Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τη μελέτη και τον έλεγχο ενός συστήματος γερανού με προηγμένες τεχνικές. Το σύστημα αποτελείται από έναν κινούμενο φορέα στον οποίο είναι συνδεδεμένο ένα εκκρεμές φορτίο με μεταβαλλόμενο μήκος. Σκοπός είναι η μεταφορά του φορτίου σε μια διαφορετική θέση και ύψος σε ελάχιστο χρόνο με μηδενική υπολειπόμενη ταλάντωση. Αρχικά παρουσιάζεται ο έλεγχος του συστήματος με τη μέθοδο ανατροφοδότησης κατάστασης. Στη συνέχεια αναλύεται η βασική θεωρία του input shaper και προτείνεται μια προσαρμοστική τεχνική για την εφαρμογή του σε σύστημα με μεταβαλλόμενο μήκος σχοινιού. Έπειτα, η τεχνική αυτή βελτιώνεται συνδυάζοντάς την με τον έλεγχο ανατροφοδότησης κατάστασης και τέλος εφαρμόζεται ένας μη γραμμικός ελεγκτής για το πλήρες μη γραμμικό σύστημα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται με εκτενείς προσομοιώσεις καθώς και με εργαστηριακές μετρήσεις σε κατάλληλη πειραματική διάταξη. / This diploma thesis includes the analysis and control of a crane system using advanced control techniques. The system consists of a carrier mass connected with a playload with a hoisting mechanism. The aim of this work is to transport the payload to a different position and a different level within minimum time period while simutaneously minimizing the residual vibration. At first, a state feedback control is presented. Furthermore, the input shaping technique is analyzed and an adaptive version of the input shaper is proposed including hoisting cases. Moreover, this technique is significally improved when combined with a state feedback control law and finally a nonlinear controller is proposed for the total nonlinear system. The above techniques are justified with both simulation and experimental results from a suitable experimental setup.

Projektbeschreibung: Ziel der Forschungsarbeiten ist ein neues Forschungsfeld zur Anwendung von Holz und Holzwerkstoffen im Kranbau zu eröffnen und zu gestalten. Damit sollen die wissenschaftlichen Grundlagen gelegt werden, um Krananlagen und deren Komponenten in Holzbauweise technisch sinnvoll und sicher zu gestalten sowie Krane wirtschaftlich, ökologisch und technisch vorteilhaft im Vergleich zu aktuell bestehenden Bauweisen auszuführen. Das Projekt wird als Machbarkeitsstudie durchgeführt. Die wissenschaftliche und technische Bedeutung des Vorhabens ist durch die Eröffnung eines neuen Forschungsfeldes mit stark technischem, praxisorientiertem Fokus gekennzeichnet. Es resultieren dadurch vielfältige sowohl grundlegende als auch anwendungsbezogene Fragestellung die einer wissenschaftlichen Klärung bedürfen. Krane sind Hightech Anlagen und Schnittstelle vieler technischer Wirkungsketten. Einzelne, konkurrenzfähige Anwendungsfälle mit Pilotstatus haben Strahlkraft innerhalb der Branche und darüber hinaus. In Summe müssen aktuell marktfähige, technische Lösungen und Holzbauweisen entwickelt werden, die bisher nicht existieren. Für den Kranbau und seine Marktakteure bietet sich die Möglichkeit Krane aus natürlichen, ökologischen Faserverbunden einzusetzen und sich damit als innovative, zukunftsorientierte Schlüsselbranche zu präsentieren. Projektergebnisse: Es wurde eine Recherche zu normbasierten Kranarten und möglichen Ausführungen durchgeführt. Bei der Suche nach aktuellen Umsetzungen von Kranen jeglicher Art unter Einbindung von Holzwerkstoffen wurde die Ausführung der Kranbahn sowie einer Kranbrücke aus Vollholzwerkstoff aufgedeckt. Die Kranbrücke wurde aufgrund unzureichender Informationen aus Veröffentlichungen intensiver anhand der Informationen und Abbildungen untersucht, sowie ein bestehendes Gebrauchsmuster analysiert. In der Schnittstellenanalyse wurden relevante Normen für spezifische Anwendungsfälle zusammengetragen. Aus den Ergebnissen der Grundlagen und Recherche wurden die notwendigen Nachweise sowohl aus dem Kran- wie auch aus dem Holzbau verglichen und zusammengeführt. So ergeben sich die notwendige Auslegung auf Lebensdauer, sowie die Auslegung für einfache und dauerhafte Beanspruchungen unter der Belastungsart der Biegung. Für die Kranarten wurden Bewertungskriterien und eine Bewertungsmatrix erstellt, mit deren Ergebnis das Substitutionspotential der Kranarten ermittelt werden konnte. Das höchste Substitutionspotential wiesen Brücken- und Portalkrane auf, sodass mit diesen detailliertere Berechnungen und Auslegungen durchgeführt wurden. Durch das Aufstellen von Aspektverhältnissen (Höhe-Breitenverhältnis bei gleicher Spannweite und Durchbiegung) konnten sowohl der notwendige Bauraum, wie auch das Gewicht der einzelnen Variationen theoretisch ermittelt und untereinander verglichen werden. Auf Grundlage der erarbeiteten Erkenntnisse wurde ein Pflichtenheft erarbeitet. Auf dessen Basis wurde eine vorteilhafte Bauweise auf der Grundlage eines Kastenprofils erarbeitet. Dieses vereint den Leichtbau bei geringer Durchbiegung. Der monetäre Vergleich zeigt, dass Holz- und Metallbauweise etwa auf dem gleichen Niveau liegen. Eine Ausführung von Kranen in Holzbauweise wäre somit aus Sicht der Belastung des Gewichtes und aus finanziellen Aspekten vielversprechend.:Projektdaten/ Projekt data Projektbeschreibung Projektergebnisse Project objective Project results Inhaltsverzeichnis 1 Kurzbericht 1.1 Aufgabenstellung 1.2 Planung und Ablauf des Vorhabens 1.3 Resümee der wesentlichen Ergebnisse 1.3.1 Arbeitspakete und Meilensteine 1.3.2 Zusammenfassung 1.3.3 Ausblick 2 Ausführliche Darstellung der Ergebnisse 2.1 Erzielte Ergebnisse 2.1.1 Arbeitspaket 1: Grundlagen 2.1.2 Arbeitspaket 1.1: Recherche 2.1.2.1 Brückenkran 2.1.2.2 Portalkran 2.1.2.3 Kabelkrane 2.1.2.4 Drehkran 2.1.2.5 Fahrzeugkran 2.1.2.6 Stand der Technik 2.1.3 Abgrenzung zur aktuellen Lösung in Holzbauweise, kritische Würdigung 2.1.4 Arbeitspaket 1.2: Schnittstellenanalyse 2.1.5 Arbeitspaket 1.3: Bewertungskriterien 2.1.6 Arbeitspaket 1.4: Konstruktive Analyse 2.1.7 Arbeitspaket 1.5: Substitutionspotentialanalyse 2.1.8 Arbeitspaket 1.6: Wesentliche Offene Fragen für das Forschungsfeld (Auswahl) 2.1.9 Meilenstein I: Pflichtenheft 2.1.10 Arbeitspaket 2: Synthese 2.1.11 Arbeitspaket 2.1: Berechnung 2.1.11.1 Normkonformität 2.1.11.2 CE-Konformität 2.1.11.3 Evaluation einer holzspezifischen Leichtbauausführung 2.1.12 Arbeitspaket 2.2: Material 2.1.12.1 Materialkennwerte 2.1.12.2 Versagensmechanismen 2.1.13 Arbeitspaket 2.3: Target Costing (Variantenvergleich) 2.1.13.1 Konstruktionsvarianten 2.1.13.2 Untersuchung vorteilhafter Profilbauweisen 2.1.14 Baukastensystem 2.1.15 Projektergebnisse bezogen auf die Kernfragen der Machbarkeitsstudie 2.1.16 Frage 1: Wie ist Holz grundsätzlich technisch und wirtschaftlich vorteilhaft im Kranbau einsetzbar? 2.1.17 Frage 2: Welche Kranarten sind prinzipiell realisierbar? 2.1.18 Frage 3: Welche konkreten Schritte sind für die Umsetzung der Holzbauweisen nötig? 2.2 Erfindungen/Schutzrechtsanmeldungen 2.3 Wirtschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende 2.4 Wissenschaftliche und/oder technische Erfolgsaussichten nach Projektende 2.5 Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit 3 Erkenntnisse von Dritten 4 Veröffentlichungen 5 Quellen / Project objective: The aim of the research work is to open up and design a new research field for the use of wood and wood-based materials in crane construction. This is intended to lay the scientific foundations for designing crane systems and their components in timber construction in a technically sensible and safe manner, for making cranes economical, ecological and technically advantageous in comparison to current construction methods. The project is carried out as a feasibility study. The scientific and technical importance of the project is characterized by the opening of a new research field with a strong technical, practice oriented focus. This results in a variety of both fundamental and application related questions that require scientific clarification. Cranes are high-tech systems and interfaces to many technical functional chains. Individual, competitive use cases with pilot status have an impact within the industry and beyond. All in all, currently marketable, technical solutions and timber construction methods have to be developed which do not exist so far. Crane construction and its market players have the opportunity to use cranes made from natural, ecological fiber composites and thus present themselves as an innovative, future-oriented key industry. Project results: Research was carried out on standard based crane types and possible designs. In search for current implementations of cranes of all kinds using wood materials, the design of the crane runway and a crane bridge made of solid wood material was discovered. Because of insufficient information from publications, the crane bridge was examined more intensively using the information and illustrations and an existing utility model was analyzed. Relevant standards for specific applications were compiled in the interface analysis. From the results of the fundamentals and research, the necessary proofs from both the crane and the wood construction were compared and brought together. This results in the necessary design for service life, as well as the design for simple and permanent stresses under the type of stress caused by bending. Evaluation criteria and an evaluation matrix were created for the crane types, with the result of which the substitution potential of the crane types could be determined. Bridge and gantry cranes had the highest substitution potential, so more intensive calculations and designs were carried out with them. By setting up aspect ratios (height-width ratio with the same span and deflection), both the necessary installation space and the weight of the individual variations could be determined theoretically and compared with each other. On the basis of the knowledge gained, a specification was drawn up. According to this, an advantageous construction based on a box profile was developed. This combines lightweight construction with low deflection. A monetary comparison shows that the bridge made of wood-based materials is roughly on the same level as the steel bridge. A design of cranes in timber construction would therefore be promising from the point of view of the weight load and from financial aspects.:Projektdaten/ Projekt data Projektbeschreibung Projektergebnisse Project objective Project results Inhaltsverzeichnis 1 Kurzbericht 1.1 Aufgabenstellung 1.2 Planung und Ablauf des Vorhabens 1.3 Resümee der wesentlichen Ergebnisse 1.3.1 Arbeitspakete und Meilensteine 1.3.2 Zusammenfassung 1.3.3 Ausblick 2 Ausführliche Darstellung der Ergebnisse 2.1 Erzielte Ergebnisse 2.1.1 Arbeitspaket 1: Grundlagen 2.1.2 Arbeitspaket 1.1: Recherche 2.1.2.1 Brückenkran 2.1.2.2 Portalkran 2.1.2.3 Kabelkrane 2.1.2.4 Drehkran 2.1.2.5 Fahrzeugkran 2.1.2.6 Stand der Technik 2.1.3 Abgrenzung zur aktuellen Lösung in Holzbauweise, kritische Würdigung 2.1.4 Arbeitspaket 1.2: Schnittstellenanalyse 2.1.5 Arbeitspaket 1.3: Bewertungskriterien 2.1.6 Arbeitspaket 1.4: Konstruktive Analyse 2.1.7 Arbeitspaket 1.5: Substitutionspotentialanalyse 2.1.8 Arbeitspaket 1.6: Wesentliche Offene Fragen für das Forschungsfeld (Auswahl) 2.1.9 Meilenstein I: Pflichtenheft 2.1.10 Arbeitspaket 2: Synthese 2.1.11 Arbeitspaket 2.1: Berechnung 2.1.11.1 Normkonformität 2.1.11.2 CE-Konformität 2.1.11.3 Evaluation einer holzspezifischen Leichtbauausführung 2.1.12 Arbeitspaket 2.2: Material 2.1.12.1 Materialkennwerte 2.1.12.2 Versagensmechanismen 2.1.13 Arbeitspaket 2.3: Target Costing (Variantenvergleich) 2.1.13.1 Konstruktionsvarianten 2.1.13.2 Untersuchung vorteilhafter Profilbauweisen 2.1.14 Baukastensystem 2.1.15 Projektergebnisse bezogen auf die Kernfragen der Machbarkeitsstudie 2.1.16 Frage 1: Wie ist Holz grundsätzlich technisch und wirtschaftlich vorteilhaft im Kranbau einsetzbar? 2.1.17 Frage 2: Welche Kranarten sind prinzipiell realisierbar? 2.1.18 Frage 3: Welche konkreten Schritte sind für die Umsetzung der Holzbauweisen nötig? 2.2 Erfindungen/Schutzrechtsanmeldungen 2.3 Wirtschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende 2.4 Wissenschaftliche und/oder technische Erfolgsaussichten nach Projektende 2.5 Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit 3 Erkenntnisse von Dritten 4 Veröffentlichungen 5 Quellen