A position control scheme is proposed for a crane attached to a mobile harbor(MH) equipped with a dual-stage trolley and hoist to dynamically position a container from the MH to the container ship or vice versa. Wave-induced motions of the MH and container ship occur during loading and unloading operations owing to external disturbances such as waves. In MH crane system, a challenging task is to move a payload with unwanted swing motions accurately to the loading and unloading positions on a moving target vessel. Conventional control system for offshore crane similar to the MH have been developed only to restrain the oscillation of the payload, and not to accurately position the payload to a target vessel.
To solve this problem, a dynamic MH crane model is derived in three-dimensional space, with roll, pitch, and heave motions caused by sea-wave disturbances. The MH crane model is then linearized to design a position controller while the parameters of the linearized model are obtained by carrying out the system experimental identification process.
A conventional receding horizon tracking control(RHTC) is designed to follow the time-varying target position in x-y plane on the whole control horizon. In the environment of simulation and scaled-model experiment while the MH and container ship are excited with sinusoidal waves with target frequency bandwidth, the position and velocity errors between the payload and target trajectory cannot be controlled within the allowable region due to the limited capacity of actuator.
To overcome a limitation of tracking control, final position control(FPC) that adjusts the payload position to the target position at the final time instead of on whole horizon is proposed. The final target position where the payload should be unloaded in reference coordinate is determined when the target velocity gets into the bounded range, because it is necessary to reduce the impact damage due to the velocity error at the moment when the payload contacts with the container ship. In simulation and experiment with FPC, the position and velocity error are less than acceptable bound although actuator power is limited. FPC is more efficient than RHTC in terms of a maximum control input and input energy. Finally, we expect that the proposed FPC can be utilized to the MH crane system for a successful loading and unloading operation in real sea environment.
본 논문에서는 2단 트롤리와 호이스트가 장착된 크레인이 설치된 모바일 하버를 위한 위치 제어 전략을 제안한다. 모바일 하버와 컨테이너 선의 상하역 작업 중에는 파도와 같은 외란에 의해 모바일 하버와 컨테이너 선의 움직임이 발생한다. 따라서 모바일 하버 크레인 시스템에서는 움직이는 목표 선박 위의 상하역 지점에 원하지 않는 흔들림이 발생하는 컨테이너를 정확히 위치 시키는 것은 매우 도전적인 문제이다. 모바일 하버와 같은 해상 크레인을 위한 기존의 제어 시스템은 오직 이송물의 흔들림을 억제하기 위하여 개발되었으며, 목표 선박에 정확히 위치시키기 위한 시스템은 개발되지 않았다.
이러한 문제의 해결책을 제시하기 위하여, 우선 파도 외란에 의해 발생되는 롤, 피치 그리고 히브 운동이 포함된 3차원 모바일 하버 크레인 동역학 모델을 수립하였다. 그리고 위치 제어기 설계를 위하여 시스템 규명 실험을 통해 얻어진 파라미터가 포함된 선형모델을 수립하였다.
x-y 평면 상에서 모든 시간 동안 시간에 따라 변화하는 목표 지점으로 추종할 수 있도록 이동 구간 추종 제어기를 설계하였다. 목표 주파수 대역을 가지는 정현파로 움직이는 모바일 하버와 컨테이너 선의 모의 실험과 축소 모델 실험 환경에서, 이송물과 목표 지점 궤적과의 위치와 속도 오차는 구동기의 제한된 용량 때문에 허용 가능한 범위 안으로 제어되지 않았다.
추종 제어의 한계를 극복하기 위하여, 모든 시간 구간이 아니라 최종 시간에만 이송물의 위치가 목표 지점으로 제어되도록 최종 위치 제어 전략을 제안하였다. 최종 위치는 이송물이 컨테이너 선 위로 접촉하는 순간의 속도로 인한 충격 피해를 감소시키기 위하여, 기준 좌표계 상에서 목표 지점의 속도가 제한된 범위 안에 들 때만 이송물이 하역되도록 결정된다. 최종 위치 제어의 모의 실험과 축소 모델 실험 결과, 위치 및 속도 오차는 구동기의 용량이 제한되어 있음에도 불구하고 허용 가능 범위 안으로 제어되었다. 또한 최대 제어 입력 및 입력 에너지 측면에서도 최종 위치 제어는 이동 구간 추종 제어에 비하여 효율적이다. 최종 적으로 제안된 최종 위치 제어가 실제 해상 환경의 모바일 하버 크레인 시스템에서 성공적으로 상하역 작업을 가능 하게 할 것으로 기대한다.
