EP1628902B1 - Crane or excavator for handling a cable-suspended load provided with optimised motion guidance - Google Patents
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- EP1628902B1 EP1628902B1 EP04739403A EP04739403A EP1628902B1 EP 1628902 B1 EP1628902 B1 EP 1628902B1 EP 04739403 A EP04739403 A EP 04739403A EP 04739403 A EP04739403 A EP 04739403A EP 1628902 B1 EP1628902 B1 EP 1628902B1
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Definitions
- the invention relates to a crane or excavator for handling a load suspended on a load rope according to the preamble of claim 1.
- the invention deals with the generation of reference variables as control functions in cranes or excavators, which allows a movement of the suspended on a rope load 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 and a slewing gear 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.
- the WO 02/32805 A1 describes a crane or excavator for transferring from a load suspended on a load rope with a computerized control for damping the load oscillation, which has a trajectory planning module, 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. Only the kinematic limits of the system are taken into account in the path planning module. The dynamic behavior is only considered in the design of the control.
- the DE-A-100 64 182 describes a crane for transferring from a load suspended on a load rope according to the preamble of claim 1.
- the object of the invention is to further optimize the motion control of the load hanging on the load rope.
- a generic crane or excavator on a control in which the reference variables for the control are generated so that there is an optimized movement with minimized pendulum swings.
- the wandered path of the swinging load can be predicted and, based on this, a collision avoidance strategy can be realized.
- model-based optimal control trajectories are calculated and updated online in the path control of the present invention.
- the model-based optimal control trajectories can be constructed based on a model linearized around reference trajectories.
- the model-based optimal control trajectories may be based on a non-linear model approach.
- the model-based optimal control jitters can be determined by returning all state variables.
- model-based optimal control trajectories can be determined by returning at least one measured variable and estimating the remaining state variables.
- model-based optimal control trajectories can be determined by returning at least one measured variable and tracking the remaining state variables by model-based feedforward control.
- the path control can advantageously be carried out as fully automatic or as semi-automatic.
- the desired functions are in contrast to WO 02/32805 A1 now generated in such a way that the dynamic behavior of the crane is taken into account even before switching to the control.
- the scheme has only the task of compensating for model deviations and disturbances, resulting in improved driving behavior.
- the control can be completely eliminated and the crane can be operated with this optimized control function.
- the behavior will be slightly less favorable than when operating with the control because the model does not match the actual conditions in every detail.
- the method provides for two modes of operation.
- the hand lever operation where the operator sets a target speed of the load by the hand lever deflection, and the fully automatic operation where the start and end point are specified.
- the optimized control function calculation can be operated alone or in conjunction with a control for load swing damping.
- 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 I S can be varied with the hoist.
- 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 with module for optimized movement guidance.
- 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 proportional valves are controlled by the u SLD , u StA , u StL , u StR signals.
- the hydraulic control is usually equipped with a subordinate flow control.
- control voltages U StD , u StA , u StL , u SrR be implemented at 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.
- FIG. 3 shows the path control with the module for optimized motion guidance Control for load oscillation damping
- Figure 4 the path control with the module for optimized motion control without control for load oscillation damping.
- This Lastpendeldämpfung can, for example, according to the script PCT / EP01 / 12080 have been designed. Therefore, the content disclosed therein is fully included in this document.
- Input values of the module 37 is a set point matrix 35 for the position and orientation of the load, which in the simplest case consists of start and end point.
- the position is usually described on rotating cranes by polar coordinates ( ⁇ LD , r LA , l ) . Since this does not completely describe the position of the extended body (eg of a container) in space, another angle size can be added (angle of rotation ⁇ L about the vertical axis which is parallel to the cable).
- the target position variables ⁇ LD target , r LAZ target , Ziel target , ⁇ L target are summarized in vector q target .
- Input variables of the module 39 are the current positions of the hand lever 34 for controlling the crane.
- the deflection of the hand lever corresponds to the desired target speed of the load in the respective direction of movement. Accordingly, the target velocities ⁇ LD target , ⁇ LAZiel , l ⁇ target , ⁇ target to target velocity vector q ⁇ target are summarized.
- the optimal control problem can be solved from this information about the stored model for describing the dynamic behavior and the selected boundary and secondary conditions.
- Output variables are then the time functions u out, D , u out, A , u out, l , u out, R , the same input variables of the subordinate control for load sway 36 and the subordinate control for position or speed of the crane 41.
- a direct control 41 of the crane without subordinate control is possible with appropriate formulation of the equations in FIG. 37.
- the hand lever value can be used to change the secondary condition of the maximum permissible Geschiwndmaschine in optimal control problem. This is particularly advantageous in that even in fully automatic operation, the user has the opportunity to influence the fully automatic process online in speed. The changes made are immediately adopted and taken into account in the next run of the algorithm.
- Model-based estimation methods 43 such as observer structures, are available here.
- the missing state variables are estimated or tracked from the measured variables of the crane position and the drive functions u out, D, u out, A, u out, I, u out, R in a stored dynamic model (see FIG. 4).
- the basis for the method of optimized motion control is the method of dynamic optimization.
- the dynamic behavior of the crane must be mapped in a differential equation model.
- the model equations either the Lagrangian formalism or the Newton-Euler method can be used.
- FIG. 5 shows the model variables, the model variables associated with the rotational movement
- FIG. 6 the model variables for the radial movement.
- Fig. 5 will be explained in detail.
- 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.
- I S is the resulting cable length from the boom head to the load center.
- ⁇ A is the current upright angle of the luffing gear
- I A is the length of the boom
- ⁇ St is the actual rope angle in the tangential direction (since ⁇ St is small, sin ⁇ St ⁇ St can be approximated).
- 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, which indicates the relationship between the flow rate and the drive voltage of the proportional valve. Dynamic effects of subordinate flow control are neglected.
- the transmission behavior of the drive units can be represented by an approximate relationship as delay element 1st or higher order instead of the equation 4.
- the approximation with a delay element of the first order is shown below.
- Equation (2) is not needed.
- T DAntr is the approximate time constant (derived from measurements to describe the deceleration behavior of the drives)
- K PDAntr the resulting gain between drive voltage and resulting velocity in the staiffy case.
- ⁇ ⁇ D K P ⁇ Ddirekt u ⁇ S ⁇ t ⁇ D
- FIG. 6 gives explanations for the definition of the model variables.
- Equation (9) 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.
- Equation (10) 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 Z ⁇ y ⁇ l ⁇ d b ⁇ cos ⁇ p ⁇ 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. 7 shows the erecting kinematics of the luffing mechanism.
- the hydraulic cylinder is anchored above the pivot point of the boom on 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 .
- the correction angle ⁇ 0 takes into account the deviations of the attachment points from the boom or tower axis and is also known from design data. From this it is possible to derive the following relationship between erecting angle ⁇ A and hydraulic cylinder position Z cyl .
- z cyl d a 2 + d b 2 - 2 ⁇ d b ⁇ d a ⁇ sin ⁇ A - ⁇ 0
- Equation (9) is not needed.
- T AAntr is the approximate time constant (derived from measurements to describe the deceleration behavior of the drives)
- K PAAntr the resulting gain between the drive voltage and the resulting velocity in the stationary case.
- z ⁇ Zyl K PAdirekt ⁇ u S ⁇ t ⁇ A
- 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 dated 15.06.2000, the contents of which are 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 module for optimized motion control, as shown for example in 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 dynamics of the hoist is neglected, since the dynamics of the hoist movement is fast compared to the system dynamics of the load oscillation of the crane. However, as with the load swing mechanism, the corresponding dynamic equations describing the hoist dynamics can be added at any time if required.
- the vectors a ( x ), b ( x ), c ( x ) are obtained by transforming the equations (2) - (4), (8) - (15).
- the problem that the state x must be completely present as a measurement vector. Since in this case, however, no pendulum angle sensors are installed, in this case described above, the pendulum angle quantities ⁇ St , ⁇ ST , ⁇ Sr , ⁇ Sr from the control variables u StD , u StA and the measured variables ⁇ D , ⁇ D , ⁇ A , ⁇ A , p Zyl be reconstructed.
- the nonlinear model is linearized according to equation (20-23) and, for example, a parameter-adaptive state observer (see also FIG. 4, block 43) is designed.
- a state tracking of the cable angle quantities based on the model equations and the known progressions of the input variables as well as the measurable state variables can also be simplified.
- the target curves for the input signals are obtained by the solution of an optimal control problem, that is, ⁇ h. a task of dynamic optimization.
- an optimal control problem that is, ⁇ h. a task of dynamic optimization.
- Boundary conditions and trajectory restrictions of the optimal control problem result from the orbit data, the technical restrictions of the crane system (eg limited drive power, as well as restrictions due to dynamic load torque limitations to prevent tilting of the crane) and extended demands on the movement of the load.
- Such a formulation of the optimum control problem is given below by way of example both for the fully automatic operation of the system with predetermined start and end point of the load path and for the hand lever operation.
- the complete load movement between the given start and end point is not considered, but the optimal control problem is on a time window which is moved together with the dynamic operation [ t o , t f ].
- the start time of the optimization horizon t o is the current time, and in the optimal control problem, the dynamics of the crane system in the forecast horizon is up t f .
- This time horizon is an essential tuning parameter of the method and is limited downwards by the oscillation period of the load pendulum movement.
- the boundary conditions at the start time of the optimization horizon t 0 result from the current system state x ( t 0 ), which is measured or is reconstructed via an accompanying model from the control variables u S, tD , u StA and the measured quantities ⁇ D , ⁇ 'D, ⁇ A, ⁇ A, P Zyl via a parameter- adaptive state observer .
- the boundary conditions at the end of the optimization horizon t f are free.
- the rate of change of the control variables is limited. Thereby defined the mechanical stress can be limited. - u ⁇ S ⁇ t ⁇ D . Max ⁇ u ⁇ S ⁇ t ⁇ D t ⁇ u ⁇ S ⁇ t ⁇ D . Max - u ⁇ S ⁇ t ⁇ A . Max ⁇ u ⁇ S ⁇ tA t ⁇ u ⁇ S ⁇ t ⁇ A . Max
- control variables should be continuous as functions of time and have continuous first derivatives with respect to time.
- the elevation angle is limited due to the crane design ⁇ A . min ⁇ ⁇ A t ⁇ ⁇ A . Max
- Rail corridors can be included in the calculation of the optimal control both in fully automatic and in manual lever operation via the analytical description of the permissible load positions with the aid of inequality restrictions.
- the claim is not tied to a specific method for numerically calculating the optimal controls.
- the claim also expressly relates to an approximate solution to the above-mentioned optimal control problems, in which only a solution of sufficient (non-maximal) accuracy is determined in view of a reduced computational outlay for on-line use.
- a number of the hard constraints (constraints or trajectory inequality limitations) formulated above may be treated numerically as a soft constraint via an assessment of the constraint violation in the target function.
- the numerical solution will be explained here by means of multi-stage control parameterization.
- the length of the subintervals [t k , t k + 1 ] can be adapted to the dynamics of the problem. A larger number of subintervals usually leads to an improvement of the approximate solution, but also to an increased calculation effort.
- the time characteristic of the control variables is now approximated by a starting function U k with a fixed number of parameters u k (control parameters).
- u t ⁇ u app t U k t ⁇ u k . t k ⁇ t ⁇ t k + 1
- the state differential equation of the dynamic model can be numerically integrated and the target functionally evaluated, whereby the approximated time profiles are used instead of the control variables.
- the Boundary conditions and the trajectory restrictions can also be understood as functions of the control parameters.
- the optimal control problem is approximated in this way by a nonlinear optimization problem in the control parameters, where objective function calculation and constraint evaluation of the nonlinear optimization problem respectively require the numerical integration of the dynamic model taking into account the approximation approach of equation (34).
- This limited nonlinear optimization problem can now be solved numerically, using a standard sequential quadratic programming (SQP) method, in which the solution of the nonlinear problem is determined by a series of linear-quadratic approximations.
- the continuity of the approximated state trajectories has to be ensured. This increases the dimension of the nonlinear optimization problem.
- B t b x ref t .
- C t ⁇ c ( x ref t ) ⁇ x ref t
- the optimal control task is formulated in the variables ⁇ x, ⁇ u , a limited linear-quadratic optimal control problem results.
- the state differential equation can be analytically solved on the basis of the associated equation of motion on each subinterval [t k , t k + 1 ] , and the complicated numerical integration is dispensed with.
- the optimal control task is thus approximated by a finite-dimensional quadratic optimization problem with linear equations and inequations restrictions, which can be solved numerically with a fitted standard method.
- the numerical effort for this is significantly lower than in the case of the nonlinear optimization problem described above.
- the described linearization approach is particularly suitable for the approximate solution of the optimal control problems in manual lever operation, since in this case, on the one hand, due to the shorter optimization horizon (time window [ t o , t f ]) the inaccuracies caused by the linearization have a lesser effect and, on the other hand, the ones calculated in the preceding periodical optimal control and state progressions suitable reference trajectories are available.
- the optimum time courses of both the control variables and the state variables of the dynamic model are obtained. These are switched on during operation with subordinate control as actuating and reference variables. Since the dynamic behavior of the crane is taken into account in these nominal functions, only disturbances and model deviations have to be compensated by the control. In the case of operation without subordinate control, however, the optimum characteristics of the control variables are applied directly as manipulated variables. Furthermore, the solution of the optimal control problem provides a prognosis of the path of the oscillating load, which can be used for extended measures for collision avoidance.
- FIG. 8 shows the flow chart for the calculation of the optimized control variable in fully automatic operation.
- the optimal control problem is defined by including the allowable range and technical parameters.
- the numerical solution of the optimal control problem provides optimal timing of the control and state variables. These are activated with subordinate control for load oscillation damping as actuating and reference variables. Alternatively, a realization without subordinate control - then with direct connection of the optimal control functions on the hydraulics - can be realized.
- Fig. 9 shows the interaction of state reconstruction and calculation of the optimal control in the case of the hand lever operation.
- the state of the dynamic crane model is tracked using the available measured variables.
- time curves of the drive functions are determined which, starting from this current state, are reduced Load swinging brings the load speed to the setpoints specified by the hand lever.
- a once calculated optimal control is not over the full time horizon [ t 0 , t f ] , but is constantly adapted to the current system status and the current setpoint values. The frequency of this adaptation is limited by the required computing time for recalculation of the optimal control.
- control 10 shows exemplary results for optimal time courses of the control variables in fully automatic operation.
- the control functions are continuous functions of time with continuous 1st derivatives.
- FIG. 11 shows exemplary time profiles of control variables and controlled variables in simulated hand lever operation.
- the setpoint values for the load speed (the hand lever presettings) are varied in the form of staggered rectangular pulses.
- the update of the optimal control is done with a sampling time of 0.2 s.
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kran oder Bagger zum Umschlagen von einer an einem Lastseil hängenden Last nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a crane or excavator for handling a load suspended on a load rope according to the preamble of
Im einzelnen befasst sich die Erfindung mit der Generierung von Führungsgrößen als Steuerfunktionen 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 und ein Schwenkwerk 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 deals with the generation of reference variables as control functions in cranes or excavators, which allows a movement of the suspended on a rope load 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 and a slewing gear 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 Pendelbewegungen der Last, die auf die Bewegung des Kranes oder Baggers selbst zurückzuführen sind. Es wurden nun bereits in der Vergangenheit Anstrengungen unternommen, um Pendelschwingungen bei Lastkranen zu verringern bzw. zu unterdrücken.When turning over a load suspended from a rope by means of such a crane or excavator, pendulum movements of the load occur, which are due to the movement the crane or excavator itself are due. Efforts have already been made in the past to reduce or suppress pendulum vibrations in load cranes.
Die
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, die Bewegungsführung der am Lastseil hängenden Last noch weiter zu opimieren.The object of the invention is to further optimize the motion control of the load hanging on the load rope.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein gattungsgemäßer Kran oder Bagger eine Steuerung auf, in der die Führungsgrößen für die Steuerung so generiert werden, dass sich eine optimierte Bewegung mit minimierten Pendelausschlägen ergibt. Hierbei kann auch die abgefahrene Bahn der pendelnden Last prognostiziert werden und darauf aufbauend eine Kollisionsvermeidungsstrategie realisiert werden.To solve this problem, a generic crane or excavator on a control in which the reference variables for the control are generated so that there is an optimized movement with minimized pendulum swings. In this case, the wandered path of the swinging load can be predicted and, based on this, a collision avoidance strategy can be realized.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the subsequent claims to the main claim.
Von besonderem Vorteil ist es, dass in der Bahnsteuerung der vorliegenden Erfindung modelbasiert optimale Steuertrajektorien online berechnet und aktualisiert werden. Dabei können die modelbasierten optimalen Steuertrajektorien basierend auf einem um Referenztrajektorien linearisierten Model erstellbar sein. Alternativ können die modelbasierten optimalen Steuertrajektorien auf einem nicht linearen Modelansatz basieren.It is particularly advantageous that model-based optimal control trajectories are calculated and updated online in the path control of the present invention. In this case, the model-based optimal control trajectories can be constructed based on a model linearized around reference trajectories. Alternatively, the model-based optimal control trajectories may be based on a non-linear model approach.
Die modelbasierten optimalen Steuertrjektorien können unter Rückführung von allen Zustandsgrößen ermittelt werden.The model-based optimal control jitters can be determined by returning all state variables.
Alternativ können die modelbasierten optimalen Steuertrajektorien unter Rückführung von mindestens einer Messgröße und Schätzung der verbleibenden Zustandsgrößen ermittelbar sein.Alternatively, the model-based optimal control trajectories can be determined by returning at least one measured variable and estimating the remaining state variables.
Wiederum alternativ können die modelbasierten optimalen Steuertrajektorien unter Rückführung von mindestens einer Messgröße und Nachführung der verbleibenden Zustandsgrößen durch modelbasierte Vorwärtssteuerung ermittelt werden.As an alternative, the model-based optimal control trajectories can be determined by returning at least one measured variable and tracking the remaining state variables by model-based feedforward control.
Die Bahnsteuerung kann vorteilhaft als Vollautomatik oder aber auch als Halbautomatik durchführbar sein.The path control can advantageously be carried out as fully automatic or as semi-automatic.
So ergibt sich im Zusammenhang mit einer Regelung zur Lastpendeldämpfung ein optimiertes Bewegungsverhalten mit vermindertem Restpendeln und geringeren Pendelausschlägen während der Fahrt. Ohne die Regelung zur Lastpendeldämpfung kann die erforderliche Sensorik am Kran verringert werden. Es kann ein vollautomatischer Betrieb, bei dem Start und Zielpunkt feststehen ebenso realisiert werden, wie ein Handhebelbetrieb, der im folgenden als halbautomatischer Betrieb bezeichnet wird.Thus, in connection with a control for load oscillation damping, an optimized movement behavior with reduced residual oscillation and lower pendulum deflection while driving. Without the control for load-swing damping, the required sensor technology on the crane can be reduced. It can be a fully automatic operation in which start and finish point are established as well as a hand lever operation, which is referred to below as semi-automatic operation.
In der vorliegenden Erfindung werden die Sollfunktionen im Gegensatz zur
Das Verfahren sieht zwei Betriebsmodi vor. Den Handhebelbetrieb, bei dem der Bediener durch die Handhebelauslenkung eine Sollgeschwindigkeit der Last vorgibt, und dem vollautomatischen Betrieb, bei dem Start- und Zielpunkt vorgegeben werden.The method provides for two modes of operation. The hand lever operation, where the operator sets a target speed of the load by the hand lever deflection, and the fully automatic operation where the start and end point are specified.
Daneben kann die optimierte Steuerfunktionsberechnung allein oder in Zusammenhang mit einer Regelung zur Lastpendeldämpfung betrieben werden.In addition, the optimized control function calculation can be operated alone or in conjunction with a control for load swing damping.
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.
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 mit Modul zur optimierten Bewegungsführung als Steuerfunktion des Kranes
- Fig. 3:
- Struktur der Bahnsteuerung mit Modul zur optimierten Bewegungsführung mit Regelung zur Lastpendeldämpfung
- Fig. 4:
- Struktur der Bahnsteuerung mit Modul zur optimierten Bewegungsführung als Steuerfunktion ohne Regelung zur Lastpendeldämpfung (ggf. mit unterlagerten Positionsreglern für die Antriebe)
- Fig. 5:
- Mechanischer Aufbau des Drehwerks und Definition von Modellvariablen
- Fig. 6:
- Mechanischer Aufbau des Wippwerks und Definition von Modellvariablen
- Fig. 7:
- Aufrichtkinematik des Wippwerks
- Fig.8:
- Ablaufdiagramm für die Berechnung der optimierten Steuergröße im vollautomatischen Betrieb
- Fig. 9:
- Ablaufdiagramm für die Berechnung der optimierten Steuergröße im halbautomatischen Betrieb
- Fig. 10:
- Beispielhafte Führungsgrößengenerierung im vollautomatischen Betrieb
- Fig. 11:
- Beispielhafte Zeitverläufe von Steuergrößen und Regelgrößen im Handhebelbetrieb
- Fig. 1:
- Basic mechanical structure of a mobile harbor crane
- Fig. 2:
- Interaction of hydraulic control and path control with module for optimized motion control as a control function of the crane
- 3:
- Structure of the path control with module for optimized motion control with control for load-swing damping
- 4:
- Structure of the path control with module for optimized motion control as a control function without control for load oscillation damping (possibly with subordinate position controllers for the drives)
- Fig. 5:
- Mechanical structure of the slewing gear and definition of model variables
- Fig. 6:
- Mechanical structure of the luffing gear and definition of model variables
- Fig. 7:
- Rigging kinematics of the luffing mechanism
- Figure 8:
- Flowchart for the calculation of the optimized control variable in fully automatic operation
- Fig. 9:
- Flow chart for the calculation of the optimized control variable in semi-automatic mode
- Fig. 10:
- Exemplary reference variable generation in fully automatic operation
- Fig. 11:
- Exemplary time profiles of control variables and controlled variables in hand lever operation
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 IS 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 ϕrot 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
Fig. 2 zeigt das Zusammenwirken von hydraulischer Steuerung und Bahnsteuerung 31 mit Modul zur optimierten Bewegungführung. 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 QFD , QFA , QFL , QFR eingestellt. Die Proportionalventile werden über die Signale uSLD , uStA , uStL , uStR angesteuert. Die hydraulische Steuerung ist meist mit einer unterlagerten Förderstromregelung ausgestattet. Wesentlich ist dabei, daß die Steuerspannungen UStD, uStA, uStL, u SrR an den Proportionalventilen durch die unterlagerte Förderstromregelung in hierzu proportionale Förderströme QFD, QFA , QFL, QFR im entsprechenden Hydraulikkreislauf umgesetzt werden.Fig. 2 shows the interaction of hydraulic control and path control 31 with module for optimized movement guidance. As a rule, the mobile harbor crane has a
Die Struktur der Bahnregelung ist nun in den Figuren 3 und 4 dargestellt. Figur 3 zeigt die Bahnsteuerung mit dem Modul zur optimierten Bewegungsführung mit Regelung zur Lastpendeldämpfung und Figur 4 die Bahnsteuerung mit dem Modul zur optimierten Bewegungsführung ohne Regelung zur Lastpendeldämpfung. Diese Lastpendeldämpfung kann beispielsweise nach der Schrift
Wesentlich ist nun, daß die Zeitfunktionen für die Steuerspannungen der Proportionalventile nicht mehr direkt aus den Handhebeln beispielsweise über Rampenfunktionen oder einen Bahnplaner, der die kinematischen Beschränkungen des System berücksichtigt, abgeleitet werden, sondern derart in der Bahnsteuerung 31 berechnet werden, daß beim Bewegen des Krans keine oder geringe Pendelbewegungen der Last auftreten und die Last der gewünschten Bahn im Arbeitsraum folgt. D.h. bei der Berechnung der optimierten Steuergröße wird nicht nur die kinematische Beschreibung sondern die dynamische Beschreibung des Systems berücksichtigt.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 or a path planner, which takes into account the kinematic constraints of the system, but are calculated in the
Eingangsgrößen des Moduls 37 ist eine Sollpunktmatrix 35 für die Position und Orientierung der Last, die im einfachsten Fall aus Start- und Zielpunkt besteht,. Die Position wird üblicherweise bei Drehkranen durch Polarkoordinaten beschrieben (ϕLD , rLA , l). Da dadurch die Position des ausgedehneten Körpers (bspw. eines Containers) im Raum nicht vollständig beschrieben wird, kann eine weitere Winkelgröße hinzugenommen werden (Drehwinkel γL um die Hochachse, die parallel zum Seil liegt). Die Zielpositionsgrößen ϕLDZiel , rLAZiel , lZiel , γLZiel sind im Vektor qZiel zusammengefasst.Input values of the
Eingangsgrößen des Moduls 39 sind die aktuellen Stellungen der Handhebel 34 zur Ansteuerung des Krans. Die Auslenkung der Handhebel entspricht der gewünschten Zielgeschwindigkeit der Last in der jeweiligen Bewegungsrichtung. Dementsprechend werden die Ziel-Geschwindigkeiten ϕ̇LDZiel,ṙLAZiel,l̇Ziel,γ̇Ziel zum Zielgeschwindigkeitsvektor q̇ Ziel zusammengefasst.Input variables of the
Im Falle des Moduls zur optimierten Bewegungsführung im vollautomatischen Betrieb 37 kann aus dieser Information über das abgelegte Modell zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens und den gewählten Rand- und Nebenbedingungen das Optimalsteuerungsproblem gelöst werden. Ausgangsgrößen sind dann die Zeitfunktionen uout,D , uout,A , uout,l , uout,R , die zugleich Eingangsgrößen der unterlagerten Regelung zur Lastpendeldämpfung 36 bzw. der unterlagerten Regelung für Position bzw. Geschwindigkeit des Krans 41. Auch eine direkte Ansteuerung 41 des Krans ohne unterlagerte Regelung ist bei entsprechender Formulierung der Gleichungen in 37 möglich. Dabei kann im vollautomatischen Betrieb der Handhebelwert dazu benutzt werden, im Optimalsteuerungsproblem die Nebendbedingung der maximalen zulässigen Geschiwndigkeit zu verändern. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, daß auch im vollautomatischen Betrieb der Anwender die Möglichkeit hat, den vollautomatischen Ablauf online in der Geschwindigkeit zu beeinflussen. Die vorgenommenen Änderungen werden sofort im nächsten Durchlauf des Algorithmus übernommen und berücksichtigt.In the case of the module for optimized motion control in fully
Im Falle des Moduls zur optimierten Beweungsführung im halbautomatischen Betrieb 39 wird jedoch zur Information der aktuell gewünschten Zielgeschwindigkeit der Last durch die Handhebelstellung als weitere Information der aktuelle Systemzustand neben der Rand- und Nebenbedingungen benötigt. Deshalb müssen im halbautomatischen Betrieb die Meßgrößen der Position von Kran und Last laufend auf das Modul 39 zurückgeführt werden. Im einzelnen sind dies:
- Drehwerkswinkel ϕD,
- Wippwerkswinkel ϕA,
- Seillänge lS, und
- relative Lasthakenposition c
und die Winkel zur Beschreibung der Lastposition:
- tangentialer Seilwinkel ϕSt ,
- radialer Seilwinkel ϕSr, und
- absoluter Rotationswinkel der Last γ L .
- Slewing angle φ D ,
- Luffing angle φ A ,
- Rope length l S , and
- relative load hook position c
and the angles for the description of the load position:
- tangential rope angle φ St ,
- radial cable angle φ Sr, and
- absolute angle of rotation of the load γ L.
Insbesondere letztgenannte Meßgrößen für Seilwinkel und absoluten Rotationswinkel der Last sind nur mit größerem Aufwand messtechnisch zu erfassen. Für die Realisierung einer Lastpendeldämpfung sind diese jedoch unabdingbar notwendig, um Störungen auszugleichen. Dadurch kann eine sehr hohe Positioniergenauigkeit bei geringem Restpendeln auch unter Einfluß von Störgrößen (wie Wind) erreicht werden. Im Falle von Fig. 3 stehen diese Größen alle zur Verfügung.In particular, the last-mentioned parameters for rope angles and absolute angles of rotation of the load can only be detected metrologically with considerable effort. For the realization of a load oscillation damping, however, these are indispensably necessary to compensate for disturbances. As a result, a very high positioning accuracy with low residual oscillation can be achieved even under the influence of disturbance variables (such as wind). In the case of Fig. 3, these sizes are all available.
Wird jedoch das Verfahren in einem System eingesetzt, in dem keine Sensoren für die Seilwinkelmessung und den absoluten Rotationswinkel existieren, so muß für das Modul zur optimierten Bewegungsführung im halbautomatischen Betrieb diese Größen rekonstruiert werden. Hier bieten sich modellbasierte Schätzverfahren 43, wie Beobachterstrukturen, an. Hierbei wird aus den Meßgrößen der Kranposition und den Ansteuerfunktionen uout,D, uout,A, uout,I, uout,R in einem hinterlegten dynamischen Modell die fehlenden Zustandsgrößen geschätzt oder nachgeführt (siehe Fig. 4).However, if the method is used in a system in which no sensors for the rope angle measurement and the absolute rotation angle exist, then these variables must be reconstructed for the module for optimized motion control in semi-automatic operation. Model-based
Grundlage für das Verfahren der optimierten Bewegungsführung ist das Verfahren der dynamischen Optimierung. Hierzu muß das dynamische Verhalten des Kranes in einem Differentialgleichungsmodell abgebildet werden. Zur Ableitung der Modellgleichungen kann entweder der Lagrange-Formalismus oder die Methode nach Newton-Euler verwendet werden.The basis for the method of optimized motion control is the method of dynamic optimization. For this, the dynamic behavior of the crane must be mapped in a differential equation model. To derive the model equations either the Lagrangian formalism or the Newton-Euler method can be used.
Im folgenden werden mehrere mögliche Modellansätze vorgestellt. Zunächst werden anhand Fig. 5 und 6 die Definition der Modellvariablen vorgenommen. Zur besseren Übersichtlichkeit zeigt Fig. 5 die Modellvariablen die im Zusammenhang mit der Drehbewegung stehenden Modellvariablen und Fig. 6 die Modellvariablen für die radiale Bewegung.In the following several possible model approaches are presented. First, the definition of the model variables will be made with reference to FIGS. 5 and 6. For the sake of clarity, FIG. 5 shows the model variables, the model variables associated with the rotational movement, and FIG. 6, the model variables for the radial movement.
Zunächst wird Fig. 5 detailliert erläutert. Wesentlich ist dabei der dort gezeigte Zusammenhang zwischen der Drehposition ϕD des Kranturmes und der Lastposition ϕLD in Drehrichtung. Die um den Pendelwinkel korrigierte Lastdrehwinkelposition berechnet sich dann zu
IS ist dabei die resultierende Seillänge vom Auslegerkopf bis zum Lastmittelpunkt. ϕA ist der aktuelle Aufrichtwinkel des Wippwerks, IA ist die Länge des Auslegers, ϕSt ist der aktuelle Seilwinkel in tangentialer Richtung (da ϕSt klein ist, kann sinϕSt≈ϕSt angenähert werden).
Das dynamische System für die Bewegung der Last in Drehrichtung kann durch die folgenden Differentialgleichungen beschrieben werden.
I S is the resulting cable length from the boom head to the load center. φ A is the current upright angle of the luffing gear, I A is the length of the boom, φ St is the actual rope angle in the tangential direction (since φ St is small, sin φ St ≈φ St can be approximated).
The dynamic system for the movement of the load in the direction of rotation can be described by the following differential equations.
- mL
- Lastmasse
- lS
- Seillänge
- mA
- Masse des Auslegers
- JAZ
- Massenträgheitsmoment des Auslegers bezüglich Schwerpunkt bei Drehung um Hochachse
- IA
- Länge des Auslegers
- SA
- Schwerpunktsabstand des Auslegers
- JT
- Massenträgheitsmoment des Turmes
- b D
- viskose Dämpfung im Antrieb
- MMD
- Antriebsmoment
- MRD
- Reibmoment
- 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
- I 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
Der hydraulische Antrieb wird durch die folgenden Gleichungen beschrieben.
iD ist das Übersetzungsverhältnis zwischen Motordrehzahl und Drehgeschwindigkeit des Turms, V ist das Schluckvolumen der Hydraulikmotoren, ΔpD ist der Druckabfall über dem hydraulischen Antriebsmotor, β ist die Ölkompressibilität, Q FD ist der Förderstrom im Hydraulikkreis für das Drehen und KPD ist die Proportionalitätskonstante, die den Zusammenhang zwischen Förderstrom und Ansteuerspannung des Proportionalventils angibt. Dynamische Effekte der unterlagerten Förderstromregelung werden vernachlässigt.The hydraulic drive is described by the following equations.
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, which indicates the relationship between the flow rate and the drive voltage of the proportional valve. Dynamic effects of subordinate flow control are neglected.
Alternativ hierzu kann das Übertragungsverhalten der Antriebsaggregate anstatt mit der Gleichung 4 durch einen approximativen Zusammenhang als Verzögerungsglied 1. oder höherer Ordnung dargestellt werden. Im folgenden ist die Approximation mit einem Verzögerungsglied 1. Ordnung dargestellt. Danach ergibt sich die Übertragungsfunktion
bzw. im Zeitbereich
or in the time domain
Damit kann aus den Gleichungen (6) und (3) ebenfalls eine adäquate Modellbeschreibung aufgebaut werden; Gleichung (2) wird nicht benötigt.
TDAntr ist die approximative (aus Messungen ermittelte Zeitkonstante zur Beschreibung des Verzögerungsverhaltens der Antriebe. KPDAntr die resultiertende Verstärkung zwischen Ansteuerspannung un resultierender Geschwindigkeit im staionären Fall.
Bei einer unerheblichen Zeitkonstante bezüglich der Antriebsdynamik kann direkt eine Proportionalität zwischen Geschwindigkeit und Ansteuerspannung des Proportionalventils angenommen werden.
T DAntr is the approximate time constant (derived from measurements to describe the deceleration behavior of the drives) K PDAntr the resulting gain between drive voltage and resulting velocity in the staionary case.
With a negligible time constant with respect to the drive dynamics, a proportionality between the speed and the drive voltage of the proportional valve can be assumed directly.
Auch hier kann dann aus den Gleichungen (7) und (3) eine adäquate Modellbeschreibung aufgebaut werden.Here, too, an adequate model description can be constructed from equations (7) and (3).
Für die in Fig. 6 dargestellte radiale Bewegung lässt sich analog zu den Gleichungen (2) und (3) die Bewegungsgleichungen aufstellen. Hierzu gibt Fig. 6 Erläuterungen zur Definition der Modellvariablen. Wesentlich ist dabei der dort gezeigte Zusammenhang zwischen der Aufrichtwinkelposition ϕA des Auslegers und der Lastposition in radialer Richtung rLA
Das dynamische System kann dann nach Anwendung des Newton-Eulerverfahrens durch die folgenden Differentialgleichungen beschrieben werden.
- mL m L
- Lastmasseload mass
- Is I s
- Seillängecable length
- mA m A
- Masse des AuslegersMass of the jib
- JAY J AY
- Massenträgheitsmoment bezüglich Schwerpunkt bei Drehung um horizontale Achse inkl. AntriebsstrangMass moment of inertia with respect to center of gravity when turning about horizontal axis incl. Drive train
- IA I A
- Länge des AuslegersLength of the boom
- SA S A
- Schwerpunktsabstand des AuslegersCenter of gravity of the jib
- bA b A
- viskose Dämpfungviscous damping
- MMA MA
- Antriebsmomentdrive torque
- MRA M RA
- Reibmomentfriction
Gleichung (9) 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. Gleichung (10) 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.Equation (9) 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. Equation (10) 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. clear can be described this problem in that a slewing movement with quadratic rotational speed dependence also causes an angular deflection in the radial direction.
Der hydraulische Antrieb wird durch die folgenden Gleichungen beschrieben.
FZyl ist die Kraft des Hydraulikzylinders auf die Kolbenstange, pZyl ist der Druck im Zylinder (je nach Bewegungsrichtung kolben- oder ringseitig), AZyl ist die Querschnittsfläche des Zylinders (je nach Bewegungsrichtung kolben- oder ringseitig), β ist die Ölkompressibilität, VZyl 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. zZyl, żZyl sind die Position bzw. die Geschwindigkeit der Zylinderstange. Diese sind ebenso wie die geometrischen Parameter db und ϕp 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. 7 ist die Aufrichtkinematik des Wippwerks dargestellt. Beispielhaft ist der Hydraulikzylinder oberhalb des Drehpunktes des Auslegers am 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 db befestigt. Der Korrekturwinkel ϕ0 berücksichtigt die Abweichungen der Befestigungspunkte von der Ausleger- bzw. Turmachse und ist ebenfalls aus Konstruktionsdaten bekannt. Daraus läßt sich der folgende Zusammenhang zwischen Aufrichtwinkel ϕA und Hydraulikzylinderposition ZZyl herleiten.
Da nur der Aufrichtwinkel ϕA Meßgröße ist, ist die umgekehrte Relation von (12) sowie die Abhängigkeit zwischen Kolbenstangengeschwindigkeit żZyl und Aufrichtgeschwindigkeit ϕ̇A ebenfalls von Interesse.
Für die Berechnung des wirksamen Momentes auf den Ausleger ist außerdem die Berechnung des Projektionswinkels ϕP erforderlich.
Alternativ kann hierzu wieder anstatt der Hydraulikgleichungen (11) eine Näherung für die Dynamik der Antriebe mit einen approximativen Zusammenhang als Verzögerungsglied 1. oder höherer Ordnung vorgesehen werden. Damit erhält man beispielhaft
bzw. im Zeitbereich
or in the time domain
Damit kann aus den Gleichungen (17), (14) und (10) ebenfalls eine adäquate Modellbeschreibung aufgebaut werden; Gleichung (9) wird nicht benötigt. TAAntr ist die approximative (aus Messungen ermittelte Zeitkonstante zur Beschreibung des Verzögerungsverhaltens der Antriebe. KPAAntr die resultiertende Verstärkung zwischen Ansteuerspannung und resultierender Geschwindigkeit im stationären Fall.
Bei einer unerheblichen Zeitkonstante bezüglich der Antriebsdynamik kann direkt eine Proportionalität zwischen Geschwindigkeit und Ansteuerspannung des Proportionalventils angenommen werden.
With a negligible time constant with respect to the drive dynamics, a proportionality between the speed and the drive voltage of the proportional valve can be assumed directly.
Auch hier kann dann aus den Gleichungen (18), (10) und (14) eine adäquate Modellbeschreibung aufgebaut werden.Here, too, an adequate model description can be constructed from the equations (18), (10) and (14).
Letzte Bewegungsrichtung ist das Drehen der Last am Lasthaken selbst durch das Lastschwenkwerk. Eine entsprechende Beschreibung dieser Regelung ergibt sich aus der
Daraus ergibt sich die nachfolgend aufgeführte Bewegungsgleichung. Die Varaiablenbezeichnung entsprechen der
Auch für das Lastschwenkwerk können nun Differentialgleichungen zur Beschreibung der Antriebsdynamik zur Verbesserung der Funktion wie bei der Drehbewegung zusätzlich berücksichtigt werden. Hier soll auf eine detaillierte Darstellung verzichtet werden.Also for the load swing unit now differential equations for the description of the drive dynamics to improve the function as in the rotational movement can be additionally taken into account. Here should be dispensed with a detailed presentation.
Die Dynamik des Hubwerks sei vernachlässigt, da die Dynamik der Hubwerksbewegung im Vergleich zur Systemdynamik des Lastpendelung des Krans schnell ist. Wie beim Lastschwenkwerk können jedoch bei Bedarf die entsprechenden dynamischen Gleichungen zur Beschreibung der Hubwerksdynamik jederzeit ergänzt werden.The dynamics of the hoist is neglected, since the dynamics of the hoist movement is fast compared to the system dynamics of the load oscillation of the crane. However, as with the load swing mechanism, the corresponding dynamic equations describing the hoist dynamics can be added at any time if required.
Die verbleibenden Gleichungen zur Beschreibung des Systemverhaltens sollen nun in eine nichtlineare Zustandsraumdarstellung nach Isidori, Nonlinear Control Systems Springer Verlag 1995 gebracht werden. Dies sei beispielhaft basierend auf den Gleichungen (2), (3), (9), (10), (14), (15) durchgeführt. Dabei ist die Rotationsachse der Last um die Hochachse und die Hubwerksachse in diesem nun nachfolgenden Beispiel nicht berücksichtigt. Es ist jedoch keine Schwierigkeit, diese in die Modellbeschreibung mit aufzunehmen. Für den vorliegenden Andwendungsfall sei ein Kran ohne automatisches Lastschwenkwerk angenommen, das Hubwerk wird aus Sicherheitsgründen vom Kranbediener manuell bedient. Dementsprechend erhält man:
mit:
With:
Die Vektoren a(x),b(x),c(x) ergeben sich durch Umformung der Gleichungen (2)-(4), (8)-(15).The vectors a ( x ), b ( x ), c ( x ) are obtained by transforming the equations (2) - (4), (8) - (15).
Im Betrieb des Moduls zur optimierten Bewegungsführung ohne unterlagerte Lastpendeldämpfung tritt im halbautomatischen Betrieb die Problematik auf, dass der Zustand x als Messvektor vollständig vorliegen muß. Da in diesem Fall aber keine Pendelwinkelsensoren installiert sind, müssen die in diesem oben beschriebenen Fall beispielhaft die Pendelwinkelgrößen ϕSt, ϕ̇ST, ϕSr, ϕ̇Sr aus den Ansteuergrößen uStD, uStA und den Meßgrößen ϕD, ϕ̇D, ϕA, ϕ̇A, pZyl rekonstruiert werden. Hierzu wird das nichtlineare Modell nach Gleichung (20-23) linearisiert und beispielsweise ein parameteradaptiver Zustandsbeobachter (siehe auch Fig. 4 Block 43) entworfen. Bei reduzierten Genauigkeitsanforderungen kann vereinfachend auch eine Zustandsnachführung der Seilwinkelgrößen basierend auf den Modellgleichungen und den bekannten Verläufen der Eingangsgrößen sowie der messbaren Zustandsgrößen erfolgen.In the operation of the module for optimized motion control without underlying load oscillation damping occurs in semi-automatic operation, the problem that the state x must be completely present as a measurement vector. Since in this case, however, no pendulum angle sensors are installed, in this case described above, the pendulum angle quantities φ St , φ ST , φ Sr , φ̇ Sr from the control variables u StD , u StA and the measured variables φ D , φ̇ D , φ A , φ̇ A , p Zyl be reconstructed. For this purpose, the nonlinear model is linearized according to equation (20-23) and, for example, a parameter-adaptive state observer (see also FIG. 4, block 43) is designed. In the case of reduced accuracy requirements, a state tracking of the cable angle quantities based on the model equations and the known progressions of the input variables as well as the measurable state variables can also be simplified.
Die Sollverläufe für die Eingangssignale (Steuergrößen) uStD(t), uStA(t) werden durch die Lösung eines Optimalsteuerungsproblems, d.□h. einer Aufgabe der dynamischen Optimierung bestimmt. Hierzu wird die angestrebte Reduktion des Lastpendelns in einem Zielfunktional erfasst. Randbedingungen und Trajektorienbeschränkungen des Optimalsteuerungsproblems ergeben sich aus den Bahndaten, den technischen Restriktionen des Kransystems (z.□B. limitierte Antriebsleistung, sowie Beschränkungen aufgrund von dynamischer Lastmomentbegrenzungen zur Verhinderung des Kippens des Krans) sowie erweiterten Forderungen an die Bewegung der Last. Beispielsweise ist es mit dem im folgenden beschriebenen Verfahren erstmals möglich, den Bahnkorridor, den die Last bei der Aufschaltung der berechneten Steuerfunktionen benötigt, exakt im vorhinein zu prädizieren. Damit sind Automatisierungsmöglichkeiten gegeben, die vormals nicht lösbar waren. Eine solche Formulierung des Optimalsteuerungsproblems wird im folgenden beispielhaft sowohl für den vollautomatischen Betrieb des Systems mit vorgegebenem Start- und Zielpunkt der Lastbahn als auch für den Handhebelbetrieb gegeben.The target curves for the input signals (control quantities) u StD (t), u StA (t) are obtained by the solution of an optimal control problem, that is, □ h. a task of dynamic optimization. For this purpose, the desired reduction of load oscillation in a target function is recorded. Boundary conditions and trajectory restrictions of the optimal control problem result from the orbit data, the technical restrictions of the crane system (eg limited drive power, as well as restrictions due to dynamic load torque limitations to prevent tilting of the crane) and extended demands on the movement of the load. For example, with the method described below, it is possible for the first time to predict the path corridor required by the load when connecting the calculated control functions exactly in advance. This provides automation options that were previously not solvable. Such a formulation of the optimum control problem is given below by way of example both for the fully automatic operation of the system with predetermined start and end point of the load path and for the hand lever operation.
Im Fall des vollautomatischen Betriebs wird die gesamte Bewegung vom vorgegebenem Start- bis zum vorgegebenen Zielpunkt betrachtet. Im Zielfunktional des Optimalsteuerungsproblems werden die Lastpendelwinkel quadratisch bewertet. Die Minimierung dieses Zielfunktionals liefert daher eine Bewegung mit reduzierter Lastpendelung. Eine zusätzliche Bewertung der Lastpendelwinkelgeschwindigkeiten mit einem zeitvarianten (zum Ende des Optimierungshorizonts zunehmenden) Strafterm ergibt eine Beruhigung der Lastbewegung am Ende des Optimierungshorizonts. Ein Regularisierungsterm mit quadratischer Bewertung der Amplituden der Steuergrößen kann die numerische Kondition der Aufgabe günstig beeinflussen.
- t0 t 0
- Vorgegebener StartzeitpunktPredetermined start time
- tf t f
- Vorgegebener EndzeitpunktPredetermined end time
- ρ(t) ρ (t)
- Zeitvarianter StrafkoeffizientTime variant penalty coefficient
- ρ u(uStD,uStA) ρ u (u StD, u StA )
- Regularisierungsterm (quadratische Bewertung der Steuergrößen)Regularization term (quadratic evaluation of the tax variables)
Im Handhebelbetrieb wird dagegen nicht die komplette Lastbewegung zwischen vorgegebenem Start- und Zielpunkt betrachtet, sondern das Optimalsteuerungsproblem wird auf einem mit dem dynamischen Vorgang mitbewegten Zeitfenster [
Im Zielfunktional des Optimalsteuerungsproblems ist neben der angestrebten Reduktion des Lastpendelns die Abweichung der tatsächlichen Lastgeschwindigkeit von den durch die Handhebelstellungen vorgegebenen Sollgeschwindigkeiten zu berücksichtigen.
-
tt oO - Vorgegebener Startzeitpunkt des OptimierungshorizontsPredetermined start time of the optimization horizon
-
tt ff - Vorgegebener Endzeitpunkt des PrognosezeitraumsPredetermined end time of the forecast period
- ρ LD ρ LD
- Bewertungskoeffizient Abweichung LastdrehwinkelgeschwindigkeitWeighting coefficient deviation load rotational speed
- ϕLD,soll φ LD, should
- Durch Handhebelstellung vorgegebene LastdrehwinkelgeschwindigkeitBy hand lever position predetermined Lastdrehwinkelgeschwindigkeit
- ρ LA ρ LA
- Bewertungskoeffizient Abweichung radiale LastgeschwindigkeitWeighting coefficient deviation radial load speed
- ṙṙ LA,soll LA , shall
- Durch Handhebeistellung vorgegebene radiale LastgeschwindigkeitBy Handhebeistellung predetermined radial load speed
Im vollautomatischen Betrieb mit vorgegebenem Start- und Zielpunkt ergeben sich die Randbedingungen für das Optimalsteuerungsproblem aus deren Koordinaten und den Anforderungen einer Ruhelage in Start und Zielposition.
- φ D,0 φ D, 0
- Startpunkt DrehwerkswinkelStarting point of turning angle
- φD,f φ D, f
- Endpunkt DrehwerkswinkelEndpoint of turning angle
- rLA,0 r LA, 0
- Startpunkt LastpositionStarting point load position
- rLA,f r LA, f
- Endpunkt LastpositionEnd point load position
Die Randbedingungen für den Druck im Zylinder ergeben sich aus den stationären Werten im Start- und Zielpunkt nach Gleichung (11).The boundary conditions for the pressure in the cylinder result from the stationary values in the start and end point according to equation (11).
Im Handhebelbetrieb muß dagegen in den Randbedingungen berücksichtigt werden, dass die Bewegung nicht aus einer Ruhelage startet und im allgemeinen auch nicht in einer Ruhelage endet. Die Randbedingungen zum Startzeitpunkt des Optimierungshorizonts
Die Randbedingungen am Ende des Optimierungshorizonts
The boundary conditions at the end of the optimization horizon
Aufgrund der technischen Parameter des Kransystems ergeben sich eine Reihe von Restriktionen, die unabhängig vom Betriebsmodus im Optimalsteuerungsproblem zu berücksichtigen sind. So ist die Antriebsleistung limitiert. Dies kann über einen maximalen Förderstrom in den hydraulischen Antrieben beschrieben werden und über Amplitudenbeschränkungen für die Steuergrößen in das Optimalsteuerungsproblem einbezogen werden.
Zur Vermeidung von Beanspruchungen des Systems durch abrupte Lastwechsel, deren Folgen in dem oben beschriebenen vereinfachten dynamischen Modell nicht erfasst sind, wird die Änderungsgeschwindigkeit der Steuergrößen limitiert. Dadurch kann definiert die mechanische Beanspruchung limitiert werden.
Zusätzlich kann gefordert werden, dass die Steuergrößen als Funktionen der Zeit stetig sein sollen und stetige erste Ableitungen bezüglich der Zeit besitzen.In addition, it may be required that the control variables should be continuous as functions of time and have continuous first derivatives with respect to time.
Der Aufrichtwinkel ist aufgrund der Krankonstruktion limitiert
- uStD,max u StD, max
- Maximalwert Ansteuerfunktion DrehwerkMaximum value control function slewing gear
- u̇StD,max u̇ StD, max
- Maximale Änderungsgeschwindigkeit Ansteuerfunktion DrehwerkMaximum rate of change Control function Slewing
- uStA,max u StA, max
- Maximalwert Ansteuerfunktion WippwerkMaximum value control function luffing mechanism
- u̇U StA,maxStA, max
- Maximale Änderungsgeschwindigkeit Ansteuerfunktion WippwerkMaximum rate of change Control function Wippwerk
- φA,min φ A, min
- Minimalwert AufrichtwinkelMinimum value of elevation angle
- φA,max φ A, max
- Maximalwert AufrichtwinkelMaximum value of elevation angle
Zusätzliche Restriktionen ergeben sich aus weitergehenden Anforderungen an die Bewegung der Last. So kann beim vollautomatischen Betrieb, bei dem die gesamte Lastbewegung vom Start- bis zum Zielpunkt betrachtet wird, eine monotone Änderung des Drehwinkels gefordert werden.
Bahnkorridore lassen sich sowohl im vollautomatischen als auch im Handhebelbetrieb über die analytische Beschreibung der zulässigen Lastpositionen mit Hilfe von Ungleichungsrestriktionen in die Berechnung der optimalen Steuerung einbeziehen.
Mit Hilfe dieser Ungleichungsbedingungen wird ein Bahnverlauf im Inneren eines zulässigen Bereichs, hier des Bahnkorridors erzwungen, die Grenzen dieses zulässigen Bereichs begrenzen die Lastbewegung und stellen somit ,virtuelle Wände' dar.With the aid of these inequality conditions, a trajectory is enforced inside an allowable range, here the trajectory, the limits of this permissible range limit the load movement and thus represent 'virtual walls'.
Besteht die abzufahrende Bahn nicht nur aus Start- und Zielpunkt, sondern sind weitere Punkte in vorgegebener Reihenfolge abzufahren, so kann das durch innere Randbedingungen in das Optimalsteuerungsproblem einbezogen werden.
- ti t i
- (freier) Zeitpunkt des Erreichens des vorgegebenen Bahnpunktes i(free) time of reaching the predetermined path point i
- φD,i φ D, i
- Drehwinkelkoordinate des vorgegebenen Bahnpunktes iRotation angle coordinate of the predetermined path point i
- rLA,i r LA, i
- Radiale Position des vorgegebenen Bahnpunktes iRadial position of the predetermined path point i
Der Anspruch ist nicht an eine bestimmte Methode zur numerischen Berechnung der optimalen Steuerungen gebunden. Der Anspruch bezieht sich ausdrücklich auch auf eine angenäherte Lösung der oben angegebenen Optimalsteuerungsprobleme, bei der im Hinblick auf einen reduzierten Rechenaufwand beim on-line Einsatz nur eine Lösung ausreichender (nicht maximaler) Genauigkeit ermittelt wird. Zudem kann aus Effektivitätsgründen eine Reihe der oben formulierten harten Beschränkungen (Randbedingungen oder Trajektorienungleichungsbeschränkungen) numerisch als weiche Beschränkung über eine Bewertung der Beschränkungsverletzung im Zielfunktional behandelt werden.
Beispielhaft soll hier jedoch die numerische Lösung mittels Mehrstufen-Steuerungsparametrisierung erläutert werden.The claim is not tied to a specific method for numerically calculating the optimal controls. The claim also expressly relates to an approximate solution to the above-mentioned optimal control problems, in which only a solution of sufficient (non-maximal) accuracy is determined in view of a reduced computational outlay for on-line use. In addition, for efficiency reasons, a number of the hard constraints (constraints or trajectory inequality limitations) formulated above may be treated numerically as a soft constraint via an assessment of the constraint violation in the target function.
By way of example, however, the numerical solution will be explained here by means of multi-stage control parameterization.
Zur näherungsweisen numerischen Lösung des Optimalsteuerungsproblems wird der Optimierungshorizont diskretisiert.
Die Länge der Teilintervalle [tk ,tk+1] kann dabei an die Dynamik des Problems angepasst werden. Eine größere Anzahl von Teilintervallen führt in der Regel zu einer Verbesserung der Näherungslösung, aber auch zu einem erhöhten Berechnungsaufwand.
Auf jedem dieser Teilintervalle wird nun der Zeitverlauf der Steuergrößen durch eine Ansatzfunktion Uk mit einer festen Anzahl von Parametern uk (Steuerungsparameter) approximiert.
On each of these sub-intervals, the time characteristic of the control variables is now approximated by a starting function U k with a fixed number of parameters u k (control parameters).
Nun kann die Zustandsdifferentialgleichung des dynamischen Modells numerisch integriert und das Zielfunktional ausgewertet werden, wobei anstelle der Steuergrößen die approximierten Zeitverläufe eingesetzt werden. Im Ergebnis wird das Zielfunktional als Funktion der Steuerungsparameter uk k=0,...,K-1 erhalten. Die Randbedingungen und die Trajektorienbeschränkungen lassen sich ebenso als Funktionen der Steuerungsparameter auffassen.
Das Optimalsteuerungsproblem wird auf diese Weise durch ein nichtlineares Optimierungsproblem in den Steuerungsparametern angenähert, wobei Zielfunktionsberechnung und Beschränkungsauswertung des nichtlinearen Optimierungsproblems jeweils die numerische Integration des dynamischen Modells unter Berücksichtigung des Approximationsansatzes nach Gleichung (34) erfordern.
Dieses beschränkte nichtlineare Optimierungsproblem kann nun numerisch gelöst werden, wobei hierzu ein übliches Verfahren der sequentiellen quadratischen Programmierung (SQP) eingesetzt wird, bei dem die Lösung des nichtlinearen Problems über eine Folge von linear-quadratischen Näherungen bestimmt wird.
Die Effizienz der numerischen Lösung kann beträchtlich gesteigert werden, wenn zusätzlich zu den Steuerungsparametern des Intervalls k auch noch der Anfangszustand
des jeweiligen Intervalls als Variable des nichtlinearen Optimierungsproblems betrachtet wird. Durch geeignete Gleichungsbeschränkungen ist die Stetigkeit der approximierten Zustandstrajektorien zu sichern. Damit steigt die Dimension des nichtlinearen Optimierungsproblems an. Es ergibt sich jedoch eine beträchtliche Vereinfachung in der Verkopplung der Problemvariablen und zudem eine starke Strukturierung des nichtlinearen Optimierungsproblems. Daher sinkt der Lösungsaufwand in vielen Fällen beträchtlich, vorausgesetzt, die Problemstruktur wird im Lösungsalgorithmus geeignet ausgenutzt.Now, the state differential equation of the dynamic model can be numerically integrated and the target functionally evaluated, whereby the approximated time profiles are used instead of the control variables. As a result, the target function is obtained as a function of the control parameters u k k = 0, ..., K-1 . The Boundary conditions and the trajectory restrictions can also be understood as functions of the control parameters.
The optimal control problem is approximated in this way by a nonlinear optimization problem in the control parameters, where objective function calculation and constraint evaluation of the nonlinear optimization problem respectively require the numerical integration of the dynamic model taking into account the approximation approach of equation (34).
This limited nonlinear optimization problem can now be solved numerically, using a standard sequential quadratic programming (SQP) method, in which the solution of the nonlinear problem is determined by a series of linear-quadratic approximations.
The efficiency of the numerical solution can be increased considerably if, in addition to the control parameters of the interval k, also the initial state
of the respective interval is regarded as a variable of the nonlinear optimization problem. By appropriate equations restrictions the continuity of the approximated state trajectories has to be ensured. This increases the dimension of the nonlinear optimization problem. However, there is a considerable simplification in the coupling of the problem variables and also a strong structuring of the nonlinear optimization problem. Therefore, the solution effort in many cases drops considerably, provided that the problem structure is suitably exploited in the solution algorithm.
Eine zusätzliche deutliche Reduktion des Rechenaufwands zur Lösung des Optimalsteuerungsproblems wird durch eine Approximation mittels Linearisierung der Systemgleichungen erreicht. Dabei werden die ursprünglichen nichtlinearen Zustandsdifferentialgleichungen und algebraischen Ausgangsgleichungen (20) entlang einer zunächst beliebig vorgegebenen Systemtrajektorie (Xref(t), Uref(t)), die die Zustandsdifferentialgleichungen erfüllt, linearisiert.
Dabei bezeichnen die Größen Δx,Δu,Δy die Abweichungen vom Referenzverlauf der jeweiligen Größe
Die zeitvarianten Matrizen A(t), B(t), C(t) ergeben sich aus den Jacobi-Matrizen
Wird nun die Optimalsteuerungsaufgabe in den Variablen Δx,Δu formuliert, so ergibt sich ein beschränktes linear-quadratisches Optimalsteuerungsproblem. Bei geeigneter Wahl der Ansatzfunktionen U k kann die Zustandsdifferentialgleichung über die zugehörige Bewegungsgleichung auf jedem Teilintervall [tk, tk+1] analytisch gelöst werden, und die aufwendige numerische Integration entfällt.
Die Optimalsteuerungsaufgabe wird so durch ein endlich-dimensionales quadratisches Optimierungsproblem mit linearen Gleichungs- und Ungleichungsrestriktionen approximiert, welches mit einem angepassten Standardverfahren numerisch gelöst werden kann. Der numerische Aufwand hierfür ist wiederum deutlich geringer als bei dem oben beschriebenen nichtlinearen Optimierungsproblem.
Der beschriebene Linearisierungsansatz ist besonders für die näherungsweise Lösung der Optimalsteuerungsprobleme bei Handhebelbetrieb geeignet, da in diesem Fall zum einen aufgrund des kürzeren Optimierungshorizonts (Zeitfenster [
The optimal control task is thus approximated by a finite-dimensional quadratic optimization problem with linear equations and inequations restrictions, which can be solved numerically with a fitted standard method. The numerical effort for this, in turn, is significantly lower than in the case of the nonlinear optimization problem described above.
The described linearization approach is particularly suitable for the approximate solution of the optimal control problems in manual lever operation, since in this case, on the one hand, due to the shorter optimization horizon (time window [
Als Lösung des Optimalsteuerungsproblems werden die optimalen Zeitverläufe sowohl der Steuergrößen als auch der Zustandsgrößen des dynamischen Modells erhalten. Diese werden bei Betrieb mit unterlagerter Regelung als Stell- und Führungsgrößen aufgeschaltet. Da in diesen Sollfunktionen das dynamische Verhalten des Krans berücksichtigt ist, müssen durch die Regelung nur noch Störgrößen und Modellabweichungen ausgeglichen werden.
Bei Betrieb ohne unterlagerte Regelung werden die optimalen Verläufe der Steuergrößen dagegen direkt als Stellgrößen aufgeschaltet.
Weiterhin liefert die Lösung des Optimalsteuerungsproblems eine Prognose der Bahn der pendelnden Last, die für erweiterte Maßnahmen zur Kollisionsvermeidung nutzbar ist.As a solution to the optimal control problem, the optimum time courses of both the control variables and the state variables of the dynamic model are obtained. These are switched on during operation with subordinate control as actuating and reference variables. Since the dynamic behavior of the crane is taken into account in these nominal functions, only disturbances and model deviations have to be compensated by the control.
In the case of operation without subordinate control, however, the optimum characteristics of the control variables are applied directly as manipulated variables.
Furthermore, the solution of the optimal control problem provides a prognosis of the path of the oscillating load, which can be used for extended measures for collision avoidance.
Fig. 8 zeigt das Ablaufdiagramm für die Berechnung der optimierten Steuergröße im vollautomatischen Betrieb. Dies untersetzt Modul 37 aus Fig. 3. Ausgehend von den durch die Sollpunktmatrix festgelegten Start- und Zielpunkten der Lastbewegung wird das Optimalsteuerungsproblem durch Einbeziehung der Vorgabe des zulässigen Bereichs und der technischen Parameter definiert. Die numerische Lösung des Optimalsteuerungsproblems liefert optimale Zeitverläufe der Steuer- und Zustandsgrößen. Diese werden bei unterlagerter Regelung zur Lastpendeldämpfung als Stell- und Führungsgrößen aufgeschaltet. Alternativ kann eine Realisierung ohne unterlagerte Regelung - dann mit direkter Aufschaltung der optimalen Ansteuerfunktionen auf die Hydraulik - realisiert werden.8 shows the flow chart for the calculation of the optimized control variable in fully automatic operation. This modifies
Fig. 9 zeigt das Zusammenwirken von Zustandsrekonstruktion und Berechnung der optimalen Steuerung im Fall des Handhebelbetriebs. Der Zustand des dynamischen Kranmodells wird unter Nutzung der verfügbaren Meßgrößen nachgeführt. Durch Lösung des Optimalsteuerungsproblems werden solche Zeitverläufe der Ansteuerfunktionen ermittelt, die - ausgehend von diesem akuellen Zustand - bei reduziertem Lastpendeln die Lastgeschwindigkeit an die über die Handhebel vorgegebenen Sollwerte heranführt.
Eine einmal berechnete optimale Steuerung wird nicht über den vollen Zeithorizont [
A once calculated optimal control is not over the full time horizon [
Fig. 10 zeigt beispielhafte Ergebnisse für optimale Zeitverläufe der Steuergrößen im vollautomatischen Betrieb. Dabei wurde ein Zeithorizont von 30 s vorgegeben. Die Ansteuerfunktionen sind stetige Funktionen der Zeit mit stetigen 1. Ableitungen.10 shows exemplary results for optimal time courses of the control variables in fully automatic operation. A time horizon of 30 s was specified. The control functions are continuous functions of time with continuous 1st derivatives.
Fig. 11 zeigt beispielhafte Zeitverläufe von Steuergrößen und Regelgrößen im simulierten Handhebelbetrieb. Die Sollwerte für die Lastgeschwindigkeit (die Handhebelvorgaben) werden in Form von zeitlich versetzten Rechteckimpulsen variiert. Die Aktualisierung der optimalen Steuerung erfolgt mit einer Abtastzeit von 0.2 s.11 shows exemplary time profiles of control variables and controlled variables in simulated hand lever operation. The setpoint values for the load speed (the hand lever presettings) are varied in the form of staggered rectangular pulses. The update of the optimal control is done with a sampling time of 0.2 s.
Claims (15)
- A crane or excavator for the transfer of a load (3), which is suspended at a load cable, having a slewing gear for the rotation of the crane or excavator, a luffing mechanism (7) for the setting upright or inclining of a boom (5) and a hoisting gear for the lifting or lowering of the load (3) suspended at the cable, having a track control (31),
characterized in that,
model based optimum control trajectories are calculated online in the track control (31) based on a non-linear model approach and are updated by feedback of state variables; and in that the starting values (UoutD, UoutA, UoutL, UoutR) of the track control (31) are used directlyor indirectly as input values in a feedback control for the position and/or speed of the crane (41) or excavator, with the objective functional of an optimum control problem taking into account, in addition to the desired reduction in load swing, the difference of the actual load speed from the desired speed predetermined by the hand lever positions as well as a penalized likelihood to moderate the load movement at the end of the optimization horizon so that the reference variables for the control in the track control (31) are generated so that a load movement with minimized swing deflections results. - A crane or excavator in accordance with claim 1, characterized by model based optimum control trajectories based on a model linearized by reference trajectories.
- A crane or excavator in accordance with claim 1, characterized by model based optimum control trajectories based on a non-linear model approach.
- A crane or excavator in accordance with any one of claims 1 to 3, characterized by model based optimum control trajectories while having feedback of all state variables.
- A crane or excavator in accordance with any one of claims 1 to 3, characterized by model based optimum control trajectories while having feedback of at least one measured variable and estimating of the remaining state variables.
- A crane or excavator in accordance with any one of claims 1 to 3, characterized by model based optimum control trajectories while having feedback of at least one measured variable and tracking of the remaining state variables by model based feed forward control.
- A crane or excavator in accordance with any one of claims 1 to 6, characterized in that the track control (31) can be implemented as a fully automatic or as a semi-automatic control.
- A crane or excavator in accordance with any one of the preceding claims, characterized in that a set point matrix (35) for the position and orientation of the load can be entered as an input value into the track control (31).
- A crane or excavator in accordance with claim 8, characterized in that the set point matrix (35) comprises a start and finish point.
- A crane or excavator in accordance with claim 7, 8 and/or 9, characterized in that the desired finish speed of the load can additionally be entered into the track control (31) by the position of a hand lever (34) in the case of semi-automatic operation.
- A crane or excavator in accordance with claim 10, characterized in that the measured variables of the positions of crane and load can be detected via sensors and can be fed back into the track control (31) in the case of semi-automatic operation.
- A crane or excavator in accordance with claim 10, characterized in that the positions of crane and load can be estimated in a module for model based estimation processes (43) and can be fed back into the track control system (31) in the case of semi-automatic operation.
- A crane or excavator in accordance with any one of the preceding claims, characterized in that the output values (UoutD, UoutA, UoutL, UoutR) are first entered into an underlying feedback control with load swing damping.
- A crane or excavator in accordance with claim 13, characterized in that the load swing damping comprises at least one track planning module, one centripetal force compensation device and at least one axis controller for the slewing gear, one axis controller for the luffing mechanism, one axis controller for the hoisting gear and one axis controller for the pivot mechanism.
- A crane or excavator in accordance with any one of the preceding claims, characterized in that the movement track of the load can be fixed by the track control (31) such that predetermined free areas cannot be departed from by the swinging load.
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