1-1-  پیشگفتار

 
از ابتدای خلقت انسان تا کنون حمل بار یکی از بزرگترین چالش­های است که بشر با آن مواجه بوده، و به گواه باستان­شناسان همواره در تکاپو بوده تا رهیافتی ساده­تر و دقیقتر برای آن داشته باشد. یکی از اولین و مهمترین این روشها، اختراع چرخ بوده که با گذر تاریخ این وسیله پیشرفت­های بسیاری داشته به گونه­ای که در دنیای مدرن امروزی می­توان مدعی بود که حمل هر نوع باری با دقت بسیار بالا امکان­پذیر است.
پس از کشف ماشین بخار و بهره­گیری از آن در کشتی­ها که قدمت آن به بیش از سیصد سال می­رسد، بیش از پیش حمل­ونقل دریایی یکی از مطمئن­ترین و ارزانترین روش­ها برای حمل بار بوده و امروزه نیز با وجود پیشرفت فراوان در سایر روش­های حمل­ونقل، هنوز هم راه دریایی یکی از بهترین روش­ها محسوب می­شود؛ به گونه­ای که دسترسی به آب­های آزاد و امکان تجارت دریایی یکی از موارد استراتژیک برای دولت­ها به­شمار می­آید.
امروزه به منظور حمل بارهای خطرآفرین، پرحجم و سنگین در کارخانه­ها، بندرها، تاسیسات هسته­ای و سازه­های مرتفع از جرثقیل استفاده می­کنند.
جرثقیل­ها را بر اساس ساختاری به دو نوع چرخشی[1] و ستون­دار[2] تقسیم بندی می­کنند. جرثقیل­های حامل کانتینر از نوع جرثقیل­های ستون­دار می­باشد. دو نوع جرثقیل­­ حامل کانتینر وجود دارند. این دو عبارتند از: جرثقیل­ سوار بر ریل مجاور بندر[3] و جرثقیل­ لاستیک پلاستیکی ستون دار[4].
جرثقیل­های ستون­دار دارای یک ارابه[5] می­باشند که به صورت افقی حرکت می­کند. بار توسط یک کابل به ارابه وصل می­گردد. طول این

 کابل به هنگام فرآیند بالاکشیدن بار[6] تغییر می­کند. اغلب این دسته از جرثقیل­ها را به صورت یک پاندول ساده[7] مدل می­کنند. این جرثقیل­ها انواع مختلفی دارند که جرثقیل­های حامل کانتینر یکی از آن­ها می­باشد. این جرثقیل­ها در حمل کانتینر از کشتی به اسکله و بالعکس مورد استفاده قرار می­گیرد. (شکل ‏1‑1) نمونه­ای از این نوع جرثقیل­ها را نشان می­دهد. در این کار به کنترل و مدل­سازی این دسته از جرثقیل­های ستون­دار می­پردازیم.

از اقسام دیگر جرثقیل­های ستون­دار، جرثقیل­های ستون­دار محل­کار[8] و جرثقیل­های ستون­دار سوار بر ریل[9]، که به ترتیب در حمل اجناس کوچک در کارخانه­ها و اجناس سنگین در کارخانه­ای اتومبیل­سازی، کاغذسازی و نورد فولاد استفاده می­شوند، می­باشند.
جرثقیل­های حامل کانتینر نوع اول، در این کار مدنظر ما خواهد بود. به طور معمول کنترل این دسته از جرثقیل­ها بر اساس سه عملکرد گذاشتن ارابه[10] (انتقال بار از کشتی به بندر و بالعکس)، بالاکشیدن بار و پایین­آوردن آن؛ جداگانه مورد بررسی قرار می­گیرند. ما در این کار، روی کنترل فرآیند گذشتن ارابه تمرکز خواهیم کرد. این نوع از جرثقیل­ها تفاوت مهمی با سایر جرثقیل­های ستون­دار دارند، که این تفاوت در داشتن چهار عدد طناب برای بالاکشیدن است؛ به طوریکه این چهار طناب به چهار گوشه­ی یک تخته­ی پخش­کننده[11]، که بر روی کانتینر قرار گرفته است، وصل می­شوند. به این تخته پخش کننده در جرثقیل­های حامل کانتینر، سکوی کانتینر[12] نیز می­گویند. این تغییر ساختار، مدل و دینامیک این جرثقیل­ها را نسبت به سایر جرثقیل­های ستون­دار  متفاوت می­کند. بنابراین دیگر نمی­توان مدل این جرثقیل­ها را به صورت یک پاندول ساده در نظر گرفت.

1-1-  ضرورت طراحی کنترل­کننده­

 
در جهان مدرن امروزی همگان از اهمیت دستاوردهای اقتصادی افزایش سرعت حمل­ونقل آگاه هستند. یکی از این رهیافت­های افزایش سرعت جابه­جایی بار استفاده از کانتینرها به منظور حمل­ونقل بار توسط کشتی­ها می­باشد. از طرف دیگر، در حمل­ونقل دریایی زمان بسیاری به هنگام تخلیه بار و با انتقال آن در کشتی به هدر می­رود. این کار بسیار مهم توسط جرثقیل­های حامل کانتینر انجام می­شود. بارهای کانتینری در هنگام جابه­جایی تاب می­خورند. این تاب­خوردن­ها ناشی از عنصر اینرسی[1]، که همان بار می­باشد، است؛ هم­چنین این تاب خوردن­ها با عواملی چون افزایش سرعت و شتاب ارابه­ی این جرثقیل­ها و اغتشاشاتی مانند باد تشدید می­شوند. تجاوز این تاب خوردن­ها از حد قابل مجازشان منجر به خطرات سهمگینی خواهد شد. علاوه بر این، در نقطه مقصد نیز باید این تاب خوردن­ها به صورت کامل حذف گردد. در نتیجه اغلب رانندگان ماهر جرثقیل­ با کم نمودن به موقع حرکت ارابه از بروز چنین حوادثی جلوگیری می­کنند. ایرادی که در انجام به این رویه کاری وجود دارد در این است که ابتدا نیاز به استخدام یک راننده بسیار ماهر در این زمینه خواهیم داشت؛ که این به نوبه­ی خود هزینه خواهد داشت. دومین مطلب اینکه هر چقدر هم که این رانندگان ماهر باشند؛ باز هم خطر بروز حوادثی ناشی از بی­دقتی یا مطلوب نبودن شرایط جسمانی و روانی راننده  وجود خواهد داشت. در آخر راننده­های بسیار ماهر هم قادر به حمل بار با بیشترین سرعت ممکن و در عین حال کاهش تاب خوردن­ها به کم­ترین مقدار ممکن نیستند. در واقع انسان هیچ­گاه قادر به حرکت در بهینه ترین مسیر در چنین مسایلی نخواهد بود. بنابراین نیاز به طراحی یک کنترل­کننده­ی بهینه به منظور کاهش این تاب­خوردن­ها ضروری می­باشد.
 
 

1-2- تاریخچه

 
در کارهایی که تا به حال دیده شده است، نیروی کنترلی را با نیروی تولیدکننده­ی حرکت خطی ارابه معادل می­گیرند. بنابراین کنترل­کننده در حرکت ارابه و در نتیجه سرعت جابه­جایی بار تاثیر منفی خواهد داشت. هم­چنین اکثر این کنترل­کننده­ها حلقه باز[2] بوده و در نتیجه در مقابل نامعینی و اغتشاش حساس می­باشند. در بسیاری از موارد در آن­ها از شکل­دهی ورودی[3] استفاده شده است که یک کنترل­کننده­ی حلقه باز می­باشد. نکته­ی آخر در طراحی چنین کنترل­کننده­هایی ضرورت انجام طراحی مسیر می­باشد. در [1]،  یک کنترل­کننده­ی نیروی فعال[4] را برای جرثقیل­های ستون­دار طراحی کرده­اند. این کنترل­کننده دقیقاً روی نیروی حرکت دهنده­ی ارابه پیاده شده است. با این حال، در [1] ادعا شده است که کنترل­کننده در مقابل اغتشاشات عملکرد مقاومی[5] از خود نشان می­دهد. در [2]، برای مدل خطی جرثقیل­های حامل کانتینر یک کنترل­کننده­ی بهینه­ی خطی ساخته شده است. هم­چنین این کنترل­کننده را عملاً با کمک حس­گرهای[6] مناسب پیاده­سازی نموده­اند. برای تشخیص جابه­جایی تخته پخش­کننده از پردازش تصویر[7] با کمک دوربینی تعبیه شده در قسمت تحتانی ارابه و نشان­گرهایی بالای تخته­ی پخش­کننده استفاده شده است. برای تشخیص مکان و سرعت ارابه هم به ترتیب از کدکننده[8]  و تولیدکننده­ی تاکو[9] استفاده شده است. به طور طبیعی خطی بودن مدل و کنترل­کننده­ی بهینه خواص غیرخطی سیستم را حفظ نمی­کند؛ همچنین در این کار، راه حلی برای جداکردن کنترل­کننده از ارابه ارایه نشده است. در[3]، یک مدل غیرخطی را به کمک شبکه عصبی[10] کنترل بهینه نموده­اند. در [4]، یک کنترل­کننده­ی غیرخطی بر مبنای خطی­سازی پس­خورد[11] برای جرثقیل­های حامل کانتینر طراحی شده است. به علاوه در این کار عمل بالاکشیدن نیز منظور شده است. یکی از مشکلات عمده­ی استفاده از این مدل­ها، عدم توانایی آن­ها در بیان انحراف پیچشی[12] بار می­باشد. این حرکات پیچشی بر اثر بار به مقدار کمی به­وجود می­آیند. علاوه بر این، بنا به دلایلی چون عدم برابری طول جفت کابل­های چپ و راست، باد و عدم تعادل در بار موجود در کانتینر تشدید می­شوند. بنابراین، علاوه بر کنترل تاب خوردن­ها باید این پیچش­ها را نیز کنترل نمود. در [5]، دو راه برای کنترل این­گونه از پیچش­ها پیشنهاد شده است:

• کنترل مستقل جفت طناب­های چپ و راست یا بالاکشیدن و پایین­آوردن هر یک از آن­ها که اگر چه حرکت پیچشی را کنترل می­کند، خود می­تواند در تشدید تاب­خوردن­ها تاثیر منفی بگذارد.
• حرکت هر یک از دو جفت کابل، توسط دو واگن تعبیه شده در ارابه، در جهت مخالف یکدیگر روی محور x با نیرویی برابر و مخالف یکدیگر به­طوریکه منجر به تولید یک گشتاور بشود. این گشتاور همان کنترل­کننده­ی حرکات پیچشی خواهد بود. نحوه­ی پیاده­سازی چنین کنترل­کننده­ای در شکل‏1‑2 آورده شده است.

به منظور رفع مشکل تاثیر کنترل­کننده بر روی حرکت ارابه می­توان از عملکرد بالاکشیدن به عنوان کنترل­کننده استفاده کرد [6]. بدین صورت که با تغییر طول طناب یک نیروی کجی[13] تولید می­شود. به این ترتیب تاب خوردن را می­توان با آن نیروی کج کنترل نمود. مشکلات این کار در پیچیدگی و دشواری مدل­سازی می­باشد. علاوه بر این وظیفه تغییر طول کابل با راننده­ی جرثقیل خواهد بود. بنابراین از زمان فرمان تغییر طول کابل توسط راننده تا شکل­گیری این تغییر طول زمانی طول خواهد کشید. در نتیجه نیاز به طراحی کنترل­کننده­ی با پس­خورد تاخیردار[14] می­باشد.

این کنترل­کننده­ها به دلیل پس­خوردبودن در مقابل نامعینی و اغتشاشات مقاوم هستند. به منظور حفظ خواص غیرخطی سیستم، طراحی کنترل­کننده­های غیرخطی مطلوب می­باشد که طراحی این کنترل­کننده­ها برای سیستم­های تاخیردار در [7] نیز انجام شده است. راه کاری دیگر که برای جداکردن کنترل­کننده از ارابه در نظر گرفته شده است؛ به این صورت می­باشد که در بالای تخته­ی پخش­کننده­ یک موتور به همراه دمپر و فنر قرار داده شده است [8]. این کار در مدل دو بعدی انجام شده است و به نظر می­رسد که رای مدل سه بعدی که دارای چهار کابل می­باشد پیاده­سازی چنین کنترل­کننده­ای بسیار دشوار باشد. شکل‏1‑3 طرح ارایه شده توسط کیم[1] را برای پیاده­سازی چنین کنترل­کننده­ای، نشان می­دهد [8]. کیم در این حالت از بررسی دینامیک ارابه، که دیگر به کنترل­کننده ربطی ندارد، چشم­پوشی کرده است. او پیشنهاد داده است که حرکت ارابه را به چشم اغتشاش باید دید.
در مورد روش­های مختلف مدل­سازی این دسته از جرثقیل­ها، باید گفت که از روش­های مختلفی بدین منظور استفاده شده است. در [9]، پیشنهاد شده است که این جرثقیل­ها را به صورت ربات­های موازی[2] مدل­سازی کنند؛ تا آن آزادی عمل بیشتر در حرکت آن­ها نشان داده بشوند. متاسفانه در این کار تنها به شبیه­سازی اکتفا شده است و وارد بحث کنترل این مدلها نشده است.