컨테이너의 신속한 이송 및 처리는 작업시간 단축에 의한 비용절감을 의미하므로 항만에서는 가능한 작업효율을 향상시키기 위해 다양한 노력이 추진되고 있다. 1990년대 중반부터 RMGC 및 RTGC 등의 크레인이 개발되어 컨테이너 이송 및 적재를 위한 필수장비로 널리 이용되고 있다. 특히 RTGC는 타이어 구동방식이므로 주행환경에 크게 제약을 받지 않는 장점도 있으나, 타이어 슬립, 타이어에 의한 샤시의 기울어짐 등 설정된 경로를 고정도로 주행해야 하는 목적달성에 장애가 되는 요인도 많아 레일 위를 주행하는 RMGC에 비해 자동화가 용이하지 않다. 이것은 무인 RTGC 시스템 구축을 어렵게 하는 가장 큰 요인이 되어 이와 관련한 기술개발 또한 미비한 수준에 이르고 있다. 따라서 본 논문에서 RTGC의 무인자동화에 있어서 가장 기초단계라고 볼 수 있는 수학적 모델링을 기반으로 한 고정도 주행제어기를 설계하고자 한다. 먼저 제어대상인 RTGC의 주행에 따른 운동특성을 분석하여 모델링을 수행한다. 기본적인 주행성능을 달성하기 위한 주행제어기를 설계하고 시뮬레이션을 통해 설계된 제어기의 유용성을 확인하도록 한다.
컨테이너의 신속한 이송 및 처리는 작업시간 단축에 의한 비용절감을 의미하므로 항만에서는 가능한 작업효율을 향상시키기 위해 다양한 노력이 추진되고 있다. 1990년대 중반부터 RMGC 및 RTGC 등의 크레인이 개발되어 컨테이너 이송 및 적재를 위한 필수장비로 널리 이용되고 있다. 특히 RTGC는 타이어 구동방식이므로 주행환경에 크게 제약을 받지 않는 장점도 있으나, 타이어 슬립, 타이어에 의한 샤시의 기울어짐 등 설정된 경로를 고정도로 주행해야 하는 목적달성에 장애가 되는 요인도 많아 레일 위를 주행하는 RMGC에 비해 자동화가 용이하지 않다. 이것은 무인 RTGC 시스템 구축을 어렵게 하는 가장 큰 요인이 되어 이와 관련한 기술개발 또한 미비한 수준에 이르고 있다. 따라서 본 논문에서 RTGC의 무인자동화에 있어서 가장 기초단계라고 볼 수 있는 수학적 모델링을 기반으로 한 고정도 주행제어기를 설계하고자 한다. 먼저 제어대상인 RTGC의 주행에 따른 운동특성을 분석하여 모델링을 수행한다. 기본적인 주행성능을 달성하기 위한 주행제어기를 설계하고 시뮬레이션을 통해 설계된 제어기의 유용성을 확인하도록 한다.
To handle container effectively is one of the most important factors in a port because working time is linked soon into cost. Since the middle of 1990s, RMGC(Rail-Mounted Gantry Crane) and RTGC(Rubber-Tired Gantry Crane) have been developed and widely used to operate containers in the yard. The RTGC...
To handle container effectively is one of the most important factors in a port because working time is linked soon into cost. Since the middle of 1990s, RMGC(Rail-Mounted Gantry Crane) and RTGC(Rubber-Tired Gantry Crane) have been developed and widely used to operate containers in the yard. The RTGC is more difficult than RMGC in the automatic control system design. Although, the RTGC is largely advantaged to free driving environment, it has some considerable disadvantages in the system operating. In general, the problems are due to tire slip and lack of tire pressure etc. Therefore, a desirable research result has not been shown in this time. So, in this paper, we propose a new approach to design tracking control system for the RTGC in which the mathematical modeling is included. From the simulation results, the control performance of the designed control systems is evaluated.
To handle container effectively is one of the most important factors in a port because working time is linked soon into cost. Since the middle of 1990s, RMGC(Rail-Mounted Gantry Crane) and RTGC(Rubber-Tired Gantry Crane) have been developed and widely used to operate containers in the yard. The RTGC is more difficult than RMGC in the automatic control system design. Although, the RTGC is largely advantaged to free driving environment, it has some considerable disadvantages in the system operating. In general, the problems are due to tire slip and lack of tire pressure etc. Therefore, a desirable research result has not been shown in this time. So, in this paper, we propose a new approach to design tracking control system for the RTGC in which the mathematical modeling is included. From the simulation results, the control performance of the designed control systems is evaluated.
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문제 정의
단, 타이어에 의해 이동하기 때문에 정확한 경로 및 위치검출에 고도의 계측기술이 필요하며 슬립에 의한 경로이탈로 고정도 위치제어가 어려운 것이 사실이다. 따라서 본 논문에서는 이와 같은 문제를 고려하여 설정된 경로를 오차없이 추종할 수 있는 제어계를 설계하는 문제에 대해 고찰하였다. 특히 제어대상의 모델링을 수행하고 실험과 시뮬레이션을 통해 구해진 모델의 신뢰성을 검증하였다.
따라서 항만자동화를 통한 효율성제고를 위해서는 RMGC나 RTGC의 화물 처리 능력을 향상시키는 기술개발이 당연한 사실이나 RMGC에 비해 RTGC의 자동화 수준 및 체계적인 연구개발은 아직 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 RTGC의 무인화시스템 구축을 위한 기초연구로서 RTGC의 운동특성을 파악하고 수학적 모델링을 수행한다. 김 등(2006)은 RTGC 주행제어기설계문제에 있어서 직선주행문제에 대해서만 고찰하고 있다.
본 연구에서는 타이어로 이동되는 RTGC의 주행제어계 설계 문제에 대해 고찰하였다. RTGC는 RMGC와 함께 항만에서의 유용성 때문에 그 중요성이 높이 평가받고 있는 하역장비 중의 하나이며 야드에서의 특별한 기반시설 없이도 장비운용이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
이에 대해 본 논문에서는 설정된 경로를 따라 주어진 위치에 정확하게 이동시키는 가장 기본적인 목표를 달성하기 위한 제어시스템을 구축한다. 즉, 타이어 구동방식 크레인 특성상 발생할 수 있는 슬립 등의 다양한 문제를 고려하여 제어대상을 모델링하고, 외란 등에 강인하면서 설정된 경로를 고정도로 추종할 수 있는 제어기설계문제에 대해 고찰한다.
이에 대해 본 논문에서는 설정된 경로를 따라 주어진 위치에 정확하게 이동시키는 가장 기본적인 목표를 달성하기 위한 제어시스템을 구축한다. 즉, 타이어 구동방식 크레인 특성상 발생할 수 있는 슬립 등의 다양한 문제를 고려하여 제어대상을 모델링하고, 외란 등에 강인하면서 설정된 경로를 고정도로 추종할 수 있는 제어기설계문제에 대해 고찰한다. 시뮬레이션을 통해 설계된 제어계의 유용성을 검증한다.
제안 방법
지금부터는 주행제어를 위한 제어계 설계문제에 대해 검토한다. 본 논문에서는 RTGC의 가장 기본적인 주행제어 문제, 즉 식 (21)로 표현된 제어대상에 대해 위치제어계를 설계한다. RTGC 특성상 타이어 슬립 등으로 설정된 경로를 벗어나는 문제도 고려해야 하므로 직선주행위치 및 경로를 정확하게 추종하도록 하는 제어계를 설계해야 한다.
즉, 타이어 구동방식 크레인 특성상 발생할 수 있는 슬립 등의 다양한 문제를 고려하여 제어대상을 모델링하고, 외란 등에 강인하면서 설정된 경로를 고정도로 추종할 수 있는 제어기설계문제에 대해 고찰한다. 시뮬레이션을 통해 설계된 제어계의 유용성을 검증한다.
회전운동실험은 2가지 목표값에 대해 2회에 걸쳐 수행하였다. 이때 폭주 등의 위험성을 고려하여 기지의 상수이득 만을 갖는 제어기로 폐루프 시스템을 구축하여 실험과 시뮬레이션을 수행하였다.
이송을 위해 양측의 타이어에 구동용 모터가 장착되고 이송거리 및 속도검출을 위한 엔코더, 초음파센서 혹은 비전센서 등의 거리센서 및 운동특성 계측을 위한 각종센서가 설치된다. 이와 같은 준비아래 우선 대상 크레인의 다양한 운동을 적절하게 표현하는 수식모델을 구한다.
2의 (a) 및 (b)는 제어대상 크레인의 모델링을 수행하기 위해 제어대상의 동적특성을 표현한 개략도이다. 특히 본 논문에서 고려하고 있는 크레인은 스프레더 흔들림을 억제하기 위해 Moving-Mass 형 스프레더 흔들림 억제장치를 탑재하고 있다.(김영복, 손유식, 2000; 김영복, 정용길, 2001; 손동섭 등, 2002; Kim et.
따라서 본 논문에서는 이와 같은 문제를 고려하여 설정된 경로를 오차없이 추종할 수 있는 제어계를 설계하는 문제에 대해 고찰하였다. 특히 제어대상의 모델링을 수행하고 실험과 시뮬레이션을 통해 구해진 모델의 신뢰성을 검증하였다. 제어기는 강인한 추종성능을 가진 2자유도 제어계설계법에 따라 설계하였으며, 시뮬레이션 결과로부터 RTGC의 슬립억제 및 위치제어목표를 충분히 달성할 수 있음을 확인하였다.
이것은 크레인의 회전운동을 통해 회전관성모멘트 등 회전운동특성을 추정하기 위한 것이다. 회전운동실험은 2가지 목표값에 대해 2회에 걸쳐 수행하였다. 이때 폭주 등의 위험성을 고려하여 기지의 상수이득 만을 갖는 제어기로 폐루프 시스템을 구축하여 실험과 시뮬레이션을 수행하였다.
대상 데이터
본 연구에서 고려하고 있는 운동해석 및 제어대상은 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 고무타이어로 이송작업이 이루어지는 RTGC이다. 이송을 위해 양측의 타이어에 구동용 모터가 장착되고 이송거리 및 속도검출을 위한 엔코더, 초음파센서 혹은 비전센서 등의 거리센서 및 운동특성 계측을 위한 각종센서가 설치된다.
이론/모형
위의 이득행렬들은 최적제어이론에 따라 계산하였다. 즉, 전체서보계에 대한 다음의 평가함수를 최소로 하는 이득행렬이다.
RTGC 특성상 타이어 슬립 등으로 설정된 경로를 벗어나는 문제도 고려해야 하므로 직선주행위치 및 경로를 정확하게 추종하도록 하는 제어계를 설계해야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위해 구조는 단순하지만 강인한 목표값 추종성능을 갖는 2자유도 서보계 설계법(Fujisaki and Ikeda, 1991; Kim et al., 1996)을 이용하며 우선 이에 대해 간단히 설명한다.
성능/효과
결과적으로 제어계에 외란이 인가되어 주행을 방해하는 요인이 존재하더라도 설정된 목표값에 오차없이 강인하게 추종하고 있음을 확인 할 수 있으며 설계된 제어계의 유효성을 확인할 수 있다.
특히 제어대상의 모델링을 수행하고 실험과 시뮬레이션을 통해 구해진 모델의 신뢰성을 검증하였다. 제어기는 강인한 추종성능을 가진 2자유도 제어계설계법에 따라 설계하였으며, 시뮬레이션 결과로부터 RTGC의 슬립억제 및 위치제어목표를 충분히 달성할 수 있음을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
RTGC의 무인자동화를 위해 무엇을 설계하였나?
이것은 무인 RTGC 시스템 구축을 어렵게 하는 가장 큰 요인이 되어 이와 관련한 기술개발 또한 미비한 수준에 이르고 있다. 따라서 본 논문에서 RTGC의 무인자동화에 있어서 가장 기초단계라고 볼 수 있는 수학적 모델링을 기반으로 한 고정도 주행제어기를 설계하고자 한다. 먼저 제어대상인 RTGC의 주행에 따른 운동특성을 분석하여 모델링을 수행한다.
RTGC의 장점은?
1990년대 중반부터 RMGC 및 RTGC 등의 크레인이 개발되어 컨테이너 이송 및 적재를 위한 필수장비로 널리 이용되고 있다. 특히 RTGC는 타이어 구동방식이므로 주행환경에 크게 제약을 받지 않는 장점도 있으나, 타이어 슬립, 타이어에 의한 샤시의 기울어짐 등 설정된 경로를 고정도로 주행해야 하는 목적달성에 장애가 되는 요인도 많아 레일 위를 주행하는 RMGC에 비해 자동화가 용이하지 않다. 이것은 무인 RTGC 시스템 구축을 어렵게 하는 가장 큰 요인이 되어 이와 관련한 기술개발 또한 미비한 수준에 이르고 있다.
무인 RTGC 시스템을 어렵게 하는 RTGC의 단점은?
1990년대 중반부터 RMGC 및 RTGC 등의 크레인이 개발되어 컨테이너 이송 및 적재를 위한 필수장비로 널리 이용되고 있다. 특히 RTGC는 타이어 구동방식이므로 주행환경에 크게 제약을 받지 않는 장점도 있으나, 타이어 슬립, 타이어에 의한 샤시의 기울어짐 등 설정된 경로를 고정도로 주행해야 하는 목적달성에 장애가 되는 요인도 많아 레일 위를 주행하는 RMGC에 비해 자동화가 용이하지 않다. 이것은 무인 RTGC 시스템 구축을 어렵게 하는 가장 큰 요인이 되어 이와 관련한 기술개발 또한 미비한 수준에 이르고 있다.
참고문헌 (10)
김영복, 서진호, 이권순 (2006). “트랜스퍼 크레인의 모델링 및 고정도 주행제어기 설계에 관한 연구”, 한국해양공학회지, 제20권, 제6호, pp 114-122.
김영복, 손유식 (2000). “컨테이너 크레인의 흔들림 방지장치 개발에 관한 연구”, 한국해양공학회지, 제14권, 제4호, pp 35-42.
김영복, 정용길 (2001). “ $H_{\infty}$ Gain-Scheduling 기법을 이용한 컨테이너 크레인의 흔들림 제어에 관한 연구”, 제어.자동화.시스템공학논문지, 제7권, 제7호, pp 559-556.
김영한, 이영진, 이진우, 이권순 (2000). “고효율 겐트리 크레인 설계 및 성능분석”, 한국항해항만학회지, 제14권, 제4호, pp 395-406.
Fujisaki, Y. and Ikeda, M. (1991). “Synthesis of Two-Degree-of-Freedom Servosystems”, Trans. SICE, Vol 27, No 8, pp 907-914.
Kim, Y., Ikeda, M. and Fujisaki, Y. (1996). “Robust Stability and High-Gain Integral Compensation od Two-Degree-of-Freedom Servosystem”, Trans. of SICE of Japan, Vol 32, No 2, pp 180-187.
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