EP1326798B1 - Crane or digger for swinging a load hanging on a support cable with damping of load oscillations - Google Patents

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EP1326798B1
EP1326798B1 EP01987730A EP01987730A EP1326798B1 EP 1326798 B1 EP1326798 B1 EP 1326798B1 EP 01987730 A EP01987730 A EP 01987730A EP 01987730 A EP01987730 A EP 01987730A EP 1326798 B1 EP1326798 B1 EP 1326798B1
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EP
European Patent Office
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load
crane
control
excavator according
controller
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP01987730A
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German (de)
French (fr)
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EP1326798A1 (en
Inventor
Oliver Sawodny
Jörg KÜMPEL
Cristina Tarin-Sauer
Harald Aschemann
E. P. Hofer
Klaus Schneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Liebherr Werk Nenzing GmbH
Original Assignee
Liebherr Werk Nenzing GmbH
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66CCRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00Other constructional features or details
    • B66C13/04Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B66C13/06Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads
    • B66C13/063Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads electrical
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66CCRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00Other constructional features or details
    • B66C13/04Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B66C13/08Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for depositing loads in desired attitudes or positions
    • B66C13/085Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for depositing loads in desired attitudes or positions electrical

Definitions

  • the invention relates to a crane or excavator for handling a load suspended on a load rope, which has a computer-controlled control for damping the load oscillation.
  • the invention is concerned with the load swing damping in cranes or excavators which allows movement of the load suspended on a rope in at least three degrees of freedom.
  • Such cranes or excavators have a slewing gear, which can be mounted on a chassis, which serves for rotating the crane or excavator.
  • a luffing mechanism for erecting or tilting a boom is available.
  • the crane or excavator includes a hoist for lifting and lowering the load suspended on the rope.
  • Such cranes or excavators are used in various designs. Exemplary here are mobile harbor cranes, ship cranes, offshore cranes, crawler cranes and crawler excavators.
  • DE 127 80 79 describes an arrangement for the automatic suppression of oscillations of a hanging by means of a rope at a level movable rope suspension point load on movement of Seilauf fatigues in at least one horizontal coordinate, in which the speed of Seilauf fatigues in the horizontal plane by a control loop is influenced in dependence on a derived from the deflection angle of the load cable against the Endlot size.
  • DE 20 22 745 shows an arrangement for the suppression of pendulum vibrations of a load suspended by means of a rope on the cat of a crane, the drive of which is equipped with a speeding device and a travel control device, with a control arrangement which takes the cat into consideration during the oscillation period of a first part of the path traveled by the cat so accelerated and delayed during a last part of this way so that the movement of the cat and the vibration of the load at the destination are equal to zero.
  • DE 322 83 02 proposes to control the speed of the drive motor of the trolley by means of a computer so that the trolley and the load carrier are moved during the steady drive at the same speed and the pendulum damping be achieved in no time.
  • the computer known from DE 322 83 02 works according to a computer program for solving the differential equations applicable to the undamped two-mass vibration system formed from trolley and load body, whereby the coulomb and speed-proportional friction of the cat or bridge drives are not taken into account.
  • the known from DE 39 33 527 method for damping of load oscillations oscillations comprises a normal speed position control.
  • DE 691 19 913 deals with a method for controlling the adjustment of a swinging load, in which the deviation between the theoretical and the actual position of the load is formed in a first control loop. This is derived, multiplied by a correction factor and added to the theoretical position of the mobile carrier. In a second control loop, the theoretical position of the mobile carrier is compared with the actual position, multiplied by a constant and added to the theoretical speed of the mobile carrier.
  • DE 44 02 563 deals with a method for the regulation of electric traction drives of hoists with a load suspended from a rope, the equations describing the dynamic behavior of the setpoint course of the speed the trolley generated and gives to a speed and current controller. Furthermore, the computing device can be extended by a position controller for the load.
  • the method of DE 44 02 563 in the basic version also requires at least the crane paw speed. Also in DE 20 22 745 several sensors are required for the load oscillation damping. Thus, in DE 20 22 745 at least one speed and position measurement of the trolley must be made.
  • the object of the present invention is to develop a crane or excavator for transferring from a load suspended on a load rope, which can move the load at least over three degrees of freedom of movement, such that during the movement actively occurring pendulum movement of the load can be damped and the load can be performed as accurately on a given path.
  • this object is achieved by a crane or excavator with the features of claim 1. Accordingly, the crane or excavator on a computer-controlled control for damping the load oscillation, which has a Bahn doctrinesmodul, a Zentripetalkraftkompensations announced and at least one axis controller for the slewing, an axle controller for the luffing and an axis controller for the hoist.
  • the path control with active damping of the pendulum motion is based on the basic idea of initially modeling the dynamic behavior of the mechanical and hydraulic system of the crane or excavator in a dynamic model based on differential equations. Based on this dynamic model, a feedforward control can be designed which, under these idealized conceptions of the dynamic model, suppresses oscillations when the load is moved by the slewing gear, luffing gear and hoist and guides the load exactly in the given path.
  • Prerequisite for the precontrol is first the generation of the web in the work space, which is made by the path planning module.
  • the path planning module generates the path, which is given in the form of time functions for the load position, speed, acceleration, jerk and possibly the derivative of the jerk to the feedforward, from the specification of the desired speed proportional to the deflection of the hand lever in the case of semi-automatic operation or from set points in the case of fully automatic operation.
  • the system of feedforward and trajectory planning module may be assisted by a state controller in the event of large deviations from the idealized dynamic model (e.g., due to disturbances such as wind effects, etc.). This then performs at least one of the measured variables: pendulum angle in the radial and tangential direction, Aufrichtwinkel, rotation angle, boom bending in the horizontal and vertical direction and their derivative and the load mass back.
  • a decentralized control concept is based on a spatially decoupled dynamic model in which an independent control algorithm is assigned to each individual movement direction.
  • the present invention provides a particularly efficient and easy to maintain control for a crane or excavator of the type mentioned.
  • FIG. 1 The basic mechanical structure of a mobile harbor crane is shown.
  • the mobile harbor crane is usually mounted on a chassis 1.
  • To position the load 3 in the working space of the boom 5 can be tilted with the hydraulic cylinder of the luffing mechanism 7 by the angle ⁇ A.
  • the rope length l S can be varied.
  • the tower 11 allows the rotation of the boom by the angle ⁇ D about the vertical axis.
  • With the load pivot 9, the load at the target point can be rotated by the angle ⁇ red .
  • Fig. 2 shows the interaction of hydraulic control and path control 31.
  • the mobile harbor crane has a hydraulic drive system 21.
  • An internal combustion engine 23 feeds the hydraulic control circuits via a transfer case.
  • the hydraulic control circuits each consist of a variable displacement pump 25, which is controlled via a proportional valve in the pilot circuit, and an engine 27 or cylinder 29 as a working machine.
  • a delivery flow Q FD , Q FA , Q FL , Q FR is thus set, independent of the load pressure.
  • the Poportionalventile are controlled by the signals U StD, StA U, U StL, U st.
  • the hydraulic control is usually equipped with a subordinate flow control.
  • control voltages u StD , U StA , U StL , U StR are implemented on the proportional valves by the subordinate flow control in this proportional flow rates Q FD , Q FA , Q FL , Q FR in the corresponding hydraulic circuit.
  • the basis for this is a dynamic model of the crane with the help of this based on the sensor data at least one of the variables w v , w h , l S , ⁇ A , ⁇ D , ⁇ red , ⁇ Stm , ⁇ Srm , and the guide specifications q ⁇ target or q Goal this task is solved.
  • the overall structure of the web control 31 will be explained with reference to FIG.
  • the operator 33 inputs the target speeds or the target points either via the hand levers 35 at the control stations or via a set point matrix 37 which was stored in the computer in a previous trip of the crane.
  • the fully automatic or semi-automatic path planning module 39 or 41 calculates, taking into account the kinematic limitations (maximum speed, acceleration and jerk) of the crane, the time functions of the target load position with respect to the luffing, luffing, lifting and load swinging mechanism and their derivatives, which are in the vectors ⁇ Dref , ⁇ Aref , l ref , ⁇ Rref are summarized.
  • the setpoint position vectors are applied to the axis controllers 43,45,47 and 49, which are then evaluated by evaluating at least one of the sensor values ⁇ A , ⁇ D , W v , W h , l s , ⁇ red , ⁇ Stn , ⁇ Srm , (see 2) calculate the drive functions u StD , u StA , u StL , u StR for the proportional valves 25 of the hydraulic drive system 21.
  • a compensation trajectory for the luffing gear is generated from the guidance specification for the slewing gear in the module for Zentripetalkraftkompensation 150, so that the caused by the Zentripetalbevantung Auswandem of the load is compensated.
  • the compensation movement of the luffing gear is synchronized with the hoist movement.
  • a permissible cable deflection ⁇ SrZul due to the rotational movement is calculated for the luffing mechanism controller .
  • the time functions are calculated so that none of the predetermined kinematic restrictions, such as the maximum speeds ⁇ D max , ⁇ LA max , the maximum accelerations ⁇ D max , r ⁇ LA max or the maximum jerk . is exceeded.
  • the movement is divided into three phases.
  • An acceleration phase I a phase of constant speed II, which may also be omitted, and a braking phase III.
  • phases I and III a third-order polynomial is assumed as the time function for the jerk.
  • a time function for the phase II a constant speed is assumed.
  • the remaining free coefficients in the time functions are determined by the boundary conditions at the start of the movement, at the transition points to the next or previous movement phase or at the target point and the kinematic restrictions, with respect to each axis, all kinematic conditions must be checked.
  • the kinematic limitation of the maximum acceleration ⁇ D max and the jerk for the axis of rotation limiting effective in Phase II the maximum speed of the luffing mechanism Rotary axis ⁇ LA max .
  • the other axes are synchronized to the movement time limiting axis.
  • the time optimization of the movement is achieved by determining the minimum total travel time by varying the proportion of the acceleration and deceleration phase in the overall movement in an optimization run.
  • the semi-automatic path planner consists of steepness limiters, which are assigned to the individual directions of movement.
  • Fig. 6 shows the transconductance limiter 60 for the rotational movement.
  • the target speed of the load 3 by the hand lever of the operating state of .phi Dzie ⁇ is the input signal. This is first normalized to the value range of the maximum achievable speed ⁇ D max .
  • the slope limiter itself consists of two limiter boundary blocks with different parameterization, one for the normal operation 61 and one for the quick stop 63, between which can be switched back and forth via the switching logic 67.
  • the time functions at the output are formed by integration 65.
  • the signal flow in the slope limiter will now be explained with reference to FIG.
  • a setpoint-actual value difference between the target speed ⁇ DZiel and the current setpoint speed ⁇ Dref is first formed.
  • the difference is amplified by the constant K S1 (block 613) and gives the target acceleration ⁇ D target .
  • a downstream limiting element 69 limits the value to the maximum acceleration ⁇ ⁇ D max .
  • the target acceleration ⁇ Dref the target speed ⁇ Dref and the target position ⁇ Dref are determined.
  • the derivative of the target jerk is by differentiation in block 65 and simultaneous filtering from the target jerk certainly.
  • the kinematic constraints .phi..sub.D max and and the proportional gain K S1 predetermined so that results in a subjectively pleasant and gentle dynamic behavior for crane operators. This means that maximum jerk and acceleration are set slightly lower than the mechanical system would allow. However, especially at high speeds, the wake of the system is high. This means that the operator sets the target speed 0 at full speed, so the load takes a few seconds to come to a standstill.
  • a second operating mode is introduced, which provides a quick stop of the crane.
  • a second transconductance limiter block 63 structurally identical in construction, is connected in parallel with the transconductance limiter block for the nominal operation 61.
  • the parameters that determine the caster are increased up to the mechanical load limit of the crane. Therefore this block with the maximum rapid stop acceleration ⁇ D max2 and the maximum quick stop pressure is and the rapid stop proportional gain K S2 are parameterized.
  • a switching logic 67 which identifies the emergency stop from the hand lever signal.
  • Output of the quick-stop Steibheitsbegrenzer 63 is like the slope limiter for the Nor malbeitreb the target jerk , The calculation of the other time functions takes place in the same way as in normal operation in block 65.
  • the time functions for the setpoint position of the load in the direction of rotation and its derivation are available taking into account the kinematic restrictions.
  • this steepness limiter it is also possible to use a structure in which the speed setpoint signal, limited to the maximum speed in the steepness of the rising and falling edge in block (691), is limited to a defined value corresponding to the maximum acceleration (FIG. 6 aa). This signal is then differentiated and filtered. The result is the desired acceleration ⁇ Dref . To calculate the setpoint speed ⁇ Dref and setpoint position ⁇ Dref , this signal is integrated, for the calculation of again differentiated in real terms.
  • the slope limiter from the semi-automatic path planner can also be used for the fully automated path planner ( Figure 6a).
  • This is advantageous since, in particular during the movement in the radial direction, the kinematic limitations are dependent on the erection angle. Therefore, in a block depending on the position of the boom position on the kinematics of the luffing gear (See also FIG. 11) calculates the kinematic constraints ⁇ LA max and r ⁇ LA max and tracks the limits (block 617). This will shorten the journey time.
  • an extension can be introduced for fully automatic operation (block 621). New input is the target position instead of the target speed.
  • a position vector is calculated from the start and end point, which indicates the direction for the desired movement.
  • the load will always move on this orbit in the direction of the location vector if and only if the current velocity direction vector always points in the same direction as the position vector.
  • the current velocity vector is influenced by the proportionality factors p D , p r , p L ; that is, by targeted modification of these proportionality factors, the synchronization task is solved.
  • the time functions are given to the axis controllers.
  • the structure of the Achsregiers for the slewing with reference to FIG. 7 will be explained.
  • the output functions of the path planning module in the form of the target position of the load in the direction of rotation and their derivatives (speed, acceleration, jerk, and derivative of the jerk) are given to the pre-control block 71.
  • these functions are so amplified that results in a web-accurate driving the load with respect to the rotation angle without vibrations under the idealized conditions of the dynamic model.
  • the basis for determining the feedforward gains is the dynamic model derived in the following sections for rotary motion.
  • the feedforward control can be supplemented by a conditioner control block 73.
  • a conditioner control block 73 At least one of the measured quantities rotational angle ⁇ D , rotational angular velocity ⁇ D , bending of the cantilever in the horizontal direction (direction of rotation) W h , derivative of the bend ⁇ h , rope angle ⁇ St or the Seilwinkei Marie ⁇ St amplified and returned to the control input.
  • the derivatives of the measured quantities ⁇ D and w h are formed numerically in the microprocessor control.
  • the cable angle can be detected, for example, via a gyroscopic sensor, an acceleration sensor on the load hook, a Hallmeßrahmen, an image processing system or the strain gauges on the boom. Since each of these measurement methods does not directly determine the rope angle, the measurement signal is processed in a disturbance observer module (block 77). The example of the Meßsignalaufpung for the measurement signal of a gyroscope on the load hook this is exemplified. In the interference observer, the relevant part of the dynamic model is stored for this purpose and, by comparing the measured variables with the calculated value from the idealized model, estimation variables for the measured variable and their interference components are formed, so that thereafter a noise-compensated measured variable can be reconstructed.
  • a disturbance observer module block 77.
  • the relevant part of the dynamic model is stored for this purpose and, by comparing the measured variables with the calculated value from the idealized model, estimation variables for the measured variable and their interference components are formed, so that thereafter a noise-compensated measured variable can be
  • FIG. 8 gives explanations of the definition of the model variables.
  • Essential here is the relationship shown there between the rotational position ⁇ D of the crane tower and the load position ⁇ LD in the direction of rotation.
  • the boom is assumed to be rigid and thus neglects the bending w h of the boom.
  • ⁇ A is the current upright angle of the luffing gear
  • l A is the length of the boom
  • ⁇ St is the current rope angle in the tangential direction.
  • the first equation of (4) essentially describes the equation of motion for the cantilever crane tower, taking into account the feedback due to the load oscillation.
  • the second equation of (4) is the equation of motion which describes the load oscillation by the angle ⁇ St , the excitation of the load oscillation caused by the rotation of the tower over the angular acceleration of the tower or an external disturbance expressed by initial conditions for these differential equations ,
  • Q F D K P D u S t D
  • i D is the gear ratio between engine speed and tower rotation speed
  • V is the displacement of the hydraulic motors
  • ⁇ p D is the pressure drop across the hydraulic drive motor
  • is the oil compressibility
  • Q FD is the flow in the hydraulic circuit for turning
  • K PD is the Proportionality constant
  • a ⁇ D [ 0 1 0 0 0 - c e a e - b 2 f b a e - b 2 0 0 0 1 0 c b a e - b 2 - a f a e - b 2 0 ]
  • a J T + ( J A Z + m A S A 2 + m L l A 2 ) cos ( ⁇ A ) 2
  • b m L l A l S cos ( ⁇ A )
  • the dynamic model of the slewing gear is conceived as a parameter-variable system with regard to the cable length l S , the righting angle ⁇ A , the load mass m L.
  • Equations (6) to (12) are the basis for the now described design of the feedforward control 71, the state controller 73 and the disturbance observer 77.
  • Input variables of the pilot control block 71 are the desired angular position ⁇ Dref , the target angular velocity ⁇ Dref , the target angular acceleration ⁇ Dref , the target jerk and if necessary, the derivative of the desired jerk ⁇ (4) Dref ⁇
  • pre-control block 71 the components of W D are weighted with feedforward gains K VD0 to K VD4 and their sum is given to the set input.
  • the axis controller for the rotation axis does not include a state controller block 73, then the size U Dvorst from the feedforward block is equal to the reference drive voltage u dref , which is given after compensation of the hydraulic non-linearity as drive voltage U StD on the proportional valve.
  • U Dvorst is the uncorrected target drive voltage for the proportional valve based on the idealized model.
  • u Dvorst K VD 0 ⁇ Dref + K VD 1 ⁇ ⁇ Dref + K VD 2 ⁇ ⁇ Dref + K VD 3 ⁇ ⁇ Dref + K VD 4 ⁇ Dref ( I V )
  • the K VD0 to K VD4 are the Vorticianungsverstärkache which are calculated as a function of the current Aufrichtwinkels ⁇ A , the rope length l s and the load mass m L , so that the load without vibrations track exactly the desired trajectory.
  • the feedforward gains K VD0 to K VD4 are calculated as follows.
  • the feedforward block must be considered in the transfer function.
  • the change of model parameters such as the pitch angle ⁇ A , the load mass m L and the rope length l s can be taken into account immediately in the change of the pilot gains.
  • these can always be tracked depending on the measured values of ⁇ A , m L and l S. That is, the rope length is changed with the hoist, then automatically change the Vorêtungsver reinforcements of the slewing, so that as a result, always keep the pendulum damping Ver pre-control in the process of the load is maintained.
  • the parameters K PD , i D , V, ⁇ , J T , J AZ , m A , s A and l A are available from the data sheet of the technical data. Basically, as variable system parameters, the parameters l s , ⁇ A and m L are determined from sensor data.
  • the parameters J T , J AZ are known from FEM investigations.
  • the attenuation parameter b D is determined from frequency response measurements.
  • the dynamic model is only an abstract representation of the real dynamic conditions.
  • external disturbances such as strong wind attack or the like.
  • the feedforward block 71 is supported by a state controller 73.
  • the state controller at least one of the measured variables ⁇ St, St .phi, ⁇ D, .phi..sub.D is weighted with a controller gain and fed back to the control input.
  • the difference between the output value of the feedforward block 71 and the output value of the state energizing block 73 is formed. If the state controller block is present, this must be taken into account in the calculation of the feed forward gains.
  • K VD 0 k 1
  • K VD 1 c + d k 2 d
  • K VD 2 - cos ( ⁇ A ) l A f a + cos ( ⁇ A ) l A b d k 3 - d l S b k 1 cos ( ⁇ A ) l A d f ⁇ ( - 1 )
  • K VD 3 - ( cos ( ⁇ A ) l A d k 4 - l S c - l S d k 2 ) b cos ( ⁇ A ) l A d f
  • K VD 4 ( ( e cos ( ⁇ A ) 2 l A 2 d k 3 - e cos ( ⁇ A ) l A d l S k 1 + l S cos ( ⁇ A A )
  • the regulator feedback 73 is designed as a complete state controller.
  • a complete state controller is characterized in that each state variable, that is, each component of the state vector x D is weighted with a control gain k iD and fed back to the set input of the path. The control gains k iD are combined to the control vector K D.
  • the dynamic behavior of the system is determined by the position of the eigenvalues of the system matrix A D , which are also poles of the transfer function in the frequency domain.
  • the poles r i are to be chosen so that the system is stable, the control operates sufficiently fast with good damping and the manipulated variable limitation is not achieved for typical occurring control deviations.
  • the r i can be determined before commissioning in simulations according to these criteria.
  • the controller gains from the analytic expressions of Eq. 36 are calculated, also possible for individual poles during operation i r as a function of measured values such as load mass m L, rope length l s or of elevation ⁇ A. to be changed. This results in a very advantageous dynamic behavior.
  • variable system parameters m L , l S and ⁇ A are checked numerically. Since this can only be done numerically, the entire space spanned by the variable system parameters must be detected. In this case, these would be the variable system parameters m L , l S and ⁇ A. These parameters vary in the interval [ m Lmin , m Lmax ] , [ l Smin , l Smax ] and [ ⁇ Amin , ⁇ Amax ] .
  • a state variable is not measurable, it can be reconstructed from other measurands in an observer. In this case, caused by the measurement principle disturbances can be eliminated. In Fig. 7, this module is referred to as Störbeobachter 77.
  • the interference observer is suitable to configure. If, for example, an acceleration sensor is used, then the observer must estimate the pendulum angle from the pendulum dynamics and the acceleration signal of the load. In an image processing system, it is necessary that the oscillations of the cantilever be compensated by the observer so that a usable signal can be detected.
  • the signal from the retro-active bending of the cantilever to extract the observer.
  • the reconstruction of the cable angle and the cable angular velocity will be shown on the basis of the measurement with a gyroscope sensor on the load hook.
  • the disturbances are first to be modeled as differential equations.
  • the offset error ⁇ Offset, D is introduced as a disturbance variable.
  • the disturbance is assumed to be constant as sections.
  • the state space representation of the submodel for the slewing gear according to Eq. 6-12 is extended by the fault model. In the present case, a complete observer is derived.
  • H ⁇ D z [ H 11 D H 12 D H 13 D H 21 D H 22 D H 23 D H 31 D H 32 D H 33 D H 41 D H 42 D H 43 D H 51 D H 52 D H 53 D H 61 D H 62 D H 63 D H 71 D H 72 D H 73 D ]
  • the determination of the observer gains h ljD is carried out either by transformation into observation normal form or by the Riccati design method . It is essential that in the observer also variable rope length, righting angle and load mass are taken into account by adapting the observer differential equation and the observer reinforcements.
  • the estimation may advantageously also be based on a reduced model.
  • ⁇ D The input of the observer is defined as ⁇ D , which can be calculated either from the measured quantity or U Dref (see equation 40).
  • a ⁇ DZred [ 0 1 0 0 0 - a f a e - b 2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 - w 1 2 0 ]
  • B ⁇ dZred [ 0 m L ⁇ l A ⁇ cos ⁇ A m L l S 0 0 0 ]
  • H dZred [ H 1 red H 2 red H 3 red H 4 red H 5 red ]
  • x ⁇ DZred [ ⁇ ⁇ S t ⁇ ⁇ ⁇ S t ⁇ ⁇ offset .
  • the observer gains are determined via pole specification as in the controller design (Eq. 29 ff.).
  • the resulting structure for the two-stage reduced observer is shown in Figure 7a. This variant guarantees an even better compensation of the offset on the measured value and a better estimation for ⁇ St and ⁇ St.
  • Fig. 9 shows the basic structure of the axis controller for the luffing mechanism.
  • the output functions of the path planning module in the form of the Sollastposition, in the radial direction, and their derivatives (speed, acceleration, jerk, and derivative of the jerk) are given to the feedforward block 91 (block 71 in the slewing gear).
  • these functions are so amplified that results in a web-accurate driving the load without vibrations under the idealized conditions of the dynamic model.
  • the basis for determining the feedforward gains is the dynamic model derived in the following sections for the luffing gear.
  • the feedforward can optionally be supplemented by a state control block 93 (see slewing gear 73) for compensating for disturbances (eg wind influences) and compensating for model errors.
  • a state control block 93 for compensating for disturbances (eg wind influences) and compensating for model errors.
  • this block at least one of the measured values embarkrichtwinkel ⁇ A , Aufrichtwinkel aus ⁇ A , bending of the boom in the vertical direction w v , the derivation of the vertical bend ⁇ v , the radial cable angle ⁇ Sr or the radial cable angular velocity ⁇ Sr amplified and back to the control input recycled.
  • the derivative of the measured quantities ⁇ A , ⁇ Sr and w v is formed numerically in the microprocessor control.
  • FIG. 10 gives explanations of the definition of the model variables.
  • the first equation of (4) essentially describes the equation of motion of the boom with the driving hydraulic cylinder, taking into account the retroactivity of the pendulum of the load. In this case, the proportion acting through the gravity of the boom and the viscous friction in the drive is taken into account.
  • the second equation of (4) is the equation of motion describing the load swing ⁇ Sr , where the excitation of the vibration is caused by the canting of the cantilever over the angular acceleration of the cantilever or an external perturbation expressed by initial conditions for these differential equations ,
  • the term on the right side of the differential equation describes the influence of the centripetal force on the load as the load rotates with the slewing gear.
  • M M A F Zyl d b cos ⁇ p ( ⁇ A )
  • Q F A K P A u S t A
  • F Zyl is the force of the hydraulic cylinder on the piston rod
  • p Zyl is the pressure in the cylinder (depending on the direction of movement piston or ring side)
  • a Zyl is the cross-sectional area of the cylinder (depending on the direction of movement piston or ring side)
  • is the oil compressibility
  • V Zyl is the cylinder volume
  • Q FA is the flow rate in the hydraulic circuit for the luffing gear
  • K PA is the proportionality constant, which indicates the relationship between the flow rate and the control voltage of the proportional valve. Dynamic effects of subordinate flow control are neglected.
  • the relevant cylinder volume is assumed to be half the total volume of the hydraulic cylinder.
  • z Zyl , ⁇ Zyl are the position or speed of the cylinder rod.
  • FIG. 11 shows the erecting kinematics of the luffing mechanism.
  • the hydraulic cylinder is anchored to the lower end of the crane tower. From design data, the distance d a between this point and the pivot point of the boom can be taken. The piston rod of the hydraulic cylinder is attached to the boom at a distance d b .
  • ⁇ 0 is also known from design data. from that can derive the following relationship between Aufrichtwinkel ⁇ A and hydraulic cylinder z zyl position .
  • z Zyl d a 2 + d b 2 - 2 d b d a cos ( ⁇ A + ⁇ 0 )
  • Equation 46 For a compact notation, in Eq. 51, the auxiliary variables h 1 and h 2 is inserted. This can be done in the Eqs. 46-51 described dynamic model of the luffing gear now in the state space representation (see also O. Föllinger: control technology, 7th ed., Weghig Verlag, Heidelberg, 1992) to be transformed. Since linearity is assumed, first the centripetal force coupling term with the slewing gear due to the rotational speed ⁇ D is neglected. In addition, the components of Equation 46, which are due to gravitation, are set to zero. The result is the following state space representation of the system.
  • the dynamic model of the luffing gear is considered as a parameter variable system with respect to the rope length l s and the trigonometric function components of the boom angle ⁇ A and the load mass m L
  • the equations (52) to (58) are the basis for the now described design of the pilot control 91, the state controller 93 and the interference observer 97.
  • Input variables of the pilot control block 91 are the desired position r LA , the target speed ⁇ LA , the target acceleration r ⁇ LA , the target jerk and the derivative of the target jerk r L A ( I V ) ,
  • the components of W A are weighted with the feedforward gains K VA0 to K VA4 and their sum is given to the set input.
  • the axis controller for the Aufrichtachse does not include a state controller block 93, then the size U Avorst from the feedforward block equal to the reference drive voltage U Aref , which is given after compensation of the hydraulic non-linearity as drive voltage U StA on the proportional valve.
  • u Avor is the uncorrected target drive voltage for the proportional valve based on the idealized model.
  • u Avorst K VA 0 r LAREF + K VA 1 r ⁇ LAREF + K VA 2 r ⁇ LAREF + K VA 3 r ⁇ LAREF + K VA 4 r LAREF ( I V )
  • the K VA0 to K VA4 are the Vorticianungsverstärkache which are calculated as a function of the current Aufrichtwinkels ⁇ A , the load mass m L and the rope length l s , so that the load without vibrations track exactly the desired trajectory.
  • the feedforward gains K VA0 to K VA4 are calculated as follows.
  • Eq. (63) the transfer function between output pilot block and load position are calculated.
  • K VA 0 0
  • K VA 1 - c e l A sin ( ⁇ A 0 )
  • K VA 2 - a G G ( a f - b 2 ) e l A sin ⁇ A 0 ( f a G G - b 2 G )
  • K VA 3 - b ( l S b 2 c - l S a f c ) ( e l A 2 sin ( ⁇ A 0 ) 2 ( f a G G - b 2 G ) )
  • K VA 4 b ( a 2 f 2 l A sin ( ⁇ A ) b G - l S a 3 f 2 G G - l S b 4 a G G + 2 l S b 2 a 2 f G G - 2
  • the change of model parameters such as the righting angle ⁇ A , the load mass m L and the rope length l s can be taken into account immediately in the change of the pilot gains. So they can always be tracked depending on the measured values. That is, when the hoist another rope length l s approached, so automatically change the Vor Kunststoffungsverstärkungen, so that as a result always the pendulum damping behavior of the feedforward control is maintained during the process of the load.
  • the parameters J AY , m A , s A , I A , K PA , A Zyl , V Zyl , ⁇ , d b and d a are available from the data sheet of the technical data. Basically, as variable system parameters, the parameters / S , m L and ⁇ A are determined from sensor data. The attenuation parameter b A is determined from frequency response measurements.
  • the feedforward block 91 is supported by a state controller 93.
  • the state controller at least one of the measured variables ⁇ A , ⁇ A , ⁇ Sr , ⁇ Sr is weighted with a controller gain and fed back to the actuating input. There, the difference between the output value of the pre-control block 91 and the output value of the state-control block 93 is formed. If the state controller block is present, it must be taken into account when calculating the feed forward gains.
  • K A is the matrix of the controller gains of the state controller of the luffing gear analogous to the controller matrix K D in the slewing gear.
  • the descriptive transfer function changes too
  • G AR ( s ) r LA ( s )
  • u Avorst ( s ) C ⁇ A ( s I ⁇ - A ⁇ A + B ⁇ A K ⁇ A ) - 1 B ⁇ A
  • the quantities ⁇ A , ⁇ A , ⁇ SR , ⁇ Sr can be returned.
  • the corresponding governing gains of K A are k 1A , k 2A , k 3A , k 4A .
  • the pilot gains K VAi K VA0 to K VA4 ) can be calculated according to the condition of Eq. 21 are calculated.
  • K VA 0 k 1 A l A sin ( ⁇ A 0 ) ⁇ ( - 1 )
  • K VA 1 c + e k 2 A e l A sin ( ⁇ A 0 ) ⁇ ( - 1 )
  • K VA 2 - ( a f b e k 3 A l A sin ( ⁇ A ) - b 2 a G G l A sin ( ⁇ A ) - b 3 e k 3 A l A sin ( ⁇ A ) + a 2 f G G G l A sin ( ⁇ A ) - e l S b 3 k 1 A + e l S b a f k 1 A ) ( e l A 2 sin ( ⁇ A 0 ) 2 ( f a G G G G l A sin ( ⁇ A ) - e l S b 3 k 1 A + e l S b a f k 1 A ) (
  • the regulator feedback 93 is designed as a state controller.
  • the controller gains are calculated analogously to the calculation method of Eq. 29 to 39 at the turning.
  • the components of the state vector x A are weighted with control gains k iA the controller matrix K A and fed back to the control input of the route.
  • the poles r i of the Polvorgabepolynoms be chosen so that the system is stable, the control operates sufficiently fast with good damping and the manipulated variable limitation is not reached at typical occurring deviations.
  • the r i can be determined before commissioning in simulations according to these criteria.
  • control can also be executed as output feedback. In doing so, individual k iA become zero. The calculation then takes place analogously to Eq. 37 to 38 in the slewing gear.
  • interference observer 97 this module is referred to as interference observer 97.
  • the interference observer is suitable to configure.
  • the measurement is again carried out with a gyroscope sensor on the load hook and the reconstruction of the cable angle and the cable angular velocity are shown. In this case occurs as an additional problem, the excitation of pitching vibrations of the load hook, which must also be eliminated by the observer or suitable filter techniques.
  • the state space representation of the submodel for the luffing gear according to Eq. 52-58 is extended by the fault model. In the present case, a complete observer is derived.
  • H ⁇ A z [ H 11 A H 12 A H 13 A H 21 A H 22 A H 23 A H 31 A H 32 A H 33 A H 41 A H 42 A H 43 A H 51 A H 52 A H 53 A H 61 A H 62 A H 63 A H 71 A H 72 A H 73 A ]
  • an improved offset compensation can be achieved in that in a second observer, the remaining offset on the angle signal ⁇ Sr , by the additional disturbance variable estimated and eliminated and the then estimated angle signal is used for the state control.
  • the determination of the observer gains h ijD is carried out either by transformation into observational normal form or by the Riccati or Polvorgabe design method . It is essential that in the observer also variable rope length, righting angle and load mass are taken into account by adapting the observer differential equation and the observer reinforcements.
  • the estimated values ⁇ Sr returned to the state controller. This results in the output of the state regulator block 93 when ⁇ A , ⁇ A ⁇ Sr is returned , respectively.
  • u Arück k 1 A ⁇ A + k 2 A ⁇ ⁇ A + k 3 A ⁇ ⁇ S r + k 4 A ⁇ ⁇ ⁇ S r
  • non-linearities of the hydraulics can be compensated in block 95 of the hydraulic compensation, resulting in a linear system behavior with respect to the system input.
  • correction factors for the drive voltage of the righting angle ⁇ A and for the gain factor K PA and the relevant cylinder diameter A Zyl can be provided in addition to the valve output and the hysteresis.
  • a direction-dependent structure changeover of the axis controller can be avoided.
  • the combination of the path planning module and the Wippwerk axis controller fulfills the requirement of a vibration-free and pin-accurate movement of the load when erecting and tilting the boom.
  • the module 150 for compensating the centripetal force now has the task of achieving this by simultaneously compensating movement of the luffing mechanism and the lifting mechanism Compensate for deviation as a function of the rotational movement.
  • the target rotational speed of the load ⁇ Dref generated in the path planning module is used.
  • the desired position to be set in the radial direction or the angular position of the cantilever to be set is then calculated from the equations (78 ac), so that the original radius is traversed by the load position.
  • R ges R 1 [ 1 + ⁇ ⁇ Dref 2 G ⁇ l s ]
  • a then permissible Seilaustenkung for ⁇ Sr must be introduced.
  • the pendulum motion of the load can be described taking into account the centrifugal force by the following differential equation, the influence on the pendulum motion by ⁇ A deliberately was not considered here, because one aims exclusively at the sole effect of centrifugal force.
  • m L l s 2 ⁇ ⁇ ⁇ S r z F Z ⁇ l S ⁇ cos ⁇ S r z - m G ⁇ l S ⁇ sin ⁇ S r z
  • the luffing gear controller is set so that it can be equated with a damping coefficient d R in the above differential equation. This is reflected in Eq. 78jd inserted.
  • This differential equation can now be used with the measured variable ⁇ ⁇ D 2 or the target size ⁇ ⁇ Dref 2 be simulated as input during crane operation. It delivers the expected rope angles due to the centrifugal force, with the parameters of the rope length l S and Aufrichtwinkel ⁇ A are always tracked.
  • the higher derivatives are formed accordingly.
  • the simulated angle ⁇ Srz caused by the centrifugal force, is weighted compensated by k 3A to the control input.
  • Eq. 781 and 78n respectively, becomes Eq. 78o or 78p used. Then these equations can be transformed according to the moment to be applied.
  • M D a 1 a 4 ( a 6 ⁇ ⁇ D 2 ⁇ S t - a 5 ⁇ S t - a 3 ⁇ ⁇ D ) + a 0 ⁇ ⁇ D + a 2 ⁇ ⁇ D
  • M A b 1 b 5 ( b 7 ⁇ ⁇ A 2 ⁇ S r - b 6 ⁇ S r - b 4 ⁇ ⁇ A ) + b 0 ⁇ ⁇ A + b 2 ⁇ ⁇ A
  • the P 10 , P 11 , P 20 , P 21 are to be chosen so that the scheme works with high dynamics with sufficient damping.
  • the structure of the axis controller for the hoist is shown in FIG.
  • the axis controller for the hoist 47 since this axis shows little tendency to oscillate, equipped with a conventional cascade control with an outer loop for the position and an inner for the speed.
  • the position control loop controller 123 may be implemented as a proportional controller (P controller).
  • the control gain is to be determined according to the criteria stability and sufficient damping of the closed loop.
  • Output of regulator 123 is the ideal drive voltage of the proportional valve.
  • the nonlinearities of the hydraulics are compensated in a compensation block 125.
  • the calculation is the same as for turning (equations 42-44).
  • the output variable is the corrected drive voltage of the proportional valve u StL .
  • Internal control loop for the speed is the subordinate flow control of the hydraulic circuit.
  • the last direction of movement is the turning of the load on the load hook itself by the load pivot mechanism.
  • a corresponding description of this regulation results from the German patent application DE 100 29 579 from 15.06.2000, on the Content is expressly referred to here.
  • the rotation of the load is made via the arranged between a hanging on the rope bottom block and a load receiving device load swing mechanism. In this case occurring torsional vibrations are suppressed. Thus, in most cases, just not rotationally symmetric load can be accurately recorded, moved by a corresponding bottleneck and discontinued.
  • this direction of movement is integrated in the path planning module, as shown for example with reference to the overview in Fig. 3.
  • the load can be moved here after picking during transport through the air in the corresponding desired pivot position by means of the load pivoting mechanism, in which case the individual pumps and motors are controlled synchronously.
  • a mode for a rotation-independent orientation can be selected.
  • the path control allows a web-accurate method of the load with all axes and actively suppresses vibrations and oscillations.

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Abstract

The invention concerns a crane or excavator for traversing a load hanging from a load cable, which is movable in three spatial directions. The crane or excavator has a computer-controlled regulation for the damping of load swings, which contains a path planning module, a centripetal force compensation unit and at least one shaft regulator for the rotating gear, one shaft regulator for the luffing gear and one shaft regulator for the lifting gear.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kran oder Bagger zum Umschlagen von einer an einem Lastseil hängenden Last, der eine computergesteuerte Regelung zur Dämpfung der Lastpendelung aufweist.The invention relates to a crane or excavator for handling a load suspended on a load rope, which has a computer-controlled control for damping the load oscillation.

Im einzelnen befasst sich die Erfindung mit der Lastpendeldämpfung bei Kranen oder Baggern, die eine Bewegung der an einem Seil aufgehängten Last in mindestens drei Freiheitsgraden zulässt. Derartige Krane oder Bagger weisen ein Drehwerk, das auf einem Fahrwerk aufgebracht sein kann, auf, welches zum Drehen des Kranes oder Baggers dient. Weiterhin ist ein Wippwerk zum Aufrichten bzw. Neigen eines Auslegers vorhanden. Schließlich umfasst der Kran oder Bagger ein Hubwerk zum Heben bzw. Senken der an dem Seil aufgehängten Last. Derartige Kräne oder Bagger finden in verschiedenster Ausführung Verwendung. Beispielhaft sind hier Hafenmobilkrane, Schiffskrane, Offshore-Krane, Raupenkrane bzw. Seilbagger zu nennen.In particular, the invention is concerned with the load swing damping in cranes or excavators which allows movement of the load suspended on a rope in at least three degrees of freedom. Such cranes or excavators have a slewing gear, which can be mounted on a chassis, which serves for rotating the crane or excavator. Furthermore, a luffing mechanism for erecting or tilting a boom is available. Finally, the crane or excavator includes a hoist for lifting and lowering the load suspended on the rope. Such cranes or excavators are used in various designs. Exemplary here are mobile harbor cranes, ship cranes, offshore cranes, crawler cranes and crawler excavators.

Beim Umschlagen einer an einem Seil hängenden Last mittels eines derartigen Kranes oder Baggers entstehen Schwingungen, die einerseits auf die Bewegung des Kranes oder Baggers selbst oder aber auch auf äußere Störeinflüsse, wie beispielsweise Wind zurückzuführen sind. Es wurden nun bereits in der Vergangenheit Anstrengungen unternommen, um Pendelschwingungen bei Lastkranen zu unterdrücken.When handling a hanging on a rope load by means of such a crane or excavator oscillations arise, on the one hand on the movement of the crane or excavator itself or even on external disturbances, such as wind are due. Efforts have already been made in the past to suppress pendulum vibrations in load cranes.

So beschreibt die DE 127 80 79 eine Anordnung zur selbsttätigen Unterdrückung von Pendelungen einer mittels eines Seiles an einem in waagerechter Ebene bewegbaren Seilaufhängepunkt hängenden Last bei Bewegung des Seilaufhängepunktes in mindestens einer waagerechten Koordinate, bei der die Geschwindigkeit des Seilaufhängepunktes in der waagerechten Ebene durch einen Regelkreis in Abhängigkeit von einer von dem Auslenkwinkel des Lastseiles gegen das Endlot abgeleiteten Größe beeinflusst wird.Thus, DE 127 80 79 describes an arrangement for the automatic suppression of oscillations of a hanging by means of a rope at a level movable rope suspension point load on movement of Seilaufhängepunktes in at least one horizontal coordinate, in which the speed of Seilaufhängepunktes in the horizontal plane by a control loop is influenced in dependence on a derived from the deflection angle of the load cable against the Endlot size.

Die DE 20 22 745 zeigt eine Anordnung zur Unterdrückung von Pendelschwingungen einer Last, die mittels eines Seiles an der Katze eines Kranes aufgehängt ist, deren Antrieb mit einer Drehzahleinrichtung und einer Wegregeleinrichtung ausgestattet ist, mit einer Regelanordnung, die die Katze unter Berücksichtigung der Schwingungsperiode während eines ersten Teils des von der Katze zurückgelegten Weges derart beschleunigt und während eines letzten Teils dieses Weges derart verzögert, daß die Bewegung der Katze und die Schwingung der Last am Zielort gleich zu Null werden.DE 20 22 745 shows an arrangement for the suppression of pendulum vibrations of a load suspended by means of a rope on the cat of a crane, the drive of which is equipped with a speeding device and a travel control device, with a control arrangement which takes the cat into consideration during the oscillation period of a first part of the path traveled by the cat so accelerated and delayed during a last part of this way so that the movement of the cat and the vibration of the load at the destination are equal to zero.

Aus der DE 321 04 50 ist eine Einrichtung an Hebezeugen für die selbsttätige Steuerung der Bewegung des Lastträgers mit Beruhigung des beim Beschleunigen oder Abbremsen der an ihm hängenden Last auftretenden Pendels der Last während eines Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitintervalles bekannt geworden. Die Grundidee beruht auf dem einfachen mathematischen Pendel. Die Katz- und Lastmasse wird für die Berechnung der Bewegung nicht miteinbezogen. Coulombsche und geschwindigkeitsproportionale Reibung der Katz- oder Brückenantriebe werden nicht berücksichtigt.From DE 321 04 50 a device is known to hoists for the automatic control of the movement of the load carrier with reassurance occurring during acceleration or deceleration of the load hanging on it pendulum of the load during an acceleration or Abbremszeitintervalles. The basic idea is based on the simple mathematical pendulum. The cat and load mass is not included in the calculation of the movement. Coulombic and velocity-proportional friction of the cat or bridge drives are not considered.

Um einen Lastkörper schnellstmöglich vom Standort zum Zielort transportieren zu können, schlägt die DE 322 83 02 vor, die Drehzahl des Antriebsmotors der Laufkatze mittels eines Rechners so zu steuern, daß die Laufkatze und der Lastträger während der Beharrungsfahrt mit gleicher Geschwindigkeit bewegt werden und die Pendeldämpfung in kürzester Zeit erreicht wird. Der aus der DE 322 83 02 bekannte Rechner arbeitet nach einem Rechenprogramm zur Lösung der für das aus Laufkatze und Lastkörper gebildeten ungedämpften Zwei-Massen-Schwingungssystems geltenden Differentialgleichungen, wobei die Coulombsche und geschwindigkeitsproportionale Reibung der Katz- oder Brückenantriebe nicht berücksichtigt werden.In order to transport a load body as quickly as possible from the site to the destination, DE 322 83 02 proposes to control the speed of the drive motor of the trolley by means of a computer so that the trolley and the load carrier are moved during the steady drive at the same speed and the pendulum damping be achieved in no time. The computer known from DE 322 83 02 works according to a computer program for solving the differential equations applicable to the undamped two-mass vibration system formed from trolley and load body, whereby the coulomb and speed-proportional friction of the cat or bridge drives are not taken into account.

Bei dem aus der DE 37 10 492 bekannt gewordenen Verfahren werden die Geschwindigkeit zwischen den Zielorten auf dem Weg derart gewählt, daß nach Zurücklegen der Hälfte des Gesamtweges zwischen Ausgangsort und Zielort der Pendelausschlag stets gleich Null ist.In the method known from DE 37 10 492 the speed between the destinations on the way to be chosen such that after covering half the total distance between the starting point and destination of the pendulum deflection is always equal to zero.

Das aus der DE 39 33 527 bekannt gewordene Verfahren zur Dämpfung von Lastpendelschwingungen umfaßt eine normale Geschwindigkeits-Positionsregelung.The known from DE 39 33 527 method for damping of load oscillations oscillations comprises a normal speed position control.

Die DE 691 19 913 behandelt ein Verfahren zum Steuern der Verstellung einer pendelnden Last, bei der in einem ersten Regelkreis die Abweichung zwischen der theoretischen und der wirklichen Position der Last gebildet wird. Diese wird abgeleitet, mit einem Korrekturfaktor multipliziert und auf die theoretische Position des beweglichen Trägers addiert. In einem zweiten Regelkreis wird die theoretische Position des beweglichen Trägers mit der wirklichen Position verglichen, mit einer Konstanten multipliziert und auf die theoretische Geschwindigkeit des beweglichen Trägers aufaddiert.DE 691 19 913 deals with a method for controlling the adjustment of a swinging load, in which the deviation between the theoretical and the actual position of the load is formed in a first control loop. This is derived, multiplied by a correction factor and added to the theoretical position of the mobile carrier. In a second control loop, the theoretical position of the mobile carrier is compared with the actual position, multiplied by a constant and added to the theoretical speed of the mobile carrier.

Die DE 44 02 563 behandelt ein Verfahren für die Regelung von elektrischen Fahrantrieben von Hebezeugen mit einer an einem Seil hängenden Last, die aufgrund der Dynamik beschreibenden Gleichungen den Soll-Verlauf der Geschwindigkeit der Krankatze generiert und auf einen Geschwindigkeits- und Stromregler gibt. Des weiteren kann die Recheneinrichtung um einen Positionsregler für die Last erweitert werden.DE 44 02 563 deals with a method for the regulation of electric traction drives of hoists with a load suspended from a rope, the equations describing the dynamic behavior of the setpoint course of the speed the trolley generated and gives to a speed and current controller. Furthermore, the computing device can be extended by a position controller for the load.

Die aus der DE 127 80 79, DE 393 35 27 und DE 691 19 913 bekannt gewordenen Regelverfahren benötigen zur Lastpendeldämpfung einen Seilwinkelsensor. In der erweiterten Ausführung gemäß der DE 44 02 563 ist dieser Sensor ebenfalls erforderlich. Da dieser Seilwinkelsensor erhebliche Kosten verursacht, ist es von Vorteil, wenn die Lastpendelung auch ohne diesen Sensor kompensiert werden kann.The well-known from DE 127 80 79, DE 393 35 27 and DE 691 19 913 control method need for load swing damping a cable angle sensor. In the extended version according to DE 44 02 563, this sensor is also required. Since this rope angle sensor causes considerable costs, it is advantageous if the load oscillation can be compensated without this sensor.

Das Verfahren der DE 44 02 563 in der Grundversion erfordert ebenso mindestens die Krankatzengeschwindigkeit. Auch bei der DE 20 22 745 sind für die Lastpendeldämpfung mehrere Sensoren erforderlich. So muß bei der DE 20 22 745 zumindest eine Drehzahl und Positionsmessung der Krankatze vorgenommen werden.The method of DE 44 02 563 in the basic version also requires at least the crane paw speed. Also in DE 20 22 745 several sensors are required for the load oscillation damping. Thus, in DE 20 22 745 at least one speed and position measurement of the trolley must be made.

Auch die DE 37 10 492 benötigt als zusätzlichen Sensor zumindest die Katz- bzw. Brückenposition.DE 37 10 492 requires at least the cat or bridge position as an additional sensor.

Alternativ zu diesem Verfahren schlägt ein anderer Ansatz, der beispielsweise aus der DE 32 10 450 und der DE 322 83 02 bekannt geworden ist, vor, die dem System zugrundeliegenden Differentialgleichungen zu lösen und basierend bierauf eine. Steuerstrategie für das System zu ermitteln, um eine Lastpendelung zu unterdrücken, wobei im Falle der DE 32 10 450 die Seillänge und im Falle der DE 322 83 02 die Seillänge und Lastmasse gemessen wird. Bei diesen Systemen wird jedoch die im Kransystem nicht zu vemachlässigenden Reibungseffekte der Haftreibung und geschwindigkeitsproportionalen Reibung nicht berücksichtigt. Auch die DE 44 02 563 berücksichtigt keine Reibungs- und Dämpfungsterme.As an alternative to this method, another approach, which has become known, for example, from DE 32 10 450 and DE 322 83 02, proposes to solve the differential equations on which the system is based and based on beer. To determine control strategy for the system to suppress a load oscillation, which in the case of DE 32 10 450 the rope length and in the case of DE 322 83 02 the rope length and load mass is measured. In these systems, however, the frictional effects of static friction and velocity-proportional friction, which are not negligible in the crane system, are not taken into account. Also DE 44 02 563 does not take into account friction and damping terms.

Das Dokument "Modeling and control of a rotary crane for swing-free transport of payloads" (von R. Souissi & al, Control Applications, 1992; First IEEE Conference Dayton, USA 13-16 sept. 1992; Seiten 782-787;) zeigt eine Regelung.The document "Modeling and Control of a Rotary Crane for Swing-Free Transport of Payloads" (by R. Souissi & al, Control Applications, 1992; First IEEE Conference Dayton, USA, 13-16 Sept. 1992, pp. 782-787; shows a regulation.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kran oder Bagger zum Umschlagen von einer an einem Lastseil hängenden Last, der die Last zumindest über drei Bewegungsfreiheitsgrade bewegen kann, derart weiterzubilden, daß die während der Bewegung aktiv auftretende Pendelbewegung der Last gedämpft werden kann und die Last so exakt auf einer vorgegebenen Bahn geführt werden kann.The object of the present invention is to develop a crane or excavator for transferring from a load suspended on a load rope, which can move the load at least over three degrees of freedom of movement, such that during the movement actively occurring pendulum movement of the load can be damped and the load can be performed as accurately on a given path.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Kran oder Bagger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Demnach weist der Kran oder Bagger eine computergesteuerte Regelung zur Dämpfung der Lastpendelung auf, die ein Bahnplanungsmodul, eine Zentripetalkraftkompensationseinrichtung und zumindest einen Achsregler für das Drehwerk, einen Achsregler für das Wippwerk und einen Achsregler für das Hubwerk aufweist.According to the invention this object is achieved by a crane or excavator with the features of claim 1. Accordingly, the crane or excavator on a computer-controlled control for damping the load oscillation, which has a Bahnplanungsmodul, a Zentripetalkraftkompensationseinrichtung and at least one axis controller for the slewing, an axle controller for the luffing and an axis controller for the hoist.

Die Bahnsteuerung mit aktiver Dämpfung der Pendelbewegung basiert auf der Grundidee, das dynamische Verhalten des mechanischen und hydraulischen Systems des Krans oder Baggers zunächst in einem dynamischen Modell basierend auf Differentialgleichungen abzubilden. Basierend auf diesem dynamischen Modell kann eine Vorsteuerung entworfen werden, die unter diesen idealisierten Vorstellungen des dynamischen Modells beim Bewegen der Last durch Drehwerk, Wippwerk und Hubwerk Pendelbewegungen unterdrückt und die Last exakt in der vorgegebenen Bahn führt.The path control with active damping of the pendulum motion is based on the basic idea of initially modeling the dynamic behavior of the mechanical and hydraulic system of the crane or excavator in a dynamic model based on differential equations. Based on this dynamic model, a feedforward control can be designed which, under these idealized conceptions of the dynamic model, suppresses oscillations when the load is moved by the slewing gear, luffing gear and hoist and guides the load exactly in the given path.

Voraussetzung für die Vorsteuerung ist zunächst die Erzeugung der Bahn im Arbeitsraum, die vom Bahnplanungsmodul vorgenommen wird. Das Bahnplanungsmodul generiert die Bahn, die in Form der Zeitfunktionen für die Lastposition, -geschwindigkeit, -beschleunigung, des Ruckes und gegebenenfalls der Ableitung des Ruckes an die Vorsteuerung gegeben wird, aus der Vorgabe der Sollgeschwindigkeit proportional zur Auslenkung der Handhebel im Falle eines halbautomatischen Betriebs oder von Sollpunkten im Falle eines vollautomatischen Betriebs.Prerequisite for the precontrol is first the generation of the web in the work space, which is made by the path planning module. The path planning module generates the path, which is given in the form of time functions for the load position, speed, acceleration, jerk and possibly the derivative of the jerk to the feedforward, from the specification of the desired speed proportional to the deflection of the hand lever in the case of semi-automatic operation or from set points in the case of fully automatic operation.

Das besondere Problem bei einem Kran oder Bagger der eingangs genannten Bauart liegt in der Kopplung zwischen der Dreh- und Wippbewegung, die sich insbesondere bei der Ausbildung des Zentripetaleffektes bei der Drehbewegung ergibt. Hierbei entstehen Schwingungen der Last, die nach der Drehung nicht mehr kompensiert werden können. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Effekte in einer in der Regelung vorgesehenen Zentripetalkraftkompensationseinrichtung berücksichtigt.The particular problem with a crane or excavator of the type mentioned is the coupling between the turning and rocking, which results in particular in the formation of the centripetal effect in the rotational movement. This creates vibrations of the load, which no longer after the rotation can be compensated. According to the present invention, these effects are taken into account in a centripetal force compensation device provided in the control.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.Further details and advantages of the invention will become apparent from the subsequent claims to the main claim.

Sollten beispielsweise Schwingungen oder Abweichungen von der Sollbahn trotz der vorhandenen Regelung auftreten, kann das System aus Vorsteuerung und Bahnplanungsmodul bei starken Abweichungen vom idealisierten dynamischen Modell (z.B. durch Störungen wie Windeinflüsse etc.) durch einen Zustandsregler unterstützt werden. Dieser führt dann mindestens eine der Meßgrößen: Pendelwinkel in radialer und tangentialer Richtung, Aufrichtwinkel, Drehwinkel, Auslegerbiegung in horizontaler und vertikaler Richtung sowie deren Ableitung und die Last masse zurück.For example, if vibrations or deviations from the desired trajectory occur despite the existing control, the system of feedforward and trajectory planning module may be assisted by a state controller in the event of large deviations from the idealized dynamic model (e.g., due to disturbances such as wind effects, etc.). This then performs at least one of the measured variables: pendulum angle in the radial and tangential direction, Aufrichtwinkel, rotation angle, boom bending in the horizontal and vertical direction and their derivative and the load mass back.

Vorteilhaft kann es sein, wenn ein dezentrales Steuerungskonzept mit einem räumlich entkoppelten dynamischen Modell zugrundegelegt wird, bei dem jeder einzelnen Bewegungsrichtung ein unabhängiger Steueralgorithmus zugeordnet wird.It may be advantageous if a decentralized control concept is based on a spatially decoupled dynamic model in which an independent control algorithm is assigned to each individual movement direction.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine besonders effiziente und wartungsfreundliche Steuerung für einen Kran oder Bagger der eingangs genannten Art geschaffen.The present invention provides a particularly efficient and easy to maintain control for a crane or excavator of the type mentioned.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Als typischer Vertreter für einen Kran oder Bagger der eingangs genannten Gattung wird die Erfindung hier anhand eines Hafenmobilkranes beschrieben.Further details and advantages of the invention will be explained with reference to an embodiment shown in the drawing. As a typical representative of a crane or excavator of the type mentioned, the invention is described here with reference to a mobile harbor crane.

Es zeigen:

Fig. 1:
Prinzipielle mechanische Struktur eines Hafenmobilkranes
Fig. 2:
Zusammenwirken von hydraulischer Steuerung und Bahnsteuerung
Fig. 3:
Gesamtstruktur der Bahnsteuerung
Fig. 4:
Struktur des Bahnplanungsmoduls
Fig. 5.:
Beispielhafte Bahngenerierung mit dem vollautomatischen Bahnplanungsmodul
Fig. 6:
Struktur des halbautomatischen Bahnplanungsmoduls
Fig. 7:
Struktur des Achsregler im Falle des Drehwerks
Fig. 8:
Mechanischer Aufbau des Drehwerks und Definition von Modellvariablen
Fig. 9:
Struktur des Achsreglers im Falle des Wippwerks
Fig. 10:
Mechanischer Aufbau des Wippwerks und Definition von Modellvariablen
Fig. 11:
Aufrichtkinematik des Wippwerks
Fig. 12:
Struktur des Achsregler im Falle des Hubwerks
Fig. 13:
Struktur des Achsregler im Falle des Lastschwenkwerks
Show it:
Fig. 1:
Basic mechanical structure of a mobile harbor crane
Fig. 2:
Interaction of hydraulic control and path control
3:
Overall structure of the railway control
4:
Structure of the railway planning module
Fig. 5 .:
Exemplary web generation with the fully automatic path planning module
Fig. 6:
Structure of semi-automatic path planning module
Fig. 7:
Structure of the axis controller in the case of the slewing gear
Fig. 8:
Mechanical structure of the slewing gear and definition of model variables
Fig. 9:
Structure of the axis controller in the case of the luffing mechanism
Fig. 10:
Mechanical structure of the luffing gear and definition of model variables
Fig. 11:
Rigging kinematics of the luffing mechanism
Fig. 12:
Structure of the axis controller in the case of the hoist
Fig. 13:
Structure of the axis controller in the case of the load swing mechanism

In Fig. 1. ist die prinzipielle mechanische Struktur eines Hafenmobilkrans dargestellt. Der Hafenmobilkran ist zumeist auf einem Fahrgestell 1 montiert. Zur Positionierung der Last 3 im Arbeitsraum kann der Ausleger 5 mit dem Hydraulikzylinder des Wippwerks 7 um den Winkel ϕ A gekippt werden. Mit dem Hubwerk kann die Seillänge l S variiert werden. Der Turm 11 ermöglicht die Drehung des Auslegers um den Winkel ϕ D um die Hochachse. Mit dem Lastschwenkwerk 9 kann die Last am Zielpunkt um den Winkel ϕ rot gedreht werden.In Fig. 1. The basic mechanical structure of a mobile harbor crane is shown. The mobile harbor crane is usually mounted on a chassis 1. To position the load 3 in the working space of the boom 5 can be tilted with the hydraulic cylinder of the luffing mechanism 7 by the angle φ A. With the hoist, the rope length l S can be varied. The tower 11 allows the rotation of the boom by the angle φ D about the vertical axis. With the load pivot 9, the load at the target point can be rotated by the angle φ red .

Fig. 2 zeigt das Zusammenwirken von hydraulischer Steuerung und Bahnsteuerung 31. In der Regel besitzt der Hafenmobilkran ein hydraulisches Antriebssystem 21. Ein Verbrennungsmotor 23 speist über ein Verteilergetriebe die hydraulischen Steuerkreise. Die hydraulischen Steuerkreise bestehen jeweils aus einer Verstellpumpe 25, die über ein Proportionalventil im Vorsteuerkreis angesteuert wird, und einem Motor 27 oder Zylinder 29 als Arbeitsmaschine. Über das Proportionalventil wird damit lastdruckunabhängig ein Förderstrom Q FD , Q FA , Q FL , Q FR eingestellt. Die Poportionalventile werden über die Signale U StD, U StA, U StL, U StR angesteuert. Die hydraulische Steuerung ist meist mit einer unterlagerten Förderstromregelung ausgestattet. Wesentlich ist dabei, daß die Steuerspannungen u StD , U StA , U StL , U StR an den Proportionalventilen durch die unterlagerte Förderstromregelung in hierzu proportionale Förderströme Q FD , Q FA , Q FL , Q FR im entsprechenden Hydraulikkreislauf umgesetzt werden.Fig. 2 shows the interaction of hydraulic control and path control 31. As a rule, the mobile harbor crane has a hydraulic drive system 21. An internal combustion engine 23 feeds the hydraulic control circuits via a transfer case. The hydraulic control circuits each consist of a variable displacement pump 25, which is controlled via a proportional valve in the pilot circuit, and an engine 27 or cylinder 29 as a working machine. By means of the proportional valve, a delivery flow Q FD , Q FA , Q FL , Q FR is thus set, independent of the load pressure. The Poportionalventile are controlled by the signals U StD, StA U, U StL, U st. The hydraulic control is usually equipped with a subordinate flow control. It is essential that the control voltages u StD , U StA , U StL , U StR are implemented on the proportional valves by the subordinate flow control in this proportional flow rates Q FD , Q FA , Q FL , Q FR in the corresponding hydraulic circuit.

Wesentlich ist nun, daß die Zeitfunktionen für die Steuerspannungen der Proportionalventile nicht mehr direkt aus den Handhebeln beispielsweise über Rampenfunktionen abgeleitet werden, sondern derart in der Bahnsteuerung 31 berechnet werden, daß beim Bewegen des Krans keine Pendelbewegungen der Last auftreten und die Last der gewünschten Bahn im Arbeitsraum folgt.It is essential that the time functions for the control voltages of the proportional valves are no longer derived directly from the hand levers, for example via ramp functions, but are calculated in the path control 31, that when moving the crane no oscillations of the load occur and the load of the desired path in the Working space follows.

Im vollautomatischen Betrieb des Hafenmobilkrans ergibt sich ebenfalls pendelfreier Betrieb.The fully automated operation of the mobile harbor crane also results in pendulum-free operation.

Grundlage hierfür ist ein dynamisches Modell des Krans mit Hilfe dessen basierend auf den Sensordaten mindestens einer der Größen w v ,w h ,l S A D ,̇ϕ̇ rot ,ϕ̇ Stm ,ϕ̇ Srm , und den Führungsvorgaben Ziel oder q Ziel diese Aufgabe gelöst wird.The basis for this is a dynamic model of the crane with the help of this based on the sensor data at least one of the variables w v , w h , l S , φ A , φ D , φφ red , φ Stm , φ̇ Srm , and the guide specifications q̇ target or q Goal this task is solved.

Anhand Fig. 3 wird die Gesamtstruktur der Bahnsteuerung 31 erläutert. Der Bediener 33 gibt entweder über die Handhebel 35 an den Bedienständen oder über eine Sollpunktmatrix 37, die in einer vorherigen Fahrt des Krans im Rechner abgespeichert wurde, die Zielgeschwindigkeiten oder die Zielpunkte vor. Das vollautomatische oder halbautomatische Bahnplanungsmodul 39 oder 41 berechnet unter Berücksichtigung der kinematischen Beschränkungen (max. Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck) des Krans daraus die Zeitfunktionen der Soll-Lastposition bezüglich des Dreh-, Wipp-, Hub- und Lastschwenkwerks sowie deren Ableitungen, die in den Vektoren ϕ Dref , ϕ Aref , l ref , ϕ Rref zusammengefaßt sind. Die Sollpositionsvektoren werden an die Achsregler 43,45,47 und 49 gegeben, die daraus unter Auswertung mindestens einer der Sensorwerte ϕ A , ϕ D , W v , W h , l s , ϕ̇ rot ,ϕ̇ Stn ,ϕ̇ Srm , (siehe Fig. 2) die Ansteuerfunktionen u StD , u StA , u StL , u StR für die Proportionalventile 25 des hydraulischen Antriebssystems 21 berechnen. Im Falle der Drehbewegung wird aus der Führungsvorgabe für das Drehwerk im Modul zur Zentripetalkraftkompensation 150 eine Ausgleichstrajektorie für das Wippwerk generiert, so daß das durch die Zentripetalbeschleunigung verursachte Herauswandem der Last ausgeglichen wird. Um in diesem Fall eine konstante Hubhöhe zu gewährleisten, wird die Ausgleichsbewegung des Wippwerks mit der Hubwerksbewegung synchronisiert. Zugleich wird für den Wippwerkregler eine zulässige Seilauslenkung ϕ SrZul aufgrund der Drehbewegung berechnet.The overall structure of the web control 31 will be explained with reference to FIG. The operator 33 inputs the target speeds or the target points either via the hand levers 35 at the control stations or via a set point matrix 37 which was stored in the computer in a previous trip of the crane. The fully automatic or semi-automatic path planning module 39 or 41 calculates, taking into account the kinematic limitations (maximum speed, acceleration and jerk) of the crane, the time functions of the target load position with respect to the luffing, luffing, lifting and load swinging mechanism and their derivatives, which are in the vectors φ Dref , φ Aref , l ref , φ Rref are summarized. The setpoint position vectors are applied to the axis controllers 43,45,47 and 49, which are then evaluated by evaluating at least one of the sensor values φ A , φ D , W v , W h , l s , φ̇ red , φ̇ Stn , φ̇ Srm , (see 2) calculate the drive functions u StD , u StA , u StL , u StR for the proportional valves 25 of the hydraulic drive system 21. In the case of rotary motion, a compensation trajectory for the luffing gear is generated from the guidance specification for the slewing gear in the module for Zentripetalkraftkompensation 150, so that the caused by the Zentripetalbeschleunigung Auswandem of the load is compensated. In order to ensure a constant lifting height in this case, the compensation movement of the luffing gear is synchronized with the hoist movement. At the same time, a permissible cable deflection φ SrZul due to the rotational movement is calculated for the luffing mechanism controller .

Im weiteren werden nun die einzelnen Komponenten der Bahnsteuerung detailliert beschrieben.In the following, the individual components of the path control will now be described in detail.

Fig. 4 zeigt die Schnittstellen des Bahnplanungsmoduls 39 oder 41. Im Falle des vollautomatischen Bahnplanungsmoduls 39 wird der Zielpositionsvektor für den Lastmittelpunkt in Form der Koordinaten q Ziel =[ϕ DZiel , r LAZiel , l Ziel , ϕ RZiel ]T vorgegeben. ϕ DZiel ist der Solldrehwinkel, r LAziel ist die radiale Zielposition für die Last und l Ziel ist die Zielposition für das Hubwerk bzw. die Hubhöhe. ϕ RZiel ist der Sollwert für den Lastschwenkwerkwinkel. Im Falle des halbautomatischen Bahnplanungsmoduls 41 ist Eingangsgröße der Zielgeschwindigkeitsvektor Ziel =[ϕ̇ DZiel ,ṙ LAZiel ,l̇ Ziel ,ϕ̇ RZiel ] T . Die Komponenten des Zielgeschwindigkeitsvektors sind analog zum Zielpositionsvektor die Zielgeschwindigkeit in Richtung des Drehwerks ϕ̇ DZiel , folgend von der Zielgeschwindigkeit der Last in radialer Richtung LAZiel , die Zielgeschwindigkeit für das Hubwerk i Ziel und die Zieldrehgeschwindigkeit in Richtung des Lastschwenkwerks ϕ̇ RZiel . Im Bahnplanungsmodul 39 oder 41 werden aus diesen vorgegebenen Größen die Zeitfunktionsvektoren für die Lastposition bezüglich der Drehwinkelkoordinate und deren Ableitungen ϕ Dref, für die Lastposition in radialer Richtung und deren Ableitungen r LAref und für die Hubhöhe der Last und deren Ableitungen l ref berechnet. Jeder Vektor umfaßt maximal 5 Komponenten bis zur 4. Ableitung. Im Falle des Drehwerks sind die einzelnen Komponenten:

  • ϕ Dref : Soll - Winkelposition Lastmittelpunkt in Drehrichtung
  • ϕ̇ Dref : Soll - Winkelgeschwindigkeit Lastmittelpunkt in Drehrichtung
  • ϕ̈ Dref : Soll - Winkelbeschleunigung Lastmittelpunkt in Drehrichtung
  • Figure imgb0001
    Soll - Ruck Lastmittelpunkt in Drehrichtung
  • ϕ Dref ( I V ) :
    Figure imgb0002
    Ableitung Soll - Ruck Lastimittelpunkt in Drehrichtung
Fig. 4, the interface shows the path planning module 39 or 41. In the case of the fully automatic path planning module 39, the target position vector for the load center in terms of the coordinate q objective = Dzieł, r LAZiel, l target, φ RZiel] T given. φ DZiel is the target turning angle , r LAziel is the radial target position for the load and l target is the target position for the hoist or lifting height. φ RZiel is the setpoint for the load swivel angle . In the case of semi-automatic path planning module 41, the input variable is the target velocity vector q = target [.phi Dzieł R LAZiel, L Target, .phi RZiel] T. The components of the target speed vector are analogous to the target position vector , the target speed in the direction of the slewing φ̇ DZiel , following the target speed of the load in the radial direction LAZiel , the target speed for the hoist i target and the target rotational speed in the direction of the load pivot φ̇ RZiel . In the path planning module 39 or 41, the time function vectors for the load position with respect to the rotation angle coordinate and its derivatives φ Dref , for the load position in the radial direction and their derivatives r LAref and for the lifting height of the load and their derivatives l ref are calculated from these predetermined variables. Each vector comprises a maximum of 5 components up to the 4th derivative. In the case of the slewing gear, the individual components are:
  • φ Dref : Target - angular position of the load center in the direction of rotation
  • φ̇ Dref : Target angular velocity of the load center in the direction of rotation
  • φ̈ Dref : Target angular acceleration of the load center in the direction of rotation
  • Figure imgb0001
    Target - jerk load center in direction of rotation
  • φ Dref ( I V ) :
    Figure imgb0002
    Derivative reference - jerk load center in direction of rotation

Die Vektoren für die anderen Bewegungsrichtungen sind analog aufgebaut.The vectors for the other directions of movement are constructed analogously.

Fig 5. zeigt beispielhaft die generierten Zeitfunktionen für die Soll-Winkelposition ϕ Dref die radiale Sollposition r LAref , Soll-Geschwindigkeiten ϕ̇ Dref ,ṙ LAref , Soll-Beschleunigungen ϕ̈ Dref ,r̈ Lref und Soll-Ruck

Figure imgb0003
,
Figure imgb0004
aus dem vollautomatischen Bahnplanungsmodul für eine Bewegung mit dem Dreh- und Wippwerk vom Startpunkt ϕ Dstart =0°, r LAstart =10m zum Zielpunkt ϕ DZiel =90°, r LAZiel =20m. Die Zeitfunktionen werden dabei so berechnet, daß keine der vorgegebenen kinematischen Beschränkungen, wie die maximalen Geschwindigkeiten ϕ̇ D max , ṙ LA max , die maximalen Beschleunigungen ϕ̈ D max ,r̈ LA max oder der maximale Ruck
Figure imgb0005
,
Figure imgb0006
überschritten wird. Hierzu wird die Bewegung in drei Phasen eingeteilt. Eine Beschleunigungsphase I, eine Phase konstanter Geschwindigkeit II, die auch entfallen kann, und eine Abbremsphase III. Für die Phasen I und III wird als Zeitfunktion für den Ruck ein Polynom 3. Ordnung angenommen. Als Zeitfunktion für die Phase II wird eine konstante Geschwindigkeit angenommen. Durch Integration der Ruckfunktion werden die fehlenden Zeitfunktionen für die Beschleunigung, Geschwindigkeit und Position errechnet. Die noch freien Koeffizienten in den Zeitfunktionen werden durch die Randbedingungen beim Start der Bewegung, an den Übergangsstellen zur nächsten bzw. vorangegangenen Bewegungsphase bzw. am Zielpunkt sowie die kinematischen Beschränkungen festgelegt, wobei bezüglich jeder Achse alle kinematischen Bedingungen überprüft werden müssen. Im Falle des Beispieles aus Fig. 5 ist in der Phase I und III die kinematische Beschränkung der maximalen Beschleunigung ϕ̈ Dmaxund der Ruck
Figure imgb0007
für die Drehachse limitierend wirksam, in Phase II die maximale Geschwindigkeit des Wippwerks Drehachse LAmax. Die anderen Achsen werden zu der die Bewegung hinsichtlich der Fahrzeit begrenzenden Achse synchronisiert. Die Zeitoptimierung der Bewegung wird dadurch erreicht, daß in einem Optimierungslauf die minimale Gesamtfahrzeit über die Variierung des Anteils der Beschleunigungs- und Abbremsphase an der Gesamtbewegung bestimmt wird.FIG. 5 shows, by way of example, the generated time functions for the desired angular position φ Dref, the radial desired position r LAref , target speeds φ̇ Dref , ṙ LAref , desired accelerations φ̈ Dref , r̈ Lref and set jerk
Figure imgb0003
.
Figure imgb0004
from the fully automatic path planning module for a movement with the luffing and luffing gear from the starting point φ Dstart = 0 °, r LAstart = 10m to the target point φ DZiel = 90 °, r LAZiel = 20m. The time functions are calculated so that none of the predetermined kinematic restrictions, such as the maximum speeds φ̇ D max , ṙ LA max , the maximum accelerations φ̈ D max , r̈ LA max or the maximum jerk
Figure imgb0005
.
Figure imgb0006
is exceeded. For this purpose, the movement is divided into three phases. An acceleration phase I, a phase of constant speed II, which may also be omitted, and a braking phase III. For phases I and III, a third-order polynomial is assumed as the time function for the jerk. As a time function for the phase II a constant speed is assumed. By integrating the jerk function, the missing time functions for the acceleration, speed and position are calculated. The remaining free coefficients in the time functions are determined by the boundary conditions at the start of the movement, at the transition points to the next or previous movement phase or at the target point and the kinematic restrictions, with respect to each axis, all kinematic conditions must be checked. In the case of the example of FIG. 5, in phase I and III, the kinematic limitation of the maximum acceleration φ̈ D max and the jerk
Figure imgb0007
for the axis of rotation limiting effective, in Phase II the maximum speed of the luffing mechanism Rotary axis LA max . The other axes are synchronized to the movement time limiting axis. The time optimization of the movement is achieved by determining the minimum total travel time by varying the proportion of the acceleration and deceleration phase in the overall movement in an optimization run.

Der halbautomatische Bahnplaner besteht aus Steilheitsbegrenzem, die den einzelnen Bewegungsrichtungen zugeordnet sind.The semi-automatic path planner consists of steepness limiters, which are assigned to the individual directions of movement.

Fig. 6 zeigt den Steilheitsbegrenzer 60 für die Drehbewegung. Die Zielgeschwindigkeit der Last 3 vom Handhebel des Bedienstandes ϕ̇ DZiel ist das Eingangssignal. Dies ist zunächst auf den Wertebereich der maximal erreichbaren Geschwindigkeit ϕ̇ D max normiert. Der Steilheitsbegrenzer selbst besteht aus zwei Steilheitsbegrenzerblöcken mit unterschiedlicher Parametrisierung, einem für den Normalbetrieb 61 und einen für den Schnellstop 63, zwischen denen über die Umschaltlogik 67 hin- und hergeschaltet werden kann. Die Zeitfunktionen am Ausgang werden durch Integration 65 gebildet. Der Signalfluß im Steilheitbegrenzer soll nun anhand Fig. 6 erläutert werden.
Im Steilheitsbegrenzerblock für den Normalbetrieb 61 wird zunächst eine Soll-Istwert-Differenz zwischen der Zielgeschwindigkeit ϕ̇ DZiel und der gegenwärtigen Sollgeschwindigkeit ϕ̇ Dref gebildet. Die Differenz wird mit der Konstanten K S1 (Block 613) verstärkt und ergibt die Zielbeschleunigung ϕ̈ DZiel . Ein nachgeschaltetes Begrenzungsglied 69 begrenzt den Wert auf die maximale Beschleunigung ±ϕ̈ Dmax . Um das dynamische Verhalten zu verbessern, wird bei Bildung der Soll-Ist-Wert-Differenz zwischen Zielgeschwindigkeit und derzeitiger Soll-Geschwindigkeit berücksichtigt, daß durch die Ruckbegrenzung ±

Figure imgb0008
bei der derzeitigen Soll-Beschleunigung ϕ̈ Dref nur die maximale Geschwindigkeitsänderung Δ ϕ ˙ D max = ϕ ¨ Dref | ϕ ¨ Dref | 2 ϕ D max
Figure imgb0009

erreichbar ist, die im Block 611 berechnet wird. Deshalb wird dieser Wert auf die aktuelle Soll-Geschwindigkeit ϕ̇ Dref addiert, wodurch die Dynamik des Gesamtsystems verbessert wird. Hinter dem Begrenzungsglied 69 liegt dann die Zielbeschleunigung ϕ̈ DZiel vor. Mit der gegenwärtigen Sollbeschleunigung ϕ̈ Dref wird wiederum eine Soll-Ist-Wert-Differenz gebildet Im Kennlinienblock 615 wird daraus der Soll-Ruck
Figure imgb0010
gemäß ϕ Dref = { + ϕ D max für ϕ ¨ DZiel ϕ ¨ Dref > 0 0 für ϕ ¨ DZiel ϕ ¨ Dref = 0 ϕ D max für ϕ ¨ DZiel ϕ ¨ Dref < 0
Figure imgb0011

gebildet. Durch Filterung wird der blockförmige Verlauf dieser Funktion abgeschwächt. Aus der nun berechneten Sollruckfunktion
Figure imgb0012
werden durch Integration im Block 65 die Soll-Beschleunigung ϕ̈ Dref , die Soll-Geschwindigkeit ϕ̇ Dref und die Soll-Position ϕ Dref bestimmt. Die Ableitung des Soll-Ruckes wird durch Differentiation im Block 65 und gleichzeitige Filterung aus dem Soll-Ruck
Figure imgb0013
bestimmt. Im Normalbetrieb werden die kinematischen Beschränkungen ϕ̈ Dmax und
Figure imgb0014
sowie die Proportionalverstärkung K S1 so vorgegeben, daß sich für Kranfahrer ein subjektiv angenehmes und sanftes dynamisches Verhalten ergibt. Dies bedeutet, daß maximaler Ruck und Beschleunigung etwas niedriger angesetzt werden, als es das mechanische System erlauben würde. Jedoch ist insbesondere bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten der Nachlauf des Systems hoch. D.h. gibt der Bediener aus voller Geschwindigkeit die Zielgeschwindigkeit 0 vor, so benötigt die Last einige Sekunden bis sie zum Stillstand kommt. Da derartige Vorgaben insbesondere in Notsituation mit drohender Kollision gemacht werden, wird deshalb ein zweiter Betriebsmodus eingeführt, der einen Schnellstop des Krans vorsieht. Hierzu wird dem Steilheitsbegrenzerblock für den Nomialbetrieb 61 ein zweiter Steilheitsbegrenzerblock 63 parallelgeschaltet, der strukturell einen identischen Aufbau hat. Jedoch werden die Parameter, die den Nachlauf bestimmen, bis zur mechanischen Belastbarkeitsgrenze des Krans erhöht. Deshalb ist dieser Block mit der maximalen Schnellstopbeschleunigung ϕ̈ Dmax2 und dem maximalen Schnellstopruck
Figure imgb0015
sowie die Schnellstop-Proportionalverstärkung K S2 parametrisiert. Zwischen den beiden Steilheitsbegrenzem wird über eine Umschaltlogik 67 hin- und hergeschaltet, die aus dem Handhebelsignal, den Notstop identifiziert. Ausgang des Schnellstop-Steilheitsbegrenzer 63 ist wie beim Steilheitsbegrenzer für den Nor malbeitreb der Soll-Ruck
Figure imgb0016
. Die Berechnung der anderen Zeitfunktionen erfolgt auf gleiche Art und Weise wie beim Normalbetrieb im Block 65.Fig. 6 shows the transconductance limiter 60 for the rotational movement. The target speed of the load 3 by the hand lever of the operating state of .phi Dzieł is the input signal. This is first normalized to the value range of the maximum achievable speed φ̇ D max . The slope limiter itself consists of two limiter boundary blocks with different parameterization, one for the normal operation 61 and one for the quick stop 63, between which can be switched back and forth via the switching logic 67. The time functions at the output are formed by integration 65. The signal flow in the slope limiter will now be explained with reference to FIG.
In the slope limiter block for normal operation 61, a setpoint-actual value difference between the target speed φ̇ DZiel and the current setpoint speed φ̇ Dref is first formed. The difference is amplified by the constant K S1 (block 613) and gives the target acceleration φ̈ D target . A downstream limiting element 69 limits the value to the maximum acceleration ± φ̈ D max . In order to improve the dynamic behavior, it is taken into account in the formation of the desired-actual value difference between the target speed and the current setpoint speed that the jerk limitation ±
Figure imgb0008
at the current target acceleration φ̈ Dref only the maximum speed change Δ φ ˙ D Max = φ ¨ Dref | φ ¨ Dref | 2 φ D Max
Figure imgb0009

reached, which is calculated in block 611. Therefore, this value is added to the current target speed φ̇ Dref , thereby improving the dynamics of the entire system. Behind the limiting member 69 is then the target acceleration φ̈ DZiel ago . With the current setpoint acceleration φ̈ Dref , in turn, a setpoint-actual-value difference is formed. In the characteristic block 615, this results in the setpoint jerk
Figure imgb0010
according to φ Dref = { + φ D Max For φ ¨ Dzieł - φ ¨ Dref > 0 0 For φ ¨ Dzieł - φ ¨ Dref = 0 - φ D Max For φ ¨ Dzieł - φ ¨ Dref < 0
Figure imgb0011

educated. By filtering, the block-shaped course of this function is weakened. From the calculated nominal pressure function
Figure imgb0012
By integration in block 65, the target acceleration φ̈ Dref , the target speed φ̇ Dref and the target position φ Dref are determined. The derivative of the target jerk is by differentiation in block 65 and simultaneous filtering from the target jerk
Figure imgb0013
certainly. In normal operation, the kinematic constraints .phi..sub.D max and
Figure imgb0014
and the proportional gain K S1 predetermined so that results in a subjectively pleasant and gentle dynamic behavior for crane operators. This means that maximum jerk and acceleration are set slightly lower than the mechanical system would allow. However, especially at high speeds, the wake of the system is high. This means that the operator sets the target speed 0 at full speed, so the load takes a few seconds to come to a standstill. Since such specifications are made especially in an emergency situation with imminent collision, therefore, a second operating mode is introduced, which provides a quick stop of the crane. For this For example, a second transconductance limiter block 63, structurally identical in construction, is connected in parallel with the transconductance limiter block for the nominal operation 61. However, the parameters that determine the caster are increased up to the mechanical load limit of the crane. Therefore this block with the maximum rapid stop acceleration φ̈ D max2 and the maximum quick stop pressure is
Figure imgb0015
and the rapid stop proportional gain K S2 are parameterized. Between the two transconductance limiter is switched back and forth via a switching logic 67, which identifies the emergency stop from the hand lever signal. Output of the quick-stop Steibheitsbegrenzer 63 is like the slope limiter for the Nor malbeitreb the target jerk
Figure imgb0016
, The calculation of the other time functions takes place in the same way as in normal operation in block 65.

Damit stehen am Ausgang des halbautomatischen Bahnplaners ebenso wie beim vollautomatischen Bahnplaner die Zeitfunktionen für die Sollposition der Last in Drehrichtung und deren Ableitung unter Berücksichtigung der kinematischen Beschränkungen zur Verfügung.Thus, at the exit of the semi-automatic path planner as well as the fully automatic path planner, the time functions for the setpoint position of the load in the direction of rotation and its derivation are available taking into account the kinematic restrictions.

Alternativ zu diesem vorgestellten Steilheitsbegrenzer kann auch eine Struktur verwendet werden, bei der das Geschwindigkeitssollsignal, begrenzt auf die Maximalgeschwindigkeit in der Steilheit der Anstiegs- und Abfallsflanke im Block (691) auf einen definierten Wert, der der maximalen Beschleunigung entspricht, begrenzt wird (Fig. 6aa). Dieses Signal wird anschließend differenziert und gefiltert. Ergebnis ist die Soll-Beschleunigung ϕ̈ Dref . Zur Berechnung der Soll-Geschwindigkeit ϕ̇ Dref und Soll-Position ϕ Dref wird dieses Signal integriert, für die Berechnung von

Figure imgb0017
nochmals real differenziert.As an alternative to this steepness limiter, it is also possible to use a structure in which the speed setpoint signal, limited to the maximum speed in the steepness of the rising and falling edge in block (691), is limited to a defined value corresponding to the maximum acceleration (FIG. 6 aa). This signal is then differentiated and filtered. The result is the desired acceleration φ̈ Dref . To calculate the setpoint speed φ̇ Dref and setpoint position φ Dref , this signal is integrated, for the calculation of
Figure imgb0017
again differentiated in real terms.

Der Steilheitsbegrenzer aus dem halbautomatischen Bahnplaner kann auch für den vollautomatischen Bahnplaner verwendet werden (Fig. 6a). Dies ist deshalb von Vorteil, da insbesondere bei der Bewegung in radialer Richtung die kinematischen Begrenzungen vom Aufrichtwinkel abhängig sind. Deshalb werden in einem Block positionsabhängig von der Auslegerposition über die Kinematik des Wippwerks (siehe auch Fig. 11) die kinematischen Beschränkungen LAmax und LAmax berechnet und die Begrenzungen nachgeführt (Block 617). Dadurch wird die Fahrzeit verkürzt. Zudem kann für den vollautomatischen Betrieb eine Erweiterung eingeführt werden (Block 621). Neue Eingangsgröße ist anstatt der Zielgeschwindigkeit die Zielposition. Vorteilhaft ist dabei, dass in der Erweiterung 621 beim Soll-Ist-Vergleich zwischen der Zielposition r Ziel und der Soll-Position r LAref alternativ auch der Soll-Ist-Vergleich zwischen Zielposition r Ziel und gemessener Ist-Position r LA berechnet und als Eingangsgröße für den Steilheitsbegrenzer 60 verwendet werden kann. Dadurch können in dieser zusätzlichen Regelschleife Positionsfehler eliminiert werden. Da die Bewegungen zwischen den einzelnen Bewegungsrichtungen jedoch nicht mehr synchronisiert werden, wird ein Synchronisationsmodul (623) eingeführt (Fig. 6b), das über Proportionalitätsfaktoren p D , p r , p L die maximalen Geschwindigkeiten so anpaßt, daß sich eine synchrone lineare Bewegung ergibt.The slope limiter from the semi-automatic path planner can also be used for the fully automated path planner (Figure 6a). This is advantageous since, in particular during the movement in the radial direction, the kinematic limitations are dependent on the erection angle. Therefore, in a block depending on the position of the boom position on the kinematics of the luffing gear (See also FIG. 11) calculates the kinematic constraints LA max and LA max and tracks the limits (block 617). This will shorten the journey time. In addition, an extension can be introduced for fully automatic operation (block 621). New input is the target position instead of the target speed. It is advantageous that in the extension 621 in the target-actual comparison between the target position r target and the target position r LAref alternatively also the target-actual comparison between target position r target and measured actual position r LA calculated and as input can be used for the slope limiter 60. As a result, position errors can be eliminated in this additional control loop. However, since the movements between the individual directions of movement are no longer synchronized, a synchronization module (623) is introduced (FIG. 6b) which adjusts the maximum speeds via proportionality factors p D , p r , p L in such a way that a synchronous linear movement results ,

Hierzu wird aus Start- und Zielpunkt ein Ortsvektor berechnet, der die Richtung für die gewünschte Bewegung angibt. Die Last wird sich genau dann stets auf dieser Bahn in Richtung des Ortsvektors bewegen, wenn stets der aktuelle Geschwindigkeitsrichtungsvektor in die gleiche Richtung zeigt, wie der Ortsvektor. Der aktuelle Geschwindigkeitsvektor wird jedoch über die Proportionalitätsfaktoren p D , p r , p L beeinflusst; d.h. über gezielte Veränderung dieser Proportionalitätsfaktoren wird die Synchronisationsaufgabe gelöst.For this purpose, a position vector is calculated from the start and end point, which indicates the direction for the desired movement. The load will always move on this orbit in the direction of the location vector if and only if the current velocity direction vector always points in the same direction as the position vector. However, the current velocity vector is influenced by the proportionality factors p D , p r , p L ; that is, by targeted modification of these proportionality factors, the synchronization task is solved.

Die Zeitfunktionen werden auf die Achsregler gegeben. Zunächst soll die Struktur des Achsregiers für das Drehwerk anhand Fig. 7 erläutert werden.The time functions are given to the axis controllers. First, the structure of the Achsregiers for the slewing with reference to FIG. 7 will be explained.

Die Ausgangsfunktionen des Bahnplanungsmoduls in Form der Sollposition der Last in Drehrichtung sowie deren Ableitungen (Geschwindigkeit, Beschleunigung. Ruck, und Ableitung des Ruckes) werden auf den Vorsteuerungsblock 71 gegeben. Im Vorsteuerungsblock werden diese Funktionen so verstärkt, daß sich resultierend ein bahngenaues Fahren der Last hinsichtlich des Drehwinkels ohne Schwingungen unter den idealisierten Voraussetzungen des dynamischen Modells ergibt.The output functions of the path planning module in the form of the target position of the load in the direction of rotation and their derivatives (speed, acceleration, jerk, and derivative of the jerk) are given to the pre-control block 71. In the pre-control block, these functions are so amplified that results in a web-accurate driving the load with respect to the rotation angle without vibrations under the idealized conditions of the dynamic model.

Grundlage für die Bestimmung der Vorsteuerungsverstärkungen ist das dynamische Modell, das in den folgenden Abschnitten für die Drehbewegung hergeleitet wird. Damit ist unter diesen idealisierten Voraussetzungen das Pendeln der Last unterdrückt und die Last folgt der generierten Bahn.The basis for determining the feedforward gains is the dynamic model derived in the following sections for rotary motion. Thus, under these idealized conditions, the pendulum of the load is suppressed and the load follows the generated path.

Da jedoch Störungen wie Windeinflüsse an der Kranlast angreifen können und das idealisierte Modell die real vorhandenen dynamischen Verhältnisse nur in Teilaspekten wiedergeben kann, kann optional die Vorsteuerung um einen Zustandsreglerblock 73 ergänzt werden. In diesem Block wird mindestens eine der Meßgrößen Drehwinkel ϕ D , Drehwinkelgeschwindigkeit ϕ̇ D , Biegung des Auslegers in horizontaler Richtung (Drehrichtung) W h , Ableitung der Biegung h , Seilwinkel ϕ St oder die Seilwinkeigeschwindigkeit ϕ̇ St verstärkt und wieder auf den Stelleingang zurückgeführt. Die Ableitungen der Meßgrößen ϕ D und w h wird numerisch in der Mikroprozessorsteuerung gebildet. Der Seilwinkel kann beispielsweise über ein Gyroskopsensor, einen Beschleunigungssensor am Lasthaken, über einen Hallmeßrahmen, ein Bildverarbeitungssystem oder die Dehnmeßstreifen am Ausleger erfaßt werden. Da jeder dieser Meßmethoden den Seilwinkel nicht direkt ermittelt, wird in einem Störbeobachtermodul (Block 77) das Meßsignal aufbereitet. Am Beispiel der Meßsignalaufbereitung für das Meßsignal eines Gyroskopes am Lasthaken wird dies beispielhaft erläutert. Im Störbeobachter wird hierzu der relevante Teil des dynamischen Modells abgelegt und durch Vergleich der gemessenen Größen mit dem errechneten Wert aus dem idealisierten Modell Schätzgrößen für die Meßgröße und deren Störanteile gebildet, so daß danach eine störungskompensierte Meßgröße rekonstruiert werden kann.However, since disturbances such as wind influences on the crane load can attack and the idealized model can only reflect the real existing dynamic conditions in partial aspects, optionally the feedforward control can be supplemented by a conditioner control block 73. In this block, at least one of the measured quantities rotational angle φ D , rotational angular velocity φ̇ D , bending of the cantilever in the horizontal direction (direction of rotation) W h , derivative of the bend h , rope angle φ St or the Seilwinkeigeschwindigkeit φ̇ St amplified and returned to the control input. The derivatives of the measured quantities φ D and w h are formed numerically in the microprocessor control. The cable angle can be detected, for example, via a gyroscopic sensor, an acceleration sensor on the load hook, a Hallmeßrahmen, an image processing system or the strain gauges on the boom. Since each of these measurement methods does not directly determine the rope angle, the measurement signal is processed in a disturbance observer module (block 77). The example of the Meßsignalaufbereitung for the measurement signal of a gyroscope on the load hook this is exemplified. In the interference observer, the relevant part of the dynamic model is stored for this purpose and, by comparing the measured variables with the calculated value from the idealized model, estimation variables for the measured variable and their interference components are formed, so that thereafter a noise-compensated measured variable can be reconstructed.

Da die hydraulischen Antriebsaggregate durch nichtlineare dynamische Eigenschaften (Hysterese, Totgang) gekennzeichnet sind, wird der nun aus Vorsteuerung und optional Zustandsreglerausgang gebildete Wert für den Stelleingang U Dref im Block Hydraulikkompensation 75 so verändert, daß sich resultierend lineares Verhalten des Gesamtsystems annehmen läßt. Ausgang des Blocks 75 (Hydraulikkompensation) ist die korrigierte Stellgröße U StD . Dieser Wert wird dann auf das Proportionalventil des Hydraulikkreislaufes für das Drehwerk gegeben.Since the hydraulic drive units are characterized by non-linear dynamic properties (hysteresis, backlash), the value formed for the actuating input U Dref in the hydraulic compensation 75 block from the precontrol and optional state controller output is changed so that the resulting linear behavior of the overall system can be assumed. Output of block 75 (hydraulic compensation) is the corrected manipulated variable U StD . This value is then applied to the proportional valve of the hydraulic circuit for the slewing gear.

Zur detaillierten Erläuterung der Vorgehensweise soll nun die Herleitung des dynamischen Modells für die Drehachse dienen, die Grundlage für die Berechnung der Vorsteuerungsverstärkungen des Zustandsreglers und des Störbeobachters ist.For a detailed explanation of the procedure is now the derivation of the dynamic model for the axis of rotation serve, which is the basis for the calculation of the Vorsteuerungsverstärkungen of the state controller and the Störbeobachter.

Hierzu gibt Fig. 8 Erläuterungen zur Definition der Modellvariablen. Wesentlich ist dabei der dort gezeigte Zusammenhang zwischen der Drehposition ϕ D des Kranturmes und der Lastposition ϕ LD in Drehrichtung. Im weiteren wird der Ausleger als starr angenommen und damit die Biegung w h des Auslegers vernachlässigt. Es stellt jedoch keine großen Anforderungen dar, diese in den Modellansatz zu integrieren. Dadurch erhöht sich jedoch die Systemordnung und die Herleitung wird komplexer. Die um den Pendelwinkel korrigierte Lastdrehwinkelposition berechnet sich dann zu ϕ L D = ϕ D + l S l A cos ϕ A sin ϕ S t

Figure imgb0018

ls ist dabei die resultierende Seillänge vom Auslegerkopf bis zum Lastmittelpunkt. ϕ A ist der aktuelle Aufrichtwinkel des Wippwerks, l A ist die Länge des Auslegers, ϕ St ist der aktuelle Seilwinkel in tangentialer Richtung.
Das dynamische System für die Bewegung der Last in Drehrichtung kann durch die folgenden Differentialgleichungen beschrieben werden. [ J T + ( J A Z + m A s A 2 + m L l A 2 ) cos 2 ϕ A ] ϕ ¨ D + m L l A l s cos ϕ A ϕ ¨ s t + b D ϕ ˙ D = M M D M R D m L l A l s cos ϕ A ϕ ¨ D + m L l s 2 ϕ ¨ s t + m L g l s ϕ s t = 0
Figure imgb0019
For this purpose, FIG. 8 gives explanations of the definition of the model variables. Essential here is the relationship shown there between the rotational position φ D of the crane tower and the load position φ LD in the direction of rotation. Furthermore, the boom is assumed to be rigid and thus neglects the bending w h of the boom. However, there are no great requirements to integrate them into the model approach. However, this increases the system order and the derivation becomes more complex. The load rotation angle position corrected by the pendulum angle is then calculated to φ L D = φ D + l S l A cos φ A sin φ S t
Figure imgb0018

l s is the resulting rope length from the boom head to the load center. φ A is the current upright angle of the luffing gear, l A is the length of the boom, φ St is the current rope angle in the tangential direction.
The dynamic system for the movement of the load in the direction of rotation can be described by the following differential equations. [ J T + ( J A Z + m A s A 2 + m L l A 2 ) cos 2 φ A ] φ ¨ D + m L l A l s cos φ A φ ¨ s t + b D φ ˙ D = M M D - M R D m L l A l s cos φ A φ ¨ D + m L l s 2 φ ¨ s t + m L G l s φ s t = 0
Figure imgb0019

Bezeichnungen:

m L
Lastmasse
l s
Seillänge
m A
Masse des Auslegers
J AZ
Massenträgheitsmoment des Auslegers bezüglich Schwerpunkt bei Drehung um Hochachse
l A
Länge des Auslegers
S A
Schwerpunktsabstand des Auslegers
J T
Massenträgheitsmoment des Turmes
b D
viskose Dämpfung im Antrieb
M MD
Antriebsmoment
M RD
Reibmoment
designations:
m L
load mass
l s
cable length
m A
Mass of the jib
J AZ
Mass moment of inertia of the boom with respect to the center of gravity when rotating about the vertical axis
l A
Length of the boom
S A
Center of gravity of the jib
J T
Mass moment of inertia of the tower
b D
viscous damping in the drive
M MD
drive torque
M RD
friction

Die erste Gleichung von (4) beschreibt im wesentlichen die Bewegungsgleichung für den Kranturm mit Ausleger, wobei die Rückwirkung durch die Lastpendelung berücksichtigt wird. Die zweite Gleichung von (4) ist die Bewegungsgleichung, welche die Lastpendelung um den Winkel ϕ St beschreibt, wobei die Anregung der Lastpendelung durch die Drehung des Turmes über die Winkelbeschleunigung des Turmes oder eine äußere Störung, ausgedrückt durch Anfangsbedingungen für diese Differentialgleichungen, verursacht wird.The first equation of (4) essentially describes the equation of motion for the cantilever crane tower, taking into account the feedback due to the load oscillation. The second equation of (4) is the equation of motion which describes the load oscillation by the angle φ St , the excitation of the load oscillation caused by the rotation of the tower over the angular acceleration of the tower or an external disturbance expressed by initial conditions for these differential equations ,

Der hydraulische Antrieb wird durch die folgenden Gleichungen beschrieben. M M D = i D V 2 π Δ p D

Figure imgb0020
Δ p D = 1 V β ( Q F D i D V 2 π ϕ ˙ D )
Figure imgb0021
Q F D = K P D u S t D
Figure imgb0022
The hydraulic drive is described by the following equations. M M D = i D V 2 π Δ p D
Figure imgb0020
Δ p D = 1 V β ( Q F D - i D V 2 π φ ˙ D )
Figure imgb0021
Q F D = K P D u S t D
Figure imgb0022

i D ist das Übersetzungsverhältnis zwischen Motordrehzahl und Drehgeschwindigkeit des Turms, V ist das Schluckvolumen der Hydraulikmotoren, Δp D ist der Druckabfall über dem hydraulischen Antriebsmotor, β ist die Ölkompressibilität, Q FD ist der Förderstrom im Hydraulikkreis für das Drehen und K PD ist die Proportionalitätskonstante, die den Zusammenhang zwischen Förderstrom und Ansteuerspannung des Proportionalventils angibt. Dynamische Effekte der unterlagerten Förderstromregelung werden vernachlässigt. i D is the gear ratio between engine speed and tower rotation speed, V is the displacement of the hydraulic motors, Δ p D is the pressure drop across the hydraulic drive motor, β is the oil compressibility, Q FD is the flow in the hydraulic circuit for turning and K PD is the Proportionality constant, the relationship between the flow rate and drive voltage indicates the proportional valve. Dynamic effects of subordinate flow control are neglected.

Die Gleichungen können nun in Zustandsraumdarstellung (siehe auch O. Föllinger Regelungstechnik, 7. Aufl., Hüthig Verlag, Heidelberg, 1992) transformiert werden. Es ergibt sich die folgende Zustandsraumdarstellung des Systems.The equations can now be transformed into state space representation (see also O. Föllinger Regelungstechnik, 7th ed., Hüthig Verlag, Heidelberg, 1992). The result is the following state space representation of the system.

Zustandsraumdarstellung: x ˙ D = A D x D + B D u D y D = C D x D

Figure imgb0023

mit:State space representation: x ˙ ~ D = A ~ D x ~ D + B ~ D u ~ D y ~ D = C ~ D x ~ D
Figure imgb0023

With:

Zustandsvektor: x D = [ ϕ D ϕ ˙ D ϕ S t ϕ ˙ S t ]

Figure imgb0024
State vector: x ~ D = [ φ D φ ˙ D φ S t φ ˙ S t ]
Figure imgb0024

Steuergröße: u D = u S t D

Figure imgb0025
Tax Size: u D = u S t D
Figure imgb0025

Ausgangsgröße: y D = ϕ L D

Figure imgb0026
Output: y D = φ L D
Figure imgb0026

Systemmatrix: A D = [ 0 1 0 0 0 c e a e b 2 f b a e b 2 0 0 0 0 1 0 c b a e b 2 a f a e b 2 0 ]

Figure imgb0027
a = J T + ( J A Z + m A S A 2 + m L l A 2 ) cos ( ϕ A ) 2
Figure imgb0028
b = m L l A l S cos ( ϕ A )
Figure imgb0029
c = b D + 1 4 i D 2 V π 2 β
Figure imgb0030
d = 1 2 i D K P D π β
Figure imgb0031
e = m L l S 2
Figure imgb0032
f = m L g l S
Figure imgb0033
Matrix: A ~ D = [ 0 1 0 0 0 - c e a e - b 2 f b a e - b 2 0 0 0 0 1 0 c b a e - b 2 - a f a e - b 2 0 ]
Figure imgb0027
a = J T + ( J A Z + m A S A 2 + m L l A 2 ) cos ( φ A ) 2
Figure imgb0028
b = m L l A l S cos ( φ A )
Figure imgb0029
c = b D + 1 4 i D 2 V π 2 β
Figure imgb0030
d = 1 2 i D K P D π β
Figure imgb0031
e = m L l S 2
Figure imgb0032
f = m L G l S
Figure imgb0033

Steuervektor: B D = [ 0 d e a e b 2 0 b d a e b 2 ]

Figure imgb0034
Control vector: B ~ D = [ 0 d e a e - b 2 0 - b d a e - b 2 ]
Figure imgb0034

Ausgangsvektor: C D = [ 1 0 l S cos ( ϕ A ) l A 0 ]

Figure imgb0035
Output vector: C ~ D = [ 1 0 l S cos ( φ A ) l A 0 ]
Figure imgb0035

Das dynamische Modell des Drehwerks wird als parameterveränderliches System bezüglich der Seillänge l S , des Aufrichtwinkels ϕ A , der Lastmasse m L aufgefaßt.The dynamic model of the slewing gear is conceived as a parameter-variable system with regard to the cable length l S , the righting angle φ A , the load mass m L.

Die Gleichungen (6) bis (12) sind Grundlage für den nun beschriebenen Entwurf der Vorsteuerung 71, des Zustandsreglers 73 und des Störbeobachters 77.Equations (6) to (12) are the basis for the now described design of the feedforward control 71, the state controller 73 and the disturbance observer 77.

Eingangsgrößen des Vorsteuerungsblock 71 sind die Soll-Winkelposition ϕ Dref , die Soll-Winkelgeschwindigkeit ϕ̇ Dref , die Soll-Winkelbeschleunigung ϕ̈ Dref , der Soll-Ruck

Figure imgb0036
und ggf. die Ableitung des Soll-Rucks ϕ (4) Dref· Der Führungsgrößenvektor W D ist damit w D = [ ϕ Dref ϕ ˙ Dref ϕ ¨ Dref ϕ Dref ϕ Dref ( I V ) ]
Figure imgb0037
Input variables of the pilot control block 71 are the desired angular position φ Dref , the target angular velocity φ̇ Dref , the target angular acceleration φ̈ Dref , the target jerk
Figure imgb0036
and if necessary, the derivative of the desired jerk φ (4) Dref · The reference variable vector W D is with it w ~ D = [ φ Dref φ ˙ Dref φ ¨ Dref φ Dref φ Dref ( I V ) ]
Figure imgb0037

Im Vorsteuerungsblock 71 werden die Komponenten von W D mit den Vorsteuerungsverstärkungen K VD0 bis K VD4 gewichtet und deren Summe auf den Stelleingang gegeben. Im Falle, daß der Achsregler für die Drehachse keinen Zustandsreglerblock 73 umfaßt, ist dann die Größe U Dvorst aus dem Vorsteuerungsblock gleich der Referenzansteuerspannung u dref , die nach Kompensation der Hydraulik-Nichtlinearität als Ansteuerspannung U StD auf das Proportionalventil gegeben wird. Die Zustandsraumdarstellung (6) erweitert sich dadurch zu x ˙ D = A D x D + B D S D w D y D = C D x D

Figure imgb0038

mit der Vorsteuerungsmatrix S D = [ K VD 0 K VD 1 K VD 2 K VD 3 K VD 4 ]
Figure imgb0039
In pre-control block 71, the components of W D are weighted with feedforward gains K VD0 to K VD4 and their sum is given to the set input. In the event that the axis controller for the rotation axis does not include a state controller block 73, then the size U Dvorst from the feedforward block is equal to the reference drive voltage u dref , which is given after compensation of the hydraulic non-linearity as drive voltage U StD on the proportional valve. The state space representation (6) is thereby expanded x ˙ ~ D = A ~ D x ~ D + B ~ D S ~ D w ~ D y ~ D = C ~ D x ~ D
Figure imgb0038

with the feedforward matrix S ~ D = [ K VD 0 K VD 1 K VD 2 K VD 3 K VD 4 ]
Figure imgb0039

Wird die Matrizengleichung (14) ausgewertet, so kann sie als algebraische Gleichung für den Vorsteuerungsblock geschrieben werden, wobei U Dvorst die unkorrigierte Sollansteuerspannung für das Proportionalventil basierend auf dem idealisierten Modell ist. u Dvorst = K VD 0 ϕ Dref + K VD 1 ϕ ˙ Dref + K VD 2 ϕ ¨ Dref + K VD 3 ϕ Dref + K VD 4 ϕ Dref ( I V )

Figure imgb0040
When the die equation (14) is evaluated, it may be written as an algebraic equation for the feedforward block , where U Dvorst is the uncorrected target drive voltage for the proportional valve based on the idealized model. u Dvorst = K VD 0 φ Dref + K VD 1 φ ˙ Dref + K VD 2 φ ¨ Dref + K VD 3 φ Dref + K VD 4 φ Dref ( I V )
Figure imgb0040

Die K VD0 bis K VD4 sind die Vorsteuerungsverstärkungen die in Abhängigkeit des aktuellen Aufrichtwinkels ϕ A , der Seillänge l s und der Lastmasse m L berechnet werden, so daß die Last ohne Schwingungen bahngenau der Solltrajektorie folgt.The K VD0 to K VD4 are the Vorsteuerungsverstärkungen which are calculated as a function of the current Aufrichtwinkels φ A , the rope length l s and the load mass m L , so that the load without vibrations track exactly the desired trajectory.

Die Vorsteuerungsverstärkungen K VD0 bis K VD4 werden wie folgt berechnet. Bezüglich der Regelgröße Winkelposition der Last ϕ LD läßt sich die Übertragungsfunktion ohne Vorsteuerungsblock wie folgt aus den Zustandsgleichungen (6) bis (12) gemäß dem Zusammenhang G ( s ) = ϕ L D ( s ) u Dvorst ( s ) = C D ( s I A D ) 1 B D

Figure imgb0041

angeben. Nun muß der Vorsteuerungsblock bei der Übertragungsfunktion berücksichtigt werden. Dadurch wird aus (17): G V D ( s ) = ϕ L D ϕ Dref = G ( s ) ( K VD 0 + K VD 1 s + K VD 2 s 2 + K VD 3 s 3 + K VD 4 s 4 )
Figure imgb0042
The feedforward gains K VD0 to K VD4 are calculated as follows. With regard to the controlled variable angular position of the load φ LD can be the transfer function without pre-control block as follows from the equations of state (6) to (12) according to the context G ( s ) = φ L D ( s ) u Dvorst ( s ) = C ~ D ( s I ~ - A ~ D ) - 1 B ~ D
Figure imgb0041

specify. Now the feedforward block must be considered in the transfer function. This turns (17): G V D ( s ) = φ L D φ Dref = G ( s ) ( K VD 0 + K VD 1 s + K VD 2 s 2 + K VD 3 s 3 + K VD 4 s 4 )
Figure imgb0042

Dieser Ausdruck hat nach Ausmultiplizieren die folgende Struktur: ϕ L D ϕ Dref = b 2 ( K VD i ) s 2 + b 1 ( K VD i ) s + b 0 ( K VD i ) a 2 s 2 + a 1 s + a 0 .

Figure imgb0043
This expression has the following structure after being multiplied: φ L D φ Dref = ... b 2 ( K VD i ) s 2 + b 1 ( K VD i ) s + b 0 ( K VD i ) ... a 2 s 2 + a 1 s + a 0 ,
Figure imgb0043

Zur Berechnung der Verstärkungen K VDi (K VD0 bis K VD4 ) sind lediglich die Koeffizienten b 4 bis b 0 und a 4 bis a 0 von Interesse. Ideales Systemverhalten bezüglich Position, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, des Ruckes und ggf. der Ableitung des Ruckes ergibt sich genau dann, wenn die Übertragungsfunktion des Gesamtsystems aus Vorsteuerung und Obertragungsfunktion des Drehwerks nach Gl. 19 bzw. 20 in ihren Koeffizienten b i und a i den folgenden Bedingungen genügt: b 0 a 0 = 1 b 1 a 1 = 1 b 2 a 2 = 1 b 3 a 3 = 1 b 4 a 4 = 1

Figure imgb0044
For the calculation of the gains K VDi (K VD0 to K VD4 ) , only the coefficients b 4 to b 0 and a 4 to a 0 are of interest. Ideal system behavior with regard to position, speed, acceleration, jerk and possibly the derivative of the jerk results exactly if the transfer function of the overall system consisting of feedforward control and transfer function of the slewing gear according to Eq. 19 or 20 in their coefficients b i and a i satisfies the following conditions: b 0 a 0 = 1 b 1 a 1 = 1 b 2 a 2 = 1 b 3 a 3 = 1 b 4 a 4 = 1
Figure imgb0044

Dieses lineare Gleichungssystem kann in analytischer Form nach den gesuchten Vorsteuerungsverstärkungen K VD0 bis K VD4 aufgelöst werden.This linear system of equations can be solved in analytical form for the desired pilot gains K VD0 to K VD4 .

Beispielhaft sei dies für den Fall des Modells nach Gl. 6 bis 12 gezeigt. Die Auswertung von Gl. 20 nach den Bedingungen von Gl. 21 ergibt für die Vorsteuerungsverstärkungen K VD0 bis K VD4 : K VD 0 = 0 K VD 1 = c d K VD 2 = a d

Figure imgb0045
K VD 3 = l S c b cos ( ϕ A ) l A d f
Figure imgb0046
K VD 4 = l S a b cos ( ϕ A ) l A b 2 d cos ( ϕ A ) l A f
Figure imgb0047
By way of example, this is the case for the model according to Eq. 6 to 12 shown. The evaluation of Eq. 20 according to the conditions of Eq. 21 gives for the pilot control gains K VD0 to K VD4 : K VD 0 = 0 K VD 1 = c d K VD 2 = - a d
Figure imgb0045
K VD 3 = - - l S c b cos ( φ A ) l A d f
Figure imgb0046
K VD 4 = - l S a b - cos ( φ A ) l A b 2 d cos ( φ A ) l A f
Figure imgb0047

Dies hat zum Vorteil, daß diese Vorsteuerungsverstärkungen nunmehr in Abhängigkeit von den Modellparametern vorliegen. Im Falle von Modell nach Gl. (6) bis (12) sind die Modellparameter K PD , i D , V, ϕ A , β, J T , J AZ , m A , s A , m L , l A , l s , b D . This has the advantage that these Vorsteuerungsverstärkungen now be present depending on the model parameters. In the case of model according to Eq. (6) to (12) are the model parameters K PD i D, V, A φ, β, T J, J AZ, m A, s A, m L, l A, l s, b D.

Die Veränderung von Modellparametern wie des Aufrichtwinkels ϕA , der Lastmasse m L und der Seillänge l s kann sofort in der Veränderung der Vorsteuerungsverstärkungen berücksichtigt werden. So können diese in Abhängigkeit der Meßwerte von ϕ A , m L und l S stets nachgeführt werden. Das heißt, wird mit dem Hubwerk die Seillänge verändert, so verändern sich dadurch automatisch die Vorsteuerungsver stärkungen des Drehwerks, so daß resultierend stets das pendeldämpfende Ver halten der Vorsteuerung beim Verfahren der Last erhalten bleibt.The change of model parameters such as the pitch angle φ A , the load mass m L and the rope length l s can be taken into account immediately in the change of the pilot gains. Thus, these can always be tracked depending on the measured values of φ A , m L and l S. That is, the rope length is changed with the hoist, then automatically change the Vorsteuerungsver reinforcements of the slewing, so that as a result, always keep the pendulum damping Ver pre-control in the process of the load is maintained.

Desweiteren können bei Übertragung auf einen anderen Krantyp mit anderen technischen Daten die Vorsteuerungsverstärkungen sehr schnell angepaßt werden.Furthermore, when transferred to another crane type with other specifications, the pilot gains can be adjusted very quickly.

Die Parameter K PD , i D , V, β, J T , J AZ , m A , s A und l A stehen aus dem Datenblatt der technischen Daten zur Verfügung. Grundsätzlich als veränderliche Systemparameter werden die Parameter l s , ϕ A und mL aus Sensordaten ermittelt. Die Parameter J T , J AZ sind aus FEM-Untersuchungen bekannt. Der Dämpfungsparameter b D wird aus Frequenzgangmessungen bestimmt.The parameters K PD , i D , V, β, J T , J AZ , m A , s A and l A are available from the data sheet of the technical data. Basically, as variable system parameters, the parameters l s , φ A and m L are determined from sensor data. The parameters J T , J AZ are known from FEM investigations. The attenuation parameter b D is determined from frequency response measurements.

Mit dem Vorsteuerungsblock ist es nun möglich, die Drehachse des Kranes so anzusteuem, daß unter den idealisierten Bedingungen des dynamischen Modells nach Gl. (6) bis (12) keine Pendelbewegungen der Last beim Verfahren des Drehwerks auftreten und die Last der vom Bahnplanungsmodul generierten Bahn bahngenau folgt. Die Funktionsgüte der Vorsteuerung richtet sich danach, bis zur welchen Ableitung die Sollfunktionen aufgeschaltet werden. Optimiertes Systemverhalten erhält man bei Aufschaltung bis zum Grad der Systemordnung, im Fall nach Gl. 6 bis 12 ist dies der Grad 4. Eine graduelle Verbesserung erhält man mit jeder weiteren aufgeschaltenen Sollfunktion beginnend beim Grad 1 gegenüber dem Fall, bei dem das System nur auf Stationärität bezüglich der Position ausgelegt ist. Dies gilt grundsätzlich und ist in analoger Weise auch für das Wippwerk zu übertragen.With the pilot block, it is now possible to control the axis of rotation of the crane so that under the idealized conditions of the dynamic model according to Eq. (6) to (12) no pendulum movements of the load occur in the slewing process and the load of the web generated by the path planning module accurately follows the web. The function quality of the pilot control depends on the derivation of the desired functions. Optimized system behavior is obtained when switching to the degree of system order, in the case of Eq. 6 to 12 this is the degree 4. A gradual improvement is obtained with each additional setpoint function applied starting with the grade 1 over the case where the system is designed only for stationarity with respect to the position. This applies in principle and is to be transmitted in an analogous manner for the luffing mechanism.

Das dynamische Modell ist jedoch nur eine abstrahierte Wiedergabe der realen dynamischen Verhältnisse. Zudem können von außen Störungen (Wie starker Windangriff o.ä.) wirken.However, the dynamic model is only an abstract representation of the real dynamic conditions. In addition, external disturbances (such as strong wind attack or the like) act.

Deshalb wird der Vorsteuerungsblock 71 von einem Zustandsregler 73 unterstützt. Im Zustandsregler wird mindestens eine der Meßgrößen ϕ St ,ϕ̇ St D ,ϕ̇ D mit einer Reglerverstärkung gewichtet und auf den Stelleingang zurückgeführt. (Im Falle der Modellierung der Auslegerbiegung könnte auch eine der Meßgrößen w h oder h zurückgeführt werden, um die Auslegerschwingung zu kompensieren). Dort wird die Differenz zwischen dem Ausgangswert des Vorsteuerungsblocks 71 und dem Ausgangswert des Zustandsregterblocks 73 gebildet. Ist der Zustandsreglerblock vor handen, muß dieser bei der Berechnung der Vorsteuerungsverstärkungen berücksichtigt werden.Therefore, the feedforward block 71 is supported by a state controller 73. In the state controller at least one of the measured variables φ St, St .phi, φ D, .phi..sub.D is weighted with a controller gain and fed back to the control input. (In the case of modeling the boom deflection, one of the measured quantities w h or h could also be returned to compensate for the boom oscillation ). There, the difference between the output value of the feedforward block 71 and the output value of the state energizing block 73 is formed. If the state controller block is present, this must be taken into account in the calculation of the feed forward gains.

Durch die Rückführung verändert sich Gl. (14) zu x ˙ D = ( A D B D K D ) x D + B D S D w D y D = C D x D

Figure imgb0048
Due to the feedback, Eq. (14) too x ˙ ~ D = ( A ~ D - B ~ D K ~ D ) x ~ D + B ~ D S ~ D w ~ D y ~ D = C ~ D x ~ D
Figure imgb0048

K D ist die Matrix der Reglerverstärkungen des Zustandsreglers mit den Einträgen k 1D , k 2D , k 3D , k 4D . Dementsprechend verändert sich auch die beschreibende Übertragungsfunktion, die Grundlage für die Berechnung der Vorsteuerungsverstärkungen ist, nach (17) zu G D R ( s ) = ϕ L D ( s ) u Dvorst ( s ) = C D ( s I A D + B D K D ) 1 B D

Figure imgb0049
K D is the matrix of the controller gains of the state controller with the entries k 1D , k 2D , k 3D , k 4D . Accordingly, the descriptive transfer function, which is the basis for calculating the feedforward gains, also changes according to (17) G D R ( s ) = φ L D ( s ) u Dvorst ( s ) = C ~ D ( s I ~ - A ~ D + B ~ D K ~ D ) - 1 B ~ D
Figure imgb0049

Zur Berechnung der Vorsteuerungsverstärkungen K VDi (K VD0 bis K VD4 ) wird wiederum zunächst (25) analog zu (18) um die Aufschaltung der Führungsgrößen erweitert. G VDR ( s ) = ϕ L D ϕ Dref = G D R ( s ) ( K VD 0 + K VD 1 s + K VD 2 s 2 + K VD 3 s 3 + K VD 4 s 4 )

Figure imgb0050
To calculate the pilot control gains K VDi (K VD0 to K VD4 ) , in turn, first (25) is extended analogously to (18) by adding the reference variables. G VDR ( s ) = φ L D φ Dref = G D R ( s ) ( K VD 0 + K VD 1 s + K VD 2 s 2 + K VD 3 s 3 + K VD 4 s 4 )
Figure imgb0050

Im Falle der Rückführung ist aber die Übertragungsfunktion auch von den Regelverstärkungen k 1D , k 2D , k 3D , k 4D abhängig. Damit ergibt sich die Struktur ϕ L D ϕ Dref = b 2 ( K VD i , k D i ) s 2 + b 1 ( K VD i , k D i ) s + b 0 ( K VD i , k D i ) a 2 s 2 + a 1 s + a 0 .

Figure imgb0051
In the case of feedback, however, the transfer function is also dependent on the control gains k 1D , k 2D , k 3D , k 4D . This results in the structure φ L D φ Dref = ... b 2 ( K VD i . k D i ) s 2 + b 1 ( K VD i . k D i ) s + b 0 ( K VD i . k D i ) ... a 2 s 2 + a 1 s + a 0 ,
Figure imgb0051

Dieser Ausdruck hat die gleiche Struktur bzgl. K VDi (K VD0 bis K VD4 ) wie Gl. (20). Ideales Systemverhalten bezüglich Position, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, des Ruckes und ggf. der Ableitung des Ruckes ergibt sich genau dann, wenn die Übertragungsfunktion des Gesamtsystems aus Vorsteuerung und Übertragungsfunktion der Drehachse des Kranes nach Gl. 26 in ihren Koeffizienten b i und a i der Bedingung (21) genügt.This expression has the same structure with respect to K VDi (K VD0 to K VD4 ) as Eq. (20). Ideal system behavior in terms of position, speed, acceleration, jerk and possibly the derivative of the jerk arises when and if the transfer function of the entire system from pre-control and transfer function of the axis of rotation of the crane according to Eq. 26 in their coefficients b i and a i satisfies the condition (21).

Dies führt wieder auf ein lineares Gleichungssystem, welches in analytischer Form nach den gesuchten Vorsteuerungsverstärkungen K VD0 bis K VD4 aufgelöst werden kann. Jedoch sind die Koeffizienten b i und a i neben den gesuchten Vorsteuerungsverstärkungen K VD0 bis K VD4 nun auch von den bekannten Reglerverstärkungen k 1D , k 2D , k 3D , k 4D des Zustandsreglers abhängig, deren Herleitung im folgenden Teil der Erfindungsbeschreibung erläutert wird.This leads again to a linear system of equations, which can be solved in analytical form for the desired pilot control gains K VD0 to K VD4 . However, the coefficients b i and a i are now also dependent on the known control gains k 1D , k 2D , k 3D , k 4D of the state controller, the derivation of which is explained in the following part of the description of the invention , in addition to the desired feed forward gains K VD0 to K VD4 .

Für die Vorsteuerungsverstärkungen K VD0 bis K VD4 des Vorsteuerungsblocks 71 erhält man unter Berücksichtigung des Zustandsreglerblocks 73: K VD 0 = k 1

Figure imgb0052
K VD 1 = c + d k 2 d
Figure imgb0053
K VD 2 = cos ( ϕ A ) l A f a + cos ( ϕ A ) l A b d k 3 d l S b k 1 cos ( ϕ A ) l A d f ( 1 )
Figure imgb0054
K VD 3 = ( cos ( ϕ A ) l A d k 4 l S c l S d k 2 ) b cos ( ϕ A ) l A d f
Figure imgb0055
K VD 4 = ( ( e cos ( ϕ A ) 2 l A 2 d k 3 e cos ( ϕ A ) l A d l S k 1 + l S cos ( ϕ A ) l A f a cos ( ϕ A ) 2 l A 2 b f + l S 2 b d k 1 l S b cos ( ϕ A ) l A d k 3 ) b ) ( d cos ( ϕ A ) 2 l A 2 f 2 )
Figure imgb0056
For the pilot control gains K VD0 to K VD4 of the pilot block 71, taking into account the state regulator block 73, one obtains: K VD 0 = k 1
Figure imgb0052
K VD 1 = c + d k 2 d
Figure imgb0053
K VD 2 = - cos ( φ A ) l A f a + cos ( φ A ) l A b d k 3 - d l S b k 1 cos ( φ A ) l A d f ( - 1 )
Figure imgb0054
K VD 3 = - ( cos ( φ A ) l A d k 4 - l S c - l S d k 2 ) b cos ( φ A ) l A d f
Figure imgb0055
K VD 4 = ( ( e cos ( φ A ) 2 l A 2 d k 3 - e cos ( φ A ) l A d l S k 1 + l S cos ( φ A ) l A f a - cos ( φ A ) 2 l A 2 b f + l S 2 b d k 1 - l S b cos ( φ A ) l A d k 3 ) b ) ( d cos ( φ A ) 2 l A 2 f 2 )
Figure imgb0056

Damit sind mit Gl. (28) analog zu Gl. (23) die Vorsteuerungsverstärkungen bekannt, die ein schwingungsfreies und bahngenaues Verfahren der Last in Drehrichtung basierend auf dem idealisierten Modell garantieren. Nun sind die Zustandsreglerverstärkungen k 1D , k 2D , k 3D , k 4D zu bestimmen. Dies soll im weiteren erläutert werden.Thus, with Eq. (28) analogous to Eq. (23) the pre-control reinforcements are known, which guarantee a vibration-free and web-accurate method of load in the direction of rotation based on the idealized model. Now the state controller gains k 1D , k 2D , k 3D , k 4D are to be determined. This will be explained below.

Die Reglerrückführung 73 ist als vollständiger Zustandsregler ausgeführt. Ein vollständiger Zustandsregler ist dadurch gekennzeichnet, daß jede Zustandsgröße, das heißt, jede Komponente des Zustandsvektors x D mit einer Regelverstärkung k iD gewichtet wird und auf den Stelleingang der Strecke zurückgeführt wird. Die Regelverstärkungen k iD werden zum Regelvektor K D zusammengefaßt.The regulator feedback 73 is designed as a complete state controller. A complete state controller is characterized in that each state variable, that is, each component of the state vector x D is weighted with a control gain k iD and fed back to the set input of the path. The control gains k iD are combined to the control vector K D.

Gemäß "Unbehauen, Regelungstechnik 2, a. a. O.", wird das dynamische Verhalten des Systems durch die Lage der Eigenwerte der Systemmatrix A D , die zugleich Pole der Übertragungsfunktion im Frequenzbereich sind, bestimmt. Die Eigenwerte der Matrix können durch Berechnung der Nullstellen bzgl. der Variablen s des charakteristischen Polynoms p(s) aus der Determinate wie folgt bestimmt werden. det ( s I A D ) 0 wobei p ( s ) = det ( s I A D )

Figure imgb0057

l ist die Einheitsmatrix. Die Auswertung von (29) führt im Falle des gewählten Zustandsraummodells nach Gl. 6-12 auf ein Polynom 4-ter Ordnung der Form: p ( s ) = s 4 + p 3 s 3 + p 2 s 2 + p 1 s + p 0
Figure imgb0058
According to "Unbehauen, Regelungstechnik 2, loc. Cit.", The dynamic behavior of the system is determined by the position of the eigenvalues of the system matrix A D , which are also poles of the transfer function in the frequency domain. The eigenvalues of the matrix can be determined by calculating the zeros with respect to the variable s of the characteristic polynomial p (s) from the determinants as follows. det ( s I ~ - A ~ D ) 0 in which p ( s ) = det ( s I ~ - A ~ D )
Figure imgb0057

l is the unit matrix. The evaluation of (29) leads in the case of the chosen state space model according to Eq. 6-12 to a polynomial of the 4th order of the form: p ( s ) = s 4 + p 3 s 3 + p 2 s 2 + p 1 s + p 0
Figure imgb0058

Durch Rückführung der Zustandsgrößen über die Reglermatrix K D auf den Steuereingang können diese Eigenwerte gezielt verschoben werden, da die Lage der Eigenwerte nun durch die Auswertung der folgenden Determinante bestimmt ist: p ( s ) = det ( s I A D + B D K D )

Figure imgb0059
By returning the state variables via the controller matrix K D to the control input, these eigenvalues can be selectively shifted, since the position of the eigenvalues is now determined by the evaluation of the following determinant: p ( s ) = det ( s I ~ - A ~ D + B ~ D K ~ D )
Figure imgb0059

Die Auswertung von (31) führt wieder auf ein Polynom 4-ter Ordnung, welches jetzt jedoch von den Reglerverstärkungen k iD (i=1..4) abhängt. Im Falle des Modells nach Gl. 6-12 wird (30) zu p ( s ) = s 4 + ( c e b d k 4 D + d e k 2 D ) s 3 a e b 2 + ( a f b d k 3 D + d e k 1 D ) s 2 a e b 2 + ( d k 2 D f + c f ) s a e b 2 + d k 1 D f a e b 2

Figure imgb0060
The evaluation of (31) again leads to a polynomial of the 4th order, which now however depends on the controller gains k iD ( i = 1..4). In the case of the model according to Eq. 6-12 becomes (30) too p ( s ) = s 4 + ( c e - b d k 4 D + d e k 2 D ) s 3 a e - b 2 + ( a f - b d k 3 D + d e k 1 D ) s 2 a e - b 2 + ( d k 2 D f + c f ) s a e - b 2 + d k 1 D f a e - b 2
Figure imgb0060

Man fordert nun, daß durch die Reglerverstärkungen k iD die Gl. 31 bzw. 32 bestimmte Nullstellen einnimmt, um dadurch gezielt die Dynamik des Systems zu beeinflussen, die sich in den Nullstellen dieses Polynoms widerspiegelt. Dadurch ergibt sich eine Vorgabe für dieses Polynom gemäß: p ( s ) = i = 1 n ( s r i )

Figure imgb0061

wobei n die Systemordnung ist, die mit der Dimension des Zustandsvektors gleichzusetzen ist. Im Falle des Modells nach Gl. 6-12 ist n=4 und damit p(s): p ( s ) = ( s r 1 ) ( s r 2 ) ( s r 3 ) ( s r 4 ) = s 4 + p 3 s 3 + p 2 s 2 + p 1 s + p 0
Figure imgb0062
It is now required that the controller gains k iD, the Eq. 31 or 32 occupies certain zeros, thereby specifically affecting the dynamics of the system, which is reflected in the zeros of this polynomial. This results in a specification for this polynomial according to: p ( s ) = Π i = 1 n ( s - r i )
Figure imgb0061

where n is the system order to be equated with the dimension of the state vector. In the case of the model according to Eq. 6-12, n = 4 and thus p (s): p ( s ) = ( s - r 1 ) ( s - r 2 ) ( s - r 3 ) ( s - r 4 ) = s 4 + p 3 s 3 + p 2 s 2 + p 1 s + p 0
Figure imgb0062

Die Pole r i sind so zu wählen, daß das System stabil ist, die Regelung hinreichend schnell bei guter Dämpfung arbeitet und die Stellgrößenbeschränkung bei typischen auftretenden Regelabweichungen nicht erreicht wird. Die r i können vor Inbetriebnahme in Simulationen nach diesen Kriterien bestimmt werden.The poles r i are to be chosen so that the system is stable, the control operates sufficiently fast with good damping and the manipulated variable limitation is not achieved for typical occurring control deviations. The r i can be determined before commissioning in simulations according to these criteria.

Die Regelverstärkungen können nun durch Koeffizientenvergleich der Polynome Gl. 31 und 33 bestimmt werden. det ( s I A D + B D K D ) i = 1 n ( s r i )

Figure imgb0063
The control gains can now be calculated by comparing the coefficients of the polynomials Eq. 31 and 33 are determined. det ( s I ~ - A ~ D + B ~ D K ~ D ) Π i = 1 n ( s - r i )
Figure imgb0063

Im Falle des Modells nach Gl. 6-12 ergibt sich ein lineares Gleichungssystem in Abhängigkeit von den Regelverstärkungen k iD . Die Auswertung des Gleichungssystems führt auf analytische mathematische Ausdrücke für die Reglerverstärkungen in Abhängigkeit von den gewünschten Polen r i und den Systemparametern. k 1 D = r 1 r 2 r 3 r 4 ( a e b 2 ) d f

Figure imgb0064
k 2 D = ( c f + r 1 r 2 r 4 a e r 1 r 2 r 4 b 2 + r 1 r 2 r 3 a e r 1 r 2 r 3 b 2 + r 2 r 3 r 4 a e r 2 r 3 r 4 b 2 + r 1 r 3 r 4 a e r 1 r 3 r 4 b 2 ) d f
Figure imgb0065
k 3 D = ( a f 2 + e 2 r 1 r 2 r 3 r 4 a e r 1 r 2 r 3 r 4 b 2 r 1 r 2 a e f + r 1 r 2 b 2 f r 2 r 4 a e f + r 2 r 4 b 2 f r 3 r 4 a e f + r 3 r 4 b 2 f ) b d f
Figure imgb0066
k 4 = ( r 1 r 2 r 4 a e 2 e r 1 r 2 r 4 b 2 + r 1 r 2 r 3 a e 2 e r 1 r 2 r 3 b 2 + r 2 r 3 r 4 a e 2 e r 2 r 3 r 4 b 2 + r 1 r 3 r 4 a e 2 e r 1 r 3 r 4 b 2 r 2 a e f + r 2 b 2 f r 1 a e f + r 1 b 2 f r 4 a e f + r 4 b 2 f r 3 a e f + r 3 b 2 f ) b d f
Figure imgb0067
In the case of the model according to Eq. 6-12 results in a linear equation system as a function of the control gains k iD . The evaluation of the equation system leads to analytical mathematical expressions for the controller gains as a function of the desired poles r i and the system parameters. k 1 D = r 1 r 2 r 3 r 4 ( a e - b 2 ) d f
Figure imgb0064
k 2 D = - ( c f + r 1 r 2 r 4 a e - r 1 r 2 r 4 b 2 + r 1 r 2 r 3 a e - r 1 r 2 r 3 b 2 + r 2 r 3 r 4 a e - r 2 r 3 r 4 b 2 + r 1 r 3 r 4 a e - r 1 r 3 r 4 b 2 ) d f
Figure imgb0065
k 3 D = ( a f 2 + e 2 r 1 r 2 r 3 r 4 a - e r 1 r 2 r 3 r 4 b 2 - r 1 r 2 a e f + r 1 r 2 b 2 f - r 2 r 4 a e f + r 2 r 4 b 2 f - r 3 r 4 a e f + r 3 r 4 b 2 f ) b d f
Figure imgb0066
k 4 = ( r 1 r 2 r 4 a e 2 - e r 1 r 2 r 4 b 2 + r 1 r 2 r 3 a e 2 - e r 1 r 2 r 3 b 2 + r 2 r 3 r 4 a e 2 - e r 2 r 3 r 4 b 2 + r 1 r 3 r 4 a e 2 - e r 1 r 3 r 4 b 2 - r 2 a e f + r 2 b 2 f - r 1 a e f + r 1 b 2 f - r 4 a e f + r 4 b 2 f - r 3 a e f + r 3 b 2 f ) b d f
Figure imgb0067

Im Falle von Modell nach Gl. 6-12 sind die Modellparameter K PD , i D , V, ϕ A , β, J T , J AZ , m A , s A , m L , l A , l S , b D . Vorteilhaft bei diesem Reglerentwurf ist, daß jetzt Parameterveränderungen des Systems, wie der Seillänge l S , des Aufrichtwinkels ϕ A oder der Lastmasse m L sofort in veränderten Reglerverstärkungen berücksichtigt werden können. Dies ist für ein optimiertes Regelverhalten von entscheidender Bedeutung.In the case of model according to Eq. 6-12 are the model parameters K PD i D, V, A φ, β, T J, J AZ, m A, s A, m L, l A, l S, D b. An advantage of this controller design is that now parameter changes of the system, such as the cable length l S , the righting angle φ A or the load mass m L can be considered immediately in changed controller gains. This is crucial for optimized control behavior.

Durch diese Vorgehensweise, dass die Reglerverstärkungen aus den analytischen Ausdrücken nach Gl. 36 berechnet werden, können auch während des Betriebes einzelne Pole r i in Abhängigkeit von Messwerten wie Lastmasse m L , Seillänge l s oder Aufrichtwinkel ϕ A . verändert werden. Dadurch ergibt sich ein sehr vorteilhaftes dynamisches Verhalten.By doing this, the controller gains from the analytic expressions of Eq. 36 are calculated, also possible for individual poles during operation i r as a function of measured values such as load mass m L, rope length l s or of elevation φ A. to be changed. This results in a very advantageous dynamic behavior.

Alternativ hierzu kann ein numerischer Entwurf nach dem Entwurfsverfahren von Riccati (siehe auch O. Föllinger: Regelungstechnik, 7. Aufl., Hüthig Verlag, Heidelberg, 1992) durchgeführt werden und die Reglerverstärkungen in Look-Up-Tables in Abhängigkeit von Lastmasse, Aufrichtwinkel und Seillänge abgespeichert werden.Alternatively, a numerical design according to the design method of Riccati (see also O. Föllinger: control technology, 7th ed., Hüthig Verlag, Heidelberg, 1992) are performed and the controller gains in look-up tables depending on load mass, Aufrichtwinkel and Rope length are stored.

Da ein vollständiger Zustandsregler die Kenntnis aller Zustandsgrößen verlangt, ist es vorteilhaft, anstatt eines Zustandsbeobachters die Regelung als Ausgangsrückführung auszuführen. Dies bedeutet, daß nicht alle Zustandsgrößen über den Regler zurückgeführt werden, sondern nur die, die durch Messungen erfaßt werden. Es werden also einzelne k iD zu Null. Im Falle des Modells nach Gl. 6 bis 12 könnte beispielsweise die Messung des Seilwinkels entfallen. Damit wird k 3D =0. Die Berechnung der k1D, k 2D und k 4D kann trotzdem analog zu Gl. (36) erfolgen. Zudem kann es sinnvoll sein, aufgrund des nicht unerheblichen Rechenaufwandes für einen einzelnen Arbeitspunkt die Reglerparameter zu berechnen. Es muß jedoch anschließend die tatsächliche Eigenwertlage des Systems mit der Reglermatrix K D = [ k 1 D k 2 D 0 k 4 D ]

Figure imgb0068
über die Berechnung nach Gl. 31 numerisch überprüft werden. Da dies nur numerisch erfolgen kann, muß der gesamte durch die veränderlichen Systemparameter aufgespannte Raum erfaßt werden. In diesem Falle wären dies die veränderlichen Systemparameter m L , l S und ϕ A . Diese Parameter schwanken im Intervall [m Lmin , m Lmax ],[l Smin , l Smax ] bzw. [ϕ Amin , ϕ Amax ]. D.h. in diesen Intervallen müssen mehrere Stützstellen m Lk , l i bzw. ϕ Aj gewählt werden und für alle möglichen Kombinationen dieser veränderlichen Systemparameter die Systemmatrix A ljk (m Lk. , l i , ϕ Aj ) berechnet und in Gl. 31 eingesetzt und mit K D aus Gl. 37 ausgewertet werden: det ( s I A i j k + B K D ) 0 für alle i , j , k
Figure imgb0069
Since a complete state controller requires the knowledge of all state variables, it is advantageous to execute the regulation as output feedback instead of a state observer. This means that not all state variables are fed back via the controller, but only those which are detected by measurements. There are therefore individual k iD to zero. In the case of the model according to Eq. 6 to 12, for example, the measurement of the rope angle could be omitted. This will make k 3D = 0 . Nevertheless, the calculation of k 1D , k 2D and k 4D can be done analogously to Eq. (36). In addition, it may be useful, due to the considerable computational effort for an individual Operating point to calculate the controller parameters. However, it must then the actual eigenvalue of the system with the controller matrix K ~ D = [ k 1 D k 2 D 0 k 4 D ]
Figure imgb0068
on the calculation according to Eq. 31 are checked numerically. Since this can only be done numerically, the entire space spanned by the variable system parameters must be detected. In this case, these would be the variable system parameters m L , l S and φ A. These parameters vary in the interval [ m Lmin , m Lmax ] , [ l Smin , l Smax ] and [ φ Amin , φ Amax ] . That is, in these intervals, several interpolation points m Lk , l i or φ Aj must be selected and calculated for all possible combinations of these variable system parameters, the system matrix A ljk ( m Lk. , L i , φ Aj ) and in Eq. 31 used and with K D from Eq. 37 are evaluated: det ( s I ~ - A ~ i j k + B ~ K ~ D ) 0 For all i . j . k
Figure imgb0069

Bleiben stets alle Nullstellen von (38) kleiner Null, so ist die Stabilität des Systems gewahrt und die ursprünglich gewählten Pole r i können beibehalten werden. Ist dies nicht der Fall, so kann eine Korrektur der Pole r i nach Gl. (33) erforderlich werden.If all zeros of (38) are always less than zero, the stability of the system is preserved and the originally selected poles r i can be retained. If this is not the case, a correction of the poles r i according to Eq. (33) become necessary.

Falls eine Zustandsgröße nicht meßbar ist, kann diese aus anderen Meßgrößen in einem Beobachter rekonstruiert werden. Dabei können durch das Meßprinzip bedingte Störgrößen eliminiert werden. In Fig. 7 wird dieses Modul als Störbeobachter 77 bezeichnet. Je nach dem welches Sensorsystem für die Seilwinkelmessung eingesetzt wird, ist der Störbeobachter geeignet zu konfigurieren. Wird beispielsweise ein Beschleunigungssensor verwendet, so muß der Störbeobachter aus der Pendeldynamik und dem Beschleunigungssignal der Last den Pendelwinkel schätzen. Bei einem Bildverarbeitungssystem ist es erforderlich, daß die Schwingungen des Auslegers durch den Beobachter kompensiert werden, damit ein verwertbares Signal ermittelt werden kann. Bei der Messung der Biegung des Auslegers mit Dehnmeßstreifen ist aus der rückwirkenden Biegung des Auslegers das Signal durch den Beobachter zu extrahieren. Im folgenden soll anhand der Messung mit eine Gyroskopsensor am Lasthaken die Rekonstruktion des Seilwinkels und der Seilwinkelgeschwindigkeit gezeigt werden.If a state variable is not measurable, it can be reconstructed from other measurands in an observer. In this case, caused by the measurement principle disturbances can be eliminated. In Fig. 7, this module is referred to as Störbeobachter 77. Depending on which sensor system is used for the rope angle measurement, the interference observer is suitable to configure. If, for example, an acceleration sensor is used, then the observer must estimate the pendulum angle from the pendulum dynamics and the acceleration signal of the load. In an image processing system, it is necessary that the oscillations of the cantilever be compensated by the observer so that a usable signal can be detected. When measuring the deflection of the boom with strain gauges, the signal from the retro-active bending of the cantilever to extract the observer. In the following, the reconstruction of the cable angle and the cable angular velocity will be shown on the basis of the measurement with a gyroscope sensor on the load hook.

Der Gyroskopsensor mißt die Winkelgeschwindigkeit in der entsprechenden Sensitivitätsrichtung. Durch geeignete Wahl des Einbauortes am Lasthaken entspricht die Sensitivitätsrichtung der Richtung des tangentialen Winkels ϕ St . Der Störbeobachter hat nun die folgenden Aufgaben:

  1. 1.) Korrektur des meßprinzipbedingten Offsets auf dem Meßsignal
  2. 2.) offsetkompensierte Integration des gemessenen Winkelgeschwindigkeitssignals zum Winkelsignal
  3. 3.) Eliminierung der Oberschwingungen auf dem Meßsignal, die durch Oberschwingungen des Seiles verursacht werden.
The gyroscope sensor measures the angular velocity in the corresponding sensitivity direction. By a suitable choice of the installation location on the load hook, the sensitivity direction corresponds to the direction of the tangential angle φ St. The observer now has the following tasks:
  1. 1.) Correction of the measurement principle-related offset on the measurement signal
  2. 2.) Offset compensated integration of the measured angular velocity signal to the angle signal
  3. 3.) Elimination of the harmonics on the measuring signal, which are caused by harmonics of the rope.

Die Störungen sind zunächst als Differentialgleichungen zu modellieren. Zunächst wird als Störgröße der Offsetfehler ϕ̇ Offset,D eingeführt. Die Störung wird als abschnittsweise konstant angenommen. Das Störmodell ist demnach ϕ ¨ Offset , D = 0

Figure imgb0070
The disturbances are first to be modeled as differential equations. First, the offset error φ̇ Offset, D is introduced as a disturbance variable. The disturbance is assumed to be constant as sections. The fault model is accordingly φ ¨ offset . D = 0
Figure imgb0070

Weiterhin ist das Meßsignal der Winkelgeschwindigkeit der einfachen Pendelbewegung von Oberschwingungen des Seiles überlagert. Die Resonanzfrequenz bezüglich der Oberschwingungen straffgespannter Seile (siehe auch Beitz W., Küttner K.-H.: Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau, 17. Aufl., Springer Verlag, Heidelberg, 1990) läßt sich bei der 2-Seilaufhängung über den Zusammenhang ϖ 1 = π l S m L g 2 μ Seil

Figure imgb0071

bestimmen, wobei µ Seil die Masse des Seiles bezogen auf die Längeneinheit ist. Die korrespondierende linearisierte Schwingungsdifferentialgleichung für die Oberschwingung ist ϕ ¨ Ober , D = ϖ 1 2 ϕ Ober , D
Figure imgb0072
Furthermore, the measurement signal of the angular velocity of the simple pendulum motion of harmonics of the rope is superimposed. The resonant frequency with respect to the harmonics tensioned ropes (see also Beitz W. Küttner K.-H .: Dubbel paperback for mechanical engineering, 17th ed., Springer Verlag, Heidelberg, 1990) can be in the 2-wire suspension on the context π 1 = π l S m L G 2 μ rope
Figure imgb0071

determine, where μ rope is the mass of the rope relative to the unit length. The corresponding linearized vibration differential equation for the harmonic is φ ¨ upper . D = - π 1 2 φ upper . D
Figure imgb0072

Die Zustandsraumdarstellung des Teilmodells für das Drehwerk nach Gl. 6-12 wird um das Störmodell erweitert. Im vorliegenden Fall wird ein vollständiger Beobachter hergeleitet. Die Beobachtergleichung für das modifizierte Zustandsraummodell lautet demnach: x ^ ˙ D z = ( A D z H D x C m D z ) x D z + B D z u D + H D z y D m

Figure imgb0073

wobei in Ergänzung zu Gl. 6-12 die folgenden Matrizen und Vektoren eingeführt werden.The state space representation of the submodel for the slewing gear according to Eq. 6-12 is extended by the fault model. In the present case, a complete observer is derived. The observer equation for the modified state space model is therefore: x ^ ˙ ~ D z = ( A ~ D z - H ~ D x C ~ m D z ) x ~ D z + B ~ D z u ~ D + H ~ D z y ~ D m
Figure imgb0073

in addition to Eq. 6-12 the following matrices and vectors are introduced.

Zustandsvektor: x D z = [ ϕ D ϕ ˙ D ϕ S t ϕ ˙ S t ϕ ˙ Offset , D ϕ Ober , D ϕ ˙ Ober , D ]

Figure imgb0074
Eingangsmatrix: B D z = [ 0 d e a e b 2 0 b d a e b 2 0 0 0 ]
Figure imgb0075
State vector: x ~ D z = [ φ D φ ˙ D φ S t φ ˙ S t φ ˙ offset . D φ upper . D φ ˙ upper . D ]
Figure imgb0074
Input matrix: B ~ D z = [ 0 d e a e - b 2 0 - b d a e - b 2 0 0 0 ]
Figure imgb0075

Systemmatrix: A D z = [ 0 1 0 0 0 0 0 0 c e a e b 2 f b a e b 2 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 c b a e b 2 a f a e b 2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 w 1 2 0 ]

Figure imgb0076
Matrix: A ~ D z = [ 0 1 0 0 0 0 0 0 - c e a e - b 2 f b a e - b 2 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 c b a e - b 2 - a f a e - b 2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 - w 1 2 0 ]
Figure imgb0076

Störbeobachtermatrix: H D z = [ h 11 D h 12 D h 13 D h 21 D h 22 D h 23 D h 31 D h 32 D h 33 D h 41 D h 42 D h 43 D h 51 D h 52 D h 53 D h 61 D h 62 D h 63 D h 71 D h 72 D h 73 D ]

Figure imgb0077
Störbeobachtermatrix: H ~ D z = [ H 11 D H 12 D H 13 D H 21 D H 22 D H 23 D H 31 D H 32 D H 33 D H 41 D H 42 D H 43 D H 51 D H 52 D H 53 D H 61 D H 62 D H 63 D H 71 D H 72 D H 73 D ]
Figure imgb0077

Beobachterausgangsmatrix: C m D z = [ 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 ]

Figure imgb0078
Observers output matrix: C ~ m D z = [ 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 ]
Figure imgb0078

Ausgangsvektor der Meßgrößen: y m D = [ ϕ D ϕ ˙ D ϕ ˙ S t m ]

Figure imgb0079
Output vector of the measured quantities: y ~ m D = [ φ D φ ˙ D φ ˙ S t m ]
Figure imgb0079

Die Bestimmung der Beobachterverstärkungen h ljD wird entweder durch Transformation in Beobachtungsnormalform oder über das Entwurfsverfahren nach Riccati durchgeführt. Wesentlich ist dabei, daß im Beobachter ebenfalls veränderliche Seillänge, Aufrichtwinkel und Lastmasse durch Adaption der Beobachterdifferentialgleichung und der Beobachterverstärkungen berücksichtigt werden.The determination of the observer gains h ljD is carried out either by transformation into observation normal form or by the Riccati design method . It is essential that in the observer also variable rope length, righting angle and load mass are taken into account by adapting the observer differential equation and the observer reinforcements.

Die Schätzung kann vorteilhafterweise auch basierend auf einem reduzierten Modell erfolgen. Hierzu wird nur die zweite Gleichung vom Modellansatz nach Gleichung 4, die die Seilschwingung beschreibt, betrachtet. Als Eingang des Störbeobachters wird ϕ̈ D definiert, das entweder aus der Meßgröße oder U Dref (siehe Gl. 40) berechnet werden kann. Das reduzierte Beobachterzustandsraummodell unter Berücksichtigung der Störgrößen ist dann: A DZred = [ 0 1 0 0 0 a f a e b 2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 w 1 2 0 ] B dZred = [ 0 m L l A cos ϕ A m L l S 0 0 0 ]

Figure imgb0080
H dZred = [ h 1 red h 2 red h 3 red h 4 red h 5 red ] x DZred = [ ϕ ^ S t ϕ ˙ ^ S t ϕ ˙ ^ Offset , D ϕ ^ Ober , D ϕ ˙ ^ Ober , D ]
Figure imgb0081
C mDZred = [ 0 1 1 0 1 ] y mDred = ϕ ˙ S t m
Figure imgb0082
u DZred = ϕ ¨ D
Figure imgb0083
The estimation may advantageously also be based on a reduced model. For this, only the second equation from the model approach according to equation 4, which describes the rope oscillation, is considered. The input of the observer is defined as φ̈ D , which can be calculated either from the measured quantity or U Dref (see equation 40). The reduced observer state space model taking into account the disturbance variables is then: A ~ DZred = [ 0 1 0 0 0 - a f a e - b 2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 - w 1 2 0 ] B ~ dZred = [ 0 m L l A cos φ A m L l S 0 0 0 ]
Figure imgb0080
H dZred = [ H 1 red H 2 red H 3 red H 4 red H 5 red ] x ~ DZred = [ φ ^ S t φ ˙ ^ S t φ ˙ ^ offset . D φ ^ upper . D φ ˙ ^ upper . D ]
Figure imgb0081
C mDZred = [ 0 1 1 0 1 ] y mDred = φ ˙ S t m
Figure imgb0082
u ~ DZred = φ ¨ D
Figure imgb0083

Die Schätzwerte ϕ̂ St ,

Figure imgb0084
, aus dem reduzierten Störbeobachter 771 (Fig. 7a) können entweder direkt auf den Zustandsregler gegeben werden oder, da das Signal ϕ̂ St aus dem Beobachter 771 immer noch mit einem geringen Offset überlagert ist, in einem zweiten Offsetbeobachter 773, der nun einen Offset
Figure imgb0085
bezüglich des Winkelsignales ϕ̂ St annimmt, weiterverarbeitet werden. Hierzu wird als Strömodell
Figure imgb0086
= 0 angenommen.The estimates φ St ,
Figure imgb0084
, from the reduced observer 771 (Figure 7a) can either be given directly to the state controller or, since the signal φ St from the observer 771 is still superimposed with a low offset, in a second offset observer 773, which now has an offset
Figure imgb0085
with respect to the angle signal φ St , be further processed. This is called Strömodell
Figure imgb0086
= 0 accepted.

Das zugrundeliegende Modell basierend auf der zweiten Gleichung von (4) ist dann A DOff = [ 0 1 1 g l S 0 0 0 0 0 ] x DOff = [ ϕ ^ ^ S t ϕ ˙ ^ ^ S t ϕ ^ ^ Off ]

Figure imgb0087
y mOff = ϕ ^ S t , u DOff = ϕ ¨ D B DOff = [ 0 l A cos ϕ A l S 0 ]
Figure imgb0088
The underlying model based on the second equation of (4) is then A ~ doff = [ 0 1 1 - G l S 0 0 0 0 0 ] x ~ doff = [ φ ^ ^ S t φ ˙ ^ ^ S t φ ^ ^ off ]
Figure imgb0087
y Moff = φ ^ S t . u doff = φ ¨ D B ~ doff = [ 0 - l A cos φ A l S 0 ]
Figure imgb0088

Die Beobachterverstärkungen werden über Polvorgabe wie beim Reglerentwurf (Gl. 29 ff.) bestimmt. Die resultierende Struktur für den zweistufigen reduzierten Beobachter ist in Fig. 7a dargestellt. Diese Variante garantiert eine noch bessere Kompensation des Offsets auf dem Messwert und eine bessere Schätzung für ϕ St und ϕ̇ St .The observer gains are determined via pole specification as in the controller design (Eq. 29 ff.). The resulting structure for the two-stage reduced observer is shown in Figure 7a. This variant guarantees an even better compensation of the offset on the measured value and a better estimation for φ St and φ̇ St.

Die geschätzten Werte ϕ̂ St ,

Figure imgb0089
bzw.
Figure imgb0090
werden auf den Zustandregler zurückgeführt. Damit erhält man am Ausgang des Zustandsreglerblocks 73 bei Rückführung von ϕ D ,ϕ̇ D ,ϕ̂ St ,
Figure imgb0091
dann u Drück = k 1 D ϕ D + k 2 D ϕ ˙ D + k 3 D ϕ ^ S t + k 4 D ϕ ˙ ^ S t
Figure imgb0092
The estimated values φ St ,
Figure imgb0089
respectively.
Figure imgb0090
are returned to the state controller. This results in the output of the state regulator block 73 when φ D , φ̇ D , φ St , is returned.
Figure imgb0091
then u suppressive = k 1 D φ D + k 2 D φ ˙ D + k 3 D φ ^ S t + k 4 D φ ˙ ^ S t
Figure imgb0092

Die Sollansteuerspannung des Proportionalventils für das Drehwerk ist unter Berücksichtigung der Vorsteuerung 71 dann u Dref = u Dvorst u Drück

Figure imgb0093
The Sollansteuerspannung the proportional valve for the slewing is taking into account the feedforward 71 then u Dref = u Dvorst - u suppressive
Figure imgb0093

Da im Zustandsraummodell nach Gl. 6-12 nur lineare Systemanteile berücksichtigt werden können, können optional statische Nichtlinearitäten der Hydraulik im Block 75 der Hydraulikkompensation so berücksichtigt werden, daß sich resultierend ein lineares Systemverhalten bezüglich des Systemeingangs ergibt. Die wesentlichsten nichtlinearen Effekte der Hydraulik sind der Totgang des Proportionalventils um den Nullpunkt und Hystereseeffekte der unterlagerten Förderstromregelung. Hierzu wird experimentell die statische Kennlinie zwischen Ansteuerspannung u StD des Proportionalventils und dem resultierenden Förderstrom Q FD aufgenommen. Die Kennlinie kann durch eine mathematische Funktion beschrieben werden. Q F D = f ( u S t D )

Figure imgb0094
Since in the state space model according to Eq. If only linear system components can be taken into account, optionally static non-linearities of the hydraulics in block 75 of the hydraulic compensation can be taken into account so as to result in a linear system behavior with respect to the system input. The most significant nonlinear effects of hydraulics are the backlash of the proportional valve around the zero point and hysteresis effects of the subordinate flow control. For this purpose, the static characteristic between the drive voltage u StD of the proportional valve and the resulting flow Q FD is recorded experimentally. The characteristic can be described by a mathematical function. Q F D = f ( u S t D )
Figure imgb0094

Bezüglich des Systemeingangs wird nun Linearität gefordert. D.h. das Proportionalventil und der Block der Hydraulikkompensation sollen gemäß Gl. (5) zusammengefaßt folgendes Übertragungsverhalten haben. Q F D = K P D u S t D

Figure imgb0095
Regarding the system input linearity is required. That is, the proportional valve and the block of hydraulic compensation should, according to Eq. (5) summarized have the following transmission behavior. Q F D = K P D u S t D
Figure imgb0095

Hat der Kompensationsblock 75 die statische Kennlinie u S t D = h ( u Dref ) ,

Figure imgb0096
so ist Bedingung (42) genau dann erfüllt, wenn als statische Kompensationskennlinie h ( u Dref ) = f 1 ( K P D u Dref )
Figure imgb0097

gewählt wird.Compensation block 75 has the static characteristic u S t D = H ( u Dref ) .
Figure imgb0096
Thus condition (42) is fulfilled if and only if as a static compensation characteristic H ( u Dref ) = f - 1 ( K P D u Dref )
Figure imgb0097

is selected.

Damit sind die einzelnen Komponenten des Achsreglers für das Drehwerk erläutert. Resultierend erfüllt die Kombination aus Bahnplanungsmodul und Achsregler Drehwerk die Anforderung einer schwingungsfreien und bahngenauen Bewegung der Last.This explains the individual components of the axis controller for the slewing gear. As a result, the combination of path planning module and axis controller slewing meets the requirement of a vibration-free and precise web movement of the load.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen soll nun der Achsregler für das Wippwerk 7 erläutert werden. Fig. 9 zeigt die grundsätzliche Struktur des Achsreglers für das Wippwerk.Based on these results, the axis controller for the luffing mechanism 7 will now be explained. Fig. 9 shows the basic structure of the axis controller for the luffing mechanism.

Die Ausgangsfunktionen des Bahnplanungsmoduls in Form der Sollastposition, in radialer Richtung ausgedrückt, sowie deren Ableitungen (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Ruck, und Ableitung des Ruckes) werden auf den Vorsteuerungsblock 91 (Block 71 beim Drehwerk) gegeben. Im Vorsteuerungsblock werden diese Funktionen so verstärkt, daß sich resultierend ein bahngenaues Fahren der Last ohne Schwingungen unter den idealisierten Voraussetzungen des dynamischen Modells ergibt. Grundlage für die Bestimmung der Vorsteuerungsverstärkungen ist das dynamische Modell, das in den folgenden Abschnitten für das Wippwerk hergeleitet wird. Damit ist unter diesen idealisierten Voraussetzungen das Schwingen der Last unterdrückt und die Last folgt der generierten Bahn.The output functions of the path planning module in the form of the Sollastposition, in the radial direction, and their derivatives (speed, acceleration, jerk, and derivative of the jerk) are given to the feedforward block 91 (block 71 in the slewing gear). In the pre-control block, these functions are so amplified that results in a web-accurate driving the load without vibrations under the idealized conditions of the dynamic model. The basis for determining the feedforward gains is the dynamic model derived in the following sections for the luffing gear. Thus, under these idealized conditions, the swinging of the load is suppressed and the load follows the generated lane.

Wie beim Drehwerk kann zum Ausregeln von Störungen (z. B. Windeinflüsse) und Kompensieren von Modellfehlem optional die Vorsteuerung um einen Zustandsreglerblock 93 (vgl. Drehwerk 73) ergänzt werden. In diesem Block wird mindestens eine der Meßgrößen Aufrichtwinkel ϕA, Aufrichtwinkelgeschwindigkeit ϕ̇ A, Biegung des Auslegers in vertikaler Richtung w v , die Ableitung der vertikalen Biegung v , der radiale Seilwinkel ϕ Sr oder die radiale Seilwinkelgeschwindigkeit ϕ̇ Sr verstärkt und wieder auf den Stelleingang rückgeführt. Die Ableitung der Meßgrößen ϕ A , ϕ Sr und w v wird numerisch in der Mikroprozessorsteuerung gebildet.As with the slewing gear, the feedforward can optionally be supplemented by a state control block 93 (see slewing gear 73) for compensating for disturbances (eg wind influences) and compensating for model errors. In this block at least one of the measured values Aufrichtwinkel φ A , Aufrichtwinkelgeschwindigkeit φ̇ A , bending of the boom in the vertical direction w v , the derivation of the vertical bend v , the radial cable angle φ Sr or the radial cable angular velocity φ̇ Sr amplified and back to the control input recycled. The derivative of the measured quantities φ A , φ Sr and w v is formed numerically in the microprocessor control.

Aufgrund der dominanten statischen Nichtlinearität der hydraulischen Antriebsaggregate (Hysterese, Totgang) wird der nun aus Vorsteuerung U Avorst und optional Zustandsreglerausgang U Arück gebildete Wert für den Stelleingang U Aref im Block Hydraulikkompensation 95 (analog zu Block 75) so verändert, daß sich resultierend lineares Verhalten des Gesamtsystems annehmen läßt. Ausgang des Blocks 95 (Hydraulikkompensation) ist die korrigierte Stellgröße u StA . Dieser Wert wird dann auf das Proportionalventil des Hydraulikkreislaufes für den Zylinder des Wippwerks gegeben.Due to the dominant static non-linearity of the hydraulic drive units (hysteresis, backlash), the now Vorsteuerung U Avorst and optional State controller output U Arück formed value for the control input U Aref in block hydraulic compensation 95 (analogous to block 75) changed so that can be assumed to result linear behavior of the overall system. Output of the block 95 (hydraulic compensation) is the corrected control variable u StA. This value is then applied to the proportional valve of the hydraulic circuit for the cylinder of the luffing gear.

Zur detaillierten Erläuterung der Vorgehensweise soll nun die Herleitung des dynamischen Modells für das Wippwerk dienen, das die Grundlage für die Berechnung der Vorsteuerungsverstärkungen, des Zustandsreglers und des Störbeobachters ist.For a detailed explanation of the procedure, the derivation of the dynamic model for the luffing gear is now to serve, which is the basis for the calculation of the pilot control gains, the state controller and the observer.

Hierzu gibt Fig. 10 Erläuterungen zur Definition der Modellvariablen. Wesentlich ist dabei der dort gezeigte Zusammenhang zwischen der Aufrichtwinkelposition ϕ A des Auslegers und der Lastposition in radialer Richtung r LA r L A = l A cos ϕ A + l S sin ϕ S r

Figure imgb0098
For this purpose, FIG. 10 gives explanations of the definition of the model variables. Essential here is the relationship shown there between the Aufrichtwinkelposition φ A of the boom and the load position in the radial direction r LA r L A = l A cos φ A + l S sin φ S r
Figure imgb0098

Für das Regelverhalten ist jedoch das Kleinsignalverhalten entscheidend. Daher wird Gl. (45) linearisiert und ein Arbeitspunkt ϕ A0 gewählt. Die radiale Abweichung wird dann als Regelgröße definiert. Δ r L A = l A ϕ A sin ϕ A 0 + l S sin ϕ S r

Figure imgb0099
However, the small-signal behavior is decisive for the control behavior. Therefore, Eq. (45) linearized and selected an operating point φ A0 . The radial deviation is then defined as a controlled variable. Δ r L A = - l A φ A sin φ A 0 + l S sin φ S r
Figure imgb0099

Das dynamische System kann durch die folgenden Differentialgleichungen beschrieben werden. ( J A Y + m A s A 2 + m L l A 2 sin 2 ϕ A 0 ) ϕ ¨ A m L l A l s sin ϕ A 0 ϕ ¨ s r + b A ϕ ˙ A m A s A g sin ϕ A 0 ϕ A = M M A M R A m A s A g cos ϕ A 0

Figure imgb0100
m L l A l s sin ϕ A 0 ϕ ¨ A + m L l S 2 ϕ ¨ s r + m L l s g ϕ s r = m L l s ϕ ˙ D 2 ( l S ϕ s r + l A cos ϕ A 0 )
Figure imgb0101
The dynamic system can be described by the following differential equations. ( J A Y + m A s A 2 + m L l A 2 sin 2 φ A 0 ) φ ¨ A - m L l A l s sin φ A 0 φ ¨ s r + b A φ ˙ A - m A s A G sin φ A 0 φ A = M M A - M R A - m A s A G cos φ A 0
Figure imgb0100
- m L l A l s sin φ A 0 φ ¨ A + m L l S 2 φ ¨ s r + m L l s G φ s r = m L l s φ ˙ D 2 ( l S φ s r + l A cos φ A 0 )
Figure imgb0101

Bezeichnungen:

m L
Lastmasse
l s
Seillänge
m A
Masse des Auslegers
J AY
Massenträgheitsmoment bezüglich Schwerpunkt bei Drehung um horizontale Achse inkl. Antriebsstrang
l A
Länge des Auslegers
S A
Schwerpunktsabstand des Auslegers
b A
viskose Dämpfung
M MA
Antriebsmoment
M RA
Reibmoment
designations:
m L
load mass
l s
cable length
m A
Mass of the jib
J AY
Mass moment of inertia with respect to center of gravity when turning about horizontal axis incl. Drive train
l A
Length of the boom
S A
Center of gravity of the jib
b A
viscous damping
M MA
drive torque
M RA
friction

Die erste Gleichung von (4) beschreibt im wesentlichen die Bewegungsgleichung des Auslegers mit dem antreibenden Hydraulikzylinder, wobei die Rückwirkung durch die Pendelung der Last berücksichtigt wird. Dabei ist auch der durch die Schwerkraft des Auslegers einwirkende Anteil und die viskose Reibung im Antrieb berücksichtigt. Die zweite Gleichung von (4) ist die Bewegungsgleichung, welche die Lastpendelung ϕ Sr beschreibt, wobei die Anregung der Schwingung durch das Aufrichten bzw. Neigen des Auslegers über die Winkelbeschleunigung des Auslegers oder eine äußere Störung, ausgedrückt durch Anfangsbedingungen für diese Differentialgleichungen, verursacht wird. Über den Term auf der rechten Seite der Differentialgleichung wird der Einfluß der Zentripetalkraft auf die Last bei Drehung der Last mit dem Drehwerk beschrieben. Dadurch wird ein für einen Drehkran typisches Problem beschrieben, da damit eine Kopplung zwischen Drehwerk und Wippwerk besteht. Anschaulich kann man dieses Problem dadurch beschreiben, daß eine Drehwerksbewegung mit quadratischer Drehgeschwindigkeitsabhängigkeit auch einen Winkelausschlag in radialer Richtung hervorruft. Wenn bahngenaues Fahren der Last erreicht werden soll, muß diesem Problem Rechnung getragen werden. Zunächst wird dieser Effekt zu 0 gesetzt. Nachdem die Komponenten des Achsreglers erläutert wurden, wird der Punkt der Kopplung zwischen Dreh- und Wippwerk nochmals aufgegriffen und Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt.The first equation of (4) essentially describes the equation of motion of the boom with the driving hydraulic cylinder, taking into account the retroactivity of the pendulum of the load. In this case, the proportion acting through the gravity of the boom and the viscous friction in the drive is taken into account. The second equation of (4) is the equation of motion describing the load swing φ Sr , where the excitation of the vibration is caused by the canting of the cantilever over the angular acceleration of the cantilever or an external perturbation expressed by initial conditions for these differential equations , The term on the right side of the differential equation describes the influence of the centripetal force on the load as the load rotates with the slewing gear. As a result, a typical for a turntable problem is described, as it is a coupling between slewing and luffing. Clearly, this problem can be described by the fact that a slewing movement with a quadratic rotational speed dependency also causes an angular deflection in the radial direction. If exact web Driving the load to be achieved, this problem must be taken into account. First, this effect is set to 0. Once the components of the axis controller have been explained, the point of coupling between lathes and luffing gear is taken up again and possible solutions are shown.

Der hydraulische Antrieb wird durch die folgenden Gleichungen beschrieben. M M A = F Zyl d b cos ϕ p ( ϕ A ) F Z y l = p Zyl A Zyl p ˙ Zyl = 2 β V Zyl ( Q F A A Zyl z ˙ Zyl ( ϕ A , ϕ ˙ A ) ) Q F A = K P A u S t A

Figure imgb0102
The hydraulic drive is described by the following equations. M M A = F Zyl d b cos φ p ( φ A ) F Z y l = p Zyl A Zyl p ˙ Zyl = 2 β V Zyl ( Q F A - A Zyl z ˙ Zyl ( φ A . φ ˙ A ) ) Q F A = K P A u S t A
Figure imgb0102

F Zyl ist die Kraft des Hydraulikzylinders auf die Kolbenstange, p Zyl ist der Druck im Zylinder (je nach Bewegungsrichtung kolben- oder ringseitig), A Zyl ist die Querschnittsfläche des Zylinders (je nach Bewegungsrichtung kolben- oder ringseitig), β ist die Ölkompressibilität, V Zyl ist das Zylindervolumen, Q FA ist der Förderstrom im Hydraulikkreis für das Wippwerk und K PA ist die Proportionalitätskonstante, die den Zusammenhang zwischen Förderstrom und Ansteuerspannung des Proportionalventils angibt. Dynamische Effekte der unterlagerten Förderstromregelung werden vernachlässigt. Bei der Ölkompression im Zylinder wird als relevantes Zylindervolumen die Hälfte des Gesamtvolumens des Hydraulikzylinders angenommen. z Zyl ,ż Zyl sind die Position bzw. die Geschwindigkeit der Zylinderstange. Diese sind ebenso wie die geometrischen Parameter d b und ϕ p von der Aufrichtkinematik abhängig. F Zyl is the force of the hydraulic cylinder on the piston rod, p Zyl is the pressure in the cylinder (depending on the direction of movement piston or ring side), A Zyl is the cross-sectional area of the cylinder (depending on the direction of movement piston or ring side), β is the oil compressibility, V Zyl is the cylinder volume, Q FA is the flow rate in the hydraulic circuit for the luffing gear and K PA is the proportionality constant, which indicates the relationship between the flow rate and the control voltage of the proportional valve. Dynamic effects of subordinate flow control are neglected. In the oil compression in the cylinder, the relevant cylinder volume is assumed to be half the total volume of the hydraulic cylinder. z Zyl , ż Zyl are the position or speed of the cylinder rod. These, like the geometric parameters d b and φ p, are dependent on the erecting kinematics.

In Fig. 11 ist die Aufrichtkinematik des Wippwerks dargestellt. Beispielhaft ist der Hydraulikzylinder am unteren Ende des Kranturms verankert. Aus Konstruktionsdaten kann der Abstand d a zwischen diesem Punkt und dem Drehpunkt des Auslegers entnommen werden. Die Kolbenstange des Hydraulikzylinders ist am Ausleger im Abstand d b befestigt. ϕ 0 ist ebenfalls aus Konstruktionsdaten bekannt. Daraus läßt sich der folgende Zusammenhang zwischen Aufrichtwinkel ϕ A und Hydraulikzylinderposition z Zyl herleiten. z Zyl = d a 2 + d b 2 2 d b d a cos ( ϕ A + ϕ 0 )

Figure imgb0103
FIG. 11 shows the erecting kinematics of the luffing mechanism. By way of example, the hydraulic cylinder is anchored to the lower end of the crane tower. From design data, the distance d a between this point and the pivot point of the boom can be taken. The piston rod of the hydraulic cylinder is attached to the boom at a distance d b . φ 0 is also known from design data. from that can derive the following relationship between Aufrichtwinkel φ A and hydraulic cylinder z zyl position . z Zyl = d a 2 + d b 2 - 2 d b d a cos ( φ A + φ 0 )
Figure imgb0103

Da nur der Aufrichtwinkel ϕ A Meßgröße ist, ist die umgekehrte Relation von (48) sowie die Abhängigkeit zwischen Kolbenstangengeschwindigkeit Zyl und Aufrichtgeschwindigkeit ϕ̇ A ebenfalls von Interesse. ϕ A = arccos ( d a 2 + d b 2 z Zyl 2 2 d a d b ) ϕ 0

Figure imgb0104
ϕ ˙ A = ϕ A z Zyl z ˙ Zyl = d a 2 + d b 2 2 d b d a cos ( ϕ A + ϕ 0 ) d b d a sin ( ϕ A + ϕ 0 ) z ˙ Zyl
Figure imgb0105
Since only the Aufrichtwinkel φ A is measured, the inverse relationship of (48) and the relationship between piston rod speed ż Zyl and Aufrichtgeschwindigkeit φ̇ A is also of interest. φ A = arccos ( d a 2 + d b 2 - z Zyl 2 2 d a d b ) - φ 0
Figure imgb0104
φ ˙ A = φ A z Zyl z ˙ Zyl = d a 2 + d b 2 - 2 d b d a cos ( φ A + φ 0 ) d b d a sin ( φ A + φ 0 ) z ˙ Zyl
Figure imgb0105

Für die Berechnung des wirksamen Momentes auf den Ausleger ist außerdem die Berechnung des Projektionswinkels ϕ p erforderlich. cos ϕ p = d a sin ( ϕ A + ϕ 0 ) d a 2 + d b 2 2 d b d a cos ( ϕ A + ϕ 0 ) = h 1 h 2

Figure imgb0106
For the calculation of the effective torque on the boom, the calculation of the projection angle φ p is also required. cos φ p = d a sin ( φ A + φ 0 ) d a 2 + d b 2 - 2 d b d a cos ( φ A + φ 0 ) = H 1 H 2
Figure imgb0106

Für eine kompakte Notation sind in Gl. 51 die Hilfsvariablen h1 und h2 eingeführt. Damit kann das in den Gl. 46-51 beschriebene dynamische Modell des Wippwerks nun in die Zustandsraumdarstellung (siehe auch O. Föllinger: Regelungstechnik, 7. Aufl., Hüthig Verlag, Heidelberg, 1992) transformiert werden. Da Linearität vorausgesetzt wird, wird zunächst der Zentripetalkraftkopplungsterm mit dem Drehwerk aufgrund der Drehgeschwindigkeit ϕ̇ D vernachlässigt. Außerdem werden die Anteile aus Gleichung 46, die durch die Gravitation begründet sind, null gesetzt. Es ergibt sich die folgende Zustandsraumdarstellung des Systems.For a compact notation, in Eq. 51, the auxiliary variables h 1 and h 2 is inserted. This can be done in the Eqs. 46-51 described dynamic model of the luffing gear now in the state space representation (see also O. Föllinger: control technology, 7th ed., Hüthig Verlag, Heidelberg, 1992) to be transformed. Since linearity is assumed, first the centripetal force coupling term with the slewing gear due to the rotational speed φ̇ D is neglected. In addition, the components of Equation 46, which are due to gravitation, are set to zero. The result is the following state space representation of the system.

Zustandsraumdarstellung: x ˙ A = A A x A + B A u A y A = C A x A

Figure imgb0107

mit:State space representation: x ~ ˙ A = A ~ A x ~ A + B ~ A u ~ A y ~ A = C ~ A x ~ A
Figure imgb0107

With:

Zustandsvektor: x A = [ ϕ A ϕ ˙ A ϕ S r ϕ ˙ S r ]

Figure imgb0108
State vector: x ~ A = [ φ A φ ˙ A φ S r φ ˙ S r ]
Figure imgb0108

Steuergröße: u A = u S t A

Figure imgb0109
Tax Size: u A = u S t A
Figure imgb0109

Ausgangsgröße: y A = r L A

Figure imgb0110
Output: y A = r L A
Figure imgb0110

Systemmatrix: A A = [ 0 1 0 0 0 f c a f b 2 b g g a f b 2 0 0 0 0 1 0 b c a f b 2 a g g a f b 2 0 ]

Figure imgb0111
a = J A Y + m A S A 2 + m L l A 2 sin ( ϕ A ) 2
Figure imgb0112
b = m L l A sin ( ϕ A ) l S
Figure imgb0113
c = b A + A zyl 2 d b 2 h 1 2 β V zyl h 2 2
Figure imgb0114
e = K P A A zyl d b h 1 β V zyl h 2
Figure imgb0115
f = m L l S 2
Figure imgb0116
g g = m L g l S
Figure imgb0117

wobei: h 1 = d a 2 + d b 2 2 d b d a cos ( ϕ A + ϕ 0 ) h 2 = d a sin ( ϕ A + ϕ 0 )
Figure imgb0118
Matrix: A ~ A = [ 0 1 0 0 0 - f c a f - b 2 b G G a f - b 2 0 0 0 0 1 0 b c a f - b 2 - a G G a f - b 2 0 ]
Figure imgb0111
a = J A Y + m A S A 2 + m L l A 2 sin ( φ A ) 2
Figure imgb0112
b = m L l A sin ( φ A ) l S
Figure imgb0113
c = b A + A cyl 2 d b 2 H 1 2 β V cyl H 2 2
Figure imgb0114
e = K P A A cyl d b H 1 β V cyl H 2
Figure imgb0115
f = m L l S 2
Figure imgb0116
G G = m L G l S
Figure imgb0117

in which: H 1 = d a 2 + d b 2 - 2 d b d a cos ( φ A + φ 0 ) H 2 = d a sin ( φ A + φ 0 )
Figure imgb0118

Steuervektor. B A = [ 0 f e a f b 2 0 b e a f b 2 ]

Figure imgb0119
Control vector. B ~ A = [ 0 f e a f - b 2 0 b e a f - b 2 ]
Figure imgb0119

Ausgangsvektor: C A = [ l A sin ( ϕ A 0 ) 0 l S 0 ]

Figure imgb0120
Output vector: C ~ A = [ - l A sin ( φ A 0 ) 0 l S 0 ]
Figure imgb0120

Das dynamische Modell des Wippwerks wird als parameterveränderliches System bezüglich der Seillänge l s und der trigonometrischen Funktionsanteile des Auslegerwinkels ϕ A sowie der Lastmasse m L aufgefaßt Die Gleichungen (52) bis (58) sind Grundlage für den nun beschriebenen Entwurf der Vorsteuerung 91, des Zustandsreglers 93 und des Störbeobachters 97.The dynamic model of the luffing gear is considered as a parameter variable system with respect to the rope length l s and the trigonometric function components of the boom angle φ A and the load mass m L The equations (52) to (58) are the basis for the now described design of the pilot control 91, the state controller 93 and the interference observer 97.

Eingangsgrößen des Vorsteuerungsblocks 91 sind die Soll-Position r LA , die Soll-Geschwindigkeit LA , die Sollbeschleunigung LA , der Soll-Ruck

Figure imgb0121
und die Ableitung des Soll-Rucks r L A ( I V ) .
Figure imgb0122
Der Führungsgrößenvektor W A ist damit analog zu (13) w A = [ r LAref r ˙ LAref r ¨ LAref r LAref r LAref ( I V ) ]
Figure imgb0123
Input variables of the pilot control block 91 are the desired position r LA , the target speed LA , the target acceleration r̈ LA , the target jerk
Figure imgb0121
and the derivative of the target jerk r L A ( I V ) ,
Figure imgb0122
The reference variable vector W A is thus analogous to (13) w ~ A = [ r LAREF r ˙ LAREF r ¨ LAREF r LAREF r LAREF ( I V ) ]
Figure imgb0123

Im Vorsteuerungsblock 91 werden die Komponenten von W A mit den Vorsteuerungsverstärkungen K VA0 bis K VA4 gewichtet und deren Summe auf den Stelleingang gegeben. Im Falle, daß der Achsregler für die Aufrichtachse keinen Zustandsreglerblock 93 umfaßt, ist dann die Größe U Avorst aus dem Vorsteuerungsblock gleich der Referenzansteuerspannung U Aref , die nach Kompensation der Hydraulik-Nichtlinearität als Ansteuerspannung U StA auf das Proportionalventil gegeben wird. Die Zustandsraumdarstellung (52) erweitert sich dadurch analog zu (14) zu x ˙ A = A A x A + B A S A w A y A = C A x A

Figure imgb0124

mit der Vorsteuerungsmatrix S A = [ K V A 0 K V A 1 K V A 2 K V A 3 K V A 4 ] .
Figure imgb0125
In the pre-control block 91, the components of W A are weighted with the feedforward gains K VA0 to K VA4 and their sum is given to the set input. In the event that the axis controller for the Aufrichtachse does not include a state controller block 93, then the size U Avorst from the feedforward block equal to the reference drive voltage U Aref , which is given after compensation of the hydraulic non-linearity as drive voltage U StA on the proportional valve. The state space representation (52) thereby expands analogously to (14) x ~ ˙ A = A ~ A x ~ A + B ~ A S ~ A w ~ A y ~ A = C ~ A x ~ A
Figure imgb0124

with the feedforward matrix S ~ A = [ K V A 0 K V A 1 K V A 2 K V A 3 K V A 4 ] ,
Figure imgb0125

Wird die Matrizengleichung (60) ausgewertet, so kann sie als algebraische Gleichung für den Vorsteuerungsblock geschrieben werden, wobei u Avorst die unkorrigierte Sollansteuerspannung für das Proportionalventil basierend auf dem idealisierten Modell ist. u Avorst = K VA 0 r LAref + K VA 1 r ˙ LAref + K VA 2 r ¨ LAref + K VA 3 r LAref + K VA 4 r LAref ( I V )

Figure imgb0126
When the die equation (60) is evaluated, it may be written as an algebraic equation for the feedforward block , where u Avor is the uncorrected target drive voltage for the proportional valve based on the idealized model. u Avorst = K VA 0 r LAREF + K VA 1 r ˙ LAREF + K VA 2 r ¨ LAREF + K VA 3 r LAREF + K VA 4 r LAREF ( I V )
Figure imgb0126

Die K VA0 bis K VA4 sind die Vorsteuerungsverstärkungen, die in Abhängigkeit des aktuellen Aufrichtwinkels ϕ A , der Lastmasse m L und der Seillänge l s berechnet werden, so daß die Last ohne Schwingungen bahngenau der Solltrajektorie folgt.The K VA0 to K VA4 are the Vorsteuerungsverstärkungen which are calculated as a function of the current Aufrichtwinkels φ A , the load mass m L and the rope length l s , so that the load without vibrations track exactly the desired trajectory.

Die Vorsteuerungsverstärkungen K VA0 bis K VA4 werden wie folgt berechnet. Bezüglich der Regelgröße der radialen Lastposition r LA läßt sich die Übertragungsfunktion ohne Vorsteuerungsblock wie folgt aus den Zustandsgleichungen (52) bis (58) gemäß dem Zusammenhang G ( s ) = r LA ( s ) u Avorst ( s ) = C A ( s I A A ) 1 B A

Figure imgb0127
angeben. Damit kann mit Gl. (63) die Übertragungsfunktion zwischen Ausgang Vorsteuerungsblock und Lastposition berechnet werden. Unter Berücksichtigung des Vorsteuerungsblocks 91 in Gl. (63) erhält man eine Beziehung, die nach Ausmultiplizieren die Form r LA r LAref = b 2 ( K VA i ) s 2 + b 1 ( K VA i ) s + b 0 ( K VA i ) a 2 s 2 + a 1 s + a 0 .
Figure imgb0128
hat. Zur Berechnung der Verstärkungen K VAi (K VA0 bis K VA4 ) sind lediglich die Koeffizienten b 4 bis b 0 und a 4 bis a 0 von Interesse. Ideales Systemverhalten bezüglich Position, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, des Ruckes und der Ableitung des Ruckes ergibt sich genau dann, wenn die Übertragungsfunktion des Gesamtsystems aus Vorsteuerung und Übertragungsfunktion des Wippwerks den Bedingungen nach Gl. (21) für die Koeffizienten b i und a i genügt.The feedforward gains K VA0 to K VA4 are calculated as follows. Regarding the controlled variable of the radial load position r LA , the transfer function without feedforward block can be calculated as follows from the state equations (52) to (58) according to the relationship G ( s ) = r LA ( s ) u Avorst ( s ) = C ~ A ( s I ~ - A ~ A ) - 1 B ~ A
Figure imgb0127
specify. Thus, with Eq. (63) the transfer function between output pilot block and load position are calculated. Considering the pilot block 91 in Eq. (63) one obtains a relationship which, after multiplying out, the form r LA r LAREF = ... b 2 ( K VA i ) s 2 + b 1 ( K VA i ) s + b 0 ( K VA i ) ... a 2 s 2 + a 1 s + a 0 ,
Figure imgb0128
Has. For the calculation of the gains K VAi (K VA0 to K VA4 ) , only the coefficients b 4 to b 0 and a 4 to a 0 are of interest. Ideal system behavior with respect to position, velocity, acceleration, jerk and jerk deflection results exactly if the transfer function of the entire system of feedforward control and transfer function of the luffing gear meets the requirements of Eq. (21) for the coefficients b i and a i is sufficient.

Daraus ergibt sich wiederum ein lineares Gleichungssystem, das in analytischer Form nach den gesuchten Vorsteuerungsverstärkungen K VA0 bis K VA4 aufgelöst werden kann.This in turn results in a linear equation system which can be resolved in analytical form according to the desired pilot control gains K VA0 to K VA4 .

Für den Fall des Modells nach Gl. 52 bis 58 ergibt sich analog zum Rechenweg beim Drehwerk (Gl. 18-23) dann für die Vorsteuerungsverstärkungen K VA 0 = 0

Figure imgb0129
K VA 1 = c e l A sin ( ϕ A 0 )
Figure imgb0130
K VA 2 = a g g ( a f b 2 ) e l A sin ϕ A 0 ( f a g g b 2 g )
Figure imgb0131
K VA 3 = b ( l S b 2 c l S a f c ) ( e l A 2 sin ( ϕ A 0 ) 2 ( f a g g b 2 g ) )
Figure imgb0132
K VA 4 = b ( a 2 f 2 l A sin ( ϕ A ) b g l S a 3 f 2 g g l S b 4 a g g + 2 l S b 2 a 2 f g g 2 a f b 3 l A sin ( ϕ A ) g + b 5 l A sin ( ϕ A ) g ) e l A 2 sin ( ϕ A ) 2 ( 2 f a g g b 2 g + b 4 g 2 + f 2 a 2 g g 2 )
Figure imgb0133
In the case of the model according to Eq. 52 to 58 results analogously to the calculation method in the slewing gear (equation 18-23) then for the pilot control amplifications K VA 0 = 0
Figure imgb0129
K VA 1 = - c e l A sin ( φ A 0 )
Figure imgb0130
K VA 2 = - a G G ( a f - b 2 ) e l A sin φ A 0 ( f a G G - b 2 G )
Figure imgb0131
K VA 3 = - b ( l S b 2 c - l S a f c ) ( e l A 2 sin ( φ A 0 ) 2 ( f a G G - b 2 G ) )
Figure imgb0132
K VA 4 = b ( a 2 f 2 l A sin ( φ A ) b G - l S a 3 f 2 G G - l S b 4 a G G + 2 l S b 2 a 2 f G G - 2 a f b 3 l A sin ( φ A ) G + b 5 l A sin ( φ A ) G ) e l A 2 sin ( φ A ) 2 ( - 2 f a G G b 2 G + b 4 G 2 + f 2 a 2 G G 2 )
Figure imgb0133

Wie schon beim Drehwerk gezeigt, hat dies zum Vorteil, daß die Vorsteuerungsver stärkungen in Abhängigkeit von den Modellparametern vorliegen. Im Falle von Modell nach Gl. 52 bis 58 sind die Systemparameter J AY , m A , S A , I A , m L , trigonometrische Terme von ϕ A , l s , b A , K PA , A Zyl , V Zyl , β, d b , d a . As already shown in the slewing, this has the advantage that the Vorsteuerungsver reinforcements are present depending on the model parameters. In the case of model according to Eq. 52 to 58 are system parameters J AY, m A, S A, I A, m L, trigonometri specific terms of φ A, l s, b A, K PA, A Zyl, V Zyl β, b d, d a ,

Damit kann die Veränderung von Modellparametern wie des Aufrichtwinkels ϕ A , der Lastmasse m L und der Seillänge l s sofort in der Veränderung der Vorsteuerungsverstärkungen berücksichtigt werden. So können diese in Abhängigkeit von den Meßwerten stets nachgeführt werden. Das heißt, wird mit dem Hubwerk eine andere Seillänge l s angefahren, so verändern sich dadurch automatisch die Vorsteuerungsverstärkungen, so daß resultierend stets das pendeldämpfende Verhalten der Vorsteuerung beim Verfahren der Last erhalten bleibt.Thus, the change of model parameters such as the righting angle φ A , the load mass m L and the rope length l s can be taken into account immediately in the change of the pilot gains. So they can always be tracked depending on the measured values. That is, when the hoist another rope length l s approached, so automatically change the Vorsteuerungsverstärkungen, so that as a result always the pendulum damping behavior of the feedforward control is maintained during the process of the load.

Die Parameter J AY , m A , s A , l A , K PA , A Zyl , V Zyl , β, d b und d a stehen aus dem Datenblatt der technischen Daten zur Verfügung. Grundsätzlich als veränderliche Systemparameter werden die Parameter / S , m L und ϕ A aus Sensordaten ermittelt. Der Dämpfungsparameter b A wird aus Frequenzgangmessungen bestimmt. Mit dem Vorsteuerungsblock ist es nun möglich das Wippwerk des Krans so anzusteuern, daß unter den idealisierten Bedingungen des dynamischen Modells nach Gl. 52 bis 58 keine Schwingungen der Last beim Verfahren des Wippwerks auftreten und die Last der vom Bahnplanungsmodul generierten Bahn bahngenau folgt. Das dynamische Modell ist jedoch nur eine abstrahierte Wiedergabe der realen dynamischen Verhältnisse. Zudem können auf den Kran von außen Störungen (z.B. Windangriff o.ä.) wirken.The parameters J AY , m A , s A , I A , K PA , A Zyl , V Zyl , β, d b and d a are available from the data sheet of the technical data. Basically, as variable system parameters, the parameters / S , m L and φ A are determined from sensor data. The attenuation parameter b A is determined from frequency response measurements. With the pilot block, it is now possible to control the luffing mechanism of the crane so that under the idealized conditions of the dynamic model according to Eq. 52 to 58 no vibrations of the load occur when the luffing gear is moving and the load of the path generated by the path planning module follows the track exactly. However, the dynamic model is only an abstract representation of the real dynamic conditions. In addition, external disturbances (eg wind attack, etc.) can act on the crane.

Deshalb wird der Vorsteuerungsblock 91 von einem Zustandsregler 93 unterstützt. Im Zustandsregler wird mindestens eine der Meßgrößen ϕ A ,ϕ̇ A Sr ,ϕ̇ Sr mit einer Reglerverstärkung gewichtet und auf den Stelleingang zurückgeführt. Dort wird die Differenz zwischen dem Ausgangswert des Vorsteuerungsblocks 91 und dem Ausgangswert des Zustandsreglerblocks 93 gebildet. Ist der Zustandsreglerblock vorhanden, muß dieser bei der Berechnung der Vorsteuerungsverstärkungen berücksichtigt werden.Therefore, the feedforward block 91 is supported by a state controller 93. In the state controller, at least one of the measured variables φ A , φ̇ A , φ Sr , φ̇ Sr is weighted with a controller gain and fed back to the actuating input. There, the difference between the output value of the pre-control block 91 and the output value of the state-control block 93 is formed. If the state controller block is present, it must be taken into account when calculating the feed forward gains.

Durch die Rückführung verändert sich Gl. (60) zu x ˙ A = ( A A B A K A ) x A + B A S A w A y A = C A x A

Figure imgb0134
Due to the feedback, Eq. (60) too x ~ ˙ A = ( A ~ A - B ~ A K ~ A ) x ~ A + B ~ A S ~ A w ~ A y ~ A = C ~ A x ~ A
Figure imgb0134

K A ist die Matrix der Reglerverstärkungen des Zustandsreglers des Wippwerks analog zur Reglermatrix K D beim Drehwerk. Analog zum Rechenweg beim Drehwerk von Gl. 25 bis 28 verändert sich die beschreibende Übertragungsfunktion zu G AR ( s ) = r LA ( s ) u Avorst ( s ) = C A ( s I A A + B A K A ) 1 B A

Figure imgb0135
K A is the matrix of the controller gains of the state controller of the luffing gear analogous to the controller matrix K D in the slewing gear. Analogous to the calculation method in the slewing gear of Gl. 25 to 28, the descriptive transfer function changes too G AR ( s ) = r LA ( s ) u Avorst ( s ) = C ~ A ( s I ~ - A ~ A + B ~ A K ~ A ) - 1 B ~ A
Figure imgb0135

Im Falle der Aufrichtachse können beispielweise die Größen ϕ A ,ϕ̇ A ,ϕ SR ,ϕ̇ Sr zurückgeführt werden. Die korrespondierenden Regierverstärkungen von K A sind hierzu k 1A , k 2A , k 3A , k 4A . Nach Berücksichtigung der Vorsteuerung 91 in Gl. 68 können die Vorsteuerungsverstärkungen K VAi (K VA0 bis K VA4 ) nach der Bedingung von Gl. 21 berechnet werden.In the case of the righting axis , for example, the quantities φ A , φ̇ A , φ SR , φ̇ Sr can be returned. The corresponding governing gains of K A are k 1A , k 2A , k 3A , k 4A . After consideration of the pilot control 91 in Eq. 68, the pilot gains K VAi (K VA0 to K VA4 ) can be calculated according to the condition of Eq. 21 are calculated.

Dies führt wieder auf ein lineares Gleichungssystem analog zu Gl. 22, welches in analytischer Form nach den gesuchten Vorsteuerungsverstärkungen K VA0 bis K VA4 aufgelöst werden kann. Es sei jedoch angemerkt, daß die Koeffizienten b i und a i neben den gesuchten Vorsteuerungsverstärkungen K VA0 bis K VA4 nun auch von den bekannten Reglerverstärkungen k 1A , k 2A , k 3A , k 4A des Zustandsreglers abhängig sind.This leads again to a linear system of equations analogous to Eq. 22, which can be resolved in analytical form according to the sought pilot gains K VA0 to K VA4 . It should be noted, however, that the coefficients b i and a i are now also dependent on the known control gains k 1A , k 2A , k 3A , k 4A of the state controller , in addition to the desired pilot gains K VA0 to K VA4 .

Für die Vorsteuerungsverstärkungen K vA0 bis K VA4 des Vorsteuerungsblocks 91 erhält man unter Berücksichtigung des Zustandsreglerblocks 93 analog zu Gl. 28 bei der Drehachse: K VA 0 = k 1 A l A sin ( ϕ A 0 ) ( 1 )

Figure imgb0136
K VA 1 = c + e k 2 A e l A sin ( ϕ A 0 ) ( 1 )
Figure imgb0137
K VA 2 = ( a f b e k 3 A l A sin ( ϕ A ) b 2 a g g l A sin ( ϕ A ) b 3 e k 3 A l A sin ( ϕ A ) + a 2 f g g l A sin ( ϕ A ) e l S b 3 k 1 A + e l S b a f k 1 A ) ( e l A 2 sin ( ϕ A 0 ) 2 ( f a g g b 2 g ) )
Figure imgb0138
K VA 3 = b ( a f e k 4 A l A sin ( ϕ A ) b 2 e k 4 A l A sin ( ϕ A ) l S b 2 c l S b 2 e k 2 A + l S a f c + l S a f e k 2 A ) ( e l A 2 sin ( ϕ A 0 ) 2 ( f a g g b 2 g ) )
Figure imgb0139
K VA 4 = b ( l S b a 2 f 2 e k 3 A l A sin ( ϕ A ) e l S k 1 A f 3 a 2 l A 2 sin ( ϕ A ) 2 e k 3 A + l S 2 b a 2 f 2 e k 1 A + l S a 3 f 2 g g l A sin ( ϕ A ) 2 l S b 3 a f e k 3 A l A sin ( ϕ A ) + l S b 4 a g g l A sin ( ϕ A ) + l S b 5 e k 3 A l A sin ( ϕ A ) 2 l S b 2 a 2 f g g l A sin ( ϕ A ) 2 l S 2 b 3 e a f e k 1 A f b 4 l A sin ( ϕ A ) e l S k 1 A + 2 f 2 b 2 l A sin ( ϕ A ) e l S k 1 A + 2 f 2 b 2 l A 2 sin ( ϕ A ) 2 a e k 3 A f b 4 l A 2 sin ( ϕ A ) 2 e k 3 A + 2 a f b 3 l A 2 sin ( ϕ A ) 2 g b 5 l A 2 sin ( ϕ A ) 2 g + l A 2 b 5 e k 1 A a 2 f 2 l A 2 sin ( ϕ A ) 2 b g ( e l A 3 sin ( ϕ A ) 3 ( 2 f a g g b 2 g + b 4 g 2 + f 2 a 2 g g 2 ) )
Figure imgb0140
For the pilot control gains K vA0 to K VA4 of the pilot control block 91, taking into account the state regulator block 93, analogous to Eq. 28 at the axis of rotation: K VA 0 = k 1 A l A sin ( φ A 0 ) ( - 1 )
Figure imgb0136
K VA 1 = c + e k 2 A e l A sin ( φ A 0 ) ( - 1 )
Figure imgb0137
K VA 2 = - ( a f b e k 3 A l A sin ( φ A ) - b 2 a G G l A sin ( φ A ) - b 3 e k 3 A l A sin ( φ A ) + a 2 f G G l A sin ( φ A ) - e l S b 3 k 1 A + e l S b a f k 1 A ) ( e l A 2 sin ( φ A 0 ) 2 ( f a G G - b 2 G ) )
Figure imgb0138
K VA 3 = - b ( a f e k 4 A l A sin ( φ A ) - b 2 e k 4 A l A sin ( φ A ) - l S b 2 c - l S b 2 e k 2 A + l S a f c + l S a f e k 2 A ) ( e l A 2 sin ( φ A 0 ) 2 ( f a G G - b 2 G ) )
Figure imgb0139
K VA 4 = - b ( l S b a 2 f 2 e k 3 A l A sin ( φ A ) e l S k 1 A - f 3 a 2 l A 2 sin ( φ A ) 2 e k 3 A + l S 2 b a 2 f 2 e k 1 A + l S a 3 f 2 G G l A sin ( φ A ) - 2 l S b 3 a f e k 3 A l A sin ( φ A ) + l S b 4 a G G l A sin ( φ A ) + l S b 5 e k 3 A l A sin ( φ A ) - 2 l S b 2 a 2 f G G l A sin ( φ A ) - 2 l S 2 b 3 e a f e k 1 A - f b 4 l A sin ( φ A ) e l S k 1 A + 2 f 2 b 2 l A sin ( φ A ) e l S k 1 A + 2 f 2 b 2 l A 2 sin ( φ A ) 2 a e k 3 A - f b 4 l A 2 sin ( φ A ) 2 e k 3 A + 2 a f b 3 l A 2 sin ( φ A ) 2 G - b 5 l A 2 sin ( φ A ) 2 G + l A 2 b 5 e k 1 A - a 2 f 2 l A 2 sin ( φ A ) 2 b G ( e l A 3 sin ( φ A ) 3 ( - 2 f a G G b 2 G + b 4 G 2 + f 2 a 2 G G 2 ) )
Figure imgb0140

Mit Gl. 69 sind nun auch die Vorsteuerungsverstärkungen bekannt, die ein schwingungsfreies und bahngenaues Verfahren der Last in Drehrichtung basierend auf dem idealisierten Modell unter Berücksichtigung des Zustandsreglerblocks 93 garantieren. Anzumerken ist, daß der Zentripetalkraftterm im Modellansatz für die Gl. 68 vernachlässigt wurde und damit auch in der Vorsteuerung nicht berücksichtigt wird. Auch hier gilt, dass bereits mit Aufschalten der ersten Ableitung der Sollfunktion sich das dynamische Verhalten verbessert und durch Aufschaltung der höheren Ableitungen schrittweise weiter verbessert werden kann. Nun sind die Zustandsreglerverstärkungen k 1A , k 2A , k 3A , k 4A zu bestimmen. Dies soll im weiteren erläutert werden.With Eq. 69 now also the feedforward gains are known, which guarantee a vibration-free and accurate web of the load in the direction of rotation based on the idealized model, taking into account the state of control block 93. It should be noted that the centripetal force term in the model approach for Eq. 68 was neglected and thus is not taken into account in the feedforward control. Again, it is true that the dynamic behavior can already be improved by switching on the first derivative of the nominal function and can be progressively improved step by step by connecting the higher derivatives. Now, state governor gains k 1A , k 2A , k 3A , k 4A are to be determined. This will be explained below.

Die Reglerrückführung 93 ist als Zustandsregler ausgeführt. Die Reglerverstärkungen berechnen sich analog zum Rechenweg von Gl. 29 bis 39 beim Drehwerk .The regulator feedback 93 is designed as a state controller. The controller gains are calculated analogously to the calculation method of Eq. 29 to 39 at the turning.

Die Komponenten des Zustandsvektors x A werden mit den Regelverstärkungen k iA der Reglermatrix K A gewichtet und auf den Stelleingang der Strecke zurückgeführt.The components of the state vector x A are weighted with control gains k iA the controller matrix K A and fed back to the control input of the route.

Wie beim Drehwerk werden die Reglerverstärkungen über Koeffizientenvergleich der Polynome analog zu Gl. 35 det ( s I A A + B A K A ) i = 1 n ( s r i )

Figure imgb0141

bestimmt. Da das Modell des Wippwerks wie das der Drehachse die Ordnung n=4 hat, ergibt sich für das charakteristische Polynom p(s) des Wippwerks analog zu Gl. 30, 31, 32 beim Drehwerk p ( s ) = s 4 + ( a f b e k 4 A b 3 e k 4 A + f 2 c a f c b 2 + f 2 e k 2 A a f e k 2 A b 2 ) s 3 ( a f b 2 ) 2 + ( f e k 1 A b 2 + a f b e k 3 A b 2 a g g + a 2 f g g b 3 e k 3 A + f 2 e k 1 A a ) s 2 ( a f b 2 ) 2 + ( f c a g g + f e k 2 A a g g c b 2 g e k 2 A b 2 g ) s ( a f b 2 ) 2 + f e k 1 A a g g b 2 e k 1 A g ( a f b 2 ) 2
Figure imgb0142
As with the slewing gear, the controller gains are calculated by comparing the coefficients of the polynomials analogously to Eq. 35 det ( s I ~ - A ~ A + B ~ A K ~ A ) Π i = 1 n ( s - r i )
Figure imgb0141

certainly. Since the model of the luffing gear has the order n = 4 like that of the axis of rotation, the characteristic polynomial p (s) of the luffing gear is analogous to Eq. 30, 31, 32 in the slewing gear p ( s ) = s 4 + ( a f b e k 4 A - b 3 e k 4 A + f 2 c a - f c b 2 + f 2 e k 2 A a - f e k 2 A b 2 ) s 3 ( a f - b 2 ) 2 + ( - f e k 1 A b 2 + a f b e k 3 A - b 2 a G G + a 2 f G G - b 3 e k 3 A + f 2 e k 1 A a ) s 2 ( a f - b 2 ) 2 + ( f c a G G + f e k 2 A a G G - c b 2 G - e k 2 A b 2 G ) s ( a f - b 2 ) 2 + f e k 1 A a G G - b 2 e k 1 A G ( a f - b 2 ) 2
Figure imgb0142

Der Koeffizientenvergleich mit dem Polvorgabepolynom nach Gl. 35 führt wieder auf ein lineares Gleichungssystem für die Regelverstärkungen k iA . The coefficient comparison with the pole specification polynomial according to Eq. 35 leads again to a linear system of equations for the control gains k iA .

Die Pole r i des Polvorgabepolynoms werden dabei so gewählt, daß das System stabil ist, die Regelung hinreichend schnell bei guter Dämpfung arbeitet und die Stellgrößenbeschränkung bei typischen auftretenden Regelabweichungen nicht erreicht wird. Die r i können vor Inbetriebnahme in Simulationen nach diesen Kriterien bestimmt werden.The poles r i of the Polvorgabepolynoms be chosen so that the system is stable, the control operates sufficiently fast with good damping and the manipulated variable limitation is not reached at typical occurring deviations. The r i can be determined before commissioning in simulations according to these criteria.

Die Bestimmung der Reglerverstärkungen führt wieder analog zu Gl .36 auf analytische mathematische Ausdrücke für die Reglerverstärkungen in Abhängigkeit von den gewünschten Polen r i und den Systemparametern. Wie beim Drehen kann es günstig sein, die Pollage in Abhängigkeit von Meßwerten von Lastmasse, Seillänge und Aufrichtwinkel zu variieren. Im Falle von Modell nach Gl. 52 bis 58 sind die Systemparameter J AY m A , s A , l A , m L , l s , b A , K PA , A Zyl , V Zyl , β, d b , d a . Wie beim Drehwerk können jetzt Parameterveränderungen des Systems, wie der Seillänge l S der Lastmasse m L oder des Aufrichtwinkels ϕ A sofort in veränderten Reglerverstärkungen berücksichtigt werden. Dies ist für ein optimiertes Regelverhalten von entscheidender Bedeutung.The determination of the controller gains, analogous to Eq. 36, again leads to analytical mathematical expressions for the controller gains as a function of the desired poles r i and the system parameters. As with turning, it may be favorable to vary the pole position as a function of measured values of load mass, rope length and elevation angle. In the case of model according to Eq. 52 to 58 are the system parameters J AY m A , s A , l A , m L , l s , b A , K PA , A Zyl , V Zyl , β, d b , d a . As with the slewing gear, parameter changes of the system, such as the rope length l S of the load mass m L or the righting angle φ A, can now be changed in modified controller gains be taken into account. This is crucial for optimized control behavior.

Alternativ hierzu kann ein numerischer Entwurf nach dem Entwurfsverfahren von Riccati (siehe auch O. Föllinger: Regelungstechnik, 7. Aufl., Hüthig Verlag, Heidelberg, 1992) durchgeführt werden und die Reglerverstärkungen in Look-Up-Tables in Abhängigkeit von Lastmasse, Aufrichtwinkel und Seillänge abgespeichert werden.Alternatively, a numerical design according to the design method of Riccati (see also O. Föllinger: control technology, 7th ed., Hüthig Verlag, Heidelberg, 1992) are performed and the controller gains in look-up tables depending on load mass, Aufrichtwinkel and Rope length are stored.

Wie beim Drehwerk kann die Regelung auch als Ausgangsrückführung ausgeführt werden. Dabei werden einzelne k iA zu Null. Die Berechnung erfolgt dann analog zu den Gl. 37 bis 38 beim Drehwerk.As with the slewing gear, the control can also be executed as output feedback. In doing so, individual k iA become zero. The calculation then takes place analogously to Eq. 37 to 38 in the slewing gear.

Falls eine Zustandsgröße nicht meßbar ist, kann diese aus anderen Meßgrößen in einem Beobachter rekonstruiert werden. Dabei können durch das Meßprinzip bedingte Störgrößen eliminiert werden. In Fig. 9 wird dieses Modul als Störbeobachter 97 bezeichnet. Je nach dem welches Sensorsystem für die Seilwinkelmessung eingesetzt wird, ist der Störbeobachter geeignet zu konfigurieren. Im folgenden wird wiederum die Messung mit einem Gyroskopsensor am Lasthaken durchgeführt und die Rekonstruktion des Seilwinkels und der Seilwinkelgeschwindigkeit gezeigt. Dabei tritt als zusätzliches Problem die Anregung von Nickschwingungen des Lasthakens auf, die ebenfalls durch den Beobachter oder geeignete Filtertechniken eliminiert werden müssen.If a state variable is not measurable, it can be reconstructed from other measurands in an observer. In this case, caused by the measurement principle disturbances can be eliminated. In Fig. 9, this module is referred to as interference observer 97. Depending on which sensor system is used for the rope angle measurement, the interference observer is suitable to configure. In the following, the measurement is again carried out with a gyroscope sensor on the load hook and the reconstruction of the cable angle and the cable angular velocity are shown. In this case occurs as an additional problem, the excitation of pitching vibrations of the load hook, which must also be eliminated by the observer or suitable filter techniques.

Der Gyroskopsensor mißt die Winkelgeschwindigkeit in der entsprechenden Sensitivitätsrichtung. Durch geeignete Wahl des Einbauortes am Lasthaken entspricht die Sensitivitätsrichtung der Richtung des radialen Winkels ϕ Sr . Der Störbeobachter hat wieder die folgenden Aufgaben:

  1. 1.) Korrektur des meßprinzipbedingten Offsets auf dem Meßsignal
  2. 2.) offsetkompensierte Integration des gemessenen Winkelgeschwindigkeitssignals zum Winkelsignal
  3. 3.) Eliminierung der Oberschwingungen auf dem Meßsignal, die durch Oberschwingungen des Seiles verursacht werden.
  4. 4.) Eliminierung der Nickschwingungen durch geeignetes Störmodell
The gyroscope sensor measures the angular velocity in the corresponding sensitivity direction. By suitable choice of the installation location on the load hook, the sensitivity direction of the direction corresponding to the radial angle φ Sr. The observer has again the following tasks:
  1. 1.) Correction of the measurement principle-related offset on the measurement signal
  2. 2.) Offset compensated integration of the measured angular velocity signal to the angle signal
  3. 3.) Elimination of the harmonics on the measuring signal, which are caused by harmonics of the rope.
  4. 4.) Elimination of the pitching vibrations by suitable interference model

Der Offsetfehler ϕ̇ Offset wird wieder als abschnittsweise konstant angenommen. ϕ ¨ Offset , w = 0

Figure imgb0143
The offset error φ̇ offset is again assumed to be constant in sections. φ ¨ offset . w = 0
Figure imgb0143

Zur Eliminierung der Nickschwingung des Hakens wird die Resonanzfrequenz w Nick' w experimentell bestimmt. Die korrespondierende Schwingungsdifferentialgleichung entspricht Gl. 39b ϕ ¨ Nick , w = w Nick , w 2 ϕ Nick , w

Figure imgb0144
To eliminate the pitching vibration of the hook, the resonance frequency w Nick 'w is determined experimentally. The corresponding vibration differential equation corresponds to Eq. 39b φ ¨ Nick . w = - w Nick . w 2 φ Nick . w
Figure imgb0144

Die Zustandsraumdarstellung des Teilmodells für das Wippwerk nach Gl. 52-58 wird um das Störmodell erweitert. Im vorliegenden Fall wird ein vollständiger Beobachter hergeleitet. Die Beobachtergleichung für das modifizierte Zustandsraummodell lautet demnach: x ˙ ^ A z = ( A A z H A z C m A z ) x A z + B A z u A + H A z y A m

Figure imgb0145

wobei in Ergänzung zu Gl. 52-58 die folgenden Matrizen und Vektoren eingeführt werden.The state space representation of the submodel for the luffing gear according to Eq. 52-58 is extended by the fault model. In the present case, a complete observer is derived. The observer equation for the modified state space model is therefore: x ~ ˙ ^ A z = ( A ~ A z - H ~ A z C ~ m A z ) x ~ A z + B ~ A z u ~ A + H ~ A z y ~ A m
Figure imgb0145

in addition to Eq. 52-58 the following matrices and vectors are introduced.

Zustandsvektor: x D z = [ ϕ A ϕ ˙ A ϕ S r ϕ ˙ S r ϕ ˙ Offset , w ϕ Nick , w ϕ ˙ Nick , w ]

Figure imgb0146
Eingangsmatrix: B A z = [ 0 f e a f b 2 0 b e a f b 2 0 0 0 ]
Figure imgb0147
State vector: x ~ D z = [ φ A φ ˙ A φ S r φ ˙ S r φ ˙ offset . w φ Nick . w φ ˙ Nick . w ]
Figure imgb0146
Input matrix: B ~ A z = [ 0 f e a f - b 2 0 b e a f - b 2 0 0 0 ]
Figure imgb0147

Systemmatrix: A A z = [ 0 1 0 0 0 0 0 0 f c a f b 2 b g g a f b 2 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 b c a f b 2 a g g a f b 2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 w Nick , w 2 0 ]

Figure imgb0148
Matrix: A ~ A z = [ 0 1 0 0 0 0 0 0 - f c a f - b 2 - b G G a f - b 2 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 - b c a f - b 2 - a G G a f - b 2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 - w Nick . w 2 0 ]
Figure imgb0148

Störbeobachtermatrix: H A z = [ h 11 A h 12 A h 13 A h 21 A h 22 A h 23 A h 31 A h 32 A h 33 A h 41 A h 42 A h 43 A h 51 A h 52 A h 53 A h 61 A h 62 A h 63 A h 71 A h 72 A h 73 A ]

Figure imgb0149
Störbeobachtermatrix: H ~ A z = [ H 11 A H 12 A H 13 A H 21 A H 22 A H 23 A H 31 A H 32 A H 33 A H 41 A H 42 A H 43 A H 51 A H 52 A H 53 A H 61 A H 62 A H 63 A H 71 A H 72 A H 73 A ]
Figure imgb0149

Beobachterausgangsmatrix: C m A z = [ 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 ]

Figure imgb0150
Observers output matrix: C ~ m A z = [ 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 ]
Figure imgb0150

Ausgangsvektor der Meßgrößen: y m A = [ ϕ A ϕ ˙ A ϕ ˙ S r m ]

Figure imgb0151
Output vector of the measured quantities: y ~ m A = [ φ A φ ˙ A φ ˙ S r m ]
Figure imgb0151

Alternativ hierzu ist wiederum ein reduzierter Modellansatz wie beim Drehwerk möglich. Zudem kann eine verbesserte Offsetkompensation dadurch erreicht werden, dass in einem zweiten Beobachter der verbleibende Offset auf dem Winkelsignal ϕ̂ Sr , durch die zusätzliche Störvariable

Figure imgb0152
geschätzt und eliminiert wird und das dann geschätzte Winkelsignal
Figure imgb0153
für die Zustandsregelung verwendet wird.Alternatively, a reduced model approach as in the slewing is possible again. In addition, an improved offset compensation can be achieved in that in a second observer, the remaining offset on the angle signal φ Sr , by the additional disturbance variable
Figure imgb0152
estimated and eliminated and the then estimated angle signal
Figure imgb0153
is used for the state control.

Die Bestimmung der Beobachterverstärkungen h ijD wird entweder durch Transformation in Beobachtungsnormalform oder über das Entwurfsverfahren nach Riccati oder Polvorgabe durchgeführt. Wesentlich ist dabei, daß im Beobachter ebenfalls veränderliche Seillänge, Aufrichtwinkel und Lastmasse durch Adaption der Beobachterdifferentialgleichung und der Beobachterverstärkungen berücksichtigt werden. Aus dem geschätzten Zustandsvektor Az werden die geschätzten Werte ϕ̂ Sr ,

Figure imgb0154
auf den Zustandregler zurückgeführt. Damit erhält man am Ausgang des Zustandsreglerblocks 93 bei Rückführung von ϕ A ,ϕ̇ A ϕ̂ Sr ,
Figure imgb0155
bzw.
Figure imgb0156
im Falle des zweistufigen Beobachters (siehe auch Fig. 7a) dann u Arück = k 1 A ϕ A + k 2 A ϕ ˙ A + k 3 A ϕ ^ S r + k 4 A ϕ ^ ˙ S r
Figure imgb0157
The determination of the observer gains h ijD is carried out either by transformation into observational normal form or by the Riccati or Polvorgabe design method . It is essential that in the observer also variable rope length, righting angle and load mass are taken into account by adapting the observer differential equation and the observer reinforcements. From the estimated state vector x Az , the estimated values φ Sr ,
Figure imgb0154
returned to the state controller. This results in the output of the state regulator block 93 when φ A , φ̇ A φ Sr is returned ,
Figure imgb0155
respectively.
Figure imgb0156
in the case of the two-stage observer (see also Fig. 7a) then u Arück = k 1 A φ A + k 2 A φ ˙ A + k 3 A φ ^ S r + k 4 A φ ^ ˙ S r
Figure imgb0157

Die Sollansteuerspannung des Proportionalventils für die Wippachse ist unter Berücksichtigung der Vorsteuerung 91 analog zu Gl. 40 dann u Aref = u Avorst u Arück

Figure imgb0158
The Sollansteuerspannung the proportional valve for the rocking axis is taking into account the feedforward control 91 analogous to Eq. 40 then u Aref = u Avorst - u Arück
Figure imgb0158

Wie beim Drehwerk können optional Nichtlinearitäten der Hydraulik im Block 95 der Hydraulikkompensation kompensiert werden, so daß sich resultierend ein lineares Systemverhalten bezüglich des Systemeingangs ergibt. Beim Wippwerk können neben dem Ventiltotgang und der Hysterese Korrekturfaktoren für die Ansteuerspannung des Aufrichtwinkels ϕ A , sowie für den Verstärkungsfaktor K PA und den relevanten Zylinderdurchmesser A Zyl vorgesehen werden. Damit kann eine richtungsabhängige Strukturumschaltung des Achsreglers vermieden werden.As with the slewing gear, optional non-linearities of the hydraulics can be compensated in block 95 of the hydraulic compensation, resulting in a linear system behavior with respect to the system input. In the luffing gear, correction factors for the drive voltage of the righting angle φ A and for the gain factor K PA and the relevant cylinder diameter A Zyl can be provided in addition to the valve output and the hysteresis. Thus, a direction-dependent structure changeover of the axis controller can be avoided.

Zur Berechnung der notwendigen Kompensationsfunktion wird experimentell die statische Kennlinie zwischen Ansteuerspannung U StD des Proportionalventils und dem resultierenden Förderstrom Q FD aufgenommen. Die Kennlinie kann durch eine mathematische Funktion beschrieben werden. Q F A = f ( u S t A )

Figure imgb0159
In order to calculate the necessary compensation function, the static characteristic between the drive voltage U StD of the proportional valve and the resulting flow Q FD is experimentally recorded. The characteristic can be described by a mathematical function. Q F A = f ( u S t A )
Figure imgb0159

Bezüglich des Systemeingangs wird nun Linearität gefordert. D.h. das Proportionalventil und der Block der Hydraulikkompensation sollen gemäß Gl. 47 zusammengefaßt folgendes Übertragungsverhalten haben. Q F A = K P A u S t A

Figure imgb0160
Regarding the system input linearity is required. That is, the proportional valve and the block of hydraulic compensation should, according to Eq. 47 summarized have the following transmission behavior. Q F A = K P A u S t A
Figure imgb0160

Hat der Kompensationsblock 95 die statische Kennlinie u S t A = h ( u Aref )

Figure imgb0161
so ist Bedingung (76) genau dann erfüllt, wenn als statische Kompensationskennlinie h ( u Aref ) = f 1 ( K P A u Aref )
Figure imgb0162

gewählt wird.Compensation block 95 has the static characteristic u S t A = H ( u Aref )
Figure imgb0161
Thus, condition (76) is fulfilled if and only if as a static compensation characteristic H ( u Aref ) = f - 1 ( K P A u Aref )
Figure imgb0162

is selected.

Damit sind die einzelnen Kompenenten des Achsreglers für das Wippwerk erläutert. Resultierend erfüllt die Kombination aus Bahnplanungsmodul und Achsregler Wippwerk die Anforderung einer schwingungsfreien und bahngenauen Bewegung der Last beim Aufrichten und Neigen des Auslegers.This explains the individual components of the axis controller for the luffing gear. As a result, the combination of the path planning module and the Wippwerk axis controller fulfills the requirement of a vibration-free and pin-accurate movement of the load when erecting and tilting the boom.

Unberücksichtigt blieb bisher, daß bei Betätigung des Drehwerks durch die Zentripetalkräfte die Last (wie bei einem Kettenkarussell) in radialer Richtung ausgelenkt wird. Bei schnellem Abbremsen und Beschleunigen ruft dieser Effekt sphärische Pendelbewegungen der Last hervor. In den Differentialgleichungen Gl. 4 und 46 wird dies durch die Terme in Abhängigkeit von ϕ ˙ D 2

Figure imgb0163
ausgedrückt. Die entstehenden Pendelbewegungen werden durch die Zustandsregler von Drehwerk und Wippwerk gedämpft. Eine Verbesserung der Bahngenauigkeit und Kompensation der Schwingungsneigung bezüglich der radialen Schwingungen beim Drehen kann durch eine geeignete Vorsteuerung in einem Block zur Kompensation der Zentripetalkräfte erreicht werden. Hierzu wird bei einer Drehbewegung das Wippwerk mit einer Ausgleichsbewegung beaufschlagt, die den Zentripetaleffekt kompensiert.Not considered so far was that upon actuation of the slewing by the centripetal forces the load (as in a chain carousel) deflected in the radial direction becomes. At fast deceleration and acceleration, this effect causes spherical pendulum movements of the load. In the differential equations Eq. 4 and 46 this is determined by the terms depending on φ ˙ D 2
Figure imgb0163
expressed. The resulting oscillations are dampened by the state controllers of Drehwerk and Wippwerk. An improvement in the path accuracy and compensation of the tendency to oscillate with respect to the radial vibrations during rotation can be achieved by a suitable feedforward control in a block for compensating the centripetal forces. For this purpose, during a rotary movement, the luffing mechanism is acted upon by a compensation movement which compensates for the centripetal effect.

In Fig. 12 Ist dieser Effekt dargestellt. Bei alleiniger Drehung der Last verursacht die Zentripetalkraft F z = m L r L A ϕ ˙ D 2

Figure imgb0164

eine Auslenkung des Pendels um den Winkel ϕ Sr . Die Gleichgewichtsbedingung für das Kräftegleichgewicht in diesem Fall lautet: m L ( r L A + Δ r L A ) ϕ ˙ D 2 = m L g tan ϕ s r
Figure imgb0165
In Fig. 12 this effect is shown. The sole rotation of the load causes the centripetal force F z = m L r L A φ ˙ D 2
Figure imgb0164

a deflection of the pendulum at the angle φ Sr. The equilibrium condition for the equilibrium of forces in this case is: m L ( r L A + Δ r L A ) φ ˙ D 2 = m L G tan φ s r
Figure imgb0165

Die daraus resultierende Bahnabweichung in radialer Richtung Δr LA und in Richtung der Hubwerksbewegung Δz läßt sich dann in Abhängigkeit vom radialen Seilwinkel ϕ Sr beschreiben durch Δ r L A = l s sin ϕ s r

Figure imgb0166
Δ z = l s ( 1 cos ϕ s r ) .
Figure imgb0167
The resulting path deviation in the radial direction Δr LA and in the direction of the hoist movement Δz can then be described as a function of the radial rope angle φ Sr Δ r L A = l s sin φ s r
Figure imgb0166
Δ z = l s ( 1 - cos φ s r ) ,
Figure imgb0167

Das Modul 150 zur Kompensation der Zentripetalkraft (Fig. 3) hat nun die Aufgabe, durch eine gleichzeitige Ausgleichsbewegung von Wippwerk und Hubwerk diese Abweichung in Abhängigkeit der Drehbewegung auszugleichen. Anstatt der tatsächlichen Drehgeschwindigkeit des Turmes ϕ̇ D wird dabei die im Bahnplanungsmodul generierte Solldrehgeschwindigkeit der Last ϕ̇ Dref verwendet. Je nach Eingang für die Führungsgröße wird nun die einzustellende Sollposition in radialer Richtung oder die anzufahrende Winkelposition des Auslegers aus den Gleichungen (78 a-c) berechnet, so daß der ursprüngliche Radius von der Lastposition abgefahren wird. Über den Wippwinkel ϕ A1 wird der resultierende Drehradius der Last von R 1 = cos ϕ A 1 l A

Figure imgb0168

eingestellt. Obige Gleichungen werden um ϕ Sr =0 linearisiert. Damit wird tan ϕ Sr sin ϕ Sr ϕ Sr . Die sich dann ergebende radiale Abweichung ist R 1 ϕ ˙ Dref 2 g l s = Δ r L A
Figure imgb0169
The module 150 for compensating the centripetal force (FIG. 3) now has the task of achieving this by simultaneously compensating movement of the luffing mechanism and the lifting mechanism Compensate for deviation as a function of the rotational movement. Instead of the actual rotational speed of the tower φ̇ D , the target rotational speed of the load φ̇ Dref generated in the path planning module is used. Depending on the input for the reference variable, the desired position to be set in the radial direction or the angular position of the cantilever to be set is then calculated from the equations (78 ac), so that the original radius is traversed by the load position. About the rocking angle φ A1 , the resulting radius of rotation of the load of R 1 = cos φ A 1 l A
Figure imgb0168

set. The above equations are linearized by φ Sr = 0. This will tan φ Sr sin φ Sr φ Sr. The resulting radial deviation is then R 1 φ ˙ Dref 2 G l s = Δ r L A
Figure imgb0169

Der von der Last eingehaltene Drehradius ist dann: R ges = R 1 [ 1 + ϕ ˙ Dref 2 g l s ]

Figure imgb0170
The radius of rotation maintained by the load is then: R ges = R 1 [ 1 + φ ˙ Dref 2 G l s ]
Figure imgb0170

Jetzt wird die Forderung gestellt, es soll ein Radius r LAkomp vorgegeben werden, so daß unter Berücksichtigung der Zentripetalabweichung r LA eingehalten wird.. r LAkomp = 1 1 + ϕ ˙ Dref 2 g l s r L A

Figure imgb0171
Now the demand is made that a radius r LAkomp should be given, so that, taking into account the centripetal deviation , r LA is observed. r LAkomp = 1 1 + φ ˙ Dref 2 G l s r L A
Figure imgb0171

Wird als Führungsgrößeneingang für das Wippwerk die Winkelposition verwendet, so ist wegen Gl. 78e cos ϕ Akomp = 1 1 + ϕ Dref 2 g l s cos ϕ Aref

Figure imgb0172
If the angular position is used as the reference variable input for the luffing mechanism, then, because of Eq. 78e cos φ Akomp = 1 1 + φ Dref 2 G l s cos φ Aref
Figure imgb0172

Um die Hubhöhe der Last konstant zu halten, kann optional die Anhebung der Last durch den Zentripetalkrafteffekt durch synchrone Ansteuerung des Hubwerks ausgeglichen werden. Mit Gl. (78d) erhält man hierzu aus der Gleichgewichtsbedingung Δ z = l s ( 1 cos ( arctan ( R ϕ ˙ D 2 g ) ) )

Figure imgb0173
In order to keep the lifting height of the load constant, the lifting of the load due to the centripetal force effect can be optionally compensated by synchronous control of the hoist. With Eq. (78d) is obtained from the equilibrium condition Δ z = l s ( 1 - cos ( arctan ( R φ ˙ D 2 G ) ) )
Figure imgb0173

Die aus der Berechnung von(78i) und (78j) folgenden Werte zur Kompensation der Zentripetalkraft werden zusätzlich auf die Führungsgrößeneingänge der Achsregler geschaltet.The values for compensating the centripetal force that follow from the calculation of (78i) and (78j) are additionally switched to the reference variable inputs of the axis controllers.

Zusätzlich muß eine dann zulässige Seilaustenkung für ϕ Sr eingeführt werden. Durch das Hochziehen des Auslegers überstreicht die Last genau dann den Sollradius r LAref, wenn der Ausleger auf einen Sollradius von r LArefkomp eingestellt wird und gleichzeitig eine Seilanlenkung von ϕ Srzul = ϕ ˙ Dref 2 r LArefkomp g l S ϕ ˙ D 2

Figure imgb0174
zugelassen wird. Damit die beabsichtigte Seilaustenkung von der unterlagerten Regelung nicht ausgeglichen wird, wird diese mit k 3A gewichtet mit auf den Stelleingang gegeben.In addition, a then permissible Seilaustenkung for φ Sr must be introduced. By raising the boom, the load passes over the target radius r LAref if and only if the boom is set to a desired radius of r LArefkomp and at the same time a cable link of φ Srzul = φ ˙ Dref 2 r LArefkomp G - l S φ ˙ D 2
Figure imgb0174
is allowed. So that the intended Seilaustenkung is not compensated by the subordinate control, this is weighted with k 3A with given to the control input.

Die obigen Beziehungen basieren auf einer Stationäritätsbetrachtung, die im Falle niedriger Beschleunigung beim Drehen anwendbar ist. Sollten sehr hohen Beschleunigungen beim Drehen auftreten, wird für die versteuernde Kompensation ein dynamischer Modellansatz gewählt.The above relationships are based on a stationarity approach that is applicable in the case of low acceleration in turning. If very high accelerations occur during turning, a dynamic model approach is selected for the taxing compensation.

Die Pendelbewegung der Last lässt sich unter Berücksichtigung der Zentrifugalkraft durch folgende Differentialgleichung beschreiben, wobei der Einfluss auf die Pendelbewegung durch ϕ̈ A bewusst hier nicht berücksichtigt wurde, weil man ausschließlich auf die alleinige Wirkung der Zentrifugalkraft abzielt. m L l s 2 ϕ ¨ S r z = F Z l S cos ϕ S r z m g l S sin ϕ S r z

Figure imgb0175
The pendulum motion of the load can be described taking into account the centrifugal force by the following differential equation, the influence on the pendulum motion by φ̈ A deliberately was not considered here, because one aims exclusively at the sole effect of centrifugal force. m L l s 2 φ ¨ S r z = F Z l S cos φ S r z - m G l S sin φ S r z
Figure imgb0175

Mit F Z = ( sin ϕ S r z l S + l A cos ϕ A ) m L ϕ ˙ D 2

Figure imgb0176

erhält man ϕ ¨ S r z = ( sin ϕ S r z + l A l S cos ϕ A ) ϕ ˙ D 2 cos ϕ S r z g l S sin ϕ S r z
Figure imgb0177

ϕ Srz ist der durch die Zentrifugalkraft bedingte Seilwinkel. Nach Linearisierung um ϕ Srz = 0 und Vernachlässigung des Terms ϕ S r ϕ ˙ D 2
Figure imgb0178
gegenüber l A l S cos ϕ A ϕ ˙ D 2
Figure imgb0179
erhält man ϕ ¨ S r z = l A l S cos ϕ A ϕ ˙ D 2 g l S ϕ S r z
Figure imgb0180
Gl. 78jd ist eine Differentialgleichung für eine ungedämpfte Schwingung, die durch außen über l A l S cos ϕ A ϕ ˙ D 2
Figure imgb0181
angeregt wird. Diese hat die Eigenfrequenz g l S .
Figure imgb0182
Für die Radiuskompensation ist man nur an dem Trend der Abweichung interessiert, da die Schwingung von dem unterlagerten Wippwerksregler gedämpft wird. Der Wippwerksregler ist so eingestellt, dass er mit einem Dämpfungskoeffizient d R in der obigen Differentialgleichung gleichgesetzt werden kann. Dieser wird in Gl. 78jd eingefügt. Ergebnis ist die folgende Übertragungsfunktion im Frequenzbereich: ϕ S r z ( s ) l A l S cos ϕ A s 2 + 2 g l S d R s + g l S ϕ ˙ D 2 ( s )
Figure imgb0183

oder ϕ ¨ S r z = g l S ϕ S r z 2 g l S d R ϕ ˙ S r z + l A l S cos ϕ A ϕ ˙ D 2
Figure imgb0184

im Zeitbereich. Diese Differentialgleichung kann nun mit der Messgröße ϕ ˙ D 2
Figure imgb0185
oder der Sollgröße ϕ ˙ Dref 2
Figure imgb0186
als Eingang während des Kranbetriebs mitsimuliert werden. Sie liefert die zu erwartenden Seilwinkel aufgrund der Zentrifugalkraft, wobei die Messgrößen der Seillänge l S und Aufrichtwinkel ϕ A stets nachgeführt werden.With F Z = ( sin φ S r z l S + l A cos φ A ) m L φ ˙ D 2
Figure imgb0176

you get φ ¨ S r z = ( sin φ S r z + l A l S cos φ A ) φ ˙ D 2 cos φ S r z - G l S sin φ S r z
Figure imgb0177

φ Srz is the rope angle caused by the centrifugal force. After linearization by φ Srz = 0 and neglecting the term φ S r φ ˙ D 2
Figure imgb0178
across from l A l S cos φ A φ ˙ D 2
Figure imgb0179
you get φ ¨ S r z = l A l S cos φ A φ ˙ D 2 - G l S φ S r z
Figure imgb0180
Eq. 78jd is a differential equation for an undamped vibration passing through the outside l A l S cos φ A φ ˙ D 2
Figure imgb0181
is stimulated. This has the natural frequency G l S ,
Figure imgb0182
For the radius compensation, one is only interested in the trend of the deviation, since the vibration is damped by the subordinate luffing mechanism controller. The luffing gear controller is set so that it can be equated with a damping coefficient d R in the above differential equation. This is reflected in Eq. 78jd inserted. The result is the following transfer function in the frequency domain: φ S r z ( s ) l A l S cos φ A s 2 + 2 G l S d R s + G l S φ ˙ D 2 ( s )
Figure imgb0183

or φ ¨ S r z = - G l S φ S r z - 2 G l S d R φ ˙ S r z + l A l S cos φ A φ ˙ D 2
Figure imgb0184

in the time domain. This differential equation can now be used with the measured variable φ ˙ D 2
Figure imgb0185
or the target size φ ˙ Dref 2
Figure imgb0186
be simulated as input during crane operation. It delivers the expected rope angles due to the centrifugal force, with the parameters of the rope length l S and Aufrichtwinkel φ A are always tracked.

Die dadurch entstehende Radiusabweichung Δr LA ist dann Δ r L A = l S sin ϕ S r z

Figure imgb0187

und damit r LAkomp = r LAref l S sin ϕ Srz .
Figure imgb0188
The resulting radius deviation Δr LA is then Δ r L A = l S sin φ S r z
Figure imgb0187

and thus r LAkomp = r LAREF - l S sin φ Srz ,
Figure imgb0188

Die höheren Ableitungen werden entsprechend gebildet. Der simulierte durch die Zentrifugalkraft bedingte Winkel ϕ Srz , wird mit k 3A gewichtet kompensierend auf den Stelleingang gegeben.The higher derivatives are formed accordingly. The simulated angle φ Srz , caused by the centrifugal force, is weighted compensated by k 3A to the control input.

Um das Problem insbesondere der Kopplung der Differentialgleichungen 4 und 46 zu behandeln, ist desweiteren das Verfahren der flachheitsbasierten Steuerung und Regelung in Modifikation auf Basis der nichtlinearen Systemgleichungen anwendbar. Die Struktur von Gl. 4 und 46 kann geschrieben werden als a 0 ϕ ¨ D + a 1 ϕ ¨ S t + a 2 ϕ ˙ D = M D

Figure imgb0189
a 3 ϕ ¨ D + a 4 ϕ ¨ S t + a 5 ϕ S t = a 6 ϕ ˙ D 2 ϕ S t
Figure imgb0190
b 0 ϕ ¨ A + b 1 ϕ ¨ S r + b 2 ϕ ˙ A = M A
Figure imgb0191
b 4 ϕ ¨ A + b 5 ϕ ¨ S r + b 6 ϕ S r = b 7 ϕ ˙ D 2 ϕ S r
Figure imgb0192
Further, in order to deal with the problem of coupling the differential equations 4 and 46, the method of flatness-based control and regulation based on the non-linear system equations is applicable. The structure of Eq. 4 and 46 can be written as a 0 φ ¨ D + a 1 φ ¨ S t + a 2 φ ˙ D = M D
Figure imgb0189
a 3 φ ¨ D + a 4 φ ¨ S t + a 5 φ S t = a 6 φ ˙ D 2 φ S t
Figure imgb0190
b 0 φ ¨ A + b 1 φ ¨ S r + b 2 φ ˙ A = M A
Figure imgb0191
b 4 φ ¨ A + b 5 φ ¨ S r + b 6 φ S r = b 7 φ ˙ D 2 φ S r
Figure imgb0192

Nun kann Gl. 78k bzw. 78m nach ϕ̈ St bzw. ϕ̈ Sr aufgelöst werden. Damit erhält man ϕ ¨ S t = 1 a 1 ( M D a 0 ϕ ¨ D a 2 ϕ ˙ D )

Figure imgb0193
ϕ ¨ S r = 1 b 1 ( M A b 0 ϕ ¨ A b 2 ϕ ˙ A )
Figure imgb0194
Now Eq. 78k and 78m after φ̈ St and φ̈ Sr , respectively. This gives you φ ¨ S t = 1 a 1 ( M D - a 0 φ ¨ D - a 2 φ ˙ D )
Figure imgb0193
φ ¨ S r = 1 b 1 ( M A - b 0 φ ¨ A - b 2 φ ˙ A )
Figure imgb0194

In Gl. 781 bzw. 78n wird Gl. 78o bzw. 78p eingesetzt. Dann können diese Gleichungen nach dem aufzubringenden Moment umgeformt werden. M D = a 1 a 4 ( a 6 ϕ ˙ D 2 ϕ S t a 5 ϕ S t a 3 ϕ ¨ D ) + a 0 ϕ ¨ D + a 2 ϕ ˙ D

Figure imgb0195
M A = b 1 b 5 ( b 7 ϕ ˙ A 2 ϕ S r b 6 ϕ S r b 4 ϕ ¨ A ) + b 0 ϕ ¨ A + b 2 ϕ ˙ A
Figure imgb0196
In Eq. 781 and 78n, respectively, becomes Eq. 78o or 78p used. Then these equations can be transformed according to the moment to be applied. M D = a 1 a 4 ( a 6 φ ˙ D 2 φ S t - a 5 φ S t - a 3 φ ¨ D ) + a 0 φ ¨ D + a 2 φ ˙ D
Figure imgb0195
M A = b 1 b 5 ( b 7 φ ˙ A 2 φ S r - b 6 φ S r - b 4 φ ¨ A ) + b 0 φ ¨ A + b 2 φ ˙ A
Figure imgb0196

Mit Gl. 78q und 78r sind nun Zusammenhänge für die Sollmomente in Abhängigkeit zu den Zustandsgrößen gegeben. Wird nun anstatt des Drehwinkels bzw. Aufrichtwinkels der Solldrehwinkel bzw. Sollauftichtwinkel in Gl. 78q und 78r und der gemessene aktuelle Seilwinkel ϕ St und ϕ Sr eingesetzt so kann ein linearer Folgeregler definiert werden (siehe auch A.lsidori: Nonlinear Control Systems 2. Edition, Springer Verlag Berlin; Rothfuß R. et. al.: Flachheit: Ein neuer Zugang zur Steuerung und Regelung, Automatisierungstechnik 11/97 S. 517-525). Die Darstellung ergibt sich zu M D = a 1 a 4 ( a 6 ϕ ˙ Dref 2 ϕ S t a 5 ϕ S t a 3 v 1 ) + a 0 v 1 + a 2 ϕ ˙ Dref

Figure imgb0197
M A = b 1 b 5 ( b 7 ϕ ˙ Dref 2 ϕ S r b 6 ϕ S r b 4 v 2 ) + b 0 v 2 + b 2 ϕ ˙ Aref
Figure imgb0198

mit v 1 = ϕ ¨ D P 10 ( ϕ D ϕ Dref ) P 11 ( ϕ ˙ D ϕ ˙ Dref ) v 2 = ϕ ¨ A P 20 ( ϕ A ϕ Aref ) P 21 ( ϕ ˙ A ϕ ˙ Aref )
Figure imgb0199
With Eq. 78q and 78r are now given correlations for the setpoint moments as a function of the state variables. If instead of the rotation angle or Aufrichtwinkels now the target rotation angle or Sollauftichtwinkel in Eq. 78q and 78r and the measured actual rope angle φ St and φ Sr used so a linear slave controller can be defined (see also A.lsidori: Nonlinear Control Systems 2nd Edition, Springer Verlag Berlin, Rothfuß R. et al.: Flatness: Ein new access to control and regulation, automation technology 11/97 p. 517-525). The presentation is too M D = a 1 a 4 ( a 6 φ ˙ Dref 2 φ S t - a 5 φ S t - a 3 v 1 ) + a 0 v 1 + a 2 φ ˙ Dref
Figure imgb0197
M A = b 1 b 5 ( b 7 φ ˙ Dref 2 φ S r - b 6 φ S r - b 4 v 2 ) + b 0 v 2 + b 2 φ ˙ Aref
Figure imgb0198

With v 1 = φ ¨ D - P 10 ( φ D - φ Dref ) - P 11 ( φ ˙ D - φ ˙ Dref ) v 2 = φ ¨ A - P 20 ( φ A - φ Aref ) - P 21 ( φ ˙ A - φ ˙ Aref )
Figure imgb0199

Die P 10 , P 11 , P 20 , P 21 sind so zu wählen, daß die Regelung mit hoher Dynamik bei ausreichender Dämpfung arbeitet.The P 10 , P 11 , P 20 , P 21 are to be chosen so that the scheme works with high dynamics with sufficient damping.

Eine weitere Möglichkeit zur Behandlung der Nichtlinearität neben den beiden aufgezeigten Verfahren besteht in der Methode der exakten Linearisierung sowie Entkopplung des Systems. Im vorliegenden Fall gelingt dies jedoch nur unvollständig, da das System nicht die volle Differenzordnung besitzt. Dennoch kann ein Regler basierend auf diesem Verfahren angewendet werden.Another way to treat the non-linearity in addition to the two methods shown is the method of exact linearization and decoupling of the system. In the present case, however, this succeeds only incompletely, since the system does not have the full order of difference. Nevertheless, a regulator based on this method can be used.

Zuletzt soll nun die Struktur des Achsreglers für das Hubwerk erläutert werden. Die Struktur des Achsreglers ist in Fig. 13 dargestellt. Im Gegensatz zu den Achsreglem Drehwerk 43 und Wippwerk 45 ist der Achsregler für das Hubwerk 47, da diese Achse nur geringe Schwingungsneigung zeigt, mit einer herkömmlichen Kaskadenregelung mit einer äußeren Regelschleife für die Position und einer inneren für die Geschwindigkeit ausgestattet.Lastly, the structure of the axis controller for the hoist will now be explained. The structure of the axis controller is shown in FIG. In contrast to the Achsreglem Drehwerk 43 and Wippwerk 45, the axis controller for the hoist 47, since this axis shows little tendency to oscillate, equipped with a conventional cascade control with an outer loop for the position and an inner for the speed.

Vom Bahnplanungsmodul 39 bzw. 41 werden zur Ansteuerung des Achsregiers nur die Zeitfunktionen Sollposition des Hubwerks l ref und die Sollgeschwindigkeit i ref benötigt. Diese werden in einem Vorsteuerungsblock 121 derart gewichtet, daß sich ein schnell ansprechendes und hinsichtlich der Position stationär genaues Systemverhalten ergibt. Da hinter dem Vorsteuerungsblock unmittelbar der Soll-Istvergleich zwischen Führungsgröße l ref und Meßgröße l S erfolgt, ist Stationärität bezüglich der Position dann erfüllt, wenn die Vorsteuerungsverstärkung für die Position 1 ist. Die Vorsteuerungsverstärkung für die Sollgeschwindigkeit i ref ist so zu bestimmen, daß sich subjektiv ein schnelles aber gut gedämpftes Ansprechverhalten bei der Handhebelbedienung ergibt. Der Regler 123 für die Positionsregelschleife kann als Proportionalregler (P-Regler) ausgeführt werden. Die Regelver stärkung ist nach den Kriterien Stabilität und hinreichende Dämpfung des geschlossenen Regelkreises zu bestimmen. Ausgangsgröße des Reglers 123 ist die ideale Ansteuerspannung des Proportionalventils. Wie bei den Achsregler Drehwerk 43 und Wippwerk 45 werden in einem Kompensationsblock 125 die Nichtlinearitäten der Hydraulik ausgeglichen. Die Berechnung erfolgt wie beim Drehen (Gl. 42-44). Ausgangsgröße ist die korrigierte Ansteuerspannung des Proportionalventils u StL . Innere Regelschleife für die Geschwindigkeit ist die unterlagerte Förderstromregelung des Hydraulikkreislaufes.From the path planning module 39 or 41, only the time functions setpoint position of the hoist l ref and the setpoint speed i ref are required to control the axis controller. These are weighted in a pre-control block 121 so as to give a fast responding and steady state system behavior with respect to position. Since the setpoint actual comparison between the reference variable l ref and the measured variable l S takes place directly behind the pilot control block, stationarity with respect to the position is then met when the pilot control gain for the position is 1. The pre-control gain for the target speed i ref is to be determined so subjectively gives a quick but well damped response in the hand lever operation. The position control loop controller 123 may be implemented as a proportional controller (P controller). The control gain is to be determined according to the criteria stability and sufficient damping of the closed loop. Output of regulator 123 is the ideal drive voltage of the proportional valve. As with the axis controller slewing gear 43 and luffing gear 45, the nonlinearities of the hydraulics are compensated in a compensation block 125. The calculation is the same as for turning (equations 42-44). The output variable is the corrected drive voltage of the proportional valve u StL . Internal control loop for the speed is the subordinate flow control of the hydraulic circuit.

Letzte Bewegungsrichtung ist das Drehen der Last am Lasthaken selbst durch das Lastschwenkwerk. Eine entsprechende Beschreibung dieser Regelung ergibt sich aus der deutschen Patentanmeldung DE 100 29 579 vom 15.06.2000, auf deren Inhalt hier ausdrücklich verwiesen wird. Die Rotation der Last wird über das zwischen einer am Seil hängenden Unterflasche und einer Lastaufnahmevorrichtung angeordnete Lastschwenkwerk vorgenommen. Dabei werden auftretende Torsionsschwingungen unterdrückt. Damit kann die in den meisten Fällen ja eben nicht rotationssymmetrische Last lagegenau aufgenommen, durch einen entsprechenden Engpass bewegt und abgesetzt werden. Selbstverständlich wird auch diese Bewegungsrichtung im Bahnplanungsmodul integriert, wie dies beispielsweise anhand der Übersicht in Fig. 3 dargestellt ist. In besonders vorteilhafter Weise kann hier die Last schon nach dem Aufnehmen während des Transportes durch die Luft in die entsprechend gewünschte Schwenkposition mittels des Lastschwenkwerkes verfahren werden, wobei hier die einzelnen Pumpen und Motoren synchron angesteuert werden. Wahlweise kann auch ein Modus für eine drehwinkelunabhängige Orientierung gewählt werden.The last direction of movement is the turning of the load on the load hook itself by the load pivot mechanism. A corresponding description of this regulation results from the German patent application DE 100 29 579 from 15.06.2000, on the Content is expressly referred to here. The rotation of the load is made via the arranged between a hanging on the rope bottom block and a load receiving device load swing mechanism. In this case occurring torsional vibrations are suppressed. Thus, in most cases, just not rotationally symmetric load can be accurately recorded, moved by a corresponding bottleneck and discontinued. Of course, this direction of movement is integrated in the path planning module, as shown for example with reference to the overview in Fig. 3. In a particularly advantageous manner, the load can be moved here after picking during transport through the air in the corresponding desired pivot position by means of the load pivoting mechanism, in which case the individual pumps and motors are controlled synchronously. Optionally, a mode for a rotation-independent orientation can be selected.

Zusammenfassend ergibt sich im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein Hafenmobilkran, dessen Bahnsteuerung ein bahngenaues Verfahren der Last mit allen Achsen erlaubt und dabei aktiv Schwingungen und Pendelbewegungen unterdrückt.In summary, in the embodiment shown here results in a mobile harbor crane, the path control allows a web-accurate method of the load with all axes and actively suppresses vibrations and oscillations.

Insbesondere für den halbautomatischen Betrieb eines Kranes oder Baggers kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausreichen, wenn man nur die Positions- und Geschwindigkeitsfunktion in der Vorsteuerung aufschaltet. Dies führt zu einem subjektiv ruhigeren Verhalten. Es ist also nicht notwendig, sämtliche Werte des dynamischen Modells bis hin zur Ableitung des Ruckes abzubilden und aus diesen Steuergrößen zu erzeugen, die zur aktiven Dämpfung der Lastpendelbewegung aufzuschalten sind.In particular, for the semi-automatic operation of a crane or excavator, it may be sufficient in the context of the present invention, if only turns on the position and speed function in the feedforward. This leads to a subjectively calmer behavior. It is therefore not necessary to map all the values of the dynamic model up to the derivative of the jerk and to generate from these control variables, which are to be connected for active damping of the load pendulum motion.

Claims (12)

  1. Crane or excavator (1, 11, 5) for swinging a load (3) hanging on a load cable, having a rotating mechanism (1) for rotating the crane or excavator, a luffing mechanism (7) for elevating or depressing a jib (5), and a lifting mechanism for raising or lowering the load (3) hanging on the cable, having a computer-based control system (31) for damping the oscillations of the load, which has a path planning module (39), a centripetal force compensating device (150) and at least one axis controller (43) for the rotating mechanism, an axis controller (45) for the luffing mechanism and an axis controller (47) for the lifting mechanism, characterized in that the angle of oscillation and the speed of oscillation of the load (ϕ Sr St ,ϕ̇ Sr ,ϕ̇ St ) is calculated from gyroscope signals from at least one gyroscope.
  2. Crane or excavator according to Claim 1, characterized in that, in addition, a load swivelling mechanism is arranged between a bottom block of the load cable and a load-lifting means, and in that the control system additionally has an axis controller for damping the oscillation of the load, which is connected to the path planning module.
  3. Crane or excavator according to Claim 1 or Claim 2, characterized in that, first of all, the path of the load in the working space can be generated in the path planning module and can be passed on to the respective axis controller in the form of a time function for the load position, speed, acceleration of the jerk and, if appropriate, the derivative of the jerk.
  4. Crane or excavator according to Claim 3, characterized in that each axis controller has a feed-forward control unit in which, on the basis of a dynamic model based on differential equations, the dynamic behaviour of the mechanical and hydraulic system of the crane or excavator can be depicted, so that it is possible to generate control variables which can be used for the active damping of the oscillating movement of the load.
  5. Crane or excavator according to Claim 4, characterized in that the control system additionally has a state control unit, in which real deviations from the idealized dynamic model of the feed-forward control system are registered.
  6. Crane or excavator according to Claim 5, characterized in that, in the state control unit, at least one of the measured variables comprising the angle of swing in the radial or tangential direction (ϕ Sr , or ϕ St ), angle of elevation (ϕ A ), angle of rotation (ϕ D ), cable length (ls), jib deflection in the horizontal and vertical direction, and also their derivatives and the mass of the load can be fed back.
  7. Crane or excavator according to Claim 1, characterized in that the disturbances in the measured signal from the gyroscope can be estimated and compensated for in the disturbance observer.
  8. Crane or excavator according to one of Claims 2 to 7, characterized in that the axis controller for the lifting mechanism has a cascade control system having an outer control loop for the position and an inner control loop for the speed.
  9. Crane or excavator according to one of Claims 1 to 8, characterized in that, in the path planning module, it is possible to generate the path of the load for semi-automatic operation proportional to the deflection of a hand lever and, in fully automatic operation, corresponding target coordinates.
  10. Crane or excavator according to Claim 9, characterized in that the path planning module for semi-automatic operation substantially comprises a elope limiter of second order for normal operation and a slope limiter of second order for a rapid stop.
  11. Crane or excavator according to one of Claims 4 to 10, characterized in that only the position function and the speed function can be used as control variables for the active damping of the oscillating movement of the load.
  12. Crane or excavator according to Claim 11, characterized in that, in addition, the acceleration function and the jerk function can in each case also be used in the feed-forward control.
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