Torninosturin säädön suunnittelu

Abstract

Torninosturien taakan automaattinen säätö on mielenkiintoinen ja paljon tutkittu aihe. Niissä esiintyy monia epälineaarisuuksia, jotka vaikuttavat systeemin dynamiikkaan ja hankaloittavat säädön suunnittelua. Automaattisen säädön on tehtävä kompromissi kuorman siirron nopeuden ja heilunnan vaimennuksen suhteen.

Tässä työssä tutkitaan Quanserin valmistaman torninosturin pienoismallin mallinnusta ja ohjausta. Pienoismalli on yksinkertaistettu versio täysikokoisesta torninosturista. Sen vaijerikela, puomia pitkin liikkuva vaunu ja kääntyvä puomi mahdollistavat kolme liikkeen vapausastetta. Vaakasuuntaisen liikkeen ohjaus on toteutettu Linear Quadratic Requlator -menetelmällä viritetyillä lineaarisilla tilasäätimillä ja pystyliike PID-säätimellä. Säätimien vasteita muokataan rauhallisemmiksi asetusarvosuotimilla, jotta oikean nosturijärjestelmän liikkuvat osat tai elektroniikka eivät vaurioituisi. Koska kaikkia tilamuuttujia ei voida suoraan mitata, suunnitellaan säätöpiiriin myös tilaestimaattori.

Nosturin kuorman tulisi saavuttaa haluttu päätepisteensä mahdollisimman nopeasti ja tarkasti. Suorituskykyä mitataan kuorman asettumisajalla, mikä määritellään tässä työssä ajaksi, jonka jälkeen kuorma ei poikkea yli kahta prosenttia asetusarvostaan. Myös ohjausjärjestelmän robustisuuteen kiinnitetään huomiota. Robustisuus tarkoittaa tässä työssä nosturin kykyä kestää ulkoisia häiriöitä, epälineaarisuuksia, muutoksia sen dynamiikassa sekä poikkeamia suunnittelumallista.

Takaisinkytkettyä säätöä testataan säädön kannalta olennaiset epälineaarisuudet huomioon ottavalla simulaattorilla. Työn lähestymistapa on yksinkertainen ratkaisu ongelmaan. Kehittyneempiä menetelmiä käsitellään myös lyhyesti teoriassa. Tämän työn avulla voidaan suunnitella vastaava automaattinen ohjausjärjestelmä dynamiikaltaan samankaltaiselle systeemille.