EP2636635B1 - Crane controls with rope force mode - Google Patents
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- EP2636635B1 EP2636635B1 EP12008264.9A EP12008264A EP2636635B1 EP 2636635 B1 EP2636635 B1 EP 2636635B1 EP 12008264 A EP12008264 A EP 12008264A EP 2636635 B1 EP2636635 B1 EP 2636635B1
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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.
- a crane control according to the prior art is in the WO2005 / 090226 A1 disclosed.
- 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. This object is achieved by claim 1.
- 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 rope, it may have advantages over a crane control for certain Hubsituationen working on a target 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 fixes the hoist winch on a Hubwindenpodest, or which holds a pulley, over which the hoisting rope is held.
- 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 ⁇ 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 ⁇ 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 4 y a * be considered as capable of jumping.
- making only the fourth derivative 4 y a * can be considered as capable of jumping.
- the jerk y ⁇ a * plan at least steadily and the Trajektoriengener mich 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.
- 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 dt 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.
- 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 through to be minimized square merit function (1.5), the system model (1.4) and the inequality constraints of (1.8) and (1.9) in the form of a linear-quadratic optimization problem (QP problem for Q uadratic P rogramming PROBLEM) completely given.
- QP problem for Q uadratic P rogramming 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 ⁇ 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 setpoint speed can change due to a new hand lever position w hh or by a new specification of kl 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 ,1 y ⁇ l * T l , 0 + ⁇ T 1 ⁇ l * T l , 0 + 1 2 ⁇ T 1 2 u l ,1 .
- the speed and acceleration curves to be planned y ⁇ l * and ⁇ 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 due to a change in 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 1s 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 regarded 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 ⁇ 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 ⁇ 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 determined by numerisehe 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].
- k c and ⁇ l c denote the elasticity of the rope equivalent spring constant and the deflection of the spring.
- 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.
- ⁇ 1 ⁇ 1 and the maximum value ⁇ F c, m ax 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 gravitational 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 - ⁇ 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 In order to avoid a stationary control deviation with such a constant reference variable, the open chain must have K s ( s ) G h ( s ) G s, F ( s ) I behaviors.
Landscapes
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kransteuerung für einen Kran, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist.
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. Eine Kransteuerung gemäß dem Stand der Technik ist in der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Kransteuerung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst.The present invention relates to a crane control for a crane having a hoist for lifting a load suspended on a rope.
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. A crane control according to the prior art is in the
Object of the present invention is therefore to provide an improved crane control available.
This object is achieved by
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 rope, it may have advantages over a crane control for certain Hubsituationen working on a target 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 fixes the hoist winch on a Hubwindenpodest, or which holds a pulley, over which the hoisting rope is held.
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 Geschwindigkeitsund 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.
- 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 speed 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.
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
Der Kran 1 ist im Ausführungsbeispiel auf einem Schwimmkörper 6 angeordnet, hier einem Schiff. Wie ebenfalls in
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
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
Die Prognosevorrichtung und die Messvorrichtung sind vorteilhafterweise so ausgeführt, wie dies in der
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.
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
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
In der Abbildung bezeichnen
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 with the sea state compensation switched off or in the event of a complete failure of the sea state compensation (eg due to failure of the IMU) for the manual lever control in manual mode and thus an identical driving behavior as with switched-on sea state compensation to produce.
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.
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 kl = 1 is equivalent to switching off the active sea state compensation, which allows a smooth transition between on and off compensation.
Der erste Teil des Kapitels erläutert zunächst die Generierung der Referenztrajektorien
Daher wird zunächst mit Hilfe der über einen kompletten Zeithorizont vorhergesagten Vertikalpositionen und -geschwindigkeiten des Seilaufhängepunkts
Der zweite Teil des Kapitels befasst sich mit der Planung der Trajektorien
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
Unter Beachtung der durch ki, vmax und amax gültigen Beschränkungen lässt sich daraufhin eine optimale Zeitfolge für die Kompensationsbewegung bestimmen.Taking into account the restrictions valid by k i , 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.
Um die Anforderungen an die Stetigkeit der Referenztrajektorien für die Kompensationsbewegung zu erfüllen, darf frühestens deren dritte Ableitung
Somit ist der Ruck
Die für dieses Gitter gültige zeitdiskrete Systemdarstellung lässt sich anhand der analytischen Lösung
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:
Über die positiv semidefinite Diagonalmatrix
Die zugehörigen Beschränkungen für das Optimalsteuerungsproblem folgen aus der verfügbaren Leistung des Antriebs und dem aktuell gewählten Gewichtungsfaktor kl (vgl.
Hier stellt δ a (τk ) 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 ( τ 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
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 be- rücksichtigt das vorgestellte Konzept folgendermaßen: Sobald sich eine Beschränkung ändert, wird der aktualisierte Wert zuerst nur am Ende des Prädiktionshorizonts für den Zeitschritt τ k
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 x a (τ0 ) = [0,0,0,0] T gewählt. Anschließend verwendet man den im letzten Optimierungsschritt für den Zeitschritt τ 1 berechneten Wert x a (τ1 ) als Anfangsbedingung.Thus, the optimal control problem is through to be minimized square merit function (1.5), the system model (1.4) and the inequality constraints of (1.8) and (1.9) in the form of a linear-quadratic optimization problem (QP problem for Q uadratic P rogramming PROBLEM) completely given. When the optimization is carried out for the first time, the initial condition is chosen to be x a ( τ 0 ) = [0,0,0,0] T. Subsequently, the value x a ( τ 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
Analog zur Kompensationsbewegung sind für die überlagerte Handhebelsteuerung zweimal stetig differenzierbare Referenztrajektorien notwendig (vgl.
Wie
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
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.
Sobald für die Handhebelsteuerung eine neue Situation eintritt, vollzieht sich ein Umplanen der generierten Trajektorien. Eine neue Situation tritt ein, sobald sich die Sollgeschwindigkeit
Bei einem Umplanen der Trajektorien wird zunächst aus der aktuell geplanten Geschwindigkeit
Abhängig von der theoretisch berechneten Geschwindigkeit und der gewünschten Sollgeschwindigkeit lässt sich nun der Verlauf des Eingangs angeben. Falls
Aus diesen Überlegungen lassen sich folgende Schaltfolgen des Rucks für die drei Phasen ableiten
Zur genauen Berechnung der Schaltzeitpunkte Tl,i wird zunächst die Beschleunigungsbeschränkung vernachlässigt, wodurch ΔT2 = 0 gilt. Aufgrund dieser Vereinfachung lassen sich die Längen der beiden restlichen Zeitintervalle wie folgt angeben:
Das Vorzeichen von ã folgt aus der Bedingung, dass ΔT1 und ΔT3 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 kla max die eigentliche Maximalbeschleunigung:
Mit ihr lassen sich letztendlich die wirklich auftretenden Zeitintervalle ΔT 1 und ΔT 3 berechnen. Sie resultieren aus (1.21) und (1.22) mit ã =
Die zu planenden Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverläufe
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.
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
Während der Konstantspannungsphase soll die Seilkraft an der Last F sl 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 i s 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 i s lässt sich durch numerisehe 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 determined by numerisehe 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.
Die Übertragungsfunktion des Antriebssystems von der Stellgröße Uh(s) auf die abgewickelte Seillänge Yh (s) lässt sich als IT1-System approximieren und ergibt sich zu
Die Übertragungsfunktion des geschlossenen Kreises, bestehend aus der Stabilisierung Ka (s) und dem Windensystem Gh (s), lässt sich aus
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.
wobei kc und Δlc die zur Elastizität des Seils äquivalente Federkonstante und die Auslenkung der Feder bezeichnen. Für letztere gilt:
Die äquivalente Federkonstante kc lässt sich aus folgender stationärer Betrachtung bestimmen. Für eine mit der Masse mf belastete Feder gilt im stationären Fall:
Durch Umformen von (2.8) ergibt sich
Anhand eines Koeffizientenvergleichs zwischen (2.9) und (2.10) lässt sich die äquivalente Federkonstante als
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
- ■ Die Abnahme der negativen Federkraft muss kleiner als ein Schwellwert sein:
- ■ Die zeitliche Ableitung der Federkraft muss kleiner als ein Schwellwert sein:
- ■ Der Kranfahrer muss die Last absenken. Diese Bedingung wird anhand der mit dem Handhebelsignal geplanten Trajektorie überprüft:
- ■ Zur Vermeidung einer Fehldetektion beim Eintauchen in das Wasser muss eine Mindestseillänge abgewickelt sein:
- ■ The decrease of the negative spring force must be smaller than a threshold value:
- ■ The time derivative of the spring force must be less than a threshold value:
- ■ The crane operator must lower the load. This condition is checked on the basis of the hand lever signal planned trajectory:
- ■ To avoid misdetection when submerging in the water, a minimum pitch must be unwound:
Die Abnahme der negativen Federkraft ΔFc berechnet sich dabei jeweils in Bezug auf den letzten Hochpunkt
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
Der Schwellwert für die Änderung der Federkraft berechnet sich in Abhängigkeit vom letzten Hochpunkt im gemessenen Kraftsignal zu
Da bei der Konstantspannungsregelung statt der Positionsregelung eine Kraftregelung Anwendung findet, wird als Führungsgröße eine Sollkraft
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
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.
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
Der gemessene Ausgang Fc (s) ergibt sich aus
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
Claims (13)
- A crane controller for a crane which includes a hoisting gear for lifting a load hanging on a cable, wherein the crane controller has a cable force mode in which the crane controller actuates the hoisting gear such that a setpoint of the cable force is obtained, wherein the crane controller includes a target force determination unit which determines the static force acting on the cable during a lift, wherein the crane controller includes a cable force determination unit which determines the actual value of the cable force via a filtration of measured values or a model-based estimation, characterized in that the crane controller comprises an input element via which the crane operator can vary the setpoint of the cable force, wherein in the cable force mode the crane controller comprises a pilot control part which takes account of the dynamics of the cable, and a feedback part via which the cable force determined by the cable force determination unit is fed back.
- The crane controller according to claim 1, wherein the velocity and/or position of the winch is actuated in particular by taking account of the elasticity of the system such that the setpoint of the cable force is obtained.
- The crane controller according to claim 1 or 2, wherein in the cable force mode the cable force can be maintained at a constant setpoint, wherein there is advantageously provided a cable force determination unit which determines an actual value of the cable force, wherein the actuation advantageously is effected on the basis of a comparison of the actual value and the setpoint of the cable force.
- The crane controller according to any of the preceding claims, wherein in the cable force mode the cable force is regulated by feedback of at least one measured value, wherein there is advantageously provided a cable force determination unit which determines an actual value of the cable force on the basis of a measurement signal of a cable force sensor, wherein the cable force sensor advantageously is arranged at the hoisting gear, in particular at a mount of the hoisting winch and/or a mount of a cable pulley.
- The crane controller according to any of the preceding claims, wherein the cable force determination unit determines the setpoint of the cable force with reference to measured values and/or control signals and/or inputs of a user.
- The crane controller according to claim 5, wherein the cable length is included in the target force determination unit, wherein advantageously the target force determination unit takes account of the weight of the unwound cable, and/or wherein a factor can be entered into the input element of the crane controller, which determines the ratio between the setpoint of the cable force and the static force during a lift.
- The crane controller according to any of the preceding claims, comprising a state detection, wherein the crane controller automatically switches into and/or out of the cable force mode with reference to the state detection, wherein the state detection advantageously can detect setting down and/or picking up of the load.
- The crane controller according to any of the preceding claims, comprising a lifting mode in which the hoisting gear is actuated on the basis of a setpoint of the load position and/or load velocity and/or cable position and/or cable velocity, wherein advantageously a regulator is provided, which in the lifting mode feeds back an actual value of the load position and/or load velocity and/or cable position and/or cable velocity.
- The crane controller according to any of the preceding claims, comprising an active heave compensation which by actuating the hoisting gear at least partly compensates the movement of the cable suspension point and/or a load deposition point due to the heave.
- A crane with a crane controller according to any of the preceding claims, in particular a deck crane, harbor crane, offshore crane or cable excavator, in particular a mobile harbor crane.
- Use of a crane or a crane controller according to any of the preceding claims, under lifting conditions in which the cable suspension point and/or the load deposition point is moved by external forces, and/or use with deposited load.
- A method for actuating a crane which includes a hoisting gear for lifting a load hanging on a cable by means of a crane controller according to any of claims 1 to 9,
characterized in
that the hoisting gear is actuated on the basis of a setpoint of the cable force. - Software with code for carrying out a method according to claim 12.
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