Lately, tugboats are widely used to maneuver vessels by pushing or towing them where tugboats use rope. In order to correctly control the motion of tugboat and towed vessel, the dynamics of the towline would be well identified. In real application environment, the towing rope length changes and the towing load is not constant due to the various sizes of towed vessel. And there are many ropes made by many types of materials. It means that it is not easy to obtain rope dynamics, such that it is too difficult to satisfy the given control purpose by designing control system. Thus real time identification or adaptive control system design method may be a solution. However it is necessary to secure sufficient information about rope dynamics to obtain desirable control performance. In this paper, the authors try to have several rope dynamic models by changing the rope length to consider real application conditions. Among them, a representative model is selected and the others are considered as uncertain models which are considered in control system design. The authors design a robust control to cope with strong uncertain and nonlinear property included in the real plant. The designed control system based on robust control framework is evaluated by simulation.
In this paper, a method for calculating the contact force and the frictional force caused by contacts between the wire rope and the rigid body is introduced based on multibody dynamics. And the method is applied to a simulation of contacts between the wire rope and the shell plate of a block that can occur during shipbuilding. The wire rope is composed of a number of lumped masses and the wire rope segments that connect the masses. After calculating the position of interference, we inserted a contact node into the wire rope. We then derived the equations of motion of the wire rope and the rigid body using augmented formulation based on multibody dynamics taking into account the constraints between the contact node and the rigid body. Using the equations, we were able to obtain the constraint force between the contact node and the rigid body, and calculate the contact force and the frictional force, based on which the position of the contact node was corrected. Finally, we applied our results to perform simulation of contacts between the wire rope and the shell plate of a block in order to verify the efficacy of the method proposed in this paper.
This paper presents a control-oriented dynamical model of a towing rope system with variable-length. In this system, a winch driven by a motor's torque uses the towing rope to pull a cart. In general, it is a difficult and complicated process to obtain an accurate mathematical model for this system. In particular, if the rope length is varied by operating the winch, the varying rope dynamics needs to be considered, and the key physical parameters need to be re-identified... However, real time parameter identification requires long computation time for the control scheme, and hence undesirable control performance. Therefore, in this article, the rope is modeled as a straight massless segment, with the mass of rope being considered partly with that of the cart, and partly as halfway to the winch. In addition, the changing spring constant and damping constant of the towing rope are accounted for as part of the dynamics of the winch. Finally, a reduced-order observer-based servomechanism controller is designed for the system, and the performance is evaluated by computer simulation.
와이어 로프(wire rope)는 여러 가닥의 얇고 긴 철사를 감아서 밧줄과 같이 만든 것으로 굽힘과 비틀림 하중에 비해 축 하중에 더 크게 저항할 수 있는 특징을 가지고 있다. 해상 크레인, 갠트리 크레인, 크롤러 크레인 등과 같이 선박 또는 해양 구조물의 탑재를 위해 사용되는 조선용 탑재 크레인은 이러한 와이어 로프를 이용해 큰 중량의 블록들을 들거나 내리고 있다. 따라서 블록의 안전한 탑재를 위해서는 와이어 로프에 대한 동역학적 특성을 잘 파악해야 한다. 본 연구에서는 블록 탑재 시 크레인의 와이어 로프에 작용하는 장력과 비틀림 모멘트에 대한 계산식을 유도하고, 이를 기반으로 한 조선용 탑재 크레인의 동역학 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, 개발된 시뮬레이션 방법이 실제 조선소의 안전한 블록 탑재 과정에 충분히 적용할 수 있음을 확인하였다.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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제5권4호
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pp.379-387
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2007
In this paper, a nonlinear anti-sway controller for container cranes with load hoisting is investigated. The considered container crane involves a planar motion in conjunction with a hoisting motion. The control inputs are two (trolley and hoisting forces), whereas the variables to be controlled are three (trolley position, hoisting rope length, and sway angle). A novel feedback linearization control law provides a simultaneous trolley-position regulation, sway suppression, and load hoisting control. The performance of the closed loop system is shown to be satisfactory in the presence of disturbances at the payload and rope length variations. The advantage of the proposed control law lies in the full incorporation of the nonlinear dynamics by partial feedback linearization. The uniform asymptotic stability of the closed-loop system is assured irrespective of variations of the rope length. Simulation and experimental results are compared and discussed.
Le, Nhat-Binh;Lee, Dong-Hun;Kim, Tae-Wan;Kim, Young-Bok
한국항해항만학회:학술대회논문집
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한국항해항만학회 2017년도 추계학술대회
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pp.58-60
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2017
In the offshore crane system, the requirements on the operating safety are extremely high due to many external factors. This paper describes a model for studying the dynamic behavior of the offshore crane system. The obtained model allows to evaluate the fluctuations of the load arising from the elasticity of the rope. Especially, in this paper, the authors design control system in which just winch rotation angle and rope tension are used without load position information. The controller design based on input-output feedback linearization theory is presented which can handle the effect of the elasticity of the rope and track the load target trajectory input. Besides that, a full order observer is designed to estimate unknown states. Finally, By the experiment results, the effectiveness of proposed control method is evaluated and verified.
A heave motion of the offshore crane system with load is affected by unpredictable external factors. Therefore the offshore crane must satisfy rigorous requirements in terms of safety and efficiency. This paper intends to reduce the heave displacement of load position which is produced by rope extension and sea wave disturbance in vertical motion. In this system, the load position is compensated by the winch actuator control. The rope is modeled as a mass-damper-spring system, and a controller is designed by the input-output linearization method. The model system and the proposed control method are evaluated on the simulation results.
In the offshore crane system, the requirements on the operating safety are extremely high due to many external factors. Rope extension is one of the factors producing vertical vibration of load. In this study, the load is carried by the motor-winch actuator control and the rope is modeled as a mass-damper-spring system. To control the load position and suppress the vertical vibration of the load, a control system based on input-output linearization method is proposed. By the simulation and experiment results with pilot crane model, the effectiveness of proposed control method is evaluated and verified.
Recently, floating cranes are mainly used to erect heavy blocks or cargos for constructing ships in many shipyards. It is important to estimate the dynamic motion of the heavy cargo suspended by a floating crane and the tension of the wire ropes between the floating crane and the heavy cargo. In this paper, the coupled dynamic equations of motion are set up for considering the 6 degree-of-freedom floating crane and the 6-degrees-of-freedom heavy cargo based on multibody system dynamics. Depending on the cargo weight, the motion of the floating crane would be changed to nonlinear state. The nonlinear terms in the equation of motion are considered. In addition, the nonlinear hydrostatic force, the linear hydrodynamic force, wire rope force, mooring force and gravity force are considered as the external forces. As the result of this paper, we analyze the engineering effect for erecting the heavy cargo by using the floating crane.
본 연구에서는 선체 블록의 운반 작업 중 발생하는 동적 하중 및 골리앗 크레인의 와이어 로프(wire rope)와 선체 블록간의 동적 접촉력을 고려한 최적 러그 배치 시스템을 설계하고, 다물체계 동역학 커널과 외력 계산 커널을 개발하였다. 다물체계 동역학 커널은 recursive formulation을 이용하여 운동 방정식을 구성하였고, 외력 계산 커널은 비선형 유체 정역학적 힘, 선형 유체 동역학적 힘, 풍력, 계류력을 계산할 수 있다. 개발된 커널의 효용성을 검증하기 위해, 이를 이용하여 와이어 로프와 블록간의 간섭과 이때 작용하는 동적 접촉력을 계산하였고, 마지막으로 계산 결과를 반영하여 러그가 부착된 블록에 대한 구조 해석을 수행하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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