DE60221232T2

DE60221232T2 - Schwingungsminderungssteuerung eines krans unter bedienerbefehl

Info

Publication number: DE60221232T2
Application number: DE60221232T
Authority: DE
Inventors: Chong Jin Ong; Elmer G. Michigan GILBERT
Original assignee: National University of Singapore
Current assignee: National University of Singapore
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2022-03-05
Also published as: US6588610B2; JP2004521839A; ES2292718T3; KR100876451B1; WO2002070388A1; CN1505590A; ATE367356T1; JP4549629B2; KR20030090663A; EP1373118B1; CN1328146C; EP1373118A1; DK1373118T3; US20020158036A1; DE60221232D1; EP1373118A4

Description

Diese Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum Steuern von Seilaufhängungs-Nutzlast-Beförderungssystemen. insbesondere betrifft diese Erfindung Anti-Pendel-Steuerungssysteme und -verfahren für eine Nutzlast, welche sowohl horizontalen Laufkatzen- als auch vertikalen Hubbewegungen ausgesetzt ist.
Hintergrund der Erfindung
Portalkranähnliche Kräne werden in großem Umfang zur Container-Beförderung in Häfen verwendet. Üblicherweise weist ein Kran zwei Eingaben in Form von Geschwindigkeitsbefehlen auf. Diese beiden Geschwindigkeitsbefehle steuern die horizontalen Laufkatzen- und die vertikalen Hubbewegungen einer Nutzlast. Das unerwünschte Pendeln einer Nutzlast am Ende der Beförderung ist eine der Schwierigkeiten beim Durchführen einer Beförderungsbewegung. Die Belade- oder Entladevorgänge können nicht durchgeführt werden, wenn eine Nutzlast pendelt. Derzeit kann nur ein erfahrener Kranführer tatsächlich einen pendellosen Stillstand der Container herbeiführen. Andere Kranführer müssen warten, bis das Pendeln aufhört. Üblicherweise kann die bis zum Stillstand der Pendelbewegung notwendige Zeit oder können die bis zur genauen Positionierung der Nutzlast durchgeführten Rangierbewegungen bis zu einem Drittel der gesamten Beförderungszeit benötigen.
Verschiedene Patente gemäß Stand der Technik beschreiben Pendelbewegungs-Reduktionssysteme. Diese Patente betreffen die verschiedenen Aspekte der Lastenbeförderung mit verringerter Pendelbewegung. Beispielsweise beschreiben einige Patente Beförderungsabläufe in einem autonomen Modus, in dem das System die Anfangs- und Endpositionen der Nutzlast verwendet, um die zur Lastenbeförderung nötigen Steuerungssignale zu erzeugen. Andere nicht-autonome Systeme versuchen das Ausmaß des Lastenpendelns einzuschränken, während gleichzeitig die Steuerungsbefehle des Anwenders zur horizontalen Laufkatzen- und zur vertikalen Hubbewegung befolgt werden.
Autonome Systeme sind für strukturierte Umgebungen geeignet, in denen Positionen einer Last gut identifizierbar sind. In einem herkömmlichen Hafen hängt eine Container-Position von der relativen Position des Schiffs in Bezug zum Kran ab. Daher ist die Position des Containers in den seltensten Fällen genau bekannt. In einer solchen Umgebung wird ein nicht-autonomer Ablaufmodus bevorzugt. Die vorliegende Erfindung betrifft ein derartiges nicht-autonomes System.
Einige Referenzen offenbaren nicht-autonome Betriebsarten. Viele dieser Referenzen verwenden Pendelmodelle mit festgesetzter Länge als Basis für ihr Pendelbewegungs-Reduktionsverfahren und/oder -system. Folglich beseitigen diese Strategien nicht die Pendelbewegung, wenn sich die Seillänge während der horizontalen Bewegung verändert. Einige andere Referenzen setzen zur Bewältigung der durch die Veränderung der vertikalen Seillänge hervorgerufenen Auswirkungen Näherungen ein. Die vorliegende Erfindung verwendet die gesamte dynamische Gleichung eines Kransystems ohne Näherungen, um Fehler zu vermeiden und Pendelbewegungen zu beseitigen. Insbesondere verwendet die vorliegende Erfindung eine Aufhebungsbeschleunigung zur Steuerung der Pendelbewegungen. Die Berechnung eines Aufhebungssignals ist genau, da sie auf der gesamten dynamischen Gleichung des Kranmodells beruht. Dies ist insbesondere während der gleichzeitig durchgeführten Laufkatzen- und Hubbewegungen von großer Bedeutung. Zur Vereinfachung der Erörterung werden der Pendelwinkel der Last und die Pendelgeschwindigkeit der Last als θ bzw. θ . gezeigt und die Beschleunigung der Laufkatze wird als χ .. bezeichnet. Alle Steuerungssysteme verwenden die horizontale Beschleunigung der Laufkatze als Pendelregelung. Daher wird die horizontale Beschleunigung auch als Regelung bezeichnet.
Es gibt zwei allgemeine Ansätze für die Pendelbewegungsreduktion. Im ersten Ansatz wird die Laufkatzenbeschleunigung in Form von x .. = r + k₁θ + k₂θ . oder etwas Ähnlichem angegeben. Hierbei ist der Wert r eine Zeitfunktion, die von der gewünschten Bewegung der Laufkatze abhängt. Die Verwendung dieses Ansatzes führt eine zusätzliche Dämpfung in das System zur Pendelregelung ein. Das entste hende System kann so ausgeführt sein, dass es jedes gewünschte Dämpfungsverhältnis und jede gewünschte Eigenfrequenz unter Verwendung der geeigneten Werte k₁ und k₂ hat.
Einige Referenzen übernehmen diesen ersten Ansatz. Diese Referenzen weisen Unterschiede bezüglich der von der Bewegung abhängigen Zeitfunktion r und dem spezifischen Ablauf auf, durch den die Werte der Dämpfungeverhältnisse k₁ und k₂ bestimmt werden. In dem US-Patent Nr. 5.443.566 von Rushmer werden der Pendelwinkel und die Pendelwinkelgeschwindigkeit unter Verwendung eines Seilmodells mit konstanter Länge für den Kran geschätzt.
Die Schätzungen des Pendelwinkels θ und der Pendelwinkelgeschwindigkeit θ . werden gemeinsam mit der Eingangsgeschwindigkeitsforderung durch den Anwender x ._d verwendet, um das Steuerungssignal x .. = k₁(x ._d – x .) + k₂θ + k₃θ . zu berechnen. Im US-Patent Nr. 5.490.601 von Heissat et al. ist das Steuerungssignal x .. = k₁θ + k₂θ .) + k₃(x_d – x). Sätze von k₁, k₂ und k₃ werden versuchsweise bei verschiedenen Seillängen bestimmt. Die genauen Werte von k₁, k₂ und k₃ für ein bestimmtes Seil werden aus diesen beispielhaften Sätzen unter Verwendung von Gain-Scheduling oder einer anderen Form einer Fuzzy- oder neuronaler Netzsteuerung interpoliert. Im US-Patent Nr. 5.878.896 von Eudier et al. liegt die Geschwindigkeitsforderung, welche an die Laufkatze gesendet wird, in der Form x ._d = k₁θ + k₂θ . + k₃(x_d – x) vor, wobei x_d die gewünschte Position der Laufkatze ist. Die Werte von k₁, k₂ und k₃ werden versuchsweise bestimmt.
Dieser erste Ansatz kann das Pendeln wirksam eindämmen. Der Ansatz basiert auf einem herkömmlichen Rückkopplungsmechanismus und ist daher nicht anfällig für Ungenauigkeiten des Modells. Der Hauptnachteil dieses Ansatzes ist das Fehlen der intuitiven Regelung durch den Anwender. Da die Laufkatzenbeschleunigung von θ, θ ., und der gewünschten Steuerungsgeschwindigkeit abhängt, kann die Bewegung der Laufkatze unvorhersehbar und gegensätzlich zur Intuition des Anwenders (Kranführers) sein. Als Resultat können einige Rangierbewegungen benötigt werden, um das System zum entsprechenden Stillstand zu bringen. Demgemäß ist dieser erste Ansatz für einen unbemannten Kran in einer strukturierten Umgebung geeignet, in der die Lastposition gut identifiziert ist.
Ein zweiter Ansatz beruht auf dem Prinzip der Pendelaufhebung. Dies ist der von den meisten Anwender zur Pendelbewegungsdämpfung verwendete Mechanismus. Die Grundidee dieses Ansatzes für ein Pendel mit festgelegter Länge wird von O. J. Smiths, Feedback Control Systems," McGraw-Hill, New York (USA) (1958) beschrieben. In einem Pendel mit festgelegter Länge ist die Pendelbewegung eine fast sinusförmige Zeitfunktion mit einer Frequenz ω, definiert durch ω = √g/l. Angenommen, dass ein kurzer Impuls der horizontalen Bewegung zu einem Zeitpunkt t = 0 angelegt wird, so wird dieser Impuls eine Pendelschwingung der Frequenz ω induzieren. Es ist möglich, diese Schwingung unter Verwendung eines zweiten kurzen Impulses der gleichen Größe und Dauer, angelegt zum Zeitpunkt t = π/ω, aufzuheben. Nach der Anlegung des zweiten Impulses wird das System für die nachfolgende Zeitdauer keine Pendelbewegungen mehr haben. Dieses Verfahren, bekannt als Doppelimpulsregelung oder Aufhebungsregelung weist die kürzest mögliche Setzungszeit für ein Seil mit konstanter Länge auf. Während dieses Verfahren leicht auf ein Pendel mit festgelegter Länge anwendbar ist, sind Erweiterungen auf Pendeln mit sich ändernden Seillängenerweiterungen nicht einfach.
Einige Referenzen lehren den allgemeinen Ansatz der Aufhebungsregelung. Im US-Patent Nr. 4.756.432 von Kawashima et al. scheint, dass Doppelimpulsregelung sowohl in der Beschleunigungs- als auch der Verlangsamungsphase der Laufkatzenbewegung verwendet wird. Für eine spezifizierte endgültige Laufkatzenposition werden die Zeitdauer und die Größe dieser Impulse auf der Basis eines Pendels mit festgelegter Länge berechnet. Ein Doppelimpuls wird in jeder der Beschleunigungs- und Verlangsamungsphasen verwendet. Zwischen diesen beiden Phasen bewegt sich die Laufkatze mit konstanter Geschwindigkeit und pendelt nicht. Damit dieses Verfahren auch funktioniert, muss der Anwender die endgültige Position der Laufkatze bereitstellen, um die Zeitdauer und die Größe der Impulse genau bestimmen zu können. Dieses System arbeitet besonders gut, wenn die Seillänge während der horizontalen Bewegung konstant bleibt.
Im US-Patent Nr. 5.219.420 von Kiiski et al. wird der Pendelwinkel gemessen und eine Best-Fit-Sinus-Zeitfunktion aus der Pendelbewegung erstellt. Durch diese geschätzte sinusförmige Funktion wird ein Aufhebungsimpuls zur Beseitigung der Pendelbewegung erzeugt. Das Verfahren nimmt das Vorhandensein nur einer einzigen sinusförmigen Frequenz an. Demgemäß ist das Verfahren für Systeme nicht effektiv, in denen sich die Seillänge während der horizontalen Bewegung der Laufkatze verändert.
Im US-Patent Nr. 5.690.969 von Habisohn wird ein digitaler Filter zum Dämpfen der Schwingung verwendet. Es werden Komponenten des Eingangssignals im Bereich der Kranschwingung ausgefiltert. Insbesondere ist das gefilterte Ausgangssignal ein einfacher Mittelwert des Eingangssignals und des Eingangssignals, das durch eine halbe Periode der Lastpendelbewegung verzögert wird. Einige andere Filterversionen auf der Basis linearer Kombinationen an Eingangssignalen mit unterschiedlichen Verzögerungen werden verwendet. Diese Eingangssignale werden unter Verwendung der Version mit konstanter Länge des Krangleichgewichts berechnet.
Die Verfahren in den oben genannten Referenzen beruhen auf Pendelsystemen mit konstanter Länge, um eine Aufhebung der Pendelbewegung durchzuführen. Die folgenden Referenzen stellen andere Versuche dar, die Aufhebungsregelung auf variable Seillängen auszudehnen.
Im US-Patent Nr. 5.785.191 von Feddema et al. ist ein Impulsantwortfilter und eine Proportional-Integral-Regelung für die Steuerung des Krans durch die Eingabe des Kranführers offenbart. Der Impulsfilter, basierend auf einer digitalen Implementierung eines Inverse-Dynamik-Konzepts, wird herkömmlicherweise für die Untersuchung von Regelungssystemen verwendet. In diesem Fall wird eine offene Steuerungsvorrichtung verwendet, um die Dynamik des Kransystems aufzuheben und eine benutzerdefinierte Steuerung einzuführen.
Im US-Patent Nr. 5.127.533 von Virrkkumen ist ein Versuch zur Adaptierung eines Regelsystems für einen Kran mit einem Seil mit festgelegter Länge für ein Regelsystems für einen Kran mit einem Seil mit variabler Länge offenbart. Es ist allgemein bekannt, dass die Schwingungsdauer eines Pendels proportional zur Quadratwurzel der Pendellänge ist. Die Referenz zeigt, dass ein Regelungssignal, das für einen Kran mit einer festgelegten Seillänge, bezeichnet als L₁, anwendbar ist, für den Kran mit einer anderen Seillänge, als L₂ bezeichnet, mithilfe einer geeigneten Verzögerung verwendet werden kann. Beispielsweise wird angenommen, das Regelungssignal beruht auf einer Krankonstruktion für eine festgelegte Länge L₁ und das Regelungssignal wird zu einem ersten Zeitpunkt t₁ angelegt. Virrkkumen zeigt, dass der gleiche Effekt in Bezug auf den Kran mit einer anderen festgelegten Länge L₂ erzielt werden kann, wenn das Regelungssignal zu folgendem Zeitpunkt angelegt wird:
Während das Verfahren von Virrkkumen für zwei Pendel mit festgelegten Längen angemessen ist, ist es für ein einziges Pendel oder einen einzigen Kran nicht geeignet, deren Seillänge sich ändert. Beispielsweise beeinflusst die Hubgeschwindigkeit des Seils den Pendelwinkel, was von Virrkkumen in seiner Darlegung nicht in Betracht gezogen wird. Außerdem gibt es eine Unsicherheit in der Bestimmung der zweiten Seillänge L₂, da die Länge während einer üblichen horizontalen Bewegung kontinuierlich verändert werden kann.
Im US-Patent Nr. 5.526.946 von Overton, welches dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs 1 und des unabhängigen Verfahrensanspruchs 36 entspricht, ist die grundlegende Pendelregelungs-Lehre eine Erweiterung von Kawashima und Virrkkumen. Anstelle eines festgesetzten Doppelimpulses bei Beschleunigungs- und Verlangsamungsphasen setzt Overton immer dann die Verwendung von Doppelimpulsen ein, wenn eine Veränderung im Geschwindigkeitseingang stattfindet. Für eine Sequenz von sich kontinuierlich verändernden Geschwindigkeitseingängen werden zwei Impulssequenzen erzeugt. Die erste Sequenz wird mit der Eingangsgeschwindigkeitsänderung synchronisiert. Die zweite Sequenz wird ebenfalls erzeugt und dann gespeichert. Die zweite Sequenz entspricht einem zweiten Impuls des Doppelimpuls-Regelungsverfahrens. Jedes der Signale in der zweiten Sequenz wird an die horizontale Beschleunigung der Laufkatze in etwa einer Hälfte einer Pendelperiode nach dem Signal in der ersten Sequenz angelegt. Qverton adaptiert Virrkkumen in Bezug auf die Berechnung der Zeitdauer dieser Signale. Diese zweite Sequenz wird mit einer variablen Geschwindigkeit zur aktuellen Seillänge verarbeitet (oder als Laufkatzenbeschleunigung gesendet). Je kürzer die Seillänge, umso schneller werden die Eingänge der Sequenz ausgesendet. Da Overton eine Adaption von Virrkkumen ist, weist seine Darlegung ähnliche Mängel auf.
US-6.102.221 beschreibt ein anderes Verfahren zum Dämpfen der Lastenschwingungen auf einem Kran. Eine Geschwindigkeitsregelung für das Fahrgestell der Laufkatze verwendet einen Dämpfungsfilter, um den Schwingungen der Last entgegenzuwirken.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine Doppelimpulssteuerung für die Aufhebung von Pendelschwingungen. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich jedoch von den oben genannten Referenzen in einigen bedeutenden Aspekten. Die vorliegende Erfindung berechnet die genaue Zeitdauer und die Größe eines zweiten Impulses unter Verwendung der gesamten dynamischen Gleichung des Kransystems. Die Anwendung dieses zweiten Impulses beseitigt das Pendeln sogar während der Veränderung der Seillänge. Diese präzise Aufhebungsimpuls-Berechnung ist entscheidend für die geeignete Pendelaufhebung. Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls sicher, dass physikalische Einschränkungen, in Form von Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsgrenzen der Laufkatze, nie überschritten werden. Die vorliegende Erfindung umfasst ebenfalls einen Rückkopplungsmechanismus, um das Pendeln aufgrund von Außenkräften, wie etwa Windlast oder anderen externen Störungen, zu beseitigen.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines computergesteuerten Systems zur Pendelregelung in einem Kran. Die vorliegende Erfindung verwendet Aufhebungsimpulse zur Pendelregulierung. Das Pendeln wird inkrementell aufgehoben, nachdem dieses durch vorherige Befehle zur Laufkatzenbeschleunigung induziert wurde. Die Zeitdauer und die Größe dieser Aufhebungsimpulse sind entscheidende Komponenten in Bezug auf die Effektivität des Anti-Pendelverfahrens der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung berücksichtigt in der Berechnung dieser Aufhebungssignale ebenfalls den gesamten dynamischen Effekt der unterschiedlichen Seillängen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bestimmung der genauen Aufhebungs-Beschleunigungsimpulse. Durch die Verwendung einer Schar gewöhnlicher Differentialgleichungen werden die genauen Aufhebungs-Beschleunigungsimpulse bestimmt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist der Betrieb eines Anti-Pendelsystems und -verfahrens innerhalb der Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsgrenzen des Laufkatzen-Antriebssystems. Die Pendelregulierung kann gegenteilig beeinflusst werden, wenn die Beschleunigungs- oder Geschwindigkeitsübersteuerung des Laufkatzen-Antriebssystems eintritt. Die vorliegende Erfindung umfasst ein System und ein Verfahren, um das entsprechende Funktionieren des Anti-Pendelmechanismus innerhalb dieser Grenzen sicherzustellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Anti-Pendel-Regelungseinheit oder -systems zum Einbau in ein vorhandenes Kransystem. Die Anti-Pendel-Regelungseinheit ist zwischen den Geschwindigkeitsbefehlen des Anwenders und den vorhandenen unterschiedlichen Geschwindigkeitsregelvorrichtungen verbunden. Diese Anti-Pendelregulierung befolgt die Eingabebefehle sowohl für horizontale Laufkatzenbewegungen als auch vertikale Lasthubbewegungen. Die Regelungseinheit kann ausgeschaltet werden, wenn gewünscht, um die manuelle Steuerung des Krans wieder herzustellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung von Restpendelbewegungen. Durch die Verwendung von Sensormessungen des Pendelns wird die vorliegende Erfindung weiters durch einen Rückkopplungsmechanismus verbessert. Dieser Rückkopplungsmechanismus ergänzt die Anti-Pendelregelvorrichtung und beseitigt Restpendelbewegungen aufgrund von externen Einflussgrößen.
Die Erfindung stellt ein System wie in Anspruch 1 dargelegt sowie ein Verfahren wie in Anspruch 36 erläutert bereit.
Weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute auf diesem Gebiet aufgrund der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, worin eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt wird und anhand der Veranschaulichung des als am besten erachteten Durchführungsmodus der Erfindung beschrieben wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung kann unter Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung zusammen mit den folgenden Zeichnungen besser verstanden werden.
1 ist eine graphische Darstellung eines Krans mit einer von einer Laufkatze hängenden Nutzlast,
2 ist eine graphische Darstellung eines Steuerungs-Eingangssignals als ein stückweise konstantes Beschleunigungssignal,
3 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung miteinander verbundener Funktionsblöcke eines Anti-Pendelsystems und
4 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung miteinander verbundener Funktionsblöcke eines Anti-Pendelsystems.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Modell eines Kransystems 10 gezeigt. Das Kransystem 10 umfasst eine Laufkatze 20 mit einer Hebevorrichtung (nicht abgebildet), um eine Last 30 verstellbar von einem Seil 40 hängen zu lassen. Ein Pendelwinkel θ wird zwischen der Position des Seils 40 im Ruhezustand und der Position des Seils 40 während der Pendelschwingung erzeugt. Eine Differentialgleichung zur Beschreibung des Zeitverlaufs des Pendelwinkels θ für die Nutzlast 30 ist: l(t)θ ..(t) + 2l .(t)θ .(t) + gsinθ(t) = x ..(t)cosθ(t) (1)
In Gleichung (1) beziehen sich I(t) und I .(t) auf die zeitabhängige Länge des Seils 40 bzw. deren Ableitungen und x ..(t) bezieht sich auf die Laufkatzenbeschleunigung. Zu dem Zeitpunkt, an dem der Betrieb des Krans zuerst in Gang gesetzt wird, befindet sich das System in einem Ruhezustand, also θ(0) = θ .(0) = 0, x(0) = x, x .(0) = 0, l(0) = l0,l .(0) = 0. Zur Erleichterung der Darstellung sind diese Bedingungen ausgewählt worden. Es ist ebenfalls möglich, diese Ableitung um einen allgemeineren Satz anfänglicher Bedingungen zu erweitern.
Da die Größe des Pendelwinkels θ(t) im Verlauf der nachfolgenden Bewegung relativ klein ist, ist eine Näherung möglich. Unter Annahme der üblichen Ingenieurs-Praxis, nämlich sinθ(t) ≌ θ(t) und cosθ(t) ≌ 1, wird eine Näherung durchgeführt. Daher wird die Bewegungsgleichheit durch l(t)θ ..(t) + 2l .(t)θ .(t) + gθ(t) = x ..(t) (2)mittels θ(0) = θ .(0) = 0 angenähert.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ersichtlich, dass das Kompensationsschema von der Darstellung der Beschleunigung der Laufkatze 20 zu einem gegebenen Zeitpunkt x ..(t) als Summe von schmalen Impulsen der Form
abhängt, wobei die Funktion p(·) durch Folgendes definiert ist: p(t) = 0, t < 0 (4a) p(t) = 1, t ≤ 0 < T (4b) p(t) = 0, t ≥ T (4c)
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist nur ein erster Impuls x ..(0)p(t) vorhanden. Wenn die Dauer des Beschleunigungsimpulses T gering ist, wird die Pendelwinkelantwort auf den Impuls, dargestellt als δθ₀(t), durch die Lösung der folgenden Differentialgleichung bestimmt.
Wenn alle Beschleunigungsimpulse vorhanden sind, beträgt die Antwort auf eine willkürliche Beschleunigung der Laufkatze 20 zu einem gegebenen Zeitpunkt x ..(t) in Gleichung (3):
Hierbei ist die Funktion 1(t – iT) = 1, wenn t > iT ist und ansonsten ist die Funktion 1(t – iT) = 0. Jede Pendelwinkelantwort δθ(t) wird definiert durch:
Hierbei ist anzumerken, dass der Pendelwinkel θ(t), wie in Gleichung (6) berechnet, von der Linearität der Differentialgleichung (2) abhängt. Die Modellbildungsfehler, welche durch die Näherungen von sinθ(t) und cosθ(t) als sinθ(t) ≌ θ(t) bzw. cosθ(t) ≌ 1 eingeführt werden, können unter Verwendung einer Umwandlung, wie unten gezeigt, korrigiert werden.
Nun wird ein Ausdruck zur Erzeugung eines Aufhebungssignals näher erläutert, um dem Effekt des ersten Impulses x ..(0)p(t) entgegenzuwirken. Zur Lösung der linearen, zeitabhängigen Differentialgleichung (7) für i = 0, sei t ~₀ der erste Zeitpunkt nach t = 0, wobei die Pendelwinkelantwort δθ(t) Null wird, also δθ₀(t ~₀) = 0. Zum Zeitpunkt t ~₀ ist eine entsprechende Geschwindigkeit δθ₀(t ~₀) vorhanden. Angenommen, ein Korrekturimpuls x c / 0(t) wird am Zeitpunkt t ~₀ für eine Dauer von T angelegt:
Es ist offensichtlich, dass nach der Anlegung dieses Korrekturimpulses x c / 0(t) sowohl der Pendelwinkel δθ .₀(t ~₀) als auch die Pendelwinkelgeschwindigkeit δθ₀(t ~) nahe Null sind. Der Näherungsfehler kann durch Auswählen eines ausreichend kleinen T im Wesentlichen auf Null verringert werden. Wenn der Korrekturimpuls aufgetreten ist, ist δθ₀(t) daher im Wesentlichen Null für t ≥ t ~₀.
Die Bestimmung von t ~₀ und δθ .₀(t ~₀) wird unter Verwendung eines Solvers der gewöhnlichen Differentialgleichung (ODE) für die Gleichung (7) erzielt. Da die Gleichung (7) ein zeitabhängiges System ist, wirkt dieser Solver in Echtzeit unter Verwendung von Sensorinformationen der zeitabhängigen Länge des Seils 40 bzw. deren Ableitungen I(t) und I .(t). Je nach Auswahl des verwendeten Solvers, kann es notwendig sein, die zeitabhängige Länge des Seils 40 bzw. deren Ableitungen I(t) und I .(t) auf kleineren Intervallen als T, z.B. t = iT und bei iT + T/2 zu messen.
Die oben stehende Erläuterung weist den Zeitpunkt t = 0 für den ersten Impuls auf.
Unter Bezugnahme auf 3 ist die Gesamtantwort auf ein Anti-Pendelsystems 50 eine Summe der Pendelwinkelantwort δθ_i(t) im Verlauf des gesamten Intervalls i, wie in Gleichung (6) gezeigt. Ein neuer ODE-Solver wird zu Beginn jeder einzelnen Zeitperiode t = iT erzeugt. Dieser ODE-Solver wird in dem Anti-Pendelsystem 50 solange wie nötig, also bis die Pendelwinkelantwort Null ist δθ_i(t) = 0 bei t = t ~_i, getragen. Wenn t ~_i und δθ ._i(t ~_i) bestimmt werden, wird der Korrekturimpuls an dem nächsten verfügbaren Abtastwertzeitpunkt, also bei t = jT, angelegt, wobei j das kleinste j ist, so dass jT ≥ t ~_i ist. Nach t = jT wird die Verwendung des i-ten ODE-Solvers beendet. Ein gesamte Schar an ODE-Solvern wird betätigt, während die Echtzeit voranschreitet. Diese Mehrfach-Echtzeitlösung von Differentialgleichungen ermöglicht dem System 50 – auf höchst genaue Weise – die Handhabung der Auswirkung der durch die Anwenderbefehle für die zeitabhängige Laufkatzenposition und vertikale Seillänge erzeugten Pendelbewegungen.
Unter weiterer Bezugnahme auf 3 wird eine bevorzugte Ausführungsform des Anti-Pendelsystems 50 in Form eines Blockdiagramms gezeigt. Eine Anti-Pendel-Regelvorrichtung 60 implementiert das Mehrfach-ODE-System unter Verwendung des oben beschriebenen Systems. Die Anti-Pendel-Regelvorrichtung 60 weist zwei Eingänge und drei Ausgänge auf. Das Haupt-Eingangssignal ist eine eingestellte Anwenderbefehl-Beschleunigung a_αdj. Ein weiteres Eingangssignal zur Bereitstellung eines Messsignals der Seillänge 40 bzw. eine Zeitableitung der Seillänge 40 I(t) bzw. I .(t) wird von einem Sensor 70 erhalten, wie es für den ODE-Solver erforderlich ist. Das Haupt-Ausgangssignal ist ein Aufhebungs-Beschleunigungssignal a_c, das Äquivalent des Korrekturimpulses x .. c / 0 in Gleichung (8). Zwei andere Ausgangssignale von der Anti-Pendel-Regelvorrichtung 60 werden mit einem Vorhersagemodul 80 bzw. einem Rückkopplungsmodul 90 verbunden. Die Funktionen des Vorhersagemoduls 80 und des Rückkopplungsmoduls 90 werden unten stehend erläutert.
Ein Paar Übersteuerungs- und Filterkomponenten 100, 105 filtern jeweils die Hochfrequenzkomponenten eines Anwenderbefehls der Eingangssignale der horizontalen Laufkatze und der vertikalen Hubgeschwindigkeit V_OX (siehe 3) bzw. V_OL (siehe 4). Die Eingangssignale werden von einem Paar Joysticks (nicht abgebildet) erhalten. Die Übersteuerungs- und Filterkomponenten 100, 105 setzen ebenfalls die höchst zulässigen Geschwindigkeiten der horizontalen Laufkatzen- bzw. der horizontalen Hubbewegungen fest.
Unter Bezugnahme auf 4 wandeln Übersteuerung und Filter 105 ebenfalls das vertikale Geschwindigkeitseingangssignal V_OL in ein Seilgeschwindigkeits-Aufforderungssignal l ._ref um. Das Seilgeschwindigkeits-Aufforderungssignal l ._ref wird dann zu einer Geschwindigkeits-Regelvorrichtung 107 des vorhandenen Kransystems für das Hebevorrichtungsantriebssystem des Seils gesendet.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 ist eine Filterkomponente 110 gezeigt. Die Filterkomponente 110 verringert ein Geschwindigkeits-Aufforderungssignal, als ν_ref bezeichnet, um die Hälfte, um einen Beitrag für den verzögerten Effekt des Aufhebungssignals α_c zu liefern. Das Filter 110 wandelt ebenfalls die Geschwindigkeitsaufforderung ν_ref in entsprechende Beschleunigungs-Aufforderungssignale a_ref durch Differenzieren um. Das Geschwindigkeits-Aufforderungssignal ν_ref hat zwei Komponenten, eine gefilterte Anwenderbefehl-Geschwindigkeit, als ν_x bezeichnet, und ein Kompensationssignal, als ν_comp bezeichnet. Die Kompensationssignal-Komponente ν_comp wird zur Kompensation der Diskrepanz zwischen der gewünschten Geschwindigkeit der Anwenderbefehl-Geschwindigkeit ν_x und eines Geschwindigkeits-Ausgangssignals, bezeichnet als ν_o, benötigt. Diese Diskrepanz entsteht aus der Betätigung der Anti-Pendel-Regelvorrichtung 60.
Das Ausgangssignal des gesamten Anti-Pendelsystems 50 ist das Geschwindigkeits-Ausgangssignal ν_o und es wird zu einer vorhandenen Geschwindigkeits-Regelvorrichtung 112 für das Antriebssystem der Laufkatze 20 gesendet. Ein Ausgangssignal ν_o ist die Integralsumme, als 115 gezeigt, von drei Signalen: die eingestellte Anwenderbefehls-Beschleunigung a_αdj, das Aufhebungs-Beschleunigungssignal a_c und die Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigung a_e. Das Beschleunigungssignal a_αdj entsteht aus dem Anwenderbefehl. Das Aufhebungs-Beschleunigungssignal a_c hebt das durch die zuvor eingestellte Anwenderbefehls-Beschleunigung a_αdj induzierte Pendeln auf. Das Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignal a_e verringert das aufgrund von externen Einflüssen, wie z.B. Windlast, entstandene Pendeln.
Das Anti-Pendelsystem 50 arbeitet nicht korrekt, wenn der Eingangsbefehl ν_ref an das System die Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsgrenzen der Laufkatze 20 übersteigt. Eine Übersteuerungs-Regelvorrichtung 120 arbeitet als Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbegrenzung, um mit dieser Situation umzugehen. Die Regelvorrichtung 120 setzt die Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungsgrenzen ν_max bzw. α_max der Laufkatze 20 durch. Diese Grenzen sind allseits bekannt oder können problemlos geschätzt werden. Daher ist es wichtig sicherzustellen, dass |ν_o(t)| ≤ ν_max und |ν .₀(t)| ≤ α_max immer gilt. Da die Signale für die eingestellte Anwenderbefehl-Beschleunigung, die Beschleunigungsaufhebung bzw. die Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigung a_αdj, a_c bzw. a_e stückweise konstant sind und sich nur zum Abtastzeitpunkt kT ändern, ergibt sich, dass das Geschwindigkeitsausgangssignal ν_o(t) stückweise linear und kontinuierlich ist. Dies ist nützlich für die Dimensionierung der Übersteuerungs-Regelvorrichtung 120.
Unter weiterer Bezugnahme auf 3 empfängt die Übersteuerungs-Regelvorrichtung 120 die folgenden Eingangssignale: das Beschleunigungs-Aufforderungsreferenzsignal a_ref, das Aufhebungs-Beschleunigungssignal a_c und das Außenfaktorreduktions-Beschleunigungsrückkopplungssignal a_e. Die Übersteuerungs-Regelvorrichtung 120 erzeugt die eingestellte Steuerungsbefehl-Beschleunigung a_αdj als Ausgangssignal. Die Grundidee ist, dass angenommen wird, dass: aodj = λaref (9) ist und dass der Wert eines Beschränkungsaktors, bezeichnet als λ, so nahe wie möglich bei 1 als mögliches Subjekt für die Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsbeschränkungsgrenzen ausgewählt wird. Die Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsbeschränkungen können wie folgt ausgedrückt werden: |αe + αc< + λαref| ≤ αmax |ν-o + T(αc + αe + λaref)| ≤ νmax (10)
Die Ausgangsgeschwindigkeitsvariable ν^- _o bezieht sich auf die Ausgangsgeschwindigkeit ν_o zu einem vorangegangenen Zeitpunkt, beispielsweise ν_o(kT – T), während der Rest der Variablen alle Signale zum gegenwärtigen Zeitpunkt kT sind. Diese beiden Bedingungen können den gleichen Wert wie folgt ausgedrückt aufweisen: max{–amax,(–ν-o – νmax)/T} ≤ + ac + ae + λaref ≤ min{amax,(–ν-o + νmax)/T} (11)
Das Ziel ist einen optimalen Beschränkungsfaktor, bezeichnet als λ_m zu finden, der das optimale λ für das folgende Optimierungsproblem ist: Min |λ – 1|welches der Beschränkungen der Gleichung (11) unterworfen ist. Da das Optimierungsproblem für eine einzige Variable, welche zwei Beschränkungen unterworfen ist, vorliegt, kann der optimale Beschränkungsfaktor λ_m einfach berechnet werden. Der genaue Ausdruck für die eingestellte Anwenderbefehl-Beschleunigung a_αdj kann als wie folgt gezeigt werden:
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 sind das Vorhersagemodell 80 und die Verbindungen des Geschwindigkeitsänderungs-Komponentensignals ν_pm des Vorhersagemodells, der geschätzten Geschwindigkeit des Geschwindigkeitsausgangssignals ν_p und des Geschwindigkeits-Kompensationssignals ν_comp angeordnet, um einen gleichbleibenden Wert des Ausgangsgeschwindigkeitssignals ν_o zu erzeugen, welcher dem gleichbleibenden Wert des gefilterten Steuerungs-Geschwindigkeitsbefehls ν_x entspricht. Mit anderen Worten, das System-Geschwindigkeitsausgangssignal ν_o antwortet auf den gefilterten Steuerungs-Geschwindigkeitsbefehl ν_x. Das Eingangssignal des Vorhersagemoduls 80 ist die gesamte Sammlung von ODEs, die in einer Anti-Pendel-Regelvorrichtung 60 zum gegenwärtigen Zeitpunkt vorliegen. Ein fettgedruckter Pfeil von der Anti-Pendel-Regelvorrichtung 60 zum Vorhersagemodell 80 zeigt diese Beziehung an. Das Ausgangssignal des Vorhersagemodells 80 ist das Geschwindigkeitsänderungs-Komponentensignal ν_pm des Vorhersagemodells. Der Wert des Geschwindigkeits-Ausgangssignals ν_pm des Vorhersagemodells ist die vorhergesagte Änderung des Geschwindigkeits-Ausgangssignals ν_o, wenn alle Kompensationssignale in den ODEs der Anti-Pendel-Regelvorrichtung 60 ausgesendet worden sind. Die Berechnung der Geschwindigkeitsänderungskomponente ν_pm des Vorhersagemodells ist unten beschrieben. Angenommen, dass M ODEs in der Anti-Pendel-Regelvorrichtung 60 zum gegenwärtigen Zeitpunkt von t = kT vorhanden sind und diese als eine Sammlung an gleichbleibenden Vektoren [δθ_i(kT)δθ ._i(kT)] für i = 1, ..., M dargestellt werden. Das Vorhersagemodul 80 nimmt an, dass die Länge des Seils 40 nach dem gegenwärtigen Zeitpunkt t = kT gleich bleibt. Das Korrektur-Beschleunigungssignal x ..pml des Vorhersagemodells wird dann berechnet. Als Beispiel wird nun der Fall von i = 1 näher betrachtet. Es ist möglich, unter Verwendung des ODE-Solvers aus dem gegenwärtigen Zeitpunkt t = kT mit einer Anfangsbedingung [δθ_l(kT)(kT) δ_lθ .(kT)] bis zum entsprechenden Zeitpunkt t ~_l zu integrieren. Das entsprechende Korrektur-Beschleunigungssignal x ..pml des Vorhersagemodells kann dann unter Verwendung von Gleichung (8) berechnet werden. Das Vorhersagemodul 80 berechnet jeden der M ODEs und berechnet dann eine Summe der Kompensationsbeschleunigungen. Der Ausgang für die Geschwindigkeits-Änderungskomponente ν_pm des Vorhersagemodells ist:
welche zusätzliche, zukünftige Geschwindigkeitsanforderungen aufgrund der Anti-Pendel-Regelvorrichtung 60 darstellt.
Wenn der Anwender-Hub-Geschwindigkeitsbefehl Null wird, bleibt außerdem die Seillänge danach konstant. Daher wird die im Vorhersagemodul 80 verwendete, konstante Seillängenannahme in der Endphase der Beförderungsbewegung erfüllt. All dies wird zur Beseitigung des Endpendelns benötigt.
In der oben genannten Berechnung wird das Korrektur-Beschleunigungssignal x ..pml des Vorhersagemoduls unter Verwendung des ODE-Auflösers berechnet. Wenn eine konstante Länge des Seils 40 angenommen wird, ist ein Energieansatz zur Berechnung des Korrektur-Beschleunigungssignals x ..pml rechentechnisch effizienter. Wenn die Länge des Seils 40 unverändert bleibt, ist der Kran 10 ein Pendel mit einer konstanten Gesamtenergie in einem konservativen System. Wenn wiederum angenommen wird, dass die Anfangsbedingung [δθ_l(kT)δθ .(kT)] zu einem Zeitpunkt t = kT ist, dann beträgt die Gesamtenergie 1 / 2mlδθ ._l(kT)² + mgl(1 – cos(δθ_l(kT))). Daher kann die Pendelwinkel-Antwortgeschwindigkeit δθ ._l(t ~_l) wie folgt gezeigt werden:
Unter Verwendung der Gleichung (14) kann das entsprechende Korrektur-Beschleunigungssignal x ..pml durch die Gleichung (8) mit l(t ~) = l(kT) berechnet werden.
Das geschätzte Geschwindigkeitssignal ν_p ist der geschätzte Geschwindigkeitsausgang ν_o, wenn alle Eingaben in die Anti-Pendel-Regelvorrichtung 60 ausgesendet werden. Der Geschwindigkeitsausgang des geschätzten Geschwindigkeitssignals ν_p wird mit dem Steuerungsbefehl-Laufkatzengeschwindigkeitssignal ν_x verglichen, um die Kompensationsgeschwindigkeit ν_comp zu bestimmen. Die Kompensationsgeschwindigkeit ν_comp stellt die Diskrepanz zwischen dem gewünschten Geschwindigkeitssignal ν_x und dem zukünftigen Wert des Geschwindigkeitsausgangssignals ν_o dar. Die Kompensationsgeschwindigkeit ν_comp wird zum gefilterten Steuerungsbefehl-Geschwindigkeitsbefehl ν_x addiert, um die Geschwindigkeitsaufforderung ν_ref zu berechnen, so dass ν_ref = ν_x + ν_comp ist.
Die Konfiguration des Anti-Pendelsystems 50 unter Verwendung der verschiedenen, oben beschriebenen Komponenten ist ausreichend, um das durch die Steuerbefehle sowohl im horizontalen als auch im vertikalen Geschwindigkeitseingangssignal ν_ox bzw. V_OL induzierte Pendeln aufzuheben. Das Pendeln kann ebenfalls durch externe Einflussgrößen (Außenfaktoren), beispielsweise Windlast oder seitlich auftreffende Krafteinwirkungen auf die Last während des Be- und Entladens, induziert werden. Die Anti-Pendel-Regelvorrichtung 60 beseitigt jedoch unter Verwendung der Aufhebungsverfahren und des oben beschriebenen Systems nicht das durch Außenfaktoren verursachte Pendeln. Ein Rückkopplungsmodul 90 wird bereitgestellt, um das Pendeln aufgrund der externen Faktoren und das aus jeder mangelnden Übereinstimmung zwischen den Parametern des Modells und dem tatsächlichen physikalischen System entstehende Pendeln zu beseitigen.
Das Rückkopplungsmodul 90 verwendet ein Pendelwinkel-Fehlersignal und eine Pendelwinkel-Fehlergeschwindigkeit, dargestellt durch θ_e bzw. θ ._c, als Eingang. Das Pendelwinkel-Fehlersignal und das Pendelwinkel-Geschwindigkeitsfehlersignai θ_e bzw. θ ._c werden aus den Ausdrücken θ_c(t) = θ_m(t) – θ ^(t) und
berechnet, wobei θ_m und θ ._m den Pendelwinkel bzw. die Pendelgeschwindigkeit des physikalischen Krans darstellen, wie diese durch einen geeigneten Sensor gemessen werden. Ein Beispiel eines Sensors zum Messen von Pendelwinkel und Pendelwinkel-Geschwindigkeit ist das Infrarotbakensystem SIRRAH von GIAT Industries, Toulouse, Frankreich.
θ ^ und
stellen den Pendelwinkel bzw. die Pendelgeschwindigkeit des Krans 10 auf Basis des Modell des Krans 10 in der Anti-Pendel-Regelvorrichtung 60 dar. Der Modell-Pendelwinkel θ ^ wird aus der Schar an ODEs in der Anti-Pendel-Regelvorrichtung 60 berechnet. Insbesondere wenn angenommen wird, dass M ODEs in der Anti-Pendel-Regelvorrichtung 60 zum gegenwärtigen Zeitpunkt t = kT vorhanden sind, wobei jedes ODE den gleichbleibenden Vektor von [δθ_i(kT) δθ ._i(kT)] hat. Der Pendelwinkel θ ^(t) und die Pendelgeschwindigkeit
auf Basis des Modells sind jeweils durch Folgendes gegeben:
Daher werden der Pendelwinkel und die Pendelgeschwindigkeit der Last 30, welche durch andere Faktoren als den Anwenderbefehl herbeigeführt werden, dargestellt durch θ_e und θ ._c, durch das Rückkopplungsmodul 90 beseitigt.
Das Rückkopplungsmodul 90 erzeugt ein Rückkopplungsaußenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignal α_e. Das Rückkopplungsregelungsgesetz wandelt den Außenfaktor-Pendelwinkel und die Außenfaktor-Pendelwinkelgeschwindigkeit θ_e bzw. θ ._c zu einer erweiterten Faktorreduktionsbeschleunigung, dargestellt als α_e, um. Diese Umwandlung kann auf einige Arten erzielt werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein einfaches Regelungsgesetz verwendet. Eine Person mit gewöhnlichen Fähigkeiten auf dem Gebiet der Regelung oder einem verwandten Gebiet kann dieses Regelungsgesetz unter Verwendung verschiedener Verfahren einfach modifizieren oder ersetzen. Eine Möglichkeit für ein solches Regelungsgesetz ist: ae = keθ. e. (16)Für eine geeignete Möglichkeit für k_e wird dieses Regelungsgesetz das durch die Außenfaktoren induzierte Pendeln unterdrücken. Wenn der Effekt der Außenfaktoren groß ist, kann das Beschleunigungssignal a_e das Schwingen der Laufkatze verursachen. Daher ist es ratsam, die Stärke des Beschleunigungssignals a_e einzugrenzen.
In einer anderen Modifikation der bevorzugten Ausführungsform werden die trigonometrischen Näherungen, die beim Übergang von der Darstellung der Gleichung (1) des Originalsystems zur approximativen Darstellung der Gleichung (2) erstellt wurden, berücksichtigt. Diese Näherungen können beseitigt werden, wenn die folgende Umwandlung in Gleichung (1) substituiert wird:
Dann ist l(t)θ ..(t) + 2l .(t)θ .+ gθ(t) = μ ~(t) (18)und es liegen keine trigonometrischen Näherungen vor. Es ist eindeutig ersichtlich, dass die Gleichung (18) dieselbe Struktur wie die Gleichung (2) hat, wobei μ ~(t) als Eingangssignal verwendet wird. Daher wird die oben genannte Entwicklung der Korrekturimpulse durch Ersetzen von x ..(t) in Gleichung (2) durch das neue Eingangssignal μ ~(t) direkt angewendet. Die Einschränkung auf das neue Eingangssignal μ ~(t) hat die Form |μ(t)| ≤ a ~_max, wobei der Umwandlungs-Beschleunigungsgrenzwert a ~_max aus der Gleichung (17) bestimmt wird, was erfordert, dass die Aufhebungsbeschleunigung die Beschleunigungseinschränkung, also |x ..(t)| ≤ a_max, für alle erwarteten Werte des Pendelwinkels θ nicht übersteigt. Für angemessene Veränderungen des Pendelwinkels θ ist die Umwandlungs-Beschleunigungseinschränkung a ~_max nur etwas weniger als die Beschleunigungseinschränkung a_max.
Korrekturen an anderen Modellbildungsfehlern können ebenfalls implementiert werden. Angenommen, die linke Seite der Gleichung (1) umfasst einen addierten, nicht linearen Dämpfungsterm der Form cθ .(t) + f(θ .(t)). Dieser Dämpfungsterm kann durch passive Dämpfungsvorrichtungen oder als Teil des Regelungsgesetzes eingeführt werden. Dann wird der Term cθ .(t) zur rechten Seite der Gleichung (2) addiert und der Term – f(θ .(t)) wird zum Zähler in Gleichung (17) addiert. Dann ähnelt diese Ausführungsform der bevorzugten Ausführungsform, wie oben dargestellt, mit der Ausnahme, dass der nicht lineare Dämpfungsterm cδθ_i(t) zur rechten Seite der Gleichung (7) addiert wird.
Die oben beschriebene Ausführungsform kann einfach modifiziert werden, um einen Kran mit mehreren Hubseilen, welche an der Last befestigt sind, zu steuern. Es gibt mehrere Arten, um dies zu bewerkstelligen. Eine Art ist die Änderung der Form der Differentialgleichung, um mit der Dynamik des Mehrseilsystems übereinzustimmen. Eine andere ist die Darstellung der Dynamik eines Mehrseilsystems mit der Dynamik eines äquivalenten Einseilsystems unter Verwendung einer geeigneten Seillänge. Die äquivalente Länge, welche für das Mehrseilsystem verwendet wird, hängt von der Anordnung der Seile ab. Sie kann entweder analytisch oder über einen Kalibrierungsprozess auf einem tatsächlichen Kran erhalten werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform, wie oben beschrieben, umfasst ein Rückkopplungsmodul 90, um mit dem durch die Außenstörungen induzierten Pendeln umzugehen. Wenn die Betriebsumgebung eines Krans derart ist, dass die Außenstörungen vernachlässigbar oder äußerst vorhersagbar sind, kann die Erfindung ohne das Rückkopplungsmodul 90 und den zugehörigen Pendelsensor 125 implementiert werden.

Claims

System (50) zur Beseitigung des Pendelns einer Last (30), die an einem Seil (40) hängt, das an einer Hebevorrichtung von einer Laufkatze (20) angebracht ist, wobei die Position der Last (30) vertikal und horizontal verstellbar ist, wobei das System (50) ein Mittel zum Empfangen oder zum Erzeugen eines Steuerungs-Hubgeschwindigkeits-Eingangssignals zur vertikalen Einstellung der Last (30) umfasst und ein Mittel zum Erzeugen eines Steuerungs-Laufkatzengeschwindigkeits-Eingangssignals zur horizontalen Verschiebung der Last (30), die vom Seil (40) hängt, umfasst, wobei das System Folgendes umfasst: ein Mittel (20) zum Erzeugen eines abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigungssignals aus dem Steuerungs-Laufkatzengeschwindigkeits-Eingangssignal; dadurch gekennzeichnet, dass es weiters Folgendes umfasst: ein Mittel (60) zum Erzeugen eines Aufhebungs-Beschleunigungssignals unter Verwendung der Länge des Seils (40), der Zeitableitung von der Länge des Seils und des abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigungssignals; ein Mittel (90) zum Erzeugen eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals unter Verwendung eines gemessenen Pendelwinkels der Last, einer gemessenen Pendelgeschwindigkeit der Last, eines Modell-Pendelwinkels der Last und einer Modell-Pendelgeschwindigkeit der Last; ein Mittel (115) zum Erzeugen eines Geschwindigkeits-Ausgangssignals auf Basis des abgeglichenen Steuerungsbefehlsignals, des Aufhebungs-Beschleunigungssignals und des Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals; ein Mittel zum Senden des Geschwindigkeits-Ausgangssignals zu einem Mittel (112) zur Steuerung der Geschwindigkeit der Laufkatze; und ein Mittel (80) zum Vorhersagen einer Geschwindigkeitsänderung durch Erzeugung eines Geschwindigkeits-Änderungssignals auf Basis einer Sammlung von Vorhersagemodell-Korrektur-Beschleunigungssignalen vom Pendelregler, Vergleichen des Geschwindigkeits-Änderungssignals mit dem Geschwindigkeits-Ausgangssignal, Erzeugen eines Geschwindigkeits-Kompensationssignals durch diesen Vergleich und das Faktorisieren des Geschwindigkeits-Kompensationssignals in das Steuerungs-Laufkatzengeschwindigkeits-Eingangssignal.
System nach Anspruch 1, worin das Mittel (60) zum Erzeugen eines Aufhebungs-Beschleunigungssignals weiters ein Mittel (70) zum Bestimmen der Länge des Seils umfasst.
System nach Anspruch 2, worin das Mittel (60) zum Erzeugen eines Aufhebungs-Beschleunigungssignals weiters ein Mittel zum Erzeugen eines Seillängensignals aus der Bestimmung der Länge des Seils umfasst.
System nach Anspruch 3, worin das Mittel (60) zum Erzeugen eines Aufhebungs-Beschleunigungssignals weiters ein Mittel zum Bestimmen der Zeitableitung von der Länge des Seils umfasst.
System nach Anspruch 4, worin das Mittel (60) zum Erzeugen eines Aufhebungs-Beschleunigungssignals weiters ein Mittel zum Erzeugen eines Seilgeschwindigkeitssignals aus der Bestimmung der Zeitableitung von der Seillänge umfasst.
System nach Anspruch 5, worin das Mittel (60) zum Erzeugen eines Aufhebungs-Beschleunigungssignals weiters ein Mittel zum Empfangen des Seillängensignals, des Seilgeschwindigkeitssignals und des abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigungssignals in einem Pendelregler umfasst, um das Aufhebungs-Beschleunigungssignal zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, worin das Mittel (90) zum Erzeugen eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals weiters ein Mittel (125) zum Messen eines Pendelwinkels der Last umfasst.
System nach Anspruch 7, worin das Mittel (90) zum Erzeugen eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals weiters ein Mittel zum Erzeugen eines Mess-Pendelwinkelsignals aus dem gemessenen Pendelwinkel umfasst.
System nach Anspruch 8, worin das Mittel (90) zum Erzeugen eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals weiters ein Mittel zum Messen einer Pendelgeschwindigkeit der Last umfasst.
System nach Anspruch 9, worin das Mittel (90) zum Erzeugen eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals weiters ein Mittel zum Erzeugen eines Mess-Pendelgeschwindigkeitssignals aus der gemessenen Pendelgeschwindigkeit umfasst.
System nach Anspruch 10, worin das Mittel (90) zum Erzeugen eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals weiters ein Mittel zum Erzeugen eines Modell-Pendelsignals im Pendelregler umfasst.
System nach Anspruch 11, worin das Mittel (90) zum Erzeugen eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals weiters ein Mittel zum Erzeugen eines Modell-Pendelgeschwindigkeitssignals im Pendelregler umfasst.
System nach Anspruch 12, worin das Mittel (90) zum Erzeugen eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals weiters ein Mittel zum Empfangen des Modell-Pendelwinkelsignals vom Pendelregler (60) in einem Mittel zur Außenpendel-Regelung umfasst.
System nach Anspruch 13, worin das Mittel (90) zum Erzeugen eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals weiters ein Mittel zum Empfangen des Modell-Pendelgeschwindigkeitssignals vom Pendelregler im Außenpendel-Regelmittel umfasst.
System nach Anspruch 14, worin das Mittel (90) zum Erzeugen eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals weiters ein Mittel zum Empfangen des Mess-Pendelwinkelsignals im Außenpendel-Regelmittel umfasst.
System nach Anspruch 15, worin das Mittel (90) zum Erzeugen eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals weiters ein Mittel zum Empfangen des Mess-Pendelgeschwindigkeitssignals im Außenpendel-Regelmittel umfasst.
System nach Anspruch 16, worin das Mittel (90) zum Erzeugen eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals weiters ein Mittel zum Erzeugen des Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals auf Basis des Modell-Pendelwinkelsignals, des Modell-Pendelgeschwindigkeitssignals, des Mess-Pendelwinkelsignals und des Mess-Pendelgeschwindigkeitssignals umfasst.
System nach Anspruch 1, worin das Mittel (115) zum Erzeugen eines Geschwindigkeits-Ausgangssignals weiters ein Mittel zum Empfangen des abgeglichenen Steuerungsbefehlsignals, des Aufhebungs-Beschleunigungssignals und des Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals umfasst.
System nach Anspruch 1, weiters ein Mittel (100) zum Filtern des Steuerungs-Laufkatzengeschwindigkeits-Eingangssignals umfassend, um eine höchstzulässige Geschwindigkeit der Laufkatze einzustellen, wobei das Höchstgeschwindigkeits-Filtermittel ein Geschwindigkeits-Bedarfssignal erzeugt.
System nach Anspruch 1, ein Mittel (105) zum Filtern des Steuerungs-Hubgeschwindigkeits-Eingangssignals umfassend, um eine höchstzulässige Geschwindigkeit der Hubvorrichtung einzustellen, wobei das Hubgeschwindigkeits-Eingangssignal-Filtermittel ein Seilgeschwindigkeits-Bedarfssignal erzeugt und das Seilgeschwindigkeits-Bedarfssignal zu einem Hubregler gesendet wird.
System nach Anspruch 1, weiters ein Mittel zum Filtern des Steuerungs-Laufkatzengeschwindigkeits-Eingangssignals durch Differenzierung des Steuerungs-Laufkatzengeschwindigkeits-Eingangssignals in Bezug auf die Zeit, um ein Bezugs-Beschleunigungssignal zu berechnen, und weiters durch Verringerung der Stärke des Bezugs-Beschleunigungssignals um die Hälfte, um der verzögerten Wirkung des Aufhebungs-Beschleunigungssignals Rechnung zu tragen, umfassend.
System nach Anspruch 19, weiters ein Mittel zum Filtern des Geschwindigkeits-Bedarfssignals durch Differenzierung des Geschwindigkeits-Bedarfssignals in Bezug auf die Zeit, um ein Bezugs-Beschleunigungssignal zu berechnen, und weiters durch Verringerung der Stärke des Bezugs-Beschleunigungssignals um die Hälfte, um der verzögerten Wirkung des Aufhebungs-Beschleunigungssignals Rechnung zu tragen, umfassend.
System nach Anspruch 1, weiters ein Mittel (120) zur Übersteuerungsregelung des abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigungssignals umfassend.
System nach Anspruch 22, weiters ein Mittel (120) zur Übersteuerungsregelung der abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigung umfassend, worin das Übersteuerungsregelmittel das Geschwindigkeits-Bedarfssignal, das Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignal und das Aufhebungs-Beschleunigungssignal empfängt, um die abgeglichene Steuerungsbefehl-Beschleunigung zu erzeugen.
System nach Anspruch 2, worin das Seillängen-Bestimmungsmittel ein Sensor (70) ist.
System nach Anspruch 4, worin das Seillängen-Zeitableitungsmittel ein Sensor (70) ist.
System nach Anspruch 7, worin das Pendelwinkel-Messmittel ein Sensor (125) ist.
System nach Anspruch 27, worin der Sensor ein Infrarotbakensystem SIRRAH ist.
System nach Anspruch 9, worin das Pendelgeschwindigkeits-Messmittel ein Sensor (125) ist.
System nach Anspruch 29, worin der Sensor ein Infrarotbakensystem SIRRAH ist.
System nach Anspruch 1, worin das Aufhebungs-Beschleunigungssignal auf Basis einer Familie von gewöhnlichen Differenzialgleichungen erzeugt wird.
System nach Anspruch 21, worin das Modell-Pendelwinkelsignal auf Basis einer Familie von gewöhnlichen Differenzialgleichungen erzeugt wird.
System nach Anspruch 21, worin das Modell-Pendelgeschwindigkeitssignal auf Basis einer Familie von gewöhnlichen Differenzialgleichungen erzeugt wird.
System nach Anspruch 21, worin eine Sammlung von Vorhersagemodell-Korrektur-Beschleunigungssignalen auf Basis einer Familie von gewöhnlichen Differenzialgleichungen erzeugt wird.
System nach Anspruch 1, worin das Mittel zum Erzeugen eines Aufhebungs-Beschleunigungssignals sich in einem Pendelregler (60) befindet und Folgendes umfasst: ein Mittel (70) zum Bestimmen der Länge des Seils; ein Mittel zum Erzeugen eines Seillängensignals aus der Bestimmung der Länge des Seils; ein Mittel zum Bestimmen der Zeitableitung von der Länge des Seils; ein Mittel zum Erzeugen eines Seilgeschwindigkeitssignals aus der Bestimmung der Zeitableitung von der Seillänge; und ein Mittel zum Empfangen des Seillängensignals, des Seilgeschwindigkeits- und des abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigungssignals im Pendelregler (60), um das Aufhebungs-Beschleunigungssignal auf Basis einer Familie von gewöhnlichen Differenzialgleichungen zu erzeugen; wobei das Mittel (90) zum Erzeugen eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals sich in einem Mittel zum Regeln einer Außenpendelbewegung befindet und Folgendes umfasst: ein Mittel (125) zum Messen eines Pendelwinkels der Last; ein Mittel zum Erzeugen eines Mess-Pendelwinkelsignals aus dem gemessenen Pendelwinkel; ein Mittel (125) zum Messen einer Pendelgeschwindigkeit der Last; ein Mittel zum Erzeugen eines Mess-Pendelgeschwindigkeitssignals aus der gemessenen Pendelgeschwindigkeit; ein Mittel zum Erzeugen eines Modell-Pendelsignals im Pendelregler; ein Mittel zum Erzeugen eines Modell-Pendelgeschwindigkeitssignals im Pendelregler; ein Mittel zum Empfangen des Modell-Pendelwinkelsignals vom Pendelregler im Außenpendel-Regelmittel; ein Mittel zum Empfangen des Modell-Pendelgeschwindigkeitssignals vom Pendelregler im Außenpendel-Regelmittel; ein Mittel zum Empfangen des Mess-Pendelwinkelsignals im Außenpendel-Regelmittel; ein Mittel zum Empfangen des Mess-Pendelgeschwindigkeitssignals im Außenpendel-Regelmittel; und ein Mittel (90) zum Erzeugen des Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals auf Basis des Modell-Pendelwinkelsignals, Modell-Pendelgeschwindigkeitssignals, Mess-Pendelwinkelsignals und Mess-Pendelgeschwindigkeitssignals; und das Mittel (115) zum Erzeugen eines Geschwindigkeits-Ausgabesignals Folgendes umfasst: ein Mittel zum Empfangen des abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigungssignals; ein Mittel zum Empfangen des Aufhebungs-Beschleunigungssignals; ein Mittel zum Empfangen des Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals; und ein Mittel zum Erzeugen eines Geschwindigkeits-Ausgangssignals im Mittel zum Erzeugen einer Geschwindigkeitsausgabe auf Basis des abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigungssignals, des Aufhebungs-Beschleunigungssignals und des Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals; und wobei das Mittel (80) zum Vorhersagen einer Geschwindigkeitsänderung Folgendes umfasst: ein Mittel zum Erzeugen einer Sammlung von Vorhersagemodell-Korrektur-Beschleunigungssignalen im Pendelregler; ein Mittel zum Erzeugen eines Geschwindigkeits-Änderungssignals unter Verwendung der Sammlung von, Vorhersagemodell-Korrektur-Beschleunigungssignalen des Pendelreglers; ein Mittel zum Vergleichen des Geschwindigkeits-Änderungssignals mit dem Geschwindigkeits-Ausgangssignal; ein Mittel zum Erzeugen eines Geschwindigkeits-Kompensationssignals aus diesem Vergleich; und ein Mittel zum Faktorisieren des Geschwindigkeits-Kompensationssignals in das Steuerungs-Laufkatzengeschwindigkeits-Eingangssignal.
Verfahren zur Beseitigung des Pendelns einer Last (30), die an einem Seil (40) hängt, das an einer Hebevorrichtung von einer Laufkatze (20) angebracht ist, wobei die Position der Last (30) vertikal und horizontal verstellbar ist, wobei das Verfahren ein Mittel zum Erzeugen eines Steuerungs-Hubgeschwindigkeits-Eingangssignals zur vertikalen Einstellung der Last umfasst und ein Mittel zum Erzeugen eines Steuerungs-Laufkatzengeschwindigkeits-Eingangssignals zur horizontalen Verschiebung der Last (30), die vom Seil (40) hängt, umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Erzeugen eines abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigungssignals aus dem Steuerungs-Laufkatzengeschwindigkeits-Eingangssignal; dadurch gekennzeichnet, dass es weiters folgende Schritte umfasst: das Erzeugen eines Aufhebungs-Beschleunigungssignals unter Verwendung der Länge des Seils, der Zeitableitung von der Länge des Seils und des abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigungssignals; das Erzeugen eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals unter Verwendung eines gemessenen Pendelwinkels der Last, einer gemessenen Pendelgeschwindigkeit der Last, eines Modell-Pendelwinkels der Last und einer Modell-Pendelgeschwindigkeit der Last; das Erzeugen eines Geschwindigkeits-Ausgangssignals auf Basis des abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigungssignals, des Aufhebungs-Beschleunigungssignals und des Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals; das Senden des Geschwindigkeits-Ausgangssignals zu einem Mittel zur Steuerung der Geschwindigkeit der Laufkatze; und das Vorhersagen einer Geschwindigkeitsänderung durch Erzeugung eines Geschwindigkeits-Änderungssignals auf Basis einer Sammlung von Vorhersagemodell-Korrektur-Beschleunigungssignalen vom Pendelregler, das Vergleichen des Geschwindigkeits-Änderungssignals mit dem Geschwindigkeits-Kompensationssignal, das Erzeugen eines Geschwindigkeits-Kompensationssignals durch diesen Vergleich und Faktorisieren des Geschwindigkeits-Kompensationssignals in das Steuerungs-Laufkatzengeschwindigkeits-Eingangssignal.
Verfahren nach Anspruch 36, worin die Aufhebungsbeschleunigung auf Basis einer Familie von gewöhnlichen Differenzialgleichungen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 36, worin das Modell-Pendelwinkelsignal auf Basis einer Familie von gewöhnlichen Differenzialgleichungen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 36, worin das Modell-Pendelgeschwindigkeitssignal auf Basis einer Familie von gewöhnlichen Differenzialgleichungen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 36, worin die Kompensationssignale auf Basis einer Familie von gewöhnlichen Differenzialgleichungen erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 36, weiters das Filtern des Steuerungs-Laufkatzengeschwindigkeits-Eingangssignals und das Filtern des Geschwindigkeits-Kompensationssignals umfassend.
Verfahren an 41, weiters das Erzeugen eines abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigungssignals aus dem Steuerungs-Laufkatzengeschwindigkeits-Eingangssignal und aus dem Geschwindigkeits-Kompensationssignal umfassend.
Verfahren nach Anspruch 36, worin der Schritt des Erzeugens eines Aufhebungs-Beschleunigungssignals von einem Pendelregler (60) ausgeführt wird und Folgendes umfasst: das Bestimmen der Länge des Seils (40); das Erzeugen eines Seillängensignals aus der Bestimmung der Länge des Seils (40); das Bestimmen der Zeitableitung von der Länge des Seils; das Erzeugen eines Seilgeschwindigkeitssignals aus der Bestimmung der Zeitableitung von der Seillänge; das Empfangen des Seillängensignals, des Seilgeschwindigkeitssignals und des abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigungssignals im Pendelregler, um das Aufhebungs-Beschleunigungssignal auf Basis einer Familie von gewöhnlichen Differenzialgleichungen zu erzeugen; der Schritt des Erzeugens eines Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals in einem Mittel zum Regeln der Pendelbewegung aufgrund von Außenfaktoren (90) durchgeführt wird und Folgendes umfasst: das Messen eines Pendelwinkels der Last; das Erzeugen eines Mess-Pendelwinkelsignals aus dem gemessenen Pendelwinkel; das Messen einer Pendelgeschwindigkeit der Last; das Erzeugen eines Mess-Pendelgeschwindigkeitssignals aus der gemessenen Pendelgeschwindigkeit; das Erzeugen eines Modell-Pendelsignals im Pendelregler; das Empfangen des Modell-Pendelwinkelsignals vom Pendelregler im Außenpendel-Regelmittel; das Empfangen des Modell-Pendelgeschwindigkeitssignals vom Pendelregler im Außenpendel-Regelmittel; das Empfangen des Mess-Pendelwinkelsignals im Außenpendel-Regelmittel; das Empfangen des Mess-Pendelgeschwindigkeitssignals im Außenpendel-Regelmittel; und das Erzeugen des Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals auf Basis des Modell-Pendelwinkelsignals, des Modell-Pendelgeschwindigkeitssignals, des Mess-Pendelwinkelsignals und des Mess-Pendelgeschwindigkeitssignals; der Schritt des Erzeugens eines Geschwindigkeits-Ausgangssignals in einem Mittel zum Erzeugen einer Geschwindigkeitsausgabe (115) durchgeführt wird und Folgendes umfasst: das Empfangen des abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigungssignals; das Empfangen des Aufhebungs-Beschleunigungssignals; das Empfangen des Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals und das Erzeugen eines Geschwindigkeits-Ausgangssignals im Mittel zum Erzeugen einer Geschwindigkeitsausgabe auf Basis des abgeglichenen Steuerungsbefehl-Beschleunigungssignals, des Aufhebungs-Beschleunigungssignals und des Außenfaktor-Reduktionsbeschleunigungssignals; wobei das Geschwindigkeits-Ausgabesignal vom Mittel zum Erzeugen einer Geschwindigkeitsausgabe zu einem Mittel zum Regeln der Geschwindigkeit der Laufkatze gesendet wird; und der Schritt des Vorhersagens einer Geschwindigkeitsänderung Folgendes umfasst: das Erzeugen eines Kompensationssignals im Pendelregler; das Erzeugen eines Geschwindigkeits-Änderungssignals unter Verwendung der Kompensationssignale vom Pendelregler; das Vergleichen des Geschwindigkeits-Änderungssignals mit dem Geschwindigkeits-Ausgangssignal; das Erzeugen eines Geschwindigkeits-Kompensationssignals durch diesen Vergleich; und das Faktorisieren des Geschwindigkeits-Kompensationssignals in das Steuerungs-Laufkatzengeschwindigkeits-Eingangssignal.