Siltanosturin simulointi ja säätö

Abstract

Siltanosturit ovat keskeisiä laitteita raskaiden kuormien siirrossa teollisuus ja varasto ympäristöissä, mutta niiden toimintaa rajoittaa kuorman epätoivottu heiluminen. Tämä värähtely voi heikentää sekä turvallisuutta että toimintatehokkuutta, minkä vuoksi taakanhallintaan on kehitetty monenlaisia säätö- ja ohjausratkaisuja.

Säätömenetelmiä voidaan jakaa avoimiin ja suljettuihin menetelmiin. Avoimet ohjausmenetelmät, kuten input shaping, pyrkivät estämään värähtelyä ennakoivasti ilman reaaliaikaista mittausdataa järjestelmästä, kun taas suljetut säätömenetelmät, esimerkiksi MPC, PID ja SMC, hyödyntävät takaisinkytkentää ohjaukseen. Avoin ohjaus ja suljettu säätö voidaan myös yhdistää.

Tässä opinnäytetyössä tutkittiin erilaisia siltanostureille sovellettuja säätö- ja ohjausmenetelmiä, sekä suunniteltiin input shaper -ohjaukseen ja MPC-säätöön perustuva säädin. Siltanosturia kuvaavat differentiaaliyhtälöt ratkaistiin Lagrangen menetelmällä ja linearisoitiin Taylorin sarjalla. Differentiaaliyhtälömallissa järjestelmä on oletettu kitkattomaksi. Linearisoitujen differentiaaliyhtälöiden avulla ratkaistiin järjestelmän luonnollinen kulmataajuus. Luonnollisen kulmataajuuden avulla muodostettiin input shaper -ohjain ja tilamallin pohjalta MPC-säädin, jotka toteutettiin MATLAB Simulink -ohjelmalla.

Siltanosturia kuvaava dynaaminen malli muodostettiin MATLAB-ohjelmalla käyttäen Simscape-kirjastoa. Dynaamisen mallin avulla tutkittiin suunnitellun säätimen suorituskykyä kahden eri simulaation avulla. Tulosten perusteella todettiin, että suunniteltu säädin onnistuu tehokkaasti poistamaan kuorman värähtelyä silloin kun heilahduskulma simulaation alussa on nolla. Kuitenkin jos ulkoisen häiriön kuten törmäyksen takia heilahduskulma poikkeaa nollasta, niin säädin ei voi tehokkaasti poistaa siitä johtuvaa värähtelyä. Suorituskykyä voitaisiin parantaa viritysalgoritmin avulla tai huomioimalla ulkoiset häiriöt käyttämällä tarkempaa mallia systeemistä.