Torninosturin kuorman diskreettiaikainen tilasäätö

Abstract

Torninostureita käytetään teollisuudessa muun muassa sellu- ja paperitehtaissa, rakennustyömailla sekä satamissa. Nosturin päätehtävä on siirtää teräsvaijerin varassa oleva kuorma haluttuun paikkaan mahdollisimman nopeasti ilman kuorman liiallista heiluntaa. Kuorman siirtymisestä johtuva heilunta vaatii käyttäjältä taitoa, jotta kuorman siirto onnistuu nopeasti ja turvallisesti. Hyvin suunnitellulla ohjauksella on mahdollista vähentää käyttäjän taitotason merkitystä ja tehdä nosturilla työskentelystä sekä turvallista että tehokasta.

Torninosturin säätösuunnittelua on tarkasteltu laajasti, pääasiassa ohjauksen ja torninosturin monimutkaisen dynamiikan vuoksi. Tässä työssä keskitytään yksinkertaisiin säätöratkaisuihin, jotka mahdollistavat kuorman nopean ja tarkan siirtämisen. Tässä työssä tutkittu torninosturi on torninosturin pienoismalli, jonka on valmistanut Quanser.

Nosturin ohjauksessa yhdellä sisääntulolla usean ulostulon hallitseminen tekee takaisinkytketystä säädöstä haastavaa. Systeemin kuorman sijainti, kuorman ja teräsvaijerin kulma, sekä näiden nopeudet on approksimoitu käyttäen ali- ja ylipäästösuodattimia. Työssä nosturia säädetään PD-(Proportional, Derivitive) ja PID-säädöillä (Proportional, Integral, Derivitive), jotka on toteutettu LQR-algoritmilla (Linear Quadratic Regulator). Lisäksi säätimet on viritetty simuloimalla. Tärkeimpinä virityskriteereinä PD- ja PID-säätimille oli piirin servotehtävä ITAE (Integral of Time multiply by Absolute Error), systeemin nopea asettumisaika ja kuorman pieni heilahduskulma.

Kuorman siirtämiseen suunniteltu säätö on kompromissi kuorman heilunnan ja nopeuden välillä, minkä takia vaijerin kulman minimointia on erityisesti painotettu suunnittelutyössä. Työssä toteutettuja kilpailevia suunnittelumenetelmiä ovat DLQR-(Discrete-Time Linear Quadratic Regulator), tilaestimaattori ja DLQI-säädöt (Discrete-Time Integrating Linear Quadratic Regulator).

Suunnittelun robustisuutta ja ohjauksien suorituskykyä simuloidaan Matlab- ja Simulink-ohjelmistoilla, joissa häiriöitä mallinnetaan ensin tasasuunnatulla siniaallolla ja seuraavaksi satunnaislukugeneraattorilla. Askelvasteiden, systeemien ominaisarvojen ja simuloinnin perusteella DLQI suoriutui parhaiten servotehtävästä, kun taas DLQR yhdistettynä tilaestimaattoriin suoriutui sekä reguloinnissa että häiriönkestossa parhaiten.