EP0394147B1 - Device for controlling automatically the position and the oscillations of a suspended load during its transportation by a lifting device - Google Patents
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- EP0394147B1 EP0394147B1 EP90420187A EP90420187A EP0394147B1 EP 0394147 B1 EP0394147 B1 EP 0394147B1 EP 90420187 A EP90420187 A EP 90420187A EP 90420187 A EP90420187 A EP 90420187A EP 0394147 B1 EP0394147 B1 EP 0394147B1
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- B66C13/063—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads electrical
Definitions
- the present invention relates to an automatic device for controlling the position and oscillations of a suspended load during its transfer, in particular by means of a lifting device.
- the invention can be adapted to lifting devices of various types, such as for example gantries, overhead cranes or cranes.
- the handling of a load by a lifting device causes the load to swing, which it is desirable to absorb as completely as possible so that the load can be deposited in a specific location without difficulty.
- British patent GB-A-2,030,727 describes a system of the type in question, in which one is concerned only with the absence of residual oscillations at the place of final transfer of the pendulum load. For this to do, he proposes to add to the installation an analog simulator, intended to repeatedly calculate the speed to be imposed on the transfer member, and this as a function of the data entered initially, namely the coordinates of the initial and final positions of the load to be transferred. As in the previous cases, there is no simultaneous control on the position and on the oscillation of the load, so that we find the same drawbacks.
- Document DE-A-2 005 323 also proposes a system of the type in question, in which the load oscillation is controlled.
- the load oscillation is controlled.
- the present invention is characterized in that the load transfer device is provided with two control loops connected on the one hand to sensors measuring respectively the angle formed by the cable or the rod relative to the vertical and the position of the carriage, and on the other hand to the motor control member actuating the carriage, the control being carried out as a function of the values determined by a reference model taking account of the desired speed and from the load transfer point.
- Figure 1 shows a transfer carriage guided by a unidirectional rail.
- FIG. 2 represents the same carriage capable of moving in two different and coplanar directions, such as an overhead crane.
- FIG. 3 is a diagram showing the planar displacement of the load by means of an overhead crane, in accordance with the present invention.
- FIG. 4 represents a crane provided with its load capable of also moving in at least two different and coplanar directions.
- FIG. 5 is a graph showing opposite each other the characteristic curves of the acceleration, the speed, the angle and the position respectively communicated to the carriage according to the reference model according to the invention for a fixed length of the pendulum defined by the load, corresponding to the initial length l o .
- Figure 6 is a diagram of the operating principle and the control of the device according to the invention.
- Figure 7 is a block diagram of determining reference values using the reference model in accordance with the present invention.
- FIG. 8 is a graph showing two curves facing each other corresponding respectively to the angular variation and to the position of the load as a function of time, the length of which varies during the transfer, the lifting device to which is suspended the load being controlled according to the invention.
- Figures 9 and 10 show a curve corresponding to the acceleration signal provided by the reference model to the lifting device to which the load is suspended, in which respectively, the length of the pendulum constituted by the load varies until the end of the transfer, or is stopped before the end of it.
- the device according to the invention will first of all be described in the case of a rectilinear unidirectional movement of a load (5) (see FIG. 1), suspended by means of a cable (4) from a carriage ( 1).
- the carriage (1) moves on non-deformable rails (2), by means of a motor, not shown.
- the carriage (1) further comprises a winding cylinder (3) capable of varying the height of the load (5).
- the motor causing the carriage (1) to move is a variable speed motor, the speed of which is controlled by a device commonly known as an "electronic speed variator", to which a speed setpoint is applied defined by a voltage applied between two points , said voltage being proportional to this speed.
- the carriage (1) has an angular sensor, not shown, located in the vertical plane defined by the movement, and intended to measure the angle ⁇ .
- This potentiometer type angular sensor is well known for this application.
- the device according to the invention also has a sensor for the actual position of the carriage on the rails (2) relative to a predetermined original position.
- This sensor may be constituted by a rack fixed to the rails (2), on which a digital encoder meshes fixed to the carriage (1). In this way, the actual position of the carriage is precisely defined and instantly known.
- the motor for actuating the carriage (1) is doubly controlled.
- the actual position measured as previously described is compared with a reference position determined by means of a reference model which will be described later.
- the difference obtained at the level of a comparator (20) is then subjected to a processing at the level of a proportional and integral corrector (21).
- This processing consists, in a known manner, on the one hand of multiplying the difference thus obtained by a predetermined constant as a function of the characteristics of the system, and on the other hand, of adding to this value the integral with respect to time of said difference of position, the output signal of said corrector (21) being of the form: K1 (pos.ref-pos.eal) + K2 ⁇ o t (ref pos. - actual pos.) dt where K1 and K2 denote the said predetermined constants.
- the actual measured value of the angle ⁇ formed by the suspended load with the vertical is also compared by means of a comparator (22) with a reference angle also determined by means of the reference model.
- the angular difference thus determined undergoes processing in a proportional corrector (23).
- the processing followed in the proportional corrector consists of a simple multiplication by a predetermined constant also a function of the characteristics of the system of the value of said difference.
- the signal from the adder (24) is then transformed into an analog signal by means of a digital analog converter not shown, then transferred to the actuation motor of the carriage (1).
- the two control loops are thus completely described.
- the comparators (20,22) as well as the two correctors (21,23) and the amplifier (25), as well as the summator (24) and the digital to analog converter, are concentrated in one and the same card.
- electronic processing. Said card is managed by means of a microprocessor entering the angle and actual position measurements as well as the servo commands some twenty times per second. In this way, the possible oscillations of the load are rigorously controlled and immediately compensated for by said control loops.
- the device according to the invention involves a displacement of the load in a vertical plane, in particular shown in FIG. 3.
- the movement of the load results from the component of two movements in translation on the one hand, in the direction on the other hand.
- the operator himself defines the level speeds for each of the movements V X and V Y.
- the respective times P X / V X and P X / V Y are not necessarily equal.
- the slowest movement imposes its law on the resulting movement and in fact, the speed of the second is adjusted to achieve the movement at the same time and thus have a synchronization of the two movements which results in a movement located in a vertical plane passing through the starting and ending points of the charge.
- the two movements according to (X) and (Y) are independent and virtually decoupled, in particular for the control, apart from the fact that the speeds are calculated beforehand in order to obtain a displacement according to a fixed vertical plane containing the two starting points. and destination of the load.
- the angular sensors are located in two perpendicular planes, namely one defined by the vertical plane of translation, and the other by the vertical plane of direction.
- the device is suitable for transferring a load suspended from a crane (see FIG. 4).
- the movements of a crane are respectively radial along the carrying beam (10) and circular around its pivot axis (11).
- the displacement of the load is carried out along a vertical plane, from the position P1 located at the distance R1 from the pivot axis, and forming an angle ⁇ 1 with respect to the reference axis OX, at a position P2, distant from the pivot axis (11) by a distance R2, forming with the reference axis OX an angle ⁇ 2.
- this displacement in a straight line requires beforehand to calculate in the Cartesian space OX-OY the equation of the said straight line, to determine in projection on the axes OX-OY the laws of motion with the reference models and enslavements as before, and then to transform the Cartesian equations into polar equations corresponding respectively to the circular movement and to the radial movement.
- the microprocessor therefore simply performs an additional step of transforming Cartesian coordinates into polar coordinates, and this by means of an appropriate converter.
- the curve I represents the constant acceleration ⁇
- the curve II represents the variation of the speed
- the curve III represents the variation of the angle
- the curve IV that of the position and this, for different phases, respectively phase A of speed increase, phase B which corresponds to a plateau corresponding to the maximum speed, and phase C corresponding to the descent in speed.
- the acceleration ⁇ is constant for a time T equal to the period of the pendulum and the deceleration of the same value for the same duration.
- the other three curves II, III and IV are deduced therefrom.
- the increase in speed is linear.
- the acceleration stops a speed step is obtained.
- the deceleration being constant, a symmetrical speed descent with respect to the ascent is observed.
- the position curve is obtained by simple integration of that of speed with respect to time.
- the value of the angle is a sinusoidal function of time, which is canceled during the stop and becomes symmetrical during the deceleration compared to its value during the acceleration phase.
- the servo-control applied to the motor makes it possible to follow as closely as possible the values defined by the reference model to arrive at a zero angular deviation at the point of arrival of the load by correcting the differences between theory and reality.
- the effects of possible disturbances are also attenuated, for example the oscillations of the start when the load is taken and the unexpected shocks during transfer.
- the microprocessor performs the various calculations approximately 20 times per second in order to readjust each time the speed reference value of the carriage.
- the servo-control at the end of movement is maintained until the position is reached with the required tolerance and the oscillation is damped to reach a maximum value within the required tolerance.
- the principle of the command is to generate an acceleration law ⁇ such that the behavior of the pendulum constituted by the load is that of the pendulum of constant length l o . It then becomes possible to use the device described in the case of controlling a pendulum of constant length.
- the compensation terms are taken from the reference model already used in the case of the pendulum of constant length, this model thus giving ⁇ ' ref , ⁇ '' ref by deriving ⁇ ref .
- the rise of the load begins at the same time as the movement of the carriage, but the fact that this rise can end either during the rise in speed of the carriage, or during the leveling, or even during deceleration, five different cases can present themselves for which the previous equation is written differently.
- the reference model corresponds to that shown in Figure 7, which summarizes the five cases listed above, and for which the functions f and h depend on the situation considered as shown in the table below, in which v denotes the speed of rise of the pendulum, that is to say the speed of decrease of the pendulum length, and v 'its speed of descent.
- the functions f and h are respectively homogeneous at a length and at a speed, which multiplied respectively by an angular acceleration ⁇ '' and an angular speed ⁇ ', then become homogeneous at an acceleration.
- the reference model for a linear pendulum of length l o (30) determines the values ⁇ ref , ⁇ ' ref and ⁇ '' ref .
- the modules (31) and (32) respectively determine the values of the functions h and f, according to the different phases of the load transfer.
- the functions f and h thus determined are then multiplied respectively at ⁇ '' ref and ⁇ ' ref , the expressions thus obtained are then summed and added to the value of ⁇ P by means of a summator (33), said value of ⁇ P being calculated beforehand as a function of the load destination position.
- the output signal from the adder (33) corresponds to the value of ⁇ , that is to say to the acceleration signal communicated to the load, via of the lifting device.
- the value of ⁇ is corrected on average 20 times per second, in order to take into account on the one hand any disturbances likely to occur during the transfer, and on the other hand, according to the different transfer phases.
- the signal ⁇ is integrated successively twice, by means of the integrators (34) and (35), in order to give the values of v ref and of the reference position.
- FIG. 8 shows an example of the consequence of the servo-control on the angular oscillations as a function of time in the form of a curve.
- the curve representing the position of the load during its transfer as a function of time has also been shown opposite this curve.
- the corresponding signals are generally symmetrical, the phase at constant speed of course generating a zero signal.
- the device according to the invention makes it possible to obtain systematic and rapid stabilization of the oscillations and other disturbances liable to cause oscillations during the transfer of a suspended load.
- the double servo-control both in angular deviation and in position is therefore particularly suitable for any transfer of suspended load, in particular in the context of activities requiring special precautions, such as for example the nuclear industry, etc.
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif de contrôle automatique de la position et des oscillations d'une charge suspendue durant son transfert, notamment au moyen d'un appareil de levage.The present invention relates to an automatic device for controlling the position and oscillations of a suspended load during its transfer, in particular by means of a lifting device.
L'invention peut être adaptée à des engins de levage de types variés, tels que par exemple des portiques, des ponts roulants ou des grues. La manutention d'une charge par un engin de levage entraîne des balancements de la charge qu'il est souhaitable d'amortir aussi complètement que possible afin de pouvoir déposer sans difficulté la charge en un endroit précis. De plus, dans le cadre de manutention de charges dangereuses pour l'environnement, il est souhaitable de transférer les dites charges en un temps relativement court et surtout, en prenant soin que celles-ci restent dans un plan parfaitement stable et vertical.The invention can be adapted to lifting devices of various types, such as for example gantries, overhead cranes or cranes. The handling of a load by a lifting device causes the load to swing, which it is desirable to absorb as completely as possible so that the load can be deposited in a specific location without difficulty. In addition, in the context of handling environmentally hazardous loads, it is desirable to transfer said loads in a relatively short time and above all, taking care that they remain in a perfectly stable and vertical plane.
Actuellement, seuls les grutiers ayant une longue expérience arrivent à obtenir une stabilisation tout à fait relative des oscillations de la charge . Toutefois, ces stabilisations ne sont pas satisfaisantes car elles demandent généralement du temps pour les obtenir.Currently, only crane operators with long experience manage to achieve quite relative stabilization of load oscillations. However, these stabilizations are not satisfactory since they generally require time to obtain them.
On a également fait appel à des mâts rigides ou des mâts télescopiques solidaires d'un chariot mobile en translation. Toutefois, ce type d'installation reste coûteux et encombrant, car il implique l'aménagement d'un volume situé au-dessus du chariot afin de permettre le passage du mât. Donc, si cette réalisation est satisfaisante sur le plan technique, en revanche, elle n'est pas compatible avec une industrialisation de masse adaptée à toute situation.Rigid masts or telescopic masts integral with a carriage movable in translation have also been used. However, this type of installation remains expensive and cumbersome, because it involves the arrangement of a volume located above the carriage in order to allow the passage of the mast. So, if this achievement is satisfactory on the technical level, on the other hand, it is not compatible with mass industrialization adapted to any situation.
On a également proposé de haubanner la charge au moyen de câbles inclinés symétriques. Ce haubannage se révèle long et fastidieux à mettre en place, et n'est donc pas adapté à un transfert de charge répétitif.It has also been proposed to guy the load by means of symmetrical inclined cables. This guy wire turns out to be long and tedious to set up, and is therefore not suitable for repetitive load transfer.
Dans le brevet français FR-A-2 399 378, on a proposé un dispositif d'anti-balancement de charge du type en question, dans lequel l'organe de transfert subit des lois d'accélération sinusoïdales déterminées. Toutefois, si cette loi est valable pour une période donnée, c'est-à-dire pour une longueur de câble donnée, en revanche, elle n'est pas adaptée à une variation de la dite longueur de câble.In French patent FR-A-2 399 378, a load anti-sway device of the type in question has been proposed, in which the transfer member undergoes determined sinusoidal acceleration laws. However, if this law is valid for a given period, that is to say for a given cable length, on the other hand, it is not suitable for a variation of said cable length.
Dans la demande de brevet française FR-A-2 598 141, on a décrit un système piloté en temps minimum. Dans ce système, la charge subit une accélération dans les deux sens pour compenser les balancements. De fait, on ne s'occupe pas des oscillations pendant le transfert, mais uniquement au départ et à l'arrivée. Or comme déjà dit, ces oscillations sont rédhibitoires pour certaines applications, notamment dans le cadre de l'environnement et de la sécurité du personnel.Un tel système a en outre été décrit dans le brevet allemand DE-A-3 513 007, qui comme dans le cas précédent, fonctionne en boucle ouverte, autrement dit, ne présente pas de dispositif d'asservissement, tant sur la position que sur l'angle d'oscillation de la charge pendulaire, et donc ne permet pas un controle et un amortissement continus des oscillations pendant le transfert.In French patent application FR-A-2 598 141, a system controlled in minimum time has been described. In this system, the load is accelerated in both directions to compensate for the swaying. In fact, we do not deal with oscillations during the transfer, but only at the start and at the finish. However, as already said, these oscillations are prohibitive for certain applications, in particular in the context of the environment and the safety of personnel. Such a system has also been described in German patent DE-A-3,513,007, which as in the previous case, operates in open loop, in other words, does not have a servo device, both on the position and on the oscillation angle of the pendulum load, and therefore does not allow a continuous control and damping oscillations during transfer.
Le brevet britannique GB-A-2 030 727 décrit un système du type en question, dans lequel on ne se préoccupe que de l'absence d'oscillations résiduelles au lieu de transfert final de la charge pendulaire. Pour ce faire, il propose d'adjoindre à l'installation un simulateur analogique, destiné à calculer de manière répétitive la vitesse à imposer à l'organe de transfert, et ce en fonction des données introduites initialement, à savoir les coordonnées des positions initiales et finales de la charge à transférer. Comme dans les cas précédents, il n'existe pas d'asservissement simultané sur la position et sur l'oscillation de la charge, de sorte que l'on retrouve les mêmes inconvénients .British patent GB-A-2,030,727 describes a system of the type in question, in which one is concerned only with the absence of residual oscillations at the place of final transfer of the pendulum load. For this to do, he proposes to add to the installation an analog simulator, intended to repeatedly calculate the speed to be imposed on the transfer member, and this as a function of the data entered initially, namely the coordinates of the initial and final positions of the load to be transferred. As in the previous cases, there is no simultaneous control on the position and on the oscillation of the load, so that we find the same drawbacks.
Dans le document DE-A-2 005 323, on propose également un système du type en question, dans lequel on procède à l'asservissement de l'oscillation de la charge. Néanmoins, on ne se préoccupe en aucun cas de l'asservissement en position, de sorte que l'on ne peut aboutir avec ce type d'installation à un transfert de charges couplant à la fois la rapidité de la phase proprement dite du transfert, et le maintien de la charge dans un strict plan vertical.Document DE-A-2 005 323 also proposes a system of the type in question, in which the load oscillation is controlled. However, we are not concerned in any case with the servo-control in position, so that we cannot achieve with this type of installation a charge transfer coupling both the speed of the actual phase of the transfer, and maintaining the load in a strict vertical plane.
La présente invention vise à pallier ces inconvénients. Elle propose un dispositif d'asservissement pour transférer rapidement et avec de faibles oscillations une charge suspendue comprenant :
- au moins un moyen de guidage sur lequel se déplace un chariot mobile en translation actionné par un moteur, auquel est accroché un câble (ou une tige) à l'autre extrêmité duquel (de laquelle) est suspendue la dite charge à transférer ;
- au moins un capteur de position destiné à repérer en permanence la position du chariot par rapport à un point déterminé, et à fournir un signal dit de position correspondant à ce repérage ;
- un capteur angulaire disposé sur le chariot, destiné à mesurer la valeur de l'angle que forme le câble ou la tige par rapport à la verticale, et à fournir un signal dit angulaire correspondant à cette mesure ;
- une première boucle d'asservissement comprenant :
- . un premier comparateur destiné à fournir l'écart angulaire entre le signal angulaire ainsi déterminé et une valeur angulaire de référence prédéterminée, au moyen d'un modèle de référence, en fonction de la destination de la charge et de la vitesse de translation désirée ;
- . un correcteur proportionnel destiné à multiplier l'écart ainsi déterminé par une constante fixée à l'avance ;
- at least one guide means on which a mobile carriage in translation actuated by a motor moves, to which a cable (or a rod) is hung at the other end of which (from which) the said load to be transferred is suspended;
- at least one position sensor intended to permanently locate the position of the carriage with respect to a determined point, and to supply a so-called position signal corresponding to this location;
- an angular sensor disposed on the carriage, intended to measure the value of the angle formed by the cable or the rod relative to the vertical, and to supply a so-called angular signal corresponding to this measurement;
- a first control loop comprising:
- . a first comparator intended to provide the angular difference between the angular signal thus determined and a predetermined reference angular value, by means of a reference model, as a function of the destination of the load and of the desired translation speed;
- . a proportional corrector intended to multiply the difference thus determined by a constant fixed in advance;
La présente invention se caractérise en ce que le dit dispositif comprend :
- une seconde boucle d'asservissement dite de position, comprenant :
- . un second comparateur destiné à fournir l'écart entre le signal de position et une position théorique de référence prédéterminée par le même modèle de référence, en fonction des mêmes données ;
- . un correcteur proportionnel et intégral destiné d'une part, à multiplier le dit écart par une constante prédéterminée et d'autre part, à intégrer le dit écart par rapport au temps sur un intervalle également prédéterminé ;
- un sommateur, relié respectivement à la sortie du correcteur proportionnel, du correcteur proportionnel et intégral et d'un amplificateur destiné à amplifier la valeur de la vitesse de référence, également déterminée au moyen du dit modèle de référence, en fonction des mêmes données, le dit sommateur étant destiné à sommer les valeurs issues de ces sorties pour délivrer un signal apte à actionner le moteur de commande du chariot.
- a second so-called position control loop, comprising:
- . a second comparator intended to provide the difference between the position signal and a theoretical reference position predetermined by the same reference model, according to the same data;
- . a proportional and integral corrector intended on the one hand, to multiply the said deviation by a predetermined constant and on the other hand, to integrate the said deviation with respect to time over an equally predetermined interval;
- an adder, connected respectively to the output of the proportional corrector, the proportional and integral corrector and an amplifier intended to amplify the value of the reference speed, also determined by means of said reference model, according to the same data, the said adder being intended to add the values from these outputs to deliver a signal capable of actuating the carriage control motor.
En d'autres termes, la présente invention se caractérisé en ce que l'on munit le dispositif de transfert de charge de deux boucles d'asservissement reliées d'une part à des capteurs mesurant respectivement l'angle formé par le câble ou la tige par rapport à la verticale et la position du chariot, et d'autre part à l'organe de commande du moteur actionnant le chariot, l'asservissement étant effectué en fonction des valeurs déterminées par un modèle de référence tenant compte de la vitesse désirée et du point de transfert de charge.In other words, the present invention is characterized in that the load transfer device is provided with two control loops connected on the one hand to sensors measuring respectively the angle formed by the cable or the rod relative to the vertical and the position of the carriage, and on the other hand to the motor control member actuating the carriage, the control being carried out as a function of the values determined by a reference model taking account of the desired speed and from the load transfer point.
Selon la présente invention, les valeurs de référence déterminées par le modèle dit de référence, à savoir la position angulaire, la vitesse et la position, sont issues de la loi suivante :
où ϑ, ϑ' et ϑ'' désignent respectivement l'angle, la vitesse angulaire et l'accélération angulaire, g désigne l'accélération de la pesanteur, lo la longueur initiale du câble (ou de la tige), v la vitesse constante de variation de la longueur du câble (ou de la tige), et Γ l'accélération du chariot.According to the present invention, the reference values determined by the so-called reference model, namely the angular position, the speed and the position, come from the following law:
where ϑ, ϑ 'and ϑ''denote the angle, the angular velocity and the angular acceleration respectively, g denotes the acceleration of gravity, l o the initial length of the cable (or rod), v the velocity constant of variation of the length of the cable (or rod), and Γ the acceleration of the carriage.
Dans un cas particulier de la présente invention, pour lequel la longueur du pendule défini par la charge ne varie pas, les valeurs de référence déterminées par le modèle de référence sont issues de la loi suivante :
Avantageusement, en pratique :
- le chariot est mobile en direction sur un premier moyen de guidage rectiligne, lui-même mobile en translation sur un second moyen de guidage rectiligne, coplanaire mais selon une direction perpendiculaire à celle du dit premier moyen de guidage, le dit second moyen de guidage étant actionné au moyen d'un moteur également asservi au moyen de deux boucles d'asservissement (en position et en angle) de même nature que celles précédemment décrites pour le mouvement en direction, l'asservissement étant fonction d'un modèle de référence qui est propre au dit moteur ;
- le chariot est mobile sur un pont roulant ;
- le chariot est mobile selon un mouvement radial sur un premier moyen de guidage, lui-même mobile en rotation au moyen d'un organe de rotation, actionné au moyen d'un moteur également asservi par l'intermédiaire d'une boucle d'asservissement en fonction d'un modèle de référence qui lui est également propre ;
- le chariot est mobile le long de la flèche horizontale d'une grue ;
- les calculs d'asservissement sont réalisés environ vingt fois par seconde au moyen d'un organe de calcul numérique.
- the carriage is movable in direction on a first rectilinear guide means, itself movable in translation on a second rectilinear guide means, coplanar but in a direction perpendicular to that of said first guide means, said second guide means being actuated by means of a motor also controlled by two control loops (in position and angle) of the same kind as those previously described for the directional movement, the control being based on a reference model which is specific to said engine;
- the carriage is mobile on an overhead crane;
- the carriage is movable in a radial movement on a first guide means, itself movable in rotation by means of a rotation member, actuated by means of a motor also controlled by a servo loop according to a reference model which is also specific to it;
- the carriage is movable along the horizontal boom of a crane;
- servo calculations are carried out approximately twenty times per second by means of a digital calculation unit.
La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif mais non limitatif, à l'appui des figures annexées.The manner in which the invention can be implemented and the advantages which result therefrom will emerge more clearly from the following exemplary embodiments, given by way of indication but not limitation, in support of the appended figures.
La figure 1 représente un chariot de transfert guidé par un rail unidirectionnel.Figure 1 shows a transfer carriage guided by a unidirectional rail.
La figure 2 représente le même chariot susceptible de se déplacer selon deux directions différentes et coplanaires, tel qu'un pont roulant.FIG. 2 represents the same carriage capable of moving in two different and coplanar directions, such as an overhead crane.
La figure 3 est un schéma représentant le déplacement plan de la charge au moyen d'un pont roulant, en accord avec la présente invention.Figure 3 is a diagram showing the planar displacement of the load by means of an overhead crane, in accordance with the present invention.
La figure 4 représente une grue munie de sa charge susceptible de se déplacer également selon au moins deux directions différentes et coplanaires.FIG. 4 represents a crane provided with its load capable of also moving in at least two different and coplanar directions.
La figure 5 est un graphique représentant en regard l'une de l'autre les courbes caractéristiques respectivement de l'accélération, de la vitesse, de l'angle et de la position communiquées au chariot selon le modèle de référence conforme à l'invention pour une longueur fixe du pendule défini par la charge, correspondant à la longueur initiale lo.FIG. 5 is a graph showing opposite each other the characteristic curves of the acceleration, the speed, the angle and the position respectively communicated to the carriage according to the reference model according to the invention for a fixed length of the pendulum defined by the load, corresponding to the initial length l o .
La figure 6 est un schéma du principe de fonctionnement et de l'asservissement du dispositif conforme à l'invention.Figure 6 is a diagram of the operating principle and the control of the device according to the invention.
La figure 7 est un schéma de principe de la détermination des valeurs de référence au moyen du modèle de référence conformément à la présente invention.Figure 7 is a block diagram of determining reference values using the reference model in accordance with the present invention.
La figure 8 est un graphique représentant deux courbes en regard l'une de l'autre correspondant respectivement à la variation angulaire et à la position de la charge en fonction du temps, dont la longueur varie au cours du transfert, l'appareil de levage auquel est suspendu la charge étant asservi conformément à l'invention.FIG. 8 is a graph showing two curves facing each other corresponding respectively to the angular variation and to the position of the load as a function of time, the length of which varies during the transfer, the lifting device to which is suspended the load being controlled according to the invention.
Les figures 9 et 10 représentent une courbe correspondant au signal d'accélération fourni par le modèle de référence à l'appareil de levage auquel est suspendue la charge, dans lesquelles respectivement, la longueur du pendule constitué par la charge varie jusqu'à la fin du transfert, ou est stoppée avant la fin de celui-ci.Figures 9 and 10 show a curve corresponding to the acceleration signal provided by the reference model to the lifting device to which the load is suspended, in which respectively, the length of the pendulum constituted by the load varies until the end of the transfer, or is stopped before the end of it.
Le dispositif conforme à l'invention va tout d'abord être décrit dans le cas d'un déplacement rectiligne unidirectionnel d'une charge (5) (voir figure 1), suspendue au moyen d'un câble (4) à un chariot (1). Le chariot (1) se déplace sur des rails (2) indéformables, au moyen d'un moteur non représenté. Le chariot (1) comporte en outre un cylindre enrouleur (3) susceptible de faire varier la hauteur de la charge (5).The device according to the invention will first of all be described in the case of a rectilinear unidirectional movement of a load (5) (see FIG. 1), suspended by means of a cable (4) from a carriage ( 1). The carriage (1) moves on non-deformable rails (2), by means of a motor, not shown. The carriage (1) further comprises a winding cylinder (3) capable of varying the height of the load (5).
Le moteur provoquant le déplacement du chariot (1) est un moteur à vitesse variable, dont on commande la vitesse par un dispositif communément appelé "variateur électronique de vitesse", sur lequel on applique une consigne de vitesse définie par une tension appliquée entre deux points, la dite tension étant proportionnelle à cette vitesse.The motor causing the carriage (1) to move is a variable speed motor, the speed of which is controlled by a device commonly known as an "electronic speed variator", to which a speed setpoint is applied defined by a voltage applied between two points , said voltage being proportional to this speed.
Au cours du déplacement, la charge suspendue (5) présente une déviation angulaire ϑ par rapport à la verticale. De manière tout à fait connue, la théorie donne comme valeur de la période des oscillations :
où g est l'accélération de la pesanteur et l la longueur du pendule.During movement, the suspended load (5) has an angular deviation ϑ from the vertical. As is quite known, the theory gives as value of the period of the oscillations:
where g is the acceleration of gravity and l the length of the pendulum.
Le chariot (1) présente un capteur angulaire non représenté, situé dans le plan vertical défini par le mouvement, et destiné à mesurer l'angle ϑ. Ce capteur angulaire du type potentiomètre est bien connu pour cette application.The carriage (1) has an angular sensor, not shown, located in the vertical plane defined by the movement, and intended to measure the angle ϑ. This potentiometer type angular sensor is well known for this application.
Le dispositif conforme à l'invention présente également un capteur de la position réelle du chariot sur les rails (2) par rapport à une position d'origine prédéterminée. Ce capteur non représenté peut être constitué par une crémaillère solidaire des rails (2), sur laquelle engrène un codeur numérique solidaire du chariot (1). De la sorte, la position réelle du chariot est définie avec précision et connue instantanément.The device according to the invention also has a sensor for the actual position of the carriage on the rails (2) relative to a predetermined original position. This sensor, not shown, may be constituted by a rack fixed to the rails (2), on which a digital encoder meshes fixed to the carriage (1). In this way, the actual position of the carriage is precisely defined and instantly known.
Afin de limiter les oscillations de la charge suspendue (5) lors du transfert tout en effectuant celui-ci à une vitesse palier prédéterminée par l'opérateur, le moteur d'actionnement du chariot (1) est doublement asservi. La position réelle mesurée comme précédemment décrit, est comparée à une position de référence déterminée au moyen d'un modèle de référence qui sera décrit ultérieurement. L'écart obtenu au niveau d'un comparateur (20) est alors soumis à un traitement au niveau d'un correcteur proportionnel et intégral (21). Ce traitement consiste de manière connue, d'une part à multiplier l'écart ainsi obtenu par une constante prédéterminée fonction des caractéristiques du système, et d'autre part, à ajouter à cette valeur l'intégrale par rapport au temps du dit écart de position, le signal de sortie dudit correcteur (21) étant de la forme :
où K₁ et K₂ désignent les dites constantes prédeterminées.In order to limit the oscillations of the suspended load (5) during transfer while carrying out the latter at a bearing speed predetermined by the operator, the motor for actuating the carriage (1) is doubly controlled. The actual position measured as previously described, is compared with a reference position determined by means of a reference model which will be described later. The difference obtained at the level of a comparator (20) is then subjected to a processing at the level of a proportional and integral corrector (21). This processing consists, in a known manner, on the one hand of multiplying the difference thus obtained by a predetermined constant as a function of the characteristics of the system, and on the other hand, of adding to this value the integral with respect to time of said difference of position, the output signal of said corrector (21) being of the form:
where K₁ and K₂ denote the said predetermined constants.
De même, la valeur réelle mesurée de l'angle ϑ que forme la charge suspendue avec la verticale, est également comparée au moyen d'un comparateur (22) avec un angle de référence également déterminé au moyen du modèle de référence. L'écart angulaire ainsi déterminé subit un traitement dans un correcteur proportionnel (23). Le traitement suivi dans le correcteur proportionnel consiste en une simple multiplication par une constante prédéterminée également fonction des caractéristiques du système de la valeur du dit écart.Likewise, the actual measured value of the angle ϑ formed by the suspended load with the vertical, is also compared by means of a comparator (22) with a reference angle also determined by means of the reference model. The angular difference thus determined undergoes processing in a proportional corrector (23). The processing followed in the proportional corrector consists of a simple multiplication by a predetermined constant also a function of the characteristics of the system of the value of said difference.
Les deux valeurs ainsi déterminées, issues des correcteurs (23) et (21) sont additionnées dans un sommateur (24) à une troisième valeur correspondant à la vitesse de référence issue du modèle de référence, laquelle est multipliée préalablement par une constante dans l'amplificateur (25).The two values thus determined, from the correctors (23) and (21) are added in a summator (24) to a third value corresponding to the reference speed from the reference model, which is previously multiplied by a constant in the amplifier (25).
Le signal issu du sommateur (24) est alors transformé en signal analogique au moyen d'un convertisseur numérique analogique non représenté, puis transféré au moteur d'actionnement du chariot (1). Les deux boucles d'asservissement sont ainsi complètement décrites.The signal from the adder (24) is then transformed into an analog signal by means of a digital analog converter not shown, then transferred to the actuation motor of the carriage (1). The two control loops are thus completely described.
De manière avantageuse, les comparateurs (20,22) ainsi que les deux correcteurs (21,23) et l'amplificateur (25), de même que le sommateur (24) et le convertisseur numérique analogique, sont concentrés dans une même carte de traitement électronique. La dite carte est gérée au moyen d'un microprocesseur saisissant les mesures d'angle et de position réelle ainsi que les commandes d'asservissement quelques vingt fois par seconde. De la sorte, les oscillations éventuelles de la charge sont rigoureusement contrôlées et immédiatement compensées par les dites boucles d'asservissement.Advantageously, the comparators (20,22) as well as the two correctors (21,23) and the amplifier (25), as well as the summator (24) and the digital to analog converter, are concentrated in one and the same card. electronic processing. Said card is managed by means of a microprocessor entering the angle and actual position measurements as well as the servo commands some twenty times per second. In this way, the possible oscillations of the load are rigorously controlled and immediately compensated for by said control loops.
Le même dispositif est appliqué dans le cadre d'un transfert plan. Comme on peut le voir dans la figure 2, le chariot (1) se déplace en direction (Y) sur les rails (2), ces derniers se déplaçant eux-mêmes en translation (X) coplanaire et perpendiculaire à la direction (Y) du chariot (1). Les rails (2) solidaires entre eux sont guidés sur des rails rectilignes (6), également indéformables.The same device is applied in the context of a plan transfer. As can be seen in Figure 2, the carriage (1) moves in direction (Y) on the rails (2), the latter themselves moving in translation (X) coplanar and perpendicular to the direction (Y) of the carriage (1). The rails (2) integral with each other are guided on rectilinear rails (6), also undeformable.
Le dispositif conforme à l'invention implique un déplacement de la charge dans un plan vertical, notamment représenté dans la figure 3. De la sorte, le mouvement de la charge résulte de la composante de deux mouvements en translation d'une part, en direction d'autre part. L'opérateur définit lui-même les vitesses en palier pour chacun des mouvements VX et VY. En fonction des espaces à parcourir PX et PY, les temps respectifs PX/VX et PX/VY ne sont pas nécessairement égaux. Le mouvement le plus lent impose sa loi au mouvement résultant et de fait, la vitesse du deuxième est ajustée pour réaliser le mouvement dans le même temps et avoir ainsi une synchronisation des deux mouvements qui se traduit par un mouvement situé dans un plan vertical passant par les points de départ et d'arrivée de la charge.The device according to the invention involves a displacement of the load in a vertical plane, in particular shown in FIG. 3. In this way, the movement of the load results from the component of two movements in translation on the one hand, in the direction on the other hand. The operator himself defines the level speeds for each of the movements V X and V Y. Depending on the spaces to be traversed P X and P Y , the respective times P X / V X and P X / V Y are not necessarily equal. The slowest movement imposes its law on the resulting movement and in fact, the speed of the second is adjusted to achieve the movement at the same time and thus have a synchronization of the two movements which results in a movement located in a vertical plane passing through the starting and ending points of the charge.
Les deux mouvements selon (X) et (Y) sont indépendants et virtuellement découplés notamment pour l'asservissement, en dehors du fait que les vitesses sont calculées au préalable afin d'obtenir un déplacement selon un plan vertical fixe contenant les deux points de départ et de destination de la charge.The two movements according to (X) and (Y) are independent and virtually decoupled, in particular for the control, apart from the fact that the speeds are calculated beforehand in order to obtain a displacement according to a fixed vertical plane containing the two starting points. and destination of the load.
Il en résulte donc deux lois.de mouvements simultanés, l'une suivant l'axe X, l'autre suivant l'axe Y. A chacune, correspond un modèle de référence et un asservissement. Le microprocesseur réalise les calculs pour les deux à chaque période de temps, c'est-à-dire environ vingt fois par seconde. De la sorte, il y a deux boucles d'asservissement pour chacune des deux composantes du mouvement, respectivement une boucle d'asservissement en position en association avec un capteur de position, et une boucle d'asservissement angulaire en association avec un capteur angulaire. Il y a donc finalement quatre boucles d'asservissement.This therefore results in two laws of simultaneous movements, one along the X axis, the other along the Y axis. Each corresponds to a reference model and a servo. The microprocessor performs the calculations for both at each time period, about twenty times per second. In this way, there are two servo loops for each of the two components of the movement, respectively a servo loop in position in association with a position sensor, and an angular servo loop in association with an angular sensor. So there are finally four control loops.
Dans cette forme de réalisation, les capteurs angulaires sont situés selon deux plans perpendiculaires, à savoir l'un défini par le plan vertical de translation, et l'autre par le plan vertical de direction.In this embodiment, the angular sensors are located in two perpendicular planes, namely one defined by the vertical plane of translation, and the other by the vertical plane of direction.
Dans une autre forme de réalisation, le dispositif est adapté au transfert d'une charge suspendue à une grue (voir figure 4). De manière connue, les mouvements d'une grue sont respectivement radiaux le long de la poutre portante (10) et circulaires autour de son axe de pivotement (11). Comme dans les deux cas précédents, le déplacement de la charge est effectué selon un plan vertical, de la position P₁ située à la distance R₁ de l'axe de pivotement, et formant un angle α₁ par rapport à l'axe de référence OX, à une position P₂, distante de l'axe de pivotement (11) d'une distance R₂, formant avec l'axe de référence OX un angle α₂. De la sorte, ce déplacement en ligne droite nécessite au préalable de calculer dans l'espace cartésien OX-OY l'équation de la dite droite, de déterminer en projection sur les axes OX-OY les lois du mouvement avec les modèles de référence et asservissements comme précédemment, et ensuite de retransformer les équations cartésiennes en équations polaires correspondant respectivement au mouvement circulaire et au mouvement radial. De fait, le microprocesseur effectue donc simplement une étape supplémentaire de transformation de coordonnées cartésiennes en coordonnées polaires, et ce au moyen d'un convertisseur approprié.In another embodiment, the device is suitable for transferring a load suspended from a crane (see FIG. 4). In known manner, the movements of a crane are respectively radial along the carrying beam (10) and circular around its pivot axis (11). As in the two previous cases, the displacement of the load is carried out along a vertical plane, from the position P₁ located at the distance R₁ from the pivot axis, and forming an angle α₁ with respect to the reference axis OX, at a position P₂, distant from the pivot axis (11) by a distance R₂, forming with the reference axis OX an angle α₂. In this way, this displacement in a straight line requires beforehand to calculate in the Cartesian space OX-OY the equation of the said straight line, to determine in projection on the axes OX-OY the laws of motion with the reference models and enslavements as before, and then to transform the Cartesian equations into polar equations corresponding respectively to the circular movement and to the radial movement. In fact, the microprocessor therefore simply performs an additional step of transforming Cartesian coordinates into polar coordinates, and this by means of an appropriate converter.
Il va être décrit maintenant plus en détail le modèle de référence conforme à la présente invention. Dans les différentes étapes de calcul qui vont suivre, on va assimiler la charge suspendue à un pendule simple de masse m.
g représente l'accélération de la pesanteur ;
lo la longueur initiale du pendule ;
v la vitesse constante de variation de la longueur du support de la charge ;
ϑ l'angle du câble avec la verticale ;
Γ l'accélération du point P représentant le chariot.The reference model according to the present invention will now be described in more detail. In the different calculation steps which follow, we will assimilate the suspended load to a simple pendulum of mass m.
g represents the acceleration of gravity;
l o the initial length of the pendulum;
v the constant speed of variation of the length of the load support;
ϑ the angle of the cable with the vertical;
Γ the acceleration of point P representing the carriage.
La théorie du pendule suffisamment connue pour ne pas être développée davantage ici, permet d'arriver avec la théorie de LAGRANGE à l'expression suivante :
où les symboles ' et '' représentent respectivement la dérivée première et la dérivée seconde de la variable correspondante par rapport au temps.The pendulum theory sufficiently known not to be developed further here, allows to arrive with the theory of LAGRANGE to the following expression:
where the symbols' and '' respectively represent the first derivative and the second derivative of the corresponding variable with respect to time.
L'angle ϑ par rapport à la verticale restant suffisamment faible, il est raisonnable de linéariser cette équation par rapport à ϑ :
La variation de l est supposée linéaire à partir de lo. On peut donc écrire :
d'où finalement l'expression suivante :
qui correspond à une équation différentielle linéaire variable. Dans le cas le plus simple où la longueur du pendule reste constante, et en utilisant la transformée de LAPLACE pour résoudre l'équation précédente, on trouve que pour une accélération Γ constante, la période T d'oscillation du pendule est égale à :
hence the following expression:
which corresponds to a variable linear differential equation. In the simplest case where the length of the pendulum remains constant, and using the LAPLACE transform to solve the previous equation, we find that for a constant acceleration Γ, the period T of oscillation of the pendulum is equal to:
Ces différents résultats sont répertoriés au sein de la figure 5 dans laquelle la courbe I représente l'accélération Γ constante, la courbe II représente la variation de la vitesse, la courbe III représente la variation de l'angle et enfin, la courbe IV celle de la position et ce, pour différentes phases, respectivement la phase A de montée en vitesse, la phase B qui correspond à un palier correspondant à la vitesse maximum, et la phase C correspondant à la descente en vitesse. L'accélération Γ est constante pendant un temps T égal à la période du pendule et la décélération de même valeur pendant la même durée. De fait, les trois autres courbes II, III et IV s'en déduisent. Comme on peut le voir, pour une accélération constante, la montée en vitesse est linéaire. En revanche, lorsque l'accélération stoppe, on obtient un palier de vitesse. De même, la décélération étant constante, on observe une descente de vitesse symétrique par rapport à la montée.These different results are listed in FIG. 5 in which the curve I represents the constant acceleration Γ, the curve II represents the variation of the speed, the curve III represents the variation of the angle and finally, the curve IV that of the position and this, for different phases, respectively phase A of speed increase, phase B which corresponds to a plateau corresponding to the maximum speed, and phase C corresponding to the descent in speed. The acceleration Γ is constant for a time T equal to the period of the pendulum and the deceleration of the same value for the same duration. In fact, the other three curves II, III and IV are deduced therefrom. As we can see, for a constant acceleration, the increase in speed is linear. On the other hand, when the acceleration stops, a speed step is obtained. Likewise, the deceleration being constant, a symmetrical speed descent with respect to the ascent is observed.
La courbe de position est obtenue par simple intégration de celle de la vitesse par rapport au temps.The position curve is obtained by simple integration of that of speed with respect to time.
La valeur de l'angle est une fonction sinusoïdale du temps, qui s'annule pendant le palier et devient symétrique pendant la décélération par rapport à sa valeur lors de la phase d'accélération.The value of the angle is a sinusoidal function of time, which is canceled during the stop and becomes symmetrical during the deceleration compared to its value during the acceleration phase.
Pour chaque mouvement, l'opérateur fixe les données du système qui sont :
- la valeur prédéterminée de la vitesse en palier du chariot ;
- la longueur du pendule ;
- les coordonnées du point d'arrivée.
- the predetermined value of the leveling speed of the carriage;
- the length of the pendulum;
- the coordinates of the arrival point.
Ces trois données permettent de calculer les trois références en fonction du temps, respectivement la vitesse du chariot v, l'angle de déviation ϑ et la position du chariot P. De fait, la loi est ainsi parfaitement définie par ce modèle de référence. Si le pendule est parfait, correctement identifié,si le moteur actionnant le chariot n'a pas de dynamique et que son gain est égal à 1, et en l'absence de perturbation , le comportement réel du pendule est celui du modèle de référence.These three data allow the three references to be calculated as a function of time, respectively the speed of the carriage v, the angle of deflection ϑ and the position of the carriage P. In fact, the law is thus perfectly defined by this reference model. If the pendulum is perfect, correctly identified, if the motor actuating the carriage has no dynamics and its gain is equal to 1, and in the absence of disturbance, the real behavior of the pendulum is that of the reference model.
Toutefois, du fait des écarts observés et mesurés entre la réalité et la théorie, on associe au modèle un asservissement, dont le principe de fonctionnement est représenté sur la figure 6.However, due to the observed and measured differences between reality and theory, the model is associated with a control system, the operating principle of which is shown in FIG. 6.
L'asservissement appliqué au moteur permet de suivre au plus près les valeurs définies par le modèle de référence pour arriver à une déviation angulaire nulle au point d'arrivée de la charge en corrigeant les écarts entre la théorie et la réalité. De plus, les effets d'éventuelles perturbations sont également atténués, par exemple les oscillations du départ lors de la prise de la charge et les chocs imprévus en cours de transfert.The servo-control applied to the motor makes it possible to follow as closely as possible the values defined by the reference model to arrive at a zero angular deviation at the point of arrival of the load by correcting the differences between theory and reality. In addition, the effects of possible disturbances are also attenuated, for example the oscillations of the start when the load is taken and the unexpected shocks during transfer.
Comme déjà dit, le microprocesseur effectue les différents calculs environ 20 fois par seconde afin de réajuster à chaque fois la valeur de consigne de vitesse du chariot.As already said, the microprocessor performs the various calculations approximately 20 times per second in order to readjust each time the speed reference value of the carriage.
L'asservissement en fin de mouvement est maintenu jusqu'à ce que la position soit atteinte avec la tolérance exigée et que l'oscillation soit amortie pour arriver à une valeur maximum dans la tolérance exigée.The servo-control at the end of movement is maintained until the position is reached with the required tolerance and the oscillation is damped to reach a maximum value within the required tolerance.
Dans le cas général où la longueur du pendule est variable, par exemple pour éviter un obstacle, l'asservissement reste le même, mais le modèle de référence est légèrement plus complexe. Le point de départ redevient l'équation vue plus haut référencée Ω :
Le principe de la commande est de générer une loi d'accélération Γ telle que le comportement du pendule constitué par la charge soit celui du pendule de longueur constante lo. Il devient alors possible d'utiliser le dispositif décrit dans le cas de la commande d'un pendule de longueur constante. Les termes linéaires variables sont alors compensés en générant une commande du type :
le terme τP sera défini ultérieurement.The principle of the command is to generate an acceleration law Γ such that the behavior of the pendulum constituted by the load is that of the pendulum of constant length l o . It then becomes possible to use the device described in the case of controlling a pendulum of constant length. The variable linear terms are then compensated by generating a command of the type:
the term τ P will be defined later.
Les termes de compensation sont fonctions de la variation de la longueur l du pendule et permettent de transformer le pendule de longueur variable en un pendule de longueur constante lo dont la période est :
Les termes de compensation sont pris sur le modèle de référence déjà utilisé dans le cas du pendule de longueur constante, ce modèle donnant ainsi ϑ'ref, ϑ''ref en dérivant ϑref.The compensation terms are taken from the reference model already used in the case of the pendulum of constant length, this model thus giving ϑ ' ref , ϑ'' ref by deriving ϑ ref .
La montée de la charge commence en même temps que la translation du chariot, mais du fait que cette montée peut se terminer soit au cours de la montée en vitesse du chariot, soit pendant le palier, soit même pendant la décélération, cinq cas différents peuvent se présenter pour lesquels l'équation précédente s'écrit différemment.The rise of the load begins at the same time as the movement of the carriage, but the fact that this rise can end either during the rise in speed of the carriage, or during the leveling, or even during deceleration, five different cases can present themselves for which the previous equation is written differently.
L'exemple qui suit illustre un cas particulier de variation de longueur du pendule, mais il est bien entendu que l'on peut généraliser ce type de calcul à n'importe quel type de variation de longueur.
- 1/ Pendant la mise en vitesse du chariot et alors que la longueur du pendule varie avec une vitesse v, l'équation de commande devient :
L'équation Ω devient alors : - 2/ Pendant la mise en vitesse du chariot et après la variation de longueur du pendule (si celle-ci est différente de lo), la commande devient :
L'équation Ω devient alors : - 3/ Pendant le palier et quelle que soit la variation de longueur du pendule, la commande a pour valeur :
Γ = O - 4/ Pendant la décélération du chariot et alors que la longueur du pendule varie avec une vitesse v', la commande est donnée par :
L'équation Ω qui vaut dans ce cas : - 5/ Pendant la décélération du chariot et alors que la variation de la longueur du pendule est arrêtée en :
- 1 / During the setting in speed of the carriage and while the pendulum length varies with a speed v, the control equation becomes:
The equation Ω then becomes: - 2 / During the setting in speed of the carriage and after the variation of the pendulum length (if this is different from l o ), the command becomes:
The equation Ω then becomes: - 3 / During the landing and whatever the length of the pendulum, the value of the command is:
Γ = O - 4 / During the deceleration of the carriage and while the length of the pendulum varies with a speed v ', the command is given by:
The equation Ω which is valid in this case: - 5 / During the deceleration of the carriage and while the variation of the pendulum length is stopped by:
La position atteinte en fin de trajectoire est donnée par l'intégrale double de Γ. A partir du résultat de ce calcul, il suffit de choisir la constante τP pour que la position atteinte en fin de trajectoire soit celle désirée. Par exemple :
si v = V de 0 à te avec te = Te
et v' = -V de td à t'e + td avec t'e = Te
on montre que :
if v = V from 0 to t e with t e = T e
and v '= -V from t d to t' e + t d with t ' e = T e
we show that:
Pour Te = T ou Te > T, il n'y a pas de changement par rapport au pendule à longueur constante :
Le modèle de référence correspond à celui représenté sur la figure 7, laquelle résume les cinq cas répertoriés précédemment, et pour laquelle les fonctions f et h dépendent de la situation considérée comme le montre le tableau ci-dessous, dans lequel v désigne la vitesse de montée du pendule, c'est à dire la vitesse de diminution de la longueur du pendule, et v' sa vitesse de descente.
Les fonctions f et h sont respectivement homogènes à une longueur et à une vitesse, qui multipliées respectivement par une accélération angulaire ϑ'' et une vitesse angulaire ϑ', deviennent alors homogènes à une accélération. L'expression suivante, schématisée au sein de la figure 7, constitue alors les termes de compensation mentionnés précédemment, associés à la valeur de τP :
h.ϑ' + f.ϑ'' : termes de compensationThe functions f and h are respectively homogeneous at a length and at a speed, which multiplied respectively by an angular acceleration ϑ '' and an angular speed ϑ ', then become homogeneous at an acceleration. The following expression, shown diagrammatically in FIG. 7, then constitutes the compensation terms mentioned above, associated with the value of τ P :
h.ϑ '+ f.ϑ'': terms of compensation
Ainsi, selon la figure 7, le modèle de référence pour un pendule linéaire de longueur lo (30) détermine les valeurs ϑref, ϑ'ref et ϑ''ref . Les modules (31) et (32) déterminent respectivement les valeurs des fonctions h et f, en fonction des différentes phases du transfert de la charge. Les fonctions f et h ainsi déterminées sont alors multipliées respectivement à ϑ''ref et ϑ'ref, les expressions ainsi obtenues étant alors sommées et ajoutées à la valeur de τP au moyen d'un sommateur (33), la dite valeur de τP étant calculée préalablement en fonction de la position de destination de la charge.Thus, according to FIG. 7, the reference model for a linear pendulum of length l o (30) determines the values ϑ ref , ϑ ' ref and ϑ'' ref . The modules (31) and (32) respectively determine the values of the functions h and f, according to the different phases of the load transfer. The functions f and h thus determined are then multiplied respectively at ϑ '' ref and ϑ ' ref , the expressions thus obtained are then summed and added to the value of τ P by means of a summator (33), said value of τ P being calculated beforehand as a function of the load destination position.
De la sorte, le signal de sortie du sommateur (33) correspond à la valeur de Γ, c'est à dire au signal d'accélération communiqué à la charge, par l'intermédiaire du dispositif de levage. La valeur de Γ est corrigée en moyenne 20 fois par seconde, afin de tenir compte d'une part des éventuelles perturbations susceptibles d'intervenir en cours de transfert, et d'autre part, en fonction des différentes phases de transfert.In this way, the output signal from the adder (33) corresponds to the value of Γ, that is to say to the acceleration signal communicated to the load, via of the lifting device. The value of Γ is corrected on average 20 times per second, in order to take into account on the one hand any disturbances likely to occur during the transfer, and on the other hand, according to the different transfer phases.
Le signal Γ est intégré successivement deux fois, au moyen des intégrateurs (34) et (35), afin de donner les valeurs de vref et de la position de référence.The signal Γ is integrated successively twice, by means of the integrators (34) and (35), in order to give the values of v ref and of the reference position.
De manière avantageuse, l'ensemble des intégrateurs et sommateurs est intégré au sein du même microprocesseur assurant le calcul du modèle de référence.Advantageously, all the integrators and summers are integrated within the same microprocessor ensuring the calculation of the reference model.
On a représenté au sein de la figure 8 un exemple de la conséquence de l'asservissement sur les oscillations angulaires en fonction du temps sous la forme d'une courbe. Afin de mieux refléter les différentes phases du transfert, on a représenté également en regard de cette courbe la courbe représentative de la position de la charge pendant son transfert en fonction du temps.FIG. 8 shows an example of the consequence of the servo-control on the angular oscillations as a function of time in the form of a curve. In order to better reflect the different phases of the transfer, the curve representing the position of the load during its transfer as a function of time has also been shown opposite this curve.
On distingue de fait nettement trois phases successives, correspondant respectivement à l'accélération en début de transfert, générant une oscillation d'amplitude relativement réduite (l'échelle des ordonnées est graduée en radians), la dite amplitude étant rapidement amortie au moyen de l'asservissement . On passe ensuite à une phase d'oscillations quasiment négligeables, correspondant à la phase à vitesse palier. Puis une nouvelle phase d'amplitude inverse plus importante, correspondant à la décélération apparaît. Le point de destination de la charge est alors atteint. De fait, il existe une phase supplémentaire, consécutive au passage de la charge par la position finale, au cours de laquelle elle est soumise à l'asservissement décrit ci-dessus, afin justement d'amortir les oscillations résiduelles.There are clearly three successive phases, corresponding respectively to the acceleration at the start of the transfer, generating an oscillation of relatively small amplitude (the ordinate scale is graduated in radians), the said amplitude being rapidly damped by means of l enslavement. We then pass to a phase of almost negligible oscillations, corresponding to the phase at level speed. Then a new phase of greater inverse amplitude, corresponding to the deceleration appears. The load destination point is then reached. In fact, there is an additional phase, following the passage of the load through the final position, during which it is subjected to the control described above, in order to precisely dampen the residual oscillations.
Dans les figures 9 et 10, on a représenté sous forme de courbes deux signaux d'accélération Γ fournis au dispositif de levage et résultant du traitement ci-dessus décrit, d'une part, dans le cas où la durée de variation de la longueur du pendule défini par la charge correspond à celle du transfert, et d'autre part, dans le cas où cette durée est inférieure à la durée de transfert.In Figures 9 and 10, there are shown in the form of curves two acceleration signals et supplied to the lifting device and resulting from the processing described above, on the one hand, in the case where the duration of variation of the length of the pendulum defined by the load corresponds to that of the transfer, and on the other hand, in the case where this duration is less than the duration of transfer.
Comme on peut le voir, dans le premier cas, lors des phases d'accélération et de décélération les signaux correspondants sont globalement symétriques, la phase à vitesse constante générant bien entendu un signal nul.As can be seen, in the first case, during the acceleration and deceleration phases the corresponding signals are generally symmetrical, the phase at constant speed of course generating a zero signal.
En revanche, dans le second cas, pour lequel la variation de la longueur du pendule est interrompue pendant la phase de décélération, on observe l'apparition d'un palier dans le signal Γ, correspondant au signal appliqué dans le cas d'un pendule de longueur constante, tel que représenté dans la figure 5.On the other hand, in the second case, for which the variation of the length of the pendulum is interrupted during the deceleration phase, we observe the appearance of a plateau in the signal Γ, corresponding to the signal applied in the case of a pendulum of constant length, as shown in Figure 5.
Ainsi, le dispositif conforme à l'invention permet-il d'obtenir une stabilisation systématique et rapide des oscillations et autres perturbations susceptibles d'entraîner des oscillations au cours du transfert d'une charge suspendue. Le double asservissement tant en déviation angulaire qu'en position est donc particulièrement adapté à tout transfert de charge suspendue, notamment dans le cadre d'activités requérant des précautions particulières, telles que par exemple l'industrie nucléaire, etc.Thus, the device according to the invention makes it possible to obtain systematic and rapid stabilization of the oscillations and other disturbances liable to cause oscillations during the transfer of a suspended load. The double servo-control both in angular deviation and in position is therefore particularly suitable for any transfer of suspended load, in particular in the context of activities requiring special precautions, such as for example the nuclear industry, etc.
Claims (8)
- Device for automatically controlling the position and oscillations of a suspended load as it is transferred by a lifting appliance comprising:- a guide means (2, 6) on which there moves a carriage (1) which can move translationally actuated by a motor, to which there is fastened a cable (4) (or a rod) at the other end of which is suspended the load (5) to be transferred;- a position sensor, intended to identify, permanently, the position of the carriage (1) with respect to a specified point, and to provide a signal called a position signal corresponding to this identification,- an angular sensor, arranged on the carriage (1), intended to measure the value of the angle ϑ which the cable (or the rod) forms with respect to the vertical, and to provide a signal called an angular signal corresponding to this measurement;- a first automatic-control loop comprising:characterised in that it comprises:. a first comparator (22) intended to supply the angular offset between the angular signal thus determined and a reference angular value which is predetermined by means of a reference model, as a function of the destination of the load (5) and of the desired translational velocity;. a proportional corrector (23) intended to multiply the offset thus measured by a predetermined constant;- a second automatic-control loop called a position loop comprising:. a second comparator (20) intended to supply the offset between the position signal and a theoretical reference position predetermined using the same reference model, as a function of the same data;. a proportional and integral corrector (21) intended, on the one hand, to multiply the said offset by a predetermined constant and, on the other hand, to integrate the said offset with respect to time over an interval which is also predetermined;- an adder (24), connected respectively to the output of the proportional corrector (23), proportional and integral corrector (21), and of an amplifier (25) intended to amplify the value of the reference velocity, which is also determined by means of the said reference model, as a function of the same data, the said adder (24) being intended to add the values coming from these outputs so as to deliver a signal suitable for actuating the control motor (26) of the carriage (1).
- Automatic-control device according to Claim 1, characterised in that the reference values determined by the reference model, namely the angular position, the velocity and the position come from the following law:
- Automatic-control device according to one of Claims 1 and 2, characterised in that the carriage (1) can move translationally in direction on a first rectilinear guide means (2), itself capable of moving on a second rectilinear guide means (6), which is coplanar but in a direction which is perpendicular to that of the said first guide means, the said first guide means being actuated by means of a motor which is also automatically controlled by means of two automatic-control loops, in position and angle respectively, as a function of a reference model which is individual to it.
- Automatic-control device according to Claim 4, characterised in that the carriage (1) can move on a travelling crane.
- Automatic-control device according to Claim 1, characterised in that the carriage (1) can move translationally on a first guide means, itself capable of moving rotationally by means of a rotation member, actuated by means of a motor which is also automatically-controlled through the action of two automatic-control loops as a function of a reference model which is also individual to it.
- Automatic-control device according to Claim 6, characterised in that the carriage (1) can move along the horizontal jib (10) of a crane.
- Automatic-control device according to one of the preceding claims, characterised in that the automatic-control calculations are performed approximately twenty times per second, by means of a numerical calculation member.
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