CN104671090A - 用于影响起重机上所吊挂重物的运动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于影响重物的运动的方法，所述重物这样悬挂在起重机上，使得至少四个设置在起重机上的起重机悬挂点中的一个分别通过至少一个绳索式固定器件与至少四个设置在重物上的重物悬挂点中的一个相连，并且固定器件与调节装置相连，通过调节装置可单独改变固定器件在各悬挂点之间的长度，并且其中，在起重机上设有尤其是光学的检测装置，通过该检测装置能够在重物围绕竖轴线进行旋转运动时检测重物的旋转角和/或旋转角的至少一个时间导数，检测旋转角和/或导数，并且通过使用数学模型以及在考虑重物悬挂结构的几何形状的情况下计算用于调节装置的额定值，并且控制调节装置使其达到额定值。本发明还涉及一种起重机。

Description

用于影响起重机上所吊挂重物的运动的方法

技术领域

本发明涉及一种用于影响起重机上所吊挂重物的运动的方法以及一种起重机。

背景技术

为了转运重物，例如从船舶转运到载重汽车或者火车上，使用起重机，尤其是所谓的集装箱装卸桥。这种起重机可以具有基本上水平定向的悬臂以及可借助移动式吊车驱动装置沿着悬臂线性运动的移动式吊车。还可以设置起重机驱动装置，通过该装置通常可以使整个起重机横向于移动式吊车的运动方向并且因此横向于悬臂移动。

为了进行运输过程，待转运的重物(其可以是集装箱等)通过一个或多个绳索式固定器件(例如绳索、链条、带子等)固定在起重机上，尤其是固定在起重机的移动式吊车上。绳索式固定器件的长度可通过配属于移动式吊车的提升机构改变。重物可以直接固定在绳索式固定器件上。作为备选，固定器件可以与重物承接器件(例如所谓的吊箱架)相连，所述重物承接器件承接所述重物。为此，所述吊箱架优选包括能够抓取不同尺寸的重物的抓取装置。

通过绳索式固定器件和必要时通过吊箱架悬挂在移动式吊车上的重物可以由提升机构提升，通过移动式吊车沿悬臂的运动以及悬臂或者整个起重机尤其横向于移动式吊车运动方向的运动从船舶运输到陆地上或者从陆地运输到船舶上并且卸货。

在这种运输过程中存在的问题是，由绳索引导的重物由于移动式吊车的运动和起重机的运动以及外部因素的影响(如风)会产生不同的振荡式运动。在此，重物可能产生平移式的运动(即螺摆式的运动)以及围绕其轴线的振荡旋转运动(其中重物旋转摇摆式地运动)。在后边这种旋转式振荡运动中，尤其是重物围绕竖轴线的旋转运动较为重要，其也称为歪斜运动(Skew-Bewegung)。

因为重物的不同振荡运动存在风险，必须对这些运动进行观察并且在必要时采取应对措施。由现有技术已知，检测有待借助起重机转运的由绳索引导的重物的当前摇摆角和/或旋转角。在此，作为摇摆角通常测量或者检测重物在至少一个将其固定到移动式吊车上的绳索式固定器件与垂线之间形成的角的当前偏转状态，或者其在由移动式吊车的运动方向和垂线形成的平面内的投影。旋转角指的是当重物围绕其轴线旋转时相对零点位置扭转的角度。如果重物进行歪斜运动，即围绕竖轴线进行旋转运动，则所述角也称为歪斜角(Skew-Winkel)。

为了检测当前摇摆角和旋转角尤其使用配属于起重机结构的光学检测装置，例如摄像机系统，通过它们可以观察重物的平移式和/或旋转式的振荡运动。

由现有技术已知，从检测到的当前摇摆角出发，例如有针对性地这样控制移动式吊车的运动，从而影响、尤其是削弱重物的平移式振荡运动。对于重物围绕其轴线的旋转运动、尤其是重物的歪斜运动通过控制起重机的起重机驾驶员手动地进行影响。在此，起重机设备的安全运行依赖于起重机驾驶员的能力和经验。因此这种纯手动的操作方式在某些方面被认为是不利的。

发明内容

由现有技术出发，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于影响起重机上所吊挂的、围绕竖轴线进行旋转运动的重物的运动的方法，通过这种方法能够可靠地影响旋转运动并且因此确保安全的重物运输。

该技术问题按本发明通过一种用于影响起重机上所吊挂重物的运动的方法解决，其中，所述重物通过绳索式固定器件这样悬挂在起重机上，使得至少四个设置在起重机上的起重机悬挂点中的一个分别通过至少一个绳索式固定器件与至少四个设置在重物或者重物承接器件上的重物悬挂点中的一个相连，并且其中，所述绳索式固定器件与调节装置相连，通过所述调节装置能够单独地改变绳索式固定器件在各个起重机悬挂点和与该起重机悬挂点相连的重物悬挂点之间的长度，并且其中，在起重机上设有尤其是光学的检测装置，通过所述检测装置能够在重物围绕竖轴线进行旋转运动时检测重物的旋转角和/或旋转角的至少一个时间导数，其中，

-借助所述检测装置检测重物的旋转角和/或旋转角的至少一个时间导数，

-基于所检测的旋转角和/或时间导数并且通过使用用于描述重物旋转运动的数学模型以及在考虑重物悬挂结构的几何形状的情况下计算用于所述调节装置的额定值，并且

-控制所述调节装置使其分别达到所计算的额定值。

按照本发明，在借助起重机运输由绳索引导的重物时，通过有针对性地单独或特殊地改变将重物保持在起重机上的绳索式固定器件的长度，影响重物围绕竖轴线的旋转运动，该旋转运动也称为歪斜运动并且例如由于外部因素(如风)或者由于起重机或部件本身为了重物运输过程所需而进行的运动引起。

在按照本发明方法的范围内，借助设置在起重机上的检测装置(其可以是例如摄像机系统)检测当前旋转角和/或当前旋转角的时间导数，例如旋转角速度和/或旋转角加速度。从所检测的旋转角或时间导数出发，确定用于调节装置的额定值，借助所述调节装置能够单独地改变绳索式固定器件的长度。为此，按照本发明使用数学模型，通过该数学模型描述重物的旋转运动，并且考虑重物悬挂结构的几何形状，尤其是起重机悬挂点和重物悬挂点的位置，以及绳索式固定器件的走向，所述绳索式固定器件一方面与起重机相连，并且另一方面与重物或承载重物的重物承接器件相连。

接着将通过使用数学模型并且在考虑重物悬挂结构的几何形状的情况下确定的额定值传输给调节装置，按照所述额定值控制或调节所述调节装置。最终通过单独地改变绳索式固定器件的长度以有针对性的方式方法影响重物的旋转运动。

通过使用按照本发明的方法，即使有外部因素(如风)影响，重物在运输过程中也能稳定运行。最终确保了特别可靠的重物运输。

重物悬挂结构的几何形状例如是这样的，即至少一个绳索式固定器件分别将至少四个起重机悬挂点之一与至少四个重物悬挂点之一相连。

按照本发明，绳索式固定器件在每个起重机悬挂点和与其相连的重物悬挂点之间的长度例如可以与其它对悬挂点(亦即其它悬挂点对)之间的长度无关地改变。每个起重机悬挂点和与之相连的重物悬挂点均配属有调节装置，所述调节装置与相应的绳索式固定器件相连。作为备选，例如对于起重机悬挂点和重物悬挂点分别形成一个矩形的情况，起重机悬挂点和与之相连的重物悬挂点之间的长度可以按照对置的顶点成对地改变。

所述绳索式固定器件在各个起重机悬挂点和与该起重机悬挂点相连的重物悬挂点之间尤其倾斜于垂线地延伸。这表示在固定器件与垂线之间形成大于零的角。在此需要调节到重物的静止位置。不能排除重物例如由于摇摆运动而进入绳索式固定器件暂时沿垂线延伸的位置的可能性。如果绳索式固定器件按照前述方式延伸，则可以通过改变固定器件的长度有效地影响重物围绕竖轴线的旋转运动。

按照按本发明方法的一种实施形式规定，设有四个起重机悬挂点和四个重物悬挂点，所述起重机悬挂点和重物悬挂点分别形成一个矩形，并且这两个矩形尤其是不相似的，尤其不是相同的。如果形成了矩形，则例如由起重机悬挂点形成的矩形可以具有比由重物悬挂点形成的矩形更大的面积。

作为调节装置例如可以使用液压缸。所述液压缸例如分别与绳索式固定器件之一的自由端部相连。通过液压缸的移入和移出，可以由此改变绳索式固定器件在各个起重机悬挂点和与之相连的重物悬挂点之间的长度。这种液压缸的动力通常与所出现的重物振荡式旋转运动相比较快，使得绳索式固定器件的长度变化几乎直接发生在振动时长的时间范围内。

本发明的另一种实施形式的特征在于，计算重物的旋转运动的有效惯性和重物的旋转运动的有效刚性，并且由所计算的有效惯性和所计算的有效刚性计算重物的旋转运动的固有角频率，并且在计算用于调节装置的额定值时予以考虑。

可以将重物的旋转运动的有效刚性(也可称为歪斜刚性)视为当重物从其静止位置围绕竖轴线扭转时的回复力矩的量度。

作为对前述由有效惯性和有效刚性计算重物的振荡式旋转运动的固有角频率的备选或补充，例如也可以借助振荡实验确定固有角频率。

按照按本发明方法的另一种有利的设计方案，借助所使用的数学模型模拟简单的扭转振荡器(Torsionsschwinger；亦可称为“扭转振子”)地计算需要削弱的重物运动。

另一种实施形式的特征还在于，推导并且使用调节法则，通过该调节法则能够借助调节装置将绳索式固定器件在各个起重机悬挂点和与该起重机悬挂点相连的重物悬挂点之间的长度的变化换算为重物的旋转角所产生的变化。

业已证明相宜的是，针对重物悬挂结构的具体几何形状确定调节法则，通过该调节法则建立绳索式固定器件的长度变化和重物旋转角所产生的变化之间的关系。

按照本发明还可以规定，确定角调节信号并且在计算用于调节装置的额定值时予以考虑。在此例如可以使用之前确定的调节法则，以便由角调节信号确定用于调节装置的额定值。

在此还可以规定，所述角调节信号包括至少两个分量，尤其是通过用于定位重物的额定参量给定的第一分量和通过用于影响重物的旋转运动的可控参量给定的第二分量。在这种情况下，角调节信号由用于定位重物(也可称为歪斜定位，Skew-Positionierung)的额定参量以及用于影响重物的旋转运动的可控参量组成。

在扩展设计中规定，确定所述角调节信号的第一分量，通过所述第一分量能够调节重物的预设位置，尤其是重物的零点位置。由此能够通过使用按照本发明的方法以特别简单的方式将重物置于期望的位置。所述期望的位置尤其可以是指零点位置，在该位置上，例如重物的纵轴或者横轴平行于起重机悬臂的纵轴定向。

作为备选或补充可以规定，确定所述角调节信号的第二分量，通过所述第二分量能够在预设的程度内实现对重物的旋转运动的削弱和/或能够将重物的旋转运动的固有角频率调节为预设的值。

直至重物的振荡停止所需的时间取决于振荡的周期。也就是所述时间间接地与振荡的固有角频率成比例。因此，在固有角频率较高时用于减小振荡的绝对时间小于在固有角频率较低时的绝对时间。由于按照本发明能够以前述方式改变重物旋转运动的固有角频率，所以能够有针对性地影响、尤其是减小用于使振荡减小或停止所需的绝对时间。

按照另一种实施形式，计算用于所述角调节信号的、与重物悬挂结构的几何形状和/或调节装置的特性有关的最大值。由此可以将用于调节装置的额定值限定在物理上可行或有意义的范围内。此外，这种实施形式尤其能够避免将调节装置的尺寸设计得过大。为此按照本发明地计算根据重物悬挂结构的几何形状能够实现的最大角调节信号，并且由所述最大角调节信号确定所对应的调节装置的最大需要的调节路径。最终能够最佳地设计可以实施按照本发明方法的起重机，由此尤其节约了成本。

在本发明的扩展设计中还规定，确定绳索式固定器件的刚性和/或重物的质量和/或设置在重物上的重物承接器件的质量和/或重物的惯性力矩和/或重物承接器件的惯性力矩和/或重物的提升高度，并且在计算用于调节装置的额定值时予以考虑。例如在计算重物旋转运动时可以使用这些参量。在此，尤其可以借助适当的传感器尤其通过使用者一次性地或者尤其以预设的时间间隔多次地确定所述绳索式固定器件的刚性和/或重物的质量和/或设置在重物上的重物承接器件的质量和/或重物的惯性力矩和/或重物承接器件的惯性力矩和/或重物的提升高度。如果例如重物和/或重物承接器件或者提升高度发生改变，则需要重新确定前述参量。所述确定过程例如可以手动地通过用户进行，该用户调节参量，从而使这些参量可供需要按照本发明进行的计算使用。作为备选，也可以例如借助适当的传感器例如总是以预设的时间间隔自动地检测前述参量。

另一种实施形式的特征在于，在计算用于调节装置的额定值时，使用至少一个控制技术上的观察者模型(Beobachtermodell)，通过所述观察者模型尤其观察旋转角和/或旋转角的至少一个时间导数。

对观察者模型(也称为观察者)的使用在控制技术领域是已知的。通过观察者可以由已知的输入参量(如可控参量)和所观察的参考系统的已知输出参量(如测量参量)重建状态。也可以说这些状态是可观察的。观察者例如使用在被控系统的建模领域。真实的被控系统的物理特性可以通过微分方程以数学方式建模。它们通常是线性的或者线性化的并且能够作为一阶微分方程组以矩阵方式表达。然而，因为数学模型和真实的被控系统的特性并不是准确一致，所以它们随时间不同地变化。观察者理论当前引入了用于将数学模型与真实的被控系统进行比对校正的反馈。

在一种有利的设计方案中还可以规定，将按照本发明的方法作为完整的状态控制执行。以此方式可以一次影响所有状态。

本发明的另一技术主题是一种用于转运重物的起重机，所述重物通过绳索式固定器件这样悬挂在起重机上，使得至少四个设置在起重机上的起重机悬挂点中的一个分别通过至少一个绳索式固定器件与至少四个设置在重物或者重物承接器件上的重物悬挂点中的一个相连，并且其中，所述绳索式固定器件与调节装置相连，通过所述调节装置能够单独地改变绳索式固定器件在各个起重机悬挂点和与该起重机悬挂点相连的重物悬挂点之间的长度，并且其中，在起重机上设有尤其是光学的检测装置，通过所述检测装置能够在重物围绕竖轴线进行旋转运动时检测重物的旋转角和/或旋转角的至少一个时间导数，并且起重机具有计算装置和控制装置，所述计算装置设计用于通过使用前述按照本发明的方法计算用于调节装置的额定值，并且所述控制装置设计用于控制所述调节装置使其达到所述额定值。

以此方式设计的起重机能够在设计结构上实现按照本发明的方法，用于影响起重机上所吊挂重物的运动。

按照本发明起重机的另一实施形式的特征在于，设有移动式吊车，所述移动式吊车能够借助移动式吊车驱动装置沿起重机的悬臂线性运动，并且在移动式吊车上设有至少四个起重机悬挂点。

在按照本发明起重机的一种有利扩展设计中，所述绳索式固定器件在各个起重机悬挂点和与该起重机悬挂点相连的重物悬挂点之间倾斜于垂线地延伸。

附图说明

在附图中：

图1示出按照本发明的起重机，其具有悬臂和可沿悬臂移动的移动式吊车，重物通过绳索式固定器件固定在移动式吊车上；

图2示出图1所示的重物和其在移动式吊车上的悬挂结构的放大图；

图3示出图1和图2所示的重物的悬挂结构的几何形状的示意图；

图4示出图1至图3所示的重物的俯视图；并且

图5示出按照本发明的用于影响图1至图4所示的重物的运动的方法的框图。

具体实施方式

图1示出起重机1，在此是集装箱装卸桥，其包括基本上水平延伸的悬臂2以及可沿悬臂2移动的移动式吊车3。所述移动式吊车3配属有未在附图中显示的驱动装置，移动式吊车可通过该驱动装置沿悬臂2在两个方向上运动。

重物(在所示实施例中指的是集装箱5)通过绳索式固定器件(在此是四条绳索4)固定在起重机1的移动式吊车3上。集装箱5需要从未在附图中显示的船上运输到同样未显示的载重汽车上。所述四条绳索4在图1中只示意性地通过一条绳索4表示。

图2示出图1所示的集装箱5和其在移动式吊车3上的悬挂结构的放大图，其中使用了滑轮组式的重物悬挂结构。为此，在承载集装箱5的重物承接器件上设有四个转向轮7，所述重物承接器件指的是矩形的吊箱架6。如在图3(其中示意性地示出绳索4和悬挂点的几何形状)中清楚可见的那样，吊箱架6上的四个转向轮7定义出四个重物悬挂点C_1-4。由这四个重物悬挂点C_1-4形成了具有较短侧c和较长侧d的矩形。

另有八个转向轮8安装在移动式吊车3上(在图2中没有示出移动式吊车3本身，而是只示出了设置在移动式吊车3上的悬挂重物所需的部件)。移动式吊车3上的转向轮8分为四对，其中，每对转向轮8分别定义出一个在起重机1的移动式吊车3上的起重机悬挂点K_1-4。在图3中可清楚看出，起重机悬挂点K_1-4同样形成一个矩形，其具有较短侧a和较长侧b。由起重机悬挂点K_1-4形成的矩形具有比由重物悬挂点C_1-4形成的矩形更大的面积。绳索4相对于图2和图3所示的集装箱5的静止状态倾斜地延伸穿过具体的几何形状，即与垂线(在图3中是Z轴)成一定角度地延伸。

每条绳索4将一对转向轮8连接在移动式吊车3上，即起重机悬挂点K_1-4通过大致处于该对转向轮下方的转向轮7连接在吊箱架6即重物悬挂点C_1-4上。具体地说，绳索4分别通过转向轮对的第一转向轮8在移动式吊车3上导引，延伸至吊箱架6上的转向轮7并且从该转向轮往回向该转向轮对的第二转向轮8导引。

每条绳索4还通过其两个自由端部之一与四个设置在移动式吊车3上的调节装置(在此是液压缸9)之一相连。借助液压缸9可以单独地，也就是与绳索4在其它分别相互连接的悬挂点之间的长度无关地改变每条绳索4在起重机悬挂点K_1-4之一和与其相连的重物悬挂点C_1-4之间的长度。每条绳索的另一自由端部与同样设置在移动式吊车3上的提升机构10相连。通过提升机构10可以同步地改变所有四条绳索4在重物和起重机悬挂点C_x、K_x之间的长度。

在运输过程中，通过绳索4固定在移动式吊车3上的集装箱5由于移动式吊车3、起重机1以及外部影响因素(如风)的运动而进行不同类型的振荡运动。在此，集装箱5既可能被激励引起平移式振荡运动(即螺摆式运动)，也可能围绕其轴线之一进行振荡式旋转运动(即旋转摇摆式的运动)。在此，集装箱5围绕其中央竖轴线H的振荡式旋转运动具有重要意义，其也称为歪斜运动。集装箱5的中央竖轴线H在图2和图3所示的集装箱5静止位置中垂直地定向并且从中心延伸穿过起重机悬挂点K_1-4和重物悬挂点C_1-4的布置结构。集装箱5围绕其中央竖轴线H的歪斜运动在图2和图3中通过箭头表示。

因为集装箱5的不同振荡运动会带来风险，所以必须对这些运动进行观察并且采取应对措施。因此，应用按照本发明的方法，以便影响起重机上所吊挂重物的运动，该重物围绕其竖轴线进行旋转运动。为了在设计上实现所述方法，按照本发明的起重机1具有只在图5的框图中示出的光学检测装置，其在此是指设置在起重机1上的摄像机系统11。起重机1还包括计算装置12以及控制装置13，所述计算装置设计用于通过应用所述方法计算用于液压缸9的额定值，所述控制装置设计用于将液压缸9调节为额定值。

在执行所述方法时，通过摄像机系统11记录集装箱5的运动。以适当的时间分辨率通过本身已知的方式检测集装箱5的当前歪斜角ψ和其当前的歪斜角速度如图4所示，所述当前歪斜角ψ是当集装箱5围绕其竖轴线H进行振荡式旋转运动时相对于零点位置转过的角度。所述歪斜角速度是歪斜角的时间导数，其例如可以通过对两次相隔一定时间的角度测量求差而得到。

最后，基于通过摄像机系统11检测的歪斜角ψ_mess和歪斜角速度和通过应用描述集装箱5的旋转运动的数学模型以及考虑集装箱悬挂结构的几何形状按照本发明地计算用于液压缸9的额定值。

以下还将详细阐述的数学模型保存在计算装置12中。在计算装置12中还保存有控制技术上的观察者模型。如图5的框图所示从摄像机系统11传输至计算装置12的当前歪斜角ψ_mess和当前歪斜角速度在步骤S1中借助观察者模型进行观察。由此改善了信号质量，例如抑制或者整平了噪声或信号偏差值并且在必要时桥接所出现的短期信号中断。

为了计算用于液压缸的额定值，首先按照本发明地计算集装箱5的歪斜运动的有效惯性J_ψ和有效刚性k_ψ。

在此，用于有效刚性k_ψ(也可以称为歪斜刚性)的公式如下地得到。首先，从重物悬挂结构的几何形状出发建立绳索4在各个起重机悬挂点K_1-4和通过各条绳索4与起重机悬挂点相连的重物悬挂点C_1-4之间的长度的关系。在此认为，绳索4和悬挂点K_1-4、C_1-4的整个布置结构在集装箱5的静止位置中相对于X-Z平面和Y-Z平面是对称的(X-、Y-和Z-方向在图3中示出)。此外认为，集装箱5只围绕其竖轴线H(在静止位置中平行于Z轴)旋转。对于悬挂点K₁和C₁以及K₃和C₃之间的各绳索长度||L_1,3||得到：

$\left|\right|L_{\mathrm{1,3}}\left|\right|=\frac{\sqrt{{(a-c\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)+d\sin \left(\mathrm{\ψ}\right))}^2+{(d\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)-b+c\sin \left(\mathrm{\ψ}\right))}^2+{4z}^2}}{2}$

并且对于悬挂点K₂和C₂以及K₄和C₄之间的各绳索长度||L_2,4||得到

$\left|\right|L_{\mathrm{2,4}}\left|\right|=\frac{\sqrt{{(b-d\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)+c\sin \left(\mathrm{\ψ}\right))}^2+{(c\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)-a+d\sin \left(\mathrm{\ψ}\right))}^2+{4z}^2}}{2}$

应用这些规则来推导出调节法则，通过该调节法则能够借助液压缸9将绳索4在各个起重机悬挂点K_1-4和与该起重机悬挂点相连的重物悬挂点C_1-4之间的长度的变化换算为集装箱5的旋转角ψ所产生的变化。

调节法则描述当期望形成某个歪斜角ψ时如何调节各个相互连接的起重机悬挂点K_1-4和重物悬挂点C_1-4之间的四个绳索长度。

对于较小的歪斜角ψ可以将这种关系线性化。在长度变化和歪斜角变化之间形成比例因数：

$\frac{{\∂L}_1}{\∂\mathrm{\ψ}}{|}_0=\frac{\mathrm{ad}-\mathrm{bc}}{2\sqrt{{4z}^2+{(a-c)}^2+{(b-d)}^2}}=:\frac{1}{\mathrm{\α}}$

对于给定的重物悬挂几何结构存在可达到的最大歪斜角。

由简单的几何考虑出发，可以将最大歪斜角ψ_grenz确定为：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{grenz}}=\arctan \left(\frac{b}{a}\right)-\arctan \left(\frac{d}{c}\right)$

对于a＝2.3m，c＝1.0m和b＝d＝5.4m，可达到的最大歪斜角为ψ_grenz＝12.58°。沿正旋转方向的歪斜运动通过连接悬挂点K₁和C₁以及K₃和C₃的绳索4限制，而沿负旋转方向的歪斜运动通过连接悬挂点K₂和C₂以及K₄和C₄的绳索4限制。由于几何布置结构而可达到的最大歪斜角ψ_grenz要求8.2mm的液压缸9调节路径。

通过这种认知由理论上的观察可以最佳地设计液压调节系统，并且可以例如在前期就避免将液压缸9的尺寸设计得过大。

除了几何上的关系，为了执行按照本发明的方法，还应用具有已知的拉格朗日方程的微分方程来描述系统的动态：

$Q=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{\∂T}{\∂\stackrel{\·}{q}}\right)-\frac{\∂(T-V)}{\∂q}=M\left(q\right)\stackrel{\·\·}{q}+C(q,\stackrel{\·}{q})$

其中具有质量矩阵M和一般非线性函数C。

其中，动能T

$T=\frac{1}{2}m{\stackrel{\·}{z}}^2+\frac{1}{2}{J}_{\mathrm{\ψ}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}^2$

势能V

$V=\mathrm{mgz}+\underset{v=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2}{k}_{\mathrm{Seil}}{(L_0-L_v)}^2$

并且广义坐标的向量q

$q=\left[\begin{array}{c}z\\ \mathrm{\ψ}\end{array}\right]$

此外，m是重物的质量，J_ψ是集装箱5围绕其竖轴线H(在静止位置中围绕Z轴)的惯性力矩，通过所述惯性力矩给定歪斜运动的有效惯性，g是重力常数，z是提升高度，k_Seil是承载绳索的刚性，L₀是未伸长的绳索4的长度并且L_ν是伸长的绳索4的长度。

工作点是集装箱5的静止位置，工作点在重力作用下处于该位置上。歪斜角ψ和歪斜角速度为零并且绳索4相对于未伸长状态中的长度L₀伸长。在此适用：

$0=\mathrm{mg}+{4k}_{\mathrm{Seil}}{z}_0-\frac{{8k}_{\mathrm{Seil}}{L}_0{z}_0}{\sqrt{{{4z}_0}^2+{(a-c)}^2+{(b-d)}^2}}$

平衡条件只能数字地求解。但是对于较小的歪斜角ψ，可以在工作点进行线性化。由此得到：

$Q=M\stackrel{\·\·}{q}+\mathrm{Kq}$

其中质量矩阵

$M=\left[\begin{array}{cc}m& 0\\ 0& J_{\mathrm{\ψ}}\end{array}\right]$

并且刚性矩阵

$K=\frac{\∂C(q,\stackrel{\·}{q})}{\∂q}{|}_0=\left[\begin{array}{cc}{k}_Z& 0\\ 0& k_{\mathrm{\ψ}}\end{array}\right]$

沿垂直方向(在图3中沿Z方向)作用的绳索4的刚性对于静止位置为：

k_Z＝4k_Seil-k_Führung

$k_{\mathrm{Seil}}=\frac{{\mathrm{EA}}_{\mathrm{Seil}}}{L_0}$

$k_Z=\frac{{4\mathrm{EA}}_{\mathrm{Seil}}}{L_0}-(\frac{{8\mathrm{EA}}_{\mathrm{Seil}}}{{({4z}^2+{(a-c)}^2+{(b-d)}^2)}^{\frac{1}{2}}}-\frac{{32\mathrm{EA}}_{\mathrm{Seil}}{z}^2}{{({4z}^2+{(a-c)}^2+{(b-d)}^2)}^{\frac{3}{2}}})$

刚性分量k_Führung通过绳索倾斜地导引、即与垂直走向偏离地布置而形成，这在图3中可良好地看出。如从前边四个方程中最上边的一个可以看出，刚性k_z相当于四倍的绳索刚性k_seil减去刚性分量k_Führung。在前述方程中，E是绳索的弹性模量并且A_seil是绳索的有效横截面面积。

对于绳索直线延伸导引的情况(gS)，即适用a＝c并且b＝d，由于绳索导引产生的刚性损失必须为零：

k_{Führung，gS}＝0

有效的歪斜刚性k_ψ以直观解释的方式描述了当集装箱5从其静止位置围绕其竖轴线H扭转、即进行歪斜运动时的回复力矩的量度，对于静止位置的情况所述有效的歪斜刚性如下计算：

$\begin{array}{c}{k}_{\mathrm{\ψ}}=k_{\mathrm{Seil}}\frac{\mathrm{Term}2}{\mathrm{Term}1}-{2k}_{\mathrm{Seil}}\frac{(L_0-{\left(\mathrm{Term}1\right)}^{\frac{1}{2}})(\frac{c(a-c)}{2}+\frac{d(b-d)}{2}+\frac{c^2}{2}+\frac{d^2}{2})}{{\left(\mathrm{Term}1\right)}^{\frac{1}{2}}}\\ +k_{\mathrm{Seil}}\frac{(L_0-{\left(\mathrm{Term}1\right)}^{\frac{1}{2}})\·\mathrm{Term}2}{{\left(\mathrm{Term}1\right)}^{\frac{3}{2}}}\end{array}$

其中

$\mathrm{Term}1=z^2+\frac{{(a-c)}^2}{4}+\frac{{(b-d)}^2}{4}$

$\mathrm{Term}2={(\frac{d(a-c)}{2}+\frac{c(b-d)}{2})}^2$

在适用a＝c并且b＝d的绳索直线导引时，有效的歪斜刚性k_ψ简化为：

Term1＝z²；Term2＝0

$k_{\mathrm{\ψ},\mathrm{gS}}=k_{\mathrm{Seil}}\frac{0}{z^2}-{2k}_{\mathrm{Seil}}\frac{(L_0-{\left(z^2\right)}^{\frac{1}{2}})(\frac{c^2}{2}+\frac{d^2}{2})}{{\left(z^2\right)}^{\frac{1}{2}}}+k_{\mathrm{Seil}}\frac{(L_0-{\left(z^2\right)}^{\frac{1}{2}})\·0}{{\left(z^2\right)}^{\frac{3}{2}}}$

$k_{\mathrm{\ψ},\mathrm{gS}}=-2k_{\mathrm{Seil}}\·\frac{(L_0-z)(\frac{c^2}{2}+\frac{d^2}{2})}{z}$

$k_{\mathrm{\ψ},\mathrm{gS}}=k_{\mathrm{Seil}}\·\frac{(z-L_0)}{z}(c^2+d^2)$

借助只能数字地计算的有效歪斜刚性k_ψ，歪斜振荡的固有角频率可以直接地确定为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{skew}}=\sqrt{\frac{k_{\mathrm{\ψ}}}{J_{\mathrm{\ψ}}}}$

歪斜运动的有效惯性J_ψ通过集装箱5围绕Z轴的惯性力矩给定并且可以按照本身已知的方式计算。为了计算有效惯性J_ψ，检测集装箱5的几何形状和其质量分布并且保存在计算装置中。作为备选，对用于计算有效惯性所需参量的检测也可以自动化地、例如以预设的时间间隔多次地进行，因此这些参量即使在更换集装箱时也总是可供使用。

对重物歪斜运动的描述以及对歪斜运动的调节或控制模拟简单的扭转振荡器地进行。

在歪斜系统中得到：

$0=J_{\mathrm{\ψ}}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ψ}}+k_{\mathrm{\ψ}}(\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{stell}})$

$0=J_{\mathrm{\ψ}}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\ψ}}+k_{\mathrm{\ψ}}(\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pos}})+d_{\mathrm{\ψ}}\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{stell}}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pos}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{damp}}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pos}}-\frac{d_{\mathrm{\ψ}}}{k_{\mathrm{\ψ}}}\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{damp}}=\frac{d_{\mathrm{\ψ}}}{k_{\mathrm{\ψ}}}\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}=\frac{2D}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\ψ}}}\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}$ 其中 ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\ψ}}=\sqrt{\frac{k_{\mathrm{\ψ}}}{J_{\mathrm{\ψ}}}}$

ω_ψ是歪斜系统的固有角频率，D是以百分比形式表示的歪斜系统应进行的削减。由此得到基于控制技术真正地作用在所述系统上的物理削减d_ψ。

在此，ψ_Stell是按照本发明作为角调节信号计算的参量。

ψ_Stell包括两个分量，即通过用于定位集装箱5的额定参量ψ_pos给定的第一分量和通过用于影响、在此是削弱集装箱5的歪斜运动的可控参量ψ_damp给定的第二分量：

ψ_stell＝ψ_pos-ψ_damp

在此处所示的实施例中，按照本发明对集装箱5旋转运动的影响在完整状态控制的范围内进行，其实现了对两个状态即歪斜角ψ和歪斜角速度的加权反馈。为此使用两个参数r₁和r₂，通过它们可以在较宽范围内、在此通过极点配置调节系统的动力。

在图5所示的步骤S2中，ψ_damp通过以下控制规则构成：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{damp}}=r_1{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{beo}}+r_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{beo}}$

ψ_pos预设为额定参量，其借助图5所示的启动发生器14通过对给定的旋转角速度进行积分而形成，从而给定了用于定位集装箱5的额定参量ψ_pos的连续走向。如果在此只需要削减歪斜运动，则所述参数的形式为：

$\begin{array}{cc}{r}_1=0& r_2=\frac{{2D}_{\mathrm{skew}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\ψ}}}\end{array}$

在步骤S3中，参量ψ_stell限定为如上所述地取决于重物悬挂结构的具体几何形状的最大可能值ψ_stellgr。

最后在步骤S4中，通过应用长度变化和歪斜角变化之间的上述比例因数1/α由参量ψ_stell计算出用于液压缸9的额定值ΔL_soll。具体来说，用于液压缸9的四个额定参量的值相等。连接悬挂点C₁和K₁以及C₃和K₃的绳索式固定器件的符号(调节方向)与连接悬挂点C₂和K₂以及C₄和K₄的绳索式固定器件的符号相反。

接着，将所计算的用于液压缸9的额定值ΔL_soll传输至控制装置13，所述控制装置以本身已知的方式将与该控制装置13相连的四个液压缸9调节为所述额定值。所述控制装置13包括针对四个液压缸9中的每一个的模块(未在图5中示出)，所述模块执行对各个液压缸9的调节以使其达到额定值。

具体地说，位置控制回路例如通过传统的比例控制器闭合，所述比例控制器向液压阀传输调节信号，所述液压阀调节液压缸的油流并且由此产生长度变化。

通过对液压缸9的调节，将液压缸9的实际值ΔList调节为按照本发明计算的额定值ΔL_soll，如图5所示。通过绳索悬挂装置15(在图5中只示例性地示出)调节形成旋转角实际值ψ_ist以及实际旋转角速度它们重新借助光学检测装置11测量。

通过之前按照本发明描述的控制尤其能够毫无问题地补偿可能由于上述方程的线性化而产生的不准确性。

通过应用按照本发明的方法最终影响(在此处描述的实施例中具体是指削弱)了集装箱5的歪斜运动，并且能够确保起重机1的可靠运行。

此外，通过之前确定的关系，尤其是绳索在悬挂点之间的长度变化与由此产生的重物歪斜角的变化之间的关系，可以对由进行歪斜运动的绳索导引的集装箱5组成的系统进行模拟。这种模拟例如可以按照本发明在起重机投入运行之前进行，以便研究给定系统的动力。

尽管通过优选实施例详细解释和描述了本发明，但本发明并不局限于所公开的例子，本领域技术人员可以由此推导出其它变型方案，只要不超出本发明的保护范围即可。

Claims (16)

1.一种用于影响起重机(1)上所吊挂重物(5)的运动的方法，其中，所述重物(5)通过绳索式固定器件(4)这样悬挂在起重机(1)上，使得至少四个设置在起重机上的起重机悬挂点(K₁、K₂、K₃、K₄)中的一个分别通过至少一个绳索式固定器件(4)与至少四个设置在重物(5)或者重物承接器件(6)上的重物悬挂点(C₁、C₂、C₃、C₄)中的一个相连，并且其中，所述绳索式固定器件(4)与调节装置(9)相连，通过所述调节装置能够单独地改变绳索式固定器件(4)在各个起重机悬挂点(K₁、K₂、K₃、K₄)和与该起重机悬挂点相连的重物悬挂点(C₁、C₂、C₃、C₄)之间的长度，并且其中，在起重机(1)上设有尤其是光学的检测装置(11)，通过所述检测装置能够在重物(5)围绕竖轴线(H)进行旋转运动时检测重物的旋转角(ψ)和/或旋转角(ψ)的至少一个时间导数，其中，

-借助所述检测装置(11)检测重物(5)的旋转角(ψ)和/或旋转角(ψ)的至少一个时间导数，

-基于所检测的旋转角(ψ)和/或时间导数并且通过使用用于描述重物(5)的旋转运动的数学模型以及在考虑重物悬挂结构的几何形状的情况下计算用于所述调节装置(9)的额定值，并且

-控制所述调节装置(9)使其分别达到所计算的额定值。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，计算重物(5)的旋转运动的有效惯性和重物(5)的旋转运动的有效刚性，并且由所计算的有效惯性和所计算的有效刚性计算重物(5)的旋转运动的固有角频率，并且在计算用于调节装置(9)的额定值时予以考虑。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助所使用的数学模型模拟简单的扭转振荡器地计算需要削弱的重物(5)运动。

4.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，推导并且使用调节法则，通过该调节法则能够借助调节装置(9)将绳索式固定器件(4)在各个起重机悬挂点(K₁、K₂、K₃、K₄)和与该起重机悬挂点相连的重物悬挂点(C₁、C₂、C₃、C₄)之间的长度的变化换算为重物(5)的旋转角(ψ)所产生的变化。

5.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，确定角调节信号并且在计算用于调节装置(9)的额定值时予以考虑。

6.按权利要求5所述的方法，其特征在于，所述角调节信号包括至少两个分量，尤其是通过用于定位重物(5)的额定参量给定的第一分量和通过用于影响重物(5)的旋转运动的可控参量给定的第二分量。

7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，确定所述角调节信号的第一分量，通过所述第一分量能够调节重物(5)的预设位置，尤其是重物(5)的零点位置。

8.按权利要求6或7所述的方法，其特征在于，确定所述角调节信号的第二分量，通过所述第二分量能够在预设的程度内实现对重物(5)的旋转运动的削弱和/或能够将重物(5)的旋转运动的固有角频率调节为预设的值。

9.按权利要求5至8之一所述的方法，其特征在于，计算用于所述角调节信号的、与重物悬挂结构的几何形状和/或调节装置(9)的特性有关的最大值。

10.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，确定绳索式固定器件(4)的刚性和/或重物(5)的质量和/或设置在重物(5)上的重物承接器件(6)的质量和/或重物(5)的惯性力矩和/或重物承接器件(6)的惯性力矩和/或重物(5)的提升高度，并且在计算用于调节装置(9)的额定值时予以考虑。

11.按权利要求10所述的方法，其特征在于，借助适当的传感器尤其通过使用者一次性地或者尤其以预设的时间间隔多次地确定所述绳索式固定器件(4)的刚性和/或重物(5)的质量和/或设置在重物(5)上的重物承接器件(6)的质量和/或重物(5)的惯性力矩和/或重物承接器件(6)的惯性力矩和/或重物(5)的提升高度。

12.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在计算用于调节装置(9)的额定值时，使用至少一个控制技术上的观察者模型，通过所述观察者模型尤其观察旋转角(ψ)和/或旋转角(ψ)的至少一个时间导数。

13.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，设有四个起重机悬挂点(K₁、K₂、K₃、K₄)和四个重物悬挂点(C₁、C₂、C₃、C₄)，所述起重机悬挂点和重物悬挂点分别形成一个矩形，这两个矩形尤其是不相似的，尤其不是相同的。

14.一种用于转运重物(5)的起重机(1)，所述重物(5)通过绳索式固定器件(4)这样悬挂在起重机(1)上，使得至少四个设置在起重机(1)上的起重机悬挂点(K₁、K₂、K₃、K₄)中的一个分别通过至少一个绳索式固定器件(4)与至少四个设置在重物(5)或者重物承接器件(6)上的重物悬挂点(C₁、C₂、C₃、C₄)中的一个相连，并且其中，所述绳索式固定器件(4)与调节装置(9)相连，通过所述调节装置能够单独地改变绳索式固定器件(4)在各个起重机悬挂点(K₁、K₂、K₃、K₄)和与该起重机悬挂点相连的重物悬挂点(C₁、C₂、C₃、C₄)之间的长度，并且其中，在起重机(1)上设有尤其是光学的检测装置(11)，通过所述检测装置能够在重物(5)围绕竖轴线(H)进行旋转运动时检测重物的旋转角(ψ)和/或旋转角(ψ)的至少一个时间导数，并且起重机(1)具有计算装置(12)和控制装置(13)，所述计算装置设计用于通过使用按权利要求1至13之一所述的方法计算用于调节装置(9)的额定值，并且所述控制装置设计用于控制所述调节装置(9)使其达到所述额定值。

15.按权利要求14所述的起重机，其特征在于，设有移动式吊车(3)，所述移动式吊车能够借助移动式吊车驱动装置沿起重机(1)的悬臂(2)线性运动，并且在移动式吊车(3)上设有所述至少四个起重机悬挂点(K₁、K₂、K₃、K₄)。

16.按权利要求14或15所述的起重机，其特征在于，所述绳索式固定器件(4)在各个起重机悬挂点(K₁、K₂、K₃、K₄)和与该起重机悬挂点相连的重物悬挂点(C₁、C₂、C₃、C₄)之间倾斜于垂线地延伸。