Overhead cranes are widely used in industry for transportation of heavy loads and are
common industrial structures used in building construction, factories, and harbors,
traditionally operated by experienced crane operators. The underlyng system consists
of three main components: trolley, bridge, and gantry. Basically, the system is a
trolley with pendulum. In normal operation, the natural sway of crane payloads is
detrimental to the safe and efficient action. Other external disturbances parameters,
wind for example, also affect the controller performance. Basically, a crane system is an
underactuated system. This makes the design of its controllers complicated. Usually,
this is done via the crane acceleration required for motion. The most important issues
in crane motion are high positioning accuracy, short transportation time, small sway
angle, and high safety.
The main goal of this thesis is to achieve a robust controller design procedure, based on
H∞ control theory, for a nonlinear model of a 3-D gantry crane system. The approach
shall be compared with classic controllers in terms of attenuating the perturbation on
the payload transportation. The model describes the position of the load, as well as the
time derivatives of the position. In vew of this, flatness-based feedforward control has
to be devised, accompanied by the design of an optimal linear and nonlinear feedback
controller. The nomnal states can be used as optimization parameters and restrictions
on stability, overshoot, position regulation, and oscillation angle, being independent of
the load mass and depending on the rope length.
The procedure is as follows. First, a dynamic nonlinear model of the system is obtained
using the Lagrange equations of motion which describe the simultaneous travelling,
crossing, lifting motions and the resultant load swing of the crane. Then, the system
is exactly linearised by a dynamic extension. Next the closed-loop system, based on
the linear quadratic regulator scheme, is probed and compared with the H∞ robust
control system for compensating modeling errors and/or internal and external perturbation.
Finally, simulation results are presented showing the efficiency of the proposed
controller design scheme. Results are provided to illustrate the improved performance
of the nonlinear controllers over classic pole placement and linear quadratic regulator
approaches, testing its fast input tracking capability, precise payload positioning and
minimal sway motion. / Kräne werden in der Industrie für den Transport schwerer Lasten eingesetzt. Man
findet sie im Hochbau, Fabriken und Häfen. Traditionell werden sie von erfahrenen
Kranführer betrieben. Das der Arbeit zugrunde liegende Kransystem besteht aus drei
Hauptkomponenten: Transporteinheit, Brücke und Gerüst. Im Regelbetrieb ist das
Schwingen von Krannutzlasten einer sicheren und effizienten Nutzung abträglich. Auch
andere externe Störparameter wie beispielsweise der Wind haben einen Einfluss auf die
Kontrollierbarkeit eines Krans. Grundsätzlich ist ein Kransystem ein unteraktuiertes
System. Deshalb verkompliziert sich im Allgemeinen der Entwurf einer Regelung, meist
auf Basis der Kranbeschleunigung. Regelziele bei der Kranbewegung sind u.a. eine hohe
Positioniergenauigkeit, kurze Transportzeit, kleine Pendelwinkel und hohe Sicherheit.
Das Hauptziel dieser Diplomarbeit ist der Entwurf einer robusten Reglung, gründend
auf der H∞-Regelungsttheorie, für ein nichtlineares Modell eines 3-D-Portalkran-
Systems. Das Verfahren soll mit dem klassischen Controllerdesign verglichen und
resultierende Regelungsprobleme infolge von Störungen im Nutzlasttransport untersucht
werden. Das Modell beschreibt die Position der Last sowie deren zeitliche
Ableitungen. Davon kann das Problem für den Entwurf einer flachheitsbasierten Vorsteuerung
abgeleitet werden, die dann mit einer optimalen, linearen bzw. nichtlinearen
Regelung verbunden wird. Die nominalen Zustände können als Optimierungsparameter
und Beschränkungen für die Stabilität, Überschwingen, Positionsregelung
und Schwingungswinkel verwendet werden, unabhängig von der Lastmaße und in Abhängigkeit
von der Seillänge.
Dabei wird wie folgt vorgegangen: Zunächst wird ein nichtlineares Systemmodell mit
Hilfe der Lagrange-Gleichungen erstellt. Dann wird das System mit Hilfe einer dynamischen
Erweiterung exakt linearisiert. Als nächstes wird der geschlossene Regelkreis
auf Basis der linear-quadratischen Regelung untersucht und mit einer robusten H∞
Regelung zur Kompensation von Modellierungsfehlern oder systeminterner und -externe
Störung verglichen. Schließlich werden Simulationsergebnisse vorgestellt, welche die
Wirksamkeit des Entwurfes belegen. Ein Ergebnis st dabei die verbesserte Leistung
des nichtlinearen Reglers gegenüber dem klassischen Regler. Dies wird anhand einer
Fähigkeit zu Verfolgung einesr schnellen Bahn, der Präzision der Positionierung und
der minimalen Einflussbewegung der Nutzlast dargestellt. / Tesis
| Identifer | oai:union.ndltd.org:PUCP/oai:tesis.pucp.edu.pe:123456789/6411 |
| Date | 19 November 2015 |
| Creators | Zárate Moya, José Luis |
| Contributors | Reger, Johann, Elías Giordano, Dante Ángel |
| Publisher | Pontificia Universidad Católica del Perú |
| Source Sets | Pontificia Universidad Católica del Perú |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | Pontificia Universidad Católica del Perú, Repositorio de Tesis - PUCP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/pe/ |
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