Dynamikuntersuchung und Entwurf von Regelungsstrategien zum Betrieb von Containerkranen

Im Rahmen des Graduiertenkollegs „Seehäfen für Containerschiffe zukünftiger Generationen“ wird das Schwingungsverhalten eines Containerkrans mit dem Ziel untersucht, den Umschlagprozess durch Anwendung moderner Regelungstechnik zu verbessern.

Motivation

Der Containerumschlag wächst mit der Globalisierung stark an und Prognosen sagen eine weitere Zunahme der in Containern umgeschlagenen Güter voraus. Dadurch ergibt sich das Ziel, große Containermengen schnell und effizient handhaben zu können.

Bild 1: Containerschiff am Terminal Altenwerder (HHLA)

Containerbrücken werden heute meist von einem Fahrer bedient, der von der Laufkatze aus den Kran entlang der Kaimauer, die Laufkatze entlang des Auslegers sowie das Hubwerk steuert. Assistenzsysteme können dabei die Arbeit erleichtern, bergen aber Verbesserungspotentiale hinsichtlich ihrer Bedienung, Leistungsfähigkeit und Sicherheit.

Zur Erhöhung der Sicherheit sind Systeme denkbar, die Gefahren erkennen und davor warnen oder eingreifen, solange Schäden noch verhindert werden können. Solche Systeme müssen in erster Linie die Beschädigung des Krans durch Kollision mit Hindernissen wie zum Beispiel anderen Fahrzeugen ausschließen. Weiterhin sollte auch die Beschädigung der transportierten Güter durch starke Beschleunigung des Containers (besonders durch Stöße beim Aneinanderschlagen oder Absetzen) verhindert und der Komfort des Fahrers sowie die Lebensdauer des Krans erhöht werden.

Vorgehensweise

Im Projekt Dynamikuntersuchung und Entwurf von Regelungsstrategien zum Betrieb von Containerkranen sollen die Dynamik von Containerbrücken untersucht und Regelungsmöglichkeiten entwickelt werden.

Dabei kommen Methoden der Technischen Schwingungslehre, besonders der Dynamik von Mehrkörpersystemen zum Einsatz, um das Verhalten des Containers zu beschreiben. Mit dem Ziel, den Umschlagszyklus zu verbessern, werden moderne Steuerungs- und Regelungsalgorithmen untersucht und weiterentwickelt. Vorgehensweisen aus der robusten und nichtlinearen Regelung finden Anwendung, wobei auch die Regelung von stochastischen, also unsicheren Prozessen in Betracht gezogen wird. Dadurch kann auch Einflüssen wie Wind oder etwaigen Bedienfehlern des Fahrers Rechnung getragen werden.

Berechnungs- und Simulationsergebnisse werden durch Versuche am Containerbrückenversuchsstand im Institut für Mechanik und Meerestechnik validiert.

Publikationen

• Hoffmann, Christian and Radisch, Christian and Werner, Herbert: Active damping of container crane load swing by hoisting modulation - An LPV approach 2012 IEEE 51st IEEE Conference on Decision and Control (CDC): S. 5140--5145, dec 2012.
• Kreuzer, Edwin and Radisch, Christian: Active damping of rotational load oscillations at container cranes by individual rope length actuation PAMM, 13(1): S. 461--462, dec 2013.
• Kreuzer, Edwin and Radisch, Christian and Solowjow, Eugen, Grabe, Jürgen: Challenges in Modeling and Simulation in Port Development - A Mechanical Approach. In 3rd International Conference of the Research Training Group Ports for Container Ships of Future Generations�, Hamburg, 2014.
• E. Kreuzer and C. Radisch and E. Solowjow: Challenges in Modeling and Simulation in Port Development –- A Mechanical Approach. In Proc. of the International Conference on Ports for Container Ships of Future Generations, Hamburg, Germany, 2014.
• Kreuzer, Edwin and Radisch, Christian and Rapp, Christian, Peter, Eberhard and Ziegler, Pascal: Coupled Dynamics of a Container Crane With Active Damping of Load Swing. In Proceedings of the IMSD2012 - The 2nd Joint International Conference on Multibody System Dynamics, Stuttgart, Germany, 2012.
• Radisch, Christian, Grabe, Jürgen: Dynamic Analysis and Development of Control Concepts for Container Crane Operations. In 3rd International Conference of the Research Training Group Ports for Container Ships of Future Generations, Hamburg, 2014.
• Hansen, Andreas and Kreuzer, Edwin and Pick, Marc-André and Radisch, Christian: Dynamic Analysis of Tank Container Handling With Arbitrary Filling Level. In CADR Conference on Nonlinear Dynamics in Engineering: Modelling, Analysis and Applications, Jg. 051301Aberdeen, UK, 2013.
• Hansen, Andreas and Kreuzer, Edwin and Radisch, Christian: Handling of Partially Filled Tank Containers by Means of Cranes. In ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering Volume 1B: Offshore Technology, San Francisco, California, USA, jun 2014.
• Gonzales, Antonio Mendez and Hoffmann, Christian and Radisch, Christian and Werner, Herbert: LPV observer design and damping control of container crane load swing. In European Control Conference (ECC) 2013, Zurich, dec 2013.
• Hansen, Andreas and Kreuzer, Edwin and Radisch, Christian: Modeling and Control of Fluid Vibrations During the Tank Container Handling Process. In GACM Colloquium on Computational Mechanics, Hamburg, Germany, 2013.
• Bahr, Markus and Bauer, Maria and Groß eholz, Georg and Hamann, Thorben and Leonardi, Marzia and Pichler, Torben and Qiu, Gang and Radisch, Christian: Seehäfen für Containerschiffe zukünftiger Generationen - Forschungsprojekte der Stipendiaten der dritten Generation HANSA International Maritime Journal, 150(7): S. 93--97, 2013.
• Theis, Julian and Radisch, Christian and Werner, Herbert, Edward, Boje: Self-Scheduled Control of a Gyroscope. In Proceedings of the 19th World Congress, Jg. 19Cape Town, South Africa, aug 2014.
• Kreuzer, Edwin and Radisch, Christian, Ecker, Horst and Alois, Steindl and Jakubek, Stefan: Sliding Mode Control of Underactuated Mechanical Systems by Means of Nonlinear Sliding Surfaces. In ENOC 2014 - Proceedings of 8th European Nonlinear Dynamics Conference, Vienna, 2014.
• Bessa, Wallace M and Hackbarth, Axel and Kreuzer, Edwin and Radisch, Christian, Ecker, Horst and Alois, Steindl and Jakubek, Stefan: State and Parameter Estimation of an Electro-Hydraulic Servo System. In ENOC 2014 - Proceedings of 8th European Nonlinear Dynamics Conference, Vienna, 2014.
• Kreuzer, E. and Pick, M.-A. and Rapp, C. and Theis, J.: Unscented Kalman Filter for Real-Time Load Swing Estimation of Container Cranes Using Rope Forces Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 136(4), April 2014.