EP2636635A1 - Crane controls with rope force mode - Google Patents

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EP2636635A1
EP2636635A1 EP12008264.9A EP12008264A EP2636635A1 EP 2636635 A1 EP2636635 A1 EP 2636635A1 EP 12008264 A EP12008264 A EP 12008264A EP 2636635 A1 EP2636635 A1 EP 2636635A1
Authority
EP
European Patent Office
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crane
cable
force
cable force
load
Prior art date
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Granted
Application number
EP12008264.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP2636635B1 (en
Inventor
Karl Langer
Klaus Schneider
Sebastian Küchler
Oliver Sawodny
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Liebherr Werk Nenzing GmbH
Original Assignee
Liebherr Werk Nenzing GmbH
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Publication date
Application filed by Liebherr Werk Nenzing GmbH filed Critical Liebherr Werk Nenzing GmbH
Publication of EP2636635A1 publication Critical patent/EP2636635A1/en
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Publication of EP2636635B1 publication Critical patent/EP2636635B1/en
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    • B66CCRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
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    • B66C13/18Control systems or devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B66C13/00Other constructional features or details
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    • B66C13/063Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads electrical
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    • B66C23/00Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes
    • B66C23/18Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes specially adapted for use in particular purposes
    • B66C23/36Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes specially adapted for use in particular purposes mounted on road or rail vehicles; Manually-movable jib-cranes for use in workshops; Floating cranes
    • B66C23/52Floating cranes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66DCAPSTANS; WINCHES; TACKLES, e.g. PULLEY BLOCKS; HOISTS
    • B66D1/00Rope, cable, or chain winding mechanisms; Capstans
    • B66D1/28Other constructional details
    • B66D1/40Control devices
    • B66D1/48Control devices automatic
    • B66D1/52Control devices automatic for varying rope or cable tension, e.g. when recovering craft from water
    • B66D1/525Control devices automatic for varying rope or cable tension, e.g. when recovering craft from water electrical

Definitions

  • the present invention relates to a crane control for a crane having a hoist for lifting a load suspended on a rope.
  • a control or regulation is usually used, in which the desired position or speed of the load is used as a setpoint.
  • the crane operator uses a hand lever to specify a desired speed of the load, which then serves as input for the crane control.
  • the inventors of the present invention have recognized that such control of the hoist may be disadvantageous in certain constellations.
  • Object of the present invention is therefore to provide an improved crane control available.
  • the present invention shows a crane control for a crane, which has a hoist for lifting a hanging on a rope load.
  • the crane control has a cable force mode in which the crane control activates the lifting mechanism so that a desired value of the cable force is established.
  • Such control of the hoist on the basis of the desired force acting in the cable, it may have advantages over a crane control for certain lifting situations, which operates on the basis of a desired position or target speed of the load.
  • the emergence of slack rope when placing the load can be prevented by the cable force mode of the crane control according to the invention.
  • the control takes place automatically.
  • the speed and / or position of the winch is controlled.
  • the speed and / or position of the winch taking into account the elasticity of the system, can be controlled such that the desired value of the cable force is set.
  • the cable force in the cable force mode can be kept at a constant setpoint.
  • the crane control controls the hoist in the cable force mode so that the cable force is automatically set to a predetermined setpoint.
  • a cable force determination unit can be provided, which determines an actual value of the cable force.
  • the control then takes place on the basis of a comparison of the actual value and the nominal value of the cable force.
  • the cable force in the cable force mode can be regulated by returning at least one measured value.
  • the cable force determination unit determines the actual value of the cable force on the basis of a measurement signal of a cable force sensor.
  • the cable force sensor can be arranged on the hoist, in particular on a fastening of the hoist winch and / or a fastening of a pulley.
  • the rope force sensor can be arranged in a tab which secures the hoist winch to a hoist winch platform, or which holds a pulley over which the hoist rope is guided.
  • the cable force determination unit determines the actual value of the cable force via a filtering of measured values or a model-based estimation.
  • an observer can be provided, which determines the cable force on the basis of measured values and a physical model of the dynamics of the cable.
  • the crane control according to the invention can have a setpoint determination unit which determines the setpoint value of the cable force on the basis of measured values and / or control signals and / or inputs of a user.
  • the setpoint determination unit can determine the static force acting on the cable during a stroke.
  • the static force corresponds in particular to the weight of the lifted load.
  • the dynamic portion of the forces acting in the rope can be removed, for example by filtering.
  • the rope length can be included in the setpoint determination unit. Especially with strokes with a large rope length while the load acting on the rope suspension point also depends on the length of the unwound rope or its weight.
  • the setpoint determination unit therefore takes into account the weight of the unwound cable.
  • the weight of the lifted load can thereby be determined by subtracting the weight of the unwound cable from a static portion of a measured force in the case of a free-hanging load.
  • the setpoint determination unit then takes into account the weight of the lifted load determined in this way and the weight of the cable currently being unwound in the cable power mode.
  • a nominal value determination unit which takes into account the rope length, is particularly advantageous if the cable force is measured via a sensor which is not arranged on the load hook but, for example, on the hoist.
  • a crane control according to the invention may comprise an input element, via which the crane operator can change the desired value of the cable force. This allows the crane operator to adjust which tension should be maintained during the cable force mode in the rope.
  • a factor can be entered, which determines the ratio between the desired value of the cable force and the static force during a stroke.
  • the crane operator may pretend that at least a portion of the cable force during the cable power mode should be in some relation to the weight force of the load previously acting on the cable.
  • the desired value of the cable force is determined so that it is always above the weight force generated by the unwound load rope. This ensures that no slack rope can arise in the cable force mode.
  • the rope length is taken into account and determines the weight of the unwound rope.
  • the desired value of the cable force can consist of the sum of the weight force generated by the unwound load cable and a force which is in a certain ratio to the weight force of the load previously acting on the cable.
  • the crane control in the cable force mode can comprise a pre-control part, which takes into account the dynamics of the cable, and a return part, via which the cable force determined by the cable force determination unit is returned becomes.
  • the pilot control part can be based on the inversion of a model describing the vibration dynamics of the cable.
  • the weight of the unwound rope is taken into account in this. The control is then stabilized via the feedback part.
  • the crane control according to the invention can have a state detection, wherein the crane control automatically changes based on the state detection in and / or from the cable power mode.
  • the condition detection can detect settling and / or picking up the load.
  • the crane control can automatically switch into or out of the cable power mode when it detects a drop or picking up the load.
  • the change in one or both directions can also be done manually by the crane operator.
  • the state detection can display the current state.
  • the condition detection monitors the cable force in order to detect the condition of the crane and in particular to detect a settling and / or receiving the load.
  • a discontinuation of the load is detected when a negative load change is present and / or when the derivative of the cable force is below a certain threshold, while the crane operator prescribes a lowering of the load via an input device.
  • a pick-up of the load can be detected if there is a positive load change and / or if the derivative of the cable force is above a certain threshold, while the crane operator predetermines a lifting of the load via an input device.
  • the crane control according to the invention can furthermore comprise a lifting mode in which the lifting mechanism is actuated on the basis of a desired value of the load position and / or the load speed, and / or a desired value of the cable position and / or cable speed.
  • a scheme may be provided, which in the lifting mode an actual value of the load position and / or load speed and / or rope position and / or rope speed leads back.
  • the crane control changes from the lifting mode in the cable force mode when it detects a discontinuation of the load.
  • the crane control or the crane operator can change from the cable force mode to the lift mode when the crane control detects a picking up of the load and possibly displays it.
  • the crane control according to the present invention can be used particularly preferably in strokes in which either the cable suspension point or the load settling moves, as is the case, for example, in cranes mounted on a ship or loads to be deposited on a ship due to the sea.
  • the crane control according to the invention can have an active sea state compensation, which compensates for the movement of the cable suspension point and / or a Lastabsetzmatis due to the sea state at least partially by a control of the hoist. In this way, a further improved control of the crane can be achieved at sea.
  • the active sea state compensation takes place on the basis of a prediction, which the future movement of the cable suspension point or of the Lastabsetziss due to the sea state predicts and at least partially compensated by a corresponding control of the hoist.
  • the active sea state compensation can be used in the lifting mode and / or in the cable force mode of the crane control according to the invention.
  • the present invention further comprises a crane with a crane control as described above.
  • the crane according to the invention may be a ship crane.
  • a ship crane is a crane, which is arranged on a float.
  • the rope suspension point can move due to the sea.
  • the crane according to the invention may, for example, also be a harbor crane or offshore crane or a crawler crane, in particular a mobile harbor crane.
  • a harbor crane is used to load or unload loads from a ship.
  • a crane according to the present invention can therefore also be installed on a drilling platform. In such cranes, which are used for loading or unloading a ship, the Lastabsetzddling can move due to the sea state.
  • the present invention further comprises the use of a crane control according to the invention in lifting situations in which the cable suspension point and / or the load suspension point moves due to external influences such as due to the sea. As external influences but also wind loads come into question, which move the rope suspension point.
  • the cable force mode according to the invention can prevent slack rope from arising due to this external movement.
  • the cable suspension point may in particular be the crane tip, from which the hoist cable is led to the load. If this is moved, for example due to the sea, transmits This movement affects the rope and thus the load.
  • the load dumping point can be, for example, the loading area of a floating body, in particular of a ship. If this moves, either slack rope can arise or the load can be lifted when the load is lowered.
  • the present invention further includes the use of a crane control according to the invention with the load applied.
  • the cable force mode according to the invention automatically ensures that a desired desired value of the cable force is maintained.
  • this is done according to the invention by regulating the cable force.
  • the present invention further includes a method of driving a crane having a hoist for lifting a load suspended on a rope.
  • the hoist is controlled based on a setpoint of the cable force. This also gives rise to the advantages which have already been described in more detail above with regard to the crane control and its use.
  • the method is carried out as described above with regard to the crane control according to the invention or its use.
  • the method according to the invention can be carried out with a crane control as described above.
  • the crane control according to the invention automatically switches to the cable force mode upon detection of a settling process.
  • a ramp-shaped transition from the force currently measured during the detection of the settling process to the actual desired force takes place in order to avoid setpoint jumps in the reference variable.
  • the setpoint force can first be raised so far that the load is lifted. Further advantageously, then a change from Sollkraft- to the lifting mode is carried out at free-hanging load.
  • the crane operator can manually change from the cable power mode to a lift mode. Alternatively, this is done automatically by the crane control
  • the input device via which the crane operator predefines the movement of the load in the lifting mode is also automatically deactivated.
  • the present invention further includes software with code for performing a method as described above.
  • the software can be stored in particular on a machine-readable data memory.
  • a crane control according to the invention can be implemented.
  • the crane control according to the invention and in particular the cable force mode is advantageously realized by an electronic control.
  • a control computer can be provided, which is in communication with input elements and / or sensors and generates control signals for driving the hoist.
  • the control computer can continue to be in communication with a display device, which visually displays information about the state of the crane control to the crane operator.
  • the setpoint can be visualized according to the invention.
  • the control computer is connected to an input element via which the desired cable force can be set. Further advantageously, the control computer is in communication with a rope force sensor.
  • Figure 0 shows an embodiment of a crane 1 with a crane control according to the invention for controlling the hoist 5.
  • the hoist 5 has a hoist winch, which moves the cable 4.
  • the cable 4 is guided over a cable suspension point 2, in the exemplary embodiment a deflection roller at the end of the crane boom, on the crane. By moving the cable 4, a load hanging on the rope 3 can be raised or lowered.
  • At least one sensor may be provided which measures the position and / or speed of the hoist and transmits corresponding signals to the crane control.
  • At least one sensor can be provided which measures the cable force and transmits corresponding signals to the crane control.
  • the sensor can be arranged in the region of the crane structure, in particular in a fastening of the winch 5 and / or in a fastening of the pulley 2.
  • the crane 1 is arranged in the embodiment on a float 6, here a ship. Like also in Figure 0 to recognize the float 6 moves due to the sea at its six degrees of freedom. This will also arranged on the float 6 crane 1 and the cable suspension point 2 moves.
  • the crane control according to the present invention may have an active sea state compensation, which at least partially compensates for a control of the hoist and the movement of the cable suspension point 2 due to the sea.
  • the vertical movement of the cable suspension point due to the sea is at least partially compensated.
  • the sea state compensation may include a measuring device which determines a current sea state movement from sensor data.
  • the measuring device may comprise sensors which are arranged on the crane foundation.
  • these may be gyroscopes and / or inclination angle sensors.
  • three gyroscopes and three inclination angle sensors are provided.
  • a prediction device can be provided which predicts a future movement of the cable suspension point 2 on the basis of the determined seaward movement and a model of the seaward movement.
  • the forecasting device alone predicts the vertical movement of the cable suspension point.
  • Sometimes. can be converted in the context of the measuring and / or the forecasting device, a movement of the ship at the point of the sensors of the measuring device in a movement of the cable suspension point.
  • the forecasting device and the measuring device are advantageously designed as shown in the DE 10 2008 024513 A1 is described in more detail.
  • the crane according to the invention could also be a crane which is used for lifting and / or lowering a load from or onto a load settling point arranged on a floating body, which therefore moves with the seaway.
  • the forecasting device must in this case predict the future movement of the load take-off point. This can be analogous to the procedure described above, wherein the sensors of the measuring device are arranged on the float of Lastabsetzthes.
  • the crane may be, for example, a harbor crane, an offshore crane or a crawler crane.
  • the hoist winch of the hoist 5 is hydraulically driven in the embodiment.
  • a hydraulic circuit of hydraulic pump and hydraulic motor is provided, via which the hoist winch is driven.
  • a hydraulic accumulator can be provided, via which energy is stored when the load is lowered, so that this energy is available when lifting the load.
  • an electric drive could be used. This could also be connected to an energy storage.
  • a follow-up control consisting of a precontrol and a feedback in the form of a two-degree-of-freedom structure is used in the exemplary embodiment.
  • the feedforward control is calculated by a differential parameterization and requires twice continuously differentiable reference trajectories.
  • v max and a max is divided using a weighting factor 0 ⁇ k l ⁇ 1 (cf. Fig. 1 ). This is specified by the crane driver and thus allows the individual distribution of power, which is available for the compensation or the method of the load.
  • a weighting factor 0 ⁇ k l ⁇ 1 (cf. Fig. 1 ).
  • a change of k l can be carried out during operation. Since the maximum possible travel speed or acceleration depends on the total mass of rope and load, v max and a max can also change during operation. Therefore, the valid values are also transferred to the trajectory planning.
  • the crane operator can easily and intuitively adjust the influence of the active sea state compensation.
  • the first part of the chapter first explains the generation of reference trajectories y a * . y ⁇ a * and y ⁇ a * for compensating the vertical movement of the cable suspension point.
  • the essential aspect here is that with the planned trajectories the vertical movement is compensated as far as is possible on the basis of the given restrictions set by k l .
  • the second part of the chapter deals with the planning of trajectories y l * . y ⁇ l * and y ⁇ l * for moving the load. These are generated directly from the hand lever signal of the crane driver w hh . The calculation is done by adding the maximum allowable jerk.
  • trajectory planning for the compensating movement of the hoisting winch, sufficiently smooth trajectories are to be generated from the predicted vertical positions and speeds of the rope suspending point, taking into account the valid drive restrictions.
  • This task is considered below as a limited optimization problem, which is to be solved online in each time step. Therefore, the approach is similar to the design of a model-predictive control, but in the sense of a model-predictive trajectory generation.
  • an optimal time sequence for the compensation movement can then be determined.
  • an emergency function can be implemented in this concept, in case the optimization does not find a valid solution, independently of the regulation. It consists of a simplified trajectory planning, whereupon the regulation resorts to such an emergency situation and continues to control the winds.
  • the third derivation must be made at the earliest y ... a * be considered as capable of jumping.
  • making only the fourth derivative y 4 a * can be considered as capable of jumping.
  • the jerk y ... a * plan at least steadily and the Trajektoriengener mich for the compensation movement is based on the in Fig. 2 illustrated fourth order integrator chain.
  • this time-continuous model first becomes on the grid ⁇ 0 ⁇ ⁇ 1 ⁇ ... ⁇ ⁇ K p - 1 ⁇ ⁇ K p where K p represents the number of prediction steps for the prediction of the vertical movement of the cable suspension point.
  • Fig. 3 makes it clear that the selected grid is not equidistant, which reduces the number of necessary nodes on the horizon. This makes it possible to keep the dimension of the optimal control problem to be solved small.
  • the influence of the grosser discretization towards the end of the horizon does not adversely affect the planned trajectory since the prediction of vertical position and velocity towards the end of the prediction horizon is less accurate.
  • x a t e A a ⁇ t ⁇ x a 0 + ⁇ 0 t e A a ⁇ t - ⁇ ⁇ B a u a ⁇ ⁇ d ⁇
  • a trajectory is to be planned which follows the predicted vertical movement of the cable suspension point as close as possible and at the same time satisfies the given restrictions.
  • the weights q w, 3 and q w, 4 only penalize deviations from zero, which is why they are less than the weights for the position q w, 1 ( ⁇ k ) and velocity q w, 2 ( ⁇ k ) can be selected.
  • ⁇ a ( ⁇ k ) represents a reduction factor chosen so that the respective limit at the end of the horizon is 95% of that at the beginning of the horizon.
  • ⁇ a ( ⁇ k ) follows from linear interpolation. The reduction of the restrictions along the horizon increases the robustness of the method with respect to the existence of permissible solutions.
  • the jerk limitations are j max and the derivative of the jerk d d t ⁇ j Max constant. To increase the lifespan of the hoist winch and the entire crane, they are selected for maximum shock load. There are no restrictions on the position condition.
  • the presented time-variant constraints take into account the presented concept as follows: As soon as a constraint changes, the updated value is first only at the end of the prediction horizon for the time step ⁇ ⁇ ⁇ included. Then, as time progresses, it pushes it to the beginning of the prediction horizon.
  • Fig. 4 clarifies this procedure based on the speed limit.
  • care must also be taken that it matches its maximum permissible derivative. This means that, for example, the speed limit (1-k l ) v max can be reduced as fast as the current acceleration limitation (1 k l ) a max permits.
  • a constrained initial condition x a ( ⁇ 0 ) always has a solution which in turn does not violate the updated constraints. However, it takes the complete prediction horizon until a changed restriction finally affects the planned trajectories at the beginning of the horizon.
  • the optimal control problem is fully met by the quadratic merit function (1.5) to be minimized, the system model (1.4) and the inequality constraints from (1.8) and (1.9) in the form of a linear quadratic programming problem (QP problem).
  • the value x a ( ⁇ 1 ) calculated in the last optimization step for the time step ⁇ 1 is used as the initial condition.
  • the actual solution to the QP problem is calculated in each time step using a numerical method known as the QP solver.
  • the sampling time for the trajectory planning of the compensatory motion is greater than the discretization time of all remaining components of the active sea state compensation; thus ⁇ > ⁇ t .
  • the simulation of the integrator chain takes place Fig. 2 outside the optimization with the faster sampling time A t instead.
  • the states x a ( ⁇ 0 ) are used as an initial condition for the simulation, and the manipulated variable at the beginning of the prediction horizon u a ( ⁇ 0 ) is written to the integrator chain as a constant input.
  • Fig. 5 shows, it also serves as the input of a third-order integrator chain.
  • the planned trajectories must also meet the currently valid speed and acceleration restrictions which result for the lever control in k l v max and k l a max .
  • the hand lever signal of the crane driver -100 ⁇ w hh ⁇ 100 is interpreted as a relative speed specification in relation to the currently maximum permissible speed k l v max .
  • the setpoint speed currently given by the hand lever depends on the hand lever position w hh , the variable weighting factor k l and the current maximum permissible winch speed v max .
  • the task of trajectory planning for the hand lever control can now be specified as follows: From the setpoint speed given by the hand lever, a continuously differentiable speed profile is to be generated so that the acceleration has a steady course. As a method for this task offers a so-called jerk-on.
  • the maximum permissible jerk j max in a first phase acts on the input of the integrator chain until the maximum permissible acceleration is reached.
  • the speed is increased with constant acceleration; and in the last phase, the maximum permissible negative jerk is switched on so that the desired final speed is reached.
  • Fig. 7 illustrates an exemplary course of the jerk for a speed change together with the switching times.
  • T l, 0 denotes the time at which a rescheduling takes place.
  • the times T l, 1 , T l, 2 and T l, 3 each refer to the calculated switching times between the individual phases. Their calculation is outlined in the following paragraph.
  • a new situation occurs as soon as the setpoint speed v hh * or the currently valid maximum acceleration for the hand lever control k l a max changes.
  • the desired speed may change due to a new hand lever position w hh or by a new specification of k l or v max (cf. Fig. 6 ). Analogously, a variation of the maximum valid acceleration by k l or a max is possible.
  • u l ⁇ j Max 0 - j Max .
  • u l ⁇ u l . 1 . u l . 2 . u l . 3 ⁇ and the input in the respective phase input signal u l, i .
  • y ⁇ l * T l . 2 y ⁇ l * T l . 1 .
  • y ⁇ l * T l . 2 y ⁇ l * T l . 1 .
  • u l, 2 0 was assumed.
  • y ⁇ l * T l . 3 y ⁇ l * T l . 2 + ⁇ ⁇ T 3 ⁇ y ⁇ l * T l . 2 + 1 2 ⁇ ⁇ ⁇ T 3 2 ⁇ u l . 3 .
  • y ⁇ l * T l . 3 y ⁇ l * T l . 2 + ⁇ ⁇ T 3 ⁇ u l . 3 ,
  • the speed and acceleration curves to be planned y ⁇ l * and y ⁇ l * can be calculated analytically with the individual switching times. It should be mentioned here that the trajectories planned by the switching times are often not traversed completely, since a new situation occurs before reaching the switching time T l, 3 , as a result a rescheduling takes place and new switching times are calculated. As already mentioned, a new situation occurs by a change of w hh , v max , a max or k l .
  • Fig. 8 shows a trajectory exemplified by the method presented.
  • the course of the trajectories includes both cases, which can occur on the basis of (1.24).
  • the maximum allowable acceleration reached at the time t 1 s and it follows a phase with constant acceleration.
  • the maximum allowable acceleration due to the hand lever position is not fully achieved.
  • the associated position history is calculated according to Fig. 5 by integrating the velocity profile, the position being initialized at startup by the rope length currently being handled by the hoist winch.
  • the control consists of two different modes of operation: the active sea state compensation for decoupling the vertical load movement from the ship movement with free-hanging load and the constant voltage control to avoid slack rope, as soon as the load is deposited on the seabed.
  • the sea state compensation is initially active. Based on a detection of the settling process is automatically switched to the constant voltage control.
  • Fig. 9 illustrates the overall concept with the associated control and control variables.
  • each of the two different modes of operation could also be implemented without the other mode of operation.
  • a constant voltage mode as described below, can also be used independently of the use of the crane on a ship and independently of an active sea state compensation.
  • Active hoist compensation is intended to control the hoist winch so that the winch movement controls the vertical movement of the rope suspension point z a H compensates and the crane operator moves the load with the help of the hand lever in the considered as inertial h-coordinate system.
  • a pilot control and stabilization part in the form of a two-degree-of-freedom structure implemented.
  • the feedforward control is calculated from a differential parameterization with the aid of the flat output of the wind dynamics and results from the planned trajectories for moving the load y l * . y ⁇ l * and y ⁇ l * and the negative trajectories for the compensation movement - y a * .
  • the resulting desired trajectories for the system output of the drive dynamics or the wind dynamics are with y H * . y ⁇ H * and y ⁇ H * designated. They represent the target position, speed and acceleration for the winch movement and thus for the winding and unwinding of the rope.
  • the cable force at the load F sl should be regulated to a constant amount in order to avoid slack rope. Therefore, in this mode of operation, the hand lever is deactivated and the trajectories planned from the hand lever signal are no longer applied.
  • the control of the winch is again by a two-degree-of-freedom structure with pilot control and stabilization part.
  • the length l s is obtained indirectly from the angle of rotation ⁇ h measured using an incremental encoder and the winding radius r h (j l ) dependent on the winding position j l .
  • the associated rope speed i s can be numerical Calculate differentiation with suitable low-pass filtering.
  • the cable force F c acting on the cable suspension point is detected by means of a force measuring axis.
  • Fig. 10 illustrates the control of the hoist winch for the active sea state compensation with a block diagram in the frequency domain.
  • the compensation of the vertical movement of the cable suspension point acting as an input disturbance on the cable system G s, z ( s ) takes place Z a H s purely pre-taxing; Rope and load dynamics are neglected.
  • the rope's own dynamics are excited, but in practice it can be assumed that the resulting load movement in the water is strongly damped and decays very rapidly.
  • Neglecting the compensation movement Y a * s can be the reference size Y H * s be approximated at constant or stationary Handhebelauslenkung as a ramp-shaped signal, since in such a case, a constant target speed v hh * is present.
  • the open chain K a (s) G h (s) must therefore have l 2 behavior [9].
  • the decrease in the negative spring force ⁇ F c is calculated in each case with respect to the last high point F c in the measured force signal F c .
  • the force signal is preprocessed by a corresponding low-pass filter.
  • ⁇ l ⁇ 1 and the maximum value ⁇ F c, max were determined experimentally.
  • the two parameters ⁇ 2 ⁇ 1 and F c, max were also determined experimentally.
  • the crane operator manually maneuvers the change from the constant tension mode to the active sea state compensation with the load suspended.
  • Fig. 11 shows the converted control of the hoist winch in the constant voltage mode in a block diagram in the frequency domain.
  • the output of the cable system F c ( s ) ie the force measured at the cable suspension point, is returned instead of the output of the winch system Y h ( s ).
  • the measured force F c ( s ) decreases (2.12) from the force change ⁇ F c ( s ) and the static weight force m e g + ⁇ s l s g, which is denoted by M (s) in the image area.
  • the cable system is again approximated as a spring-mass system.
  • the precontrol F (s) of the two-degree-of-freedom structure is identical to that for active sea state compensation and given by (2.2) or (2.3). However, in the constant voltage mode, the hand lever signal is not applied, which is why the reference trajectory only from the negative target speed and - acceleration - y ⁇ a * and - y ⁇ a * exists for the compensation movement.
  • the pilot control component initially compensates for the vertical movement of the cable suspension point Z a H s , However, there is no direct stabilization of the winch position by a return of Y h ( s ). This is done indirectly by the return of the measured force signal.
  • the compensation error E a ( s ) is compensated by a stable transfer function G CT, 1 ( s ) and the wind position stabilized indirectly.
  • the request to the controller K s ( s ) also results in this case from the expected command signal F c * s . which after a transitional phase by the constant desired force F c * from (2.21).
  • the open chain must have K s (s) G h (s) G s, F (s) / behaviors.

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Abstract

The crane controller has a lifting mechanism (5) for lifting a load suspended on a rope (4), which is operated in cable power mode in which lifting is controlled, so that a target value of the rope force is adjusted. The speed and/or position of winch are controlled, so that the desired value of the cable force is established. The actual value of cable force is determined by comparing actual value and setpoint of cable force. Independent claims are included for the following: (1) a crane control system; (2) a method for controlling a crane; and (3) a software code for controlling a crane.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kransteuerung für einen Kran, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist.The present invention relates to a crane control for a crane having a hoist for lifting a load suspended on a rope.

Bei bekannten Kransteuerungen wird dabei üblicherweise eine Steuerung bzw. Regelung eingesetzt, bei welcher die gewünschte Position oder Geschwindigkeit der Last als Sollwert dient. Beispielsweise gibt der Kranführer dabei über einen Handhebel eine gewünschte Geschwindigkeit der Last vor, welche dann als Eingangsgröße für die Kransteuerung dient.In known crane controls, a control or regulation is usually used, in which the desired position or speed of the load is used as a setpoint. For example, the crane operator uses a hand lever to specify a desired speed of the load, which then serves as input for the crane control.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass eine solche Ansteuerung des Hubwerks in gewissen Konstellationen von Nachteil sein kann.The inventors of the present invention have recognized that such control of the hoist may be disadvantageous in certain constellations.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Kransteuerung zur Verfügung zu stellen.Object of the present invention is therefore to provide an improved crane control available.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by claim 1.

Die vorliegende Erfindung zeigt dabei eine Kransteuerung für einen Kran, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist. Erfindungsgemäß weist die Kransteuerung einen Seilkraftmodus auf, in welchem die Kransteuerung das Hubwerk so ansteuert, dass sich ein Sollwert der Seilkraft einstellt. Eine solche Ansteuerung des Hubwerks auf Grundlage der gewünschten Kraft, welche im Seil wirkt, kann dabei für bestimmte Hubsituationen Vorteile gegenüber einer Kransteuerung haben, welche anhand einer Sollposition bzw. Sollgeschwindigkeit der Last arbeitet. Insbesondere kann durch den Seilkraftmodus der erfindungsgemäßen Kransteuerung die Entstehung von Schlaffseil beim Aufsetzen der Last verhindert werden. Vorteilhafterweis erfolgt die Ansteuerung dabei automatisch.The present invention shows a crane control for a crane, which has a hoist for lifting a hanging on a rope load. According to the invention, the crane control has a cable force mode in which the crane control activates the lifting mechanism so that a desired value of the cable force is established. Such control of the hoist on the basis of the desired force acting in the cable, it may have advantages over a crane control for certain lifting situations, which operates on the basis of a desired position or target speed of the load. In particular, the emergence of slack rope when placing the load can be prevented by the cable force mode of the crane control according to the invention. Advantageously, the control takes place automatically.

Bevorzugt wird dabei die Geschwindigkeit und/oder Position der Winde angesteuert. Insbesondere kann dabei die Geschwindigkeit und/oder Position der Winde unter Berücksichtigung der Elastizität des Systems so angesteuert wird, dass sich der Sollwert der Seilkraft einstellt.Preferably, the speed and / or position of the winch is controlled. In particular, the speed and / or position of the winch, taking into account the elasticity of the system, can be controlled such that the desired value of the cable force is set.

Vorteilhafterweise kann dabei die Seilkraft im Seilkraftmodus auf einem konstanten Sollwert gehalten werden. Vorteilhafterweise steuert die Kransteuerung das Hubwerk dabei im Seilkraftmodus so an, dass die Seilkraft automatisch auf einem vorgegebenen Sollwert eingestellt wird.Advantageously, the cable force in the cable force mode can be kept at a constant setpoint. Advantageously, the crane control controls the hoist in the cable force mode so that the cable force is automatically set to a predetermined setpoint.

Dabei kann eine Seilkraftbestimmungseinheit vorgesehen sein, welche einen Istwert der Seilkraft bestimmt. Vorteilhafterweise erfolgt die Ansteuerung dann auf Grundlage eines Vergleichs des Istwertes und des Sollwertes der Seilkraft.In this case, a cable force determination unit can be provided, which determines an actual value of the cable force. Advantageously, the control then takes place on the basis of a comparison of the actual value and the nominal value of the cable force.

Erfindungsgemäß kann die Seilkraft im Seilkraftmodus durch Rückführung mindestens eines Messwertes geregelt werden. Vorteilhafterweise bestimmt die Seilkraftbestimmungseinheit dabei den Istwert der Seilkraft auf Grundlage eines Messsignals eines Seilkraftsensors.According to the invention, the cable force in the cable force mode can be regulated by returning at least one measured value. Advantageously, the cable force determination unit determines the actual value of the cable force on the basis of a measurement signal of a cable force sensor.

Erfindungsgemäß kann der Seilkraftsensor dabei am Hubwerk angeordnet sein, insbesondere an einer Befestigung der Hubwinde und/oder einer Befestigung einer Seilrolle. Beispielsweise kann der Seilkraftsensor dabei in einer Lasche angeordnet sein, welche die Hubwinde an einem Hubwindenpodest befestigt, oder welche eine Seilrolle, über welche das Hubseil geführt ist, hält.According to the invention, the cable force sensor can be arranged on the hoist, in particular on a fastening of the hoist winch and / or a fastening of a pulley. For example, the rope force sensor can be arranged in a tab which secures the hoist winch to a hoist winch platform, or which holds a pulley over which the hoist rope is guided.

Weiterhin die Seilkraftbestimmungseinheit den Istwert der Seilkraft über eine Filterung von Messwerten oder eine modellbasierte Schätzung bestimmen. Insbesondere kann dabei ein Beobachter vorgesehen sein, welcher die Seilkraft auf Grundlage von Messwerten sowie einem physikalischen Modell der Dynamik des Seiles bestimmt.Furthermore, the cable force determination unit determines the actual value of the cable force via a filtering of measured values or a model-based estimation. In particular, an observer can be provided, which determines the cable force on the basis of measured values and a physical model of the dynamics of the cable.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Kransteuerung eine Sollwertbestimmungseinheit aufweisen, welche den Sollwert der Seilkraft anhand von Messwerten und/oder Steuersignalen und/oder Eingaben eines Benutzers bestimmt.Furthermore, the crane control according to the invention can have a setpoint determination unit which determines the setpoint value of the cable force on the basis of measured values and / or control signals and / or inputs of a user.

Beispielsweise kann die Sollwertbestimmungseinheit dabei die auf das Seil wirkende statische Kraft während eines Hubes bestimmen. Insbesondere kann dabei während eines dem Seilkraftmodus vorangegangenen Hubvorgang die auf das Seil wirkende statische Kraft bestimmt werden. Die statische Kraft entspricht dabei insbesondere dem Gewicht der gehobenen Last. Der dynamische Anteil der im Seil wirkenden Kräfte kann dabei beispielsweise durch eine Filterung entfernt werden.For example, the setpoint determination unit can determine the static force acting on the cable during a stroke. In particular, it is possible to determine the static force acting on the cable during a lifting operation preceding the cable power mode. The static force corresponds in particular to the weight of the lifted load. The dynamic portion of the forces acting in the rope can be removed, for example by filtering.

Weiterhin kann erfindungsgemäß die Seillänge in die Sollwertbestimmungseinheit eingehen. Gerade bei Hüben mit großer Seillänge hängt dabei die am Seilaufhängepunkt wirkende Last auch von der Länge des abgewickelten Seiles bzw. dessen Gewicht ab. Vorteilhafterweise berücksichtigt die Sollwertbestimmungseinheit daher das Gewicht des abgewickelten Seils.Furthermore, according to the invention, the rope length can be included in the setpoint determination unit. Especially with strokes with a large rope length while the load acting on the rope suspension point also depends on the length of the unwound rope or its weight. Advantageously, the setpoint determination unit therefore takes into account the weight of the unwound cable.

Insbesondere kann das Gewicht der gehobenen Last dabei dadurch bestimmt werden, dass bei einer frei hängenden Last von einem statischen Anteil einer gemessenen Kraft das Gewicht des abgewickelten Seils abgezogen wird. Vorteilhafterweise berücksichtigt die Sollwertbestimmungseinheit dann das so bestimmte Gewicht der gehobenen Last und das Gewicht des im Seilkraftmodus aktuell abgewickelten Seils.In particular, the weight of the lifted load can thereby be determined by subtracting the weight of the unwound cable from a static portion of a measured force in the case of a free-hanging load. advantageously, the setpoint determination unit then takes into account the weight of the lifted load determined in this way and the weight of the cable currently being unwound in the cable power mode.

Eine Sollwertbestimmungseinheit, welche die Seillänge berücksichtigt, ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Seilkraft über einen Sensor gemessen wird, welcher nicht am Lasthaken angeordnet ist, sondern beispielsweise am Hubwerk.A nominal value determination unit, which takes into account the rope length, is particularly advantageous if the cable force is measured via a sensor which is not arranged on the load hook but, for example, on the hoist.

Weiterhin kann eine erfindungsgemäße Kransteuerung ein Eingabeelement umfassen, über welches der Kranführer den Sollwert der Seilkraft verändern kann. Hierdurch kann der Kranführer einstellen, welche Spannung während des Seilkraftmodus im Seil aufrecht erhalten werden soll.Furthermore, a crane control according to the invention may comprise an input element, via which the crane operator can change the desired value of the cable force. This allows the crane operator to adjust which tension should be maintained during the cable force mode in the rope.

Vorteilhafterweise ist hierfür ein Faktor eingebbar, der das Verhältnis zwischen dem Sollwert der Seilkraft und der statischen Kraft während eines Hubes bestimmt. Beispielsweise kann der Kranführer so vorgeben, dass zumindest ein Anteil der Seilkraft während des Seilkraftmodus in einem gewissen Verhältnis zu der zuvor auf das Seil wirkenden Gewichtskraft der Last stehen soll.Advantageously, for this purpose, a factor can be entered, which determines the ratio between the desired value of the cable force and the static force during a stroke. For example, the crane operator may pretend that at least a portion of the cable force during the cable power mode should be in some relation to the weight force of the load previously acting on the cable.

Vorteilhafterweise wird der Sollwert der Seilkraft dabei so bestimmt, dass er immer oberhalb der durch das abgewickelte Lastseil erzeugten Gewichtskraft liegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass im Seilkraftmodus kein Schlaffseil entstehen kann. Vorteilhafterweise wird hierfür wie bereits oben beschrieben die Seillänge berücksichtigt und das Gewicht des abgewickelten Seiles bestimmt. Insbesondere kann der Sollwert der Seilkraft dabei aus der Summe aus der durch das abgewickelte Lastseil erzeugten Gewichtskraft und einer Kraft bestehen, welche in einem bestimmten Verhältnis zu der zuvor auf das Seil wirkenden Gewichtskraft der Last steht.Advantageously, the desired value of the cable force is determined so that it is always above the weight force generated by the unwound load rope. This ensures that no slack rope can arise in the cable force mode. Advantageously, as described above, the rope length is taken into account and determines the weight of the unwound rope. In particular, the desired value of the cable force can consist of the sum of the weight force generated by the unwound load cable and a force which is in a certain ratio to the weight force of the load previously acting on the cable.

Erfindungsgemäß kann die Kransteuerung im Seilkraftmodus ein Vorsteuerteil umfassen, welches die Dynamik des Seiles berücksichtigt, und ein Rückführungsteil, über welches die durch die Seilkraftbestimmungseinheit bestimmte Seilkraft zurückgeführt wird. Beispielsweise kann der Vorsteuerteil dabei auf der Invertierung eines die Schwingungsdynamik des Seils beschreibenden Modells beruhen. Vorteilhafterweise wird in diesem das Gewicht des abgewickelten Seils berücksichtigt. Die Ansteuerung wird dann über den Rückführungsteil stabilisiert.According to the invention, the crane control in the cable force mode can comprise a pre-control part, which takes into account the dynamics of the cable, and a return part, via which the cable force determined by the cable force determination unit is returned becomes. For example, the pilot control part can be based on the inversion of a model describing the vibration dynamics of the cable. Advantageously, the weight of the unwound rope is taken into account in this. The control is then stabilized via the feedback part.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Kransteuerung eine Zustandserfassung aufweisen, wobei die Kransteuerung automatisch anhand der Zustandserfassung in den und/oder aus dem Seilkraftmodus wechselt. Vorteilhafterweise kann die Zustandserfassung dabei ein Absetzen und/oder Aufnehmen der Last detektieren. Hierdurch kann die Kransteuerung automatisch in bzw. aus den Seilkraftmodus wechseln, wenn sie ein Absetzen bzw. Aufnehmen der Last erkennt.Furthermore, the crane control according to the invention can have a state detection, wherein the crane control automatically changes based on the state detection in and / or from the cable power mode. Advantageously, the condition detection can detect settling and / or picking up the load. As a result, the crane control can automatically switch into or out of the cable power mode when it detects a drop or picking up the load.

Alternativ kann der Wechsel in einer oder in beiden Richtungen auch manuell durch den Kranführer erfolgen.Alternatively, the change in one or both directions can also be done manually by the crane operator.

Vorteilhafterweise kann die Zustandserkennung den jeweils aktuellen Zustand anzeigen.Advantageously, the state detection can display the current state.

Vorteilhafterweise überwacht die Zustandserfassung dabei die Seilkraft, um den Zustand des Kranes zu erfassen und insbesondere um ein Absetzen und/oder Aufnehmen der Last zu detektieren. Vorteilhafterweise wird dabei ein Absetzen der Last erkannt, wenn ein negativer Lastwechsel vorliegt und/oder wenn die Ableitung der Seilkraft unter einem gewissen Schwellwert liegt, während der Kranfahrer ein Absenken der Last über eine Eingabeeinrichtung vorgibt. Umgekehrt kann ein Aufnehmen der Last erkannt werden, wenn ein positiver Lastwechsel vorliegt und/oder wenn die Ableitung der Seilkraft über einem gewissen Schwellwert liegt, während der Kranfahrer ein Anheben der Last über eine Eingabeeinrichtung vorgibt.Advantageously, the condition detection monitors the cable force in order to detect the condition of the crane and in particular to detect a settling and / or receiving the load. Advantageously, a discontinuation of the load is detected when a negative load change is present and / or when the derivative of the cable force is below a certain threshold, while the crane operator prescribes a lowering of the load via an input device. Conversely, a pick-up of the load can be detected if there is a positive load change and / or if the derivative of the cable force is above a certain threshold, while the crane operator predetermines a lifting of the load via an input device.

Die erfindungsgemäße Kransteuerung kann weiterhin einen Hubmodus umfassen, in welchem das Hubwerk auf Grundlage eines Sollwerts der Lastposition und/oder der Lastgeschwindigkeit, und/oder eines Sollwerts der Seilposition und/oder Seilgeschwindigkeit angesteuert wird. Dabei kann eine Regelung vorgesehen sein, welche im Hubmodus einen Istwert der Lastposition und/oder Lastgeschwindigkeit und/oder Seilposition und/oder Seilgeschwindigkeit zurückführt.The crane control according to the invention can furthermore comprise a lifting mode in which the lifting mechanism is actuated on the basis of a desired value of the load position and / or the load speed, and / or a desired value of the cable position and / or cable speed. In this case, a scheme may be provided, which in the lifting mode an actual value of the load position and / or load speed and / or rope position and / or rope speed leads back.

Vorteilhafterweise wechselt die Kransteuerung dabei von dem Hubmodus in den Seilkraftmodus, wenn sie ein Absetzen der Last detektiert.Advantageously, the crane control changes from the lifting mode in the cable force mode when it detects a discontinuation of the load.

Weiterhin kann die Kransteuerung oder der Kranführer von dem Seilkraftmodus in den Hubmodus wechseln, wenn die Kransteuerung ein Aufnehmen der Last detektiert und ggf. anzeigt.Furthermore, the crane control or the crane operator can change from the cable force mode to the lift mode when the crane control detects a picking up of the load and possibly displays it.

Die Kransteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung kann besonders bevorzugt bei Hüben eingesetzt werden, bei welchen sich entweder der Seilaufhängepunkt oder der Lastabsetzpunkt bewegt, wie dies beispielsweise bei auf einem Schiff angeordneten Kranen oder auf einem Schiff abzulegenden Lasten aufgrund des Seegangs der Fall ist.The crane control according to the present invention can be used particularly preferably in strokes in which either the cable suspension point or the load settling moves, as is the case, for example, in cranes mounted on a ship or loads to be deposited on a ship due to the sea.

Durch den erfindungsgemäßen Seilkraftmodus kann dabei das Entstehen von Schlaffseil trotz einer Bewegung des Seilaufhängepunktes bzw. des Lastabsetzpunktes verhindert werden, da über den Seilkraftmodus eine konstante Spannung im Seil aufrecht erhalten wird. Hierdurch werden die teilweise enormen Belastungen auf das Seil sowie auf den Kran, welche bei Schlaffseilsituationen entstehen können, vermieden.Due to the cable force mode according to the invention, the emergence of slack rope can be prevented despite a movement of the cable suspension point or the load release point, since a constant tension in the rope is maintained via the cable force mode. As a result, the sometimes enormous loads on the rope and on the crane, which can occur in slack rope situations, avoided.

Die erfindungsgemäße Kransteuerung kann dabei eine aktive Seegangskompensation aufweisen, welche durch eine Ansteuerung des Hubwerks die Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht. Hierdurch kann eine nochmals verbesserte Ansteuerung des Kranes bei Seegang erreicht werden.The crane control according to the invention can have an active sea state compensation, which compensates for the movement of the cable suspension point and / or a Lastabsetzpunktes due to the sea state at least partially by a control of the hoist. In this way, a further improved control of the crane can be achieved at sea.

Vorteilhafterweise erfolgt die aktive Seegangskompensation dabei auf Grundlage einer Prädiktion, welche die zukünftige Bewegung des Seilaufhängepunktes bzw. des Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs vorhersagt und durch eine entsprechende Ansteuerung des Hubwerks zumindest teilweise ausgleicht.Advantageously, the active sea state compensation takes place on the basis of a prediction, which the future movement of the cable suspension point or of the Lastabsetzpunktes due to the sea state predicts and at least partially compensated by a corresponding control of the hoist.

Die aktive Seegangskompensation kann dabei im Hubmodus und/oder im Seilkraftmodus der erfindungsgemäßen Kransteuerung zum Einsatz kommen.The active sea state compensation can be used in the lifting mode and / or in the cable force mode of the crane control according to the invention.

Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen Kran mit einer Kransteuerung, wie sie oben beschrieben wurde.The present invention further comprises a crane with a crane control as described above.

Insbesondere kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Kran um einen Schiffskran handeln. Bei einem Schiffskran handelt es sich um einen Kran, welcher auf einem Schwimmkörper angeordnet ist. Bei solchen Kranen kann sich daher der Seilaufhängepunkt aufgrund des Seegangs bewegen.In particular, the crane according to the invention may be a ship crane. In a ship crane is a crane, which is arranged on a float. In such cranes, therefore, the rope suspension point can move due to the sea.

Alternativ kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Kran bspw. auch um einen Hafenkran oder Offshorekran oder Seilbagger handeln, insbesondere um einen Hafenmobilkran. Ein Hafenkran wird dabei dazu eingesetzt, um Lasten auf ein Schiff zu laden bzw. von einem Schiff abzuladen. Ein Kran gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher auch auf einer Bohrplattform installiert sein. Bei solchen Kranen, welche zum Be- oder Entladen eines Schiffes eingesetzt werden, kann sich der Lastabsetzpunkt aufgrund des Seegangs bewegen.Alternatively, the crane according to the invention may, for example, also be a harbor crane or offshore crane or a crawler crane, in particular a mobile harbor crane. A harbor crane is used to load or unload loads from a ship. A crane according to the present invention can therefore also be installed on a drilling platform. In such cranes, which are used for loading or unloading a ship, the Lastabsetzpunkt can move due to the sea state.

Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kransteuerung in Hubsituationen, bei welchen sich der Seilaufhängepunkt und/oder der Lastabsetzpunkt aufgrund von externen Einflüssen wie beispielsweise aufgrund des Seegangs bewegt. Als externe Einflüsse kommen jedoch auch Windlasten in Frage, welche den Seilaufhängepunkt bewegen.The present invention further comprises the use of a crane control according to the invention in lifting situations in which the cable suspension point and / or the load suspension point moves due to external influences such as due to the sea. As external influences but also wind loads come into question, which move the rope suspension point.

Hier kann der erfindungsgemäße Seilkraftmodus verhindern, dass Schlaffseil aufgrund dieser externen Bewegung entsteht. Bei dem Seilaufhängepunkt kann es sich dabei insbesondere um die Kranspitze handeln, von welcher das Hubseil zur Last geführt ist. Wird diese beispielsweise aufgrund des Seegangs bewegt, überträgt sich diese Bewegung auf das Seil und damit auf die Last. Bei dem Lastabsetzpunkt kann es sich beispielsweise um die Ladefläche eines Schwimmkörpers, insbesondere eines Schiffes handeln. Bewegt sich diese, kann bei abgesetzter Last entweder Schlaffseil entstehen oder die Last abgehoben werden.Here, the cable force mode according to the invention can prevent slack rope from arising due to this external movement. The cable suspension point may in particular be the crane tip, from which the hoist cable is led to the load. If this is moved, for example due to the sea, transmits This movement affects the rope and thus the load. The load dumping point can be, for example, the loading area of a floating body, in particular of a ship. If this moves, either slack rope can arise or the load can be lifted when the load is lowered.

Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kransteuerung bei abgesetzter Last. Insbesondere sorgt der erfindungsgemäße Seilkraftmodus dabei automatisch dafür, dass ein gewünschter Sollwert der Seilkraft eingehalten wird. Vorteilhafterweise erfolgt dies erfindungsgemäß durch eine Regelung der Seilkraft.The present invention further includes the use of a crane control according to the invention with the load applied. In particular, the cable force mode according to the invention automatically ensures that a desired desired value of the cable force is maintained. Advantageously, this is done according to the invention by regulating the cable force.

Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Ansteuerung eines Krans, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist. Erfindungsgemäß wird dabei das Hubwerk auf Grundlage eines Sollwerts der Seilkraft angesteuert. Auch hierdurch ergeben sich die Vorteile, welche weiter oben bereits im Hinblick auf die Kransteuerung sowie deren Verwendung näher dargestellt wurden.The present invention further includes a method of driving a crane having a hoist for lifting a load suspended on a rope. According to the invention, the hoist is controlled based on a setpoint of the cable force. This also gives rise to the advantages which have already been described in more detail above with regard to the crane control and its use.

Vorteilhafterweise erfolgt das Verfahren dabei so, wie dies bereits oben im Hinblick auf die erfindungsgemäße Kransteuerung bzw. deren Verwendung näher beschrieben wurde.Advantageously, the method is carried out as described above with regard to the crane control according to the invention or its use.

Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren dabei mit einer Kransteuerung, wie sie oben beschrieben wurde, durchgeführt werden.In particular, the method according to the invention can be carried out with a crane control as described above.

Vorteilhafterweise wechselt die erfindungsgemäße Kransteuerung dabei bei Detektion eines Absetzvorgangs automatisch in den Seilkraftmodus. Vorteilhafterweise erfolgt dabei ein rampenförmiger Übergang von der aktuell bei der Detektion des Absetzvorgangs gemessenen Kraft zur eigentlichen Sollkraft, um Sollwertsprünge in der Führungsgröße zu vermeiden.Advantageously, the crane control according to the invention automatically switches to the cable force mode upon detection of a settling process. Advantageously, a ramp-shaped transition from the force currently measured during the detection of the settling process to the actual desired force takes place in order to avoid setpoint jumps in the reference variable.

Weiterhin kann zum Anheben der Last zunächst die Sollkraft so weit angehoben werden, dass die Last angehoben wird. Weiterhin vorteilhafterweise wird dann ein Wechsel vom Sollkraft- zum Hubmodus bei frei hängender Last durchgeführt.Furthermore, in order to lift the load, the setpoint force can first be raised so far that the load is lifted. Further advantageously, then a change from Sollkraft- to the lifting mode is carried out at free-hanging load.

Vorteilhafterweise kann der Kranfahrer dabei manuell vom Seilkraftmodus in einen Hubmodus wechseln. Alternativ erfolgt dies durch die Kransteuerung automatischAdvantageously, the crane operator can manually change from the cable power mode to a lift mode. Alternatively, this is done automatically by the crane control

Weiterhin vorteilhafterweise wird während des Seilkraftmodus zudem die Eingabevorrichtung, über welche der Kranführer im Hubmodus die Bewegung der Last vorgibt, automatisch deaktiviert.Furthermore advantageously, during the cable power mode, the input device via which the crane operator predefines the movement of the load in the lifting mode is also automatically deactivated.

Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin Software mit Code zur Durchführung eines Verfahrens, wie es oben beschrieben wurde. Die Software kann dabei insbesondere auf einem maschinenlesbaren Datenspeicher abgespeichert sein. Vorteilhafterweise kann durch die erfindungsgemäße Software, wenn sie auf eine Kransteuerung aufgespielt wird, eine erfindungsgemäße Kransteuerung implementiert werden.The present invention further includes software with code for performing a method as described above. The software can be stored in particular on a machine-readable data memory. Advantageously, by the inventive software, when it is loaded onto a crane control, a crane control according to the invention can be implemented.

Die erfindungsgemäße Kransteuerung und insbesondere der Seilkraftmodus wird dabei vorteilhafterweise durch eine elektronische Steuerung realisiert. Insbesondere kann dabei ein Steuerrechner vorgesehen sein, welcher mit Eingabeelementen und/oder Sensoren in Verbindung steht und Ansteuersignale zum Ansteuern des Hubwerks erzeugt. Der Steuerrechner kann dabei weiterhin mit einer Anzeigevorrichtung in Verbindung stehen, welche dem Kranführer Informationen zum Zustand der Kransteuerung visuell anzeigt. Vorteilhafterweise wird dabei erfindungsgemäß angezeigt, ob die Kransteuerung sich im Seilkraftmodus und/oder im Hubmodus befindet. Weiterhin kann der Sollwert erfindungsgemäß visualisiert werden. Vorteilhafterweise steht der Steuerrechner dabei mit einem Eingabeelement in Verbindung, über welches die gewünschte Seilkraft eingestellt werden kann. Weiterhin vorteilhafterweise steht der Steuerrechner mit einem Seilkraftsensor in Verbindung. Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels sowie Zeichnungen näher dargestellt.The crane control according to the invention and in particular the cable force mode is advantageously realized by an electronic control. In particular, a control computer can be provided, which is in communication with input elements and / or sensors and generates control signals for driving the hoist. The control computer can continue to be in communication with a display device, which visually displays information about the state of the crane control to the crane operator. Advantageously, it is indicated according to the invention, whether the crane control is in the cable force mode and / or in the lifting mode. Furthermore, the setpoint can be visualized according to the invention. Advantageously, the control computer is connected to an input element via which the desired cable force can be set. Further advantageously, the control computer is in communication with a rope force sensor. The present invention will now be described in more detail with reference to an embodiment and drawings.

Dabei zeigen:

Figur 0:
einen auf einem Schwimmkörper angeordneten Kran gemäß der vorliegenden Erfindung,
Figur 1:
die Struktur einer getrennten Trajektorienplanung für die Seegangskompensation und die Bedienersteuerung,
Figur 2:
eine Integratorkette vierter Ordnung zur Planung von Trajektorien mit stetigem Ruck,
Figur 3:
eine nicht äquidistante Diskretisierung für die Trajektorienplanung, welche gegen Ende des Zeithorizontes größere Abstände verwendet als zu Anfang des Zeithorizontes,
Figur 4:
die Berücksichtigung von sich ändernden Beschränkungen zunächst am Ende des Zeithorizontes am Beispiel der Geschwindigkeit,
Figur 5:
die für die Trajektorienplanung der Bedienersteuerung verwendete Integratorkette dritter Ordnung, welche anhand einer Ruckaufschaltung arbeitet,
Figur 6:
die Struktur der Bahnplanung der Bedienersteuerung, welche Beschränkungen des Antriebs berücksichtigt,
Figur 7:
ein beispielhafter Ruckverlauf mit zugehörigen Schaltzeiten, aus welchen anhand der Bahnplanung eine Trajektorie für die Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks berechnet wird,
Figur 8:
ein mit der Ruckaufschaltung generierter Verlauf einer Geschwindigkeits- und Beschleunigungstrajektorie,
Figur 9:
eine Übersicht über das Ansteuerungskonzept mit einer aktiven Seegangskompensation und einem Sollkraftmodus, hier als Konstantspannungsmodus bezeichnet,
Figur 10:
ein Blockschaltbild der Ansteuerung für die aktive Seegangskompensation und
Figur 11:
ein Blockschaltbild der Ansteuerung für den Sollkraftmodus.
Showing:
Figure 0:
a crane mounted on a float according to the present invention,
FIG. 1:
the structure of separate trajectory planning for sea state compensation and operator control,
FIG. 2:
a fourth-order integrator chain for planning trajectories with a continuous jerk,
FIG. 3:
a non-equidistant discretization for trajectory planning, which uses greater distances towards the end of the time horizon than at the beginning of the time horizon,
FIG. 4:
the consideration of changing constraints first at the end of the time horizon using the example of speed,
FIG. 5:
the third-order integrator chain used for trajectory planning of the operator control, which operates on the basis of a jerk-over,
FIG. 6:
the structure of the path planning of the operator control, which takes into account restrictions of the drive,
FIG. 7:
an exemplary jerk course with associated switching times, from which, based on the path planning, a trajectory for the position and / or speed and / or acceleration of the hoisting gear is calculated,
FIG. 8:
a course of a velocity and acceleration trajectory generated with the jerk-over,
FIG. 9:
an overview of the control concept with an active sea state compensation and a desired force mode, here referred to as constant voltage mode,
FIG. 10:
a block diagram of the control for the active sea state compensation and
FIG. 11:
a block diagram of the control for the desired force mode.

Figur 0 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kranes 1 mit einer erfindungsgemäßen Kransteuerung zur Ansteuerung des Hubwerks 5. Das Hubwerk 5 weist eine Hubwinde auf, welche das Seil 4 bewegt. Das Seil 4 ist über einen Seilaufhängepunkt 2, im Ausführungsbeispiel eine Umlenkrolle am Ende des Kranauslegers, am Kran geführt. Durch das Bewegen des Seiles 4 kann eine am Seil hängende Last 3 angehoben oder abgesenkt werden. Figure 0 shows an embodiment of a crane 1 with a crane control according to the invention for controlling the hoist 5. The hoist 5 has a hoist winch, which moves the cable 4. The cable 4 is guided over a cable suspension point 2, in the exemplary embodiment a deflection roller at the end of the crane boom, on the crane. By moving the cable 4, a load hanging on the rope 3 can be raised or lowered.

Dabei kann mindestens ein Sensor vorgesehen sein, welche die Position und/oder Geschwindigkeit des Hubwerkes misst und entsprechende Signale an die Kransteuerung übermittelt.In this case, at least one sensor may be provided which measures the position and / or speed of the hoist and transmits corresponding signals to the crane control.

Weiterhin kann mindestens ein Sensor vorgesehen sein, welche die Seilkraft misst und entsprechende Signale an die Kransteuerung übermittelt. Der Sensor kann dabei im Bereich des Kranaufbaus angeordnet sein, insbesondere in einer Befestigung der Winde 5 und/oder in einer Befestigung der Seilrolle 2.Furthermore, at least one sensor can be provided which measures the cable force and transmits corresponding signals to the crane control. The sensor can be arranged in the region of the crane structure, in particular in a fastening of the winch 5 and / or in a fastening of the pulley 2.

Der Kran 1 ist im Ausführungsbeispiel auf einem Schwimmkörper 6 angeordnet, hier einem Schiff. Wie ebenfalls in Figur 0 zu erkennen, bewegt sich der Schwimmkörper 6 aufgrund des Seegangs um seine sechs Freiheitsgrade. Hierdurch wird auch der auf dem Schwimmkörper 6 angeordnete Kran 1 sowie der Seilaufhängepunkt 2 bewegt.The crane 1 is arranged in the embodiment on a float 6, here a ship. Like also in Figure 0 to recognize the float 6 moves due to the sea at its six degrees of freedom. This will also arranged on the float 6 crane 1 and the cable suspension point 2 moves.

Die Kransteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine aktive Seegangskompensation aufweisen, welche durch eine Ansteuerung des Hubwerks und die Bewegung des Seilaufhängepunktes 2 aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht. Insbesondere wird dabei die vertikale Bewegung des Seilaufhängepunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgeglichen.The crane control according to the present invention may have an active sea state compensation, which at least partially compensates for a control of the hoist and the movement of the cable suspension point 2 due to the sea. In particular, the vertical movement of the cable suspension point due to the sea is at least partially compensated.

Die Seegangskompensation kann eine Messvorrichtung umfassen, welche eine aktuelle Seegangsbewegung aus Sensordaten ermittelt. Die Messvorrichtung kann dabei Sensoren umfassen, welche am Kranfundament angeordnet sind. Insbesondere kann es sich dabei um Gyroskope und/oder Neigungswinkelsensoren handeln. Besonders bevorzugt sind drei Gyroskope und drei Neigungswinkelsensoren vorgesehen.The sea state compensation may include a measuring device which determines a current sea state movement from sensor data. The measuring device may comprise sensors which are arranged on the crane foundation. In particular, these may be gyroscopes and / or inclination angle sensors. Particularly preferably, three gyroscopes and three inclination angle sensors are provided.

Weiterhin kann eine Prognosevorrichtung vorgesehen sein, welche eine zukünftige Bewegung des Seilaufhängepunktes 2 anhand der ermittelten Seegangsbewegung und eines Modells der Seegangsbewegung prognostiziert. Insbesondere prognostiziert die Prognosevorrichtung dabei allein die vertikale Bewegung des Seilaufhängepunktes. Ggfls. kann dabei im Rahmen der Mess- und/oder der Prognosevorrichtung eine Bewegung des Schiffes am Punkt der Sensoren der Messvorrichtung in eine Bewegung des Seilaufhängepunktes umgerechnet werden.Furthermore, a prediction device can be provided which predicts a future movement of the cable suspension point 2 on the basis of the determined seaward movement and a model of the seaward movement. In particular, the forecasting device alone predicts the vertical movement of the cable suspension point. Sometimes. can be converted in the context of the measuring and / or the forecasting device, a movement of the ship at the point of the sensors of the measuring device in a movement of the cable suspension point.

Die Prognosevorrichtung und die Messvorrichtung sind vorteilhafterweise so ausgeführt, wie dies in der DE 10 2008 024513 A1 ausführlicher beschrieben ist.The forecasting device and the measuring device are advantageously designed as shown in the DE 10 2008 024513 A1 is described in more detail.

Alternativ könnte es sich bei dem erfindungsgemäßen Kran auch um einen Kran handeln, welcher zum Anheben und/oder Absenken einer Last von bzw. auf einen auf einem Schwimmkörper angeordneten Lastabsetzpunkt eingesetzt wird, welcher sich daher mit dem Seegang bewegt. Die Prognosevorrichtung muss in diesem Fall die zukünftige Bewegung des Lastabsetzpunktes prognostizieren. Dies kann analog zu dem oben beschrieben Vorgehen erfolgen, wobei die Sensoren der Messvorrichtung auf dem Schwimmkörper des Lastabsetzpunktes angeordnet sind. Bei dem Kran kann es sich dabei bspw. um einen Hafenkran, einen Offshorekran oder einen Seilbagger handeln.Alternatively, the crane according to the invention could also be a crane which is used for lifting and / or lowering a load from or onto a load settling point arranged on a floating body, which therefore moves with the seaway. The forecasting device must in this case predict the future movement of the load take-off point. This can be analogous to the procedure described above, wherein the sensors of the measuring device are arranged on the float of Lastabsetzpunktes. The crane may be, for example, a harbor crane, an offshore crane or a crawler crane.

Die Hubwinde des Hubwerks 5 ist im Ausführungsbeispiel hydraulisch angetrieben. Insbesondere ist dabei ein Hydraulikkreislauf aus Hydraulikpumpe und Hydraulikmotor vorgesehen, über welchen die Hubwinde angetrieben wird. Bevorzugt kann dabei ein Hydraulikspeicher vorgesehen sein, über welchen Energie beim Absenken der Last gespeichert wird, so dass diese Energie beim Anheben der Last zur Verfügung steht.The hoist winch of the hoist 5 is hydraulically driven in the embodiment. In particular, a hydraulic circuit of hydraulic pump and hydraulic motor is provided, via which the hoist winch is driven. Preferably, a hydraulic accumulator can be provided, via which energy is stored when the load is lowered, so that this energy is available when lifting the load.

Alternativ könnte ein elektrischer Antrieb eingesetzt werden. Auch dieser könnte mit einem Energiespeicher verbunden werden.Alternatively, an electric drive could be used. This could also be connected to an energy storage.

Im Folgenden wird nun ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei welchem eine Vielzahl von Aspekten der vorliegenden Erfindung gemeinsam verwirklicht sind. Die einzelnen Aspekte können jedoch auch jeweils getrennt voneinander zur Weiterbildung der im allgemeinen Teil der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung herangezogen werden.An embodiment of the present invention, in which a variety of aspects of the present invention are implemented together, will now be shown. However, the individual aspects can also be used separately from one another for the further development of the embodiment of the present invention described in the general part of the present application.

1 Planung von Referenztrajektorien1 Planning of reference trajectories

Zur Umsetzung des geforderten prädiktiven Verhaltens der aktiven Seegangskompensation wird im Ausführungsbeispiel eine aus einer Vorsteuerung und einer Rückführung in Form einer Zwei-Freiheitsgrade-Struktur bestehende Folgeregelung eingesetzt. Die Vorsteuerung berechnet sich dabei durch eine differentielle Parametrierung und setzt zweifach stetig differenzierbare Referenztrajektorien voraus.In order to implement the required predictive behavior of the active sea state compensation, a follow-up control consisting of a precontrol and a feedback in the form of a two-degree-of-freedom structure is used in the exemplary embodiment. The feedforward control is calculated by a differential parameterization and requires twice continuously differentiable reference trajectories.

Entscheidend bei der Planung ist, dass der Antrieb den vorgegebenen Trajektorien folgen kann. Somit müssen auch Beschränkungen des Hubwerkes beachtet werden. Ausgangspunkt für die Betrachtung sind die Vertikalposition und/oder - geschwindigkeit des Seilaufhängepunkts z ˜ a h

Figure imgb0001
und z ˜ ˙ a h ,
Figure imgb0002
welche z.B. mit Hilfe des in der DE 10 2008 024 513 beschriebenen Algorithmus über einen festen Zeithorizont vorhergesagt werden. Zusätzlich wird bei der Trajektorienplanung noch das Handhebelsignal des Kranfahrers, über das er die Last im inertialen Koordinatensystem verfährt, miteinbezogen.Decisive in the planning is that the drive can follow the given trajectories. Thus, limitations of the hoist must be considered. The starting point for consideration is the vertical position and / or speed of the cable suspension point z ~ a H
Figure imgb0001
and z ~ ˙ a H .
Figure imgb0002
which eg with the help of in the DE 10 2008 024 513 algorithm can be predicted over a fixed time horizon. In addition, in trajectory planning, the hand lever signal of the crane driver, via which he moves the load in the inertial coordinate system, is also included.

Aus Sicherheitsgründen ist es notwendig, dass sich die Winde auch bei einem Ausfall der aktiven Seegangskompensation weiterhin über das Handhebelsignal verfahren lässt. Daher erfolgt bei dem verwendeten Konzept zur Trajektorienplanung eine Trennung zwischen der Planung der Referenztrajektorien für die Kompensationsbewegung und derer infolge eines Handhebelsignals, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.For safety reasons, it is necessary that the winch can still be moved via the hand lever signal even in the event of failure of the active sea state compensation. Therefore, in the trajectory planning concept used, there is a separation between the planning of the reference trajectories for the compensation movement and that due to a hand lever signal, as described in US Pat Fig. 1 is shown.

In der Abbildung bezeichnen y a * ,

Figure imgb0003
y ˙ a *
Figure imgb0004
und y ¨ a *
Figure imgb0005
die für die Kompensation geplante Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung und y l * , y ˙ l *
Figure imgb0006
und y ¨ l *
Figure imgb0007
die auf Basis des Handhebelsignals geplante Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung zum überlagerten Ab- oder Aufwickeln des Seils. Innerhalb des weiteren Verlaufs der Ausführung werden geplante Referenztrajektorien für die Bewegung der Hubwinde grundsätzlich mit y*, ẏ* bzw. ÿ* bezeichnet, da sie als Referenz für den Systemausgang der Antriebsdynamik dienen.In the picture designate y a * .
Figure imgb0003
y ˙ a *
Figure imgb0004
and y ¨ a *
Figure imgb0005
the position, speed and acceleration planned for the compensation and y l * . y ˙ l *
Figure imgb0006
and y ¨ l *
Figure imgb0007
the planned position, speed and acceleration based on the hand lever signal for superimposed winding or winding of the rope. Within the further course of the execution, planned reference trajectories for the movement of the hoisting winches are generally designated by y *, ẏ * or ÿ * , since they serve as a reference for the system output of the drive dynamics.

Aufgrund der getrennten Trajektorienplanung ist es möglich, bei ausgeschalteter Seegangskompensation oder bei einem kompletten Ausfall der Seegangskompensation (z. B. durch Ausfall der IMU) für,die Handhebelsteuerung im manuellen Betrieb die gleiche Trajektorienplanung und den gleichen Folgeregler zu verwenden und dadurch ein identisches Fahrverhalten wie bei eingeschalteter Seegangskompensation zu erzeugen.Due to the separate trajectory planning, it is possible to use the same trajectory planning and the following slave controller in manual operation with switched off sea state compensation or in a complete failure of the sea state compensation (eg due to failure of the IMU) for the hand lever control in manual operation and thus an identical driving behavior to generate with activated sea state compensation.

Um die gegebenen Beschränkungen in Geschwindigkeit vmax und Beschleunigung amax trotz der komplett unabhängigen Planung nicht zu verletzen, werden vmax und amax mit Hilfe eines Gewichtungsfaktors 0 ≤ kl ≤ 1 aufgeteilt (vgl. Fig. 1). Dieser wird durch den Kranfahrer vorgegeben und ermöglicht damit die individuelle Aufteilung der Leistung, welche für die Kompensation bzw. das Verfahren der Last zur Verfügung steht. Somit folgt für die maximale Geschwindigkeit und Beschleunigung der Kompensationsbewegung (1-kl )vmax und (1-kl )amax sowie für die Trajektorien zum überlagerten Ab- und Aufwickeln des Seils klvmax und klamax. In order not to violate the given restrictions in speed v max and acceleration a max despite the completely independent planning, v max and a max is divided using a weighting factor 0 ≦ k l ≦ 1 (cf. Fig. 1 ). This is specified by the crane driver and thus allows the individual distribution of power, which is available for the compensation or the method of the load. Thus follows for the maximum speed and acceleration of the compensation movement ( 1-k l ) v max and ( 1-k l ) a max and for the trajectories for superimposed winding and winding of the cable k l v max and k l a max .

Eine Änderung von kl lässt sich dabei während des Betriebs durchführen. Da die maximal mögliche Verfahrgeschwindigkeit bzw. -beschleunigung abhängig von der Gesamtmasse aus Seil und Last sind, können sich auch vmax und amax im Betrieb ändern. Deshalb werden die jeweils gültigen Werte ebenfalls an die Trajektorienplanung übergeben.A change of k l can be carried out during operation. Since the maximum possible travel speed or acceleration depends on the total mass of rope and load, v max and a max can also change during operation. Therefore, the valid values are also transferred to the trajectory planning.

Durch die Aufteilung der Leistung nutzt man zwar die Stellgrößenbeschränkungen unter Umständen nicht vollständig aus, doch kann der Kranfahrer den Einfluss der aktiven Seegangskompensation einfach und intuitiv einstellen.Although the power factor distribution may not be fully utilized by sharing the power, the crane operator can easily and intuitively adjust the influence of the active sea state compensation.

Eine Gewichtung von kl = 1 ist gleichzusetzen mit einem Ausschalten der aktiven Seegangskompensation, wodurch sich ein glatter Übergang zwischen ein- und ausgeschalteter Kompensation ermöglichen lässt.A weighting of k l = 1 is equivalent to disabling the active sea state compensation, allowing a smooth transition between on and off compensation.

Der erste Teil des Kapitels erläutert zunächst die Generierung der Referenztrajektorien y a * , y ˙ a *

Figure imgb0008
und y ¨ a *
Figure imgb0009
zur Kompensation der Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts. Der wesentliche Aspekt hierbei ist, dass mit den geplanten Trajektorien die Vertikalbewegung so weit kompensiert wird, wie es aufgrund der gegebenen und durch kl eingestellten Beschränkungen möglich ist.The first part of the chapter first explains the generation of reference trajectories y a * . y ˙ a *
Figure imgb0008
and y ¨ a *
Figure imgb0009
for compensating the vertical movement of the cable suspension point. The essential aspect here is that with the planned trajectories the vertical movement is compensated as far as is possible on the basis of the given restrictions set by k l .

Daher wird zunächst mit Hilfe der über einen kompletten Zeithorizont vorhergesagten Vertikalpositionen und -geschwindigkeiten des Seilaufhängepunkts z ˜ a h = z ˜ a h t k + T p , 1 z ˜ a h t k + T p , K p T und z ˜ ˙ a h = z ˜ ˙ a h t k + T p , 1 z ˜ ˙ a h t k + T p , K p T

Figure imgb0010
ein Optimalsteuerungsproblem formuliert, welches zyklisch gelöst wird, wobei Kp die Anzahl der vorhergesagten Zeitschritte bezeichnet. Die zugehörige numerische Lösung und Implementierung werden im Anschluss diskutiert.Therefore, first the vertical positions and velocities of the cable suspension point are predicted over a complete time horizon z ~ a H = z ~ a H t k + T p . 1 ... z ~ a H t k + T p . K p T and z ~ ˙ a H = z ~ ˙ a H t k + T p . 1 ... z ~ ˙ a H t k + T p . K p T
Figure imgb0010
formulated an optimal control problem which is solved cyclically, where K p is the Number of predicted time steps. The associated numerical solution and implementation are discussed below.

Der zweite Teil des Kapitels befasst sich mit der Planung der Trajektorien y l * , y ˙ l *

Figure imgb0011
und y ¨ l *
Figure imgb0012
zum Verfahren der Last. Diese werden direkt aus dem Handhebelsignal des Kranfahrers whh generiert. Die Berechnung erfolgt durch eine Aufschaltung des maximal zulässigen Rucks.The second part of the chapter deals with the planning of trajectories y l * . y ˙ l *
Figure imgb0011
and y ¨ l *
Figure imgb0012
for moving the load. These are generated directly from the hand lever signal of the crane driver w hh . The calculation is done by adding the maximum allowable jerk.

1.1 Referenztrajektorien für die Kompensation1.1 Reference trajectories for compensation

Bei der Trajektorienplanung für die Kompensationsbewegung der Hubwinde sollen aus den vorhergesagten Vertikalpositionen und -geschwindigkeiten des Seilaufhängepunkts unter Beachtung der gültigen Antriebsbeschränkungen hinreichend glatte Trajektorien generiert werden. Diese Aufgabe wird nachfolgend als ein beschränktes Optimierungsproblem aufgefasst, welches in jedem Zeitschritt online zu lösen ist. Daher ähnelt die Herangehensweise dem Entwurf einer modellprädiktiven Regelung, allerdings im Sinne einer modellprädiktiven Trajektoriengenerierung.In trajectory planning for the compensating movement of the hoisting winch, sufficiently smooth trajectories are to be generated from the predicted vertical positions and speeds of the rope suspending point, taking into account the valid drive restrictions. This task is considered below as a limited optimization problem, which is to be solved online in each time step. Therefore, the approach is similar to the design of a model-predictive control, but in the sense of a model-predictive trajectory generation.

Als Referenzen bzw. Sollwerte für die Optimierung dienen die zum Zeitpunkt tk über einen kompletten Zeithorizont mit Kp Zeitschritten vorhergesagten Vertikalpositionen und -geschwindigkeiten des Seilaufhängepunkts z ˜ a h = z ˜ a h t k + T p , 1 z ˜ a h t k + T p , K p T und z ˜ ˙ a h = z ˜ ˙ a h t k + T p , 1 z ˜ ˙ a h t k + T p , K p T ,

Figure imgb0013
welche mit der entsprechenden Prädiktionszeit, z.B. mit Hilfe des in der DE 10 2008 024 513 beschriebenen Algorithmus, berechnet werden.Serving as references or setpoints for the optimization are the vertical positions and velocities of the cable suspension point predicted at time t k over a complete time horizon with K p time steps z ~ a H = z ~ a H t k + T p . 1 ... z ~ a H t k + T p . K p T and z ~ ˙ a H = z ~ ˙ a H t k + T p . 1 ... z ~ ˙ a H t k + T p . K p T .
Figure imgb0013
which with the corresponding prediction time, eg with the help of in the DE 10 2008 024 513 described algorithm.

Unter Beachtung der durch kl, vmax und amax gültigen Beschränkungen lässt sich daraufhin eine optimale Zeitfolge für die Kompensationsbewegung bestimmen.Taking into account the restrictions that are valid due to k l , v max and a max, an optimal time sequence for the compensation movement can then be determined.

Allerdings wird analog zur modellprädiktiven Regelung nur der erste Wert der dadurch berechneten Trajektorie für die anschließende Regelung verwendet. Im nächsten Zeitschritt wird die Optimierung mit einer aktualisierten und dadurch genaueren Vorhersage der Vertikalposition und -geschwindigkeit des Seilaufhängepunkts wiederholt.However, analogously to the model predictive control, only the first value of the trajectory calculated thereby is used for the subsequent control. in the Next time step, the optimization is repeated with an updated and thereby more accurate prediction of the vertical position and speed of the cable suspension point.

Der Vorteil der modellprädiktiven Trajektoriengenerierung mit nachgeschalteter Regelung gegenüber einer klassischen modellprädiktiven Regelung besteht zum Einen darin, dass sich der Regelungsteil und die damit verbundene Stabilisierung mit einer im Vergleich zur Trajektoriengenerierung höheren Abtastzeit berechnen lassen. Daher kann man die rechenzeitintensive Optimierung in einen langsameren Task verlagern.The advantage of the model-predictive trajectory generation with downstream control compared to a classical model-predictive control on the one hand is that the control part and the associated stabilization can be calculated with a higher sampling time compared to the trajectory generation. Therefore, you can shift the computationally intensive optimization into a slower task.

Zum Anderen lässt sich bei diesem Konzept eine Notfallfunktion, für den Fall dass die Optimierung keine gültige Lösung findet, unabhängig von der Regelung realisieren. Sie besteht aus einer vereinfachten Trajektorienplanung, worauf die Regelung in einer solchen Notsituation zurückgreift und weiterhin die Winde ansteuert.On the other hand, an emergency function can be implemented in this concept, in case the optimization does not find a valid solution, independently of the regulation. It consists of a simplified trajectory planning, whereupon the regulation resorts to such an emergency situation and continues to control the winds.

1.1.1 Systemmodell für die Planung der Kompensationsbewegung 1.1.1 System model for the planning of the compensation movement

Um die Anforderungen an die Stetigkeit der Referenztrajektorien für die Kompensationsbewegung zu erfüllen, darf frühestens deren dritte Ableitung y a *

Figure imgb0014
als sprungfähig erachtet werden. Allerdings sind bei der Kompensationsbewegung im Hinblick auf die Windenlebensdauer Sprünge im Ruck zu vermeiden, wodurch erst die vierte Ableitung y 4 a *
Figure imgb0015
als sprungfähig betrachtet werden kann.In order to meet the requirements for the continuity of the reference trajectories for the compensation movement, the third derivation must be made at the earliest y ... a *
Figure imgb0014
be considered as capable of jumping. However, in the compensation movement with regard to the life of the winch jumps in the jerk to avoid, making only the fourth derivative y 4 a *
Figure imgb0015
can be considered as capable of jumping.

Somit ist der Ruck y a *

Figure imgb0016
mindestens stetig zu planen und die Trajektoriengenerierung für die Kompensationsbewegung erfolgt anhand der in Fig. 2 veranschaulichten Integratorkette vierter Ordnung. Diese dient bei der Optimierung als Systemmodell und lässt sich im Zustandsraum als x ˙ a = 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 A a x a + 0 0 0 1 B a u a , x a 0 = x a , 0 , y a = x a
Figure imgb0017
ausdrücken. Hier beinhaltet der Ausgang y a = y a * y . y * y ¨ a * y a * T
Figure imgb0018
die geplanten Trajektorien für die Kompensationsbewegung. Zur Formulierung des Optimalsteuerungsproblems und in Hinblick auf die spätere Implementierung wird dieses zeitkontinuierliche Modell zunächst auf dem Gitter τ 0 < τ 1 < < τ K p - 1 < τ K p
Figure imgb0019
diskretisiert, wobei Kp die Anzahl der Prädiktionsschritte für die Vorhersage der Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts darstellt. Um die diskrete Zeitdarstellung bei der Trajektoriengenerierung von der diskreten Systemzeit tk zu unterscheiden, wird sie mit τk = kΔτ bezeichnet, wobei k = 0,···,Kp und Δτ das für die Trajektoriengenerierung verwendete Diskretisierungsintervall des Horizonts Kp ist.Thus, the jerk y ... a *
Figure imgb0016
plan at least steadily and the Trajektoriengenerierung for the compensation movement is based on the in Fig. 2 illustrated fourth order integrator chain. This serves as a system model in the optimization and can be used in the state space as x ˙ a = 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 } A a x a + 0 0 0 1 } B a u a . x a 0 = x a . 0 . y a = x a
Figure imgb0017
express. Here is the output y a = y a * y , y * y ¨ a * y ... a * T
Figure imgb0018
the planned trajectories for the compensation movement. To formulate the optimal control problem and with respect to the later implementation, this time-continuous model first becomes on the grid τ 0 < τ 1 < ... < τ K p - 1 < τ K p
Figure imgb0019
where K p represents the number of prediction steps for the prediction of the vertical movement of the cable suspension point. In order to distinguish the discrete time representation in the trajectory generation from the discrete system time t k , it is denoted by τ k = k Δτ, where k = 0, ··· , K p and Δ τ the discretization interval of the horizon K p used for the trajectory generation is.

Fig. 3 verdeutlicht, dass das gewählte Gitter nichtäquidistant ist, womit die Anzahl der notwendigen Stützstellen auf dem Horizont reduziert wird. Dadurch ist es möglich, die Dimension des zu lösenden Optimalsteuerungsproblems klein zu halten. Der Einfluss der gröberen Diskretisierung gegen Ende des Horizonts hat keine nachteiligen Auswirkungen auf die geplante Trajektorie, da die Vorhersage der Vertikalposition und -geschwindigkeit gegen Ende des Prädiktionshorizonts ungenauer ist. Fig. 3 makes it clear that the selected grid is not equidistant, which reduces the number of necessary nodes on the horizon. This makes it possible to keep the dimension of the optimal control problem to be solved small. The influence of the grosser discretization towards the end of the horizon does not adversely affect the planned trajectory since the prediction of vertical position and velocity towards the end of the prediction horizon is less accurate.

Die für dieses Gitter gültige zeitdiskrete Systemdarstellung lässt sich anhand der analytischen Lösung x a t = e A a t x a 0 + 0 t e A a t - τ B a u a τ

Figure imgb0020
exakt berechnen. Für die Integratorkette aus Fig. 2 folgt sie zu x a τ k + 1 = 1 Δ τ k Δ τ k 2 2 Δ τ k 3 6 0 1 Δ τ k Δ τ k 2 2 0 0 1 Δ τ k 0 0 0 1 + Δ τ k 1 24 Δ τ k 3 6 Δ τ k 2 2 Δ τ k u a τ k , x a 0 = x a , 0 , y a τ k = x a τ k , k = 0 , , K p - 1 ,
Figure imgb0021
wobei Δτk = τ k+1 - τk die für den jeweiligen Zeitschritt gültige Diskretisierungsschrittweite beschreibt.The time-discrete system representation valid for this grid can be determined by the analytical solution x a t = e A a t x a 0 + 0 t e A a t - τ B a u a τ
Figure imgb0020
calculate exactly. For the integrator chain off Fig. 2 she follows x a τ k + 1 = 1 Δ τ k Δ τ k 2 2 Δ τ k 3 6 0 1 Δ τ k Δ τ k 2 2 0 0 1 Δ τ k 0 0 0 1 + Δ τ k 1 24 Δ τ k 3 6 Δ τ k 2 2 Δ τ k u a τ k . x a 0 = x a . 0 . y a τ k = x a τ k . k = 0 . ... . K p - 1 .
Figure imgb0021
where Δτ k = τ k +1 k describes the valid for the respective time step discretization step size.

1.1.2 Formulierung und Lösung des Optimalsteuerungsproblems1.1.2 Formulation and solution of the optimal control problem

Durch Lösen des Optimalsteuerungsproblems soll eine Trajektorie geplant werden, welche der vorhergesagten Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts möglichst nahe folgt und gleichzeitig den gegebenen Beschränkungen genügt.By solving the optimal control problem, a trajectory is to be planned which follows the predicted vertical movement of the cable suspension point as close as possible and at the same time satisfies the given restrictions.

Um diese Anforderung zu erfüllen, lautet die Gütefunktion wie folgt: J = 1 2 k = 1 K p y a τ k - w a τ k T Q w τ k y a τ k - w a τ k + u a τ k - 1 r u u a τ k - 1

Figure imgb0022
wobei wa (τk ) die zum jeweiligen Zeitschritt gültige Referenz bezeichnet. Da hierfür nur die vorhergesagte Position z ˜ a h t k + T p , k
Figure imgb0023
und Geschwindigkeit z ˜ ˙ a h t k + T p , k
Figure imgb0024
des Seilaufhängepunkts zur Verfügung stehen, werden die zugehörige Beschleunigung und der Ruck zu Null gesetzt. Der Einfluss dieser inkonsistenten Vorgabe lässt sich allerdings durch eine entsprechende Gewichtung der Beschleunigungs- und Ruckabweichung klein halten. Somit gilt: w a τ k = z ˜ a h t k + T p , k z ˜ ˙ a h t k + T p , k 0 0 T , k = 1 , , K p .
Figure imgb0025
To meet this requirement, the merit function is as follows: J = 1 2 Σ k = 1 K p y a τ k - w a τ k T Q w τ k y a τ k - w a τ k + u a τ k - 1 r u u a τ k - 1
Figure imgb0022
where w a ( τ k ) designates the reference valid for the respective time step. Because only the predicted position z ~ a H t k + T p . k
Figure imgb0023
and speed z ~ ˙ a H t k + T p . k
Figure imgb0024
of the rope suspension point, the associated acceleration and jerk are set to zero. However, the influence of this inconsistent specification can be kept small by a corresponding weighting of the acceleration and jerk deviation. Thus: w a τ k = z ~ a H t k + T p . k z ~ ˙ a H t k + T p . k 0 0 T . k = 1 . ... . K p ,
Figure imgb0025

Über die positiv semidefinite Diagonalmatrix Q w τ k = diag q w , 1 τ k , q w , 2 τ k , q w , 3 , q w , 4 , k = 1 , , K p

Figure imgb0026
werden Abweichungen von der Referenz in der Gütefunktion gewichtet. Der skalare Faktor ru bewertet den Stellaufwand. Während ru, qw,3 und qw,4 über den gesamten Prädiktionshorizont konstant sind, werden qw,1 und qw,2 in Abhängigkeit vom Zeitschritt τk gewählt. Dadurch lassen sich Referenzwerte am Anfang des Prädiktionshorizonts stärker gewichten als diejenigen am Ende. Mithin kann man die mit steigender Prognosezeit nachlassende Genauigkeit der Vertikalbewegungsprognose in der Gütefunktion abbilden. Wegen des Nichtvorhandenseins der Referenzen für die Beschleunigung und den Ruck bestrafen die Gewichte qw,3 und qw,4 nur Abweichungen von Null, weshalb sie kleiner als die Gewichte für die Position q w,1 k) und Geschwindigkeit q w,2 k) gewählt werden.About the positive semidefinite diagonal matrix Q w τ k = diag q w . 1 τ k . q w . 2 τ k . q w . 3 . q w . 4 . k = 1 . ... . K p
Figure imgb0026
deviations from the reference in the quality function are weighted. The scalar factor r u evaluates the actuating effort. While r u , q w, 3 and q w, 4 are constant over the entire prediction horizon, q w, 1 and q w, 2 are chosen as a function of the time step τ k . This allows reference values at the beginning of the prediction horizon stronger weights than those at the end. Thus, one can map the decreasing accuracy of the vertical motion forecast in the quality function with increasing forecast time. Because of the absence of the acceleration and jerk references, the weights q w, 3 and q w, 4 only penalize deviations from zero, which is why they are less than the weights for the position q w, 1 k ) and velocity q w, 2 k ) can be selected.

Die zugehörigen Beschränkungen für das Optimalsteuerungsproblem folgen aus der verfügbaren Leistung des Antriebs und dem aktuell gewählten Gewichtungsfaktor kl (vgl. Fig. 1). Demnach gilt für die Zustände des Systemmodells aus (1.4): - δ a τ k 1 - k l v max x a , 2 τ k δ a τ k 1 - k l v max , - δ a τ k 1 - k l α max x a , 3 τ k δ a τ k 1 - k l a max , k = 1 , , K p , - δ a τ k j max x a , 4 τ k δ a τ k j max

Figure imgb0027

und für den Eingang: - δ a τ k t j max u a τ k δ a τ k t j max , k = 0 , , K p - 1.
Figure imgb0028
The associated constraints on the optimal control problem follow from the available power of the drive and the currently selected weighting factor k l (cf. Fig. 1 ). Accordingly, for the states of the system model from (1.4): - δ a τ k 1 - k l v Max x a . 2 τ k δ a τ k 1 - k l v Max . - δ a τ k 1 - k l α Max x a . 3 τ k δ a τ k 1 - k l a Max . k = 1 . ... . K p . - δ a τ k j Max x a . 4 τ k δ a τ k j Max
Figure imgb0027

and for the entrance: - δ a τ k t j Max u a τ k δ a τ k t j Max . k = 0 . ... . K p - 1.
Figure imgb0028

Hier stellt δa k ) einen Reduktionsfaktor dar, der so gewählt wird, dass die jeweilige Beschränkung am Ende des Horizonts 95% derjenigen am Anfang des Horizonts beträgt. Für die dazwischenliegenden Zeitschritte folgt δa (τk ) aus linearer Interpolation. Die Reduktion der Beschränkungen entlang des Horizonts erhöht die Robustheit des Verfahrens in Bezug auf die Existenz zulässiger Lösungen.Here δ a k ) represents a reduction factor chosen so that the respective limit at the end of the horizon is 95% of that at the beginning of the horizon. For the intervening time steps, δ a ( τ k ) follows from linear interpolation. The reduction of the restrictions along the horizon increases the robustness of the method with respect to the existence of permissible solutions.

Während die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbeschränkungen sich im Betrieb ändern können, sind die Beschränkungen des Rucks jmax und der Ableitung des Rucks t j max

Figure imgb0029
konstant. Um die Lebensdauer der Hubwinde und des gesamten Krans zu erhöhen, werden sie in Hinblick auf eine maximal zulässige Schockbelastung gewählt. Für den Positionszustand gelten keine Beschränkungen.While the speed and acceleration limits may change during operation, the jerk limitations are j max and the derivative of the jerk t j Max
Figure imgb0029
constant. To increase the lifespan of the hoist winch and the entire crane, they are selected for maximum shock load. There are no restrictions on the position condition.

Da die maximale Geschwindigkeit vmax und Beschleunigung amax sowie der Gewichtungsfaktor der Leistung kl im Betrieb extern bestimmt sind, ändern sich zwangsläufig auch die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbeschränkungen für das Optimalsteuerungsproblem. Die damit verbundenen zeitvarianten Beschränkungen berücksichtigt das vorgestellte Konzept folgendermaßen: Sobald sich eine Beschränkung ändert, wird der aktualisierte Wert zuerst nur am Ende des Prädiktionshorizonts für den Zeitschritt τκρ einbezogen. Anschließend schiebt man ihn mit fortschreitender Zeit an den Anfang des Prädiktionshorizonts.Since the maximum speed v max and acceleration a max and the weighting factor of the power k l are externally determined during operation, the speed and acceleration limitations for the optimal control problem inevitably change as well. The presented time-variant constraints take into account the presented concept as follows: As soon as a constraint changes, the updated value is first only at the end of the prediction horizon for the time step τ κ ρ included. Then, as time progresses, it pushes it to the beginning of the prediction horizon.

Fig. 4 verdeutlicht dieses Vorgehen anhand der Geschwindigkeitsbeschränkung. Bei der Reduzierung einer Beschränkung ist zusätzlich darauf zu achten, dass sie zu ihrer maximal zulässigen Ableitung passt. Dies bedeutet, dass beispielsweise die Geschwindigkeitsbeschränkung (1-kl)vmax maximal so schnell reduziert werden darf, wie es die aktuelle Beschleunigungsbeschränkung (1-kl )amax erlaubt. Wegen des Durchschiebens der aktualisierten Beschränkungen existiert für eine in den Beschränkungen liegende Anfangsbedingung x a (τ0 ) immer eine Lösung, die wiederum nicht gegen die aktualisierten Beschränkungen verstößt. Allerdings dauert es den kompletten Prädiktionshorizont bis sich eine geänderte Beschränkung endgültig auf die geplanten Trajektorien am Anfang des Horizonts auswirkt. Fig. 4 clarifies this procedure based on the speed limit. When reducing a restriction, care must also be taken that it matches its maximum permissible derivative. This means that, for example, the speed limit (1-k l ) v max can be reduced as fast as the current acceleration limitation (1 k l ) a max permits. Because of the pushing through of the updated constraints, a constrained initial condition x a ( τ 0 ) always has a solution which in turn does not violate the updated constraints. However, it takes the complete prediction horizon until a changed restriction finally affects the planned trajectories at the beginning of the horizon.

Somit ist das Optimalsteuerungsproblem durch die zu minimierende quadratische Gütefunktion (1.5), das Systemmodell (1.4) und die Ungleichungsbeschränkungen aus (1.8) und (1.9) in Form eines linear-quadratischen Optimierungsproblems (QP-Problem für Quadratic Programming Problem) vollständig gegeben. Bei erstmaliger Ausführung der Optimierung wird die Anfangsbedingung zu xa0)=[0,0,0,0] T gewählt. Anschließend verwendet man den im letzten Optimierungsschritt für den Zeitschritt τ1 berechneten Wert x a 1) als Anfangsbedingung.Thus, the optimal control problem is fully met by the quadratic merit function (1.5) to be minimized, the system model (1.4) and the inequality constraints from (1.8) and (1.9) in the form of a linear quadratic programming problem (QP problem). When the optimization is carried out for the first time, the initial condition is chosen to be x a0 ) = [0,0,0,0] T. Subsequently, the value x a 1 ) calculated in the last optimization step for the time step τ 1 is used as the initial condition.

Die Berechnung der eigentlichen Lösung des QP-Problems erfolgt in jedem Zeitschritt über ein numerisches Verfahren, das man als QP-Solver bezeichnet.The actual solution to the QP problem is calculated in each time step using a numerical method known as the QP solver.

Infolge des Rechenaufwands für die Optimierung ist die Abtastzeit für die Trajektorienplanung der Kompensationsbewegung größer als die Diskretisierungszeit aller restlichen Komponenten der aktiven Seegangskompensation; somit gilt Δτ > Δt. Damit die Referenztrajektorien allerdings für die Regelung im schnelleren Takt zur Verfügung stehen, findet die Simulation der Integratorkette aus Fig. 2 außerhalb der Optimierung mit der schnelleren Abtastzeit At statt. Sobald neue Werte aus der Optimierung vorliegen, werden die Zustände x a(τ0 ) als Anfangsbedingung für die Simulation verwendet und die Stellgröße am Anfang des Prädiktionshorizonts ua 0) als konstanter Eingang auf die Integratorkette geschrieben.Due to the computational effort for the optimization, the sampling time for the trajectory planning of the compensatory motion is greater than the discretization time of all remaining components of the active sea state compensation; thus Δτ> Δ t . However, so that the reference trajectories are available for the control at a faster rate, the simulation of the integrator chain takes place Fig. 2 outside the optimization with the faster sampling time A t instead. As soon as new values from the optimization are available, the states x a ( τ 0 ) are used as an initial condition for the simulation, and the manipulated variable at the beginning of the prediction horizon u a 0 ) is written to the integrator chain as a constant input.

1.2 Referenztraiektorien für das Verfahren der Last1.2 Reference trajectories for the method of load

Analog zur Kompensationsbewegung sind für die überlagerte Handhebelsteuerung zweimal stetig differenzierbare Referenztrajektorien notwendig (vgl. Fig. 1). Da bei diesen durch den Kranfahrer vorgebbaren Bewegungen im Normalfall keine schnellen Richtungswechsel für die Winde zu erwarten sind, hat sich die Mindestanforderung einer stetig geplanten Beschleunigung y ¨ l *

Figure imgb0030
auch in Bezug auf die Lebensdauer der Winde als ausreichend herausgestellt. Somit lässt sich im Gegensatz zu den für die Kompensationsbewegung geplanten Referenztrajektorien schon die dritte Ableitung y l * ,
Figure imgb0031
welche dem Ruck entspricht, als sprungfähig erachten.Analogous to the compensatory movement, twice-continuously differentiable reference trajectories are necessary for the superimposed lever control (cf. Fig. 1 ). Since these movements, which can be predetermined by the crane operator, normally do not lead to any rapid changes of direction for the winch, the minimum requirement is a constantly planned acceleration y ¨ l *
Figure imgb0030
also in terms of the life of the winch proved sufficient. Thus, in contrast to the reference trajectories planned for the compensatory movement, the third derivative can already be used y ... l * .
Figure imgb0031
which corresponds to the jerk, consider as jumpable.

Wie Fig. 5 zeigt, dient sie gleichzeitig als Eingang einer Integratorkette dritter Ordnung. Neben den Anforderungen an die Stetigkeit müssen die geplanten Trajektorien auch die aktuell gültigen Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbeschränkungen erfüllen, welche sich für die Handhebelsteuerung zu klvmax und klamax ergeben.As Fig. 5 shows, it also serves as the input of a third-order integrator chain. In addition to the requirements for continuity, the planned trajectories must also meet the currently valid speed and acceleration restrictions which result for the lever control in k l v max and k l a max .

Das Handhebelsignal des Kranfahrers -100 ≤ whh ≤ 100 wird als relative Geschwindigkeitsvorgabe in Bezug auf die aktuell maximal zulässige Geschwindigkeit klvmax interpretiert. Somit ergibt sich die durch den Handhebel vorgegebene Sollgeschwindigkeit nach Fig. 6 zu υ hh * = k l υ max w hh 100 .

Figure imgb0032
The hand lever signal of the crane driver -100 ≤ w hh ≤ 100 is interpreted as a relative speed specification in relation to the currently maximum permissible speed k l v max . Thus, the predetermined speed given by the hand lever results Fig. 6 to υ hh * = k l υ Max w hh 100 ,
Figure imgb0032

Wie daraus hervorgeht hängt die aktuell durch den Handhebel vorgegebene Sollgeschwindigkeit von der Handhebelstellung whh, dem veränderlichen Gewichtungsfaktor kl und der aktuellen maximal zulässigen Windengeschwindigkeit vmax ab.As can be seen, the setpoint speed currently given by the hand lever depends on the hand lever position w hh , the variable weighting factor k l and the current maximum permissible winch speed v max .

Die Aufgabe der Trajektorienplanung für die Handhebelsteuerung lässt sich nun wie folgt angeben: Aus der durch den Handhebel vorgegebenen Sollgeschwindigkeit ist ein stetig differenzierbarer Geschwindigkeitsverlauf zu generieren, sodass die Beschleunigung einen stetigen Verlauf besitzt. Als Verfahren für diese Aufgabenstellung bietet sich eine sogenannte Ruckaufschaltung an.The task of trajectory planning for the hand lever control can now be specified as follows: From the setpoint speed given by the hand lever, a continuously differentiable speed profile is to be generated so that the acceleration has a steady course. As a method for this task offers a so-called jerk-on.

Ihr Grundgedanke besagt, dass der maximal zulässige Ruck jmax in einer ersten Phase so lange auf den Eingang der Integratorkette einwirkt, bis die maximal zulässige Beschleunigung erreicht ist. In der zweiten Phase wird die Geschwindigkeit mit konstanter Beschleunigung erhöht; und in der letzten Phase schaltet man den maximal zulässigen negativen Ruck so auf, dass die gewünschte Endgeschwindigkeit erreicht wird.Its basic idea is that the maximum permissible jerk j max in a first phase acts on the input of the integrator chain until the maximum permissible acceleration is reached. In the second phase, the speed is increased with constant acceleration; and in the last phase, the maximum permissible negative jerk is switched on so that the desired final speed is reached.

Daher sind bei der Ruckaufschaltung lediglich die Schaltzeitpunkte zwischen den einzelnen Phasen zu bestimmen. Fig .7 stellt einen beispielhaften Verlauf des Rucks für einen Geschwindigkeitswechsel zusammen mit den Schaltzeitpunkten dar. Dabei bezeichnet T l,0 den Zeitpunkt, an dem ein Umplanen stattfindet. Die Zeitpunkte Tl,1, Tl,2 und Tl,3 verweisen jeweils auf die berechneten Schaltzeitpunkte zwischen den einzelnen Phasen. Ihre Berechnung skizziert der folgende Absatz.Therefore, only the switching times between the individual phases are to be determined in the jerk connection. Fig. 7 illustrates an exemplary course of the jerk for a speed change together with the switching times. Here T l, 0 denotes the time at which a rescheduling takes place. The times T l, 1 , T l, 2 and T l, 3 each refer to the calculated switching times between the individual phases. Their calculation is outlined in the following paragraph.

Sobald für die Handhebelsteuerung eine neue Situation eintritt, vollzieht sich ein Umplanen der generierten Trajektorien. Eine neue Situation tritt ein, sobald sich die Sollgeschwindigkeit v hh *

Figure imgb0033
oder die aktuell gültige maximale Beschleunigung für die Handhebelsteuerung klamax ändert. Die Sollgeschwindigkeit kann sich aufgrund einer neuen Handhebelstellung whh oder durch eine neue Vorgabe von kl bzw. vmax ändern (vgl. Fig. 6). Analog dazu ist eine Variation der maximal gültigen Beschleunigung durch kl oder amax möglich.As soon as a new situation arises for the hand lever control, a rescheduling of the generated trajectories takes place. A new situation occurs as soon as the setpoint speed v hh *
Figure imgb0033
or the currently valid maximum acceleration for the hand lever control k l a max changes. The desired speed may change due to a new hand lever position w hh or by a new specification of k l or v max (cf. Fig. 6 ). Analogously, a variation of the maximum valid acceleration by k l or a max is possible.

Bei einem Umplanen der Trajektorien wird zunächst aus der aktuell geplanten Geschwindigkeit y ˙ l * T l , 0

Figure imgb0034
und der entsprechenden Beschleunigung y ¨ l * T l , 0
Figure imgb0035
diejenige Geschwindigkeit berechnet, welche sich bei einer Reduzierung der Beschleunigung auf Null ergibt: υ ˜ = y ˙ l * T l , 0 + Δ T ˜ 1 y ¨ l * T l , 0 + 1 2 Δ T ˜ 1 2 u ˜ l , 1 ,
Figure imgb0036

wobei die minimal notwendige Zeit durch Δ T ˜ 1 = - y ¨ l * u ˜ l , 1 , u ˜ l , 1 0
Figure imgb0037

gegeben ist und l.1 den Eingang der Integratorkette benennt, also den aufgeschalteten Ruck (vgl. Fig. 5). Er ergibt sich in Abhängigkeit von der aktuell geplanten Beschleunigung y ¨ l * T l , 0
Figure imgb0038
zu u ˜ l , 1 = { j max , für y ¨ l * < 0 - j max , für y ¨ l * > 0 0 , für y ¨ l * = 0 .
Figure imgb0039
When repurposing the trajectories is initially from the currently planned speed y ˙ l * T l . 0
Figure imgb0034
and the corresponding acceleration y ¨ l * T l . 0
Figure imgb0035
calculates the speed which results when the acceleration is reduced to zero: υ ~ = y ˙ l * T l . 0 + Δ T ~ 1 y ¨ l * T l . 0 + 1 2 Δ T ~ 1 2 u ~ l . 1 .
Figure imgb0036

being the minimum necessary time through Δ T ~ 1 = - y ¨ l * u ~ l . 1 . u ~ l . 1 0
Figure imgb0037

is given and ũ l .1 designates the input of the integrator chain, that is, the connected jerk (cf. Fig. 5 ). It depends on the currently planned acceleration y ¨ l * T l . 0
Figure imgb0038
to u ~ l . 1 = { j Max . For y ¨ l * < 0 - j Max . For y ¨ l * > 0 0 . For y ¨ l * = 0 ,
Figure imgb0039

Abhängig von der theoretisch berechneten Geschwindigkeit und der gewünschten Sollgeschwindigkeit lässt sich nun der Verlauf des Eingangs angeben. Falls v hh * > v ˜

Figure imgb0040
ist, erreicht ν̃ den gewünschten Wert v hh *
Figure imgb0041
nicht und die Beschleunigung kann weiter erhöht werden. Falls jedoch v hh * < v ˜
Figure imgb0042
gilt, ist ν̃ zu schnell und die Beschleunigung ist sofort zu reduzieren.Depending on the theoretically calculated speed and the desired setpoint speed, the course of the input can now be specified. If v hh * > v ~
Figure imgb0040
is, ν reaches the desired value v hh *
Figure imgb0041
not and the acceleration can be further increased. If so v hh * < v ~
Figure imgb0042
ν is too fast and the acceleration has to be reduced immediately.

Aus diesen Überlegungen lassen sich folgende Schaltfolgen des Rucks für die drei Phasen ableiten u l = { j max 0 - j max , für υ ˜ υ hh * - j max 0 j max , für υ ˜ > υ hh *

Figure imgb0043
mit u l = u l , 1 , u l , 2 , u l , 3
Figure imgb0044
und dem in der jeweiligen Phase aufgeschalteten Eingangssignal ul,i. Die Dauer einer Phase ergibt sich zu ΔTi = Tl,i - T l,i-1 mit i = 1,2,3. Demnach lauten die geplante Geschwindigkeit und Beschleunigung am Ende der ersten Phase: y ˙ l * T l , 1 = y ˙ l * T l , 0 + Δ T 1 y ¨ l * T l , 0 + 1 2 Δ T 1 2 u l , 1 ,
Figure imgb0045
y ¨ l * T l , 1 = y ¨ l * T l , 0 + Δ T 1 u l , 1
Figure imgb0046
und nach der zweiten Phase: y ˙ l * T l , 2 = y ˙ l * T l , 1 + Δ T 2 y ¨ l * T l , 1 , y ¨ l * T l , 2 = y ¨ l * T l , 1 ,
Figure imgb0047
y ¨ l * T l , 2 = y ¨ l * T l , 1 ,
Figure imgb0048

wobei ul,2 = 0 angenommen wurde. Nach der dritten Phase folgt schließlich: y ˙ l * T l , 3 = y ˙ l * T l , 2 + Δ T 3 y ¨ l * T l , 2 + 1 2 Δ T 3 2 u l , 3 ,
Figure imgb0049
y ¨ l * T l , 3 = y ¨ l * T l , 2 + Δ T 3 u l , 3 .
Figure imgb0050
From these considerations, the following switching sequences of the jerk for the three phases can be derived u l = { j Max 0 - j Max . For υ ~ υ hh * - j Max 0 j Max . For υ ~ > υ hh *
Figure imgb0043
With u l = u l . 1 . u l . 2 . u l . 3
Figure imgb0044
and the input in the respective phase input signal u l, i . The duration of one phase is given by Δ T i = T l, i - T l, i-1 with i = 1,2,3. Therefore are the planned speed and acceleration at the end of the first phase: y ˙ l * T l . 1 = y ˙ l * T l . 0 + Δ T 1 y ¨ l * T l . 0 + 1 2 Δ T 1 2 u l . 1 .
Figure imgb0045
y ¨ l * T l . 1 = y ¨ l * T l . 0 + Δ T 1 u l . 1
Figure imgb0046
and after the second phase: y ˙ l * T l . 2 = y ˙ l * T l . 1 + Δ T 2 y ¨ l * T l . 1 . y ¨ l * T l . 2 = y ¨ l * T l . 1 .
Figure imgb0047
y ¨ l * T l . 2 = y ¨ l * T l . 1 .
Figure imgb0048

where u l, 2 = 0 was assumed. After the third phase finally follows: y ˙ l * T l . 3 = y ˙ l * T l . 2 + Δ T 3 y ¨ l * T l . 2 + 1 2 Δ T 3 2 u l . 3 .
Figure imgb0049
y ¨ l * T l . 3 = y ¨ l * T l . 2 + Δ T 3 u l . 3 ,
Figure imgb0050

Zur genauen Berechnung der Schaltzeitpunkte Tl,i wird zunächst die Beschleunigungsbeschränkung vernachlässigt, wodurch ΔT 2=0 gilt. Aufgrund dieser Vereinfachung lassen sich die Längen der beiden restlichen Zeitintervalle wie folgt angeben: Δ T 1 = a ˜ - y ¨ l * T l , 0 u l , 1 ,

Figure imgb0051
Δ T 3 = 0 - a ˜ u l , 3 ,
Figure imgb0052

wobei ã für die maximal erreichte Beschleunigung steht. Durch Einsetzen von (1.21) und (1.22) in (1.15), (1.16) und (1.19) entsteht ein Gleichungssystem, das sich nach ã auflösen lässt. Unter Beachtung von y ˙ l * T l , 3 = v hh *
Figure imgb0053
ergibt sich letztendlich: a ˜ = ± u l , 3 2 y ˙ l * T l , 0 u l , 1 - y ¨ l * T l , 0 2 - 2 υ hh * u l , 1 u l , 1 - u l , 3 .
Figure imgb0054
For exact calculation of the switching times T l, i , the acceleration limitation is initially neglected, whereby ΔT 2 = 0. Due to this simplification, the lengths of the two remaining time intervals can be specified as follows: Δ T 1 = a ~ - y ¨ l * T l . 0 u l . 1 .
Figure imgb0051
Δ T 3 = 0 - a ~ u l . 3 .
Figure imgb0052

where ã stands for the maximum acceleration achieved. Substituting (1.21) and (1.22) into (1.15), (1.16), and (1.19) produces a system of equations that can be solved for ã. In consideration of y ˙ l * T l . 3 = v hh *
Figure imgb0053
finally results: a ~ = ± u l . 3 2 y ˙ l * T l . 0 u l . 1 - y ¨ l * T l . 0 2 - 2 υ hh * u l . 1 u l . 1 - u l . 3 ,
Figure imgb0054

Das Vorzeichen von ã folgt aus der Bedingung, dass ΔT 1 und ΔT 3 in (1.21) bzw. (1.22) positiv sein müssen.The sign of ã follows from the condition that Δ T 1 and Δ T 3 must be positive in (1.21) and (1.22), respectively.

In einem zweiten Schritt ermittelt sich aus ã und der maximal zulässigen Beschleunigung klamax die eigentliche Maximalbeschleunigung: a = y ¨ l * T l , 1 = y ¨ l * T l , 2 = min k l a max , max - k l a max , a ˜ .

Figure imgb0055
In a second step , the actual maximum acceleration is determined from ã and the maximum permissible acceleration k l a max : a ~ = y ¨ l * T l . 1 = y ¨ l * T l . 2 = min k l a Max . Max - k l a Max . a ~ ,
Figure imgb0055

Mit ihr lassen sich letztendlich die wirklich auftretenden Zeitintervalle ΔT 1 und ΔT 3 berechnen. Sie resultieren aus (1.21) und (1.22) mit = a̅. Das noch unbekannte Zeitintervall ΔT 2 bestimmt sich nun aus (1.17) und (1.19) mit ΔT 1 und ΔT 3 aus (1.21) und (1.22) zu Δ T 2 = 2 υ hh * u l , 3 + a 2 - 2 y ˙ l * T l , 1 u l , 3 2 a u l , 3 ,

Figure imgb0056

wobei y ˙ l * T l , 1
Figure imgb0057
aus (1.15) folgt. Die Schaltzeitpunkte lassen sich direkt aus den Zeitintervallen ablesen: T l , i = T l , i - 1 + Δ T i , i = 1 , 2 , 3.
Figure imgb0058
With it finally the time intervals actually occurring Δ T 1 and T Δ can be calculated. 3 They result from (1.21) and (1.22) with ã = a̅. The unknown time interval Δ T 2 is now determined from (1.17) and (1.19) with Δ t 1 and Δ t 3 from (1.21) and (1.22) to Δ T 2 = 2 υ hh * u l . 3 + a ~ 2 - 2 y ˙ l * T l . 1 u l . 3 2 a ~ u l . 3 .
Figure imgb0056

in which y ˙ l * T l . 1
Figure imgb0057
from (1.15) follows. The switching times can be read directly from the time intervals: T l . i = T l . i - 1 + Δ T i . i = 1 . 2 . Third
Figure imgb0058

Die zu planenden Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverläufe y ˙ l *

Figure imgb0059
und y ¨ l *
Figure imgb0060
kann man mit den einzelnen Schaltzeitpunkten analytisch berechnen. Hierbei ist zu erwähnen, dass die durch die Schaltzeitpunkte geplanten Trajektorien häufig nicht vollständig abgefahren werden, da vor Erreichen des Schaltzeitpunkts Tl,3 eine neue Situation eintritt, dadurch ein Umplanen stattfindet und neue Schaltzeitpunkte berechnet werden. Wie bereits erwähnt tritt eine neue Situation durch eine Änderung von whh, vmax, amax oder kl ein.The speed and acceleration curves to be planned y ˙ l *
Figure imgb0059
and y ¨ l *
Figure imgb0060
can be calculated analytically with the individual switching times. It should be mentioned here that the trajectories planned by the switching times are often not traversed completely, since a new situation occurs before reaching the switching time T l, 3 , as a result a rescheduling takes place and new switching times are calculated. As already mentioned, a new situation occurs by a change of w hh , v max , a max or k l .

Fig. 8 zeigt eine mittels des vorgestellten Verfahrens beispielhaft generierte Trajektorie. Der Verlauf der Trajektorien beinhaltet beide Fälle, welche aufgrund von (1.24) eintreten können. Im ersten Fall wird die maximal zulässige Beschleunigung zum Zeitpunkt t = 1 s erreicht und es folgt eine Phase mit konstanter Beschleunigung. Der zweite Fall tritt zum Zeitpunkt t = 3,5s ein. Hier wird die maximal zulässige Beschleunigung aufgrund der Handhebelstellung nicht vollständig erreicht. Die Folge ist, dass der erste und zweite Schaltzeitpunkt zusammenfallen und ΔT2 =0 gilt. Der zugehörige Positionsverlauf berechnet sich nach Fig. 5 durch Integration des Geschwindigkeitsverlaufs, wobei die Position bei Systemstart durch die aktuell von der Hubwinde abgewickelte Seillänge initialisiert wird. Fig. 8 shows a trajectory exemplified by the method presented. The course of the trajectories includes both cases, which can occur on the basis of (1.24). In the first case, the maximum allowable acceleration reached at the time t = 1 s and it follows a phase with constant acceleration. The second case occurs at time t = 3.5s. Here, the maximum allowable acceleration due to the hand lever position is not fully achieved. The result is that the first and second switching time coincide and ΔT 2 = 0 applies. The associated position history is calculated according to Fig. 5 by integrating the velocity profile, the position being initialized at startup by the rope length currently being handled by the hoist winch.

2 Ansteuerungskonzept für die Hubwinde 2 Control concept for the hoist winch

Prinzipiell besteht die Ansteuerung aus zwei unterschiedlichen Betriebsmodi: der aktiven Seegangskompensation zur Entkopplung der vertikalen Lastbewegung von der Schiffsbewegung bei frei hängender Last und der Konstantspannungsregelung zur Vermeidung von Schlaffseil, sobald die Last auf dem Meeresboden abgesetzt ist. Während eines Tiefseehubs ist zunächst die Seegangskompensation aktiv. Anhand einer Detektion des Absetzvorgangs wird automatisch auf die Konstantspannungsregelung umgeschaltet. Fig. 9 veranschaulicht das Gesamtkonzept mit den zugehörigen Führungs- und Regelgrößen.In principle, the control consists of two different modes of operation: the active sea state compensation for decoupling the vertical load movement from the ship movement with free-hanging load and the constant voltage control to avoid slack rope, as soon as the load is deposited on the seabed. During a deep-sea stroke, the sea state compensation is initially active. Based on a detection of the settling process is automatically switched to the constant voltage control. Fig. 9 illustrates the overall concept with the associated control and control variables.

Jeder der beiden unterschiedlichen Betriebsmodi könnte jedoch auch jeweils ohne den anderen Betriebsmodus implementiert werden. Weiterhin kann ein Konstantspannungsmodus, wie er im folgenden beschrieben wird, auch unabhängig vom Einsatz des Kranes auf einem Schiff und unabhängig von einer aktiven Seegangskompensation eingesetzt werden.However, each of the two different modes of operation could also be implemented without the other mode of operation. Furthermore, a constant voltage mode, as described below, can also be used independently of the use of the crane on a ship and independently of an active sea state compensation.

Durch die aktive Seegangskompensation soll die Hubwinde so angesteuert werden, dass die Windenbewegung die Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts z a h

Figure imgb0061
ausgleicht und der Kranfahrer die Last mit Hilfe des Handhebels im als inertial betrachteten h-Koordinatensystem verfährt. Damit die Ansteuerung das geforderte prädiktive Verhalten zur Minimierung des Kompensationsfehlers aufweist, wird sie durch einen Vorsteuerungs- und Stabilisierungsteil in Form einer Zwei-Freiheitsgrade-Struktur umgesetzt. Die Vorsteuerung berechnet sich aus einer differentiellen Parametrierung mit Hilfe des flachen Ausgangs der Windendynamik und ergibt sich aus den geplanten Trajektorien zum Verfahren der Last y l * , y ˙ l *
Figure imgb0062
und y ¨ l *
Figure imgb0063
sowie den negativen Trajektorien für die Kompensationsbewegung - y a * , - y ˙ a *
Figure imgb0064
und - y ¨ a *
Figure imgb0065
(vgl. Fig. 9). Die daraus resultierenden Solltrajektorien für den Systemausgang der Antriebsdynamik bzw. der Windendynamik werden mit y h * , y ˙ h *
Figure imgb0066
und y ¨ h *
Figure imgb0067
bezeichnet. Sie stellen die Sollposition, -geschwindigkeit und -beschleunigung für die Windenbewegung und dadurch für das Auf- und Abwickeln des Seils dar.Active hoist compensation is intended to control the hoist winch so that the winch movement controls the vertical movement of the rope suspension point z a H
Figure imgb0061
compensates and the crane operator moves the load with the help of the hand lever in the considered as inertial h-coordinate system. In order for the driver to have the required predictive behavior to minimize the compensation error, it is provided by a pilot control and stabilization part in the form of a two-degree-of-freedom structure implemented. The feedforward control is calculated from a differential parameterization with the aid of the flat output of the wind dynamics and results from the planned trajectories for moving the load y l * . y ˙ l *
Figure imgb0062
and y ¨ l *
Figure imgb0063
and the negative trajectories for the compensation movement - y a * . - y ˙ a *
Figure imgb0064
and - y ¨ a *
Figure imgb0065
(see. Fig. 9 ). The resulting desired trajectories for the system output of the drive dynamics or the wind dynamics are with y H * . y ˙ H *
Figure imgb0066
and y ¨ H *
Figure imgb0067
designated. They represent the target position, speed and acceleration for the winch movement and thus for the winding and unwinding of the rope.

Während der Konstantspannungsphase soll die Seilkraft an der Last Fsl auf einen konstanten Betrag geregelt werden, um Schlaffseil zu vermeiden. Daher wird in diesem Betriebsmodus der Handhebel deaktiviert, und die aus dem Handhebelsignal geplanten Trajektorien werden nicht mehr aufgeschaltet. Die Ansteuerung der Winde erfolgt wiederum durch eine Zwei-Freiheitsgrade-Struktur mit Vorsteuerungs- und Stabilisierungsteil.During the constant voltage phase, the cable force at the load F sl should be regulated to a constant amount in order to avoid slack rope. Therefore, in this mode of operation, the hand lever is deactivated and the trajectories planned from the hand lever signal are no longer applied. The control of the winch is again by a two-degree-of-freedom structure with pilot control and stabilization part.

Die genaue Lastposition zl und die Seilkraft an der Last Fsl stehen für die Regelung nicht als Messgrößen zur Verfügung, da der Kranhaken aufgrund der langen Seillängen und großen Tiefen mit keinerlei Sensorik ausgestattet ist. Des Weiteren existiert keinerlei Information über Form und Art der angehängten Last. Deshalb sind die einzelnen lastspezifischen Parameter wie Lastmasse ml, Koeffizient der hydrodynamischen Massenerhöhung Ca, Widerstandskoeffizient Cd und eingetauchtes Volumen ∇l, allgemein nicht bekannt, wodurch eine zuverlässige Schätzung der Lastposition in der Praxis nahezu unmöglich ist.The exact load position z l and the cable force at the load F sl are not available for the control as measured variables, since the crane hook is equipped with no sensors due to the long cable lengths and great depths. Furthermore, there is no information about the form and type of the attached load. Therefore, the individual load-specific parameters such as load mass m l , coefficient of hydrodynamic mass increase C a , resistance coefficient C d and immersed volume ∇ l , are generally not known, whereby a reliable estimation of the load position is practically impossible in practice.

Mithin stehen als Messgrößen für die Regelung lediglich die abgewickelte Seillänge ls und die zugehörige Geschwindigkeit is sowie die Kraft am Seilaufhängepunkt Fc zur Verfügung. Die Länge ls ergibt sich indirekt aus dem mit einem Inkrementalgeber gemessenen Windenwinkel ϕh und dem von der Wicklungslage jl abhängigen Windenradius rh(jl). Die zugehörige Seilgeschwindigkeit is lässt sich durch numerische Differentiation mit geeigneter Tiefpassfilterung berechnen. Die am Seilaufhängepunkt angreifende Seilkraft Fc wird mit Hilfe einer Kraftmessachse erfasst.Consequently, only the unwound cable length l s and the associated speed i s and the force at the cable suspension point F c are available as measured variables for the control. The length l s is obtained indirectly from the angle of rotation φ h measured using an incremental encoder and the winding radius r h (j l ) dependent on the winding position j l . The associated rope speed i s can be numerical Calculate differentiation with suitable low-pass filtering. The cable force F c acting on the cable suspension point is detected by means of a force measuring axis.

2.1 Ansteuerung für die aktive Seegangskompensation 2.1 Control for the active sea state compensation

Fig. 10 verdeutlicht die Ansteuerung der Hubwinde für die aktive Seegangskompensation mit einem Blockschaltbild im Frequenzbereich. Wie darin ersichtlich, erfolgt nur eine Rückführung der Seillänge und -geschwindigkeit yh =ls und h =is aus dem Teilsystem des Antriebs Gh (s). Dadurch vollzieht sich die Kompensation der als Eingangsstörung auf das Seilsystem Gs,z (s) wirkenden Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts Z a h s

Figure imgb0068
rein vorsteuernd; Seil- und Lastdynamik werden vernachlässigt. Zwar wird infolge einer nicht vollständigen Kompensation der Eingangsstörung oder einer Windenbewegung die Seileigendynamik angeregt, aber man kann in der Praxis davon ausgehen, dass die resultierende Lastbewegung im Wasser stark gedämpft ist und sehr schnell abklingt. Fig. 10 illustrates the control of the hoist winch for the active sea state compensation with a block diagram in the frequency domain. As can be seen therein, only the return of the rope length and speed y h = l s and h = i s from the subsystem of the drive G h ( s ). As a result, the compensation of the vertical movement of the cable suspension point acting as an input disturbance on the cable system G s, z ( s ) takes place Z a H s
Figure imgb0068
purely pre-taxing; Rope and load dynamics are neglected. Although due to an incomplete compensation of the input disturbance or a winch movement, the rope's own dynamics are excited, but in practice it can be assumed that the resulting load movement in the water is strongly damped and decays very rapidly.

Die Übertragungsfunktion des Antriebssystems von der Stellgröße Uh (s) auf die abgewickelte Seillänge Yh (s) lässt sich als lT1 -System approximieren und ergibt sich zu G h s = Y h s U h s = K h r h j l T h s 2 + s

Figure imgb0069

mit dem Windenradius rh (jl ). Da der Systemausgang Yh (s) gleichzeitig einen flachen Ausgang darstellt, folgt die invertierende Vorsteuerung F(s) zu F s = U ff s Y h * s = 1 G h s = T h K h r h j l s 2 + 1 K h r h j l s
Figure imgb0070
und lässt sich im Zeitbereich in Form einer differentiellen Parametrierung als u ff t = T h K h r h j l y ¨ h * t + 1 K h r h j l y ˙ h * t
Figure imgb0071
schreiben. (2.3) zeigt, dass die Referenztrajektorie für die Vorsteuerung mindestens zweimal stetig differenzierbar sein muss.The transfer function of the drive system of the manipulated variable u h (s) on the unwound cable length Y h (s) can be approximated as 1 system lT and results to be G H s = Y H s U H s = K H r H j l T H s 2 + s
Figure imgb0069

with the radius of curvature r h ( j l ). Since the system output Y h ( s ) simultaneously represents a flat output, the inverting feedforward control F (s) follows F s = U ff s Y H * s = 1 G H s = T H K H r H j l s 2 + 1 K H r H j l s
Figure imgb0070
and can be in the time domain in the form of a differential parameterization as u ff t = T H K H r H j l y ¨ H * t + 1 K H r H j l y ˙ H * t
Figure imgb0071
write. (2.3) shows that the reference trajectory for precontrol must be continuously differentiable at least twice.

Die Übertragungsfunktion des geschlossenen Kreises, bestehend aus der Stabilisierung Ka(s) und dem Windensystem Gh(s), lässt sich aus Fig. 10 zu G AHC s = K a s G h s 1 + K a s G h s

Figure imgb0072
ablesen. Unter Vernachlässigung der Kompensationsbewegung Y a * s
Figure imgb0073
kann die Führungsgröße Y h * s
Figure imgb0074
bei konstanter bzw. stationärer Handhebelauslenkung als rampenförmiges Signal angenähert werden, da in solch einem Fall eine konstante Sollgeschwindigkeit v hh *
Figure imgb0075
vorliegt. Zur Vermeidung einer stationären Regelabweichung bei einer derartigen Führungsgröße muss die offene Kette Ka(s)Gh(s) deshalb l 2-Verhalten besitzen [9]. Dies lässt sich beispielsweise durch einen PID-Regler mit K a s = T h K h r h j l κ AHC , 0 s + κ AHC , 1 + κ AHC , 2 s , κ AHC , i > 0
Figure imgb0076
erreichen. Demnach folgt für den geschlossenen Kreis: G AHC s = κ AHC , 0 + κ AHC , 1 s + κ AHC , 2 s 2 s 3 + 1 T h + κ AHC , 2 s 2 + κ AHC , 1 s + κ AHC , 0 ,
Figure imgb0077

wobei die genauen Werte von κAHC.i in Abhängigkeit von der jeweiligen Zeitkonstante Th gewählt werden.The transfer function of the closed loop, consisting of the stabilization K a (s) and the winch system G h (s), can be turned off Fig. 10 to G AHC s = K a s G H s 1 + K a s G H s
Figure imgb0072
read off. Neglecting the compensation movement Y a * s
Figure imgb0073
can be the reference size Y H * s
Figure imgb0074
be approximated at constant or stationary Handhebelauslenkung as a ramp-shaped signal, since in such a case, a constant target speed v hh *
Figure imgb0075
is present. To avoid a steady-state deviation in such a reference variable, the open chain K a (s) G h (s) must therefore have l 2 behavior [9]. This can be done, for example, with a PID controller K a s = T H K H r H j l κ AHC . 0 s + κ AHC . 1 + κ AHC . 2 s . κ AHC . i > 0
Figure imgb0076
to reach. Accordingly follows for the closed circle: G AHC s = κ AHC . 0 + κ AHC . 1 s + κ AHC . 2 s 2 s 3 + 1 T H + κ AHC . 2 s 2 + κ AHC . 1 s + κ AHC . 0 .
Figure imgb0077

where the exact values of κ AHC.i are chosen as a function of the respective time constant T h .

2.2 Detektion des Absetzvorgangs 2.2 Detection of the settling process

Sobald die Last auf den Meeresgrund trifft, soll von der aktiven Seegangskompensation in die Konstantspannungsregelung umgeschaltet werden. Hierfür ist eine Detektion des Absetzvorgangs notwendig (vgl. Fig. 9). Für sie und die anschließende Konstantspannungsregelung wird das Seil als einfaches Feder-Masse-Element approximiert. Somit berechnet sich die wirkende Kraft am Seilaufhängepunkt näherungsweise zu F c = k c Δ l c ,

Figure imgb0078

wobei kc und Δlc die zur Elastizität des Seils äquivalente Federkonstante und die Auslenkung der Feder bezeichnen. Für letztere gilt: Δ l c = 0 1 ε s s t d s = z s , stat 1 - z s , stat 0 - l s = g l s E s A s m e + 1 2 μ s l s .
Figure imgb0079
As soon as the load hits the seabed, it should switch from the active sea state compensation to the constant voltage control. For this purpose, a detection of the settling process is necessary (see. Fig. 9 ). For them and the subsequent constant voltage control, the rope is approximated as a simple spring-mass element. Thus, the force acting on the rope suspension point is calculated approximately to F c = k c Δ l c .
Figure imgb0078

where k c and Δl c denote the elasticity of the rope equivalent spring constant and the deflection of the spring. For the latter applies: Δ l c = 0 1 ε s s ~ t d s ~ = z ~ s . stat 1 - z ~ s . stat 0 - l s = G l s e s A s m e + 1 2 μ s l s ,
Figure imgb0079

Die äquivalente Federkonstante kc lässt sich aus folgender stationärer Betrachtung bestimmen. Für eine mit der Masse mf belastete Feder gilt im stationären Fall: k c Δ l c = m f g .

Figure imgb0080
The equivalent spring constant k c can be determined from the following stationary observation. For a spring loaded with the mass m f , in the stationary case: k c Δ l c = m f G ,
Figure imgb0080

Durch Umformen von (2.8) ergibt sich E s A s l s Δ l c = m e + 1 2 μ s l s g .

Figure imgb0081
Transforming (2.8) yields e s A s l s Δ l c = m e + 1 2 μ s l s G ,
Figure imgb0081

Anhand eines Koeffizientenvergleichs zwischen (2.9) und (2.10) lässt sich die äquivalente Federkonstante als k c = E s A s l s

Figure imgb0082
ablesen. Außerdem ist in (2.9) zu erkennen, dass die Auslenkung der Feder Δlc im stationären Fall von der effektiven Lastmasse me und der halben Seilmasse 1 2 μ s l s
Figure imgb0083
beeinflusst wird. Dies liegt daran, dass bei einer Feder die angehängte Masse mf als in einem Punkt konzentriert angenommen wird. Die Seilmasse ist jedoch über die Seillänge gleichmäßig verteilt und belastet daher die Feder nicht in vollem Umfang. Trotzdem fließt in die Kraftmessung am Seilaufhängepunkt die volle Gewichtskraft des Seils µslsg ein.Using a coefficient comparison between (2.9) and (2.10), the equivalent spring constant can be calculated as k c = e s A s l s
Figure imgb0082
read off. In addition, it can be seen in (2.9) that the deflection of the spring Δl c in the stationary case of the effective load mass m e and half the rope mass 1 2 μ s l s
Figure imgb0083
being affected. This is because with a spring, the attached mass m f is assumed to be concentrated in one point. However, the rope mass is distributed evenly over the rope length and therefore does not burden the spring in full. Nevertheless, the full weight of the rope μ s l s g flows into the force measurement at the cable suspension point.

Mit dieser Approximation des Seilsystems lassen sich nun Bedingungen für die Detektion des Absetzvorgangs auf dem Meeresgrund ableiten. In Ruhe setzt sich die am Seilaufhängepunkt angreifende Kraft aus der Gewichtskraft des abgewickelten Seils µslsg und der effektiven Gewichtskraft der Lastmasse meg zusammen. Daher ergibt sich die gemessene Kraft Fc bei einer auf dem Meeresboden befindlichen Last näherungsweise zu F c = m e + μ s l s g + Δ F c

Figure imgb0084
mit Δ F c = - k c Δ l s ,
Figure imgb0085
wobei Δls das nach dem Auftreffen auf dem Meeresboden abgewickelte Seil bezeichnet. Aus (2.13) folgt, dass Δls proportional zur Änderung der gemessenen Kraft ist, da die Lastposition nach dem Aufsetzen konstant ist. Anhand von (2.12) und (2.13) lassen sich nun folgende Bedingungen für eine Detektion ableiten, die gleichzeitig erfüllt sein müssen:

  • ■ Die Abnahme der negativen Federkraft muss kleiner als ein Schwellwert sein: Δ F c < Δ F ^ c .
    Figure imgb0086
  • ■ Die zeitliche Ableitung der Federkraft muss kleiner als ein Schwellwert sein: F ˙ c < F ^ ˙ c .
    Figure imgb0087
  • ■ Der Kranfahrer muss die Last absenken. Diese Bedingung wird anhand der mit dem Handhebelsignal geplanten Trajektorie überprüft: y ˙ l * 0.
    Figure imgb0088
  • ■ Zur Vermeidung einer Fehldetektion beim Eintauchen in das Wasser muss eine Mindestseillänge abgewickelt sein: l s > l s , min .
    Figure imgb0089
With this approximation of the cable system, conditions for the detection of the settling process on the seabed can be derived. At rest, the force acting on the cable suspension point is composed of the weight of the unwound cable μ s l s g and the effective weight of the load mass m e g . Therefore The measured force F c is approximately equal to a load on the seabed F c = m e + μ s l s G + Δ F c
Figure imgb0084
With Δ F c = - k c Δ l s .
Figure imgb0085
where Δl s refers to the unwound after impact on the seabed rope. From (2.13) it follows that Δl s is proportional to the change in the measured force, since the load position is constant after touchdown. Based on (2.12) and (2.13), the following conditions for a detection can now be derived, which must be satisfied simultaneously:
  • ■ The decrease of the negative spring force must be smaller than a threshold value: Δ F c < Δ F ^ c ,
    Figure imgb0086
  • ■ The time derivative of the spring force must be less than a threshold value: F ˙ c < F ^ ˙ c ,
    Figure imgb0087
  • ■ The crane operator must lower the load. This condition is checked on the basis of the hand lever signal planned trajectory: y ˙ l * 0th
    Figure imgb0088
  • ■ To avoid misdetection when submerging in the water, a minimum pitch must be unwound: l s > l s . min ,
    Figure imgb0089

Die Abnahme der negativen Federkraft ΔFc berechnet sich dabei jeweils in Bezug auf den letzten Hochpunkt c im gemessenen Kraftsignal Fc. Zur Unterdrückung von Messrauschen und hochfrequenten Störungen wird das Kraftsignal durch ein entsprechendes Tiefpassfilter vorverarbeitet.The decrease in the negative spring force Δ F c is calculated in each case with respect to the last high point F c in the measured force signal F c . For suppression of measurement noise and high-frequency interference, the force signal is preprocessed by a corresponding low-pass filter.

Da die Bedingungen (2.14) und (2.15) gleichzeitig erfüllt sein müssen, wird eine Fehldetektion infolge einer dynamischen Seileigenschwingung ausgeschlossen: Als Resultat der dynamischen Seileigenschwingung oszilliert das Kraftsignal Fc, wodurch die Änderung der Federkraft ΔFc in Bezug auf den letzten Hochpunkt F c und die zeitliche Ableitung der Federkraft c eine verschobene Phase aufweisen. Folglich können bei geeigneter Wahl der Schwellwerte Δc und c im Fall einer dynamischen Seileigenschwingung beide Bedingungen nicht gleichzeitig erfüllt serin. Hierfür muss der statische Anteil der Seilkraft abfallen, wie es beim Eintauchen in das Wasser oder beim Absetzen auf den Meeresgrund geschieht. Eine Fehldetektion beim Eintauchen in das Wasser wird allerdings durch Bedingung (2.17) verhindert.Since conditions (2.14) and (2.15) must be satisfied at the same time, misdetection due to a dynamic ripple vibration is eliminated: as a result of the dynamic ripple vibration, the force signal F c oscillates , whereby the change of the spring force Δ F c with respect to the last high point F c and the time derivative of the spring force c have a shifted phase. Consequently, with a suitable choice of the threshold values ΔF c and F c in the case of a dynamic rope natural oscillation, both conditions can not be met simultaneously. For this purpose, the static portion of the cable force must drop, as happens when submerged in the water or when settling on the seabed. However, a misdetection on immersion in the water is prevented by condition (2.17).

Der Schwellwert für die Änderung der Federkraft berechnet sich in Abhängigkeit vom letzten Hochpunkt im gemessenen Kraftsignal zu Δ F ^ c = min - χ 1 F c , Δ F ^ c , max ,

Figure imgb0090

wobei χ l <1 und der Maximalwert Δc,max experimentell bestimmt wurden. Der Schwellwert für die Ableitung des Kraftsignals Fc lässt sich aus der zeitlichen Ableitung von (2.7) und der maximal zulässigen Handhebelgeschwindigkeit klvmax zu F ^ ˙ c = min - χ 2 k c k l υ max , F ^ ˙ c , max
Figure imgb0091
abschätzen. Die beiden Parameter χ 2 <1 und c,max wurden ebenfalls experimentell ermittelt.The threshold value for the change in the spring force is calculated as a function of the last high point in the measured force signal Δ F ^ c = min - χ 1 F ~ c . Δ F ^ c . Max .
Figure imgb0090

where χ l <1 and the maximum value Δ F c, max were determined experimentally. The threshold for the derivation of the force signal F c can be from the time derivative of (2.7) and the maximum allowable hand lever speed k l v max to F ^ ˙ c = min - χ 2 k c k l υ Max . F ^ ˙ c . Max
Figure imgb0091
estimated. The two parameters χ 2 <1 and F c, max were also determined experimentally.

Da bei der Konstantspannungsregelung statt der Positionsregelung eine Kraftregelung Anwendung findet, wird als Führungsgröße eine Sollkraft F c *

Figure imgb0092
in Abhängigkeit von der Summe aller an der Last angreifenden statischen Kräfte Fl,stat vorgegeben. Dazu wird Fl,stat in der Phase der Seegangskompensation unter Beachtung der bekannten Seilmasse µsls berechnet: F l , stat = F c , stat - μ s l s g .
Figure imgb0093
Since constant force control uses force control instead of position control, a reference force is used as the reference variable F c *
Figure imgb0092
dependent on of the sum of all acting on the load static forces F l, stat given. For this purpose, F l, stat is calculated in the phase of the sea state compensation taking into account the known cable mass μ s l s : F l . stat = F c . stat - μ s l s G ,
Figure imgb0093

Dabei bezeichnet Fc,stat den statischen Kraftanteil der gemessenen Kraft am Seilaufhängepunkt Fc. Er stammt aus einer entsprechenden Tiefpassfilterung des gemessenen Kraftsignals. Die bei der Filterung entstehende Gruppenlaufzeit ist kein Problem, da lediglich der statische Kraftanteil von Interesse ist und eine Zeitverzögerung hierauf keinen signifikanten Einfluss hat. Aus der Summe aller an der Last angreifenden statischen Kräfte folgt die Sollkraft unter Berücksichtung der zusätzlich auf den Seilaufhängepunkt wirkenden Gewichtskraft des Seils zu F c * = p s F l , stat + μ s l s g ,

Figure imgb0094

wobei mit 0 < ps <1 die resultierende Spannung im Seil durch den Kranfahrer vorgegeben wird. Zur Vermeidung eines Sollwertsprungs in der Führungsgröße erfolgt nach einer Detektion des Absetzvorgangs ein rampenförmiger Übergang von der aktuell bei der Detektion gemessenen Kraft zur eigentlichen Sollkraft F c * .
Figure imgb0095
In this case, F c, stat denotes the static force component of the measured force at the cable suspension point F c . It comes from a corresponding low-pass filtering of the measured force signal. The group delay arising during filtering is not a problem since only the static force component is of interest and a time delay has no significant influence on this. From the sum of all static forces acting on the load, the setpoint force follows, taking into account the additional weight force of the rope acting on the cable suspension point F c * = p s F l . stat + μ s l s G .
Figure imgb0094

where 0 < p s <1, the resulting tension in the rope is specified by the crane operator. In order to avoid a desired value jump in the reference variable, after a detection of the settling process, a ramp-shaped transition takes place from the force currently measured during the detection to the actual desired force F c * ,
Figure imgb0095

Zum Aufheben der Last vom Meeresgrund führt der Kranfahrer den Wechsel vom Konstantspannungsmodus in die aktive Seegangskompensation bei frei hängender Last manuell durch.To release the load from the seabed, the crane operator manually maneuvers the change from the constant tension mode to the active sea state compensation with the load suspended.

2.3 Ansteuerung für den Konstantspannungsmodus 2.3 Control for the constant voltage mode

Fig. 11 zeigt die umgesetzte Ansteuerung der Hubwinde im Konstantspannungsmodus in einem Blockschaltbild im Frequenzbereich. Im Gegensatz zu der in Fig. 10 veranschaulichten Regelungsstruktur wird hier der Ausgang des Seilsystems Fc (s), d. h. die am Seilaufhängepunkt gemessene Kraft, anstelle vom Ausgang des Windensystems Yh (s) zurückgeführt. Die gemessene Kraft Fc (s) setzt sich nach (2.12) aus der Kraftänderung ΔFc (s) und der statischen Gewichtskraft meg + µslsg , die im Bildbereich mit M(s) bezeichnet wird, zusammen. Für die eigentliche Regelung wird das Seilsystem wiederum als Feder-Masse-System approximiert. Fig. 11 shows the converted control of the hoist winch in the constant voltage mode in a block diagram in the frequency domain. Unlike the in Fig. 10 1, the output of the cable system F c ( s ), ie the force measured at the cable suspension point, is returned instead of the output of the winch system Y h ( s ). The measured force F c ( s ) decreases (2.12) from the force change Δ F c ( s ) and the static weight force m e g + μ s l s g, which is denoted by M (s) in the image area. For the actual control, the cable system is again approximated as a spring-mass system.

Die Vorsteuerung F(s) der Zwei-Freiheitsgrade-Struktur ist identisch mit der für die aktive Seegangskompensation und durch (2.2) bzw. (2.3) gegeben. Allerdings wird im Konstantspannungsmodus das Handhebelsignal nicht aufgeschaltet, weswegen die Referenztrajektorie nur aus der negativen Sollgeschwindigkeit und - beschleunigung - y ˙ a *

Figure imgb0096
und - y ¨ a *
Figure imgb0097
für die Kompensationsbewegung besteht. Der Vorsteuerungsanteil kompensiert zunächst wiederum die Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts Z a h s .
Figure imgb0098
Jedoch erfolgt keine direkte Stabilisierung der Windenposition durch eine Rückführung von Yh (s). Dies erfolgt indirekt durch die Rückführung des gemessenen Kraftsignals.The precontrol F (s) of the two-degree-of-freedom structure is identical to that for active sea state compensation and given by (2.2) or (2.3). However, in the constant voltage mode, the hand lever signal is not applied, which is why the reference trajectory only from the negative target speed and - acceleration - y ˙ a *
Figure imgb0096
and - y ¨ a *
Figure imgb0097
exists for the compensation movement. The pilot control component initially compensates for the vertical movement of the cable suspension point Z a H s ,
Figure imgb0098
However, there is no direct stabilization of the winch position by a return of Y h ( s ). This is done indirectly by the return of the measured force signal.

Der gemessene Ausgang Fc (s) ergibt sich aus Fig. 11 zu F c s = G CT , 1 s Y a * s F s G h s + Z a h s E a s + G CT , 2 s F c * s

Figure imgb0099

mit den beiden Übertragungsfunktionen G CT , 1 s = G s , F s 1 + K s s G h s G s , F s ,
Figure imgb0100
G CT , 2 s = K s s G h s G s , F s 1 + K s s G h s G s , F s ,
Figure imgb0101

wobei die Übertragungsfunktion des Seilsystems für eine am Boden stehende Last aus (2.12) folgt: G s , F s = - k c .
Figure imgb0102
The measured output F c ( s ) results from Fig. 11 to F c s = G CT . 1 s Y a * s F s G H s + Z a H s } e a s + G CT . 2 s F c * s
Figure imgb0099

with the two transfer functions G CT . 1 s = G s . F s 1 + K s s G H s G s . F s .
Figure imgb0100
G CT . 2 s = K s s G H s G s . F s 1 + K s s G H s G s . F s .
Figure imgb0101

where the transfer function of the rope system for a grounded load (2.12) follows: G s . F s = - k c ,
Figure imgb0102

Wie aus (2.22) hervorgeht, wird durch eine stabile Übertragungsfunktion GCT,1 (s) der Kompensationsfehler Ea (s) ausgeregelt und die Windenposition indirekt stabilisiert. Die Anforderung an den Regler Ks (s) resultiert auch in diesem Fall aus dem erwarteten Führungssignal F c * s ,

Figure imgb0103
welches nach einer Übergangsphase durch die konstante Sollkraft F c *
Figure imgb0104
aus (2.21) gegeben ist. Zur Vermeidung einer stationären Regelabweichung bei solch einer konstanten Führungsgröße muss die offene Kette Ks(s)Gh(s)Gs,F(s) /-Verhalten besitzen. Da die Übertragungsfunktion der Winde Gh(s) solch ein Verhalten schon implizit aufweist, lässt sich diese Anforderung mit einer P-Rückführung realisieren; somit gilt: K s s = - T h K h r h j l κ CT , κ CT > 0.
Figure imgb0105
As can be seen from (2.22), the compensation error E a ( s ) is compensated by a stable transfer function G CT, 1 ( s ) and the wind position stabilized indirectly. The request to the controller K s ( s ) also results in this case from the expected command signal F c * s .
Figure imgb0103
which after a transitional phase by the constant desired force F c *
Figure imgb0104
from (2.21). To avoid a steady-state deviation at such a constant reference variable, the open chain must have K s (s) G h (s) G s, F (s) / behaviors. Since the transfer function of the wind G h (s) implicitly has such a behavior, this requirement can be realized with a P return; thus: K s s = - T H K H r H j l κ CT . κ CT > 0th
Figure imgb0105

Claims (15)

Kransteuerung für einen Kran, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kransteuerung einen Seilkraftmodus aufweist, in welchem die Kransteuerung das Hubwerk so ansteuert, dass sich ein Sollwert der Seilkraft einstellt.
Crane control for a crane having a hoist for lifting a load suspended from a rope,
characterized,
in that the crane control system has a cable force mode in which the crane control activates the lifting mechanism in such a way that a desired value of the cable force is established.
Kransteuerung nach Anspruch 1, wobei die Geschwindigkeit und/oder Position der Winde insbesondere unter Berücksichtigung der Elastizität des Systems so angesteuert wird, dass sich der Sollwert der Seilkraft einstellt.Crane control according to claim 1, wherein the speed and / or position of the winch is controlled in particular taking into account the elasticity of the system so that adjusts the desired value of the cable force. Kransteuerung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Seilkraft im Seilkraftmodus auf einem konstanten Sollwert gehalten werden kann, wobei vorteilhafterweise eine Seilkraftbestimmungseinheit vorgesehen ist, welche einen Istwert der Seilkraft bestimmt, wobei die Ansteuerung vorteilhafterweise auf Grundlage eines Vergleichs des Istwertes und des Sollwertes der Seilkraft erfolgt.Crane control according to claim 1 or 2, wherein the cable force can be maintained in the cable force mode at a constant setpoint, wherein advantageously a cable force determining unit is provided which an actual value of Cable force determined, the control is advantageously carried out on the basis of a comparison of the actual value and the desired value of the cable force. Kransteuerung nach einem der vorangegangene Ansprüche, wobei die Seilkraft im Seilkraftmodus durch Rückführung mindestens eines Messwertes geregelt wird, wobei vorteilhafterweise eine Seilkraftbestimmungseinheit vorgesehen ist, die einen Istwert der Seilkraft auf Grundlage eines Messsignals eines Seilkraftsensors bestimmt, wobei der Seilkraftsensor vorteilhafterweise am Hubwerk angeordnet ist, insbesondere an einer Befestigung der Hubwinde und/oder einer Befestigung einer Seilrolle.Crane control according to one of the preceding claims, wherein the cable force is controlled in the cable force mode by returning at least one measured value, advantageously a cable force determining unit is provided which determines an actual value of the cable force based on a measurement signal of a cable force sensor, wherein the cable force sensor is advantageously arranged on the hoist, in particular on an attachment of the hoist winch and / or attachment of a pulley. Kransteuerung nach einem der vorangegangene Ansprüche, wobei eine Seilkraftbestimmungseinheit vorgesehen ist, die den Istwert der Seilkraft über eine Filterung von Messwerten oder eine modellbasierte Schätzung bestimmt.Crane control according to one of the preceding claims, wherein a cable force determination unit is provided which determines the actual value of the cable force via a filtering of measured values or a model-based estimate. Kransteuerung nach einem der vorangegangene Ansprüche, mit einer Sollkraftbestimmungseinheit, welche den Sollwert der Seilkraft anhand von Messwerten und/oder Steuersignalen und/oder Eingaben eines Benutzers bestimmt.Crane control according to one of the preceding claims, with a desired force determination unit which determines the desired value of the cable force on the basis of measured values and / or control signals and / or inputs of a user. Kransteuerung nach Anspruch 6, wobei die Sollkraftbestimmungseinheit die auf das Seil wirkende statische Kraft während eines Hubes bestimmt und/oder wobei die Seillänge in die Sollkraftbestimmungseinheit eingeht, wobei vorteilhafterweise die Sollkraftbestimmungseinheit das Gewicht des abgewickelten Seils berücksichtigt und/oder wobei die Kransteuerung ein Eingabeelement umfasst, über welches der Kranführer den Sollwert der Seilkraft verändern kann, wobei vorteilhafterweise ein Faktor eingebbar ist, der das Verhältnis zwischen dem Sollwert der Seilkraft und der statischen Kraft während eines Hubes bestimmt.Crane control according to claim 6, wherein the desired force determination unit determines the static force acting on the rope during a stroke and / or wherein the rope length is included in the desired force determination unit, wherein advantageously the desired force determination unit takes into account the weight of the unwound rope and / or wherein the crane control comprises an input element, about which the crane operator can change the setpoint of the cable force, wherein advantageously a factor can be entered, which determines the ratio between the desired value of the cable force and the static force during a stroke. Kransteuerung nach einem der vorangegangene Ansprüche, wobei die Kransteuerung im Seilkraftmodus einen Vorsteuerteil umfasst, welcher die Dynamik des Seils berücksichtigt, und einen Rückführungsteil, über welchen die durch die Seilkraftbestimmungseinheit bestimmte Seilkraft zurückgeführt wird.Crane control according to one of the preceding claims, wherein the crane control in the cable force mode comprises a pilot control part, which the Taken into account dynamics of the rope, and a return part, over which the determined by the cable force determination unit cable force is returned. Kransteuerung nach einem der vorangegangene Ansprüche, mit einer Zustandserfassung, wobei die Kransteuerung automatisch anhand der Zustandserfassung in den und/oder aus dem Seilkraftmodus wechselt, wobei die Zustandserfassung vorteilhafterweise ein Absetzen und/oder Aufnehmen der Last detektieren kann.Crane control according to one of the preceding claims, with a state detection, wherein the crane control automatically switches on the basis of the state detection in and / or from the cable force mode, wherein the state detection can advantageously detect a settling and / or receiving the load. Kransteuerung nach einem der vorangegangene Ansprüche, mit einem Hubmodus, in welchem das Hubwerk auf Grundlage eines Sollwerts der Lastposition und/oder Lastgeschwindigkeit und/oder Seilposition und/oder Seilgeschwindigkeit angesteuert wird, wobei vorteilhafterweise eine Regelung vorgesehen ist, welche im Hubmodus einen Istwert der Lastposition und/oder Lastgeschwindigkeit und/oder Seilposition und/oder Seilgeschwindigkeit zurückführt.Crane control according to one of the preceding claims, with a lifting mode in which the hoist is controlled on the basis of a desired value of the load position and / or load speed and / or cable position and / or rope speed, wherein advantageously a control is provided, which in the lifting mode an actual value of the load position and / or load speed and / or rope position and / or rope speed. Kransteuerung nach einem der vorangegangene Ansprüche, mit einer aktiven Seegangskompensation, welche durch eine Ansteuerung des Hubwerks die Bewegung des Seilaufhängepunkts und/oder eines Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht.Crane control according to one of the preceding claims, with an active sea state compensation, which at least partially compensates for the movement of the cable suspension point and / or a Lastabsetzpunktes due to the sea state by a control of the hoist. Kran mit einer Kransteuerung nach einem der vorangegangene Ansprüche, insbesondere Schiffskran, Hafenkran, Offshore-Kran oder Seilbagger, insbesondere Hafenmobilkran.Crane with a crane control according to one of the preceding claims, in particular ship crane, port crane, offshore crane or crawler crane, in particular mobile harbor crane. Verwendung eines Krans oder einer Kransteuerung nach einem der vorangegangene Ansprüche unter Hubbedingungen, bei welchen der Seilaufhängepunkt und/oder der Lastabsetzpunkt durch externe Kräfte bewegt wird, und/oder Verwendung bei abgelegter Last.Use of a crane or a crane control according to one of the preceding claims under lifting conditions in which the cable suspension point and / or the Lastabsetzpunkt is moved by external forces, and / or use with stored load. Verfahren zur Ansteuerung eines Krans, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist, insbesondere mittels einer Kransteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Hubwerk auf Grundlage eines Sollwerts der Seilkraft angesteuert wird.
Method for controlling a crane, which has a lifting mechanism for lifting a load suspended on a cable, in particular by means of a crane control according to one of claims 1 to 12,
characterized,
that the hoist is controlled based on a setpoint of the cable force.
Software mit Code zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 14.Software with code for carrying out a method according to claim 14.
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