来说,由于繁忙的港口业务,港口机械不能脱离操作线单独进行研究。此外,真正的港口机械的使用将提高研究的成本。因此,有必要寻找一种低成本、高精度的研究平台。在本文中,我们通过仿真软件建立了基于真正的门式起重机的力学模型、运动模型和控制模型。我们这三个模型集成到整个仿真平台,提供一个节能的研究基地，同时通过模拟港口起重机的起重和俯仰式操作和分析能力变化和能源消费的提升和变幅过程。仿真结果表明,该仿真平台可以完全满足要求,门式起重机节能研究。
关键词：港口门座式起重机、仿真平台,节能。
介绍：节能已经成为工程机械的发展趋势,能源消费和回收成为一个重要的方面的设计和操作新的构建机械。另外机械投入使用将需要额外的节能系统,以避免由于机械替代不必要的支出。随着经济全球化的发展,港口行业发展迅速。专家和学者专注于研究港口机械的节能的方面,这是工程机械的一个重要组成部分。在散货港口的吞吐量占总数的一半以上港口货物,门户起重机扮演着至关重要的角色。典型的港口起重机将处理负荷沉重的体重和身高,起重、铺设和变幅经常在操作过程中。因此大量的能量可以货物下降过程中产生。一般来说,消耗的能量动态制动(Liu et al., 2008),导致能耗高、效率低。显著的减少能源浪费,实现合理利用资源,如果我们能将大型门式起重机操作过程中产生的势能成为电能,可以用散货港口(Li et al., 2010; Liu and Gong, 2010)。
然而,由于繁忙的操作,是不可能为门式起重机节能技术研究的目的而把门式起重机从操作线分离。更重要的是,使用一个真正的龙门起重机的研究成本是非常昂贵的。因此,有必要找到一种低成本、高精度的方法。最近越来越多的仿真技术已经用于港口研究。例如Kim et al. (2013)使用模拟方法来研究Koborinai港口海啸的影响。使用仿真平台还可以提供一个关于上述问题十分好的解决方案。建立一个精确的仿真研究平台可以大大降低成本的节能研究门式起重机。
目前,节能研究主要集中在集装箱港口,多数集中在唯一的一个方面电气或机械节能。一些专家只考虑电气节能方法。例如Chang et al. (2010), Iannuzzi, Piegari和Tricoli, (2009)提出了一种基于能量回收节能方法通过安全系统。Beldiajev, Lehtla,和 Molder (2010), Liu et al.(2008)提出的通过频率来实现节能控制。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 et al. (2013) 和 Ahrens, Kucera, and Larsonneur (1996)提出的通过使用飞轮恢复和释放的操作起重机达到节能的目的。因此,当前模拟端口机器主要是在港口机械的一部分,电气或机械。这两个平台的结合是十分罕见的。Kinght et al.(2012)SimPower系统使用建立龙门起重机的电气仿真平台。电压、电流和其他的各个部分的变化工作过程可以通过仿真平台提供了依据门式起重机的节能技术研究。Cao et al. (2010)建立了一个是非奇异终端滑动控制器仿真模型模式来研究起重机电机速度控制方法。Tandel, Patel, 和 Motiyani (2009)建立了起重机DC-driven仿真模型验证提出起重机电机驱动的新方法的可行性。Wang et al. (2011)使用Soildworks建立基于40 t重量和33米高度门式起重机的机械结构模型,这是使用铰链点在变幅过程研究应力变化。Yang, Zhang,和Yu (2010) 通过虚拟现实建立了一个三维的模型来模拟港口机械技术,但这种仿真主要用于教学任务,而不是为机械节能。
上述港口机械模拟研究只专注于电气或机械部件,或整体模拟港口机械的方法不可能轻易地使用在能源效率的研究。因此,结合门式起重机的特点和节能的观点作为研究重点,本文通过Matlab，simMechanics和Matlab / simPower建立了机械模块、电子模块和驱动模块。另外本文的三个模块作为整个门式起重机仿真平台实现门式起重机电气仿真和机械模拟的结合, 为门式起重机节能研究提供了坚实的基础。为了验证模型的可靠性,我们模拟在不同负载下的机制的力量可再生能源和俯仰式的工作情况。实验结果表明所构造的门式起重机仿真平台可以快速并且准确地模拟操作条件,为门式起重机的节能研究提供了良好的实验基础。
港口门式起重机的仿真模型
建立仿真平台,首先,分析了门式起重机的机械结构和使用Matlab 仿真软件建立基于门式起重机机械模块机制的设计原则。对比实际的运动的机制,本文设计了一种阻尼运动模块根据阻尼运动的原则。第二,本论文建立了根据动力学方程各种机制的动态模型,建立了控制模块基于此数学模型,在Matlab / Simulink仿真。本论文还分析了根据电气的相关工程知识在Matlab / Simulink建立相关的电机模型中每个机制和驱动方式。最后,三个模块被合并成一个完整的仿真平台,如图2 - 1所示。根据图2 - 1,门式的仿真平台通过使用Matlab /起重机节能研究是建立模型如图2 - 2所示。
第1部分是力学模型；第2部分是汽车模型；第3部分是转矩和速度控制模块，为平台提供控制信号；第4部分负载,这模块变量的输入控制来模拟不同的系统附载；第5部分是屏幕显示不同载荷下的最佳变幅时间。
图2-1 仿真平台设计图
图2-2仿真平台整体图
港口门座式起重机机械仿真模型
如图2 - 3所示,门式起重机包含三个部分,即起重机构、变幅机构和回转机构。在这篇文章中,只有变幅机构为了简化模型。建立变幅机构模型的过程中, 首先根据运动特点构建结合臂,然后拉杆模块是基于平衡的原则建立。最后,一个建立了基于齿条与齿轮机制特征传导机制的模块。
图2-3门式起重机结构图
门座起重机由simMechanics的力学模型在matlab / Simulink仿真如图2- 4所示。第1部分是机械环境设置模块。这模块是必要的,建立力学模型和它主要用于设置算法,误差,重力,步长,和其他参数的模拟。第2部分是机架固定模块。这个模块被用作定点的力学模型,这是绝对的起源坐标系统,因为通常一个完整的机械模块至少有一个基本模块。第3部分是旋转模块与阻尼因素。这个模块是作为刚性不同的铰链之间的联系。进行仿真更加真实,阻尼因素占了。第4部分是臂杆模块。这个模块是用于创建刚体,如装备,船头,杆,重量等。,这是力学模型的基础。第5部分是传感器模块的前部分,这是用于检测和观察整个机械运动。第6部分是机架驱动模块。此模块提供动力变幅机构。
图2-4 门座起重机的机械模型
在Matlab / Simulink,联合没有任何理想的模块变幅机构的电阻的状态周期性振动。阻尼运动sub-module是需要的每一个联结或联合符合实际情况,这是与阻尼运动。图2 - 5显示了一个平衡模块确定弹性K和阻尼系数d确定通过计算和测试,最好的弹性和阻尼系数是和。
驱动模型是整个机制的关键。起重机的驱动通常是一种由小齿轮驱动的齿条传动臂架。齿条的直线移动当小齿轮旋转。其结构如图2 - 6。因此,本文定义了一个2自由度关节实现变速器从平移到滚动。
建立上述模型后,本文完成了仿真正在工作的门座起重机。图2 – 7为门座起重机的可视化图。在图2 – 7中的具体物体模型在图2 - 4的臂杆模块基础上建立的。我们可以观察到门座起重机的操作和模拟的可视化图。建立上述模型后,本文完成了施工中门座起重机的仿真。
图2-5 平衡模型
图2-6驱动模块设置步骤
图2-7门座起重机可视化结构图
港口门座式起重机的动力仿真模块
在本节中,在Matlab / Simulink根据电动机的基本原则建立电机模型。门座起重机供电系统,通常有大容量的交流电动机,由于电动机的突然起动导致电网电压降落过大,会影响其他电气设备的正常操作。因此,电压降低启动模式通常被用于电动机减少起动电流。本文还利用此模式建立的动力仿真模型。
传统降压起动方法包括星-三角启动和自耦变压器启动等。许多软启动控制器基于晶闸管交流电压的原则制造出来,本文使用这种软启动控制器来控制电机启动。软启动控制器可以通过电压限制起动电流，通常显示一个高起动转矩电动机和监管机构。在刚起动的后期,软启动控制器将会切断接触器和电机连接，把电机直接连接到三相电源完成启动过程。电气原理图所示如图2 - 8所示。软启动器电路由一个三相晶闸管电压调整器电路及软启动控制器(积分器)、触发器等。晶闸管控制角从大到小改变,电动机的电压上升逐渐从小到大。
图2-8晶闸管软启动器的电气原理图
图2 - 6显示了整个电机仿真模型。整个电机模型是真实度十分高的，由第1部分电动机,第2部分触发器,第3部分可控硅控制器，第4部分输入变量,第5部分输出变量构成。根据建立的动力模型真实的情况。晶闸管控制器提供触发脉冲。晶闸管控制器是用于提供调整对电动机起动交流电压。
图2-9 门座起重机动力仿真模型
港口门座起重机控制仿真模型
控制模块是在分析龙门起重机的起重机构动态模型建立的基础。起重机制是作用提升货物一个重要机制。起重机构一般由驱动器,刹车,传播,提升设备,和其他组件。图2 - 10是在2.2节根据最优变幅时间控制仿真模块门座起重机的组成和解决方案。
上面建立的控制模块可以控制在3.1和3.2建立力学模型和运动模型，并为整个仿真奠定了基础。
仿真模型的验证
本文建立了机械模块、电机模块、和通过使用MATLAB / Simulink控制模块。这三个模块组合成一个完整的仿真平台。整个仿真平台的基础上成立40 t-30米门座起重机参数,如表3 - 1所示。
图2-10 控制仿真模型
表1仿真平台的关键参数
表1是40吨门座起重机在不同负载的10吨、20吨,30吨,40吨力量和高度之间的关系图。
从图3-1中明显看出力量是和负载的质量成正比，和高度的平方成比例关系,这是Pprop;m h。它可以看到从纵坐标力量在短时间内会增加,但随高度的增加逐渐平稳上升。图中直线和曲交点显示所需与不同的负载和不同的高度所需的功率。
如图3 - 2所示,运行状态下的最大值和最小俯仰式可观测到的模拟平台。在变幅过程中,可以观察到的运动路径传感器安装在前端上。图3 - 3显示了门座起重机前端在32吨负载下的运动路径。
图3-1 起重机的力矩变化图
图3-2 门座起重机的最大变幅范围哈最小变幅范围
图3-3 门座起重机幅度的周期变化图
我们从图3 - 3中可以看到门式起重机的变幅曲线,变幅过程的仿真并不是一个严格的线性运动,但似乎略有变动的曲线运动,波动lt; 0.2米,振幅的变化过程驱动匹配在现实的门座起重机工作状况。这一发现证实仿真平台设计真的可以恢复在现实生活中起重机的变幅机构运动。
总之,我们使用Matlab建立门式起重机仿真平台,模拟变幅机构迅速和准确在龙门起重机操作的工作和能源再生。它可能是一个良好的基础门座起重机的可再生能源的研究。
结论
本文研究了建立门式起重机模拟模型,建立了一个仿真平台的方法Matlab / simMechanics和Matlab / simPower相结合机械模块、电子模块和驱动模块。该方法实现了集成的机械和门式起重机电气模拟。第二部分描述了建立模型的过程细节。为了验证模型的可靠性,在第三部分中,我们模拟了的可再生能源和俯仰式的工作在不同负载下的机制。仿真结果显示龙门起重机仿真平台是现实的。仿真的平台可以快速、准确地提供实验数据,并且可以为研究提供良好的实验基础门式起重机节能模拟。
致谢
本研究得到了科学和技术的支持上海市委员会项目(No.13510501800),上海市教育委员会项目(No.14 ZZ140)。
参考文献
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 crane lifter system. Proceedings of the 2nd In
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