EP2272785B1 - Method for controlling a drive of a crane - Google Patents
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- EP2272785B1 EP2272785B1 EP10005588A EP10005588A EP2272785B1 EP 2272785 B1 EP2272785 B1 EP 2272785B1 EP 10005588 A EP10005588 A EP 10005588A EP 10005588 A EP10005588 A EP 10005588A EP 2272785 B1 EP2272785 B1 EP 2272785B1
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- drive
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
- B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
- B66C13/00—Other constructional features or details
- B66C13/04—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
- B66C13/06—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads
- B66C13/063—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads electrical
Definitions
- the present invention relates to methods for controlling drives of a crane.
- the present invention relates to a method for controlling a drive of a crane, in particular a slewing gear and / or a luffing gear, wherein a target movement of the boom tip serves as an input, on the basis of which a control variable for driving the drive is calculated.
- the present invention relates to a method for controlling a hoist of a crane, in which a desired stroke movement of the load serves as input, on the basis of which a control variable for driving the drive is calculated.
- the drive of the crane according to the invention may in particular be a hydraulic drive.
- the use of an electric drive is also possible.
- the luffing z. B. be realized via a hydraulic cylinder or a retractable.
- the object of the present invention is therefore to provide a method for controlling a drive of a crane which reduces such loads on the crane structure.
- a desired movement of the cantilever tip serves as an input quantity, on the basis of which a control variable for controlling the drive is calculated.
- a control variable for controlling the drive is calculated.
- the drive may be a hydraulic drive. The use of an electric drive is also possible.
- the inventors of the present invention have found that the natural vibrations can heavily load the crane structure and the drives.
- natural oscillations can be damped and advantageously largely avoided.
- this has the advantage that the cantilever tip follows the predetermined target movement without oscillation exactly.
- the crane structure and the drives are not burdened by the natural vibration.
- the damping of the natural vibrations according to the invention therefore has a positive effect on the service life and the maintenance costs.
- the method according to the invention is advantageously used in cranes, in which a boom is articulated around a horizontal rocking axis so that it can be wiped on a tower.
- the boom can be up and tipped off by a arranged between the tower and the boom boom cylinder in the rocker. It is also possible to use as a luffing mechanism a retractor, which moves the boom via a stranding in the rocker plane.
- the tower is in turn rotatable about a slewing gear, in particular in the form of a hydraulic motor about a vertical axis.
- the tower can be arranged on an undercarriage, which can be moved by a chassis.
- the inventive method can be used in any cranes, for example in port cranes and in particular mobile harbor cranes.
- the drive is controlled on the basis of a physical model which describes the movement of the crane tip as a function of the control variable.
- a physical model describes the movement of the crane tip as a function of the control variable.
- the vibration behavior does not have to be laboriously determined by measurements, but can be described on the basis of the physical model.
- the physical model allows a realistic description of the vibration dynamics of the crane structure, so that all relevant natural oscillations can be damped.
- the physical model describes not only the kinetics of the drives and the crane structure, but also the vibration dynamics of the drive and the crane structure.
- the calculation of the control variable is based on an inversion of the physical model, which describes the movement of the crane tip as a function of the control variable.
- the inversion thus gives the control variable as a function of the desired movement of the cantilever tip.
- the model describing the movement of the crane tip as a function of the control variable is non-linear. This results in a greater accuracy of the control result, since the decisive effects, which lead to natural oscillations of the crane structure, are non-linear.
- the model advantageously takes into account the vibration dynamics of the drive due to the compressibility of the hydraulic fluid. This compressibility leads to vibrations of the crane structure, which can significantly burden them. By considering the compressibility of the hydraulic fluid, these vibrations can be damped.
- the inventive method is used to control the rocking cylinder used as luffing mechanism, the kinematics of the articulation of the cylinder and the mass and inertia of the boom of the crane are included in the calculation of the control variable.
- the kinematics of the articulation of the cylinder and the mass and inertia of the boom of the crane are included in the calculation of the control variable.
- a retraction mechanism can be used as a luffing mechanism, wherein advantageously the kinematics and / or dynamics of the pull-in stranding as well as the mass and the inertia of the boom of the crane are included in the calculation of the control variable.
- the inventive method is used to control the slewing gear, wherein the moment of inertia of the boom of the crane enters the model.
- the inventive method is used to control the slewing gear, wherein the moment of inertia of the boom of the crane enters the model.
- the vibration damping takes place by means of feedforward control.
- feedforward control allows effective reduction of the natural oscillations without being limited to a certain frequency range by the response speed of the drives, as in closed-loop control.
- the position, the speed, the acceleration and / or the jerk of the cantilever tip serve as reference values of the pilot control.
- at least two of these values advantageously serve as nominal values.
- at least one of the further variables is used as the setpoint. Further advantageously, all these variables are used as desired values of the precontrol.
- a desired trajectory of the cantilever tip is generated as inputs of the controller from inputs of an operator and / or an automation system.
- a desired trajectory of the cantilever tip is generated.
- the control method according to the invention now ensures that the drives of the crane are controlled so that the jib tip follows this desired trajectory and natural oscillations of the crane are avoided.
- the method according to the invention can be used together with a load oscillation damping, or else completely without a load oscillation damping.
- load oscillation damping focus solely on the avoidance of pendulum vibrations of the load, which sometimes even to a Increasing the natural vibration of the crane structure and thus could lead to a greater load than a control without load oscillation damping.
- the present invention dampens the natural vibrations of the crane structure and thus protects the crane structure.
- the method according to the invention can also be used for simpler crane controls without load oscillation damping in order to protect the crane structure.
- the method according to the invention can also be used in crane controls with load oscillation damping.
- the method is then implemented in such a way that initially the load movement serves as a set value, from which a desired movement of the cantilever tip is generated. This desired movement of the cantilever tip then serves as input of the method according to the invention.
- a damping of the natural vibrations of the crane structure can be achieved even with methods with load oscillation damping.
- Known methods for load-swing damping are designed solely to avoid vibrations of the load and can thereby even increase the natural vibrations of the crane structure.
- the method described so far was preferably used to control a slewing gear and / or a luffing gear of a crane. However, it can also be used to control the hoist of a crane. In particular, the vibration dynamics of the hoist can be taken into account due to the compressibility of the hydraulic fluid.
- the target stroke of the load is used as input, on the basis of which a control variable for driving the drive is calculated.
- Object of the present invention is therefore also to allow a structural protection in the control of the hoist of a crane.
- a method for controlling a hoist of a crane in which a desired stroke movement of the load serves as input, on the basis of which a control variable for controlling the drive is calculated.
- the vibration dynamics of the system of hoist, rope and load in the cable direction is taken into account to dampen natural oscillations.
- the inventors of the present invention have recognized that the vibration dynamics of the system of hoist, rope and load can lead to vibrations of the load or the crane structure, which can significantly burden both the load rope and the boom. Therefore, this vibration dynamics is now considered according to the invention to avoid natural oscillations of the load and / or the hoist.
- the hoist can be driven hydraulically and / or electrically.
- this method is advantageously used in cranes, in which a boom is pivoted about a horizontal rocking axis wippen on a tower.
- the load rope is advantageously guided by a winch on the tower base via one or more pulleys on the spire to one or more pulleys on the boom tip.
- the vibration dynamics of the lifting system is taken into account according to the inventive method in a vibration-reduction operation, while any movements of the support area on which the crane structure is supported, not taken into account in the control of the hoist become.
- the control thus starts in the vibration reduction operation of a stationary support area.
- the control according to the invention must therefore take into account only vibrations which arise through the hoisting rope and / or the hoisting gear and / or the crane structure. Movements of the support area, as z. B. arise in a floating crane by wave motion, remain disregarded in the vibration reduction operation, however.
- the crane control can be made considerably simpler.
- the method according to the invention can be used in a crane, which is actually supported on a stationary support area during the lift with the crane structure, in particular on the ground.
- the crane control according to the invention can also be used in a floating crane, but does not take into account the movements of the floating body in the vibration reduction mode. If the crane control system has an operating mode with active coasting sequence, the vibration reduction operation accordingly takes place without simultaneous active coasting sequence operation.
- the method according to the invention in transportable and / or mobile cranes is used.
- the crane advantageously has support means via which it can be supported at different lifting locations.
- the method is used in port cranes, especially in mobile harbor cranes, crawler cranes, vehicle cranes, etc. used.
- the oscillation dynamics of the lifting system due to the extensibility of the hoisting rope is taken into account in the calculation of the control variable.
- the extensibility of the hoisting cable leads to an expansion of the rope in the cable direction, which is attenuated according to the invention by a corresponding control of the hoist.
- the vibration dynamics of the rope is taken into account with the load hanging freely in the air.
- the hoist of the crane according to the invention can be hydraulically driven. Alternatively, a drive via an electric motor is possible.
- the oscillation dynamics of the hoisting gear due to the compressibility of the hydraulic fluid are also advantageously taken into account in the calculation of the control variable.
- those natural oscillations are taken into account, which arise due to the compressibility of the hydraulic fluid, which is applied to the drive of the hoist.
- variable cable length of the hoist rope is included in the calculation of the control variable.
- the method according to the invention for controlling the lifting mechanism thus takes into account vibrations of the load suspended on the hoist rope, which are caused by the extensibility of the hoisting rope depending on the rope length of the hoist rope.
- the rope length is determined by the position of the hoist.
- the weight of the load hanging on the load rope is included in the calculation of the control variable.
- this weight of the load is measured and enters as a measured value in the control process.
- control of the hoist is based on the inversion of the physical model.
- This inversion allows precise control of the drive.
- the physical model first describes the movement of the load as a function of the control variable.
- the inversion therefore gives the control variable as a function of the desired stroke movement of the load.
- the control of the hoist according to the present invention can be combined with a load oscillation damping, which dampens spherical oscillations of the load.
- the present method can also be used without a load swing damping to dampen natural oscillations of the system of hoist winch, rope and load, which run in the cable direction, and in particular vibrations of the load in the stroke direction.
- the present invention further comprises a crane having a control unit having a control program via which a method as set forth above is implemented.
- the crane control or the crane obviously gives rise to the same advantages as already described above with regard to the methods.
- the crane advantageously has a slewing gear, a luffing gear and / or a hoist.
- the crane has a boom, which is pivoted about a horizontal rocking axis on the crane crane and is moved over a luffing cylinder.
- a retraction mechanism can be used as a luffing mechanism.
- the crane advantageously has a tower which is rotatable about a vertical axis of rotation.
- the boom is doing on Tower hinged.
- the hoist cable runs from the hoist via one or more pulleys to the load.
- the crane has an undercarriage with a chassis.
- FIG. 1 an embodiment of the crane according to the invention is shown in which an embodiment of a control method according to the invention is implemented.
- the crane has a boom 1, which is pivoted about a horizontal rocking axis on the tower 2.
- a hydraulic cylinder 10 is provided for rocking up and down the boom 1 in the rocker plane, which is articulated between the boom 1 and the tower 2.
- the kinematics of the articulation of the boom 1 on the tower 2 is closer in FIG. 2 shown.
- the boom 1 is pivoted at a pivot point 13 on the tower 2 about a horizontal rocking axis.
- the hydraulic cylinder 10 is via a Anschddling 11 on the tower 2 and a pivot point 12 on the boom 1 between them.
- By a change in length of the hydraulic cylinder 10 so the boom 1 in the rocker plane can be up and tilts.
- the relevant angles and lengths are in FIG. 2 located.
- the tower 2 is as in Fig. 1 shown rotatably disposed about a vertical axis of rotation z, wherein the rotational movement is generated by a slewing gear 20.
- the tower 2 is arranged for this purpose on an upper carriage 7, which can be rotated over the slewing gear relative to a lower carriage 8.
- this is a movable crane, for which the undercarriage 8 is equipped with a chassis 9. At the hub of the crane can then be supported by support members 71.
- the lifting of the load takes place via a hoist rope 3, on which a load-receiving element 4, in this case a gripper, is arranged.
- the hoist rope 3 is guided over pulleys on the jib tip 5 and on the tower top 6 to the hoist 30 on the superstructure over which the length of the hoist rope can be changed.
- the inventors of the present invention have now recognized that in known methods for controlling the drives of the crane natural oscillations of the crane structure and the drives can arise, which can significantly burden them.
- a desired movement of the cantilever tip serves as an input variable, based on which a control variable for controlling the drives is calculated.
- the control variable can include, for example, the hydraulic pressure or the hydraulic flow to the hydraulic drive.
- the total system of hoist 30 and rope 3 is used here as the drive system for calculating the control of the hoist.
- the setpoint stroke position of the load serves as an input variable, on the basis of which the control variable for controlling the hoist is calculated.
- the vibration dynamics of the hoist, rope and load system are taken into account in the calculation of the control variable in order to avoid inherent vibrations of the system.
- the extensibility of the hoisting rope is taken into account in the calculation of the control quantity in order to dampen the expansion vibrations of the rope.
- the present invention thus allows a considerable structural protection of the crane, which in turn saves costs in maintenance as well as in the construction.
- the vibration dynamics of the drives of the crane that is, the slewing gear, the luffing gear and the system of hoist and rope loads of the crane structure are avoided, which can even be strengthened in known methods for spherical pendulum damping of the load on the contrary.
- the actuation of the drives takes place on the basis of a physical model, which describes the movement of the crane tip or the load as a function of the control variable, the model takes into account the internal vibration dynamics of the respective drives.
- FIG. 3 Here is a schematic diagram of the hydraulics of the luffing gear shown. It is z. B. a diesel engine 15 is provided, which drives a variable displacement pump 16. This variable displacement pump 16 acts on the two hydraulic chambers of the luffing cylinder 10 with hydraulic fluid. Alternatively, could be used to drive the variable displacement pump 16 and an electric motor.
- FIG. 4 shows a schematic diagram of the hydraulics of the slewing gear and the hoist.
- a diesel or electric motor 25 is provided, which drives a variable displacement pump 26.
- This variable displacement pump 26 forms with a hydraulic motor 27 a hydraulic circuit and drives it.
- the hydraulic motor 27 is designed as an adjusting motor. Alternatively, a constant motor could be used. About the hydraulic motor 27 then the slewing or the hoist winch is driven.
- the system of load rope and load is considered as a damped spring pendulum, with a spring constant C and a damping constant D.
- the spring constant C is the length of the hoist rope L, which is determined either on the basis of measured values or calculated on the basis of the control of the hoist winch , Furthermore, the mass M of the load, which is measured via a load mass sensor, enters into the control.
- FIG. 1 illustrated embodiment is a mobile harbor crane.
- the boom, the tower and the hoist winch are set in motion by appropriate drives.
- the boom, the tower and the Hoist winches of the crane in motion offset hydraulic drives generate natural vibrations due to the inherent dynamics of the hydraulic systems.
- the resulting force oscillations affect the long-term fatigue of the cylinder and the cables and thus reduce the life of the entire crane structure, resulting in increased maintenance.
- a tax law is provided which suppresses caused by rocking, turning and lifting movements of the crane natural oscillations and thereby reduces the stress cycles within the Wöhlerdiagramms.
- a reduction in the stress cycles logically increases the service life of the crane structure.
- the boom of the crane is set in motion by a hydraulic luffing cylinder, as in FIG. 1 is shown.
- the dynamic model and the control law for the luffing cylinder are derived in the following section.
- a dynamic model of the hydraulically driven boom of the crane is derived below.
- the boom is schematically in together with the hydraulic cylinder FIG. 2 shown.
- the movement of the boom is described by the rocking angle ⁇ a and the angular velocity ⁇ a .
- the movement of the hydraulic cylinder is determined by the cylinder position Z c , which is considered the distance between the cylinder connection with the tower and the cylinder connection is defined with the boom, and the cylinder speed ⁇ c described.
- the geometric dependencies between the movement of the boom and the cylinder are given by the geometric constants d a , d b , ⁇ 1 and ⁇ 2 and the Cosinussatz.
- the hydraulic circuit of the luffing cylinder consists in principle of a variable displacement pump and the hydraulic cylinder itself, as in FIG. 3 is shown.
- F c p 2 ⁇ A 2 - p 1 ⁇ A 1
- a 1 and A 2 denote the effective areas in each chamber.
- the pressures p 1 and p 2 are described by the pressure buildup assumption that no internal or external leakage occurs.
- p ⁇ 1 1 ⁇ ⁇ V 1 z c ⁇ q l - A 1 ⁇ z ⁇ c .
- p 1 0 p 10
- p ⁇ 2 1 ⁇ ⁇ V 2 z c ⁇ - q l + A 2 ⁇ z ⁇ c .
- the flatness-based feedforward control uses the differential flatness of the system to invert the system dynamics.
- the dynamic model derived in Section 2.1 must be transformed into the state space.
- the state vector x [ ⁇ a , ⁇ a , F c ] T
- the reference signals y and the corresponding derivatives are obtained by a numerical trajectory generation from the hand lever signal of the crane operator or from the control signals of an automation system. Since the drive current u l gives the cylinder speed (see (10)), the trajectories are originally planned in cylinder coordinates for z c , ⁇ c , z c and z c . Subsequently, the trajectories thus obtained are transformed into ⁇ a coordinates and the actual drive current is calculated.
- the tower is rotated by a hydraulic rotary motor.
- the dynamic model and the control law for the slewing gear are derived within the following section.
- J t and J m denote the moment of inertia of the tower and the motor
- i s is the gear ratio of the slewing gear
- ⁇ p s is the pressure difference between the pressure chambers of the engine
- D m denotes the displacement of the hydraulic motor.
- the moment of inertia of the tower J t comprises the moment of inertia of the tower itself, the boom, the attached payload of the tower about the z-axis of the tower (see FIG. 1 ).
- the hydraulic circuit of the slewing gear consists in principle of a variable displacement pump and the hydraulic motor itself, as in FIG. 4 is shown.
- the dynamic model for the slewing gear is transformed into the state space and a flatness-based feedforward control is designed.
- the dynamic model consisting of (24), (25) and (26) can be written as a system of first-order differential equations.
- the hoist winch of the crane is driven by a hydraulically operated rotary motor.
- the dynamic model and the hoist winch control law are derived in the following section.
- the payload with the mass m p is attached to a hook and can be raised or lowered by the crane by means of a rope of length l r .
- the rope is deflected by a pulley on the jib tip and on the tower.
- the rope is not deflected directly from the end of the boom to the hoist winch, but from the end of the boom to the tower, from there back to the end of the boom and then over the tower to the hoist winch (see FIG. 1 ).
- l 1 , l 2 and l 3 denote the partial lengths of the hoist winch to the tower, from the tower to the end of the boom and from the end of the boom to the hook.
- the lifting system of the crane which consists of the hoist winch, the rope and the payload, is considered below as a spring-mass-damper system and is in FIG. 5 shown.
- z ⁇ p 0 0 with the gravitational constant g , the spring constant c , the damping constant d , the radius of the hoisting winch r w , the angle ⁇ w , the hoisting winch, the angular velocity ⁇ w , the payload position z p , the payload speed ⁇ p , and the payload acceleration z ⁇ p .
- ⁇ ⁇ w 0 0
- J w and J m denote the moment of inertia of the winch and the motor
- i w is the gear ratio between the engine and the winch
- ⁇ p w is the pressure difference between high and low pressure chambers of the engine
- D m is the displacement of the hydraulic motor
- F s is the spring force given in (39).
- the initial condition ⁇ w0 for the angle of the hoist winch is given by (41).
- the hydraulic circuit for the hoist winch is basically the same as for the slewing gear and is in FIG. 4 shown.
- the dynamic model for the hoist winch is transformed into the state space to design a flatness-based feedforward control.
- the system output (50) and its time derivatives are used to invert the system dynamics, as was done for the seesaw and slewing gear.
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Ansteuerung von Antrieben eines Kranes. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung dabei ein Verfahren zur Ansteuerung eines Antriebs eines Kranes, insbesondere eines Drehwerkes und/oder eines Wippwerkes, wobei eine Soll-Bewegung der Auslegerspitze als Eingangsgröße dient, auf deren Grundlage eine Steuergröße zur Ansteuerung des Antriebs berechnet wird. Weiterhin betrifft die Vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung eines Hubwerks eines Kranes, bei welchem eine Soll-Hubbewegung der Last als Eingangsgröße dient, auf deren Grundlage eine Steuergröße zur Ansteuerung des Antriebs berechnet wird. Bei dem Antrieb des erfindungsgemäßen Kranes kann es sich insbesondere um einen hydraulischen Antrieb handeln. Der Einsatz eines elektrischen Antriebs ist aber ebenfalls möglich. Dabei kann das Wippwerk z. B. über einen Hydraulikzylinder oder über ein Einziehwerk realisiert werden.The present invention relates to methods for controlling drives of a crane. In particular, the present invention relates to a method for controlling a drive of a crane, in particular a slewing gear and / or a luffing gear, wherein a target movement of the boom tip serves as an input, on the basis of which a control variable for driving the drive is calculated. Furthermore, the present invention relates to a method for controlling a hoist of a crane, in which a desired stroke movement of the load serves as input, on the basis of which a control variable for driving the drive is calculated. The drive of the crane according to the invention may in particular be a hydraulic drive. The use of an electric drive is also possible. In this case, the luffing z. B. be realized via a hydraulic cylinder or a retractable.
Bei bekannten Verfahren zur Ansteuerung von Antrieben eines Kranes gibt dabei eine Bedienperson mittels Handhebeln die Soll-Bewegung der Auslegerspitze und damit die Soll-Bewegung der Last in horizontaler Richtung vor, woraus aufgrund der Kinematik von Drehwerk und Wippwerk eine Steuergröße zur Ansteuerung dieser Antriebe berechnet wird. Weiterhin gibt die Bedienperson mittels Handhebeln die Soll-Hubbewegung der Last vor, aus welcher eine Steuergröße zur Ansteuerung des Hubwerks berechnet wird.In known methods for controlling drives of a crane while an operator is by means of hand levers, the target movement of the boom tip and Thus, the target movement of the load in the horizontal direction before, from which due to the kinematics of slewing and luffing a control variable for controlling these drives is calculated. Furthermore, the operator by means of hand levers, the target stroke movement of the load before, from which a control variable for controlling the lifting mechanism is calculated.
Weiterhin sind Verfahren zur Lastpendeldämpfung bekannt z.B. aus der
Die bekannten Verfahren zur Ansteuerung von Kranen können jedoch zu erheblichen Belastungen der Kranstruktur führen.However, the known methods for controlling cranes can lead to significant loads on the crane structure.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Antriebs eines Kranes zur Verfügung zu stellen, welches solche Belastungen der Kranstruktur vermindert.The object of the present invention is therefore to provide a method for controlling a drive of a crane which reduces such loads on the crane structure.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe von einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ansteuerung eines Antriebs eines Kranes, insbesondere eines Drehwerks und/oder eines Wippwerks, dient eine Soll-Bewegung der Auslegerspitze als Eingangsgröße, auf deren Grundlage einer Steuergröße zur Ansteuerung des Antriebs berechnet wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass bei der Berechnung der Steuergröße die interne Schwingungs-Dynamik des Systems aus Antrieb und der Kranstruktur berücksichtigt wird, um Eigenschwingungen zu dämpfen. Bei dem Antrieb kann es sich dabei um einen hydraulischen Antrieb handeln. Der Einsatz eines elektrischen Antriebs ist aber ebenfalls möglich.According to the invention, this object is achieved by a method according to
Dabei haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass die Eigenschwingungen die Kranstruktur und die Antriebe stark belasten können. Durch Berücksichtigung der internen Schwingungsdynamik des Antriebs und der Kranstruktur bei der Berechnung der Steuergröße können dagegen Eigenschwingungen gedämpft und vorteilhafterweise weitgehend vermieden werden. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die Auslegerspitze ohne Schwingung der vorgegebenen Soll-Bewegung genau folgt. Zum anderen werden die Kranstruktur und die Antriebe nicht durch die Eigenschwingung belastet. Die erfindungsgemäße Dämpfung der Eigenschwingungen wirkt sich daher positiv auf die Lebensdauer und die Wartungskosten aus.In this case, the inventors of the present invention have found that the natural vibrations can heavily load the crane structure and the drives. By taking into account the internal vibration dynamics of the drive and the crane structure in the calculation of the control variable, however, natural oscillations can be damped and advantageously largely avoided. On the one hand, this has the advantage that the cantilever tip follows the predetermined target movement without oscillation exactly. On the other hand, the crane structure and the drives are not burdened by the natural vibration. The damping of the natural vibrations according to the invention therefore has a positive effect on the service life and the maintenance costs.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dabei vorteilhafterweise bei Kranen eingesetzt, bei welchen ein Ausleger um eine horizontale Wippachse aufwippbar an einem Turm angelenkt ist. Der Ausleger kann dabei durch einen zwischen dem Turm und dem Ausleger angeordneten Auslegerzylinder in der Wippebene auf- und abgewippt werden. Ebenso ist es möglich, als Wippwerk ein Einziehwerk einzusetzen, welches den Ausleger über eine Verseilung in der Wippebene bewegt. Der Turm ist wiederum über ein Drehwerk insbesondere in Form eines hydraulischen Motors um eine vertikale Achse drehbar. Der Turm kann dabei auf einem Unterwagen angeordnet sein, welcher über ein Fahrwerk verfahrbar ist.The method according to the invention is advantageously used in cranes, in which a boom is articulated around a horizontal rocking axis so that it can be wiped on a tower. The boom can be up and tipped off by a arranged between the tower and the boom boom cylinder in the rocker. It is also possible to use as a luffing mechanism a retractor, which moves the boom via a stranding in the rocker plane. The tower is in turn rotatable about a slewing gear, in particular in the form of a hydraulic motor about a vertical axis. The tower can be arranged on an undercarriage, which can be moved by a chassis.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei beliebigen Kranen zum Einsatz kommen, beispielsweise bei Hafenkranen und insbesondere bei Hafenmobilkranen.The inventive method can be used in any cranes, for example in port cranes and in particular mobile harbor cranes.
Vorteilhafterweise erfolgt erfindungsgemäß die Ansteuerung des Antriebs auf Grundlage eines physikalischen Modells, welches die Bewegung der Kranspitze in Abhängigkeit von der Steuergröße beschreibt. Die Verwendung eines physikalischen Modells ermöglicht dabei eine schnelle Anpassung des Steuerungsverfahrens an unterschiedliche Krane. Dabei muss das Schwingungsverhalten nicht erst mühsam durch Messungen ermittelt werden, sondern kann anhand des physikalischen Modells beschrieben werden. Zudem ermöglicht das physikalische Modell eine realistische Beschreibung der Schwingungsdynamik der Kranstruktur, so dass alle relevanten Eigenschwingungen gedämpft werden können. Das physikalische Modell beschreibt hierfür nicht nur die Kinetik der Antriebe und der Kranstruktur, sondern auch die Schwingungs-Dynamik des Antriebs und der Kranstruktur.Advantageously, according to the invention, the drive is controlled on the basis of a physical model which describes the movement of the crane tip as a function of the control variable. The use of a physical model makes it possible to quickly adapt the control method to different cranes. The vibration behavior does not have to be laboriously determined by measurements, but can be described on the basis of the physical model. In addition, the physical model allows a realistic description of the vibration dynamics of the crane structure, so that all relevant natural oscillations can be damped. The physical model describes not only the kinetics of the drives and the crane structure, but also the vibration dynamics of the drive and the crane structure.
Vorteilhafterweise erfolgt die Berechung der Steuergröße auf Grundlage einer Invertierung des physikalischen Modells, welches die Bewegung der Kranspitze in Abhängigkeit von der Steuergröße beschreibt. Durch die Invertierung erhält man damit die Steuergröße in Abhängigkeit von der Soll-Bewegung der Auslegerspitze.Advantageously, the calculation of the control variable is based on an inversion of the physical model, which describes the movement of the crane tip as a function of the control variable. The inversion thus gives the control variable as a function of the desired movement of the cantilever tip.
Vorteilhafterweise ist das Modell, welches die Bewegung der Kranspitze in Abhängigkeit von der Steuergröße beschreibt, nichtlinear. Dies hat eine größere Genauigkeit der Ansteuerung zur Folge, da die entscheidenden Effekte, welche zu Eigenschwingungen der Kranstruktur führen, nichtlinear sind.Advantageously, the model describing the movement of the crane tip as a function of the control variable is non-linear. This results in a greater accuracy of the control result, since the decisive effects, which lead to natural oscillations of the crane structure, are non-linear.
Wird ein hydraulischer Antrieb eingesetzt, so berücksichtigt das Modell vorteilhafterweise die Schwingungs-Dynamik des Antriebs aufgrund der Kompressibilität des Hydraulikfluids. Diese Kompressibilität führt dabei zu Schwingungen der Kranstruktur, welche diese erheblich belasten können. Durch Berücksichtigung der Kompressibilität des Hydraulikfluids können diese Schwingungen gedämpft werden.If a hydraulic drive is used, the model advantageously takes into account the vibration dynamics of the drive due to the compressibility of the hydraulic fluid. This compressibility leads to vibrations of the crane structure, which can significantly burden them. By considering the compressibility of the hydraulic fluid, these vibrations can be damped.
Vorteilhafterweise dient das erfindungsgemäße Verfahren dabei zur Ansteuerung des als Wippwerk verwendeten Wippzylinders, wobei die Kinematik der Anlenkung des Zylinders sowie die Masse und die Trägheit des Auslegers des Kranes in die Berechnung der Steuergröße eingehen. Hierdurch können Eigenschwingungen des Auslegers in der Wippebene gedämpft werden.Advantageously, the inventive method is used to control the rocking cylinder used as luffing mechanism, the kinematics of the articulation of the cylinder and the mass and inertia of the boom of the crane are included in the calculation of the control variable. As a result, natural vibrations of the boom can be damped in the rocker plane.
Alternativ zu dem Hydraulikzylinder kann ein Einziehwerk als Wippwerk eingesetzt werden, wobei vorteilhafterweise die Kinematik und/oder Dynamik der Einziehverseilung sowie die Masse und die Trägheit des Auslegers des Kranes in die Berechnung der Steuergröße eingehen.As an alternative to the hydraulic cylinder, a retraction mechanism can be used as a luffing mechanism, wherein advantageously the kinematics and / or dynamics of the pull-in stranding as well as the mass and the inertia of the boom of the crane are included in the calculation of the control variable.
Alternativ oder zusätzlich dient das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung des Drehwerks, wobei das Trägheitsmoment des Auslegers des Kranes in das Modell eingeht. Hierdurch können Eigenschwingungen der Kranstruktur um die vertikale Drehachse gedämpft werden.Alternatively or additionally, the inventive method is used to control the slewing gear, wherein the moment of inertia of the boom of the crane enters the model. As a result, natural oscillations of the crane structure can be damped about the vertical axis of rotation.
Vorteilhafterweise erfolgt die Schwingungsdämpfung im Wege der Vorsteuerung. Hierdurch können kostenintensive Sensoren eingespart werden, welche ansonsten eingesetzt werden müßten. Zudem ermöglicht die Vorsteuerung eine effektive Reduzierung der Eigenschwingungen, ohne wie bei einer Regelung mit geschlossenem Regelkreislauf durch die Ansprechgeschwindigkeit der Antriebe auf einen gewissen Frequenzbereich beschränkt zu sein.Advantageously, the vibration damping takes place by means of feedforward control. As a result, costly sensors can be saved, which would otherwise have to be used. In addition, the feedforward control allows effective reduction of the natural oscillations without being limited to a certain frequency range by the response speed of the drives, as in closed-loop control.
Vorteilhafterweise dienen dabei die Position, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und/oder der Ruck der Auslegerspitze als Sollgrößen der Vorsteuerung. Insbesondere dienen dabei vorteilhafterweise mindestens zwei dieser Werte als Sollgrößen. Weiterhin vorteilhafterweise wird dabei neben der Position mindestens eine der weiteren Größen als Sollgröße herangezogen. Weiterhin vorteilhafterweise werden alle diese Größen als Sollgrößen der Vorsteuerung herangezogen.Advantageously, the position, the speed, the acceleration and / or the jerk of the cantilever tip serve as reference values of the pilot control. In particular, at least two of these values advantageously serve as nominal values. Further advantageously, in addition to the position, at least one of the further variables is used as the setpoint. Further advantageously, all these variables are used as desired values of the precontrol.
Weiterhin vorteilhafterweise wird aus Eingaben einer Bedienperson und/oder eines Automatisierungssystems eine Soll-Trajektorie der Auslegerspitze als Eingangsgröße der Steuerung generiert. Damit wird aus den von einer Bedienperson mittels Handhebeln eingegebenen Eingaben und/oder den Signalen eines Automatisierungssystems eine Soll-Trajektorie der Auslegerspitze generiert. Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren sorgt nun dafür, dass die Antriebe des Kranes so angesteuert werden, dass die Auslegerspitze dieser Soll-Trajektorie folgt und Eigenschwingungen des Kranes vermieden werden.Further advantageously, a desired trajectory of the cantilever tip is generated as inputs of the controller from inputs of an operator and / or an automation system. Thus, from the inputs entered by an operator by means of hand levers and / or the signals of an automation system, a desired trajectory of the cantilever tip is generated. The control method according to the invention now ensures that the drives of the crane are controlled so that the jib tip follows this desired trajectory and natural oscillations of the crane are avoided.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei zusammen mit einer Lastpendeldämpfung eingesetzt werden, oder aber auch komplett ohne eine Lastpendeldämpfung. Bekannte Verfahren zur Lastpendeldämpfung konzentrieren sich dabei einzig auf die Vermeidung von Pendelschwingungen der Last, was teilweise sogar zu einem Ansteigen der Eigenschwingungen der Kranstruktur und damit einer stärkeren Belastung führen konnte als eine Ansteuerung ohne Lastpendeldämpfung. Die vorliegende Erfindung dämpft dagegen die Eigenschwingungen der Kranstruktur und schont so die Kranstruktur.The method according to the invention can be used together with a load oscillation damping, or else completely without a load oscillation damping. Known methods for load oscillation damping focus solely on the avoidance of pendulum vibrations of the load, which sometimes even to a Increasing the natural vibration of the crane structure and thus could lead to a greater load than a control without load oscillation damping. By contrast, the present invention dampens the natural vibrations of the crane structure and thus protects the crane structure.
Dabei kann vorgesehen sein, dass mögliche sphärische Pendelschwingungen der Last nicht als Messgröße in die Ansteuerung eingehen. Daher kann auf aufwendigen Messapparaturen zum Messen des Seilwinkels verzichtet werden.It can be provided that possible spherical pendulum vibrations of the load are not received as a measure in the control. Therefore, can be dispensed with expensive measuring equipment for measuring the rope angle.
Weiterhin können mögliche sphärische Pendelschwingungen der Last bei der Ansteuerung des Antriebs unberücksichtigt bleiben. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einfacheren Kransteuerungen ohne Lastpendeldämpfung eingesetzt werden, um die Kranstruktur zu schonen.Furthermore, possible spherical pendulum vibrations of the load can be disregarded when controlling the drive. As a result, the method according to the invention can also be used for simpler crane controls without load oscillation damping in order to protect the crane structure.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch bei Kransteuerungen mit Lastpendeldämpfung eingesetzt werden. Das Verfahren wird dann so implementiert, dass zunächst die Lastbewegung als Soll-Größe dient, aus welcher eine Soll-Bewegung der Auslegerspitze generiert wird. Diese Soll-Bewegung der Auslegerspitze dient dann als Eingangsgröße des erfindungsgemäßen Verfahrens. Durch diesen zweistufigen Ansatz kann auch bei Verfahren mit Lastpendeldämpfung eine Dämpfung der Eigenschwingungen der Kranstruktur erreicht werden. Bekannte Verfahren zur Lastpendeldämpfung sind dagegen einzig darauf ausgerichtet, Schwingungen der Last zu vermeiden, und können hierdurch die Eigenschwingungen der Kranstruktur sogar noch verstärken.However, the method according to the invention can also be used in crane controls with load oscillation damping. The method is then implemented in such a way that initially the load movement serves as a set value, from which a desired movement of the cantilever tip is generated. This desired movement of the cantilever tip then serves as input of the method according to the invention. By this two-stage approach, a damping of the natural vibrations of the crane structure can be achieved even with methods with load oscillation damping. Known methods for load-swing damping, on the other hand, are designed solely to avoid vibrations of the load and can thereby even increase the natural vibrations of the crane structure.
Das bisher dargestellte Verfahren diente dabei vorzugsweise der Ansteuerung eines Drehwerks und/oder eines Wippwerks eines Kranes. Es kann jedoch auch dazu eingesetzt werden, das Hubwerk eines Kranes anzusteuern. Insbesondere kann dabei die Schwingungsdynamik des Hubwerks aufgrund der Kompressibilität des Hydraulikfluids berücksichtigt werden.The method described so far was preferably used to control a slewing gear and / or a luffing gear of a crane. However, it can also be used to control the hoist of a crane. In particular, the vibration dynamics of the hoist can be taken into account due to the compressibility of the hydraulic fluid.
Bei der Ansteuerung des Hubwerks dient jedoch vorteilhafterweise die Soll-Hubbewegung der Last als Eingangsgröße, auf deren Grundlage eine Steuergröße zur Ansteuerung des Antriebs berechnet wird.In the control of the hoist but advantageously the target stroke of the load is used as input, on the basis of which a control variable for driving the drive is calculated.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bei der Ansteuerung des Hubwerks eines Kranes ebenfalls eine Strukturschonung zu ermöglichen.Object of the present invention is therefore also to allow a structural protection in the control of the hoist of a crane.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Dabei ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines Hubwerks eines Kranes vorgesehen, bei welchem eine Soll-Hubbewegung der Last als Eingangsgröße dient, auf deren Grundlage eine Steuergröße zur Ansteuerung des Antriebs berechnet wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass bei der Berechnung der Steuergröße die Schwingungs-Dynamik des Systems aus Hubwerk, Seil und Last in Seilrichtung berücksichtigt wird, um Eigenschwingungen zu dämpfen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben dabei erkannt, dass die Schwingungs-Dynamik des Systems aus Hubwerk, Seil und Last zu Schwingungen der Last bzw. der Kranstruktur führen kann, welche sowohl das Lastseil als auch den Ausleger erheblich belasten können. Deshalb wird nun erfindungsgemäß diese Schwingungsdynamik berücksichtigt, um Eigenschwingungen der Last und/oder des Hubwerks zu vermeiden. Das Hubwerk kann dabei hydraulisch und/oder elektrisch angetrieben werden.This object is achieved by a method according to
Auch dieses Verfahren wird dabei vorteilhafterweise bei Kranen eingesetzt, bei welchen ein Ausleger um eine horizontale Wippachse aufwippbar an einem Turm angelenkt ist. Das Lastseil ist dabei vorteilhafterweise von einer Winde an der Turmbasis über eine oder mehrere Umlenkrollen an der Turmspitze zu einer oder mehreren Umlenkrollen an der Auslegerspitze geführt.Also, this method is advantageously used in cranes, in which a boom is pivoted about a horizontal rocking axis wippen on a tower. The load rope is advantageously guided by a winch on the tower base via one or more pulleys on the spire to one or more pulleys on the boom tip.
Vorteilhafterweise wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Schwingungs-Reduktionsbetrieb die Schwingungsdynamik des Hubsystems berücksichtigt, während eventuelle Bewegungen des Abstützbereichs, auf dem sich die Kranstruktur abstützt, bei der Ansteuerung des Hubwerks nicht berücksichtigt werden. Die Ansteuerung geht also im Schwingungs-Reduktionsbetrieb von einem ortsfesten Abstützbereich aus. Die erfindungsgemäße Ansteuerung muß daher nur Schwingungen berücksichtigen, welche durch das Hubseil und/oder das Hubwerk und/oder die Kranstruktur entstehen. Bewegungen des Abstützbereichs, wie sie z. B. bei einem Schwimmkran durch Wellenbewegung entstehen, bleiben im Schwingungs-Reduktionsbetrieb dagegen unberücksichtigt. Die Kransteuerung kann so erheblich einfacher ausgestaltet werden.Advantageously, the vibration dynamics of the lifting system is taken into account according to the inventive method in a vibration-reduction operation, while any movements of the support area on which the crane structure is supported, not taken into account in the control of the hoist become. The control thus starts in the vibration reduction operation of a stationary support area. The control according to the invention must therefore take into account only vibrations which arise through the hoisting rope and / or the hoisting gear and / or the crane structure. Movements of the support area, as z. B. arise in a floating crane by wave motion, remain disregarded in the vibration reduction operation, however. The crane control can be made considerably simpler.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei bei einem Kran zum Einsatz kommen, der sich während des Hubs mit der Kranstruktur tatsächlich auf einem ortsfesten Abstützbereich abstützt, insbesondere auf dem Erdboden. Die erfindungsgemäße Kransteuerung kann aber auch bei einem Schwimmkran eingesetzt werden, berücksichtigt aber im Schwingungs-Reduktionsbetrieb die Bewegungen des Schwimmkörpers nicht. Weist die Kransteuerung einen Betriebsmodus mit aktiver Seegangsfolge auf, so erfolgt der Schwingungs-Reduktionsbetrieb dementsprechend ohne gleichzeitigen aktiven Seegangsfolge-Betrieb.The method according to the invention can be used in a crane, which is actually supported on a stationary support area during the lift with the crane structure, in particular on the ground. However, the crane control according to the invention can also be used in a floating crane, but does not take into account the movements of the floating body in the vibration reduction mode. If the crane control system has an operating mode with active coasting sequence, the vibration reduction operation accordingly takes place without simultaneous active coasting sequence operation.
Weiterhin vorteilhafterweise kommt das erfindungsgemäße Verfahren bei transportabeln und/oder verfahrbaren Kranen zum Einsatz. Der Kran weist dabei vorteilhafterweise Abstützmittel auf, über welche er an unterschiedlichen Huborten abstützbar ist. Weiterhin vorteilhafterweise kommt das Verfahren bei Hafenkranen, insbesondere bei Hafenmobilkranen, bei Raupenkranen, bei Fahrzeugkranen etc. zum Einsatz.Further advantageously, the method according to the invention in transportable and / or mobile cranes is used. The crane advantageously has support means via which it can be supported at different lifting locations. Further advantageously, the method is used in port cranes, especially in mobile harbor cranes, crawler cranes, vehicle cranes, etc. used.
Vorteilhafterweise wird bei der Berechnung der Steuergröße die Schwingungs-Dynamik des Hubsystems aufgrund der Dehnbarkeit des Hubseils berücksichtigt. Die Dehnbarkeit des Hubseils führt zu einer Ausdehnungsschwingung des Seils in Seilrichtung, welche erfindungsgemäß durch eine entsprechende Ansteuerung des Hubwerks gedämpft wird. Vorteilhafterweise wird dabei die Schwingungsdynamik des Seils bei frei in der Luft hängender Last berücksichtigt.Advantageously, the oscillation dynamics of the lifting system due to the extensibility of the hoisting rope is taken into account in the calculation of the control variable. The extensibility of the hoisting cable leads to an expansion of the rope in the cable direction, which is attenuated according to the invention by a corresponding control of the hoist. Advantageously, the vibration dynamics of the rope is taken into account with the load hanging freely in the air.
Das Hubwerk des erfindungsgemäßen Krans kann dabei hydraulisch angetrieben werden. Alternativ ist auch ein Antrieb über einen Elektromotor möglich.The hoist of the crane according to the invention can be hydraulically driven. Alternatively, a drive via an electric motor is possible.
Wird ein hydraulisch angetriebenes Hubwerk eingesetzt, wird weiterhin vorteilhafterweise bei der Berechnung der Steuergröße die Schwingungs-Dynamik des Hubwerks aufgrund der Kompressibilität des Hydraulikfluids berücksichtigt. Damit werden auch jene Eigenschwingungen berücksichtigt, welche aufgrund der Kompressibilität des Hydraulikfluids entstehen, mit dem der Antrieb des Hubwerks beaufschlagt wird.If a hydraulically driven hoist is used, the oscillation dynamics of the hoisting gear due to the compressibility of the hydraulic fluid are also advantageously taken into account in the calculation of the control variable. Thus, those natural oscillations are taken into account, which arise due to the compressibility of the hydraulic fluid, which is applied to the drive of the hoist.
Vorteilhafterweise geht dabei die variable Seillänge des Hubseils in die Berechnung der Steuergröße ein. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung des Hubwerks berücksichtigt damit Schwingungen der am Hubseil hängenden Last, welche aufgrund von der Seillänge des Hubseils abhängigen Dehnbarkeit des Hubseils hervorgerufen werden. Vorteilhafterweise gehen weiterhin Materialkonstanten des Hubseils, welche dessen Dehnbarkeit beeinflussen, in die Berechnung ein. Vorteilhafterweise wird die Seillänge dabei anhand der Stellung des Hubwerks bestimmt.Advantageously, the variable cable length of the hoist rope is included in the calculation of the control variable. The method according to the invention for controlling the lifting mechanism thus takes into account vibrations of the load suspended on the hoist rope, which are caused by the extensibility of the hoisting rope depending on the rope length of the hoist rope. Advantageously, continue to material constants of the hoisting rope, which affect its extensibility, in the calculation. Advantageously, the rope length is determined by the position of the hoist.
Weiterhin vorteilhafterweise geht das Gewicht der am Lastseil hängenden Last in die Berechnung der Steuergröße ein. Vorteilhafterweise wird dieses Gewicht der Last dabei gemessen und geht als Meßwert in das Steuerverfahren ein.Further advantageously, the weight of the load hanging on the load rope is included in the calculation of the control variable. Advantageously, this weight of the load is measured and enters as a measured value in the control process.
Vorteilhafterweise beruht die Ansteuerung des Hubwerkes dabei auf einem physikalischen Modell des Kranes, welches die Hub-Bewegung der Last in Abhängigkeit von der Steuergröße des Hubwerks beschreibt. Wie bereits dargestellt, ermöglicht ein solches physikalisches Modell eine schnelle Anpassung an neue Krantypen. Zudem wird hierdurch eine genauere und bessere Schwingungsdämpfung ermöglicht. Dabei beschreibt das Modell neben der Kinematik auch die Schwingungs-Dynamik aufgrund der Dehnbarkeit des Hubseiles und/oder aufgrund der Kompressibilität des Hydraulikfluids. Das Modell geht dabei vorteilhafterweise von einem ortsfesten Abstützbereich des Krans aus.Advantageously, the control of the hoist is based on a physical model of the crane, which describes the stroke movement of the load as a function of the control variable of the hoist. As already stated, such a physical model allows a quick adaptation to new crane types. In addition, this allows a more accurate and better vibration damping. In addition to the kinematics, the model also describes the vibration dynamics due to the extensibility of the hoisting rope and / or due to the compressibility of the hydraulic fluid. The model advantageously starts from a stationary support area of the crane.
Vorteilhafterweise beruht die Ansteuerung des Hubwerkes dabei auf der Invertierung des physikalischen Modells. Diese Invertierung ermöglicht eine genaue Ansteuerung des Antriebs. Das physikalische Modell beschreibt dabei zunächst die Bewegung der Last in Abhängigkeit von der Steuergröße. Durch die Invertierung erhält man daher die Steuergröße in Abhängigkeit von der Soll-Hubbewegung der Last.Advantageously, the control of the hoist is based on the inversion of the physical model. This inversion allows precise control of the drive. The physical model first describes the movement of the load as a function of the control variable. The inversion therefore gives the control variable as a function of the desired stroke movement of the load.
Wie bereits bezüglich der Ansteuerung des Wipp- und des Drehwerkes dargestellt, kann auch die Ansteuerung des Hubwerkes nach der vorliegenden Erfindung mit einer Lastpendeldämpfung kombiniert werden, welche sphärische Pendelbewegungen der Last dämpft. Das vorliegende Verfahren kann aber auch ohne eine Lastpendeldämpfung eingesetzt werden, um Eigenschwingungen des Systems aus Hubwinde, Seil und Last, welche in Seilrichtung verlaufen, und insbesondere Schwingungen der Last in Hubrichtung zu dämpfen.As already shown with respect to the control of the rocker and the slewing gear, the control of the hoist according to the present invention can be combined with a load oscillation damping, which dampens spherical oscillations of the load. The present method can also be used without a load swing damping to dampen natural oscillations of the system of hoist winch, rope and load, which run in the cable direction, and in particular vibrations of the load in the stroke direction.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin eine Kransteuerung zur Durchführung eines Verfahrens, wie es oben dargestellt wurde. Die Kransteuerung weist dabei vorteilhafterwiese ein Steuerprogramm auf, über welches ein Verfahren, wie es oben dargestellt wurde, implementiert wird.The present invention further includes a crane controller for performing a method as set forth above. The crane control advantageously has a control program via which a method, as has been described above, is implemented.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen Kran mit einer Steuereinheit, welche ein Steuerprogramm aufweist, über welches ein Verfahren, wie es oben dargestellt wurde, implementiert wird. Durch die Kransteuerung bzw. den Kran ergeben sich offensichtlich die gleichen Vorteile, wie sie bereits oben bezüglich der Verfahren dargestellt wurden.The present invention further comprises a crane having a control unit having a control program via which a method as set forth above is implemented. The crane control or the crane obviously gives rise to the same advantages as already described above with regard to the methods.
Der Kran weist dabei vorteilhafterweise ein Drehwerk, ein Wippwerk und/oder ein Hubwerk auf. Vorteilhafterweise weist der Kran dabei einen Ausleger auf, welcher um eine horizontale Wippachse aufwippbar am Kran angelenkt ist und über einen Wippzylinder bewegt wird. Alternativ kann ein Einziehwerk als Wippwerk eingesetzt werden. Weiterhin weist der Kran vorteilhafterweise einen Turm auf, welcher um eine vertikale Drehachse drehbar ist. Vorteilhafterweise ist der Ausleger dabei am Turm angelenkt. Weiterhin vorteilhafterweise verläuft das Hubseil dabei vom Hubwerk über eine oder mehrere Umlenkrollen zur Last. Weiterhin vorteilhaferweise weist der Kran einen Unterwagen mit einem Fahrwerk auf.The crane advantageously has a slewing gear, a luffing gear and / or a hoist. Advantageously, the crane has a boom, which is pivoted about a horizontal rocking axis on the crane crane and is moved over a luffing cylinder. Alternatively, a retraction mechanism can be used as a luffing mechanism. Furthermore, the crane advantageously has a tower which is rotatable about a vertical axis of rotation. Advantageously, the boom is doing on Tower hinged. Further advantageously, the hoist cable runs from the hoist via one or more pulleys to the load. Furthermore, advantageously, the crane has an undercarriage with a chassis.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels sowie Zeichnungen näher dargestellt. Dabei zeigen:
- Figur 1:
- ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Krans,
- Figur 2:
- eine Prinzipzeichnung der Kinematik der Anlenkung des Auslegers eines erfindungsgemäßen Krans,
- Figur 3:
- eine Prinzipzeichnung der Hydraulik des Wippzylinders eines erfin- dungsgemäßen Krans,
- Figur 4:
- eine Prinzipzeichnung der Hydraulik des Drehwerks und des Hubwerks eines erfindungsgemäßen Krans, und
- Figur 5:
- eine Prinzipdarstellung des physikalischen Modells, welches zur Be- schreibung der Dynamik des Lastseils herangezogen wird.
- FIG. 1:
- an embodiment of a crane according to the invention,
- FIG. 2:
- a principle drawing of the kinematics of the articulation of the boom of a crane according to the invention,
- FIG. 3:
- a schematic drawing of the hydraulics of the luffing cylinder of a crane according to the invention,
- FIG. 4:
- a schematic drawing of the hydraulics of the slewing gear and the hoist of a crane according to the invention, and
- FIG. 5:
- a schematic representation of the physical model, which is used to describe the dynamics of the load rope.
In
Die Kinematik der Anlenkung des Auslegers 1 am Turm 2 ist dabei näher in
Der Turm 2 ist, wie in
Das Heben der Last erfolgt dabei über ein Hubseil 3, an welchem ein Lastaufnahmeelement 4, in diesem Fall ein Greifer, angeordnet ist. Das Hubseil 3 ist dabei über Umlenkrollen an der Auslegerspitze 5 sowie an der Turmspitze 6 zum Hubwerk 30 am Oberwagen geführt, über welches die Länge des Hubseils verändert werden kann.The lifting of the load takes place via a hoist
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nun erkannt, dass bei bekannten Verfahren zur Ansteuerung der Antriebe des Kranes Eigenschwingungen der Kranstruktur und der Antriebe entstehen können, welche diese erheblich belasten können.The inventors of the present invention have now recognized that in known methods for controlling the drives of the crane natural oscillations of the crane structure and the drives can arise, which can significantly burden them.
Bei der Ansteuerung des Drehwerks und/oder des Wippwerks gemäß der vorliegenden Erfindung dient daher eine Sollbewegung der Auslegerspitze als Eingangsgröße, auf deren Grundlage eine Steuergröße zur Ansteuerung der Antriebe berechnet wird. Handelt es sich bei dem Antrieb um einen hydraulischen Antrieb, kann die Steuergröße kann dabei beispielsweise den Hydraulikdruck oder den Hydraulikfluss zum hydraulischen Antrieb umfassen. Erfindungsgemäß wird dabei bei der Berechnung der Steuergröße die interne Schwingungsdynamik der Antriebe bzw. der Kranstruktur berücksichtigt. Hierdurch können Eigenschwingungen der Kranstruktur und der Antriebe vermieden werden.When driving the slewing gear and / or the luffing gear according to the present invention, therefore, a desired movement of the cantilever tip serves as an input variable, based on which a control variable for controlling the drives is calculated. If the drive is a hydraulic drive, the control variable can include, for example, the hydraulic pressure or the hydraulic flow to the hydraulic drive. According to the invention, in the calculation of the control variable, the internal vibration dynamics of the drives or crane structure. As a result, natural vibrations of the crane structure and the drives can be avoided.
Bei der Ansteuerung des Hubwerks bilden dagegen Schwingungen der Last aufgrund der Dehnbarkeit des Lastseils einen entscheidenden Faktor bei den Eigenschwingungen der Kranstruktur. Daher wird hier als Antriebssystem das Gesamtsystem aus Hubwerk 30 und Seil 3 zur Berechnung der Ansteuerung des Hubwerks herangezogen. Dabei dient die Soll-Hubposition der Last als Eingangsgröße, auf deren Grundlage die Steuergröße zur Ansteuerung des Hubwerks berechnet wird. Dabei wird die Schwingungs-Dynamik des Systems aus Hubwerk, Seil und Last bei der Berechnung der Steuergröße berücksichtigt, um Eigenschwingungen des Systems zu vermeiden. Insbesondere wird die Dehnbarkeit des Hubseils bei der Berechnung der Steuergröße berücksichtigt, um die Ausdehungsschwingungen des Seiles zu dämpfen. Hier werden also anders als in bekannten Lastpendeldämpfungen keine sphärischen Pendelschwingungen der Last berücksichtigt, sondern die Schwingung der Last in Seilrichtung durch die Ausdehnung bzw. Kontraktion des Hubseils. Weiterhin kann auch beim Hubwerk 30 die Schwingung des Systems aus Hubwerk 30 und Seil 3 aufgrund der Kompressibilität des Hydraulikfluids berücksichtigt werden.When controlling the hoist, however, vibrations of the load due to the elasticity of the load rope form a decisive factor in the natural vibrations of the crane structure. Therefore, the total system of hoist 30 and
Die vorliegende Erfindung ermöglicht damit eine erhebliche Strukturschonung des Kranes, was wiederum Kosten bei der Wartung sowie bei der Konstruktion spart. Durch die Berücksichtigung der Schwingungsdynamik der Antriebe des Kranes, das heißt des Drehwerks, des Wippwerks sowie des Systems aus Hubwerk und Seil werden dabei Belastungen der Kranstruktur vermieden, welche bei bekannten Verfahren zur sphärischen Pendeldämpfung der Last im Gegenteil sogar verstärkt werden können.The present invention thus allows a considerable structural protection of the crane, which in turn saves costs in maintenance as well as in the construction. By taking into account the vibration dynamics of the drives of the crane, that is, the slewing gear, the luffing gear and the system of hoist and rope loads of the crane structure are avoided, which can even be strengthened in known methods for spherical pendulum damping of the load on the contrary.
Die Ansteuerung der Antriebe erfolgt dabei auf Grundlage eines physikalischen Modells, welches die Bewegung der Kranspitze bzw. der Last in Abhängigkeit von der Steuergröße beschreibt, wobei das Modell die interne Schwingungsdynamik der jeweilige Antriebe berücksichtigt.The actuation of the drives takes place on the basis of a physical model, which describes the movement of the crane tip or the load as a function of the control variable, the model takes into account the internal vibration dynamics of the respective drives.
In
In
Im folgenden wird nun ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Ansteuerung der jeweiligen Werke näher dargestellt:An exemplary embodiment of a method for controlling the respective works will now be described in more detail below:
Bei dem in
Bei der Herleitung des Steuergesetzes sollen Rückführungen vermieden werden, da diese Sensorsignale benötigen, welche innerhalb industrieller Anwendungen bestimmte Sicherheitsanforderungen erfüllen müssen und dadurch zu höheren Kosten führen.In the derivation of the tax law returns are to be avoided because they require sensor signals, which must meet certain safety requirements within industrial applications and thereby lead to higher costs.
Daher ist der Entwurf einer reinen Vorsteuerung ohne Rückführung nötig. Innerhalb dieser Abhandlung wird eine flachheitsbasierte Vorsteuerung, welche die Systemdynamik invertiert, für das Wipp-, Dreh- und Hubwerk hergeleitet.Therefore, the design of a pure pilot control without feedback is necessary. Within this essay, a flatness-based feedforward control, which inverts the system dynamics, is derived for the rocker, turntable and hoist.
Der Ausleger des Krans wird durch einen hydraulischen Wippzylinder in Bewegung versetzt, wie in
Ein dynamisches Modell des hydraulisch angetriebenen Auslegers des Krans wird im Folgenden hergeleitet. Der Ausleger ist zusammen mit dem Hydraulikzylinder schematisch in
und für die Zylindergeschwindigkeit
and for the cylinder speed
Da der geometrische Winkel α 1 klein ist, wird er bei der Herleitung des dynamischen Modells vernachlässigt. Das Verfahren von Newton-Euler ergibt die Bewegungsgleichung für den Ausleger:
wobei Jb und mb das Trägheitsmoment bzw. die Masse des Auslegers bezeichnen, Sb der Abstand zwischen der Auslegerverbindung mit dem Turm und dem Massenschwerpunkt des Auslegers ist, g die Gravitationskonstante ist und Fc und dc die Zylinderkraft bzw. den Dämpfungskoeffizienten des Zylinders bezeichnen. Es wird angenommen, dass am Ende des Auslegers keine Nutzlast angebracht ist. Der Term cos (γ) in (3) ist durch den Sinussatz gegeben:
wobei α 1 vernachlässigt wird.Since the geometric angle α 1 is small, it is neglected in the derivation of the dynamic model. The method of Newton-Euler gives the equation of motion for the cantilever:
where J b and m b denote the moment of inertia of the boom, S b is the distance between the boom connection to the tower and the center of gravity of the boom, g is the gravitational constant and F c and d c are the cylinder force and damping coefficient, respectively Designate cylinders. It is assumed that no payload is attached to the end of the boom. The term cos (γ) in (3) is given by the sinus set:
where α 1 is neglected.
Der Hydraulikkreislauf des Wippzylinders besteht im Prinzip aus einer Verstellpumpe und dem Hydraulikzylinder selbst, wie in
wobei A 1 und A 2 die wirksamen Flächen in jeder Kammer bezeichnen. Die Drücke p 1 und p 2 werden durch die Druckaufbaugleichung unter der Annahme, dass keine innere oder äußere Leckage auftritt, beschrieben. Somit gilt:
wobei β die Kompressibilität des Öls ist und die Kammervolumina durch
gegeben sind, wobei Vmin das Mindestvolumen in jeder Kammer bezeichnet und V2,max und z c,min das Höchstvolumen in der zweiten Kammer bzw. die Mindestzylinderposition, die erreicht wird, wenn ϕ a = ϕ a,max , ist, sind. Der Öldurchsatz ql wird durch den Pumpenwinkel vorgegeben und ist gegeben durch:
wobei ul und Kl der Ansteuerstrom für den Pumpenwinkel und der Proportionalitätsfaktor sind.The hydraulic circuit of the luffing cylinder consists in principle of a variable displacement pump and the hydraulic cylinder itself, as in
where A 1 and A 2 denote the effective areas in each chamber. The pressures p 1 and p 2 are described by the pressure buildup assumption that no internal or external leakage occurs. Thus:
where β is the compressibility of the oil and the chamber volumes through
where V min denotes the minimum volume in each chamber and V 2, max and z c , min are the maximum volume in the second chamber and the minimum cylinder position achieved when φ a = φ a, max . The oil flow q l is given by the pump angle and is given by:
where u l and K l are the drive current for the pump angle and the proportionality factor.
Die erfindungsgemäße flachheitsbasierte Vorsteuerung nutzt die differenzielle Flachheit des Systems, um die Systemdynamik zu invertieren. Zur Herleitung eines solchen Steuergesetzes muss das in Abschnitt 2.1 hergeleitete dynamische Modell in den Zustandsraum transformiert werden. Durch Einführen des Zustandsvektors x=[ϕ a ,ϕ̇ a ,Fc ] T kann das dynamische Modell (3), (5), (6) und (7) als System von Differentialgleichungen erster Ordnung geschrieben werden, das gegeben ist durch:
wobei
und zc = z c (x1), żc = żc (x1,x2), γ = γ (xl) und u = ul. The flatness-based feedforward control according to the invention uses the differential flatness of the system to invert the system dynamics. To derive such a tax law, the dynamic model derived in Section 2.1 must be transformed into the state space. By introducing the state vector x = [φ a , φ̇ a , F c ] T , the dynamic model (3), (5), (6) and (7) can be written as a system of first order differential equations given by:
in which
and z c = z c (x 1 ) , ż c = ż c (x 1 , x 2 ), γ = γ (x l ) and u = u l .
Für den Entwurf einer flachheitsbasierten Vorsteuerung muss der relative Grad r bezüglich des Systemausgangs gleich der Ordnung n des Systems sein. Daher wird im Folgenden der relative Grad des betrachteten Systems (11) untersucht. Der relative Grad bezüglich des Systemausgangs wird durch die folgenden Bedingungen festgelegt:
Die Operatoren Lf und Lg stellen die Lie-Ableitungen entlang der Vektorfelder f bzw. g dar. Das Verwenden von (15) ergibt r = n = 3, somit ist das System (11) mit (12), (13) und (14) flach und es kann eine flachheitsbasierte Vorsteuerung entworfen werden.The operators L f and Lg represent the Lie derivatives along the vector fields f and g, respectively. Using (15) gives r = n = 3 , so the system (11) is denoted by (12), (13) and ( 14) flat and a flatness-based feedforward control can be designed.
Der Ausgang des Systems (14) und seine Zeitableitungen werden genutzt, um die Systemdynamik zu invertieren. Die Ableitungen werden durch die Lie-Ableitungen gebildet, somit gilt:
wobei fi( x ) und gi( x ) die i-te Reihe des Vektorfelds f(x) und g(x) bezeichnen, die durch (12) und (13) gegeben sind. Die Zustände in Abhängigkeit des Systemausgangs und dessen Ableitungen folgen aus (16), (17) und (18) und lassen sich schreiben als:
where f i ( x ) and g i ( x ) denote the i-th row of the vector field f ( x ) and g ( x ) given by (12) and (13). The states depending on the system output and its derivatives follow from (16), (17) and (18) and can be written as:
Das Auflösen von (19) nach dem Systemeingang u ergibt unter Verwendung von (20), (21) und (22) das Steuergesetz für die flachheitsbasierte Vorsteuerung für den Wippzylinder
welche die Systemdynamik invertiert. Die Referenzsignale y und die entsprechenden Ableitungen werden durch eine numerische Trajektoriengenerierung aus dem Handhebelsignal des Kranbedieners oder aus den Steuersignalen eines Automatisierungssystems gewonnen. Da der Ansteuerstrom ul die Zylindergeschwindigkeit vorgibt (siehe (10)), werden die Trajektorien ursprünglich in Zylinderkoordinaten für zc , żc , z̈c und z̈żc geplant. Anschließend werden die so erhaltenen Trajektorien in ϕ a -Koordinaten transformiert und der tatsächliche Ansteuerstrom berechnet.The dissolution of (19) after system input u, using (20), (21), and (22), provides the control law for the flatness-based feedforward control for the luffing cylinder
which inverts the system dynamics. The reference signals y and the corresponding derivatives are obtained by a numerical trajectory generation from the hand lever signal of the crane operator or from the control signals of an automation system. Since the drive current u l gives the cylinder speed (see (10)), the trajectories are originally planned in cylinder coordinates for z c , ż c , z c and z c . Subsequently, the trajectories thus obtained are transformed into φ a coordinates and the actual drive current is calculated.
Die Drehbewegung des Turms erfolgt durch einen hydraulischen Rotationsmotor. Das dynamische Modell und das Steuergesetz für das Drehwerk werden innerhalb des folgenden Abschnitts hergeleitet.The tower is rotated by a hydraulic rotary motor. The dynamic model and the control law for the slewing gear are derived within the following section.
Die Bewegung des Turms um die z-Achse (siehe
schreiben, wobei β die Kompressibilität des Öls ist. Der Öldurchsatz qs wird durch den Pumpenwinkel vorgegeben und ist gegeben durch:
wobei us und Ks der Ansteuerstrom des Pumpenwinkels und der Proportionalitätsfaktor sind.The movement of the tower about the z-axis (see
where β is the compressibility of the oil. The oil flow rate q s is given by the pump angle and is given by:
where u s and K s are the drive current of the pump angle and the proportionality factor.
Im Folgenden wird das dynamische Modell für das Drehwerk in den Zustandsraum transformiert und eine flachheitsbasierte Vorsteuerung entworfen. Der Zustandsvektor für das Drehwerk wird als x=[ϕ s ,ϕ̇ s ,Δps ] T definiert Mit Hilfe des Zustandsvektors kann das aus (24), (25) und (26) bestehende dynamische Modell als System von Differentialgleichungen erster Ordnung geschrieben werden, das gegeben ist durch (11) mit:
und u=us. In the following, the dynamic model for the slewing gear is transformed into the state space and a flatness-based feedforward control is designed. The state vector for the slewing gear is defined as x = [φ s , φ s , Δ p s ] T With the aid of the state vector, the dynamic model consisting of (24), (25) and (26) can be written as a system of first-order differential equations. that is given by (11) with:
and u = u s .
Wiederum muss der relative Grad r bezüglich des Systemausgangs gleich der Ordnung n des Systems sein. Das Verwenden von (15) ergibt r = n = 3, somit ist das System (11) mit (27), (28) und (29) flach und es kann eine flachheitsbasiertes Vorsteuerung formuliert werden.Again, the relative degree r with respect to the system output must be equal to the order n of the system. Using (15) gives r = n = 3, thus the system (11) is flat with (27), (28) and (29) and a flatness-based feedforward control can be formulated.
Der Systemausgang (29) und seine Zeitableitungen werden genutzt, um die Systemdynamik zu invertieren. Die Ableitungen sind durch die Lie-Ableitungen gegeben, also
Die Zustände in Abhängigkeit des Systemausgangs und dessen Ableitungen folgen aus (30), (31) und (32) und lassen sich schreiben als:
Das Auflösen von (33) nach dem Systemeingang u ergibt unter Verwendung von (34), (35) und (36) das Steuergesetz für die flachheitsbasierte Vorsteuerung für das Drehwerk
welche die Systemdynamik invertiert. Das Referenzsignal y und seine Ableitungen werden durch eine numerische Trajektoriengenerierung aus dem Handhebelsignal des Kranbedieners gewonnen.Solving (33) for the system input u , using (34), (35) and (36), gives the control law for the flatness-based feedforward control for the slewing gear
which inverts the system dynamics. The reference signal y and its derivatives are obtained by a numerical trajectory generation from the hand lever signal of the crane operator.
Die Hubwinde des Krans wird durch einen hydraulisch betriebenen Rotationsmotor angetrieben. Das dynamische Modell und das Steuergesetz für die Hubwinde werden in dem folgenden Abschnitt hergeleitet.The hoist winch of the crane is driven by a hydraulically operated rotary motor. The dynamic model and the hoist winch control law are derived in the following section.
Da die Hubkraft direkt durch die Nutzlastbewegung beeinflusst wird, muss die Dynamik der Nutzlastbewegung berücksichtigt werden. Wie in
wobei l1 , l2 und l3 die Teillängen von der Hubwinde zum Turm, vom Turm zum Ende des Auslegers und vom Ende des Auslegers zum Haken bezeichnen. Das Hubsystem des Krans, das aus der Hubwinde, dem Seil und der Nutzlast besteht, wird im Folgenden als Feder-Masse-Dämpfer-System betrachtet und ist in
mit
where l 1 , l 2 and l 3 denote the partial lengths of the hoist winch to the tower, from the tower to the end of the boom and from the end of the boom to the hook. The lifting system of the crane, which consists of the hoist winch, the rope and the payload, is considered below as a spring-mass-damper system and is in
With
Die Federkonstante cr eines Seils der Länge lr ist durch das Hooksche Gesetz gegeben und lässt sich schreiben als
wobei Er und Ar das Elastizitätsmodul und die Schnittfläche des Seils bezeichnen. Der Kran hat nr parallele Seile (siehe
where E r and A r denote the modulus of elasticity and the sectional area of the rope. The crane has n r parallel ropes (see
Die Dämpfungskonstante d kann mit Hilfe des Lehrschen Dämpfungsmaßes D angegeben werden
Die Differentialgleichung für die Drehbewegung der Hubwinde ergibt sich nach dem Verfahren von Newton-Euler als
wobei Jw und Jm das Trägheitsmoment der Winde bzw. des Motors bezeichnen, iw das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Motor und der Winde ist, Δpw die Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckkammer des Motors ist, Dm die Verdrängung des Hydraulikmotors ist und Fs die in (39) gegebene Federkraft ist. Die anfängliche Bedingung ϕ w0 für den Winkel der Hubwinde wird durch (41) gegeben. Der Hydraulikkreislauf für die Hubwinde ist im Grunde der gleiche wie für das Drehwerk und ist in
where J w and J m denote the moment of inertia of the winch and the motor, i w is the gear ratio between the engine and the winch, Δ p w is the pressure difference between high and low pressure chambers of the engine, D m is the displacement of the hydraulic motor, and F s is the spring force given in (39). The initial condition φ w0 for the angle of the hoist winch is given by (41). The hydraulic circuit for the hoist winch is basically the same as for the slewing gear and is in
Der Öldurchsatz qw wird durch den Pumpenwinkel gesteuert und ist gegeben durch
wobei uw und Kw der Ansteuerstrom des Pumpenwinkels und der Proportionalitätsfaktor sind.The oil flow rate q w is controlled by the pump angle and is given by
where u w and K w are the drive current of the pump angle and the proportionality factor.
Im Folgenden wird das dynamische Modell für die Hubwinde in den Zustandsraum transformiert, um eine flachheitsbasierte Vorsteuerung zu entwerfen. Die Herleitung des Steuergesetzes vernachlässigt die Dämpfung, daher gilt D = 0. Der Zustandsvektor des Hubwerks des Krans ist als x=[ϕ w ,ϕ̇ w ,zp ,żp ,Δpw ] T definiert. Somit kann das aus (39), (40), (43), (45), (46) und (47) bestehende dynamische Modell als System von Differentialgleichungen erster Ordnung geschrieben werden, das durch (11) gegeben wird, mit:
und u = uw. In the following, the dynamic model for the hoist winch is transformed into the state space to design a flatness-based feedforward control. The derivation of the tax law neglects the damping, therefore D = 0 . The state vector of the crane's hoist is defined as x = [φ w , φ w , z p , ¿ p , Δ p w ] T. Thus, the dynamic model consisting of (39), (40), (43), (45), (46), and (47) can be written as a system of first order differential equations given by (11), with:
and u = u w .
Wiederum muss der relative Grad r bezüglich des Systemausgangs gleich der Ordnung n des Systems sein. Das Verwenden von (15) ergibt r = n = 5, somit ist das System (11) mit (48), (49) und (50) flach und es kann eine flachheitsbasierte Vorsteuerung für D = 0 entworfen werden.Again, the relative degree r with respect to the system output must be equal to the order n of the system. Using (15) gives r = n = 5 , thus the system (11) is flat with (48), (49) and (50) and a flatness-based feedforward for D = 0 can be designed.
Der Systemausgang (50) und seine zeitlichen Ableitungen werden genutzt, um die Systemdynamik zu invertieren, wie dies für das Wipp- und Drehwerk getan wurde.The system output (50) and its time derivatives are used to invert the system dynamics, as was done for the seesaw and slewing gear.
Die Ableitungen sind durch die Lie-Ableitungen gegeben, also
Die Zustände in Abhängigkeit des Systemausgangs und dessen Ableitungen folgen aus (51), (52), (53), (54) und (55) und lassen sich schreiben als:
Das Auflösen von (56) nach dem Systemeingang u ergibt unter Verwendung von (57), (58), (59), (60) und (61) das Steuergesetz für die flachheitsbasierte Vorsteuerung für das Hubwerk
welche die Systemdynamik invertiert. Das Referenzsignal y und seine Ableitungen werden durch eine numerische Trajektoriengenerierung aus dem Handhebelsignal des Kranbedieners gewonnen.Solving (56) for system input u , using (57), (58), (59), (60), and (61), gives the control law for the flatness-based feedforward control for the hoist
which inverts the system dynamics. The reference signal y and its derivatives are obtained by a numerical trajectory generation from the hand lever signal of the crane operator.
Claims (15)
- A method for controlling a drive of a crane, in particular of a slewing gear and/or a luffing gear, an intended movement of the boom tip serving as an input variable on the basis of which a control variable for controlling the drive is calculated, characterised in that, when calculating the control variable, the vibration dynamic of the system formed of the drive and the crane structure is taken into account so as to reduce natural vibrations.
- The method according to claim 1, wherein the drive is controlled on the basis of a physical model which describes the movement of the crane tip as a function of the control variable, and wherein the model is advantageously non-linear.
- The method according to claim 2, wherein the drive is controlled on the basis of an inversion of the model.
- The method according to any one of the preceding claims, wherein the drive is a hydraulic drive and the model takes into account the vibration dynamic of the drive based on the compressibility of the hydraulic fluid.
- The method according to any one of the preceding claims for controlling the luffing cylinder used as a luffing drive, wherein the kinematics of the pivotal connection of the cylinder as well as the mass and moment of inertia of the boom of the crane are included in the calculation of the control variable.
- The method according to any one of the preceding claims for controlling the slewing gear, wherein the moment of inertia of the boom of the crane is included in the
model. - The method according to any one of the preceding claims, wherein the vibration is dampened by way of the pilot control, wherein the position, speed, acceleration and/or jolt of the boom tip are advantageously used as setpoint variables of the pilot control.
- The method according to any one of the preceding claims, wherein an intended trajectory of the boom tip is generated as an input variable of the control from inputs by an operator and/or an automation system.
- The method according to any one of the preceding claims, wherein possible spherical sway oscillations of the load are not included as measurement variables in the control and/or wherein possible spherical sway oscillations of the load are not taken into account in the control of the drive.
- A method for controlling a lifting gear of a crane, an intended lifting movement of the load serving as an input variable on the basis of which a control variable for controlling the drive is calculated, characterised in that, when calculating the control variable, the vibration dynamic of the system formed of a lifting gear, cable and load in the cable direction is taken into account so as to reduce natural vibrations.
- The method according to claim 10, wherein the vibration dynamic based on the stretchability of the lifting cable is taken into account when calculating the control variable.
- The method according to either claim 10 or claim 11, wherein the lifting gear is driven hydraulically and the vibration dynamic based on the compressibility of the hydraulic fluid is taken into account when calculating the control variable.
- The method according to any one of claims 10 to 12, wherein the variable cable length of the lifting cable and/or the weight of the load suspended at the carrying cable is/are included in the calculation of the control variable.
- The method according to any one of claims 10 to 13, wherein the control of the lifting gear is based on a physical model of the crane which describes the lifting movement of the load as a function of the control variable of the lifting gear, the control of the lifting gear advantageously being based on the inversion of the physical model.
- A crane or crane control having a control unit which comprises a control program via which a method according to any one of claims 1 to 14 is implemented.
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