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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zum Stabilisieren (also
zum Stoppen der Schwingung) bzw. Positionieren, um das Stabilisieren
und Positionieren einer Hängelast
an einem Kran zu bewerkstelligen.
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Der
Aufbau eines herkömmlichen
Krans ist in 3 gezeigt.
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Wie
in 3 gezeigt ist, ist eine Kranbrücke 3 auf zwei auf
dem Boden verlegten Schienen 1 (rechte und linke Schiene)
verfahrbar aufgesetzt. Zum Verfahren der Kranbrücke 3 auf jeder Schiene 1 sind
unabhängige
Verfahrantriebsvorrichtungen 11, 14 vorgesehen.
Die Verfahrantriebsvorrichtungen 11, 14 sind elektrisch
an eine Steuervorrichtung 21 angeschlossen, die einen Betriebsbefehl
für jede
der Verfahrantriebsvorrichtungen 11, 14 erzeugt.
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Die
Kranbrücke 3 trägt eine
Laufkatze 4 so, dass diese in Querrichtung verfahrbar ist.
Von der Laufkatze 4 hängt
ein Seil 5 nach unten, um eine Last 6 schwebend
zu haltern.
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Wenn
ein solcher Kran in einem Automatikbetrieb fahren soll, ist es notwendig,
die Hängelast 6 mit
Bezug auf die Verfahrrichtung der Kranbrücke 3 genau zu positionieren,
und die Hängelast 6 an
einer vorbestimmten Position aufsetzen zu lassen.
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Zu
diesem Zweck muss die Kranbrücke 3 an einem
bestimmten Zielort positioniert werden, und gleichzeitig muss die
Steuerung zum Stabilisieren der Hängelast 6 bewerkstelligt
werden.
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Somit
ist ein Steuerungssystem bereitgestellt, um eine Rückmeldung über die
Fahrposition und die Verfahrgeschwindigkeit der Kranbrücke 3 sowie über den
Schwingungszustand der Hängelast
zu empfangen, und um den Betrag der Ingangsetzung (wie einen Geschwindigkeitsbefehl)
der Antriebsvorrichtungen für
die Kranbrücke 3 zu
bestimmen.
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Das
heißt
also, dass zum Erfassen der Fahrposition x1 bzw. der Verfahrgeschwindigkeit
x2 der Kranbrücke 3 auf
der rechten Schiene 1 in 3 ein Fahrpositionssensor 12 und
ein Verfahrgeschwindigkeitssensor 13 vorgesehen sind. An
der Hängelast 6 ist
ein Schwingbewegungssensor 17 angebracht, um die Schwingungszustände, also
einen Schwingversatz x5 der Hängelast
und eine Schwinggeschwindigkeit x6 der Hängelast zu erfassen.
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Die
Steuervorrichtung 21 erhält Eingänge der Messwerte x1, x2, x5
und x6 von den Sensoren 12, 13 und 17,
wie in 4 gezeigt ist. Durch eine steuerungsseitige Berechnung
bestimmt die Steuervorrichtung 21 den Betrag der Ingangsetzung
der Verfahrantriebsvorrichtungen 11, 14 und führt die Steuerung
aus.
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Im
Hinblick auf die von der Steuervorrichtung 21 zu bewerkstelligende
steuerungsseitige Berechnung ist bekannt, dass ein Steuerungssystem
zum Positionieren der Kranbrücke
und zum Stabilisieren der Hängelast
realisiert werden kann, indem man die Kranbrücke und die Hängelast
in einem wie in 5 gezeigten Fahrgestell/Pendel-System
modellhaft nachbaut und basierend auf diesem Modell eine Optimalwert-Regeleinrichtung
erstellt (Bezugsquelle: „Mechanical
System Control",
Absatz 6.2, Furuta Katsuhisa et al., Ohm).
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In
den letzten Jahren hat sich eine Tendenz dahingehend abgezeichnet,
dass Kräne
immer größer werden.
Demgemäß kann eine
Fehlausrichtung zwischen der rechtsseitigen Fahrposition und der linksseitigen
Fahrposition in Verbindung mit der strukturellen Verformung der
Kranbrücke 3 zunehmen.
Die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit beim Automatikbetrieb
sind so sehr gestiegen, dass der Einfluss der Fehlausrichtung zwischen
der rechten und linken Fahrposition auf die Positioniergenauigkeit
nicht außer
Acht gelassen werden kann.
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In
einem herkömmlichen
Steuerungssystem werden das rechte und linke Antriebssystem durch denselben
Befehl angesteuert, womit das Steuerungssystem nicht in der Lage
ist, die Fehlausrichtung zwischen der rechten und linken Fahrposition auf
Null zu bringen. Im Ergebnis nimmt die Positioniergenauigkeit für die Hängelast 6 ab,
womit sich im schlimmsten Fall das schwerwiegende Problem stellt,
dass die erforderliche Positioniergenauigkeit nicht eingehalten
werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist im unabhängigen Anspruch
eine Positionierungs- und Stabilisierungssteuerung definiert.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Steuervorrichtung ist im abhängigen
Anspruch dargelegt. Mit der Steuervorrichtung lässt sich also das Positionieren
der rechten und linken Fahrposition sowie das Stabilisieren der
Hängelast
gleichzeitig bewerkstelligen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht, welche den Gesamtaufbau einer Stabilisierungssteuervorrichtung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
ein Blockschaubild der Stabilisierungssteuervorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine schematische Ansicht, in der der Gesamtaufbau einer herkömmlichen
Stabilisiersteuerungsvorrichtung gezeigt ist;
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4 ist
ein Blockschaubild der herkömmlichen
Stabilisiersteuervorrichtung; und
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5 ist
eine erläuternde
Zeichnung, in der ein Modell mit einer Kranbrücke und einer Hängelast gezeigt
ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
Steuervorrichtung zum Stabilisieren/Positionieren einer Hängelast
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in den 1 und 2 gezeigt. 1 ist
eine schematische Ansicht, in der der Gesamtaufbau des Krans und
das Steuerungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform
gezeigt sind. 2 ist ein Blockschaubild der
Steuervorrichtung dieser Ausführungsform.
Die dem zuvor erwähnten
Beispiel entsprechenden Teile tragen dieselben Bezugszahlen und Symbole
und Erläuterungen
für diese
unterbleiben.
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Wie
in 1 gezeigt ist, ist die Steuervorrichtung der vorliegenden
Ausführungsform
zum Stabilisieren/Positionieren einer Hängelast mit einem rechtsseitigen
Fahrpositionssensor 12 und einem rechtsseitigen Verfahrgeschwindigkeitssensor 13 zum
Erfassen der Fahrposition x1 und der Verfahrgeschwindigkeit x2 einer
Kranbrücke 3 auf
einer in 1 rechten Schiene 1 ausgestattet,
und auch mit einem linksseitigen Fahrpositionssensor 15 und
einem linksseitigen Verfahrgeschwindigkeitssensor 16 zum
Erfassen der Fahrposition x3 und der Verfahrgeschwindigkeit x4 der
Kranbrücke 3 auf
einer in der Zeichnung linken Schiene 1.
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Um
den Schwingungszustand einer Hängelast 6 zu
erfassen, ist an dieser ein Schwingbewegungssensor 17 angebracht,
um mittels eines Beschleunigungsmessers oder dgl. einen Schwingversatz
x5 und eine Schwinggeschwindigkeit x6 der Hängelast 6 in der Verfahrrichtung
zu erfassen.
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Die
Steuervorrichtung 21 erhält Eingänge von Erfassungssignalen
x1, x2, x3, x4, x5 und x6 von den Sensoren 12, 13, 15, 16 und 17,
berechnet die Beträge
der optimalen Ingangsetzung, die notwendig sind, um die eingegangenen
Bewegungszustandsgrößen auf
Null zu führen,
d. h. die rechte und linke Fahrposition sowie die Verfahrgeschwindigkeiten, den
Schwingversatz und die Schwinggeschwindigkeit der Hängelast,
und gibt an die rechte und linke Verfahrantriebsvorrichtung 11, 14 Steuerbefehlssignale
aus.
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Wie
in 2 gezeigt ist, wird von der Steuervorrichtung 21 ein
optimaler Stabilisierungsstellfaktor K separat vorausberechnet und
voreingestellt. Die Steuervorrichtung 21 hat einen steuerseitigen
Rechenabschnitt 22, der basierend auf diesem optimalen
Stellfaktor K die Beträge
der optimalen Ingangsetzung im Ansprechen auf die rechte und linke
Fahrposition und auf die Verfahrgeschwindigkeiten, den Schwingversatz
und die Schwinggeschwindigkeit der Hängelast 6 berechnet,
die von den Sensoren 12, 13, 15, 16 und 17 eingegangen
sind, und sie führt über die
rechte und linke Verfahrantriebsvorrichtung 11, 14 eine
optimale Stabilisierungs/Positionierungssteuerung aus.
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Die
die vorliegende Ausführungsform
betreffende, oben erwähnte
Steuervorrichtung zum Stabilisieren/Positionieren einer Hängelast
führt eine
optimale Stabilisierungs-/Positionierungssteuerung durch die folgenden
konkreten Verfahrensschritte (1) bis (3) aus:
- (1)
Die Sensoren 12, 13, 15; 16 und 17 erfassen die
Fahrpositionen und Verfahrgeschwindigkeiten der rechten und linken
Antriebsvorrichtung sowie die Bewegungszustandsgröße der Hängelast 6 und
geben diese Daten an die Steuervorrichtung 21 aus.
- (2) Dann berechnet basierend auf diesen Bewegungszustandsgrößen der
Optimalwert-Steuerungsabschnitt 22 Geschwindigkeitsbefehle
u1, u2 für
die rechte bzw. linke Antriebsvorrichtung 11, 14,
und zwar entsprechend der
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Berechnung
einer optimalen Stabilisiersteuerung unter Verwendung des folgenden
numerischen Ausdrucks 1: u = Kxworin u einen
nachfolgend zu beschreibenden Vektor für den Betrag der Ingangsetzung,
u1 einen Geschwindigkeitsbefehl für die rechtsseitige Antriebsvorrichtung 11 und
u2 einen Geschwindigkeitsbefehl für die linksseitige Antriebsvorrichtung 14 darstellt. Der
folgende numerische Ausdruck 2 hat also zum Inhalt: u
= [u1 u2]T
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In
dem numerischen Ausdruck 1 steht x für einen nachfolgend zu beschreibenden
Zustandsgrößenvektor.
Dessen Elemente sind, in der Reihenfolge der Anordnung von links
nach rechts, eine rechtsseitige Fahrposition x1 und eine rechtsseitige
Verfahrgeschwindigkeit x2, eine linksseitige Fahrposition x3 und
eine linksseitige Verfahrgeschwindigkeit x4, ein Schwingversatz
x5 und eine Schwinggeschwindigkeit x6 der Hängelast. Der folgende numerische
Ausdruck 3 hat also zum Inhalt: x = [x1 x2 x3
x4 x5 x6]T
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Darüber hinaus
stellt K eine unten gezeigte Konstantenmatrix mit zwei Reihen und
sechs Spalten dar.
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Die
oben angegebene Konstantenmatrix K ist ein optimaler Stellfaktor,
der durch die folgende Vorgehensweise bestimmt wird:
- (a) Aus den für
die rechte und linke Verfahrantriebsvorrichtung 11, 14,
die Kranbrücke 3,
das Seil 5 und die Hängelast 6 aufgestellten
Bewegungsgleichungen wird, wie unten angegeben, eine Zustandsgleichung
(numerischer Ausdruck 5) abgeleitet. Diese Zustandsgleichung ist
eine lineare Differenzialgleichung, in der die Schwingungen der
Hängelast 6 als
Feder/Masse-System zum
Ausdruck kommen. worin u und x den zuvor erwähnten Vektor
für den Betrag
der Ingangsetzung bzw. den Zustandsgrößenvektor darstellen, A eine Übergangsmatrix
mit sechs Reihen und sechs Spalten, und B eine auf den Antrieb bezogene
Matrix mit sechs Reihen und zwei Spalten darstellt.
- (b) für
die obige Zustandsgleichung (numerischer Ausdruck 5) sucht man nun
nach dem optimalen Stellfaktor K des numerischen Ausdrucks 7, mit dem
eine Bewertungsfunktion J des unten angegebenen numerischen Ausdrucks
6 einen Minimalwert annimmt. worin Q und R Gewichtungsmatrizes
mit sechs Reihen und sechs Spalten bzw. zwei Reihen und zwei Spalten
darstellen. u = Kx
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Indem
so die Bewertungsfunktion J minimiert wird, lässt sich der optimale Stellfaktor
K ermitteln, mit dem alle Elemente der Zustandsgröße mit dem kleinstmöglichen
Betrag u der Ingangsetzung schnell auf Null gebracht werden.
- (3) Basierend auf dem optimalen, durch die
zuvor beschriebene Berechnung erhaltenen Stellfaktor K bestimmt
der Optimalwert-Steuerungsabschnitt 22 die
Beträge
der optimalen Ingangsetzung, die an die Bewegungszustandsgrößen und
den durch die Sensoren 12, 13, 15, 16 und 17 erfassten
Betriebszustand angepasst sind, und gibt die Beträge der optimalen
Ingangsetzung als Steuerbefehlssignale für die rechte bzw. linke Antriebsvorrichtung 11, 14 aus.
Indem sie gemäß den Signalen
angetrieben werden, führt
der Optimalwert-Steuerungsabschnitt 22 eine optimale Steuerung
zum Positionieren der rechten und linken Fahrposition und Stabilisieren
der Hängelast 6 aus.
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Mit
einer solchen optimalen Steuerung kann man die Fehlausrichtung zwischen
der rechten und linken Fahrposition aus der Welt schaffen, das Stabilisieren
der Hängelast
erreichen, und eine hochgenaue Positionierung der Hängelast
gewährleisten.
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Wie
basierend auf der Ausführungsform
beschrieben wurde, umfasst die vorliegende Erfindung Fahrpositionssensoren
und Verfahrgeschwindigkeitssensoren zum Erfassen der rechten und
linken Fahrposition bzw. der Verfahrgeschwindigkeiten eines auf
zwei Schienen entlang diesen verfahrenden Krans, sowie rechte und
linke unabhängige
Antriebssysteme, und berechnet die Beträge der Ingangsetzung der Antriebsvorrichtungen
mittels einer Optimalwert-Regeleinrichtung. Somit erlaubt die Erfindung
die genaue Positionierung einer Hängelast selbst an einem Kran
mit einer strukturellen Verformung.
