DE102007041692A1

DE102007041692A1 - Regelungseinrichtung zur Dämpfung von Pendelbewegungen einer seilgeführten Last

Info

Publication number: DE102007041692A1
Application number: DE200710041692
Authority: DE
Inventors: Uwe Ladra; Mario Lehnert; Alois Recktenwald
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2009-03-05
Also published as: WO2009030586A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelungseinrichtung zur Dämpfung von Pendelbewegungen einer seilgeführten Last, insbesondere einer Kranlast, mit einem an einem Lastaufnahmemittel montierbaren inertialen Meßsystem zur Erfassung von Pendelbewegungen der Last. Außerdem umfaßt die Regelungseinrichtung einen Regler zur Vorgabe eines Sollwerts zur Steuerung einer Antriebseinheit, die mit zumindest einem Aufhängepunkt der Last gekoppelt ist, entsprechend einem vorgebbaren Reglerfunktional in Abhängigkeit von einer zumindest auf einen erfaßten Pendelwinkel der Last bezogenen Regelabweichung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelungseinrichtung zur Dämpfung von Pendelbewegungen einer seilgeführten Last, die insbesondere bei Verfahrbewegungen der Last mit je nach Geschwindigkeit und Seillänge unterschiedlicher Intensität auftreten können.
Aus DE 30 05 461 A1 ist ein Kran mit einem Pendeldämpfungssystem bekannt, bei dem Sollwertverläufe für Fahrgeschwindigkeit und Pendelwinkel errechnet und einer Regeleinrichtung für den Fahrantrieb zugeführt werden. Dabei werden die Sollwertverläufe in einer Recheneinrichtung aus Eingangsgrößen, wie Seillänge und Gewichtskraft einer Last, auf Grundlage von für ein mechanisches Schwingungssystem geltenden Gleichungen berechnet. Während Anfahr- und Bremsvorgängen bezieht die Recheneinrichtung mehrere Umschaltpunkte in die Berechnung der Sollwertverläufe ein und benutzt diese als Maß für eine Vorgabe eines Antriebsmoments bzw. Antriebsstroms. Die Sollwertverläufe werden derart bestimmt, daß das Antriebsmoment beim Anfahren bzw. Bremsen zunächst einen Maximalwert annimmt, dann auf annähernd Null absinkt und anschließend bis zum Ende des Anfahrvorganges bzw. Bremsvorganges wieder den Maximalwert aufweist. Damit wird erreicht, daß der Pendelwinkel am Ende des Anfahr- bzw. Bremsvorganges Null ist.
Zur Pendelwinkelmessung des existieren verschiedene Möglichkeiten. Am weitesten verbreitet ist eine Verwendung von Kameras als berührungslosen optischen Meßsystemen. Darüber hinaus können auch Trag- oder Meßseile zur Messung eines Auslenkungswinkels oder Hall-Sensoren zur berührungslosen Messung eingesetzt werden.
Kameras zur Pendelwinkelmessung erfassen Pendelbewegungen bei Hubhöhen bis zu 50 m. Üblicherweise sind die Kameras an einer Katze eines Kranes befestigt und werden zur Ermittlung einer Position einer Reflektormarke verwendet, die auf einem Lastaufnahmemittel oder an einem Kranhaken befestigt ist. Auf diese Weise wird eine Meßgenauigkeit von ca. 0,1 mm pro Meter Entfernung erzielt. Neben einer zweidimensionalen Projektion einer Pendelbewegung können mit bekannten Bildverarbeitungssystemen Verdrehung einer seilgeführten Last und ihre effektive Hubhöhe bezogen auf die Katze eines Krans ermittelt werden.
Als Reflektoren können sowohl aktive als auch passive Marken verwendet werden, beispielsweise mit kontrastreichen Flächen oder Sendern codierter Infrarotsignale. Bekannte Bildverarbeitungssysteme für Einsätze unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgelegt, beispielsweise für Temperaturbereiche zwischen –25°C und 60°C. Auch Regen oder Schnee stellen für derartige Systeme keine nennenswerte Beeinträchtigung dar.
Optische Meßsysteme sind jedoch äußerst schmutz- oder staubanfällig. Schmutzschichten auf einem Reflektor oder Sichtbehinderungen durch Nebel können erhebliche funktionelle Einschränkungen verursachen. Beim Einsatz von Kamerasystemen an Kränen in einem Hafen oder einer Industrieanlage sind derartige Umgebungsbedingungen keine Seltenheit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, welche eine robuste Dämpfung von Pendelbewegungen einer seilgeführten Last ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Regelungseinrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß zur Dämpfung von Pendelbewegungen einer seilgeführten Last, insbesondere einer Kranlast, ein an einem Lastaufnahmemittel montierbares inertiales Meßsystem zur Erfassung von Pendelbewegungen der Last vorgesehen ist. Außerdem umfaßt die erfindungsgemäße Regelungseinrichtung einen Regler zur Vorgabe eines Sollwerts zur Steuerung einer Antriebseinheit, die mit zumindest einem Aufhängepunkt der Last gekoppelt ist, entsprechend einem vorgebbaren Reglerfunktional in Abhängigkeit von einer zumindest auf einen erfaßten Pendelwinkel der Last bezogenen Regelabweichung. Durch Verzicht auf ein optisches Meßsystem ist die erfindungsgemäße Regelungseinrichtung wesentlich unempfindlicher gegenüber Sichtbehinderungen oder Verschmutzungen von abzutastenden Referenzmarken.
Vorteilhafterweise ist die Regelabweichung zusätzlich auf eine Pendelgeschwindigkeit und/oder eine Pendelbeschleunigung bezogen. Hierdurch läßt sich eine besonders gute Regelungsgüte erzielen.
Der erfaßte Pendelwinkel kann ferner ein Raumwinkel sein. Zusätzlich kann die Regelabweichung auf eine erfaßte translatorische Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung der Last bezo gen sein, so daß sich auch Drehpendelungen der seilgeführten Last um ihre Quer-, Längs- oder Hochachse berücksichtigen lassen. Vorteilhafterweise kann das Meßsystem zur Erfassung von Bewegungen der Last entlang von 3 zueinander orthogonalen Achsen sowie optional oder zusätzlich zur Erfassung von Rotationsbewegungen der Last um 3 zueinander orthogonale Achsen ausgebildet sein.
Entsprechend einer bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist der Regler durch eine rechnerbasierte Einrichtung gebildet. Der Regler kann außerdem mit einer Systemzustandsbeobachtungseinrichtung gekoppelt sein, in welcher ein Schwingungsmodell der seilgeführten Last unter Berücksichtigung einer variablen Seillänge abgebildet ist, woraus sich eine weitere Erhöhung der Regelungsgüte ergibt. Vorteilhafterweise kann der Regler mit einer Hindernisüberwachungseinheit gekoppelt sein, die zur Vorgabe von Stellgrößenbeschränkungen an den Regler vorgegeben ist, so daß sich auf diese Weise Kollisionen vermeiden lassen.
Die Antriebseinheit kann sowohl zum Anheben und Absenken der Last in einer im wesentlichen vertikalen Ebene als auch zum Beschleunigen der Last entlang eines Transportwegs in einer im wesentlichen horizontalen Ebene ausgebildet sein. Dabei kann die erfindungsgemäße Regelungseinrichtung auch zur Dämpfung von Lastpendelungen verwendet werden, die während eines Verfahrvorgangs infolge von Hub- oder Absenkbewegungen auftreten.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
1 ein Anwendungsumfeld der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Last mittels eines Krans von einer Startposition zu einer Zielposition tranportiert wird,
2 ein vereinfachtes Blockschaltbild für eine Regelungseinrichtung zur Dämpfung von Pendelbewegungen einer seilgeführten Last.
In 1 ist eine Katze 101 eines Containerkrans dargestellt, die entlang eines Auslegers 102 des Containerkrans verfahrbar ist. Auf der Katze 101 ist ein Hubwerk 103 angeordnet, an dem über ein Seil 104 ein Lastaufnahmemittel 105 für eine zu transportierende Last 106 hängt.
Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei der Last 106 um einen Container. Die Last 106 soll von einer Startposition 161 über eine Containerstapelanordnung 107 zu einer Zielposition 162 transportiert werden und dort auf einem ausgewählten Container 108 abgesetzt werden. Für eine Transport entlang eines Verfahrwegs 109 wird die Last 106 zunächst bis auf eine sichere Höhe angehoben, horizontal verfahren und anschließend auf dem Zielcontainer 108 abgesetzt.
Das Hochheben und Absetzen der Last 106 kann grundsätzlich durch Steuerung des Hubwerks 103 von Hand erfolgen, da hierbei auftretende Lastpendelungen gering sind. Beim horizontalen Verfahren der Laufkatze 101 mit daran hängender Last 106 können jedoch Pendelbewegungen auftreten. Daher erfolgt die Steuerung des Fahrantriebs der Laufkatze 101 manuell oder automatisch unter Einbeziehung einer Regelungseinrichtung zur Dämpfung von Pendelbewegungen einer seilgeführten Last, die unerwünschte Lastpendelungen ausregelt. Entlang eines Förderwegs 110 der Last 106 werden sowohl Fahrantrieb der Laufkatze 101 als auch Antrieb des Hubwerks 103 automatisch geregelt. Zur Ermittlung der Förderwegs 110 von der Startposition 161 bis zur Zielposition werden Position und Ausdehnung der Containerstapelanordnung 107 berücksichtigt.
Die Regelungseinrichtung zur Dämpfung von Pendelbewegungen einer seilgeführten Last umfaßt ein an einem Lastaufnahmemittel 105 montierbaren inertialen Meßsystem 151 zur Erfassung von Pendelbewegungen der Last 106. Außerdem umfaßt die Regelungseinrichtung einen Regler 111 zur Vorgabe eines Sollwerts zur Steuerung einer Antriebseinheit der Laufkatze 101 und des Hubwerks 103 entsprechend einem vorgebbaren Reglerfunktional in Abhängigkeit von einer zumindest auf einen erfaßten Pendelwinkel der Last 106 bezogenen Regelabweichung.
Das Reglerfunktional kann beispielsweise dem eines PID-, Lead-/Lag-, Riccati-Reglers oder eines nichtlinearen Kennfeld-Reglers entsprechen, wobei letztgenannter auch als Fuzzy-Regler realisiert sein kann. Der Regler ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine rechnerbasierte Einrichtung realisiert, die an der Laufkatze 101 angeordnet ist.
Inertiale Meßsysteme werden üblicherweise zur Bestimmung eines dynamischen Bewegungsverhaltens, zur Bahnvermessung und Navigation eingesetzt. Dabei werden für eine Ermittlung von translatorischen und rotatorischen Bewegungsanteilen Beschleunigungssensoren oder Drehratensensoren verwendet. Durch Signalverarbeitung werden Bewegungsgrößen wie Position, Orientierung im Raum, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Winkelgeschwindigkeit dreidimensional ermittelt. Im Unterschied zu Kamerasystemen sind inertiale Meßsysteme schmutzunempfindlich sind und liefern daher ein Meßsignal, das auch bei kritischen Umgebungsbedingungen im wesentlichen immer verfügbar ist.
Während mit einem inertialen Meßsystem eine Pendelbewegung in ihren Einzelheiten genau erfaßt werden kann, liefern Kamerasysteme lediglich einen Pendelwinkel als Meßgröße. Damit stehen bei einer Verwendung eines inertialen Meßsystems stehen deutlich mehr Meßgrößen wie Winkelgeschwindigkeit oder -beschleunigung zur Verfügung. Neben reinen Weggrößen können mit einem inertialen Meßsystem im Prinzip alle translatorischen und rotatorischen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten in 3 Achsen bzw. um 3 Drehachsen erfaßt werden, wodurch Aussagen zu Verdrehungen der Last 106, wie Skew, Roll und Pitch, abgeleitet werden können.
Durch eine Vielzahl zur Verfügung stehender Meßgrößen können erweiterte Pendelmodelle berücksichtigt werden, bei denen neben einer Auslenkung einer seilgeführten Last auch ihre Verdrehungen ausgeregelt werden können. Werden durch ein inertiales Meßsystem bereitgestellte als Einganggrößen für ein erweitertes Pendelmodell verwendet, ist im Vergleich zu bisherigen optischen Systemen eine schnellere und genauere Reaktion der Regelungseinrichtung auf Störgrößen wie Windkräfte möglich, da optische Systeme erst bei signifikanten Lastauslenkungen verwertbare Meßsignale liefern.
Neben den durch ein inertiales Meßsystem erfaßten Meßgrößen können dem Regler 111 zusätzlich an den Antriebseinheiten von Katze 101 und Hubwerk 103 verfügbare Meßgrößen zugeführt werden, so daß im wesentlichen sämtliche eine Verfahrbewegung eines Krans beschreibende Informationen ausgewertet werden können. Stehen einige dieser Meßgrößen nicht per se in den Antriebseinheiten zur Verfügung, können zusätzliche Sensoren verwendet werden. Beispielsweise kann die Beschleunigung der Katze 101 durch einen installierten Beschleunigungsaufnehmer erfaßt werden.
Ein beispielhaftes Blockschaltbild der Regelungseinrichtung zur Dämpfung von Pendelbewegungen einer seilgeführten Last ist in 2 dargestellt. Dabei wird die Antriebseinheit 211 für die Katze 101 durch einen Geschwindigkeitsregler 212 und einen nachgeordneten Stromregler 213 in Abhängigkeit eines Sollwerts v_KS und eines Istwerts v_K für die Geschwindigkeit der Katze 101 angesteuert. Der Geschwindigkeits-Istwert v_K wird mittels eines Inkrementalgebers 214 an der Antriebseinheit 211 erfaßt und an den Regler 111 übermittelt. Der Geschwindigkeits-Sollwert v_KS wird durch den Regler 111 berechnet und an die Regler 212, 213 übermittelt.
In einer Recheneinrichtung 221 wird eine Soll-Trajektorie x_LS(t) für die seilgeführte Last 106 vom Startpunkt 161 zum Zielpunkt 162 berechnet und dem Regler 111 zugeführt. Der Regler 111 bestimmt bei jeder Änderung der Soll-Trajektorie x_LS(t) den Geschwindigkeits-Sollwert v_KS derart, daß unerwünschte Lastpendelungen vermieden werden.
Zur Ermittlung der Soll-Trajektorie x_LS(t) der seilgeführten Last 106 werden zunächst Hindernisse auf potentiellen Wegen der seilgeführten Last vom Startpunkt 161 zum Zielpunkt 162 und auf die Last 106 einwirkende Kräfte ermittelt. Unter Berücksichtigung ermittelter Hindernisse und Kräfte wird eine im Hinblick auf die Zeit zur Bewegung der Last 106 vom Start punkt 161 zum Zielpunkt 162 optimale Trajektorie als Soll-Trajektorie x_LS(t) ermittelt, entlang derer die Last 106 bewegt werden soll. Für die Ermittlung der Soll-Trajektorie x_LS(t) werden beispielsweise Masse der Last 106, Masse der Katze 101, aktuelle Seillänge und maximal zulässige Grenzwerte für die Geschwindigkeit der Katze 101 berücksichtigt.
Zur Ausregelung der Lastpendelungen erhält der Regler 111 vom Inkrementalgeber 214 laufend die Ist-Position x_K und den Geschwindigkeits-Istwert v_K der Katze 101 sowie vom inertialen Meßsystem 151 Pendelwinkel, Winkelgeschwindigkeit und -beschleunigung der seilgeführten Last 106, je nach Anforderung an die Regelungsgüte auch als Raumwinkel.
Die Antriebseinheit 231 des Hubwerks 103 wird ebenso wie die Antriebseinheit 211 der Katze 101 durch einen Geschwindigkeitsregler 232 mit einem nachgeordneten Stromregler 233 in Abhängigkeit eines Sollwerts V_HS und eines Istwerts v_H für die Geschwindigkeit des Hubwerks 103 angesteuert. Die Ist-Position x_H Der Geschwindigkeits-Istwert v_H des Hubwerks 103 werden mittels eines Inkrementalgebers 234 an der Antriebseinheit 231 des Hubwerks 103 erfaßt und an den Regler 111 übermittelt.
Der Geschwindigkeits-Sollwert v_HS wird durch den Regler 111 aus der Soll-Trajektorie x_LS(t) für die seilgeführte Last 106 abgeleitet, die in der Recheneinrichtung 221 ermittelt wird. und an die Regler 232, 233 übermittelt.
Aus der Ermittlung einer zeitoptimalen Soll-Trajektorie x_LS(t) ergibt sich eine wirksame Dämpfung von möglichen Pendelungen der seilgeführten Last 106 auch bei Hubbewegungen der Last 106 während der Bewegung vom Start- zum Zielpunkt. Aufgrund der Berücksichtigung derartiger Hubbewegungen der Last 106, bei denen sich insbesondere die Frequenz von Lastpendelungen ändert, wird eine vollautomatische Lastpositionierung ermöglicht. Außerdem bietet die Auswahl einer zeitoptimaler Soll-Trajektorie x_LS(t) zur Lastbewegung den Vorteil einer erhöhten Umschlagleistung.
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3005461 A1 [0002]

Claims

Regelungseinrichtung zur Dämpfung von Pendelbewegungen einer seilgeführten Last, insbesondere einer Kranlast, mit einem an einem Lastaufnahmemittel montierbaren inertialen Meßsystem zur Erfassung von Pendelbewegungen der Last, einem Regler zur Vorgabe eines Sollwerts zur Steuerung einer Antriebseinheit, die mit zumindest einem Aufhängepunkt der Last gekoppelt ist, entsprechend einem vorgebbaren Reglerfunktional in Abhängigkeit von einer zumindest auf einen erfaßten Pendelwinkel der Last bezogenen Regelabweichung.
Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Regelabweichung zusätzlich auf eine Pendelgeschwindigkeit und/oder eine Pendelbeschleunigung bezogen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der erfaßte Pendelwinkel ein Raumwinkel ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Regelabweichung zusätzlich auf eine erfaßte translatorische Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung der Last bezogen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Meßsystem zur Erfassung von Bewegungen der Last entlang von 3 zueinander orthogonalen Achsen ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Meßsystem zur Erfassung von Rotationsbewegungen der Last um 3 zueinander orthogonale Achsen ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Regler durch eine rechnerbasierte Einrichtung gebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Regler mit einer Systemzustandsbeobachtungseinrichtung gekoppelt ist, in welcher ein Schwingungsmodell der seilgeführten Last unter Berücksichtigung einer variablen Seillänge abgebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Regler mit einer Hindernisüberwachungseinheit gekoppelt ist, die zur Vorgabe von Stellgrößenbeschränkungen an den Regler vorgegeben ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Antriebseinheit zum Anheben und Absenken der Last in einer im wesentlichen vertikalen Ebene und/oder zum Beschleunigen der Last entlang eines Transportwegs in einer im wesentlichen horizontalen Ebene ausgebildet ist.