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 نمی توان 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 به وجود 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. 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 م خرید اینترنتی فایل متن کامل : یباشد 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.
[جمعه 1400-05-08] [ 05:35:00 ق.ظ ]
|