DE19519368A1

DE19519368A1 - Method for determining the position of weight

Info

Publication number: DE19519368A1
Application number: DE1995119368
Authority: DE
Inventors: Thomas Prof Dr Ing Bock; Werner Dipl Ing Leyh
Original assignee: Bilfinger und Berger Bau AG
Current assignee: Bilfinger SE
Priority date: 1995-05-26
Filing date: 1995-05-26
Publication date: 1996-11-28

Abstract

The crane-like extraction device comprises one or more rotatable axes, at which there is a mechanical non-rigid coupling between a drive motor and an actuator. A key feature is that, in an observable regulating step, the feedback value selects a status area, as well as position area, for accessing a regulating techniques area. From there, an appraisal for the status vector is built, from which the position of a weight is specified. Mathematical models of the physical properties of the extraction device are taken into account when determining the position of the weight.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position einer Last an einer kranähnlichen Fördervorrich tung, insbesondere einem Auslegerdrehkran.The invention relates to a method for determining the Position of a load on a crane-like conveyor tion, in particular a jib crane.

Die Automatisierungstechnik hat eine rasante Entwicklung in allen Bereichen der Fertigungstechnik genommen. In ei nigen Bereichen jedoch, beispielsweise in der Bauindu strie, läßt der gegenwärtige Automatisierungsgrad noch zu wünschen übrig. Die Erfindung wird im folgenden insbeson dere anhand des Beispiels eines Baukranes beschrieben, eignet sich aber allgemein für jede Fördervorrichtung, bei der die zur Bestimmung der Position der Last wesent lichen Zustandsgrößen der Last im physikalischen Zu standsraum durch einen mehrere Zustandsgrößen enthal tenden Zustandsvektor definiert sind. Welche der mögli chen Zustandsgrößen im Einzelfall zur Zustandsbe schreibung erforderlich sind hängt von den Gegebenheiten des Einzelfalls ab. Zu berücksichtigen sind hierbei z. B. die Zahl und Anordnung der Bewegungsachsen, die Art und Weise der Antriebe der Bewegungsachsen, das Optimierungs ziel, die Modellierung und Parametrisierung der Förder vorrichtung, die Art und Intensität der Störeinflüsse und die zur Verfügung stehenden Meßverfahren. Dem Fachmann sind für viele denkbare Einzelfälle geeignete Sätze an wesentlichen Zustandsgrößen bekannt.Automation technology has undergone rapid development taken in all areas of manufacturing technology. In egg some areas, however, for example in the construction industry strie, the current level of automation still allows wish left. The invention is in the following in particular described using the example of a construction crane, but is generally suitable for any conveyor, where the essential for determining the position of the load state variables of the load in the physical state containment space through one of several state variables tending state vector are defined. Which of the possible state variables in individual cases for the state assessment Spelling required depends on the circumstances of the individual case. To take into account are z. B. the number and arrangement of the axes of movement, the type and Way of driving the axes of motion, the optimization goal, the modeling and parameterization of the funding device, the type and intensity of the interference and the measurement methods available. The specialist are suitable sentences for many conceivable individual cases essential state variables known.

Die Fördervorrichtung weist im allgemeinsten Fall eine oder mehrere Bewegungsachsen auf, von denen eine oder mehrere nachgiebig gekoppelte Bewegungsachsen sind, die einen Antriebsmotor, der mittels einer Stellgröße gesteu ert wird und im Bereich dessen mechanischer Antriebseck frequenz die Bewegungsachse eine dominante mechanische Eigenfrequenz hat, einen Aktor auf der Lastseite des An triebsmotors und ein mechanisch nachgiebiges Kopplungs mittel, mittels dessen zur Übertragung der Bewegung des Antriebsmotors auf den Aktor der Antriebsmotor mit dem Aktor verbunden ist, aufweisen, wobei die Last mit einem Aktor verbunden ist.In the most general case, the conveyor device has a or several axes of movement, one or are several flexibly coupled motion axes that a drive motor that controls by means of a manipulated variable and in the area of its mechanical drive corner frequency the motion axis is a dominant mechanical Has natural frequency, an actuator on the load side of the An drive motor and a mechanically flexible coupling means by which to transmit the movement of the Drive motor on the actuator of the drive motor with the Actuator is connected, wherein the load with a Actuator is connected.

Kranähnliche Fördervorrichtungen zeichnen sich zunächst dadurch aus, daß die Last an einem Seilpendel angehängt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft jedoch auch Fördervorrichtungen, bei denen die Anbindung eines Aktors an den Antriebsmotor, also die mechanischen Übertragungselemente der nachgiebig gekoppelten Bewegungsachse zwi schen Last und Antrieb, biegesteifer sind als ein Seil und bei denen die Ähnlichkeit zu einem Kran dadurch be dingt ist, daß die mechanische Eigenfrequenz dieser An bindung von der Größenordnung der Antriebseckfrequenz ist.Crane-like conveyors initially stand out in that the load is attached to a rope pendulum is. However, the method according to the invention also relates Conveyors where the connection of an actuator to the drive motor, i.e. the mechanical transmission elements the flexibly coupled motion axis between load and drive, are more rigid than a rope and where the similarity to a crane is thereby thing is that the mechanical natural frequency of this An binding on the order of magnitude of the drive corner frequency is.

Das Verfahren zur Bestimmung der Position einer Last ver wendet das Ergebnis einer vorausgehenden Sensorkonfigura tion, in der Meßgrößen der Bewegungsachsen festgelegt werden, die mittels Sensoren technisch meßbar sind. Dabei umfaßt das Verfahren auch einen Meßschritt, in dem die Meßgrößen gemessen werden, und einen Sensordatenaufberei tungsschritt, in dem aus den gemessenen Meßwerten der Meßgrößen der Zustandsvektor gebildet wird.The procedure for determining the position of a load ver applies the result of a previous sensor configuration tion, in the measured variables of the axes of motion that are technically measurable using sensors. Here the method also includes a measuring step in which the Measured variables are measured, and a sensor data processing tion step in which the measured measured values of the Measured variables of the state vector is formed.

Zustandsgrößen sind dynamisch veränderliche Größen eines mathematisch-physikalischen Modells in der Zustandsraum darstellung, die den zeitlichen Verlauf des Energiegehal tes des durch das Modell beschriebenen realen Systems be schreiben. Die Anzahl der Energiespeicher des verwendeten Modells entspricht der Anzahl der Zustandsgrößen zu sei ner Beschreibung. Meßgrößen sind Größen, die mit Sensoren gemessen werden. Eine Meßgröße kann dabei, muß aber nicht einer Zustandsgröße entsprechen.State variables are dynamically variable quantities of a mathematical-physical model in the state space representation showing the temporal course of the energy content tes of the real system described by the model write. The number of energy storage devices used Model corresponds to the number of state variables ner description. Measured quantities are quantities with sensors be measured. A measurand can, but does not have to correspond to a state variable.

Eine der wesentlichen Aufgaben der Transportsysteme der Bauindustrie ist das Bewegen von Lasten, wobei das bedeu tendste Lasttransportsystem auf Baustellen der Baukran ist. Er kann selbst schwerste Lasten an jeden Punkt sei nes Arbeitsbereiches transportieren. Sein wesentlicher Konstruktionsnachteil liegt in der hohen Nachgiebigkeit des Lastseiles. Unter Nachgiebigkeit wird im erfindungs gemäßen Zusammenhang weniger die Längendehnung des Last seiles bei Belastung verstanden, die in aller Regel ver nachlässigbar gering ist, sondern vielmehr die Tatsache, daß das Lastseil ein von einem starren oder idealen Kopp lungsmittel abweichendes statisches und dynamisches Ver halten aufweisen kann. So kann es beispielsweise keine Scher- oder Druckkräfte übertragen, pendeln, schwingen, durchhängen oder vom Wind abgetrieben werden. Für viele Aufgaben sind daher Lastseile nicht geeignet, so daß hierfür oft spezielle Robotersystem zur Anwendung kommen.One of the main tasks of the transport systems of the Construction industry is the moving of loads, which means tendent load transport system on construction sites of the construction crane is. It can be heavy loads at any point transport the work area. Its essential The design disadvantage lies in the high degree of flexibility of the load rope. Under compliance is in fiction according to the context, the elongation of the load is less ropes understood under load, which usually ver is negligibly small, but rather the fact that the load rope is one of a rigid or ideal coupling different static and dynamic Ver can hold. For example, none Transfer shear or pressure forces, oscillate, swing, sag or be driven away by the wind. For many Tasks are therefore not suitable for load ropes, so that special robot systems are often used for this.

Eine wesentliche Voraussetzung für den automatisierten Betrieb eines Baukranes ist die gesicherte Positionierung der Last für alle denkbaren Betriebsfälle. Hierzu kann die Regelungstechnik herangezogen werden, um eine genaue, zeitoptimierte und sichere Fahrt und Positionierung zu gewährleisten. Unter Automatisierung wird hierbei nicht nur die vollautomatische Lastbewegung verstanden, sondern auch geregelte Handsteuerungen, bei denen die Regelungs technik die von einem Kranführer per Hand ausgelösten Vorgaben kontrolliert und geregelt in Kransteuersignale umsetzt, sind denkbar und sinnvoll, um eine Erhöhung der Transportleistung und Arbeitssicherheit zu erzielen.An essential requirement for the automated Operation of a construction crane is secure positioning the load for all conceivable operating cases. This can the control technology can be used to ensure an exact, time-optimized and safe driving and positioning guarantee. Automation is not here only understood the fully automatic load movement, but also regulated manual controls where the regulation technology manually triggered by a crane operator Specifications checked and regulated in crane control signals are conceivable and sensible to increase the Achieve transport performance and occupational safety.

Die Basis der Automatisierung ist die Kompensation der Lastpendelung. Das automatische Ausregeln der Lastpende lung in den beiden horizontalen Kranachsen ermöglicht eine automatische Lastpositionierung bei sich wiederho lenden Bewegungsabläufen und eine Entlastung des Kranfüh rers. Der Kranführer könnte neben der direkten Führung der Last mit dem Steuerknüppel auch die Möglichkeit ha ben, Folgen von Bewegungsabläufen mit direkten Zielvorga ben einzugeben. Bei einer rechnergestützten Kontrolle der Lastbewegungen sollte ein Anregen von Lastpendelungen be reits durch eine angepaßte Sollwertaufschaltung vermieden werden, wodurch die Regelung insbesondere zum Ausregeln äußerer Störungen wie z. B. Windböen oder Führungsfehler des Kranführers benötigt wird.The basis of automation is the compensation of Load oscillation. The automatic regulation of the load donation possible in the two horizontal crane axes an automatic load positioning with itself lingering movements and relieving the strain on the crane guide rers. In addition to direct guidance, the crane operator could the load with the joystick also has the possibility ben, sequences of movements with direct target to enter. With a computer-aided control of the Load movements should stimulate load oscillations already avoided by an adjusted setpoint feed be, which makes the regulation in particular to regulate external disorders such. B. gusts of wind or management errors the crane operator is required.

Eine grundlegende Voraussetzung für die angesprochenen automatisierten Regelungsverfahren ist die zuverlässige Bestimmung der tatsächlichen absoluten Position der Last. Die direkte Messung der Lastposition stellt in vielen Fällen ein meßtechnisches Problem dar, das nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand lösbar ist. So ist die Messung der absoluten Lastposition mittels Bildverarbeitungssystemen, Lasermeßsystemen oder Global Positioning Systemen oft zu teuer oder erfüllt nicht die Anforderungen hinsichtlich Auflösung, Schnelligkeit, Meßbereich oder Ausfallsicher heit.A basic requirement for the addressed automated control process is the most reliable Determination of the actual absolute position of the load. The direct measurement of the load position represents many Cases a metrological problem that is not or only can be solved with great effort. So is the measurement of absolute load position using image processing systems, Laser measurement systems or global positioning systems often too expensive or does not meet requirements Resolution, speed, measuring range or fail-safe Ness.

In vielen regelungstechnischen Lehrbüchern ist die Pen delregelung ein beliebtes Beispiel für die Anwendung des Zustandsregelungsverfahrens zur Analyse, Synthese und Op timierung von Regeleinrichtungen. Die Zustandsraumdar stellung ist, insbesondere bei komplexeren, mechanisch nachgiebigen Lageregelstrecken der konventionellen Ein- und Ausgangsbetrachtung überlegen. Die bekannten Bei spiele der Pendelregelung beschränken sich auf lineare Traversierachsen und lassen rotatorische Turmdrehachsen außer Acht. Die Regelung der Lastposition eines Baukranes ist zusätzlich zu der hohen mechanischen Nachgiebigkeit des Lastseiles deswegen besonders schwierig, weil die Re gelstrecke stark von sich ständig ändernden Parametern wie Lastmasse, Länge des Lastseiles und Position der Katze abhängig ist. Die bekannten Steuerungsverfahren lassen sich in drei Gruppen einteilen.The pen is used in many control engineering textbooks del control a popular example of the application of the State control method for analysis, synthesis and op timing of control devices. The state space position, especially in the case of more complex ones, is mechanical compliant position control lines of conventional and consider the starting point. The well-known case Pendulum control games are limited to linear Traversing axes and leave rotary tower axes of rotation ignore. The regulation of the load position of a construction crane is in addition to the high mechanical compliance of the load rope is particularly difficult because the Re Gel distance greatly from constantly changing parameters such as load mass, length of the load rope and position of the Cat is dependent. The known control methods can be divided into three groups.

Die erste Gruppe ist die der offenen Kransteuerungen. Sie berücksichtigen keine Meßgrößen für die Position der Last. Die Qualität der Steuerung hängt weitgehend von der Wirklichkeitstreue des berücksichtigten Modells und dem Ausmaß der Störungen (wie Wind) ab. Das Optimierungskri terium ist beispielsweise die Zeit oder der Energiever brauch.The first group is that of the open crane controls. she do not take into account measurands for the position of the Load. The quality of the control largely depends on the Reality of the considered model and the Extent of disturbances (like wind). The optimization criterion The terium is, for example, time or energy consumption need.

Bei der zweiten Gruppe, der geschlossenen Kranregelung, werden Modellunsicherheiten und Störungen durch eine Rückkopplung kompensiert, in die mittels gemessener Meß größen die Position der Last eingeht. Zum Reglerentwurf werden neben Zustandsraummethoden auch Polvorgabemethoden und adaptive Methoden mit einem Referenzmodell einge setzt. Die Rückkopplung von Meßwerten kann jedoch auch zu Problemen hinsichtlich des Meßrauschens und der Stabili tät führen.In the second group, the closed crane control, are model uncertainties and disruptions caused by a Feedback compensated in which by means of measured measurement the position of the load. To the controller design in addition to state space methods also pole specification methods and adaptive methods with a reference model puts. However, the feedback of measured values can also increase Problems with measurement noise and stabilization act.

Die dritte Gruppe ist diejenige der intelligenten Regel- und Steuerverfahren, beispielsweise Fuzzy Regler, neuro nale Netze und Expertensysteme. Zu dieser Gruppe zählt das aus der deutschen Patentschrift DE-PS 35 13 007 C2 be kannte Verfahren zur automatischen Steuerung eines Kra nes, bei dem von einer Laufkatze ein Lastseil herabhängt. Das Regelungsziel der dort beschriebenen Regelung ist eine verbesserte Dämpfung der Seilpendelung. Dort wurde vorgeschlagen, einen Zustandsregler zu verwenden, der mittels Methoden der "Fuzzy Logik" unter Verwendung un scharfer Werte den Zustand des Seiles schätzt. Als Meß größen dienen der eindimensionale Seilwinkel und die Ge schwindigkeit der Laufkatze, aus denen in einem Zustands größenaufbereitungsschritt die Zustandsgrößen Seilwinkel, Seilwinkelgeschwindigkeit, Seilwinkelbeschleunigung, Laufkatzengeschwindigkeit und Laufkatzenbeschleunigung berechnet werden. Unter Anwendung festgelegter Schätz- und Vorausberechnungsregeln werden die Zustandsgrößen "unscharf" gemacht und daraus ein Steuerbefehl für die Laufkatzensteuerung abgeleitet. Die Steuergröße ist dabei die Geschwindigkeit der Laufkatze. Der momentane Wert der Stellgröße wird bei der Bildung der Stellgröße nicht be rücksichtigt.The third group is that of intelligent control and control methods, for example fuzzy controllers, neuro nale networks and expert systems. Belongs to this group be from the German patent DE-PS 35 13 007 C2 known method for automatic control of a Kra nes, with a load rope hanging from a trolley. The aim of the regulation described there is improved damping of the rope swing. There was suggested using a state controller that using methods of "fuzzy logic" using un sharp values estimates the condition of the rope. As a measurement sizes serve the one-dimensional rope angle and the Ge speed of the trolley making up in a state size preparation step, the state variables rope angle, Rope angular velocity, rope angular acceleration, Trolley speed and trolley acceleration be calculated. Using fixed estimates and precalculation rules become the state variables "disarmed" and a control command for it Trolley control derived. The tax rate is included the speed of the trolley. The current value of the The manipulated variable is not used when the manipulated variable is formed considered.

In dieser Druckschrift ist die Bestimmung der absoluten Lastposition nicht wichtig, da das Regelziel die Ausrege lung der Seilpendelung ist. Es wird auch nur der Fall be handelt, daß zusätzlich zur Hubbewegung die Lastbewegung nur entlang der Katzbewegungsrichtung erfolgt. Das dort beschriebene Verfahren ist daher dann nicht geeignet, wenn die Länge des Seiles zunimmt und damit die besonde ren Eigenschaften des nachgiebigen Seiles mehr zum Tragen kommen, so daß sich aus den Seilwinkeln allein die Posi tion der Last nicht exakt ermitteln läßt, oder wenn eine rotatorische Bewegung hinzukommt.In this document is the determination of the absolute Load position is not important as the control goal is the compensation is the rope swing. It will only be the case acts that in addition to the lifting movement, the load movement only along the direction of the cat's movement. That there the method described is therefore not suitable when the length of the rope increases and with it the particular more properties of the flexible rope come so that the Posi alone from the rope angles tion of the load can not be determined exactly, or if one rotary motion is added.

Der Erfindung liegt unter Berücksichtigung dieses Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren dahingehend zu verbessern, daß die Bestimmung der Position der Last zuverlässig ist.The present invention takes this state into account the technology is based on the task, an initially mentioned Improve the process so that the determination the position of the load is reliable.

Zur Lösung dieser Aufgabe bei einem eingangs genannten Verfahren wird vorgeschlagen, daß es eine Kombination folgender Schritte umfaßt. Es wird das Ergebnis einer vorausgehenden Zustandsgrößenauswahl berücksichtigt, in der eine für das Verfahren feste Auswahl einer Anzahl oder aller Zustandsgrößen des Zustandsvektors getroffen wird. Der Zustandsvektor umfaßt die vier ausgewählten Zu standsgrößen Aktorlage, Aktorgeschwindigkeit, Antriebsmo torlage und Antriebsmotorgeschwindigkeit der mechanisch nachgiebig gekoppelten Bewegungsachsen und die Stellgröße ist jeweils das Drehmoment des Antriebsmotors der nach giebig gekoppelten Bewegungsachse. In dem Sensordatenauf bereitungsschritt werden aus den gemessenen Meßwerten der Meßgrößen die Istwerte der ausgewählten Zustandsgrößen gebildet und in einem Beobachtungsregelschritt werden die Istwerte der ausgewählten Zustandsgrößen und die Stell größen einem regelungstechnischen Zustandsbeobachter zu geführt, der mittels eines Beobachterkonzeptes aus den ausgewählten Zustandsgrößen und den Stellgrößen einen Schätzwert für den Zustandsvektor bildet. Die Position der Last wird dann aus dem von dem Zustandsbeobachter ge bildeten Schätzwert des Zustandsvektors bestimmt. Dabei wird als Zustandsbeobachter das Ergebnis eines vorausge henden Entwurf s verwendet, in dem der Zustandsbeobachter nach einem Beobachterkonzept derart entworfen wird, daß der Entwurf ein mathematisches Modell der physikalischen Eigenschaften der Fördervorrichtung berücksichtigt.To solve this problem with one mentioned The method is proposed to be a combination includes the following steps. It will be the result of one previous state variable selection considered, in the one fixed selection of a number for the procedure or all state variables of the state vector becomes. The state vector comprises the four selected Zu Actuator position, actuator speed, drive mo door position and drive motor speed of the mechanical flexible coupled motion axes and the manipulated variable is the torque of the drive motor according to well coupled motion axis. In the sensor data preparation step are made from the measured values of the Measured variables are the actual values of the selected state variables are formed and in an observation control step Actual values of the selected state variables and the actu size to a control-technical condition observer led by an observer concept from the selected state variables and the manipulated variables Forms an estimate for the state vector. The position the load is then derived from that of the condition observer formed estimate of the state vector determined. Here is the result of a precondition as a condition observer existing draft s used in which the state observer is designed according to an observer concept in such a way that the design a mathematical model of the physical Properties of the conveyor taken into account.

Der Hauptzweck der Erfindung ist auf das Schätzen der Lastposition gerichtet. Vorteilhafte Anwendungsmöglich keiten bestehen beispielsweise in der Protokollierung, der Sicherheitskontrolle und dem Regeln bzw. der Zustandsregelung, wobei die Position das Ist-Signal ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist achsorientiert. Die Bewegung der Fördervorrichtung wird in Bewegungsachsen aufgeteilt. Eine oder mehrere der Bewegungsachsen weisen jeweils eine mechanisch nachgiebige Kopplung zwischen dem Antriebsmotor und dem Aktor der Bewegungsachse auf.The main purpose of the invention is to estimate the Load position directed. Advantageous application possible capabilities include logging, the security control and the rules or the Condition control, where the position is the actual signal. The method according to the invention is axis-oriented. The Movement of the conveyor is in axes of movement divided up. Point one or more of the axes of motion each have a mechanically flexible coupling between the Drive motor and the actuator of the movement axis.

Eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfah rens ergibt sich in den Fällen, in denen eine oder meh rere Bewegungsachsen eine Regelstrecke aufweisen, die über die auf den Antriebsmotor einwirkende Stellgröße von einem rückgekoppelten Zustandsregler geregelt werden, der in einem Rückkoppelschritt die Abweichungen des Ist-Wer tes des Zustandsvektors von dem Sollwert des Zustandsvek tors bewertet und unter Berücksichtigung eines bestimmten Regelzieles die Stellgröße für die Regelstrecke bildet, wobei in dem Rückkoppelschritt von dem Zustandsbeobachter gebildete Schätzwerte der Zustandsgrößen dem Zustandsregler zur Bildung der Stellgröße zugeführt werden. Die Regelstrecke ist eine Beziehung zwischen Ein- und Ausgang, wobei die Ausgangsgröße die Position der Last ist.An advantageous application of the method according to the invention rens arises in cases where one or more rere movement axes have a controlled system that via the manipulated variable acting on the drive motor a feedback state controller can be regulated, the in a feedback step the deviations of the actual who tes of the state vector from the setpoint of the state vector tors evaluated and taking into account a certain Control target forms the manipulated variable for the controlled system, wherein in the feedback step from the state observer formed estimates of the state variables to the state controller be supplied to form the manipulated variable. The The controlled system is a relationship between input and Output, where the output quantity is the position of the load is.

Oft ist es in realen System nicht möglich, alle Zustands größen, die der Zustandsregler für die Zustandsregelung benötigt, meßtechnisch zu bestimmen. In diesen Fällen hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, mittels eines Zu standsbeobachters die der Messung nicht zugänglichen Zustandsgrößen aus den zur Verfügung stehenden Meßgrößen unter Nutzung der Modellkenntnis zu rekonstruieren und damit das Schätzen der Position der Last zu ermöglichen.Often it is not possible in real system, all states sizes that the state controller for state control needed to determine by measurement. In these cases it turned out to be advantageous by means of a Zu stand observer the inaccessible to the measurement State variables from the available measured variables to reconstruct using the model knowledge and thus allowing the position of the load to be estimated.

Das aus Zustandsregler und Zustandsbeobachter gebildete System kann ferner in dem Reglerentwurf als aus zwei frei wählbare Komponenten bestehend betrachtet werden, die zur Verbesserung der Regelung optimiert werden. Der Zustands beobachter wird als Teil einer dynamischen Zustandsrege lung angesehen. Der Zustandsregler selbst wird zur Steuergrößenbeeinflussung und der Zustandsbeobachter zur Störgrößenkompensation eingesetzt.That formed from the state controller and the state observer System can also be free in the controller design as out of two selectable components are considered existing for Improvement of the scheme can be optimized. The state observer becomes part of a dynamic state rain lung viewed. The state controller itself becomes Influencing control variables and the status observer for Disturbance compensation used.

Eine andere Funktion, die der Zustandsbeobachter ausüben kann, ist die Filterwirkung. Der Zustandsbeobachter kann als Filter angesehen werden, welcher der Kompensation in nerer Meßfehler wie Rauschen dient und dem Zustandsregler ein geglättetes Signal liefert. Dies kann bei verrausch ten Signalen der Meßwertaufnehmer vorteilhaft sein. Ge genüber einem Kalman-Filter, der häufig bei verrauschten Systemen benutzt wird, hat der Zustandsbeobachter den Vorteil, den Zustandsvektor auch bei unregelmäßigen Stö rungen rekonstruieren zu können.Another function that the condition observer performs can is the filter effect. The condition observer can are regarded as a filter, which of the compensation in measurement error such as noise and the state controller provides a smoothed signal. This can get noisy th signals from the transducers may be advantageous. Ge compared to a Kalman filter, which is often used for noisy Systems is used, the condition observer has the Advantage, the state vector even with irregular disturbances reconstructions.

Der Zustandsbeobachter stellt ein rückgekoppeltes System dar, auf das die Stell- und Meßgrößen der Regelstrecke einwirken. Der von dem Zustandsbeobachter aus den Meß größen und der Stellgröße rekonstruierte Zustandsvektor ist ein Schätzwert der Regelstrecke. Man kann zwei Arten unterscheiden: den vollständigen und den reduzierten.The condition observer provides a feedback system represents the manipulated and measured variables of the controlled system act. The measurement from the condition observer sizes and the manipulated variable reconstructed state vector is an estimate of the controlled system. There are two types distinguish: the complete and the reduced.

Beim vollständigen Zustandsbeobachter werden alle Zu standsgrößen, auch die mittels Meßwerten gemessenen, ge schätzt, beim reduzierten Zustandsbeobachter nur die, die nicht aus Meßgrößen ableitbar sind. Das Optimierungsziel des Zustandsbeobachters ist im erfindungsgemäßen Fall in der Regel die Bestimmung der Position der Last.With the complete status observer, all are closed status variables, including those measured using measured values, ge estimates, in the reduced condition observer only those who cannot be derived from measurands. The optimization goal of the condition observer is in the case according to the invention in usually determining the position of the load.

Die Fördervorrichtung kann beispielsweise ein Kran, wie ein Turmdrehkran/Auslegerdrehkran, Brückenkran oder Por talkran, ein Roboter oder ein Manipulator sein. Die Aus wahl der Zustandsgrößen und der Entwurf des Zustandsbeob achters erfolgt nach den Gegebenheiten und Erfordernissen des Einzelfalls. In den bestimmten Entwurf eines Zu standsbeobachter geht jeweils ein bestimmtes Modell der Regelstrecke ein, für das entsprechend geeignete Zu standsgrößen und ausgewählte Meßgrößen festgelegt werden.The conveyor can be, for example, a crane, such as a tower crane / jib crane, overhead crane or por talkran, a robot or a manipulator. The out choice of the state variables and the draft of the state obob aft takes place according to the circumstances and requirements of the individual case. In the particular design of a Zu stand observers each go a certain model of Controlled system, for the correspondingly suitable Zu Stand variables and selected measured variables are determined.

Dabei ergeben sich, je nachdem, welche Zustandsgrößen ge messen und dem Zustandsbeobachter zur Rekonstruktion der nicht gemessenen zugeführt werden, aus der eingesetzten Meßsensorik viele unterschiedliche Möglichkeiten. Als be sonders vorteilhafte Modellbildung hat sich im Rahmen der Erfindung herausgestellt, wenn der Zustandsvektor die vier ausgewählten Zustandsgrößen Aktorlage, Aktorge schwindigkeit, Antriebsmotorlage und Antriebsmotorge schwindigkeit umfaßt und die Stellgröße das Drehmoment des Antriebsmotors ist. In diesem Fall kann eine beson ders gute Bestimmung der Lastposition erfolgen, wobei die Hauptfunktionen des Zustandsbeobachters die Schätzung un bekannter Zustandsgrößen, die Filterung, die Störkompen sation und die Meßwertkorrektur sind. Die Auswahl der Aktorlage, die der Lastlage entspricht, sowohl als Regel als auch als Zustandsgröße entspricht dem Regelziel, neben einer reinen Schwingungsdämpfung die Position der Last genau zu ermitteln, um sie zur automatisierten Last positionierung einzusetzen.This results, depending on which state variables ge measure and the condition observer to reconstruct the not measured are fed from the used Measurement sensors many different possibilities. As be Particularly advantageous modeling has become part of the Invention highlighted when the state vector four selected state variables actuator position, actuator speed, engine position and engine speed includes speed and the manipulated variable the torque of the drive motor. In this case, a special ders good determination of the load position, the Main functions of the condition observer the estimate un known state variables, the filtering, the interference components sation and the measured value correction are. The selection of the Actuator position that corresponds to the load position, both as a rule as well as the state variable corresponds to the control goal, in addition to pure vibration damping, the position of the Determine load exactly to make it an automated load use positioning.

In dem Zustandsbeobachter können weitere Zustandsgrößen berücksichtigt werden, so daß weitere Sensoren für zu sätzliche Meßgrößen in die Positionsschätzung einbezogen sind. Es können aber auch, auch für die ausgewählten Zu standsgrößen, mehrere redundante oder scheinbar redun dante Meßgrößen gemessen und in einer entsprechenden Er weiterung des dem Zustandsbeobachter zugrundeliegenden mathematischen Modells berücksichtigt werden. Beispiels weise kann der Pendelwinkel eines Lastseiles an beiden Enden gemessen werden, wofür sich aufgrund des dynami schen Verhaltens des Lastseiles unterschiedliche Werte ergeben können.Other state variables can be found in the state observer are taken into account, so that additional sensors for additional measured variables are included in the position estimation are. But it can also, also for the selected Zu stand sizes, several redundant or seemingly redun dante measured quantities measured and in a corresponding Er extension of the basis for the condition observer mathematical model. Example the pendulum angle of a load rope can be wise on both Ends are measured, which is due to the dynami behavior of the load rope different values can result.

Eine oder mehrere der ausgewählten Zustandsgrößen können als Meßwert einer festgelegten Meßgröße gemessen werden. Umgekehrt ist es natürlich auch möglich, daß mindestens einer der ausgewählten Zustandsgrößen aus dem Meßwert mindestens einer festgelegten Meßgröße berechnet wird, mit der sie in einem eindeutigen funktionalen Zusammen hang steht. Unter Anwendung des bekannten funktionalen Zusammenhangs lassen sich diese Meßgrößen leicht in Zu standsgrößen umrechnen. Die Aktorlage eines Auslegerdreh kranes kann beispielsweise absolut im Raum gemessen wer den oder kann relativ zu der Laufkatze aus der Seillänge und dem Pendelwinkel des Seiles bestimmt werden. Die Stellung der Laufkatze kann direkt gemessen oder aus der Stellung des Kopplungsmittels zwischen Laufkatzenan triebsmotor und Laufkatze oder der Stellung der Laufkatze selbst bestimmt werden. Das gleiche gilt auch für die Ge schwindigkeit des Laufkatzenantriebsmotors. Das Drehmo ment des Laufkatzenantriebsmotors ist mit der auf die Laufkatze ausgeübten Kraft oder dem Antriebsstrom des Laufkatzenantriebsmotors verknüpft.One or more of the selected state variables can be measured as a measured value of a fixed measured variable. Conversely, it is of course also possible that at least one of the selected state variables from the measured value at least one defined measured variable is calculated, with which they work in a clear, functional way slope stands. Using the well-known functional In relation to these parameters, they can easily be closed Convert stand sizes. The actuator position of a boom turn For example, cranes can be measured absolutely in space the or can be relative to the trolley from the rope length and the pendulum angle of the rope can be determined. The Position of the trolley can be measured directly or from the Position of the coupling agent between trolleys drive motor and trolley or the position of the trolley be determined yourself. The same applies to the Ge speed of the trolley drive motor. The torque The trolley drive motor is equipped with the Trolley exerted force or the drive current of the Trolley drive motor linked.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal wird vorge schlagen, daß in dem Sensordatenaufbereitungsschritt zu sätzlich zu der Umrechnung der Meßwerte in die Zu standsgrößen die Auflösungen der Meßwertaufnehmer berück sichtigt werden oder eine Korrektur von Meßfehlern durch geführt wird. Neben den üblichen Korrekturen von Offset und Verstärkung sind Anpassungen des Funktionsverlaufs der Meßwertaufnehmer möglich. Beispielsweise können Über setzungsfehler kompensiert werden.According to a further advantageous feature is pre suggest that in the sensor data conditioning step in addition to converting the measured values into the Zu the resolutions of the transducers be viewed or a correction of measurement errors by to be led. In addition to the usual corrections of offset and reinforcement are adjustments to the course of the function the sensor is possible. For example, About settlement errors can be compensated.

Ein Auslegerdrehkran weist drei nachgiebig gekoppelte Be wegungsachsen auf, die in dem physikalischen Modell be rücksichtigt werden. Eine Bewegungsachse ist die verti kale Schwenkachse der Drehbewegungen des Kranes, um die mittels eines Schwenkmotors ein Ausleger drehbar ist.A jib crane has three resiliently coupled loads axes of motion that are in the physical model be taken into account. One axis of movement is the verti kale pivot axis of the rotary movements of the crane to the a boom can be rotated by means of a swivel motor.

Entlang der dem Ausleger orientierten Traversierachse der Traversierbewegung einer Laufkatze ist mittels eines Tra versiermotors eine Laufkatze verfahrbar. Ferner ist eine Hubachse für die Hubbewegung der Last vorhanden, die mit einer als Aktor dienenden Flasche verbunden ist, wobei mittels eines von der Laufkatze herabhängenden Lastsei les, dessen Länge mittels eines Hubmotors veränderbar ist, die Höhe der Last veränderbar ist. Die ausgewählten Zustandsgrößen sind dabei die Lagen der drei Aktoren (Ausleger, Laufkatze, Flasche) im Raum, die Geschwindig keiten der drei Aktoren und die Stellungen und die Ge schwindigkeiten der Antriebsmotoren (Schwenkmotor, Tra versiermotor und Hubmotor). Die Stellgrößen sind die Drehmomente der drei Antriebsmotoren.Along the traversing axis of the Traverse movement of a trolley is by means of a tra Versiermotors a trolley movable. Furthermore, one Lift axis for the lifting movement of the load available with a bottle serving as an actuator is connected, wherein by means of a load egg hanging from the trolley les, the length of which can be changed by means of a lifting motor is, the amount of the load is changeable. The selected ones State variables are the positions of the three actuators (Outrigger, trolley, bottle) in the room, the speed of the three actuators and the positions and the ge speeds of the drive motors (swivel motor, tra Versiermotor and lifting motor). The manipulated variables are Torques of the three drive motors.

Im einfachsten Fall wird in dem Modell des Ausleger drehkrans die Lastposition aus den Stellungen der drei Antriebsmotoren geschätzt. In einer vorteilhaften Weiter bildung werden Meßwerte für Pendelwinkel des Lastseiles gemessen und diese beim Schätzen der Lastposition berück sichtigt. Bei dieser Modellbildung und der direkten Be rechnung bzw. Schätzung der Lastposition ist bei zuneh mender Kranhöhe bzw. zunehmender Länge des Lastseiles eine entsprechend erhöhte meßtechnische Auflösung bei der Messung der Pendellänge erforderlich. Dabei nimmt das Ge wicht von Meßfehlern und Meßrauschen zu. Bei großen Last seillängen, also großen Abständen zwischen Flasche und Laufkatze, nimmt der Einfluß der nichtidealen Eigenschaf ten des Seiles zu. So führt beispielsweise seine endliche Masse zum Durchhängen. Zudem ist bei schweren Lasten und schnellen Bewegungen die mechanische Nachgiebigkeit des Kranes nicht mehr vernachlässigbar, insbesondere bei fi ligranen Turmdrehkränen.In the simplest case, the model of the boom the load position from the positions of the three Drive motors appreciated. In an advantageous further education are measured values for the pendulum angle of the load rope measured and take this into account when estimating the load position inspects. With this modeling and the direct loading calculation or estimate of the load position is increasing increasing crane height or increasing length of the load rope a correspondingly increased measurement resolution in the Measurement of the pendulum length required. The Ge importance of measurement errors and measurement noise. With a heavy load rope lengths, i.e. large distances between the bottle and Trolley, takes the influence of the non-ideal property of the rope. For example, its finite Mass to sag. In addition, with heavy loads and rapid movements the mechanical flexibility of the Cranes no longer negligible, especially with fi ligrane tower cranes.

Durch eine Verfeinerung des mathematischen Modells durch Berücksichtigung realer Eigenschaften der Regelstrecke wird eine genauere Schätzung der Aktorlage bzw. der Posi tion der Last möglich.By refining the mathematical model by Consideration of real properties of the controlled system a more precise estimate of the actuator position or the posi tion of the load possible.

Eine erste vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß das Modell des Auslegerdrehkrans mindestens eine der Zu standsgrößen Neigung der Flasche, Geschwindigkeit der Flasche oder Beschleunigung der Flasche berücksichtigt.A first advantageous development is that the model of the jib crane at least one of the Zu Stand sizes inclination of the bottle, speed of the Bottle or acceleration of the bottle considered.

Eine zweite vorteilhafte Weiterbildung kann sein, daß das Modell des Auslegerdrehkrans physikalische Eigenschaften des realen Lastseiles berücksichtigt, beispielsweise seine endliche Masse. Die Masse führt zu einem dynami schen Trägheitsverhalten (sogenanntes Durchhängen), die bei der Positionsschätzung zu berücksichtigen ist.A second advantageous development can be that Model of the jib crane physical properties of the real load rope, for example its finite mass. The mass leads to a dynami inertia behavior (so-called sagging), the must be taken into account when estimating the position.

Eine dritte vorteilhafte Weiterbildung ist, daß das Mo dell des Auslegerdrehkrans physikalische Eigenschaften des realen Auslegerdrehkranes berücksichtigt, beispiels weise die mechanische Unsteifigkeit.A third advantageous development is that the Mo dell of the jib crane physical properties of the real jib crane, for example show the mechanical stiffness.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher er läutert. Es zeigenThe invention is described below with reference to the figures schematically illustrated embodiments he closer purifies. Show it

Fig. 1 ein Flußdiagramm eines Zustandsreglers nach dem Stand der Technik, Fig. 1 is a flowchart of a state controller according to the prior art,

Fig. 2 eine Strukturskizze eines regelungstechnischen Zustandsbeobachters, Fig. 2 is a structural diagram of a control engineering observer state,

Fig. 3 ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Zu standsreglers mit einem Zustandsbeobachter, Fig. 3 is a flowchart of an inventive to stand controller with a state observer,

Fig. 4 eine Prinzipskizze eines Auslegerdrehkrans, Fig. 4 is a schematic diagram of a jib crane,

Fig. 5 einen Regelkreis mit einem vollständigen Zu standsbeobachter in diskreter Darstellung, Fig. 5 is a control circuit with a full to stand watchers in discrete representation,

Fig. 6 eine schematische Darstellung zu der Modellbil dung der Krantraversierachse und Fig. 6 is a schematic representation of the Modellbil formation of the crane traversing axis and

Fig. 7 eine schematische Darstellung zu der Modellbil dung der Krandrehachse. Fig. 7 is a schematic representation of the Modellbil formation of the crane axis of rotation.

Die der Beschreibung beigefügte Anlage enthält die Zusam menstellung der Formeln, auf die in der Beschreibung Be zug genommen wird.The annex to the description contains the Together Creation of the formulas to which Be is taken.

Die Fig. 1 zeigt ein Flußdiagramm des Regelungsprinzips eines Zustandsreglers 1, wie er beispielsweise aus der eingangs genannten deutschen Patentschrift DE 35 13 007 C2 bekannt ist. Von der Regelstrecke 2 werden Meßgrößen XM mittels Meßsensoren abgegriffen, aus denen in einer Zu standsgrößenaufbereitung 4 der Zustandsvektor X mit den Zustandsgrößen XZ gebildet wird. Der Zustandsvektor X wird dem Zustandsregler 2 zugeführt, der die Abweichung des Istwertes von dem Sollwert bewertet und daraus die Stellgröße u bildet. Die Stellgröße u wird der Regel strecke 2 zugeführt, wodurch der Regelkreis geschlossen wird. Der Zustandsregler 1 ist nach einem bestimmten Op timierungsziel entworfen. Fig. 1 shows a flow diagram of the control principle of a state controller 1, as is for example known from the aforementioned German Patent DE 35 13 007 C2. Measured variables XM are tapped from the controlled system 2 by means of measuring sensors, from which the state vector X with the state variables XZ is formed in a state variable preparation 4 . The state vector X is fed to the state controller 2 , which evaluates the deviation of the actual value from the target value and forms the manipulated variable u therefrom. The manipulated variable u is fed to the control path 2 , which closes the control loop. The state controller 1 is designed according to a certain optimization goal.

Die Fig. 2 zeigt eine Strukturskizze eines regelungs technischen Zustandsbeobachters 3 für den Fall, daß die Zustandsgrößen XZ des Zustandsvektors X aus den Meßgrößen XM gebildet wird. Die Besonderheit gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Zustandsregelung besteht darin, daß mit tels des Zustandsbeobachters 3 aus den Meßgrößen XM und der Stellgröße u der Schätzwert XS des Zustandsvektors X rekonstruiert wird. Der Fehler XF des Zustandsvektors, also die Differenz aus den Meßgrößen XM und dem Schätz wert XS, wird durch die Beobachterrückführmatrix S zu rückgeführt. Auf diese Weise kann eine Regelung durch die Rückkopplung geschätzter Größen erreicht werden. Fig. 2 shows a structure diagram of a regulation technical state observer 3 for the case that the state variables of the state vector X XZ is from the measurement values XM formed. The peculiarity compared to the state control shown in FIG. 1 is that with the aid of the state observer 3 the estimated value XS of the state vector X is reconstructed from the measured variables XM and the manipulated variable u. The error XF of the state vector, that is to say the difference between the measured variables XM and the estimated value XS, is returned by the observer feedback matrix S. In this way, regulation can be achieved by the feedback of estimated quantities.

In Fig. 3 ist ein Flußdiagramm einer erfindungsgemäßen Zustandsregelung mit einem Zustandsbeobachter 3 für eine Fördervorrichtung dargestellt. Von der Regelstrecke 2 werden Meßwerte von Meßgrößen XM abgegriffen, die einer Zustandsgrößenaufbereitung 4 zugeführt werden. In der Zu standsgrößenaufbereitung 4 werden aus den Meßgrößen XM ausgewählte Zustandsgrößen XA gebildet. Die ausgewählten Zustandsgrößen XA können vollständig sein, d. h. alle Zu standsgrößen XZ des Zustandsvektors X umfassen, oder aber nur unvollständig den Zustandsvektor X darstellen. Die ausgewählten Zustandsgrößen XA werden zusammen mit der Stellgröße u dem Zustandsbeobachter 3 zugeführt, der dar aus einen Schätzwert XS für den Zustandsvektor X bildet. Der Schätzwert XS wird dem Zustandsregler 1 zugeführt, der daraus die Stellgröße u bildet, die auf die Regel strecke 2 einwirkt. Bei einem vollständigen Zu standsbeobachter 1 werden nur geschätzte Zustandsgrößen dem Zustandsregler 1 zugeführt, auch diejenigen Zustands größen XZ, die aus Meßwerten XM ableitbar sind. Bei einem reduzierten Zustandsbeobachter 1 werden für Zustands größen XZ, die aus Meßwerten XM ableitbar sind, anstelle des Schätzwertes die aus den Meßwerten berechneten Zu standsgrößen XZ dem Zustandsregler 1 zugeführt. Die Posi tion der Last kann aus den Zustandsgrößen XZ des Schätz wertes XS des Zustandsvektors X bestimmt werden.In Fig. 3 is a flowchart of a condition control according to the invention with a state observer 3 is shown for a conveyor device. Measured values of measured variables XM are tapped from the controlled system 2 and are fed to a condition variable preparation 4 . In state variable preparation 4 , selected state variables XA are formed from the measured variables XM. The selected state variables XA can be complete, ie include all state variables XZ of the state vector X, or can only represent the state vector X incompletely. The selected state variables XA are fed together with the manipulated variable u to the state observer 3 , which uses them to form an estimated value XS for the state vector X. The estimated value XS is fed to the state controller 1 , which uses it to form the manipulated variable u, which acts on the controlled system 2 . In the case of a complete status observer 1 , only estimated status variables are supplied to the status controller 1 , and also those status variables XZ which can be derived from measured values XM. In the case of a reduced state observer 1 , for state variables XZ which can be derived from measured values XM, the state variables XZ calculated from the measured values are supplied to the state controller 1 instead of the estimated value. The position of the load can be determined from the state variables XZ of the estimated value XS of the state vector X.

Im folgenden wird die Bestimmung der Position der Last 6 am Beispiel eines Auslegerdrehkrans 10 beschrieben. Ein solcher Auslegerdrehkran 10 ist eine häufig anzutreffende Ausführung eines Baukrans und weist die in Fig. 4 darge stellten Komponenten auf. An einem Turm 16 ist ein um eine vertikale Drehachse drehbarer Ausleger 12 angeord net. Auf dem Ausleger 12 läuft eine durch einen Traver siermotor antreibbare Laufkatze 13, an der über ein Last seil 14 mit einer als Aktor dienenden Flasche 15 eine Last 6 anhängt. Über einen Hubmotor ist die Länge des Lastseiles 14 veränderbar, so daß die Last 6 höhenregu lierbar ist. Aufgrund des mechanisch nachgiebigen Kopp lung zwischen der Flasche 6 und der Laufkatze 13 durch das Lastseil 14 kann die Last 6 schwingen.The determination of the position of the load 6 is described below using the example of a jib crane 10 . Such a jib crane 10 is a frequently encountered version of a construction crane and has the components shown in Fig. 4 Darge. On a tower 16 a boom 12 rotatable about a vertical axis of rotation is angeord net. On the boom 12 runs by a Traver siermotor drivable trolley 13 , to which a load 6 is attached via a load rope 14 with a bottle 15 serving as an actuator. The length of the load cable 14 can be changed by means of a lifting motor, so that the load 6 can be adjusted in height. Due to the mechanically flexible coupling between the bottle 6 and the trolley 13 through the load rope 14 , the load 6 can oscillate.

Das zeitabhängige Verhalten eines solchen dynamischen Systems mit konzentrierten Parametern läßt sich mit ge wöhnlichen Differentialgleichungen beschreiben. Zu ihrer zeitkontinuierlichen Darstellung im Zustandsraum werden diese Differentialgleichungen n-ter Ordnung in ein äqui valentes System von n Differentialgleichungen erster Ord nung überführt. Mit einer Matrizendarstellung erhält man für die Zustandsdifferentialgleichung die Gleichung 1.1 und die Ausgangsgleichung 1.2. Die in diesen und den folgenden Gleichungen verwendeten Größen haben die in der Regelungstechnik gebräuchlichen und/oder sich aus dem Zusammenhang ergebenden Bedeutungen. Beispielsweise be zeichnet X den Zustandsvektor, A die Systemmatrix., b die Eingangsmatrix, u die Stellgröße, e die Störmatrix, y die Ausgangsgröße und c die Ausgangsmatrix. Das mathematische Modell wird mit Hilfe eines Zustandsreglers, der die Soll- Ist-Abweichungen aller Zustandsgrößen proportional bewertet, über die Stellgröße u zu einem Regelkreis ge schlossen. Hierfür gilt die Gleichung 1.3 bzw. bei Ver wendung eines Zustandsbeobachters die Gleichung 1.4. Darin bedeuten x die Führungsgröße (der Sollwert) und k die Rückführmatrix der Regelung.The time-dependent behavior of such a dynamic Systems with concentrated parameters can be used with ge describe ordinary differential equations. To their continuous-time representation in the state space these n-order differential equations into an equi valentes system of n first order differential equations conviction. With a matrix representation you get for the state differential equation equation 1.1 and the initial equation 1.2. Those in this and that following equations have the sizes used in the Control technology common and / or derived from the Related meanings. For example, be X draws the state vector, A the system matrix., b the Input matrix, u the manipulated variable, e the disturbance matrix, y the Output size and c the output matrix. The math Model is created with the help of a state controller, which Target-actual deviations of all state variables are proportional evaluated, using the manipulated variable u to form a control loop closed. Equation 1.3 applies to this or Ver Using a condition observer, equation 1.4. Here, x means the reference variable (the setpoint) and k the feedback matrix of the regulation.

Durch Diskretisierung des zeitkontinuierlichen Modells der Regelstrecke erhält man daraus für die zeitdiskrete Darstellung die Gleichungen 1.5 und 1.6. Darin bedeuten Φ die Systemmatrix, h die Eingangsmatrix, g die Störmatrix und C die Ausgangsmatrix. Der Index k bezeichnet die Kom ponenten. Für den vollständigen Beobachter ergeben sich unter Vernachlässigung der unbekannten Störgröße v die Gleichungen 1.7 und 1.8. Darin stellen die Größen XS und YS die Schätzwerte der Zustandsgrößen XZ und y dar.By discretizing the continuous-time model the controlled system is obtained for the discrete-time Representation of equations 1.5 and 1.6. In it mean Φ the system matrix, h the input matrix, g the interference matrix and C the output matrix. The index k denotes the com components. For the complete observer, there arise neglecting the unknown disturbance variable v the Equations 1.7 and 1.8. The sizes XS and YS represents the estimated values of the state variables XZ and y.

Die Fig. 5 macht deutlich, daß der Zustandsbeobachter als Folgeregelkreis bezüglich der Meßgröße XM angesehen werden kann. In diesem Regelkreis wird der Beobachterfehler XF über die Verstärkungsmatrix S zurückgeführt. Der Beobachterfehler ergibt sich aus der Differenzbildung des gemessenen Streckenzustandes XM mit dem durch den Beo bachter gebildeten Schätzwert XS für den Streckenzustand (Gleichung 1.9). Die Fehler der nicht gemessenen Zu standsgrößen sind dabei undefiniert, werden aber auch nicht zurückgeführt. Bildet man die Differenz zwischen den Gleichungen der Regelstrecke (Gleichung 1.5) und des Zustandsbeobachters (Gleichung 1.7) ergibt sich Gleichung 1.10. Das dynamische System für den Fehler des Zustands beobachters ist dann Gleichung 1.11. FIG. 5 makes it clear that the condition observer can be regarded as a follow-up control loop with regard to the measured variable XM. In this control loop, the observer error XF is fed back via the gain matrix S. The observer error results from the difference between the measured route condition XM and the estimate XS for the route condition formed by the observer (equation 1.9). The errors of the unmeasured state variables are undefined, but are not traced back either. If the difference between the equations of the controlled system (Equation 1.5) and the condition observer (Equation 1.7) is formed, Equation 1.10 results. The dynamic system for the state observer error is then equation 1.11.

Aus den Gleichungen 1.10 und 1.11 ergibt sich, daß der Fehler des Zustandsbeobachters des ungestörten Systems für einen beliebigen Anfangszustand gegen Null konver giert, wenn die Eigenwerte von (Φ - SC) innerhalb des Einheitskreises der z-Ebene liegen. Zusätzlich wird man die Eigenwerte des Zustandsbeobachters nach Möglichkeit innerhalb der Eigenwerte der Abtastregelung wählen, damit die Beobachtungsvorgänge schneller als die Systemvorgänge abklingen. Der Schätzwert XS wird dann praktisch nach ei niger Zeit den wahren Wert X annehmen und festhalten, so lange keine Störungen auf die Regelstrecke einwirken.From equations 1.10 and 1.11 it follows that the Failure of the health monitor of the undisturbed system converge to zero for any initial state if the eigenvalues of (Φ - SC) within the Unit circle of the z-plane. In addition one becomes the eigenvalue of the condition observer if possible select within the eigenvalues of the sampling control, so the observation processes faster than the system processes fade away. The estimated value XS is then practically based on ei take and hold true value X less time, so long no disturbances affect the controlled system.

Nach jeder Störung wird sich der Schätzwert XS wieder dem wahren Wert X annähern.After each disturbance, the estimated value XS will change again approximate true value X.

Zur Bestimmung der Lastposition bei einem Auslegerdreh kran kann die Position der Flasche durch ein Achskoordi natensystem definiert werden, das der kinematischen Natur des Auslegerdrehkrans entspricht. Man kann hierzu ein Zy linderkoordinatensystem wählen, in dem die Koordinaten mit den drei Kranachsen der Traversier-, der Dreh- und der Hubbewegung korrespondieren. Bei einem als ideal an genommenen Lastseil läßt sich die Position der Flasche, also die Position der pendelnden Last längs des Ausle gers, wie folgt berechnen. Die entsprechenden Größen sind teilweise in den Fig. 6 und 7 veranschaulicht.To determine the load position of a jib crane, the position of the bottle can be defined by an axis coordinate system that corresponds to the kinematic nature of the jib crane. You can choose a cylinder coordinate system in which the coordinates correspond to the three crane axes of the traversing, rotating and lifting movements. If the load rope is ideal, the position of the bottle, i.e. the position of the oscillating load along the boom, can be calculated as follows. The corresponding sizes are partially illustrated in FIGS. 6 and 7.

Die Lastposition entlang der Traversierachse des Ausle gers 12 ergibt sich bei direkter Messung der Lage der Laufkatze aus der Katzlage lml und dem Pendelwinkel fla nach Gleichung 2.1. Bei indirekter Messung der Lage der Laufkatze ergibt sich die Lastposition aus dem Motor läuferwinkel fll und dem Pendelwinkel fla nach Gleichung 2.2.The load position along the traversing axis of the boom 12 results from a direct measurement of the position of the trolley from the trolley position lml and the pendulum angle fla according to equation 2.1. With indirect measurement of the position of the trolley, the load position results from the motor rotor angle fll and the pendulum angle fla according to equation 2.2.

Entsprechend der Linearachse läßt sich bei der rotatori schen Achse die absolute Winkellage der Flasche aus den folgenden Meßgrößen berechnen. Bei direkter Messung des Auslegerschwenkwinkels aus dem Turmdrehwinkel fmd und dem Pendelwinkel fda gemäß Gleichung 2.3, bei indirekter Mes sung des Auslegerschwenkwinkels aus dem Motorläuferwinkel fld und dem Pendelwinkel fda gemäß Gleichung 2.4.According to the linear axis, the rotatori axis, the absolute angular position of the bottle from the calculate the following measurands. When measuring the Boom swivel angle from the tower rotation angle fmd and the Pendulum angle fda according to equation 2.3, with indirect measurement solution of the boom swivel angle from the motor rotor angle fld and the pendulum angle fda according to equation 2.4.

Die Modellbildung der Gleichungen 1.1 und 1.2 für die Krantraversierachse erfolgt wie folgt gemäß Fig. 6. Die Fig. 6 veranschaulicht neben der Funktionsweise die geo metrischen Längen, den Zusammenhang der wirkenden Kräfte und die Bedeutung der Variablen. Physikalisch entspricht das Modell einem mathematischen Pendel. Durch die mathe matische und physikalische Beschreibung der Seilpendel strecke erhält man die nichtlineare Matrixdifferential gleichung 3.1 der Krantraversierachse.The modeling of equations 1.1 and 1.2 for the crane traversing axis is carried out as follows in accordance with FIG. 6. In addition to the mode of operation, FIG. 6 illustrates the geometric lengths, the relationship between the acting forces and the meaning of the variables. Physically, the model corresponds to a mathematical pendulum. The mathematical and physical description of the rope pendulum route gives the nonlinear matrix differential equation 3.1 of the crane traverse axis.

Mit den Näherungen sin (f) ≈ f und cos (f) ≈ 1 erhält man aus Gleichung 3.1 die linearisierte Gleichung 3.2.With the approximations sin (f) ≈ f and cos (f) ≈ 1 one obtains from equation 3.1 the linearized equation 3.2.

Die Modellbildung der Gleichungen 1.1 und 1.2 für die Krandrehachse erfolgt wie folgt gemäß Fig. 7. Die Fig. 7 veranschaulicht die geometrischen Längen und Winkel, den Zusammenhang der wirkenden Kräfte und die Bedeutung der Variablen. Durch die mathematische und physikalische Beschreibung der Seilpendelstrecke erhält man die nicht lineare Matrixdifferentialgleichung 4.1 der Krandreh achse.The equations 1.1 and 1.2 for the crane axis of rotation are modeled as follows in accordance with FIG. 7. FIG. 7 illustrates the geometric lengths and angles, the relationship between the acting forces and the meaning of the variables. The nonlinear matrix differential equation 4.1 of the crane axis of rotation is obtained from the mathematical and physical description of the cable pendulum section.

Mit den Näherungen sin (f) ≈ f und cos (f) ≈ 1 erhält man aus Gleichung 4.1 die linearisierte Gleichung 4.2. Die Linearisierung vernachlässigt den Höhenfehler.With the approximations sin (f) ≈ f and cos (f) ≈ 1 one obtains from equation 4.1 the linearized equation 4.2. The Linearization neglects the height error.

Der Zustandsgrößenaufbereitungsschritt hat bei der dyna mischen Zustandsregelung der Krantraversierachse und der Krandrehachse die Aufgabe, die jeweiligen Meßgrößen in die Zustandsgrößen Aktorlage, Aktorgeschwindigkeit, Mo torlage und Motorgeschwindigkeit umzurechnen, Auflösungen zu berücksichtigen und Meßfehler zu korrigieren. Für das Beispiel eines aus Motor- und Pendelwinkelgebers beste henden Sensorkonzeptes ergeben sich für die Umrechnungen der Meßgrößen in Zustandsgrößen die Gleichungen 5.1 bis 5.4. Die Motorlage wird gemäß Gleichung 5.1 für die Kran traversierachse und gemäß Gleichung 5.2 für die Kran drehachse berechnet, die Aktorlage gemäß Gleichung 5.3 für die Krantraversierachse und gemäß Gleichung 5.4 für die Krandrehachse.The state variable processing step at dyna Mix state control of the crane traverse axis and the Crane rotation axis the task, the respective measurands in the state variables actuator position, actuator speed, Mo Convert door position and motor speed, resolutions to be taken into account and correcting measurement errors. For the Example of the best of motor and pendulum angle sensors based sensor concept result for the conversions equations 5.1 to 5.4. The engine position is according to equation 5.1 for the crane traversing axis and according to equation 5.2 for the crane axis of rotation calculated, the actuator position according to equation 5.3 for the crane traverse axis and according to equation 5.4 for the crane axis of rotation.

BezugszeichenlisteReference list

1 Zustandsregler
2 Regelstrecke
3 Zustandsbeobachter
4 Zustandsgrößenaufbereitung
5 Modell der Regelstrecke
6 Last
7
8
9
10 Auslegerdrehkran
11 vertikale Drehachse
12 Ausleger
13 Laufkatze
14 Lastseil
15 Flasche
16 Turm
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
X Zustandsvektor
XA ausgew. Zustandsgrößen
XF Fehler für X
XZ Zustandsgrößen
XAL Aktorlage
XAG Aktorgeschwindigkeit
XS Schätzwert für X
S Beob.rückführmatrix
XM Meßgrößen
u Stellgröße
An Antrieb 1 state controller
2 controlled system
3 condition observers
4 Condition size preparation
5 Model of the controlled system
6 load
7
8th
9
10 jib crane
11 vertical axis of rotation
12 outriggers
13 trolley
14 load rope
15 bottle
16 tower
17th
18th
19th
20th
21
22
23
24th
25th
26
27
28
29
30th
X state vector
XA selected State variables
XF error for X
XZ state variables
XAL actuator position
XAG actuator speed
XS estimate for X
S Monitoring feedback matrix
XM measurands
u manipulated variable
On drive

Claims

1. Method for determining the position of a load on a crane-like conveyor device, in particular on a jib crane,
The state variables (XZ) of the load ( 6 ) in the physical state space that are essential for determining the position are defined by a state vector (X) containing several state variables (XZ),
wherein the conveyor has one or more movement axes, one or more of which are resiliently coupled movement axes, the

a drive motor which is controlled by means of a manipulated variable (u) and in the area of its mechanical drive corner frequency the movement axis has a dominant mechanical natural frequency,
- An actuator on the load side of the drive motor and
a mechanically flexible coupling means with means of which the drive motor is connected to the actuator for transmitting the movement of the drive motor to the actuator,

the load ( 6 ) being connected to an actuator,
the procedure in which the result of a preceding sensor configuration is used, in which measurement variables (XM) of the movement objects are determined, which are technically measurable using sensors,
the method comprises a measuring step in which the measured variables (XM) are measured,
and in a sensor data preparation step, the state vector (X) is formed from the measured values of the measured variables (XM), characterized in that
the result of a previous selection of state variables is taken into account, in which a fixed selection (XA) of a number or all state variables (XZ) of the state vector (X) is made,
the state vector (X) comprises the four selected state variables actuator position (XAL), actuator speed (XAG), drive motor position (XML) and drive motor speed (XMG) of the mechanically flexible coupled motion axes and the manipulated variable (u) each the torque of the drive motor according to well coupled motion axis,
the actual values of the selected state variables (XA) are formed in the sensor data preparation step from the measured values of the measured variables (XM),
in an observation control step, the actual values of the selected state variables (XA) and the manipulated variables (u) are fed to a control-related state observer ( 3 ), who uses an observer concept to make an estimated value (XS) from the selected state variables (XA) and the manipulated variables (u) forms the state vector (X),
and the position of the load ( 6 ) is determined from the estimate (XS) of the condition vector (X) formed by the condition observer,
and the result in which the state observer (3) is designed according to one observer concept such that the design takes into account a math matic model of the physical properties of the feed device is used a previous design as a state observer (3).

2. The method according to claim 1, characterized in that one or more of the axes of motion have a control path ( 2 ), which are controlled by a feedback controller ( 1 ) on the actuating variable acting on the drive motor (u), which in egg nem feedback step evaluates the deviations of the actual value of the state vector (X) from the target value of the state vector (X) and forms the manipulated variable (u) for the controlled system ( 2 ), taking into account a specific control target, whereby in the feedback step the condition observer ( 2 ) formed estimates of the state variables are fed to the state controller ( 2 ) to form the manipulated variable (u).

3. The method according to claim 2, characterized in that in the feedback step for all state variables (XZ) of the state vector (X) the estimated values are supplied to the state controller ( 2 ) (complete state observer).

4. The method according to claim 2, characterized in that in the feedback step the estimated values of the unselected state variables are supplied to the state controller ( 2 ) and at least one of the selected state variables (XA) is supplied to the state controller ( 2 ) without the observation control step (reduced Condition observer).

5. The method according to claim 1, characterized in that the conveyor is a crane, a robot or a manipulator with a mechanical natural frequency is in the area of the drive corner frequency.

6. The method according to claim 1, characterized in that at least one of the selected state variables (XA) as a measured value of a defined measured variable (XM) will measure.

7. The method according to claim 1, characterized in that at least one of the selected state variables (XA) from the measured value of at least one specified Measured variable (XM) is calculated with which it is in a there is a clear functional connection.

8. The method according to claim 1, characterized in that in the sensor data preparation step additionally for converting the measured values into the state variables (XZ) the resolutions of the sensors are taken into account be made or a correction of measurement errors to be led.

9. The method according to claim 1, characterized in that the conveying device is a jib crane ( 10 ) which has three flexibly coupled movement axes, which are taken into account in the physical model, namely

- A vertical swivel axis of the rotary movement of the crane, about which a swivel motor can be used to rotate ( 12 ),
a traversing axis of the traversing movement of a trolley ( 13 ) which is oriented along the boom ( 12 ) and which can be moved along the boom ( 12 ) by means of a traversing motor,
- And a lifting axis of the lifting movement of the load ( 6 ), which is connected to a bottle serving as an actuator ( 15 ), by means of a load rope ( 14 ) depending on the trolley ( 13 ), the length of which can be changed by means of a lifting motor, the amount of the load can be changed,

and wherein the selected state variables (XA) are the Positions of the three actuators (boom, trolley, bottle) in space, the speeds of the three actuators and the positions and speeds of the An drive motors (swivel motor, traversing motor and stroke motor) and the three manipulated variables (u) are the torque elements of the three drive motors.

10. The method according to claim 9, characterized in that the load position from the positions of the three to drive motors is valued.

11. The method according to claim 9, characterized in that measured values for the pendulum angle of the load rope ( 14 ) measure ge and these are taken into account when estimating the load position.

12. The method according to claim 9, characterized in that measured values for the speed of the load ( 6 ) measure ge and these are taken into account when estimating the load position.

13. The method according to claim 9, characterized in that the model of the jib crane ( 10 ) at least one of the state variables inclination of the bottle ( 15 ), Ge speed of the bottle ( 15 ) or acceleration of the bottle ( 15 ) is taken into account and measured variables are measured for this purpose.

14. The method according to claim 9, characterized in that the model of the jib crane ( 10 ) takes into account physical properties of the real load rope ( 14 ).

15. The method according to claim 9, characterized in that the model of the jib crane taken into account (10) physi cal properties of the real crane boom pivot (10).