港口起重机运行的建模与仿真外文翻译资料

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港口起重机运行的建模与仿真

Liu, H.; Mi, W.; Zhao, N., 和Feng, Y., 2015.建模和模拟港口门式起重机的操作.Mi, W.; Lee, L.H.; Hirasawa, K., and Li, W. (eds.),港口与海洋工程的最新进展。杂志，沿海研究专刊，73号，第89-94。椰子溪（佛罗里达州），国际标准刊号0749-0208。

摘要:随着节能减排越来越受到人们的重视，为了减少港口的消耗以实现绿色港口的概念，专家和学者致力于在港机维修节能技术的研究越来越多。一般来说，由于港口作业繁忙，港口机械无法脱离作业线单独进行研究。此外，使用真实港口机械将对研究造成高成本。因此，有必要寻找一种低成本、高精度的研究平台。本文以某门式起重机为例，通过仿真软件建立了机械模型、电机模型和控制模型。我们将这三种模式综合在一个仿真平台，提供一种节能的研究基地，通过模拟吊装和变幅操作的港口起重机，进行吊装和变幅过程中的功率变化和能量消耗。仿真结果表明，该仿真平台能够完全满足门式起重机节能研究的要求。

其他索引词：港口门座起重机，仿真平台，节能。

1简介

节能已成为工程机械的发展趋势，随着能源的消耗和循环利用成为建筑机械设计和运行的一个重要方面。并且已投入使用的机器需要额外的节能系统，避免不必要的由于机械置换的支出。随着经济全球化的发展，港口业发展迅速。专家和学者侧重于港口机械方面的节能研究，其中一个重要的部分是建设机械。在散货港口，吞吐量占港口货物总吞吐量的一半以上，门式起重机起着至关重要的作用。典型的港口起重机将在操作过程中频繁地处理重量大和高度高的货物。因此，在货物下降过程中可以产生大量的能量。通常，能量被动态制动消耗（Liu等人，2008），导致高能量消耗和低效率。如果我们可以将门式起重机操作过程中产生的大势能转换成可用于散货港的电能，减少能源浪费和实现资源的合理利用是非常重要的（Li等人，2010; Liu和Gong，2010）。

然而，由于运行繁忙，不可能将门式起重机与一般的操作线分开，以研究门式起重机节能技术。更重要的是，使用真正的门式起重机进行研究的成本是非常昂贵的。因此，有必要寻找一种低成本、高精度的方法。近年来，越来越多的仿真技术应用于港口研究。例如，Kim et al，（2013）用模拟方法研究海啸对Koborinai港的影响。仿真平台的使用也为上述问题提供了很好的解决方案。建立准确的仿真研究平台，可以大大降低门座起重机节能研究的成本。

目前，节能研究主要集中在集装箱港口，其中大部分只集中在电气或机械节能的一个方面。一些专家只考虑电气节能方法。例如，Chang et al，（2010），Iannuzzi，Piegari，Tricoli（2009）提出了基于AFE系统回收的能量节能方法。Beldiajev, Lehtla, and Molder (2010), Liu 等人，(2008)建议通过频率控制实现节能。另一方面，一些专家只考虑机械节能的方法。例如, Flynn, McMullen, and Solis (2008), Hearn et al. (2013) and Ahrens, Kucera, and Larsonneur (1996) 提出在起重机的操作使用过程中通过飞轮进行能量回收和释放。因此，无论是电气或机械行业，目前港口机械的仿真也成为港口机械的一部分。这两部分相结合的平台是罕见的。Knight等人（2012）使用SimPowerSystems建立龙门起重机电气仿真平台。可以通过平台获得工作过程的各个部分中的电压，电流和其他变化。该平台为门式起重机节能技术研究提供了基础。Cao等人 （2010）通过非单端滑动模式方法建立了控制器仿真模型，用于研究起重机电机速度控制。Tandel，Patel和Motiyani（2009）建立了起重机直流驱动模拟模型，以验证所提出的新方法对起重机电机驱动的可行性。Wang 等人，（2011）利用Soildworks建立了一种基于门槛起重机的40吨重和33米高的机械结构模型，用于研究变幅过程中铰接点处的应力变化。Yang，Zhang和Yu（2010）通过虚拟现实技术构建了一个三维模型仿真港口机械，但这种模拟主要用于教学任务，而不是用于节能机械。

上述港口机械仿真研究只集中在电气或机械部件，然而港口机械的整体模拟方法不能很容易地用于能源效率的研究。因此，结合门式起重机的特点和节能研究重点，本文通过Matlab / simMechanics和Matlab / simPower建立了机械模块，电子模块和驱动模块。本文将三个模块结合成一个整体的门式起重机模拟平台，实现门式起重机电气仿真与机械仿真的结合，为门式起重机节能研究提供了坚实的基础。为了验证模型的可靠性，我们模拟了可再生能源的功率和不同载荷下变幅机构的工作状况。实验结果表明，构造的门式起重机模拟平台可以快速，准确地模拟运行条件，为门式起重机节能研究提供了良好的实验基础。

2港口起重机的仿真建模

图2-1仿真平台设计

为了构建仿真平台，首先分析了龙门起重机的机械结构，并利用Matlab / Simulink建立了基于机械设计原理的龙门起重机机械模块。针对机构的实际运动，本文根据阻尼运动的原理设计了一种阻尼运动模块。第二，本文根据动力学方程建立了各种机制的动力学模型，并在Matlab / Simulink中基于该数学模型建立了控制模块。本文还分析了每种机制的驱动模式，并根据电气工程相关知识在Matlab / Simulink中构建了相关的电机模型。最后，将三个模块组合成一个完整的仿真平台，如图3-1所示。根据图2-1，使用Matlab / Simulink构建了龙门起重机节能研究的仿真平台，如图2-2所示。

第1部分是机械模型，第2部分是提供转矩和速度的电机模型，第3部分是为平台提供控制信号的控制模块，第4部分是负载，它是控制系统模拟不同负载的可变输入，第5部分是在不同负载下显示最佳变幅时间的屏幕。

图2-2总体仿真平台

3港口起重机的机械模拟模型

如图2-3所示，龙门起重机由三部分组成，即起升机构，变幅机构和回转机构。在本文中，为了简化模型，只构建了变幅机构。在构建变幅机构模型的过程中，首先根据运动特征构建组合臂架，然后基于平衡原理构建育种模块。最后，基于传动机构模块的特性构建了齿条和小齿轮机构。

图2-3龙门起重机组件

由simMechanics在matlab / Simulink中构建的龙门起重机的机械模型如图3-4所示。

第1部分是机械环境设置模块。该模块对于建立机械模型是十分必要的，它用于设置主要算法，误差，重力，步长和其他参数的模拟。第2部分是机架固定模块。该模块用作整个机械模型的固定点，并且它是绝对坐标系的原点，因为完整的机械模块通常具有至少一个接地模块。第3部分是具有阻尼因子的旋转模块。该模块用作不同铰链之间的刚性连接。为了使仿真更真实，阻尼因子也要被考虑在内。第4部分是jib模块。这个模块用于创建刚体，如臂，鼻子，杆，重量等，它是机械模型的基础。第5部分是鼻子头部的传感器模块，用于整个机械运动的检测和观察。第6部分是齿条驱动模块。该模块为变幅机构提供驱动力。

图2-4龙门起重机机械模型

图2-5平衡模块

在Matlab / Simulink中，接头是没有任何电阻的理想模块，使得变幅机构处于周期性振动的状态。为了满足实际情况，需要阻尼运动子模块在每个节点或关节，这是具有阻尼的运动。图2-5显示了一个平衡模块，用于确定弹性K和阻尼系数D。通过计算和测试确定，最佳弹性和阻尼系数为10^-9和10^-2。

驱动器模型是整个机制的关键。起重机的驱动器是一种驱动副臂的齿条，齿条通常由小齿轮驱动。小齿轮旋转时齿条直线运动。其结构如图2-6所示。因此，本文定义了一个2个自由度的接头，以实现从平移到滚动的传输。

建立上述模型后，本文完成了龙门起重机模拟的设计。图2-7是龙门起重机的可视化图。在图2-7中，res机架由图2-4中的jib模块组成。我们可以从可视化图中观察龙门起重机的操作和模拟。

图2-6驱动模块的参数设置

图2-7龙门起重机的可视化图

4港口起重机电机模拟模块

在本节中，根据电机的基本原理构建了Matlab / Simulink中的电机模型。在龙门起重机电源系统中，交流电机通常容量较大。由于启动电流过大，导致电网电压下降，并对其他电气设备的正常工作产生影响。因此，通常在电动机中使用电压降低启动模式以减小启动电流。本文还使用这种模式建立了电机仿真模型。

传统的降压启动方法包括星——三角启动和自耦变压器启动等。基于晶闸管交流电压调节原理的许多软启动控制器已经实现，本文使用这种软启动控制器来控制电动机启动。软启动控制器可以限制通过电压调节器的启动电流，并且电机通常显示高启动转矩。在启动结束时，软启动控制器将被接触器切断，电机将连接到三相电源以完成启动过程。电气原理图如图2-8所示。软启动电路由三相晶闸管电压调节器电路、软启动控制器（给定积分器）和触发器等组成。晶闸管控制角从大变小，使电机上的电压从小到大逐渐上升。

图2-8晶闸管软启动的电气原理图

图2-6显示了整个电机的已建模型。根据提供的信息，整个电机模型由部分1电机，部分2触发器，部分3晶闸管控制器，部分4GI和部分5 Fcn组成。电机模型根据实际情况设置。触发器为晶闸管控制器提供脉冲。晶闸管控制器用于调节交流电压，以提供电机启动。

图2-9龙门起重机的电机仿真模型

5港口起重机控制仿真模块

控制模块是基于龙门起重机起升机构分析建立的动态模型。起升机构是一个重要的机构，其作用是提升货物。起升机构一般由驱动器，制动器，传动装置，卷绕装置等部件组成。 图2-10是在2.2节中根据龙门起重机的组成和公式求解最优变幅时间的控制仿真模块。

上面建立的控制模块可以控制3.1和3.2中建立的机械模型和电机模型，为整个模拟奠定基础。

图2-10控制仿真模块

6模拟模型验证

本文使用MATLAB / Simulink构建了机械模块，电机模块和控制模块。这三个模块组合成一个完整的模拟平台。整个仿真平台基于40t-30m龙门起重机的参数建立，如表3-1所示。

表1是10吨，20吨，30吨和40吨不同载荷的40吨龙门起重机的功率和高度之间的关系图。

从图中可以看出，功率与负载质量成正比，与高度的平方成正比，即。从纵坐标可以看出，功率首先在短时间内增加，但随着高度的增加逐渐趋于平缓。图中直线和曲线的交点显示了在不同负载下所需功率下所需的高度。

图3-1起升机构功率图

图3-2门式起重机的最大和最小变幅

如图3-2所示，在仿真平台中可以观察到最大和最小变幅下的运行状态。在变幅过程中，可以通过安装在鼻子上的传感器观察运动路径。图3-3为龙门起重机在32吨载荷下的运动轨迹。

从图3-3中的门式起重机的振幅曲线可以看出，变幅过程的模拟不是严格的线性运动，而是曲线运动的轻微波动，波动lt;0.2 m，与现实生活中门座起重机变幅过程相匹配。这一发现证实，设计的仿真平台能真正恢复龙门起重机在现实生活中的变幅机构运动。

图3-3龙门起重机的起伏曲线

表1模拟平台的关键参数

总之，我们使用Matlab构建一个门式起重机模拟平台，可以在龙门起重机的操作过程中快速，准确地模拟变幅机构的工作和能量再生。这可能是门式起重机可再生能源研究的良好基础。

7结论

本文研究了门式起重机模拟模型的建立，通过组合机械模块，电气模块和驱动模块，通过Matlab / simMechanics和Matlab / simPower建立了一种模拟平台的方法。该方法实现了机电仿真门式起重机的集成。第二部分详细描述了建立模型的过程。为了验证模型的可靠性，在第三部分中，我们模拟了可再生能源的功率和在不同负载下的变幅机制的工作。仿真结果表明，龙门起重机模拟平台是可以现实的。该平台可以快速准确地提供实验数据，为门式起重机的节能模拟研究提供良好的实验基础。

8致谢

本研究得到上海市项目科学技术委员会（编号13510501800），上海市教育委员会项目（编号14ZZ140）的支持。

9文献引用

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[5]F

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