[논문]트랜스퍼 크레인의 모델링 및 고정도 주행제어기 설계에 관한 연구

김영복; 서진호; 이권순

트랜스퍼 크레인의 모델링 및 고정도 주행제어기 설계에 관한 연구
Modelling and Accurate Tracking Controller Design of A Transfer Crane 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.20 no.6 = no.73, 2006년, pp.114 - 122

김영복 (부경대학교 공과대학 기계공학부) , 서진호 (포항지능로봇연구소) , 이권순 (동아대학교 공과대학 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The most important thing in the container terminal is to handle the cargo effectively in a limited time. To achieve this objective, many strategies have been introduced and applied. If we consider the automated container terminal, it is necessary that the cargo handling equipment is equipped with more intelligent control systems. From the middle of the 1990s, an automated rail-mounted gantry crane (RMGC) and rubber-tired gantry crane (RTG) have been developed and widely used to handle containers in the yards. Recently, in these cranes, equipment like CCD cameras and sensors have been mounted to cope with the automated terminal environment. In this paper, we try to support the development of more intelligent automated cranes that make the cargo handling be performed effectively in the yards. For this plant, we ought to consider modeling, tracking control, anti-sway system design, skew motion suppressionand complicated motion control and suppressing problems. In this paper, the system modeling and a tracking control approach are discussed, based on a two-degree-of-freedom (2DOF) servo-system design. From the simulation results, the good control performance of the designed control system is evaluated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

안벽용 크레인에 비해 상당히 다양한 흔들림이 발생하는 문제가 있으나 야드에서의 유용성 등으로 향후 다양한 형태로의 개발이 가능할 것이다. 따라서 본 논문에서는 장비의 유용성과 효율성을 제고하기 위해 RTG에 대한 운동을 해석하고 모델링을 수행하였으며 구해진 모델을 대상으로 우선 주행제어문제에 대해 고찰하였다. RTG의 주행제어문제는 장비운용상 가장 우선적으로 고려되어야 할 사항이고 신속한 물류처리를 위한 가장 기본적인 문제이다.
따라서 본 연구에서는 독립적인 이송능력을 갖춘 RTG의 운동 특성을 파악하고 제어하기 위해 대상 시스템에 대한 모델링을 수행한다. 이때 이송 중 발생할 수 있는 다양한 동적 특성을 표현하고 고정도 위치제어 문제에 대해 검토한다.
만일 I歹에 대해 독립적인 강인안정조건이 주어지면 그러한 조건 하에서는 자유로운 이득 조정이 가능하여 시스템의 과도응답 및 정상 상태 응답을 개선시킬 수 있게 된다. 따라서 이러한 유용성을 만족시키는 제어계의 강인안정조건을 소개한다.
동북아 허브항만으로서의 위치선점과 확고한 자리매김을 위한 우리의 노력도 이러한 시대적 상황과 직접적인 관계가 있다. 물류처리의 고속화와 효율성제고라는 시대적 요구에 따라 본 연구에서는 항만하역작업의 자동화를 위한 연구로서 하역장비의 하나인 트랜스퍼 크레인 (RTG)의 운동제어문제에 대해 고찰하였다. 안벽용 크레인에 비해 상당히 다양한 흔들림이 발생하는 문제가 있으나 야드에서의 유용성 등으로 향후 다양한 형태로의 개발이 가능할 것이다.
본 논문에서는 RTG의 가장 기본적인 주행제어 문제, 즉식 (18)로 표현된 제어대상에 대해 위치제어계를 설계한다. 이때 구조는 단순하지만 강인한 목표값 추종성능을 갖는 2자 유도 서보계 설계법(Fujisaki and Ikeda, 1991; Kim et al.
수행한다. 이때 이송 중 발생할 수 있는 다양한 동적 특성을 표현하고 고정도 위치제어 문제에 대해 검토한다.
이와 같은 이론적 사실을 기반으로 하여 파라미터 변동에 대해 강인한 제어계를 구성하기 위한 각각의 이득을 구하기로 한다. 이때 불확실성으로 고려하는 것은 주행특성에 가장 큰 영향을 주는 파라미터인 컨테이너부의 질량이다.

제안 방법

3장에서 소개한 2자유도 서보계 설계법에 따라 제어계를 설 계하고 시뮬레이션을 수행하였다.
전술한 것과 같이 RTG는 각각 두 개의 독립된 구동력에 의해 주행된다. 각각의 구동 시스템을 적절하게 제어해야 RTG의 가장 기본적인 제어목표인 정확한 위치제어가 가능하게 되므로 주행제어를 위한 효과적인 제어알고리즘을 설계한다. Fig.
먼저 실험 및 시뮬레이션을 통해 제어대상의 특성을 파악한다. 그리고 파라미터 변동 및 외란 등의 불확실성이 존재하더라도 제어계의 안정성 및 강인추종성능을 확보할 수 있도록 제어기를 설계한다. 시뮬레이션을 통해 설계된 제어계의 유효성을 확인한다.
이것으로부터 크레인에 대한 기본적인 데이터와 위의 두 가지 운동특성 실험 및 시뮬레이션을 통해 추정한 파라미터 (Table 2)에 대한 유효성을 확인하였다.
이와 같은 준비아래 우선 대상 크레인의 다양한 운동을 표현할 수 있는 모델을 구한다. 전술한 것과 같이 RTG는 각각 두 개의 독립된 구동력에 의해 주행된다.

대상 데이터

본 연구에서 고려하고 있는 운동해석 및 제어대상은 Fig. 1 에 나타낸 것과 같이 고무타이어에 의해 이송작업이 이루어지는 RTG이다. 이송을 위해 양측의 타이어에 모터가 장착되고 이송 거리 및 속도검출을 위한 엔코더 및 거리센서(초음파센서) 가 설치된다.

이론/모형

그리고 제어계의 안정성을 조사하기 위해 2차형식의 Lyapunov함수를 정의에 필요한 다음과 같은 정정행렬을 도입한다.
본 논문에서는 RTG의 가장 기본적인 주행제어 문제, 즉식 (18)로 표현된 제어대상에 대해 위치제어계를 설계한다. 이때 구조는 단순하지만 강인한 목표값 추종성능을 갖는 2자 유도 서보계 설계법(Fujisaki and Ikeda, 1991; Kim et al., 1996) 을 이용하며 우선 이에 대해 간단히 서술한다.

성능/효과

RTG의 주행제어문제는 장비운용상 가장 우선적으로 고려되어야 할 사항이고 신속한 물류처리를 위한 가장 기본적인 문제이다. 따라서 본 연구에서는 강인한 추종성능을 가진 2자 유도 서보계 설계법을 이용하여 제어계를 설계하고 시뮬레이션 결과로부터, 2자유도 서보계의 유효한 성능을 이용하여 크레인의 고정도 위치제어목표를 충분히 달성할 수 있음을 확인하였다. 특히 가조정 이득 등의 유효한 성질은 운행중 발생할 수 있는 파라미터 변동 및 외란 등의 불확실성에 대해서도 강인하게 대처하면서 우수한 추종성능을 달성할 수 있음을 확인하였다.
따라서 본 연구에서는 강인한 추종성능을 가진 2자 유도 서보계 설계법을 이용하여 제어계를 설계하고 시뮬레이션 결과로부터, 2자유도 서보계의 유효한 성능을 이용하여 크레인의 고정도 위치제어목표를 충분히 달성할 수 있음을 확인하였다. 특히 가조정 이득 등의 유효한 성질은 운행중 발생할 수 있는 파라미터 변동 및 외란 등의 불확실성에 대해서도 강인하게 대처하면서 우수한 추종성능을 달성할 수 있음을 확인하였다.
목표치의 20%에 해당하는 크기의 스텝상 외란이 시각 10[sec]4 15[sec] 에서 각각 1초간 인가되었을 때의 응답을 나타내고 있다. 파라미터 불확실성이 존재하는 제어계에 외란 이 인가되어도 불확실성에 대한 강인성이 확보되어 양호한 추종 성능을 발휘하고 있음을 확인할 수 있다.

후속연구

물류처리의 고속화와 효율성제고라는 시대적 요구에 따라 본 연구에서는 항만하역작업의 자동화를 위한 연구로서 하역장비의 하나인 트랜스퍼 크레인 (RTG)의 운동제어문제에 대해 고찰하였다. 안벽용 크레인에 비해 상당히 다양한 흔들림이 발생하는 문제가 있으나 야드에서의 유용성 등으로 향후 다양한 형태로의 개발이 가능할 것이다. 따라서 본 논문에서는 장비의 유용성과 효율성을 제고하기 위해 RTG에 대한 운동을 해석하고 모델링을 수행하였으며 구해진 모델을 대상으로 우선 주행제어문제에 대해 고찰하였다.
향후 실험을 통해 설계된 제어계의 실효성을 검증하고 주행에 따른 컨테이너의 흔들림 문제도 고려하여 보다 복합적인 제어계 설계사양을 동시에 만족하는 시스템 최적화 설계 문제에 대해 고찰하도록 한다.

참고문헌 (13)

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박경택, 박찬훈, 김두형, 신영재 (2004). '자동화 컨테이너 터미널을 위한 컨테이너 트랜스퍼 크레인의 안티 스웨이 시스템: Part II-모델 크레인 및 실험 검증', 제어.자동화.시스템공학논문지, 제10권, 제12호, pp 1287-1294
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Kim, C.W, Hong, K.S. and Lodewjiks, G. (2004). 'Anti-Sway Control of Container Cranes : an active mass-damper approach', Proceedings of SICE Annual conference, pp 939-944
Kim, Y.B., Kim, D.H., Jang, J.S. and Zhai, G. (2005). 'Gain-Scheduling Approach to Mass Damper Type Anti-Sway System Design', Proc. of the 16th IFAC World Congress, We-A04-TP-7
Lee, H.H. (2004). 'A New Design Approach for the Anti-Swing Trajectory Control of Overhead Cranes with High-speed Hoisting', International Journal of Control, Vol 77, No 10, pp 931-940

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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