EP0578280B1

EP0578280B1 - Procédé de contrÔle de déplacement d'une charge pendulaire et dispositif pour sa mise en oeuvre

Info

Publication number: EP0578280B1
Application number: EP93113406A
Authority: EP
Inventors: Patrice Genet
Original assignee: Caillard SA
Current assignee: Konecranes France SA
Priority date: 1990-07-18
Filing date: 1991-07-17
Publication date: 1996-05-29
Anticipated expiration: 2011-07-17
Also published as: DE69119913T2; DE467783T1; EP0467783A1; ES2090795T3; FR2664885A1; EP0578280A2; EP0578280A3; DE69119913D1; DE578280T1; ES2029975T1; FR2664885B1; GR920300044T1

Description

La présente invention concerne un procédé de contrôle des déplacements d'une charge pendulaire, suspendue à un support mobile horizontalement.
L'invention vise également des dispositifs pour sa mise en oeuvre.
L'invention s'applique notamment aux engins de levage portuaires tels que grues, portiques à benne ou à conteneurs.
Dans le domaine industriel de la manutention et du levage de charges, notamment de conteneurs, un objectif primordial est déplacer avec précision d'un point à un autre une charge suspendue par des câbles à un support mobile, tel qu'un chariot motorisé, et tout particulièrement d'obtenir un balancement nul de la charge en fin de trajet.
Or, la précision du déplacement dépend essentiellement du contrôle et de l'amortissement des oscillations de la charge au cours du déplacement.
Un certain nombre de procédés de contrôle des déplacements de charges pendulaires existent déjà, mais les temps de manoeuvre donnés par ces procédés dépendent de la période du pendule constitué par la charge suspendue.
Ces procédés présentent en particulier les inconvénients suivants :

les mouvements sont calculés avant le démarrage du mouvement en fonction des longueurs pendulaires qui sont elles-mêmes variables pendant le mouvement, en particulier pour les appareils de levage. Le calcul des paramètres du mouvement doit donc être effectué avant la mise en route en faisant des approximations sur la longueur du pendule et sur la variation de celle-ci ;
dans le cas de petits mouvements, les mouvements, liés à la période du pendule, sont nécessairement lents ;
il est difficile de tenir compte de conditions initiales non nulles.

Ces inconvénients font que la précision de déplacement, si elle reste suffisante en manutention de produits en vrac, est insuffisante en manutention de conteneurs.
Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de contrôle des déplacements d'une charge pendulaire suspendue à un support mobile horizontalement, et déplacée d'un point de départ à un point d'arrivée pendant un trajet de durée prédéterminée, qui permette la prise en compte de perturbations et de variations de longueur pendulaire et qui utilise au maximum la puissance de l'appareil de levage afin de diminuer les temps de déplacement.
Suivant l'invention, on soumet le support mobile à une loi de déplacement du support x(t) déterminé de sorte que le déplacement de la charge pendulaire soit régi par une loi de déplacement de charge X(t) satisfaisant aux conditions suivantes :
X''(t) est continue et dérivable
$X''(t) = 0$
et $X'''(t) = 0$
pour t ≧T (durée du trajet), t désignant le temps, X'' la dérivée seconde c'est-à-dire l'accélération de la charge lors de son déplacement et X''' la dérivée troisième.
Ainsi, plutôt que d'imposer, comme dans les procédés de contrôle antérieurs, le déplacement du support mobile et de rechercher les paramètres particuliers donnant un balancement nul en fin de trajet, les conditions mathématiques selon l'invention garantissant un balancement nul, il suffit de choisir une loi de déplacement répondant à ces conditions. On peut alors en effectuer un choix en fonction de paramètres tels que la vitesse maximale et l'accélération maximale du support mobile pour déterminer la loi de déplacement donnant les temps de trajet les plus courts.
Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention, la loi de déplacement du support x(t) est choisie de sorte que la charge pendulaire soit soumise à une loi d'accélération X''(t) régie par la relation $X''(t) = \frac{γ}{2} · (1-cos \frac{2π}{T} · t),$
γ étant l'accélération de la charge au cours du trajet.
Cette loi, d'écriture simple, répond aux conditions d'annulation du balancement de charge énoncées précédemment. Son intégration double ne présente en outre aucune difficulté particulière de mise en oeuvre.
Suivant un autre aspect de l'invention, le dispositif de contrôle de déplacement d'une charge pendulaire suspendue à un support mobile horizontalement, mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, associé à un engin de levage comprenant des moyens de levage et des moyens de direction, est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contrôle et de traitement recevant, d'une part, des informations représentatives de la longueur du pendule associé, de l'angle de ballant et du déplacement du support mobile issues respectivement de moyens d'acquisition de longueur, de moyens d'acquisition d'angle et de moyens d'acquisition de déplacement, et émettant en retour des ordres de levage et des ordres de direction respectivement à destination des moyens de levage et des moyens de direction, lesdits ordres de direction étant calculés de façon à satisfaire la loi de déplacement X(t) selon le procédé tel que défini plus haut.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaitront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs :

la figure 1 est une vue d'une forme pratique de réalisation du dispositif de contrôle de déplacement selon l'invention,
la figure 2 est une vue générale d'un engin de levage portuaire pouvant être équipé d'un dispositif selon l'invention,
la figure 3 représente la loi d'évolution de la vitesse d'un chariot dans un dispositif de contrôle de déplacement, dans l'art antérieur,
la figure 4 est un schéma qui illustre les différentes variables géométriques utilisées pour la description du procédé et du dispositif selon l'invention,
les figures 5A, 5B et 5C représentent respectivement les lois d'évolution de l'accélération, de la vitesse et du déplacement d'une charge pendulaire, avec le procédé selon l'invention,
la figure 6 est un schéma bloc illustrant le procédé selon l'invention.

On va maintenant expliquer le procédé de contrôle de déplacement selon l'invention, conjointement à la description du dispositif mettant en oeuvre le procédé.
Dans une forme de réalisation particulière d'un dispositif de contrôle selon l'invention illustrée en figure 1, le dispositif de contrôle de déplacement d'une charge pendulaire 20 suspendue à un support mobile d'un engin de levage 1 comprend un calculateur 4 recevant d'une part, en entrée CL, une information de longueur du pendule issue d'un codeur de position 7, en entrée B, une information de ballant issue d'une caméra 18, ou de tout autre dispositif d'analyse optique, et en entrée CD, une information de déplacement du support mobile ou information de direction, et délivrant en retour, en sortie SL, des ordres de levage transmis à des moyens de levage 6, 5, 8 de l'engin de levage 1, et en sortie SD, des ordres de direction transmis à des moyens de direction 14, 15, 16.
Les moyens de levage comprennent un tambour de levage 8 autour duquel s'enroule un câble de suspension 21 relié à la charge 20, par exemple, un conteneur, un réducteur 5 et un moteur électrique 6, agencés suivant des techniques bien connues. Le moteur de levage 6, auquel est associé le codeur de levage 7, est commandé, via une ligne de commande 9 et un amplificateur 10, soit à partir d'un levier de commande de levage 2 soit par le calculateur 4, à travers la sortie SL précitée.
Les moyens de direction comprennent un galet de direction 16 roulant sur un rail de direction 17 horizontal lié à l'engin de levage, un réducteur 15 et un moteur électrique 14 auquel est fixé un codeur de direction 13. Ce moteur de direction 14 est commandé via une ligne de puissance de direction 12 et un amplificateur de puissance 11, soit à partir d'un levier de commande de direction 3, soit par le calculateur 4, à travers la sortie SD précitée.
L'angle de ballant est mesuré grâce à une caméra 18 solidaire du support mobile et dont l'objectif est dirigé verticalement vers le bas, la charge pendulaire 20 étant équipé d'une balise optique 19 émettant un faisceau dirige vers le haut.
Le schéma général d'un engin 30 de manutention et de levage de conteneurs 31 pouvant être doté d'un dispositif de contrôle de déplacement selon l'invention est donné en figure 2.
L'engin de levage portuaire 30 comprend, suivant des techniques connues, un portique 35 auquel est relié une structure de flèche horizontale 33. Un chariot mobile 34 peut être déplacé horizontalement suivant une direction X le long de la flèche 33. Un conteneur 31 est suspendu au chariot mobile 34 par des câbles 32 dont la variation de longueur permet le déplacement du conteneur 31 suivant une direction verticale Z.
Les techniques antérieures de commande des mouvements des engins de levage font généralement appel à des solutions particulières de l'équation différentielle du mouvement d'une charge pendulaire. La figure 3 illustre une loi d'évolution de la vitesse V en fonction du temps t du point de suspension de la charge lorsque celui-ci est animé d'un mouvement que l'on peut décomposer en :

une phase d'accélération constante, de durée T1,
une phase à vitesse constante, de durée T2,
une phase de décélération constante, de durée T3.

Ces solutions particulières sont des fonctions de la période du pendule. Une méthode permettant d'atteindre un point d'arrivée sans balancement consiste à calculer des temps d'accélération T1 et de freinage T3 adéquats en fonction de la longueur du pendule et de la durée T2 de la phase à vitesse constante. Les inconvénients de ces techniques, -temps de déplacement lié à la période pendulaire, difficulté de prise en compte de conditions initiales, notamment-, sont éliminés avec la mise en oeuvre du procédé de contrôle selon l'invention.
La figure 4 illustre les principales variables géométriques prises en compte dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La variable x représente le déplacement horizontal du chariot ou support mobile 40. Une charge perpendiculaire 41 est suspendue au chariot mobile 40 par un câble de longueur l. En situation de balancement, le câble est incliné d'un angle α par rapport à la verticale, la charge pendulaire 41 présentant un écart y par rapport à ladite verticale. Le déplacement instantané de la charge pendulaire 41 est représenté par une variable X égale à la somme x + y.
Un exemple de loi de déplacement X(t) de la charge pendulaire 41 qui satisfait les conditions mathématiques selon l'invention est associé à la loi d'accélération suivante : $X''(t) = \frac{γ}{2} (1 - cos \frac{2π}{T} · t) pour 0 ≦ t < T$

X''(t): = 0 pour t≧T (durée du trajet)
γ étant l'accélération maximale de la

On vérifie aisément que la loi de déplacement X(T) qui en résulte satisfait aux conditions précitées, à savoir :
la dérivée seconde X''(t) est continue et dérivable et $X'' (t) = 0$
et $X' ' ' (t) = 0$
pour un temps t ≧ T (durée du trajet).
Par ailleurs, le déplacement du point de suspension de la charge 41, et par conséquent le déplacement du support mobile 40 est déterminé en exprimant l'équilibre dynamique de la charge pendulaire : $X''(t) = \frac{y}{l} (g \sqrt{1- {(\frac{y}{l})}^{2}} - l'')$
g étant l'accélération de la pesanteur.
L'équation (1) permet de calculer le déplacement X(t) en fonction de l'accélération maximale γ et de la durée de trajet T, tandis que l'équation (2) permet de calculer l'écart y en fonction de la dérivée seconde l'' de la longueur instantanée du pendule associé à la charge et de l'accélération X''(t).
On montre aisément que les considérations précitées conduisent à l'équation du second degré en y, c'est-à-dire de l'écart de la charge par rapport à la verticale, suivante : $y^{2} (\frac{{l''}^{2} {+ g}^{2}}{l^{2}}) = y (2X'' \frac{l''}{l}) {+X''}^{2} {- g}^{2} = 0$
La racine présentant le signe de (-X'') est la solution de l'équation (3).
A partir de la connaissance de l'écart y et du déplacement X, on peut en déduire aisément x(t) au fur et à mesure de l'évolution de l (longueur instantanée du pendule).
La position x du chariot 40 est déterminée, en référence à la figure 1, à l'aide du codeur 13, par exemple un codeur incrémental, monté sur l'arbre du moteur de direction 14.
La variable l est déterminée par le codeur 7 monté sur l'arbre du moteur de levage 6 tandis que la variable y est calculée à partir de l'angle α et de la longueur l par l'intermédiaire du système optique constitué par la caméra 18 et la balise 19.
Cette balise 19 constitue une source lumineuse qui crée une tâche lumineuse sur l'élément sensible de la caméra 18 qui délivre en retour un signal proportionnel à l'angle α.
Connaissant l'angle α et la longueur l, le calculateur 4 peut ensuite déterminer la valeur théorique de l'écart y et la position réelle instantanée X de la charge pendulaire 41.
On rencontre en fait dans un engin de levage portuaire des situations réelles de perturbations dues par exemple à l'effet du vent ou à un balancement initial.
On peut tenir compte du balancement initial ou de perturbations tendant à écarter la position de la charge pendulaire de la loi théorique de déplacement X(t) en réalisant un asservissement de la position de la charge à sa position théorique, représenté sous forme de schéma-bloc 60 à la figure 6.
Un premier bloc 61 illustre le calcul du déplacement théorique X(t) selon l'invention. Ce déplacement théorique X(t) est comparé au déplacement réel X égal à la somme du déplacement x du chariot 40 (figure 4) et du produit l.sin α de la longueur instantanée l du pendule et du sinus de l'angle de balancement α, cette somme étant représentée par le bloc 67. La différence ε1 entre le déplacement théorique X(t) et le déplacement réel X est dérivée en 62. La dérivée ε'1 permet le calcul du déplacement corrigé x du chariot 40 selon la relation (bloc 63) suivante : ${x =}_{xth} {+ K}_{1} ε'1$
x_th représentant le déplacement théorique et K₁ε'₁ représentant la correction à apporter à ce déplacement théorique. Cette correction correspond à un effort d'amortissement de type visqueux.
Ce calcul de correction est suivi d'une boucle d'asservissement du déplacement x comprenant un calcul d'une consigne de vitesse CV selon la relation suivante (bloc 64) : ${CV = x'}_{th} {+ K}_{2} ε_{2},$
avec

x'_th :: dérivée du déplacement théorique x_th
ε₂ :: erreur de la boucle d'asservissement en x,

K₂ :: coefficient de correction.

La vitesse est ensuite régulée (bloc 65) au niveau du moteur de direction 14 (figure 1). Le déplacement effectif x du chariot provoque un balancement d'angle α (bloc 66). Un tel asservissement permet de garantir un balancement sensiblement nul en fin de trajet de la charge pendulaire.
Les figures 5A, 5B et 5C illustrent respectivement les lois d'évolution de l'accélération X''(t), de la vitesse X'(t) et du déplacement X(t) du chariot dans la forme particulière de réalisation de l'invention décrite précédemment, avec une accélération maximale γ = 0,6 m/s², une durée de trajet T = 10s et une vitesse initiale V_o nulle.
Le procédé selon l'invention permet d'ailleurs une optimisation relative de la durée T du trajet de la charge pendulaire. Pour une distance donnée D à parcourir, il est possible de varier la période T de l'accélération maximale de façon continue.
A titre d'exemple, pour un trajet comprenant une phase d'accélération et une phase de freinage, la relation liant la période T, l'accélération maximale γ et la distance D, est la suivante : $D = \frac{{γT}^{2}}{2}$
Si l'on cherche à diminuer la durée du trajet pour une distance donnée, l'accélération maximale γ doit augmenter. On est alors limité par les performances mécaniques de l'engin de levage. On peut notamment être conduit à considérer les limitations suivantes :

limitations de vitesse,
limitation d'accélération,
limitation de puissance.

Lorsque la vitesse maximale du chariot est atteinte, il est possible d'insérer entre les phases d'accélération et de freinage, une phase au cours de laquelle le déplacement de la charge pendulaire s'effectuera sans balancement et à vitesse de régime VMAX.
Dans un exemple de réalisation pratique de l'invention, les limitations suivantes ont été ainsi prises en compte :

effet moteur au niveau du point de suspension de charge inférieur à FMAX,
vitesse du point de suspension inférieure à VMAX.

Si la première limitation (VMAX) n'est pas atteinte, on peut ensuite déterminer la durée de trajet T et l'accélération maximale γ . En revanche si cette limitation est atteinte, une phase à vitesse VMAX est entreprise. On détermine aussi une accélération maximale et une distance parcourue à vitesse VMAX.

Claims

Procédé de contrôle de déplacement d'une charge pendulaire (20, 41, 31) suspendue à un support (40, 34) mobile horizontalement, et déplacée d'un point de départ à un point d'arrivée, dans lequel on soumet la charge à une loi théorique de déplacement (X(t)) de ladite charge, caractérisé en ce que l'on procède à une étape (AS) d'asservissement de la position réelle de la charge pendulaire (20, 31, 41) à sa position théorique représentée par la variable de déplacement X(t), dans laquelle, dans une première boucle d'asservissement, on dérive par rapport au temps l'écart (ε1) entre la position théorique (X(t)) de la charge et sa position réelle (X), et on ajoute à la position théorique (X(t)) du support mobile la dérivée par rapport au temps de cette différence modifiée par un coefficient correcteur (K1), et dans une deuxième boucle d'asservissement, on multiplie l'écart (ε2) entre la position théorique (xth) du support mobile et la position mesurée (x) de celui-ci par une constante déterminée (K2), et on ajoute le résultat obtenu à la vitesse théorique (x'th) du support mobile.
Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes d'acquisition suivantes:
AC1/ acquisition de la longueur instantanée (l) du pendule;

AC/2 acquisition de la variable réelle de déplacement (x) du support mobile (34, 40);

AC/3 acquisition de l'angle (α) entre le pendule et la verticale.
et une étape de calcul du déplacement réel (X) de la charge pendulaire, à partir du résultat des étapes d'acquisition précitées, suivie d'une étape de calcul de l'erreur (E1) égale à la différence entre le déplacement théorique X(t) et le déplacement réel X.
Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de détermination d'une correction (CORx), ladite correction (CORx) étant ajoutée à la variable de déplacement théorique (x(t)) pour obtenir la consigne effective de déplacement (x) du support mobile (40).
Procédé conforme à l'une des revendications 1 à 3, la charge étant déplacée d'un point de départ à un point d'arrivée pendant un trajet de durée prédéterminée (T), caractérisé en ce qu'on soumet le support mobile (40, 34) à une loi de déplacement de support x(t) déterminée de sorte que le déplacement de la charge pendulaire (20, 41, 31) soit régi par une loi de déplacement de charge X(t) satisfaisant aux conditions suivantes:
X''(t) est continue et dérivable selon la variable de temps t,
$X''(t) = 0$
et $X'''(t) = 0$
pour t≧T (durée du trajet), t désignant le temps, X'' la dérivée seconde, c'est-à-dire l'accélération de la charge lors de son déplacement et X''' la dérivée troisième.
Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la loi de déplacement de support x(t) est choisie de sorte que la charge pendulaire est soumise à une loi d'accélération X''(t) régie par la relation: $X''(t) = \frac{γ}{2} · (1 - cos \frac{2π}{T} · t)$
γ étant l'accélération maximale de la charge au cours du trajet.
Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes:
A) calcul de la valeur théorique instantanée de la variable de déplacement X(t) de la charge pendulaire (20, 31, 41) par double intégration de la loi d'accélération X''(t) et en fonction de la vitesse initiale (_Vo) de la charge pendulaire (20, 31, 41),

B) calcul de la valeur théorique instantanée de l'écart y(t) de la charge par rapport à la verticale, en fonction de la longueur instantanée (l) du pendule associée à la charge pendulaire (20, 31, 41),

C) calcul de la valeur théorique de consigne du déplacement x(t) du support mobile (34, 40), sachant que $x(t) = X(t) - y(t)$
, à partir des résultats des étapes précitées A) et B).
Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une limitation de la vitesse du support mobile (40, 34) à une vitesse maximale (VMAX) et en ce que, lorsque ladite limitation est atteinte, une phase de déplacement à vitesse constante est exécutée.
Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une limitation de la force appliquée au support mobile (40, 34) à un effort maximal (FMAX).
Procédé selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape d'optimisation relative de la durée du trajet de la charge pendulaire (20, 41, 31).
Dispositif de contrôle de déplacement d'une charge pendulaire (20) suspendue à un support (40, 34) mobile horizontalement, mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 9, associé à un engin de levage (1, 30) comprenant des moyens de levage (5, 6, 8) et des moyens de direction (14, 15, 16, 17), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de contrôle et de traitement (4) recevant d'une part des informations représentatives de la longueur (l) du pendule associé, de l'angle de ballant (α) et du déplacement (x) du support mobile (40) issues respectivement de moyens d'acquisition de longueur (7), de moyens d'acquisition d'angle (18) et de moyens d'acquisition de déplacement (13), et émettant en retour des ordres de levage et des ordres de direction respectivement à destination desdits moyens de levage (5, 6, 8) et desdits moyens de direction (14, 15, 16, 17), ces moyens de contrôle et de traitement (4) comportant des moyens pour calculer à tout instant la position théorique (X(t)) et la position réelle (X) et des moyens pour réaliser l'asservissement de la position réelle (X) de la charge pendulaire (41) à la consigne de position théorique (X(t)) à partir des informations de longueur (l), de déplacement (x) du support mobile (40) et d'angle de ballant (α).
Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de contrôle et de traitement (4) sont agencés pour réaliser en outre au sein de la boucle d'asservissement du déplacement (X) de la charge pendulaire (20, 41), un asservissement de la position instantanée (X) du support mobile (40) à une valeur corrigée calculée par lesdits moyens de contrôle et de traitement (4).
Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 4 ou 5.
Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que les moyens d'acquisition de la longueur (l) et les moyens du déplacement (x) du support mobile comprennent respectivement un codeur de levage (7) associé aux moyens de levage (6, 5, 8) et un codeur de direction (13) associé aux moyens de direction (14, 15, 16).
Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que les moyens d'acquisition d'angle comprennent, d'une part, une balise optique (19) solidaire de la charge pendulaire (20) et dont le faisceau lumineux est orienté vers le haut, et d'autre part, des moyens d'analyse optique (18), tels qu'une caméra, dirigés vers le bas, solidaires du support mobile et sensiblement à la verticale de ladite balise (19) en l'absence de ballant de la charge pendulaire.
Dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que les moyens de contrôle et de traitement comprennent un calculateur programmable.