Modeling and simulation of quay crane control system for PID controller optimal parameters determination

Abstract

The main control object of Quay crane, which is operating in seaport intermodal terminal cargo loading and unloading process, is the crane trolley. One of the main frequent problem, which occurs, is the swinging of the container. This swinging is caused not only by external forces but also by the movement of the trolley. The research results of recent years produced various types of control algorithms by the other researchers. The control algorithms are solving separate control problems of Quay crane in laboratory environment. However, there is still complex control algorithm design and the controller’s parameter estimation problems to be solved. This paper presents mathematical model of the Quay crane trolley mechanism with the suspended cargo. The mathematical model is implemented in Matlab Simulink environment and using Dormand-Prince solving method. The presented model of laboratory quay crane mathematical model is dedicated to parameter estimation of PID controller of closed loop system with the usage of S –form speed input profile. The article includes the dynamic model of the presented system, the description of closed loop system and modeling results. These results will be used as an initial information for the PID parameters estimation in real quay crane control system. The simu-lation of the model was performed using estimated values of controller. The sway influence of the cargo, the usage of the trolley speed input S-shaper and the PID controller was used to control the trolley speed.

Article in Lithuanian.

Krantinės krano valdymo sistemos kompiuterinis modeliavimas optimalioms PID valdiklio vertėms nustatyti

Santrauka 

Jūriniame įvairiarūšiame terminale atliekant konteinerių krovos procesus, vienas iš krantinės kranų valdymo objektų yra vežimėlis. Viena iš problemų, su kuria susiduriama dažniausiai, yra konteinerio svyravimai, kuriuos, be išorinių veiksnių, taip pat sukelia ir vežimėlio judėji-mas. Remdamiesi paskutinių kelerių metų tyrimais, mokslininkai sukūrė įvairių valdymo algoritmų, kurie laboratorinėmis sąlygomis spren-džia atskiras krantinės kranų valdymo problemas. Tačiau kompleksinių ir efektyvių valdymo algoritmų ir jų valdymo sistemos parametrų nustatymo metodai vis dar kuriami ir tobulinami. Šiame darbe sudarytas krantinės krano vežimėlio su kabančiu kroviniu mechanizmo sis-temos matematinis modelis. Šis modelis realizuotas Matlab Simulink aplinkoje ir sprendžiamas taikant Dormand-Prince metodą. Sukurtas laboratorinio krantinės krano valdymo sistemos kompiuterinis modelis skirtas uždarosios valdymo sistemos PID valdiklio parametrams nustatyti, kai užduoties signalui taikomas S formos greičio kitimo profilis. Darbe pateiktas sistemos dinaminis modelis, aprašyta uždaroji valdymo sistema, pateikti kompiuterinio modeliavimo rezultatai, kuriuos planuojama panaudoti kaip pradinę informaciją realaus krano PID valdiklio parametrams derinti. Atlikta simuliacija naudojant nustatytas vertes ir įvertinti krovinio svyravimai taikant S formos greičio kitimo profilį kartu su PID valdikliu vežimėlio greičiui valdyti.

Reikšminiai žodžiai: krantinės kranas, matematinis modelis, valdymo sistema, S profilis, PID valdiklis, Matlab.

Keyword : quay crane, mathematical model, control system, S-profile, PID controller, Matlab