دانشگاه شیراز
دانشکده آموزشهای الکترونیکی
پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی ابزار دقیق و اتوماسیون در صنایع نفت
کنترل غیرخطی بهینه جرثقیلهای حامل کانتینر با بهره گرفتن از معادلات ریکاتی وابسته به حالت(SDRE) در حضور اغتشاش باد
استاد راهنما:
پروفسور حمید خالوزاده
تابستان 1392
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چکیده
کنترل غیرخطی بهینه جرثقیلهای حامل کانتینر با بهره گرفتن از معادلات ریکاتی وابسته به حالت (SDRE) در حضور اغتشاش باد
هدف اصلی از انجام این پروژه، طراحی یک کنترلکننده غیرخطی بهینه به منظور کاهش و تضعیف اثر اغتشاش باد بر تاب خوردن جرثقیلهای حامل کانتینر است. اغلب کنترلکنندهها برای این دسته از سیستمها طوری طراحی شده که بار را با بیشترین سرعت وکم ترین تاب خوردن از مبدا به مقصد انتقال دهد، به گونه ای که هنگام رسیدن کانتینر به مقصد، تاب خوردن به صورت کامل از بین رفته باشد. در تحقیق حاضر، کنترل کننده را با ایجاد درجات آزادی اضافی به سیستم مکانیکی، جدا از ارابه طراحی کرده، و با اعمال این روش کنترل کننده در حمل بار تداخلی ایجاد ننموده، در نتیجه سرعت حمل و نقل افزایش مییابد. به منظور حفظ ماهیت غیرخطی سیستم، از کنترلکننده بهینه غیرخطی استفاده شد که این عملگر توسعهیافته کنترلکننده های بهینه خطی میباشند، به گونه ای که در این عملگر معادلات ریکاتی، وابسته به حالت است. در تحقیق حاضر با در نظر گرفتن اغتشاش باد، معادلات جدید اثبات گردید، پس از استفاده از این معادلات، مشاهده شد که حذف حرکت تاب خوردن جرثقیل، با شتاب حرکتی قابل قبول ارابه امکان پذیر است.
کلید واژه: جرثقیل حامل کانتینر، کنترل غیرخطی، کنترل بهینه، مدل سازی، اغتشاش باد
فهرست مطالب
عنوان | صفحه |
1-2- ضرورت طراحی کنترلکننده 3
2- فصل دوم: مدلسازی و شبیهسازی جرثقیلهای حامل کانتینر در حضور اغتشاش باد. 11
2-2- مدلسازی سیستمهای مکانیکی 11
2-3- مدلسازی جرثقیلهای حامل کانتینر 13
2-5- شبیهسازی جرثقیل حامل کانتینر در حضور اغتشاش باد 21
3- فصل سوم: کاهش و تضعیف اثر اغتشاش توسط کنترلکننده SDRE.. 26
3-3- تنظیمکننده های بهینه غیرخطی 32
3-4- روشهای حل معادله ریکاتی وابسته به حالت (SDRE) 38
3-5- کنترل کننده و رویتگر SDRE 40
3-6- طراحی کنترل کننده در صورت عدم فراهم شدن شرایط لازم برای کنترل 46
3-6-2- وجود عوامل تاثیر گذاری که به حالات سیستم وابسته نیستند 47
3-6-3- وجود عامل وابسته به حالتی که شرط دوم را نقض می کند 49
3-6-4- متغیرهای حالت ناپایدار و کنترلناپذیر و در عین حال کراندار 50
4- فصل چهارم: کنترل تاب خوردن جرثقیل حامل کانتینر در حضور اغتشاش باد. 57
4-2- خطیکردن مدل و طراحی کنترلکننده خطی برای جرثقیل حامل کانتینر 57
4-3- طراحی کنترلکننده SDRE برای جرثقیل حامل کانتینر 59
5- فصل پنجم: نتایج و پیشنهادات.. 70
صفحه چکیده به زبان انگلیسی: 77
فهرست شکلها
عنوان | صفحه |
شکل 1‑1: جرثقیل حامل کانتینر. 3
شکل1‑2-طرح پیشنهادی در [5] برای کنترل حرکات پیچشی توسط دو واگن.. 6
شکل1‑3-مدل پیشنهادی کنترل تاب خوردن در[8]. 7
شکل 1‑4- مدل ارائه شده صفحه لغزنده در[14]. 9
شکل2‑1-مدل جرثقیل حامل کانتینر [14]. 13
شکل2‑2: پاسخ سیستم حلقه بازجرثقیل باشتاب ارابهای صفر و بادپایه برابر (m/s)5/0. 23
شکل2‑3: پاسخ سیستم حلقه بازجرثقیل باشتاب ارابهای صفر و بادپایه برابر (m/s)5/0-. 23
شکل2‑4: پاسخ سیستم حلقه بازجرثقیل باشتاب ارابهای(m/s2)5 درثانیه اول و بادپایه (m/s)5/0 24
شکل2‑5:پاسخ سیستم حلقه بازجرثقیل باشتاب ارابهای(m/s2)2درثانیه اول وبادپایه (m/s)5/0-. 24
شکل3‑1: پاسخ سیستم بدون ورودی کنترلی در حضور اغتشاش… 44
شکل 3‑2: پاسخ سیستم و ورودی کنترلی پس از تکرار اول الگوریتم.. 44
شکل 3‑3: پاسخ سیستم و ورودی کنترلی پس از تکرار سوم الگوریتم.. 45
شکل4‑1: مقایسه پاسخ جرثقیل و ورودی کنترلی، با ارابه بدون شتاب در اغتشاش زون 1. 63
شکل 4‑2: مقایسه پاسخ جرثقیل و ورودی کنترلی، با ارابه شتابدار در اغتشاش زون 1. 63
شکل 4‑3: مقایسه پاسخ جرثقیل و ورودی کنترلی، با ارابه بدون شتاب در اغتشاش زون2. 64
شکل 4‑4: مقایسه پاسخ جرثقیل و ورودی کنترلی، با ارابه شتابدار در اغتشاش زون2. 64
شکل 4‑5: مقایسه پاسخ جرثقیل و ورودی کنترلی، با ارابه بدون شتاب در اغتشاش زون3. 65
شکل 4‑6: مقایسه پاسخ جرثقیل و ورودی کنترلی، با ارابه شتابدار در اغتشاش زون 3. 65
شکل4‑7: مقایسه پاسخ جرثقیل و ورودی کنترلی، با ارابه بدون شتاب در اغتشاش زون4. 66
شکل 4‑8: مقایسه پاسخ جرثقیل و ورودی کنترلی، با ارابه شتابدار در اغتشاش زون 4. 66
شکل 4‑9: مقایسه پاسخ جرثقیل و ورودی کنترلی، با ارابه بدون شتاب در اغتشاش زون5. 67
شکل 4‑10: مقایسه پاسخ جرثقیل و ورودی کنترلی، با ارابه شتابدار در اغتشاش زون 5. 67
1- فصل اول: مقدمه
1-1- پیشگفتار
از ابتدای خلقت انسان تا کنون حمل بار یکی از بزرگترین چالشهای است که بشر با آن مواجه بوده، و به گواه باستانشناسان همواره در تکاپو بوده تا رهیافتی سادهتر و دقیقتر برای آن داشته باشد. یکی از اولین و مهمترین این روشها، اختراع چرخ بوده که با گذر تاریخ این وسیله پیشرفتهای بسیاری داشته به گونه ای که در دنیای مدرن امروزی میتوان مدعی بود که حمل هر نوع باری با دقت بسیار بالا امکان پذیر است.
پس از کشف ماشین بخار و بهره گیری از آن در کشتیها که قدمت آن به بیش از سیصد سال میرسد، بیش از پیش حملونقل دریایی یکی از مطمئنترین و ارزانترین روشها برای حمل بار بوده و امروزه نیز با وجود پیشرفت فراوان در سایر روشهای حملونقل، هنوز هم راه دریایی یکی از بهترین روشها محسوب می شود؛ به گونه ای که دسترسی به آبهای آزاد و امکان تجارت دریایی یکی از موارد استراتژیک برای دولتها بهشمار میآید.
امروزه به منظور حمل بارهای خطرآفرین، پرحجم و سنگین در کارخانهها، بندرها، تاسیسات هستهای و سازههای مرتفع از جرثقیل استفاده می کنند.
جرثقیلها را بر اساس ساختاری به دو نوع چرخشی[1] و ستوندار[2] تقسیم بندی می کنند. جرثقیلهای حامل کانتینر از نوع جرثقیلهای ستوندار میباشد. دو نوع جرثقیل حامل کانتینر وجود دارند. این دو عبارتند از: جرثقیل سوار بر ریل مجاور بندر[3] و جرثقیل لاستیک پلاستیکی ستون دار[4].
جرثقیلهای ستوندار دارای یک ارابه[5] میباشند که به صورت افقی حرکت می کند. بار توسط یک کابل به ارابه وصل میگردد. طول این کابل به هنگام فرایند بالاکشیدن بار[6] تغییر می کند. اغلب این دسته از جرثقیلها را به صورت یک پاندول ساده[7] مدل می کنند. این جرثقیلها انواع مختلفی دارند که جرثقیلهای حامل کانتینر یکی از آنها میباشد. این جرثقیلها در حمل کانتینر از کشتی به اسکله و بالعکس مورد استفاده قرار میگیرد. (شکل 1‑1) نمونه ای از این نوع جرثقیلها را نشان میدهد. در این کار به کنترل و مدلسازی این دسته از جرثقیلهای ستوندار میپردازیم.
از اقسام دیگر جرثقیلهای ستوندار، جرثقیلهای ستوندار محلکار[8] و جرثقیلهای ستوندار سوار بر ریل[9]، که به ترتیب در حمل اجناس کوچک در کارخانهها و اجناس سنگین در کارخانهای اتومبیلسازی، کاغذسازی و نورد فولاد استفاده میشوند، میباشند.
جرثقیلهای حامل کانتینر نوع اول، در این کار مدنظر ما خواهد بود. به طور معمول کنترل این دسته از جرثقیلها بر اساس سه عملکرد گذاشتن ارابه[10] (انتقال بار از کشتی به بندر و بالعکس)، بالاکشیدن بار و پایینآوردن آن؛ جداگانه مورد بررسی قرار میگیرند. ما در این کار، روی کنترل فرایند گذشتن ارابه تمرکز خواهیم کرد. این نوع از جرثقیلها تفاوت مهمی با سایر جرثقیلهای ستوندار دارند، که این تفاوت در داشتن چهار عدد طناب برای بالاکشیدن است؛ به طوریکه این چهار طناب به چهار گوشهی یک تختهی پخشکننده[11]، که بر روی کانتینر قرار گرفته است، وصل میشوند. به این تخته پخش کننده در جرثقیلهای حامل کانتینر، سکوی کانتینر[12] نیز میگویند. این تغییر ساختار، مدل و دینامیک این جرثقیلها را نسبت به سایر جرثقیلهای ستوندار متفاوت می کند. بنابراین دیگر نمیتوان مدل این جرثقیلها را به صورت یک پاندول ساده در نظر گرفت.
1-1- ضرورت طراحی کنترلکننده
در جهان مدرن امروزی همگان از اهمیت دستاوردهای اقتصادی افزایش سرعت حملونقل آگاه هستند. یکی از این رهیافتهای افزایش سرعت جا به جایی بار استفاده از کانتینرها به منظور حملونقل بار توسط کشتیها میباشد. از طرف دیگر، در حملونقل دریایی زمان بسیاری به هنگام تخلیه بار و با انتقال آن در کشتی به هدر میرود. این کار بسیار مهم توسط جرثقیلهای حامل کانتینر انجام می شود. بارهای کانتینری در هنگام جا به جایی تاب میخورند. این تابخوردنها ناشی از عنصر اینرسی[1]، که همان بار میباشد، است؛ همچنین این تاب خوردنها با عواملی چون افزایش سرعت و شتاب ارابهی این جرثقیلها و اغتشاشاتی مانند باد تشدید میشوند. تجاوز این تاب خوردنها از حد قابل مجازشان منجر به خطرات سهمگینی خواهد شد. علاوه بر این، در نقطه مقصد نیز باید این تاب خوردنها به صورت کامل حذف گردد. در نتیجه اغلب رانندگان ماهر جرثقیل با کم نمودن به موقع حرکت ارابه از بروز چنین حوادثی جلوگیری می کنند. ایرادی که در انجام به این رویه کاری وجود دارد در این است که ابتدا نیاز به استخدام یک راننده بسیار ماهر در این زمینه خواهیم داشت؛ که این به نوبهی خود هزینه خواهد داشت. دومین مطلب اینکه هر چقدر هم که این رانندگان ماهر باشند؛ باز هم خطر بروز حوادثی ناشی از بیدقتی یا مطلوب نبودن شرایط جسمانی و روانی راننده وجود خواهد داشت. در آخر رانندههای بسیار ماهر هم قادر به حمل بار با بیشترین سرعت ممکن و در عین حال کاهش تاب خوردنها به کمترین مقدار ممکن نیستند. در واقع انسان هیچگاه قادر به حرکت در بهینه ترین مسیر در چنین مسایلی نخواهد بود. بنابراین نیاز به طراحی یک کنترلکننده بهینه به منظور کاهش این تابخوردنها ضروری میباشد.
1-2- تاریخچه
در کارهایی که تا به حال دیده شده است، نیروی کنترلی را با نیروی تولیدکننده حرکت خطی ارابه معادل میگیرند. بنابراین کنترل کننده در حرکت ارابه و در نتیجه سرعت جا به جایی بار تاثیر منفی خواهد داشت. همچنین اکثر این کنترلکنندهها حلقه باز[2] بوده و در نتیجه در مقابل نامعینی و اغتشاش حساس میباشند. در بسیاری از موارد در آنها از شکلدهی ورودی[3] استفاده شده است که یک کنترلکننده حلقه باز میباشد. نکتهی آخر در طراحی چنین کنترلکننده هایی ضرورت انجام طراحی مسیر میباشد. در [1]، یک کنترلکننده نیروی فعال[4] را برای جرثقیلهای ستوندار طراحی کرده اند. این کنترل کننده دقیقاً روی نیروی حرکت دهنده ارابه پیاده شده است. با این حال، در [1] ادعا شده است که کنترل کننده در مقابل اغتشاشات عملکرد مقاومی[5] از خود نشان میدهد. در [2]، برای مدل خطی جرثقیلهای حامل کانتینر یک کنترلکننده بهینه خطی ساخته شده است. همچنین این کنترل کننده را عملاً با کمک حسگرهای[6] مناسب پیادهسازی نموده اند. برای تشخیص جا به جایی تخته پخشکننده از پردازش تصویر[7] با کمک دوربینی تعبیه شده در قسمت تحتانی ارابه و نشانگرهایی بالای تختهی پخشکننده استفاده شده است. برای تشخیص مکان و سرعت ارابه هم به ترتیب از کدکننده[8] و تولیدکننده تاکو[9] استفاده شده است. به طور طبیعی خطی بودن مدل و کنترلکننده بهینه خواص غیرخطی سیستم را حفظ نمی کند؛ همچنین در این کار، راه حلی برای جداکردن کنترل کننده از ارابه ارائه نشده است. در[3]، یک مدل غیرخطی را به کمک شبکه عصبی[10] کنترل بهینه نموده اند. در [4]، یک کنترلکننده غیرخطی بر مبنای خطیسازی پسخورد[11] برای جرثقیلهای حامل کانتینر طراحی شده است. به علاوه در این کار عمل بالاکشیدن نیز منظور شده است. یکی از مشکلات عمدهی استفاده از این مدلها، عدم توانایی آنها در بیان انحراف پیچشی[12] بار میباشد. این حرکات پیچشی بر اثر بار به مقدار کمی بهوجود میآیند. علاوه بر این، بنا به دلایلی چون عدم برابری طول جفت کابلهای چپ و راست، باد و عدم تعادل در بار موجود در کانتینر تشدید میشوند. بنابراین، علاوه بر کنترل تاب خوردنها باید این پیچشها را نیز کنترل نمود. در [5]، دو راه برای کنترل اینگونه از پیچشها پیشنهاد شده است:
- کنترل مستقل جفت طنابهای چپ و راست یا بالاکشیدن و پایینآوردن هر یک از آنها که اگر چه حرکت پیچشی را کنترل می کند، خود می تواند در تشدید تابخوردنها تاثیر منفی بگذارد.
- حرکت هر یک از دو جفت کابل، توسط دو واگن تعبیه شده در ارابه، در جهت مخالف یکدیگر روی محور x با نیرویی برابر و مخالف یکدیگر به طوریکه منجر به تولید یک گشتاور بشود. این گشتاور همان کنترلکننده حرکات پیچشی خواهد بود. نحوه پیادهسازی چنین کنترلکننده ای در شکل1‑2 آورده شده است.
به منظور رفع مشکل تاثیر کنترل کننده بر روی حرکت ارابه میتوان از عملکرد بالاکشیدن به عنوان کنترل کننده استفاده کرد [6]. بدین صورت که با تغییر طول طناب یک نیروی کجی[13] تولید می شود. به این ترتیب تاب خوردن را میتوان با آن نیروی کج کنترل نمود. مشکلات این کار در پیچیدگی و دشواری مدلسازی میباشد. علاوه بر این وظیفه تغییر طول کابل با رانندهی جرثقیل خواهد بود. بنابراین از زمان فرمان تغییر طول کابل توسط راننده تا شکل گیری این تغییر طول زمانی طول خواهد کشید. در نتیجه نیاز به طراحی کنترلکننده با پسخورد تاخیردار[14] میباشد.
این کنترلکنندهها به دلیل پسخوردبودن در مقابل نامعینی و اغتشاشات مقاوم هستند. به منظور حفظ خواص غیرخطی سیستم، طراحی کنترلکننده های غیرخطی مطلوب میباشد که طراحی این کنترلکنندهها برای سیستمهای تاخیردار در [7] نیز انجام شده است. راه کاری دیگر که برای جداکردن کنترل کننده از ارابه در نظر گرفته شده است؛ به این صورت میباشد که در بالای تختهی پخشکننده یک موتور به همراه دمپر و فنر قرار داده شده است [8]. این کار در مدل دو بعدی انجام شده است و به نظر میرسد که رای مدل سه بعدی که دارای چهار کابل میباشد پیادهسازی چنین کنترلکننده ای بسیار دشوار باشد. شکل1‑3 طرح ارائه شده توسط کیم[1] را برای پیادهسازی چنین کنترلکنندهای، نشان میدهد [8]. کیم در این حالت از بررسی دینامیک ارابه، که دیگر به کنترل کننده ربطی ندارد، چشمپوشی کرده است. او پیشنهاد داده است که حرکت ارابه را به چشم اغتشاش باید دید.
در مورد روشهای مختلف مدلسازی این دسته از جرثقیلها، باید گفت که از روشهای مختلفی بدین منظور استفاده شده است. در [9]، پیشنهاد شده است که این جرثقیلها را به صورت رباتهای موازی[2] مدلسازی کنند؛ تا آن آزادی عمل بیشتر در حرکت آنها نشان داده بشوند. متاسفانه در این کار تنها به شبیهسازی اکتفا شده است و وارد بحث کنترل این مدلها نشده است.
تعداد صفحه : 94
قیمت :14700 تومان
بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد
و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.
پشتیبانی سایت : * serderehi@gmail.com
در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.
14,700 تومانافزودن به سبد خرید