Flachheitsbasierte Trajektorienfolgeregelung für Drehkrane mit modellprädiktiver Trajektoriengenerierung

Die zunehmende Verflechtung der globalen Wirtschaft führt zu einem steigenden Warenumschlag und damit zu höheren Anforderungen an den Umschlagsprozess. Um diesen gerecht zu werden, müssen unter anderen die Be- und Entladevorgänge mit Kransystemen effizienter gestaltet werden. Da die Unterstützung der Kranführer durch Assistenz- und Automatisierungssysteme großes Potential zur Steigerung der Umschlagsleistung birgt, gewinnen diese Systeme mehr und mehr an Bedeutung. Im Bereich der Brückenkrane sind solche Systeme bereits Stand der Technik. Für Drehkrane treten einige Probleme auf, die dazu führten, dass bislang nur das in der Kooperation von der Liebherr AG mit dem Institut für Systemdynamik entwickelte System in großen Stückzahlen auf dem Markt vertreten ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Weiterentwicklung des Automatisierungssystems für Drehkrane, das in einer ersten Version im Jahr 2002 für Hafenmobilkrane der Firma Liebherr unter dem Namen Cycoptronic R? vorgestellt wurde. In dieser Arbeit werden die vollständige Entkopplung, die exakte Zustands-Linearisierung und die exakte Ein-/Ausgangs-Linearisierung angewendet, um Regelungen für die Bewegungsachsen des Krans zu entwerfen. Mit dieser Regelung kann die Kranlast auf einer vom Kranführer vorgegebenen Trajektorie schwingungsfrei im gesamten Arbeitsraum des Krans verfahren werden. Die Kranregelung basiert auf nichtlinearen, analytischen, dynamischen Modellen. Für den Reglerentwurf wird für alle dynamischen Modelle die differentialgeometrische Eigenschaft der Flachheit analysiert. Voraussetzung für die Trajektorienfolgeregelung sind hinreichend glatte Referenztrajektorien. Diese müssen in Echtzeit aus den Vorgaben des Kranführers bestimmt werden. Dafür wird in der vorliegenden Arbeit ein modellprädiktiver Ansatz verwendet, bei dem die Generierung der Referenztrajektorien als Optimalsteuerungsproblem formuliert und gelöst wird. Dabei werden Eingangs- und Zustandsbeschränkungen berücksichtigt. Zusätzlich bietet die modellprädiktive Trajektoriengenerierung die Möglichkeit, einen Automatik-Betrieb mit geringem Aufwand umzusetzen. Das Automatisierungskonzept umfasst neben der aktiven Pendeldämpfung und Trajektorienfolge für Dreh- und Wippwerk ein Regelungskonzept für das Schwenkwerk. Mit dem Schwenkwerk lässt sich die Orientierung der Kranlast verändern. Das Regelungskonzept besteht aus einer 2-Freiheitsgrade-Regelung und einem Algorithmus zur Parameterschätzung. Das in der vorliegenden Arbeit entwickelte Automatisierungskonzept für Hafenmobilkrane hat seine Leistungsfähigkeit im realen Kraneinsatz unter Beweis gestellt. Es wird von der Liebherr AG unter dem Namen Cycoptronic R? für die Hafenmobilkranserie LHM 120-600 weltweit vermarktet.