Simultaneous Control of Crane Tip Position and Crane Load Oscillation Dampening on Shipboard Cranes

Abstract

For operasjoner i akvakultur og offshore industriene er skipskraner til en stor grad tatt i bruk. Bølger har evnene til å indusere forstyrrelser fra skipet inn i kranen og vind påvirker kranlasten. Disse forstyrrelsene kan forårsake oscilleringer i kranlasten som kan sette utstyr og personal i fare. For å minimere disse uønskede oscilleringene kan en tilbakekoblingsregulator benyttes.

I denne masteroppgaven er slike kontrollsystem utforsket. Tre forskjellige kontrollsystemer er designet sammen med dynamiske og kinematiske modeller for kran og kranlast. Reguleringsmålet er å oppnå regulering av kran-tupp posisjonen og demping av kranlasten samtidig. Flere reguleringsmetoder er prøvd som fremoverkobling, tilbakekobling, kaskade og ikke linear modell prediktiv styring.

Både lovende og ikke lovende resultater ble oppnådd. Ved bruk av tilbakekobling for kranlastdemping og fremoverkobling for kran-tupp posisjon ble gode resultat oppnådd for kranen uten forstyrrelser. Tilbakekobling for både demping og posisjon samt ikke linear modell prediktiv styring for posisjon med Lyapunov-basert demping visste mindre lovende resultater. Evaluering av de dynamiske modellene for kran og kranlast er lovende, problemer med løsningen av posisjonen til kranens tredje ledd sammen med hastigheten og akselerasjonen til det første leddet ble funnet i invers kinematikken.

For operations in aquaculture and offshore industries shipboard cranes are extensively used. Waves induce disturbances into the crane through the ship and wind disturbances affect the crane load. These disturbances can cause pendulation in the crane load that can put equipment and more importantly personnel at risk. To minimise these unwanted pendulations a feedback control system can be employed.

In this master's thesis, such control systems are investigated. Three different control systems are designed together with dynamic and kinematic models for the crane-tip and crane load. The control goals are to create simultaneous control of the crane-tip position and crane load dampening. Different types of control are tried such as feedforward, feedback, cascade and nonlinear model predictive control in different combinations.

Both promising and non-promising results were found. Using a feedback controller for damping with feedforward control for the crane tip worked for the crane without disturbances. Using a controller with feedback for both crane load damping and crane tip position, and a controller with nonlinear model predictive control for crane tip position and Lyapunov-based damping showed less promising results. Evaluation of the dynamic model for the crane is promising there were, however, problems with the inverse kinematic solution of the third crane joint position together with the solution for the velocity and acceleration of the first joint.