DE60019794T2

DE60019794T2 - Nichtlineare aktive regelung dynamischer systeme

Info

Publication number: DE60019794T2
Application number: DE60019794T
Authority: DE
Inventors: Ali H. Nayfeh; Dean T. Mook; Ryan J. Henry; Ziyad N. Masoud
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 2000-11-03
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2020-11-04
Also published as: US20040073343A1; CN1241819C; EP1235735A4; WO2001034511A1; JP2003515513A; EP1235735A1; EP1235735B1; AU1582201A; US7044314B2; ATE294130T1; DK1235735T3; DE60019794D1; US6631300B1; HK1048624A1; CN1433375A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Steuerungssystem und Anwendungsverfahren zum Steuern dynamischer Systeme und insbesondere ein Steuerungssystem und ein Anwendungsverfahren zur Reduzierung von Frachtschwingungen bei transport-montierten Kränen.
Beschreibung des Standes der Technik
In einer globalen Wirtschaft ist es wichtig, Waren auf die wirksamste und zweckdienlichste Art und Weise zu befördern, um sicherzustellen, dass die Waren rechtzeitig und kostengünstig an dem richtigen Bestimmungsort ankommen. Die Beförderung von Waren, seien es leicht verderbliche Waren, Verbrauchsgüter oder dergleichen, kann auf viele verschiedene Weisen mit Zügen, Lastkraftwagen, Frachtschiffen (Containerschiffen) und dergleichen durchgeführt werden. Züge und Lastkraftwagen sind effiziente Transportmittel für eine eingeschränkte Nutzung für z. B. lokale Auslieferungen, (innerkontinentalen) Überlandversand und für Frachten von begrenzter Größe. Jedoch sind Züge und Lastkraftwagen auf an das Land gebundene Transporte begrenzt und folglich nicht für Überseeverschiffung einsetzbar.
Im Fall eines Überseetransports stellen Containerschiffe eine der kostengünstigsten Art und Weisen des Frachtgutversands dar. Das ist so, weil Containerschiffe große Frachten aufnehmen können und fähig sind, diese Frachten in der ganzen Welt zu transportieren. Die Verschiffung ist auch sehr wirtschaftlich, weil die Schifffahrtsstraßen gut eingerichtet sind und viele Orte Häfen und andere Anlegeeinrichtungen haben, um Schiffsfracht zu laden und zu entladen. Schiffe können auch eingesetzt werden, um Betriebsstoffe auf anderen Schiffen (z. B. Marine-Schiffe und Unterseeboote) aufzufüllen, die während langer Einsätze sonst keinen Zugang zu Häfen haben.
Es ist jedoch bekannt, dass viele Orte keine geeigneten Einrichtungen haben, um die Fracht in den lokalen Häfen zu laden und zu entladen. Dies ist teilweise auf die Tatsache zurückzuführen, dass viele Häfen, insbesondere solche in Ländern der Dritten Welt, nicht in der Lage sind, große Containerschiffe aufzunehmen. Das ist so, weil viele Häfen entweder zu klein sind, um große Containerschiffe zu beherbergen, oder sich an Nebenflüssen befinden, die für die größeren Containerschiffe nicht befahrbar sind. In diesen Fällen und in vielen anderen derartigen Situationen werden sowohl ein Kranschiff als auch ein kleineres, leichteres Schiff zu den größeren Containerschiffen außerhalb des Hafenbereichs gerufen. Das Kranschiff wird benutzt, um die Fracht von dem Containerschiff auf das kleinere leichtere Schiff zu überführen. Das kleinere, leichtere Schiff wird dann benutzt, um den Hafen anzusteuern, um die Fracht zu entladen. Natürlich kann ebenso der umgekehrte Betrieb erfolgen, wenn ein größeres Containerschiff beladen wird (beispielsweise Laden der Fracht in das kleinere, leichtere Schiff im Hafen, Auslaufen des kleineren, leichteren Schiffs zu dem größeren Containerschiff außerhalb des Hafenbereichs und Überführen der Fracht von dem kleineren, leichteren Schiff auf das größere Containerschiff mittels des Kranschiffs).
1 zeigt eine herkömmliche Situation einer Frachtüberführung. In dieser Situation übergibt ein Kranschiff 10 Container von einem Containerschiff 12 an ein Landungsboot 14. Der Einsatz des Kranschiffes enthält das Bewegen eines Auslegers und eines Förderkabels, um die Fracht, typischerweise Container, die mehr als 30 oder 40 Tonnen wiegen können, von einem Schiff auf ein anderes Schiff entweder zu laden oder zu entladen. Der Ausleger kann angehoben und abgesenkt (Auslegerwippeinstellung) oder nach links und rechts gedreht werden (Auslegerschwenkeinstellung). Diese Bewegungen stellen sicher, dass der Ausleger alle Container auf jedem Schiff erreicht. Während des Lade- und Entladebetriebs ist es nicht ungewöhnlich, dass sich das Kranschiff aufgrund des Seegangs bewegt. Diese Bewegungen sind sowohl Translationsbewegungen (Heben und Senken oder Schaukeln) als auch Drehbewegungen (Gieren, Stampfen und Rollen), wobei heftigerer Seegang heftigere Translations- und Drehbewegungen des Kranschiffs zur Folgt hat.
Die Dreh- und Translationsbewegungen des Kranschiffes haben die Bewegung der Auslegerspitze zur Folge. Die Bewegung der Auslegerspitze bewegt dann ein Förderkabel, das von der Auslegerspitze herabhängt und verwendet wird, um den Container (die Fracht) zu halten, was ein Schwingen oder Pendeln des Containers zur Folge hat. Es sollte leicht zu erkennen sein, dass eine größere oder heftigere Bewegung der Auslegerspitze ein heftigeres Schwingen des Kabels und damit des Contai ners zur Folge hat. Dies kann natürlich eine sehr unsichere Umgebung schaffen, eine Umgebung, die der Bediener nicht kontrollieren kann. Somit müssen bei gemäßigten und hohen Seegängen die Arbeiten des Ladens und Entladens des Schiffes unterbrochen werden, um die Sicherheit der Besatzung und der Fracht sicherzustellen.
Die GB-A-2 252 295, die zu den Oberbegriffen des unabhängigen Verfahrensanspruchs 1 und des unabhängigen Produktanspruchs 17 korrespondiert, offenbart ein Seeüberwachungssystem mit Bewegungssensoren. Die Sensoren umfassen Beschleunigungsmesser, die an der Drehbasis des Kranes zum Messen horizontaler Beschleunigung und Rollbeschleunigung befestigt sind, wobei sowohl dynamische Komponenten für das Rollen, Schaukeln, Schwenken und Schwingen als auch statische Komponenten für das Rollen, Schwenken und Schwingen aus den Bewegungssensorsignalen hergeleitet werden. Es ist ein Steuerungssystem zum Reduzieren von Schwingungen der von Kränen, die auf sich bewegenden Plattformen befestigt sind, hochgehobenen Fracht offenbart, das Einrichtungen zum Berechnen einer von einem Bediener eingegebenen Position einer Auslegerspitze des Kranes aufweist. Insbesondere bestimmen die Größenordnung der abhängten Last, die Länge der Ladelinien, der Auslegerwinkel und der Schwenkwinkel die Position der Auslegerspitze. Weiterhin sind Einrichtungen zum Bestimmen einer relativen Bewegung der von dem Förderkabel des Krans abgehängten Last in Bezug auf die Auslegerspitze des Krans vorgesehen.
Weiterhin ist ein Verfahren zur Schwingungsreduzierung von Fracht offenbart, die von auf sich bewegenden Plattformen montierten Kränen angehoben wird, das die Schritte des Berechnens einer von einem Bediener eingegebenen Position einer Auslegerspitze des Kranes und des Bestimmens einer relativen Bewegung der von einem Förderkabel des Kranes herabhängenden Fracht in Bezug auf einen Aufhängungspunkt des Förderkabels des Kranes aufweist.
Gordon G. Parker et al.: Command Shaping Boom Crane Control System with Nonlinear Inputs, in Proceedings of the 1999 IEEE International Conference on Control Applications, Hawaii, USA, 22. bis 27. August 1999, Seite 1774 bis 1778 offenbart ein befehlsformendes Steuerungsverfahren zum Unterdrücken von Nutzlast schwingungen, die durch vom Bediener angewiesene Manöver bei drehbaren, schiffbasierten, Auslegerkränen verursacht werden.
Das Steuerungsverfahren ist ausschließlich dafür gedacht, die Frachtschwingungen aufgrund der vom Bediener angewiesenen Auslegerwipp- und Schwenkraten durch den Einsatz eines befehlsformenden Filters zum Unterdrücken unerwünschter Frequenzkomponenten in den von dem Bediener angewiesenen Auslegerwipp- und Schwenkraten zu eliminieren. Das Verfahren ist unabhängig von den Schwingungen der Fracht und der Auslegerspitzen-Position und verwendet einen Filter durch ein Steuerungsverfahren mit offenem Regelkreis.
Zusammenfassung der Erfindung
Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerungssystem und Anwendungsverfahren zur Schwingungsreduzierung von Fracht an Kränen vorzusehen, insbesondere zur Schwingungsreduzierung von Fracht bei auf Schiffen montierten Kränen, Drehkränen, Brückenkränen, auf Lastkraftwagen montierten Kränen und anderen Kränen, die eine unerwünschte Schwingung aufweisen können.
Gemäß der Erfindung werden dann in einem Verfahren zur Schwingungsreduzierung von Fracht mit den Schritten des Berechnens einer von einem Bediener eingegebenen Position einer Auslegerspitze des Krans und des Bestimmens einer relativen Bewegung der Fracht an einem Förderkabel, das von dem Kran herabhängt, mit Bezug auf die Auslegerspitze des Kranes, Nachläufe und Vorläufe innerhalb und außerhalb der Ebene berechnet, die auf die relative Bewegung der Fracht basieren, und dann eine Korrektur berechnet, die auf den Nachläufen und Vorläufen innerhalb und außerhalb der Ebene basiert, zu einer von dem Bediener angewiesenen Bewegung in einem Inertialsystem. Referenzwinkel (Auslegerwipp- und Schwenkwinkel) des Auslegers werden dann berechnet, die auf der Korrektur zu der von dem Bediener gewünschten Position der Auslegerspitze und einer Bewegung der sich bewegenden Plattform basieren, um eine Schwingung des Frachtgutes auszugleichen und zu reduzieren.
Bei einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Steuerungssystem zur Schwingungsreduzierung von Fracht vorgesehen. Das Steuerungssystem hat eine Einrichtung zum Berechnen einer von einem Bediener eingegebenen Position einer Auslegerspitze des Kranes und eine Einrichtung zum Bestimmen einer relativen Bewegung der Fracht an dem Förderkabel, das von dem Kran herabhängt, unter Bezug auf die Auslegerspitze des Kranes. Gemäß der Erfindung hat das Steuerungssystem weiterhin eine Einrichtung zum Bereitstellen von Nachläufen und Vorläufen innerhalb und außerhalb einer Ebene, die auf der relativen Bewegung der Fracht basieren. Es sind ebenfalls eine Einrichtung zum Berechnen einer Korrektur in einem Inertialsystem, die auf den Nachläufen und Vorläufen innerhalb und außerhalb der Ebene basiert, und eine Einrichtung zum Berechnen der Referenzwinkel des Auslegers des Kranes vorgesehen, das auf der Korrektur, der von dem Bediener eingegebenen Position der Auslegerspitze und der Bewegung der sich bewegenden Plattform basiert, um die Frachtschwingungen zu kompensieren und zu reduzieren.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und des Steuerungssystems sind in den Unteransprüchen offenbart.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Aspekte und Vorteile werden aus der nachstehend detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen besser verständlich, in denen:
1 – eine Situation einer herkömmlichen Frachtüberführung zeigt;
2 – eine Fotografie eines Kranschiffes zeigt, das für eine Verwendung mit der vorliegenden Erfindung angepasst werden kann;
3 – ein Ablaufdiagramm ist, welches das logische Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 – eine schematische Darstellung eines Fracht- und Förderkabelmodells ist;
5 – ein Stabilitätsschaubild eines Nachlauf-Steuerungssystems der vorliegenden Erfindung ist;
6 – ein graphische Konturdarstellung der Dämpfung als eine Funktion der Steuerungssystemparameter der vorliegenden Erfindung ist;
7 – eine schematische Darstellung eines auf einem Schiff montierten Auslegerkranes ist;
8 – ein Schaubild ist, dass die Auslegerwipp- und Schwenkwinkel und Schwingungswinkel innerhalb und außerhalb der Ebene zeigt;
9 – ein Computer-Modell eines Schiffes und Kranes ist;
10a – eine Computer-Simulation eines Winkels eines Nutzlastkabels innerhalb der Ebene als eine Funktion der Zeit zeigt;
10b – eine Computer-Simulation eines Winkels eines Nutzlastkabels außerhalb der Ebene als eine Funktion der Zeit zeigt;
11a – eine Computer-Simulation eines Winkels eines Nutzlastkabels innerhalb der Ebene als eine Funktion der Zeit zeigt;
11b – eine Computer-Simulation eines Winkels eines Nutzlastkabels außerhalb der Ebene als eine Funktion der Zeit zeigt;
12 – eine Computer-Simulation eines Winkels des Nutzlastkabels innerhalb der Ebene als eine Funktion der Zeit zeigt;
13 – ein maßstäbliches Modell des Kranes, das auf dem Schiff von 1 eingesetzt ist, und den Carpal-Gelenkmechanismus zeigt;
14a – Versuchsergebnisse des Winkels eines Nutzlastkabels innerhalb der Ebene als eine Funktion der Zeit zeigt;
14b – Versuchsergebnisse des Winkels eines Nutzlastkabels außerhalb der Ebene als eine Funktion der Zeit zeigt;
15a – Versuchsergebnisse des Winkels eines Nutzlastkabels innerhalb der Ebene als eine Funktion der Zeit zeigt;
15b – Versuchsergebnisse des Winkels eines Nutzlastkabels außerhalb der Ebene als eine Funktion der Zeit zeigt; und
16 – Versuchsergebnisse des Winkels eines Nutzlastkabels innerhalb der Ebene als eine Funktion der Zeit zeigt.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Steuerungssystem und Anwendungsverfahren für ein dynamisches System und insbesondere auf ein Steuerungssystem und Anwendungsverfahren zur Schwingungsreduzierung von Fracht für auf einem Schiff montierte Kräne gerichtet. Von dem normalen Fachmann sollte erkannt werden, dass das Steuerungssystem und Anwendungsverfahren der vorliegenden Erfindung sich nicht auf die Frachtschwingung für auf einem Schiff montierte Kräne beschränkt, sondern gleichfalls bei anderen Typen von Kransystemen verwendet werden kann, die eine Frachtschwingung zeigen. Diese anderen Typen von Kransystemen können Drehkräne, Brückenkräne, Lastkraftwagen-Kräne und eine Menge anderer Kräne sein, beschränken sich aber nicht auf diese. Nur zum Zwecke der Veranschaulichung werden das Steuerungssystem und Anwendungsverfahren. der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf einen auf einem Schiff montierten Kran beschrieben.
Im Allgemeinen erhält das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung Bewegungs- und Positionsinformation eines Auslegers und einer Fracht von mehreren Sensoren. Als ein Maß der Frachtbewegung liefern ein erster Satz Sensoren die Ausrichtung des Förderkabels und ein zweiter Satz Sensoren die Auslegerwipp- und Schwenkwinkel des Kranes. Ein dritter Satz Sensoren liefert die Bewegung des Schiffes. Die so erhaltene Positions- und Bewegungsinformation wird dann an das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung zusammen mit den von dem Bediener eingegebenen Schwenk- und Auslegerwippraten des Auslegers geliefert. Diese Information wird dann von dem Steuerungssystem verwendet, um das Dämpfen der Bewegung der Fracht vorzusehen, was wirksam die Frachtschwingung reduziert, die durch die Bewegungen des Schiffes und die Befehle des Bedieners hervorgerufen wird. Folglich kann durch den Einsatz des Systems der vorliegenden Erfindung eine dramatische Reduzierung der Amplitude der Schwingung erreicht werden, wodurch veranschaulicht wird, dass eine neue Generation von Kränen, die von dem vorliegenden System gesteuert werden, in der Lage sein werden, bei Seegängen zu arbeiten, die sehr viel stärker als die sind, bei denen die gegenwärtigen Kräne arbeiten.
Insbesondere und nunmehr mit Bezug auf die 2 wird ein in der 1 mit der Referenznummer 10 allgemein gekennzeichnetes Kranschiff gezeigt. Das Kranschiff 10 der 1 ist vorzugsweise nahe einem Container- oder anderem Schiff (nicht gezeigt) zum Entladen oder Laden von Containern oder eines anderen Frachtguts angedockt oder positioniert. Das Kranschiff 10 der 1 ist nachgerüstet, um mindestens einen Kran 21 mit einem Ausleger 22 und einer Auslegerspitze 22a aufzuweisen. Der Ausleger 22 kann Frachtgut von einem Schiff auf ein anderes Schiff befördern, indem (i) er angehoben oder abgesenkt wird (wie durch den Pfeil „A" gezeigt) und/oder (ii) oder nach links oder nach rechts gedreht wird (wie durch den Pfeil „B" gezeigt). Die Bewegungen des Auslegers 22, wie durch die Pfeile „A" und „B" gezeigt ist, ermöglichen dem Ausleger 22 jeden Container auf einem benachbarten Schiff zu erreichen, um derartige Container zu laden und zu entladen.
Weiterhin mit Bezug auf 2 ist ein Codierer 24 an der Basis des Auslegers 22 vorgesehen. Der Codierer 24 wird zum Messen des Schwenkwinkels des Auslegers 22 verwendet. Ein zweiter Codierer 26 wird an der Basis des Auslegers 22 platziert und dazu verwendet, den Auslegerwippwinkel des Auslegers 22 zu messen. Ein Satz Codierer oder Neigungssensoren 28 sind an der Auslegerspitze 22a vorgesehen. Der Satz Sensoren 28 misst den Kabelwinkel in zwei Ebenen, der Winkel innerhalb der Ebene (wie durch die Linie „x" dargestellt) und der Winkel außerhalb der Ebene (wie durch die Linie „z" dargestellt). Die Referenz außerhalb der Ebene ist vorzugsweise orthogonal zu der Referenz innerhalb der Ebene positioniert. Die Ebene wird durch den Kranturm und den Ausleger gebildet.
Die 3 zeigt das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung. Die 3 kann auch ein höheres Blockdiagramm des Steuerungssystems der vorliegenden Erfindung darstellen. Das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung enthält Eingaben durch den Bediener, Eingaben durch Schiffs- und Auslegerbewegungssensoren sowie Eingaben durch Förderkabelwinkelsensoren. Im Allgemeinen verwendet das Steuerungssystem diese Eingaben zum Berechnen der Bewegung des Auslegers, um in das System eine Dämpfung einzubringen und die Frachtschwingung zu reduzieren.
Insbesondere gibt der Bediener in den Schritten 300a bzw. 300b die Schwenkrate bzw. die Auslegerwipprate des Auslegers ein. In den Schritten 302a bzw. 302b integriert das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung die Schwenkrate bzw. die Auslegerwipprate, um Zeitverläufe der Schwenk- bzw. Wippwinkel bereitzustellen. In dem Schritt 304 werden die integrierten Zeitverläufe des Schwenkwinkels bzw. des Auslegerwippwinkels der Schritte 302a bzw. 302b in kartesische Koordinaten (x, y) umgewandelt. Dies liefert einen Bewegungsverlauf (Trajektorie) der Auslegerspitze in einem stationären Bezugssystem (mit Bezug auf die Grundfläche) Diese kartesischen Koordinaten (x, y) stellen die von dem Bediener gewünschte Position der Kranauslegerspitze dar.
In dem Schritt 306a erfassen die Sensoren für die Winkel innerhalb der Ebene den Winkel innerhalb der Ebene des Förderkabels. In dem Schritt 306b erfassen die Sensoren für die Winkel außerhalb der Ebene den Winkel außerhalb der Ebene des Förderkabels. Der Winkel innerhalb der Ebene bzw. der Winkel außerhalb der Ebene wird dann in kartesische Koordinaten (x', y') in den Schritten 308a bzw. 308b umgewandelt, um die relative Bewegung der Last an dem Förderkabel mit Bezug auf die Auslegerspitze zu bestimmen. Es wird angemerkt, dass in beiden Schritten 308a und 308b die Umwandlung sowohl des Winkels innerhalb der Ebene als auch des Winkels außerhalb der Ebene in die kartesischen Koordinaten (x', y') durchgeführt wird. Wie von dem normalen Fachmann erkannt wird, stellt die Umwandlung des Winkels innerhalb der Ebene und des Winkels außerhalb der Ebene in kartesische Koordinaten (x', y') eine relative Bewegung der Last an dem Förderkabel in Bezug auf die Auslegerspitze dar. Die Umwandlungen der Winkel innerhalb der Ebene und außerhalb der Ebene werden durch einen Rechner für innerhalb der Ebene und einen Rechner für außerhalb der Ebene durchgeführt.
Nach dem Berechnen der Bewegungen der Last an dem Förderkabel werden ein Vorlauf innerhalb der Ebene bzw. ein Vorlauf außerhalb der Ebene durch das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung in den Schritten 310a bzw. 310b ausgewählt. Sobald die Vorläufe ausgewählt sind, wird der Bewegung innerhalb der Ebene in Schritt 312a ein Zeitnachlauf innerhalb der Ebene auferlegt und ein Zeitnachlauf außerhalb der Ebene wird der Bewegung außerhalb der Ebene in Schritt 312b auferlegt. Die Vorläufe innerhalb der Ebene und außerhalb der Ebene sind Anteile und können voneinander verschieden und abhängig von den Zeitnachläufen der Bewegung innerhalb der der Ebene und der Bewegung außerhalb der Ebene sein. Die Vorläufe sowohl der Bewegung innerhalb der Ebene als auch der Bewegung außerhalb der Ebene werden von den Vorlaufrechnern bestimmt und können von den Zeitnachläufen der Bewegung innerhalb der Ebene und der Bewegung außerhalb der Ebene abhängig sein. Das spezifische Verfahren des Berechnens der Zeitnachläufe innerhalb der Ebene und außerhalb der Ebene sowie der Vorläufe wird nachstehend diskutiert.
In dem Schritt 322 erfasst ein Schwenksensor den Schwenkwinkel des Auslegerkrans. Der erfasste Schwenkwinkel sowie die Anteile der nachgelaufenen Bewegungen innerhalb und außerhalb der Ebene werden dann verwendet, um eine Korrektur der von dem Bediener angewiesenen Bewegung in einem Inertialsystem (z. B. ein bewegungsloses Schiff) zu berechnen, um die Frachtschwingung zu reduzieren oder zu eliminieren (Schritt 314). Die Werte der Schritte 304 und 314 werden dann in Schritt 316 addiert, um einen Referenzbewegungsverlauf des Aufhängungspunktes des Förderkabels (Auslegerspitze) bereitzustellen. In Schritt 320 werden die addierten Werte von Schritt 316 zusätzlich zu der Bewegung des Schiffs (Rollen, Stampfen, Heben und Senken, Schaukeln und Schwingen) verwendet, die in Schritt 318 gemessen werden, um Referenzauslegerwipp- und -schwenkwinkel zu bestimmen. Diese Berechnung kann durch einen Referenzauslegerwipp- und -schwenkrechner durchgeführt werden. Die Referenzauslegerwipp- und -schwenkwinkel stellen die gewünschte Position des Auslegers dar, um die Frachtschwingung zu reduzieren oder zu eliminieren. Es ist anzumerken, dass die Bewegung der Plattform benötigt wird, um die Referenzauslegerwipp- und -schwenkwinkel aufgrund der Tatsache zu bestimmen, dass die Referenzauslegerwipp- und -schwenkwinkel abhängig von der gegenwärtigen Position des Schiffes (und damit des Kranes) sind. Bei Drehkränen wird der Schritt 320 eingesetzt, um den Referenzauslegerschwenkwinkel und die Referenzauslegerposition zu bestimmen. Bei Brückenkränen, bestimmt Schritt 320 die Referenzpositionen x und y der Kranlaufkatze.
Die Referenzwipp- und schwenkwinkel von Schritt 320 werden dann zusätzlich zu einem erfassten Schwenkwinkel des Auslegers (Schritt 322) in ein Auslegerschwenkverlaufs-Steuerungssystem in Schritt 324 eingegeben. In ähnlicher Weise werden dann die Referenzauslegerwipp- und -schwenkwinkel von Schritt 320 zusätzlich zu einem erfassten Wippwinkel des Auslegers (Schritt 326) zum Eingeben in ein Auslegerwippverlaufs-Steuerungssystem in Schritt 328 verwendet. Sowohl das Auslegerschwenkverlaufs-Steuerungssystem als auch das Auslegerwippverlaufs-Steuerungssystem liefern eine Steuerung an einen Auslegerschwenkmotor (Schritt 330) und einen Auslegerwippmotor (Schritt 322), um der gewünschten Position der Auslegerspitze zu verfolgen oder zu folgen, um die Frachtschwingung zu reduzieren. Im Allgemeinen sind die meisten Kräne mit einem Auslegerschwenkmotor und einem Auslegerwippmotor ausgerüstet.
Experimentelle Grundlage
Es wurden mehrere Experimente durchgeführt, um zu verifizieren, dass das Steuersystem der vorliegenden Erfindung so leistungsfähig ist, die Frachtschwingung zu reduzieren. In einem ersten Experiment wurde ein Frachtüberführungsbetrieb mit einem gesteuerten Kran an einem Computer simuliert. In einem anderen Experiment wurde ein Modell des Steuerungssystem einem Modell im Maßstab 1:24 des in der 2 gezeigten Krans hinzugefügt. Bei diesem Experiment war das Kranmodell auf einer Plattform montiert, die in der Lage war, vorgeschriebene Bewegungen des Hebens und Senkens, Stampfens und Rollens auszuführen.
Das in dem Experiment verwendete Steuerungssystem umfasste einen Satz Sensoren, um die Ausrichtung des Förderkabels bereitzustellen, einen zweiten Satz Sensoren, um die Kranauslegerwipp- und schwenkwinkel zu beschaffen, und einen dritten Satz Sensoren, um die Bewegung der Plattform bereitzustellen. Diese Sensoren gleichen solchen Sensoren, die in Verbindung mit der 2 beschrieben wurden. Durch das Experimentieren wurde ein „Steuerungsgesetz" entwickelt, das eine verzögerte Rückkopplung der Nutzlast-Horizontal-Position relativ zu der Auslegerspitze einsetzte, um Änderungen der Auslegerwipp- und Schwenkwinkel des Auslegers anzuweisen. Dieses Steuerungsgesetz ist nun in das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung aufgenommen, um neben anderen Merkmalen die Referenzschwenk- und -auslegerwippwinkel bereitzustellen, die zur Reduzierung der Frachtschwingung verwendet werden.
Sowohl in der Simulation als auch in dem Experiment wurde die Plattform programmiert, auf die der Kran montiert ist, eine Bewegung auszuführen, die den schlimmsten Fall vorsieht; und zwar wurde die Plattform programmiert, periodische Roll- und Stampf-Bewegungen bei der natürlichen Frequenz der schwingenden Fracht und gleichzeitig eine periodische Bewegung des Hebens mit zweifacher natürlicher Frequenz der schwingenden Fracht auszuführen. Das Rollen und Stampfen bewirkt externe Resonanzanregungen, während das Heben eine parametrische Hauptresonanzanregung bewirkt. Folglich unterliegt die Fracht, die sowohl in den Experimenten als auch in der Computer-Simulation überführt wird, drei gleichzeitigen Resonanzanregungen, wobei jede dieser Anregungen allein wirkend gefährliche Schwingungen mit großer Amplitude erzeugen könnte. Es ist jedoch anzumerken, dass die drei Anregungen zusammenwirkend beträchtlich gefährlicher als eine dieser Anregungen alleinwirkend sind.
Es wurde festgestellt, dass das Modellsystem sehr gut in sowohl der Computer-Simulation und dem Experiment funktionierte. Bei beiden bewirkte das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung eine dramatische Reduzierung der Amplitude der Schwingung, was klar demonstrierte, dass eine neue Generation von Kränen, die mit dem vorliegenden System gesteuert werden, in der Lage sein werden, bei weitaus stärkeren Seegängen als den Seegängen zu arbeiten, bei denen die gegenwärtigen Kräne arbeiten können.
Mathematisches Modell
Die 4 zeigt das Modell, das verwendet worden ist, um das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung zu entwickeln. In der 4 werden ein sphärisches Pendel mit einem nicht ausdehnbaren masselosen Kabel und einer massiven Punktlast schematisch dargestellt. Punkte P bzw. Q bezeichnen die Auslegerspitze bzw. die Last und L_c bezeichnet die Kabellänge.
Um die Ausrichtung des Kabels in Bezug auf das Inertialsystem (x, y, z) zu beschreiben, wurde eine Folge von zwei Winkeln verwendet, die als θ_x und θ_y dargestellt sind. Das Kabel ist parallel zu der Achse z ausgerichtet und wird dann mit dem Winkel θ_x um eine Achse durch P gedreht, die parallel zu der Initialenachse y ist. Dieser Schritt bildet das Koordinatensystem (x', y', z'). Letztendlich wird das Kabel um die neu gebildete Achse x' mit dem Winkel θ_y gedreht. Die Position von Punkt P in dem Inertialsystem wird durch (x_p(t), y_p(t), z_p(t)) gegeben. Folglich wird die Inertialposition r_Q von Q gegeben durch:
Die Bewegungsgleichungen dieses sphärischen Pendels, das Terme enthält, die für die Reibung und Luftwiderstand stehen, werden gegeben durch:

worin μ als kombinierter Koeffizient der verbundenen Reibung angenommen wird.
Nachlauf-Steuerungssystem
Es wurde festgestellt, dass die Schwingung einer durch einen Kran gehobenen Nutzlast (gemessen durch θ_x und θ_y) beträchtlich durch Erzwingen unterdrückt werden kann, dass der Aufhängungspunkt des Nutzlastförderkabels Referenzinertialkoordinaten (x_ref(t), y_ref(t)) verfolgt. Diese Referenzkoordinaten bestehen aus einem Prozentsatz der Nachlauf-Bewegung der Nutzlast in der horizontalen Inertialebene relativ zu dem Aufhängungspunkt, die festen oder langsam variierenden eingegebenen Inertialkoordinaten (x_i(t), y_i(t)) überlagert werden. Die Koordinaten (x_i(t), y_i(t)) werden durch den Kranbediener definiert und ein Verfolgungs-Steuerungssystem wird eingesetzt, um das richtige Verfolgen der gewünschten Koordinaten (X_ref(t), y_ref(t)) von dem Aufhängungspunkt sicherzustellen.
Um das entwickelte Steuerungssystem an Kränen anzuwenden, die auf einem Schiff montiert sind (oder an anderen Krantypen), wird der Ausleger unter Verwendung der Kranauslegerwipp- und -schwenkfreiheitsgraden betätigt. Die von dem Bediener angewiesenen Auslegerwipp- und Schwenkbefehle werden in die gewünschten Koordinaten (x_i(t), y_i(t)) der Auslegerspitze umgewandelt. Die horizontale Bewegung der Nutzlast relativ zu dem Aufhängungspunkt des Förderkabels kann durch mehrere Techniken gemessen werden, einschließlich solcher, die auf dem GPS-System, Beschleunigungsmesser und inertiale Codierer basieren, die die Winkel des Nutzlastförderkabels messen. Basierend auf Messungen der Winkel des Nutzlastförderkabels (4) nimmt das Nachlauf-Steuerungs-Gesetz die folgende Form an: xref(t) = xi(t) + kxLc sin(θx(t – τ))cos(θy(t – τx)) (4) yref(t) = yi(t) – kyLc sin(θy(t – τ)), (5)worin k_x und k_y die Steuerungssystemvorläufe und τ_x und τ_y die Zeitnachläufe sind. Der Zeitnachlauf in der Rückkopplungsschleife des Steuerungssystems erzeugt den erforderlichen Dämpfungseffekt in dem System. Ein Verfolgungs-Steuerungssystem wird verwendet, um diese Steuerungsalgorithmen anzuwenden, um sicherzustellen, dass der Aufhängungspunkt der Nutzlast der vorgeschriebenen Referenzposition folgt.
Stabilitätsanalyse
Um die Bewegungsgleichungen des gesteuerten Systems zu erhalten, werden die Referenzkoordinaten (x_ref(t), y_ref(t) der Gleichungen (4) und (5) für die Aufhängungspunktkoordinaten (x_p(t), y_p(t) der Gleichungen (2) und (3) substituiert. Dadurch werden folgende Bewegungsgleichungen für das gesteuerte System erhalten:
Die Gleichungen (6) und (7) sind die gesteuerten Bewegungsgleichungen eines sphärischen Pendels mit einem zeitverzögerten Rückkopplungs-Steuerungssystem.
Um die Stabilität der Antwort zu analysieren, werden die Variablen des Systems in schnell-variierende und langsam-variierende Terme eingeteilt. Dann wird eine Analyse der Stabilität der schnell-variierenden Dynamiken durchgeführt. Die schnellvariierenden Terme sind: θx(t) = εθx(t) (8) θy(t) = εθy(t) (9) zp(t) = εzp(t), (10)und die langsam-variierenden Konditionen sind: xi(t) = ε2xi(t) (11) yi(t) = ε2yi(t), (12) worin ε klein ist und ein Maß der Bewegungsamplitude ist. Durch Substituieren der Gleichungen (8) – (12) in die Gleichungen (6) und (7) und durch Setzen der die Koeffizienten von ε gleich Null werden folgende Ergebnisse erhalten:
Die Gleichung (13) wird dann gelöst und die gleichen Schlussfolgerungen werden auf die Analyse von Gleichung (14) anwendbar sein. Die Lösung der Gleichung (13) wird in der folgenden Form gesucht: θx(t) = aeσt cos(ωt + θo), (15)worin α, σ, ω und θ_o reelle Konstanten sind. Durch Substituieren der Gleichung (15) in die Gleichung (13) und unabhängig durch Setzen der Koeffizienten von sowohl sin(ωt + θ₀) und cos(ωt + θ₀) gleich Null wird Folgendes erhalten:
Für einen gegebenen Vorlauf k und eine Nachlaufzeit τ können die Gleichungen (16) und (17) für ω und σ gelöst werden. Dann werden α und θ₀ aus Anfangszuständen bestimmt. Die Stabilität des Systems wird durch die Variable σ derart gelöst, dass das System stabil ist, wenn σ < 0 ist, und instabil ist, wenn σ > 0 ist. Die Grenzen der Stabilität entsprechen σ = 0. Um diese Grenzen zu bestimmen, wird σ = 0 in die Gleichungen (16) und (17) substituiert, und führt zu: kω2 sin(ωτ) + 2kμω cos(ωτ) + 2μω = 0 (18) 2kμω sin(ωτ) – ω2(1 + k cos(ωτ)) + Ω2 = 0, (19) worin
die Schwingungsfrequenz der Nutzlast ist. Die Gleichungen (18) und (19) sind dimensionslos, indem sie durch Ω² dividiert werden, und der Zeitnachlauf τ proportional zu der ungesteuerten Schwingungsperiode T gesetzt wird. Das Ergebnis ist: kλ2 sin(2πλδ) + 2kvλ cos(2πλδ) + 2vλ = 0 (20) 2kvλ sin(2πλδ) – λ2(1 + k cos(2πλδ)) + 1 = 0, (21)worin λ = ω/Ω, δ = τ/T, und v = μ/Ω ist. Durch Variieren von δ und Lösen der Gleichungen (20) und (21) für λ und k ist es möglich, die Stabilitätsgrenzen zu bestimmen. 5 zeigt die Stabilitätsgrenzen als eine Funktion des relativen Zeitnachlaufs δund des Steuerungssystemvorlaufs k für eine relative Dämpfung v = 0.0033. Der unverdunkelte Bereich entspricht stabilen Antworten.
Durch das Variieren von τ und k in den Gleichungen (16) und (17) ist es möglich, die Größenordnung der Dämpfung σ zu bestimmen, die sich aus jeder Kombination von Vorlauf und Nachlauf ergibt. Die 6 zeigt Konturen der Dämpfung σ als eine Funktion von k und τ, wobei τ durch die natürliche Periode T des ungesteuerten Systems gegeben ist. Die dunkleren Bereiche entsprechen der höheren Dämpfung. Die 6 wird später dazu verwendet, die beste Kombination aus Vorlauf/Zeitnachlauf auszuwählen.
Steuerungssystem-Ausführung für einen auf einem Schiff montierten Kran
Gleichzeitige Aktivierung der Auslegerwipp- und Schwenkwinkel gibt dem Aufhängungspunkt des Nutzlastpendels (Auslegerspitze) die Freiheit, sich zu jeder vorgeschriebenen horizontalen Koordinate innerhalb der Reichweite des Krans zu bewegen. Die Anwendung des Nachlaufsteuerungssystems auf diese Bewegungen kann die Nutzlastschwingung innerhalb und außerhalb der Ebene reduzieren, die durch den Ausleger und dem Kranturm gebildet wird. Die Auslegerwipp- und Schwenkfreiheitsgrade sind bereits in auf Schiffen montierten Kränen vorhanden und folglich besteht kein Bedarf daran, den bestehenden Aufbau des Kranes zu verändern. Modifikationen würden auf die Hinzunahme der vorstehend beschriebenen Sensoren be grenzt, um das Auslesen der Nutzlastbewegungen, Kranwipp- und -schwenkwinkel, sowie der Bewegung des Kranschiffes bereitzustellen. Ein PC (oder ein zu programmierender und zu dem Computer des Krans hinzugefügter Chip) kann verwendet werden, um das Steuerungsgesetz anzuwenden und damit das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung zu implementieren.
Um die Nachlaufsteuerungsalgorithmen anzuwenden, werden zwei Proportional-Differential (PD)-Verfolgungssteuerungssysteme verwendet, um die Auslegerwipp- und -schwenkwinkel anzusteuern. Die vom Bediener eingegebenen Befehle werden durch das Nachlaufsteuerungssystem zu den PD-Steuerungssystemen der Kranstellglieder geleitet, wodurch sie für den Bediener erkennbar funktionieren. Es wird davon ausgegangen, dass die Kranstellglieder ausreichend stark sind, um den Ausleger im Vergleich zu den Raten der Lastschwingungen schnell zu bewegen und folglich dem Referenzauslegerwipp- und Schwenksignal am Ende einer jeden Abtastperiode zu entsprechen.
Die 7 zeigt einen auf einem Schiff montierten Auslegerkran. Die Koordinaten x, y, z sind das Inertialkoordinatensystem und die Koordinaten x'', y'', z'' sind die schiffsfesten Koordinaten. Für den Auslegerkran mit dem Wipp- und Schwenkfreiheitsgraden, der auf einem Schiff montiert ist, dass schaukelt, wogt, sich hebt, stampft und rollt, ist der Punkt 0 ein Referenzpunkt in dem Schiff, an dem die Schaukel- w(t), Wogen- u(t), und Hebe- h(t) Bewegungen des Schiffs gemessen werden. Dieser Punkt stimmt mit dem Ursprung des Referenzinertialkoordinatensystems überein, wenn das Schiff ortsfest ist. Eine Folge der Euler-Winkel wird verwendet, um die Ausrichtung des Schiffs im Raum zu beschreiben. Ein schiffsfestes Koordinatensystem an dem Punkt 0 stampft (pitch) um die Inertialachse x mit dem Winkel ∅_pitch, um das Koordinatensystem (x', y', z') zu bilden, rollt dann um die neuerlich gebildete Achse y' mit dem Winkel ∅_roll, um das Koordinatensystem (x'', y'', z'') zu bilden. Wenn diese Messungen verwendet werden, sind die Inertialkoordinaten der Auslegerspitze wie folgt:
worin L_b die Auslegerlänge, und R = (R_x, R_y, R_z) die Position der Auslegerbasis relativ zu dem Punkt O ist und in dem schiffsfesten Koordinatensystem beschrieben wird. Die horizontalen Inertialkoordinaten der Auslegerspitze sind:
Zuerst wandelt das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung die Wippbefehle β_i(t) und Schwenkbefehle α_i(t) des Bedieners in die Inertialreferenz-Zielposition x_i(t) und y_i(t) der Auslegerspitze um. Dies kann auf irgendeine beliebige Weise erfolgen, jedoch kann beispielsweise die Trajektorie der Auslegerspitze den von dem Bediener angewiesenen Wippen β_i(t) und Schwenken α_i(t) für ein ortsfestes Schiff entsprechend, beispielsweise: xi(t) = Rx + cos(αi(t))cos(βi(t))Lb (25) yi(t) = Ry + sin(αi(t))cos(βi(t))Lb, (26)worin β_i(t) und α_i(t) durch Integrieren der von dem Bediener angewiesenen Auslegerwipp- und Schwenkraten erhalten werden. Das Erzwingen, dass die Auslegerspitze diesen Inertialkoordinaten x_i(t) und y_i(t) folgt, minimiert die horizontalen Anregungen der Auslegerspitze, die aus der Schiffsbewegung folgen. Ein Prozentsatz der zeitverzögerten Nutzlastbewegung in der xy-Ebene, abgeleitet von den zeitverzögerten Schwingungswinkeln innerhalb der Ebene und außerhalb der Ebene der Nutzlast wird dann über den Eingaben x_i(t) und y_i(t) des Bedieners überlagert, um die ange wiesene Auslegerspitzen-Position (x_ref(t), y_ref(t)) in dem Referenzinertialsystem zu bilden, das durch die Gleichungen (27) und (28) gegeben ist:
worin θ_in, der Inertial-Schwingungswinkel innerhalb der Ebene, θ_x ersetzt hat; und θ_out, der Inertial-Schwingungswinkel außerhalb der Ebene, θ_y ersetzt hat, um den Kranschwenkwinkel α auszuweisen, wie in der 8 gezeigt ist. k_in und k_out sind Steuerungssystemvorläufe, und τ_in und τ_out sind Zeitnachläufe. Wie es vorher beschrieben wurde, erzeugen diese zeitverzögerten Komponenten die Dämpfung, die erforderlich ist, um die restlichen Schwingungen zu unterdrücken.
Das Steuerungssystem ersetzt (x_p(t), y_p(t)) in den Gleichungen (23) und (24) durch (x_ref(t), y_ref(t)) und es löst für Auslegerwipp- und Schwenkwinkel (α(t), β(t)) in Bezug auf das schiffsfeste Koordinatensystem. Der abschließende Teil des Steuerungssystems besteht aus zwei Verfolgungs-PD-Steuerungssystemen, welche die Auslegerwipp- und -schwenkstellglieder schnell antreiben, um die Referenzwinkel α(t) und β(t) zu verfolgen.
Numerische Simulationen
Ein dreidimensionales Computer-Modell (9) wurde auf Basis der Dimensionen des Kranschiffs von 2 konstruiert. Diese Abmessungen (die in Fuß angegeben sind) sind in der Tabelle 1 angegeben.
Die Position 2 wurde zum Zwecke der Simulation ausgewählt.
Die 9 zeigt eine Zeichnung der Geometrie des Computermodells. Der Schwerpunkt der angehobenen Fracht liegt bei 27,1 m unter der Auslegerspitze, und erzeugt die natürliche Frequenz der Nutzlastschwingung von 0,096 Hz. Ein linearer Dämp fungsfaktor von 0,002 wurde für diese Simulation verwendet. Die Nutzlast wird über primäre Resonanz und parametrische Hauptresonanz durch das Setzen der Frequenzen der Roll- und Stampfbewegungen des Schiffs gleich der natürlichen Frequenz der Nutzlastschwingung und der Frequenz der Hebebewegung gleich der doppelten natürlichen Frequenz der Nutzlastschwingung angeregt. Diese Bedingungen sind der schlimmste Fall, wie vorher diskutiert wurde. Bei den Computer-Simulationen werden diese Bedingungen verwendet, um die Effektivität des Steuerungssystems darzustellen. Ein Vorlauf von 0,1 wurde sowohl für die Anteile innerhalb der Ebene als auch außerhalb der Ebene des Steuerungssystems verwendet. Ein Zeitnachlauf von 2,5 Sekunden wurde für die Winkel innerhalb der Ebene und außerhalb der Ebene des Nutzlastförderkabels ausgewählt, die ungefähr 1/4 der Schwingungsperiode der ungesteuerten Nutzlast sind. Die Rollamplitude betrug 2°, die Stampfamplitude betrug 1° und die Hebeamplitude betrug 0,305 m, wobei sowohl der gesteuerte als auch der ungesteuerte Fall simuliert wurden.
Tabelle 1: Abmessungen des T-ACS-Schiffs und Krans. Alle Abmessungen sind in Fuß.
Dann wurden drei Sätze von Simulationen unter Einsatz von sinusförmigen Anregungen beim Rollen und Stampfen mit natürlicher Frequenz der Nutzlastschwingung und sinusförmige Anregung beim Heben mit zweifacher natürlicher Frequenz der Nutzlastschwingung. Bei dem ersten Satz war der Kran ausgerichtet, so dass der Ausleger sich über die Seite des Schiffs senkrecht zu der Achse des Schiffs erstreckte. Die Ergebnisse der gesteuerten und ungesteuerten Winkel innerhalb und außerhalb der Ebene des Förderkabels sind in den 10a und 10b gezeigt. (Die 10a zeigt den Winkel innerhalb der Ebene des Förderkabels als eine Funktion der Zeit. Die 10b zeigt den Winkel außerhalb der Ebene als eine Funktion der Zeit}.
Bei der ungesteuerten Simulation wuchsen die Schwingungswinkel des Nutzlastförderkabels schnell auf ungefähr 70° innerhalb der Ebene und auf 65° außerhalb der Ebene an. Andererseits blieb die gesteuerte Antwort innerhalb 1,5° innerhalb der Ebene und 1° außerhalb der Ebene.
Bei Beginn des zweiten Satzes der Simulationen wurde der Kran anfänglich derart ausgerichtet, dass der Ausleger sich über die Seite des Schiffs senkrecht zu der Achse des Schiffs erstreckte. Das Steuerungssystem wurde ausgeschaltet und der Kranbediener führte einen Schwenkvorgang um 90° und zurück in 40 Sekunden aus. Die gleiche Simulation wurde dann bei eingeschaltetem Steuerungssystem wiederholt. Die Ergebnisse der gesteuerten und ungesteuerten Winkel innerhalb der Ebene und außerhalb der Ebene des Förderkabels sind in den 11a und 11b gezeigt. In der 11a ist der Winkel innerhalb der Ebene des Nutzlastkabels (Förderkabels) als Funktion der Zeit ausgedruckt und in der 11b ist der Winkel außerhalb der Ebene als Funktion der Zeit ausgedruckt. Die Nutzlastschwingung bei der ungesteuerten Simulation wuchs schnell auf ungefähr 85° innerhalb der Ebene und 80° außerhalb der Ebene an, während bei der gesteuerten Simulation sowohl der Winkel innerhalb der Ebene als auch der Winkel außerhalb der Ebene innerhalb von 8° verblieb.
Um weiter die Robustheit des Steuerungssystems der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurde der Kran derart ausgerichtet, dass der Ausleger sich über die Seite des Schiffs erstreckte und normal zu der Schiffsachse war. Der Kran wurde den gleichen Roll-, Stampf- und Hebeanregungen wie bei den zwei vorherigen Simulationen unterworfen, die in den 10a und 10b und in den 11a und 11b dargestellt sind. Die Ergebnisse für die gesteuerten und ungesteuerten Winkel innerhalb der Ebene und außerhalb der Ebene der Schwingung der Nutzlast sind in der 12 gezeigt. Während die ungesteuerte Reaktion auf ungefähr 100° anwuchs, fiel die gesteuerte Reaktion rapide und verblieb innerhalb von 2°. Bei den gesteuerten Simulationen war die Eingangsleistung für die Kranwipp- und Schwenkstellglieder ungefähr 20% höher als die erforderliche Eingangsleistung, um den gleichen Betrieb ohne das Steuerungssystem durchzuführen.
Experimenteller Aufbau und Ergebnisse
Um die Computer-Simulationen zu validieren, wurde ein experimenteller Aufbau entwickelt. Dieser experimentelle Aufbau, der in der 13 gezeigt ist, enthält ein Modell im Maßstab 1:24 des in der 2 gezeigten Krans. Der Kran ist auf der sich bewegenden Plattform eines Carpal-Gelenkmechanismus befestigt.
Insbesondere ist der Kran des experimentellen Aufbaus allgemein mit der Bezugsnummer 50 gekennzeichnet. Das Kranmodell weist einen Auslegerwippwinkel-Motor 52 und einen Schwenkwinkel-Motor 54 auf. Ein Ausleger 56 und digitale Neigungssensoren 62 sind an der sich bewegenden Plattform 58 des Carpal-Gelenks befestigt. Optische Codierer 60 sind an dem Ausleger 56 befestigt. Die Plattform 58 kann beliebige, unabhängige Roll-, Stampf- und Hebebewegungen erzeugen. Bei diesem Experiment wurde die Plattform 58 angetrieben, um die Bewegung des Kranschiffes bei der Kranposition 2 der Tabelle 1 zu simulieren. Der digitale Neigungssensor 62 misst die Plattformroll- und -stampfwinkel und die optischen Codierer 60 lesen die Winkel innerhalb der Ebene und außerhalb der Ebene des Nutzlastförderkabels aus. Ein optischer Codierer 64 liest den Auslegerwippwinkel aus. Ein optischer Codierer innerhalb des Schwenkmotors 54 liest die Schwenkwinkel des Krans aus. Eine bekannte Last 66 wird von dem Ausleger 56 abgehängt. Bei diesem experimentellen Aufbau wurde ein Modell im Maßstab 1:24 eines Containers mit 8 Fuß × 8 Fuß × 20 Fuß, der 20 Tonnen wog, als eine Nutzlast verwendet. Der Schwerpunkt der Nutzlast wurde 1 m unterhalb der Auslegerspitze lokalisiert. Diese Länge führt zu einer Schwingungsfrequenz von 0,498 Hz.
Ein Desktop-Computer (nicht gezeigt) liefert die Roll-, Stampf- und Hebe-Befehle an die Plattform-Motoren. Ein anderer Desktop-Computer (nicht gezeigt) fragt die Kran-Codierer sowie den digitalen Plattform-Neigungssensor ab und steuert die Auslegerwipp- und Schwenkstellglieder an. Ein Nachlauf-Steuerungsalgorithmus wurde der Software hinzugefügt, die die Kranstellglieder ansteuert.
Wieder wurden Versuche für eine Situation des schlimmsten Falls von sinusförmigen Bewegungen bei den kritischen Frequenzen durchgeführt. Durchweg wurden bei diesen Experimenten die Plattform und das Kranmodell sinusförmig um 2° beim Rollen mit der Schwingungsfrequenz (0,498 Hz), um 1° beim Stampfen mit der Schwingungsfrequenz und um 1,27 cm beim Heben mit doppelter Schwingungsfrequenz stimuliert. Die verwendeten Steuerungssystemparameter waren ein Zeitnachlauf von 0,5 Sekunden für die Winkel innerhalb der Ebene und außerhalb der Ebene des Nutzlastförderkabels, was ungefähr 1/4 der Schwingungsperiode der Modell-Nutzlast entspricht. Ein Vorlauf von 0,1 wurde für Teile des Steuerungssystems sowohl innerhalb der Ebene als auch außerhalb der Ebene verwendet.
Zwei Sätze von Experimenten, mit und ohne Steuerung, wurden durchgeführt. In dem ersten Satz erstreckte sich der Kranausleger über die Seite und senkrecht zu der Achse des Modell-Schiffes. Die 14a bzw. 14b zeigen die Versuchsergebnisse für den Winkel innerhalb der Ebene bzw. den Winkel außerhalb der Ebene des Nutzlastkabels als Funktion der Zeit. In dem ungesteuerten Fall veranlasste die Anregung, dass die Amplitude dieser Winkel schnell anwuchs und die Versuche wurden nach 10 Sekunden gestoppt, als der Schwingungswinkel innerhalb der Ebene ungefähr bei 70° lag. Der gleiche Versuch wurde dann mit dem eingeschalteten Steuerungssystem wiederholt und die maximale Amplitude der Winkel innerhalb und außerhalb der Ebene blieb unter 1,5° bzw. 2°.
Bei dem zweiten Satz erstreckte sich das Kranmodell anfänglich über die Seite und senkrecht zu der Achse des Modellschiffes. Der Kranbediener führte einen Schwenkbetrieb von 0° bis 90° alle 8 Sekunden aus. Bei dem ungesteuerten Fall, wie in den 15a und 15b gezeigt, veranlasste die Anregung zusammen mit dem Schwenkbetrieb, dass die Amplitude der Schwingungswinkel rapide zunahm, und der Versuch musste nach 10 Sekunden gestoppt werden, als der Winkel innerhalb der Ebene ungefähr 70° betrug. Der gleiche Versuch wurde mit eingeschaltetem Steuerungssystem wiederholt und die maximale Amplitude der Winkel innerhalb und außerhalb der Ebene blieb unter 6°.
Es wurde ein zusätzlicher Versuch mit anfänglich ausgeschaltetem Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung durchgeführt. Nach wenigen Sekunden wurde, als der Schwingungswinkel innerhalb der Ebene der Nutzlast auf über 20° angestiegen war, das Steuerungssystem angeschaltet. Dieser Test wurde durchgeführt, um den Einfluss von anfänglichen Störungen zu simulieren. Nachdem das Steuerungssystem eingeschaltet worden war, fielen die Schwingungswinkel der Nutzlast auf weniger als 1° in 10 Sekunden ab und blieben unter 1°, wie in der 16 gezeigt ist.
Schlussfolgerung
Nachlauf-Positionsrückkopplung zusammen mit Wipp- und Schwenkwinkelbetätigung ist ein effektives Verfahren zur Steuerung von Frachtschwingungen von auf Schiffen montierten Kränen sowie andere Typen von Kransystemen. Drastische Reduzierungen der Schwingungswinkel der Nutzlast sowie Stabilität und Robustheit des Steuerungssystems für große anfängliche Störungen können mit dem vorliegenden System erreicht werden. Sowohl experimentelle als auch Computer-Simulationen weisen nach, dass das Steuerungssystem der vorliegenden Erfindung in der Lage ist, Schwingungen von Fracht zu steuern und zu reduzieren, die durch auf sich bewegenden Plattformen montierten Kränen, wie z. B. Schiffe und Schleppzüge, sowie von auf stationären Plattformen montierten Kränen angehoben werden.

Claims

Verfahren zur Schwingungsreduzierung von Fracht, die von Kränen (21) hochgehoben wird, die auf sich bewegenden Plattformen (58) befestigt sind, mit folgenden Schritten: – Berechnen einer von einem Bediener eingegebenen Position einer Auslegerspitze (22a) des Kranes (21); – Bestimmen einer relativen Bewegung der Fracht, die von einem Hubseil des Kranes (21) herabhängt, unter Bezug auf einen Aufhängungspunkt des Hubseils des Kranes (21); gekennzeichnet durch – Vorsehen von Nachläufen und Vorläufen innerhalb und außerhalb der Ebene, die auf der relativen Bewegung der Fracht basieren; – Berechnen einer Korrektur, einer von dem Bediener vorgegebenen Bewegung in einem Inertialsystem; basierend auf den Nachläufen und Vorläufen innerhalb und außerhalb der Ebene – Berechnen von Referenzwinkeln für einen Ausleger (22) des Kranes (21) basierend auf einer Korrektur der von dem Bediener gewünschten Position der Auslegerspitze (22a) und einer Bewegung der sich bewegenden Plattform, um eine Dämpfung zur Reduzierung der Frachtschwingung bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Berechnens der vom Bediener gewünschten Position der Auslegerspitze (22a) des Kranes (21) hat: – Integrieren von vom Bediener eingegebenen Raten des Auslegers (22), um Zeitverläufe von Schwenk- und Auslegerwinkel (α, β) zu erhalten; und – Bereitstellen von Bewegungsverläufen der Auslegerspitze (22a) des Kranes (21) basierend auf den Zeitverläufen der Schwenkwinkel (α) und Auslegerwinkel (β).
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die vom Bediener eingegebenen Raten eine Schwenkrate (α_i) und eine Auslegerrate (β_i) sind und die Bewegungsverläufe auf Schwenkwinkelraten (α) und Auslegerwinkelraten (β) basieren.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Schwenkwinkelraten (α) und die Auslegerwinkelraten (β) in kartesische Koordinaten umgewandelt werden, um die Bewegungsverläufe der Auslegerspitze (22a) in einem festen Bezugssystem bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Berechnen der Referenzwinkel das Berechnen eines Referenzschwenkwinkels (α) und eines Referenzauslegerwinkels (β) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, das ferner eine Bahnverfolgung oder Nachführung einer gewünschten Bewegung der Auslegerspitze (22a) aufweist, das auf dem Schritt des Berechnens des Referenzschwenkwinkels (α) und des Referenzauslegerwinkels (β) basiert.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit Steuern eines Schwenkwinkelmotors (54) und eines Auslegerwinkelmotors (52), um die Auslegerspitze (22a) gemäß dem Schritt des Berechnens des Referenzwinkels des Auslegers (22) zu bewegen.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Frachtbewegung durch ein globales Ortungssystem, Beschleunigungsmessern oder Inertialkodierern gemessen wird, die zur Messung von Winkeln des Förderkabels geeignet sind.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Berechnens der Referenzwinkel ein Überlagern der Korrektur auf Bewegungsverläufe aufweist, die durch den Bediener vorgegeben wurden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Vorlauf innerhalb der Ebene und der Vorlauf außerhalb der Ebene unterschiedlich sind.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Vorläufe innerhalb und außerhalb der Ebene Anteile sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Nachlauf innerhalb der Ebene und der Nachlauf außerhalb der Ebene unterschiedlich sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bewegung der sich bewegenden Plattform (58) eine Bewegung eines Schiffes ist; und bei dem die Schiffsbewegung Stampfen, Gieren, Rollen, Heben, Schwanken und Schwingen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bewegung der sich bewegenden Plattform (58) ein sich bewegendes Fahrzeug ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Nachlauf innerhalb der Ebene und der Nachlauf außerhalb der Ebene einen Dämpfungseffekt erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner ein Berechnen der kartesischen Koordinaten der Auslegerspitze (22a) basierend auf der Korrektur der von dem Bediener vorgegeben Bewegung und auf der von dem Bediener gewünschten Position der Auslegerspitze (22a) aufweist, und bei dem der Schritt des Berechnens von Referenzwinkeln ferner auf den berechneten kartesischen Koordinaten und der Bewegung der sich bewegenden Plattform (58) basiert.
Steuerungssystem zur Schwingungsreduzierung von Fracht, die von Kränen (21) hochgehoben ist, die auf sich bewegenden Plattformen (58) befestigt sind, mit: – einer Einrichtung zum Berechnen einer von einem Bediener eingegebenen Position einer Auslegerspitze (22a) des Kranes (21); – einer Einrichtung zum Bestimmen einer relativen Bewegung der Fracht, die an dem Hubseil des Kranes (21) hängt, unter Bezug auf die Auslegerspitze (22a) des Kranes (21); gekennzeichnet durch – eine Einrichtung zum Bereitstellen von Nachläufen und Vorläufen innerhalb und außerhalb einer Ebene, die auf der relativen Bewegung der Fracht basieren; – eine Einrichtung zum Berechnen einer Korrektur zu einer von dem Bediener angewiesenen Bewegung in einem Inertialsystem, die auf den Nachläufen und Vorläufen innerhalb und außerhalb der Ebene basiert; und – eine Einrichtung zum Berechnen von Referenzwinkeln des Auslegers (22) des Kranes (21), das auf der Korrektur, der von dem Bediener eingegebenen Position der Auslegerspitze (22a) und auf der Bewegung der sich bewegenden Plattform (58) basiert, um die Frachtschwingung zu kompensieren und reduzieren.
Steuerungssystem nach Anspruch 17, bei dem die Einrichtung zum Berechnen der von dem Bediener eingegebenen Position der Auslegerspitze (22a) des Kranes (21) aufweist: – eine Einrichtung zum Integrieren der von dem Bediener eingegebenen Raten des Kranes (21) in Zeitverläufe der Schwenk- und Auslegerwinkel (α, β); und – eine Einrichtung zum Bereitstellen von Bewegungsverläufen des Auslegers (22) des Kranes (21) basierend auf den Zeitverläufen der Schwenk- und Auslegerwinkel (α, β).
Steuerungssystem nach Anspruch 18, bei dem die Einrichtung zum Berechnen der Referenzwinkel eine Einrichtung zum Berechnen eines Referenzschwenkwinkels (α_ref) und eines Referenzauslegerwinkels (β_ref) aufweist.
Steuerungssystem nach Anspruch 18, weiterhin mit einer Einrichtung zum Berechnen von kartesischen Referenzkoordinaten basierend auf einer vom Bediener gewünschten Position der Auslegerspitze (22a) und der Korrektur wobei die Einrichtung zum Berechnen der Referenzwinkel ferner auf den berechneten kartesischen Koordinaten und einer Bewegung der Plattform (58) basiert.
Steuerungssystem nach Anspruch 19, weiterhin mit einer Einrichtung zur Bahnverfolgung oder Nachführung einer gewünschten Bewegung des Auslegers (22), das auf den Referenzwinkeln basiert, um die Frachtschwingung zu reduzieren.
Steuerungssystem nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch: – Auslegerwinkel- und Schwenkwinkelmotoren (52, 54) zum Bewegen des Kranes (21); – einen Neigungssensor (62) zur Messung der Bewegung der Plattform (58); – Kodierern (60) zum Lesen der Winkel des Hubseils innerhalb und außerhalb der Ebene und des Schwenkwinkels (α) und Auslegerwinkels (β) des Kranes (21); und – eine Steuerung zur Bestimmung einer Referenzposition einer Auslegerspitze (22a) des Kranes (21), um die Frachtschwingung basierend auf der Eingabe des Neigungssensors (62) und der Kodierer (60) zu reduzieren.
Steuerungssystem nach Anspruch 22, bei dem die Steuerung Vorläufe und Nachläufe innerhalb und außerhalb der Ebene für die Schwenk- und Auslegerwinkel (α, β) des Kranes (21) und eine Korrektur einer von einem Bediener vorgegeben Be wegung bestimmt, um die Frachtschwingung basierend auf den Vorläufen und Nachläufen innerhalb und außerhalb der Ebene zu reduzieren.
Steuerungssystem nach Anspruch 23, bei dem die Steuerung Bedienereingaben zur Steuerung des Kranes (21) zu der Korrektur und der Bewegung der Plattform addiert, um Referenzschwenk- und Referenzausleger (α, β) zu bestimmen und die Referenzschwenk- und -auslegerwinkel (α_ref, β_ref) einer Mitlaufsteuereinheit zur Steuerung der Auslegerwinkel- und Schwenkwinkelmotoren (52, 54) bereitzustellen, um dadurch die Frachtschwingung zu reduzieren.