EP2636636B1 - Kransteuerung mit Aufteilung einer kinematisch beschränkten Größe des Hubwerks - Google Patents
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- EP2636636B1 EP2636636B1 EP13000100.1A EP13000100A EP2636636B1 EP 2636636 B1 EP2636636 B1 EP 2636636B1 EP 13000100 A EP13000100 A EP 13000100A EP 2636636 B1 EP2636636 B1 EP 2636636B1
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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.
- the crane control system has an active sea state compensation which at least partially compensates for the movement of the cable suspension point and / or a load release point due to the seaway by controlling the lifting mechanism.
- the crane control further has an operator control, which controls the hoist on the basis of specifications of the operator.
- Such a crane control is for example from the DE 10 2008 024513 A1 known.
- a prediction device is provided, which predicts a future movement of the cable suspension point on the basis of the determined current seaward movement and a model of the seaward movement, wherein the web control takes into account the predicted movement in the control of the hoist.
- the present invention in a first aspect shows a crane control for a crane having a hoist for lifting a load suspended on a rope.
- an active sea state compensation is provided which at least partially compensates for a movement of the cable suspension point and / or a Lastabsetzthes due to the sea state by a control of the hoist.
- an operator control is provided, which controls the hoist based on specifications of the operator.
- a division of at least one kinematic limited size of the hoist between sea state compensation and operator control is adjustable. This allows the crane operator to divide the at least one kinematic limited size of the hoist itself and thereby determine what proportion of it for the compensation of the sea state, and what proportion of it is available for operator control.
- the at least one kinematically limited size of the hoisting gear can be, for example, the maximum available power and / or the maximum available speed and / or the maximum available acceleration of the hoisting gear.
- the division of the at least one kinematic limited size of the hoist can therefore comprise a distribution of the maximum available power and / or maximum available speed and / or maximum available acceleration of the hoist.
- the maximum available speed and / or the maximum available acceleration of the hoist can be divided by the crane operator between sea state compensation and operator control.
- the distribution is infinitely adjustable at least in a partial area. This allows the crane operator a sensitive distribution of at least one kinematically limited size of the hoist.
- the swell compensation can be switched off by the allocation of the entire at least one kinematically limited size of the hoist for operator control. This makes it possible to switch off the active sea state compensation at the same time by setting the division.
- a continuous adjustment of the distribution of the at least one kinematically limited size of the hoisting gear from and / or to completely switched-off operator control is possible.
- a continuous transition between a pure operator control and active sea state compensation is possible.
- the present invention includes a crane control for a crane having a hoist for lifting a load suspended on a rope.
- the crane control comprises an active sea state compensation, which compensates for the movement of the cable suspension point and / or a Lastabsetzsees due to the sea state at least partially by a control of the hoist.
- an operator control is provided, which controls the hoist based on specifications of the operator.
- the controller has two separate path planning modules, via which trajectories for the sea state compensation and for the operator control are calculated separately. In this way, the crane can continue to be controlled via the operator control in the event of failure of the swell compensation, without the need for a separate control unit and without a different driving behavior.
- the two separate path planning modules are included respectively calculated target trajectories of the position and / or speed and / or acceleration of the hoist.
- the trajectories predetermined by the two separate path planning modules are summed and used as setpoint values for the control and / or regulation of the hoisting gear.
- the regulation of the hoist returns measured values for the position and / or speed of the hoist winch and thus compares the setpoints with actual values.
- the control of the hoist can take into account the dynamics of the drive of the hoist winch.
- a corresponding pilot control can be provided for this purpose.
- this is based on the inversion of a physical model of the dynamics of the drive of the hoist winch.
- the two separate path planning modules take into account at least one limitation of the drive, in each case, and thereby generate desired trajectories which the hoist can actually approach.
- the crane control at least a kinematically limited size between sea state compensation and operator control.
- the maximum available power and / or the maximum available speed and / or the maximum available acceleration of the hoist between the sea state compensation and the operator control is divided.
- the trajectories in the two separate path planning modules then taking into account each assigned at least one kinematic limited size, in particular the maximum available power and / or speed and / or the maximum available acceleration, which on the sea state compensation or the operator control not applicable, calculated.
- the manipulated variable limitation may not be fully utilized by this division of the at least one kinematically limited variable.
- the division of the at least one limited kinematics size allows the use of two completely separate path planning modules, each independently taking into account the drive restriction.
- the use of two separate path planning modules according to the second aspect of the present invention allows a particularly simple adjustability of the distribution of the at least one kinematically limited size.
- it can be specified by the crane operator, how much of the at least one kinematic limited size for the operator control and the sea state compensation is available, this division is then considered by the two path planning modules in the calculation of the target trajectories for controlling the hoist as a limitation.
- the swell compensation can have an optimization function which calculates a trajectory based on a predicted movement of the cable suspension point and / or a load release point and taking into account the power available for the swell compensation.
- a trajectory for controlling the hoist is calculated, which compensates as well as possible the predicted movement of the cable suspension point and / or a load release point taking into account the power available for the swell compensation.
- the trajectory can thereby minimize the residual movement of the load due to the movement of the cable suspension point and / or a difference movement between the load and the load release point which arises due to the seaway.
- the crane control according to the present invention advantageously comprises a prediction device which predicts a future movement of the cable suspension point and / or a load release point on the basis of the determined current seaward movement and a model of the seaward movement, wherein a measuring device is provided which determines the current seaward movement on the basis of sensor data.
- the forecasting device predicts the future movement of the cable suspension point and / or a load release point in the vertical direction. The movement in the horizontal direction, however, can be neglected.
- the forecasting device and / or the measuring device can be designed as shown in the DE 10 2008 024513 A1 is described.
- the operator control can continue to calculate a trajectory on the basis of specifications of the operator and taking into account the available for operator control at least one kinematic limited size.
- the operator control also takes into account the maximum available for the operator control at least one kinematic limited size, and calculated from specifications of the operator a trajectory for controlling the hoist.
- the trajectories are determined in each case in the path planning modules described above.
- the crane control system has at least one control element, via which the crane operator can set the distribution of the available at least one kinematically limited variable, and in particular can specify the weighting factor.
- the distribution of the available at least one kinematically limited size during the stroke can be changed.
- This allows the crane operator to provide more power, for example, for operator control, if he wants a faster lift.
- more power can be applied to the swell compensation if the crane operator feels that the swell is not sufficiently compensated.
- the crane operator can respond flexibly to changes in the weather and sea state.
- the change in the distribution of the available at least one kinematic limited size is carried out as described above by changing the weighting factor.
- the crane control according to the invention further has a calculation function which calculates the currently available at least one kinematically limited variable.
- the maximum available power and / or speed and / or acceleration of the lifting mechanism can be calculated. Since the maximum available power or the maximum available speed and / or acceleration of the hoist can change during the stroke, it can be adapted via the calculation function to the current conditions of the stroke.
- the calculation function takes into account the length of the unwound cable and / or the cable force and / or the power available for driving the hoisting gear.
- the maximum available speed and / or acceleration of the hoist can be different, since the weight of the unwound rope, especially in strokes with very long cables loaded the hoist.
- the maximum available speed and / or acceleration of the hoist can vary depending on the mass of the lifted load.
- this is also taken into account.
- the currently available at least one kinematically limited variable is divided according to the specification of the crane operator between sea state compensation and operator control, in particular based on the weighting factor prescribed by the crane operator.
- the optimization function of the swell compensation can initially include a change in the distribution of the available at least one kinematic limited variable and / or a change in the available at least one kinematic limited variable during a stroke only at the end of the prediction horizon. This enables a stable optimization function over the entire prediction horizon.
- the altered available at least one kinematic limited variable is then pushed to the beginning of the prediction horizon as the time progresses.
- the optimization function of the swell compensation according to the invention determines a desired trajectory, which enters into the control and / or regulation of the hoist.
- the desired trajectory can specify a desired movement of the hoist.
- the optimization can be done via a discretization.
- the optimization can be carried out at each time step on the basis of an updated forecast of the movement of the load pick-up point.
- the first value of the desired trajectory can be used to control the lifting mechanism. If an updated desired trajectory is then available, again only its first value is used for regulation.
- the optimization function can operate with a larger sampling time than the control. This makes it possible to choose larger sampling times for the compute-intensive optimization function, for the less computationally intensive control, however, to achieve greater accuracy through lower sampling times.
- the optimization function relies on emergency trajectory planning if no valid solution can be found. This will ensure proper operation even if a valid solution can not be found.
- the operator control calculates, based on a signal given by an operator through an input device, the speed of the hoist winch desired by the operator.
- a hand lever can be provided.
- the desired speed can be calculated as the predetermined by the position of the input device portion of the maximum available speed for the operator control.
- the desired trajectory is generated by integration of the maximum allowable positive jerk until the maximum acceleration is reached. This ensures that the hoist is not overloaded by the operator control.
- the maximum acceleration corresponds to the proportion of the maximum available acceleration of the lifting mechanism, which is assigned to the operator control.
- the speed is then increased by integration of the maximum acceleration until the desired speed can be achieved by applying the maximum negative jerk.
- the present invention further comprises a crane with a crane control as described above.
- the crane can be arranged on a float.
- the crane may be a ship crane. Alternatively, it may also be an offshore crane, a port crane or a crawler crane.
- the present invention further comprises a floating body with a crane according to the present invention, in particular a ship with a crane according to the invention.
- the present invention comprises the use of a crane according to the invention or a crane control according to the invention for raising and / or lowering a load located in the water and / or the use of a crane according to the invention or a crane control according to the invention for raising and / or lowering a load of and or on a load settling position in the water, for example on a ship.
- the present invention comprises the use of the crane according to the invention or the crane control according to the invention for deep-sea turns and / or the loading and / or unloading of ships.
- the present invention further includes a method of controlling a crane having a hoist for lifting a load suspended on a rope.
- compensating a sea state compensation by an automatic control of the hoist, the movement of the rope suspension point and / or Lastabsetzcons due to the sea state at least partially.
- the hoist is controlled based on specifications of the operator via an operator control.
- a second aspect it is provided that separate trajectories for the sea state compensation and for the operator control are calculated.
- the method is preferably carried out as already described in greater detail with regard to the crane control and its function according to the invention. Furthermore advantageously, the method according to the invention serves for the purpose of use, which has also already been described above.
- the method according to the invention can be carried out by means of a crane control, as has been shown above, or with the aid of a crane, as has been described above.
- the present invention further comprises software with code for carrying out a method according to the invention.
- the software can be stored on a machine-readable data carrier.
- a crane control according to the invention can be implemented.
- 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 rope 4 is connected via a cable suspension point 2, in the exemplary embodiment, a deflection roller at the end of Crane jib, guided on 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. As a result, the arranged on the float 6 crane 1 and the cable suspension point 2 is moved.
- 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. Especially The forecasting device predicts only 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 done analogously 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 m a x are divided by means of a weighting factor 0 ⁇ k l ⁇ 1 (cf. Fig. 1 ). This is specified by the crane driver and thus allows the individual distribution of power, which is available for the compensation or the method of the load.
- a weighting factor 0 ⁇ k l ⁇ 1 (cf. Fig. 1 ).
- a change of k l can be carried out during operation. Since the maximum possible travel speed or acceleration depends on the total mass of rope and load, v max and a max can also change during operation. Therefore, the valid values are also transferred to the trajectory planning.
- the crane operator can easily and intuitively adjust the influence of the active sea state compensation.
- the first part of the chapter first explains the generation of reference trajectories y a * . y ⁇ a * and y ⁇ a * for compensating the vertical movement of the cable suspension point.
- the essential aspect here is that with the planned Trajectories the vertical motion is compensated as far as it is possible due to the given and set by k l restrictions.
- the second part of the chapter deals with the planning of trajectories y l * . y ⁇ l * and y ⁇ l * for moving the load. These are generated directly from the hand lever signal of the crane driver w hh . The calculation is done by adding the maximum allowable jerk.
- trajectory planning for the compensating movement of the hoisting winch, sufficiently smooth trajectories are to be generated from the predicted vertical positions and speeds of the rope suspending point, taking into account the valid drive restrictions.
- This task is considered below as a limited optimization problem, which is to be solved online in each time step. Therefore, the approach is similar to the design of a model-predictive control, but in the sense of a model-predictive trajectory generation.
- an optimal time sequence for the compensation movement can then be determined.
- an emergency function can be implemented in this concept, in case the optimization does not find a valid solution, independently of the regulation. It consists of a simplified trajectory planning, whereupon the regulation resorts to such an emergency situation and continues to control the winds.
- the third derivation must be made at the earliest y ... a * . be considered as capable of jumping.
- making only the fourth derivative y a * can be considered as capable of jumping.
- the jerk y ... a * . plan at least steadily and the Trajektoriengener ist for the compensation movement is based on the in Fig. 2 illustrated fourth order integrator chain.
- this time-continuous model first becomes on the grid ⁇ 0 ⁇ ⁇ 1 ⁇ ... ⁇ ⁇ K p - 1 ⁇ ⁇ K p where K p represents the number of prediction steps for the prediction of the vertical movement of the cable suspension point.
- Fig. 3 makes it clear that the selected grid is not equidistant, which reduces the number of necessary nodes on the horizon. This makes it possible to keep the dimension of the optimal control problem to be solved small.
- the influence of the grosser discretization towards the end of the horizon does not adversely affect the planned trajectory since the prediction of vertical position and velocity towards the end of the prediction horizon is less accurate.
- x a ⁇ k + 1 1 ⁇ k ⁇ ⁇ k 2 2 ⁇ ⁇ k 3 6 0 1 ⁇ k ⁇ ⁇ k 2 2 0 0 1 ⁇ k 0 0 0 1 + ⁇ ⁇ k 4 24 ⁇ ⁇ k 3 6 ⁇ ⁇ k 2 2 ⁇ u a ⁇ k .
- ⁇ k ⁇ k +1 - ⁇ k describes the valid for the respective time step discretization step size .
- 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 may be reduced at most 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 / a max changes.
- the desired speed may change due to a new hand lever position w hh or by a new specification of k l or v max (cf. Fig. 6 ). Analogously, a variation of the maximum valid acceleration by k l or a max is possible.
- y ⁇ l * T l . 1 y ⁇ l * T l . 0 + ⁇ T 1 y ⁇ l * T l . 0 + 1 2 ⁇ T 1 2 u l . 1 .
- ⁇ T 1 a ⁇ - y ⁇ l * T l . 0 u l . 1 .
- ⁇ T 3 0 - a ⁇ u l . 3 .
- ⁇ stands for the maximum acceleration achieved.
- the speed and acceleration curves to be planned y ⁇ l * and y ⁇ l * can be calculated analytically with the individual switching times. It should be mentioned here that the trajectories planned by the switching times are often not traversed completely, since a new situation occurs before reaching the switching time T l, 3 , as a result a rescheduling takes place and new switching times are calculated. As already mentioned, a new situation occurs by a change of w hh , v max , a max or k l .
- Fig. 8 shows a trajectory exemplified by the method presented.
- the course of the trajectories includes both cases, which can occur on the basis of (1.24).
- the maximum allowable acceleration due to the hand lever position is not fully achieved.
- the associated position history is calculated according to Fig. 5 by integrating the velocity profile, the position being initialized at startup by the rope length currently being handled by the hoist winch.
- the control consists of two different modes of operation: the active sea state compensation for decoupling the vertical load movement from the ship movement with free-hanging load and the constant voltage control to avoid slack rope, as soon as the load is deposited on the seabed.
- the sea state compensation is initially active. Based on a detection of the settling process is automatically switched to the constant voltage control.
- Fig. 9 illustrates the overall concept with the associated control and control variables.
- each of the two different modes of operation could also be implemented without the other mode of operation.
- a constant voltage mode as described below, can also be used independently of the use of the crane on a ship and independently of an active sea state compensation.
- Active hoist compensation is intended to control the hoist winch so that the winch movement controls the vertical movement of the rope suspension point z a H compensates and the crane operator moves the load with the help of the hand lever in the considered as inertial h-coordinate system.
- the driver In order for the driver to have the required predictive behavior for minimizing the compensation error, it is converted by a pilot control and stabilization part in the form of a two-degree-of-freedom structure.
- the feedforward control is calculated from a differential parameterization with the aid of the flat output of the wind dynamics and results from the planned trajectories for moving the load y l * . y ⁇ l * and y ⁇ l * and the negative trajectories for the compensation movement - y a * .
- the resulting desired trajectories for the system output of the drive dynamics or the wind dynamics are with y H * . y ⁇ H * and y ⁇ H * designated. They represent the target position, speed and acceleration for the winch movement and thus for the winding and unwinding of the rope.
- the cable force at the load F sl should be regulated to a constant amount in order to avoid slack rope. Therefore, in this mode of operation, the hand lever is deactivated and the trajectories planned from the hand lever signal are no longer applied.
- the control of the winch is again by a two-degree-of-freedom structure with pilot control and stabilization part.
- the length l s is obtained indirectly from the angle of rotation ⁇ h measured using an incremental encoder and the winding radius r h ( j l ) dependent on the winding position j l .
- the associated cable speed i s can be calculated by numerical differentiation with suitable low-pass filtering.
- the cable force F c acting on the cable suspension point is detected by means of a force measuring axis.
- Fig. 10 illustrates the control of the hoist winch for the active sea state compensation with a block diagram in the frequency domain.
- the compensation of the vertical movement of the cable suspension point acting as an input disturbance on the cable system G s , z ( s ) takes place Z a H s purely pre-taxing; Rope and load dynamics are neglected.
- the rope's own dynamics are excited, but in practice it can be assumed that the resulting load movement in the water is strongly damped and decays very rapidly.
- Neglecting the compensation movement Y a * s can be the reference size Y H * s be approximated at constant or stationary Handhebelauslenkung as a ramp-shaped signal, since in such a case, a constant target speed v hh * is present.
- the open chain K a ( s ) G h ( s ) must therefore have l 2 behavior [9].
- the decrease in the negative spring force ⁇ F c is calculated in each case with respect to the last high point F c in the measured force signal F c .
- the force signal is preprocessed by a corresponding low-pass filter.
- 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 ) is based on (2.12) the force change ⁇ F c ( s ) and the static force Weight m e g + ⁇ s l s g, which is referred to in the image area with M ( s ) together.
- the cable system is again approximated as a spring-mass system.
- the precontrol F ( s ) of the two-degree-of-freedom structure is identical to that for active sea state compensation and given by (2.2) or (2.3). However, in the constant voltage mode, the hand lever signal is not applied, which is why the reference trajectory only from the negative target speed and - acceleration - y ⁇ a * and - y ⁇ a * exists for the compensation movement.
- the pilot control component initially compensates for the vertical movement of the cable suspension point Z a H s , However, there is no direct stabilization of the winch position by a return of Y h ( s ) . This is done indirectly by the return of the measured force signal.
- the compensation error E a ( s ) is compensated by a stable transfer function G CT, 1 ( s ) and the wind position stabilized indirectly.
- the request to the controller K s ( s ) also results in this case from the expected command signal which after a transition phase by the constant desired force from (2.21).
- the open chain must have K s ( s ) G h ( s ) G s, F ( s ) l behavior.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Control And Safety Of Cranes (AREA)
- Jib Cranes (AREA)
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kransteuerung für einen Kran, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist. Erfindungsgemäß weist die Kransteuerung eine aktive Seegangskompensation auf, welche durch eine Ansteuerung des Hubwerks die Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht. Die Kransteuerung weist weiterhin eine Bedienersteuerung auf, welche das Hubwerk anhand von Vorgaben des Bedieners ansteuert.
- Eine solche Kransteuerung ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 024513 A1 bekannt. Dabei ist eine Prognosevorrichtung vorgesehen, welche eine zukünftige Bewegung des Seilaufhängepunkts anhand der ermittelten aktuellen Seegangsbewegung und eines Modells der Seegangsbewegung prognostiziert, wobei die Bahnsteuerung die prognostizierte Bewegung bei der Ansteuerung des Hubwerks berücksichtigt. - Die bekannte Kransteuerung ist jedoch für manche Anforderungen nicht hinreichend flexibel. Zudem können sich bei einem Ausfall der Seegangskompensation Probleme ergeben.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Kransteuerung mit einer aktiven Seegangskompensation und einer Bedienersteuerung zur Verfügung zu stellen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in einem ersten Aspekt gemäß Anspruch 1 gelöst, sowie in einem zweiten Aspekt gemäß Anspruch 4.
- Die vorliegende Erfindung zeigt in einem ersten Aspekt eine Kransteuerung für einen Kran, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist. Dabei ist eine aktive Seegangskompensation vorgesehen, welche durch eine Ansteuerung des Hubwerks eine Bewegung des Seilhängepunkts und/oder eines Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht. Weiterhin ist eine Bedienersteuerung vorgesehen, welche das Hubwerk anhand von Vorgaben des Bedieners ansteuert. Erfindungsgemäß ist dabei eine Aufteilung mindestens einer kinematisch beschränkten Größe des Hubwerks zwischen Seegangskompensation und Bedienersteuerung einstellbar. Hierdurch kann der Kranführer die mindestens eine kinematisch beschränkte Größe des Hubwerks selbst aufteilen und hierdurch bestimmen, welcher Anteil davon für die Kompensation des Seegangs, und welcher Anteil davon für die Bedienersteuerung zur Verfügung steht.
- Bei der mindestens einen kinematisch beschränkten Größe des Hubwerks kann es sich dabei bspw. um die maximal zur Verfügung stehende Leistung und/oder maximal zur Verfügung stehende Geschwindigkeit und/oder maximal zur Verfügung stehende Beschleunigung des Hubwerks handeln.
- Die Aufteilung der mindestens einen kinematisch beschränkten Größe des Hubwerks kann daher eine Aufteilung der maximal zur Verfügung stehenden Leistung und/oder maximal zur Verfügung stehenden Geschwindigkeit und/oder maximal zur Verfügung stehenden Beschleunigung des Hubwerks umfassen.
- Vorteilhafterweise erfolgt die Aufteilung der mindestens einen kinematisch beschränkten Größe über mindestens einen Gewichtungsfaktor, über welchen die maximal zur Verfügung stehende Lesitung und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks zwischen der Seegangskompensation und der Bedienersteuerung aufgeteilt wird. Insbesondere kann dabei die maximal zur Verfügung stehende Geschwindigkeit und/oder die maximal zur Verfügung stehende Beschleunigung des Hubwerkes vom Kranführer zwischen Seegangskompensation und Bedienersteuerung aufgeteilt werden.
- Vorteilhafterweise ist die Aufteilung zumindest in einem Teilbereich stufenlos einstellbar. Dies ermöglicht dem Kranführer eine gefühlvolle Aufteilung der mindestens einen kinematisch beschränkten Größe des Hubwerks.
- Weiterhin kann erfindungsgemäß die Seegangskompensation durch die Zuteilung der gesamten mindestens einen kinematisch beschränkten Größe des Hubwerks zur Bedienersteuerung abschaltbar sein. Dies ermöglicht es, über die Einstellung der Aufteilung gleichzeitig die aktive Seegangskompensation ganz auszuschalten.
- Vorteilhafterweise ist dabei eine stufenlose Einstellung der Aufteilung der mindestens einen kinematisch beschränkten Größe des Hubwerks ausgehend von und/oder hin zu komplett ausgeschalteter Bedienersteuerung möglich. Hierdurch ist ein stetiger Übergang zwischen einer reinen Bedienersteuerung und einer aktiven Seegangskompensation möglich.
- In einem zweiten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung eine Kransteuerung für einen Kran, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist. Die Kransteuerung umfasst dabei eine aktive Seegangskompensation, welche durch eine Ansteuerung des Hubwerks die Bewegung des Seilaufhängepunkts und/oder eines Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht. Weiterhin ist eine Bedienersteuerung vorgesehen, welche das Hubwerk anhand von Vorgaben des Bedieners ansteuert. Erfindungsgemäß weist die Steuerung dabei zwei getrennte Bahnplanungsmodule auf, über welche getrennt voneinander Trajektorien für die Seegangskompensation und für die Bedienersteuerung berechnet werden. Hierdurch kann der Kran bei einem Ausfall der Seegangskompensation weiterhin über die Bedienersteuerung angesteuert werden, ohne dass hierfür eine separate Steuereinheit verwendet werden müsste und ohne dass ein unterschiedliches Fahrverhalten entstehen würde. Vorteilhafterweise werden in den zwei getrennten Bahnplanungsmodulen dabei jeweils Soll-Trajektorien der Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerkes berechnet.
- Weiterhin vorteilhafterweise werden die durch die zwei getrennten Bahnplanungsmodule vorgegebenen Trajektorien summiert und als Sollwerte für die Steuerung und/oder Regelung des Hubwerks verwendet.
- Weiterhin kann dabei vorgesehen sein, dass die Regelung des Hubwerks Messwerte zur Position und/oder Geschwindigkeit der Hubwinde zurückführt und somit die Sollwerte mit Istwerten vergleicht. Weiterhin kann die Ansteuerung des Hubwerkes die Dynamik des Antriebs der Hubwinde berücksichtigen. Insbesondere kann hierfür eine entsprechende Vorsteuerung vorgesehen sein. Vorteilhafterweise beruht diese auf der Invertierung eines physikalischen Modells der Dynamik des Antriebs der Hubwinde.
- Vorteilhafterweise berücksichtigen die zwei getrennten Bahnplanungsmodule dabei jeweils für sich genommen mindestens eine Beschränkung des Antriebs und generieren hierdurch Soll-Trajektorien, welche das Hubwerks tatsächlich anfahren kann.
- Vorteilhafterweise teilt die Kransteuerung dabei mindestens eine kinematisch beschränkte Größe zwischen Seegangskompensation und Bedienersteuerung auf. Insbesondere wird hierfür die maximal zur Verfügung stehende Leistung und/oder die maximal zur Verfügung stehende Geschwindigkeit und/oder die maximal zur Verfügung stehende Beschleunigung des Hubwerkes zwischen der Seegangskompensation und der Bedienersteuerung aufgeteilt.
- Vorteilhafterweise werden die Trajektorien in den beiden getrennten Bahnplanungsmodulen dann unter Berücksichtigung der jeweils zugeteilten mindestens einen kinematisch beschränkten Größe, insbesondere der maximal zur Verfügung stehenden Leistung und/oder Geschwindigkeit und/oder der maximal zur Verfügung stehenden Beschleunigung, welche auf die Seegangskompensation bzw. die Bedienersteuerung entfällt, berechnet.
- Durch diese Aufteilung der mindestens einen kinematisch beschränkten Größe nutzt man zwar die Stellgrößenbeschränkung unter Umständen nicht vollständig aus. Die Aufteilung der mindestens einen kinematisch beschränkten Größe ermöglicht jedoch die Verwendung von zwei komplett getrennten Bahnplanungsmodulen, welche jeweils unabhängig voneinander die Antriebsbeschränkung berücksichtigen.
- Der erste und der zweite Aspekt gemäß der vorliegenden Erfindung werden jeweils separat für sich beansprucht und können unabhängig voneinander implementiert werden. Besonders vorteilhaft werden jedoch die beiden Aspekte gemäß der vorliegenden Erfindung miteinander kombiniert.
- Insbesondere ermöglicht die Verwendung zweier getrennter Bahnplanungsmodule gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung dabei eine besonders einfache Einstellbarkeit der Aufteilung der mindestens einen kinematisch beschränkten Größe. Insbesondere kann dabei vom Kranfahrer vorgegeben werden, wie viel der mindestens einen kinematisch beschränkten Größe für die Bedienersteuerung und die Seegangskompensation zur Verfügung steht, wobei diese Aufteilung dann von den beiden Bahnplanungsmodulen bei der Berechnung der Soll-Trajektorien zur Ansteuerung des Hubwerks als Beschränkung berücksichtigt wird.
- Erfindungsgemäß kann bei einer Kransteuerung gemäß einer der oben beschriebenen Aspekte die Seegangskompensation eine Optimierungsfunktion aufweisen, welche anhand einer prognostizierten Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes und unter Berücksichtigung der für die Seegangskompensation zur Verfügung stehenden Leistung eine Trajektorie berechnet. Insbesondere wird dabei eine Trajektorie zur Ansteuerung des Hubwerks berechnet, welche unter Berücksichtigung der für die Seegangskompensation zur Verfügung stehenden Leistung die prognostizierte Bewegung des Seilaufhängepunkts und/oder eines Lastabsetzpunktes möglichst gut kompensiert. Insbesondere kann die Trajektorie dabei die Restbewegung der Last aufgrund der Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eine Differenzbewegung zwischen Last und Lastabsetzpunktes, welche aufgrund des Seegangs entsteht, minimieren.
- Die Kransteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst vorteilhafterweise eine Prognosevorrichtung, welche eine zukünftige Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes anhand der ermittelten aktuellen Seegangsbewegung und eines Modells der Seegangsbewegung prognostiziert, wobei eine Messvorrichtung vorgesehen ist, welche die aktuelle Seegangsbewegung anhand von Sensordaten ermittelt. Insbesondere prognostiziert die Prognosevorrichtung dabei die zukünftige Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes in vertikaler Richtung. Die Bewegung in horizontaler Richtung kann dagegen vernachlässigt werden.
- Die Prognosevorrichtung und/oder die Messvorrichtung kann dabei so ausgeführt sein, wie dies in der
DE 10 2008 024513 A1 beschrieben ist. - Die Bedienersteuerung kann weiterhin anhand von Vorgaben des Bedieners und unter Berücksichtigung der für die Bedienersteuerung zur Verfügung stehenden mindestens einen kinematisch beschränkten Größe eine Trajektorie berechnen. Vorteilhafterweise berücksichtigt also auch die Bedienersteuerung die für die Bedienersteuerung maximal zur Verfügung stehende mindestens eine kinematisch beschränkte Größe, und berechnet so aus Vorgaben des Bedieners eine Trajektorie zur Ansteuerung des Hubwerks.
- Durch die Berücksichtigung der jeweils zur Verfügung stehenden mindestens einen kinematisch beschränkten Größe wird dabei sichergestellt, dass das Hubwerk tatsächlich den vorgegebenen Trajektorien folgen kann. Vorteilhafterweise erfolgt die Bestimmung der Trajektorien dabei jeweils in den oben beschriebenen Bahnplanungsmodulen.
- Vorteilhafterweise weist die Kransteuerung mindestens ein Bedienelement auf, über welches der Kranfahrer die Aufteilung der zur Verfügung stehenden mindestens einen kinematisch beschränkten Größe einstellen kann, und insbesondere den Gewichtungsfaktor vorgeben kann.
- Vorteilhafterweise kann bei der erfindungsgemäßen Kransteuerung die Aufteilung der verfügbaren mindestens einen kinematisch beschränkten Größe während des Hubes verändert werden. Hierdurch kann der Kranfahrer beispielsweise für die Bedienersteuerung mehr Leistung zur Verfügung stellen, wenn er ein schnelleres Anheben wünscht. Umgekehrt kann der Seegangskompensation mehr Leistung zugeführt werden, wenn der Kranführer das Gefühl hat, dass der Seegang nicht ausreichend kompensiert wird. Bspw. kann der Kranführer so flexibel auf Änderungen des Wetters und des Seegangs eingehen.
- Vorteilhafterweise erfolgt die Änderung der Aufteilung der verfügbaren mindestens einen kinematisch beschränkten Größe dabei wie oben beschrieben durch Veränderung des Gewichtungsfaktors.
- Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Kransteuerung weiterhin eine Berechnungsfunktion auf, welche die aktuell zur Verfügung stehende mindestens eine kinematisch beschränkte Größe berechnet. Insbesondere kann dabei die maximal zur Verfügung stehende Leistung und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks berechnet werden. Da die maximal zur Verfügung stehende Leistung bzw. die maximal zur Verfügung stehende Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks sich während des Hubes ändern kann, kann diese so über die Berechnungsfunktion an die aktuellen Gegebenheiten des Hubes angepasst werden.
- Vorteilhafterweise berücksichtigt die Berechnungsfunktion dabei die Länge des abgewickelten Seiles und/oder die Seilkraft und/oder die zum Antrieb des Hubwerks zur Verfügung stehende Leistung. Beispielsweise kann dabei je nach Länge des abgewickelten Seiles die maximal zur Verfügung stehende Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks unterschiedlich sein, da das Gewicht des abgewickelten Seiles gerade bei Hüben mit sehr langen Seilen das Hubwerk belastet. Zudem kann die maximal zur Verfügung stehende Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks je nach Masse der gehobenen Last schwanken. Weiterhin kann, insbesondere wenn ein Hybridantrieb mit einem Speicher eingesetzt wird, die zum Antrieb des Hubwerks zur Verfügung stehende Leistung je nach Speicherzustand schwanken. Vorteilhafterweise wird auch dies berücksichtigt.
- Vorteilhafterweise wird dabei erfindungsgemäß jeweils die aktuell zur Verfügung stehende mindestens eine kinematisch beschränkte Größe gemäß der Vorgabe des Kranführers zwischen Seegangskompensation und Bedienersteuerung aufgeteilt, insbesondere anhand des vom Kranführer vorgegebenen Gewichtungsfaktors.
- Vorteilhafterweise kann dabei die Optimierungsfunktion der Seegangskompensation eine Änderung in der Aufteilung der verfügbaren mindestens einen kinematisch beschränkten Größe und/oder eine Änderung der zur Verfügung stehenden mindestens einen kinematisch beschränkten Größe während eines Hubes zunächst nur am Ende des Prädiktionshorizonts einbeziehen. Dies ermöglicht eine stabile Optimierungsfunktion über den gesamten Prädiktionshorizont. Vorteilhafterweise wird dann mit fortschreitende Zeit die geänderte zur Verfügung stehende mindestens eine kinematisch beschränkte Größe an den Anfang des Prädiktionshorizonts durchgeschoben.
- Vorteilhafterweise bestimmt die Optimierungsfunktion der Seegangskompensation erfindungsgemäß eine Soll-Trajektorie, welche in die Steuerung und/oder Regelung des Hubwerks eingeht. Insbesondere kann die Soll-Trajektorie dabei eine Soll-Bewegung des Hubwerkes vorgeben. Die Optimierung kann dabei über eine Diskretisierung erfolgen.
- Erfindungsgemäß kann die Optimierung dabei bei jedem Zeitschritt auf Grundlage einer aktualisierten Prognose der Bewegung des Lastaufnahmepunktes erfolgen.
- Erfindungsgemäß kann jeweils der erste Wert der Soll-Trajektorie zur Regelung des Hubwerks herangezogen werden. Steht dann eine aktualisierte Soll-Trajektorie zur Verfügung, wird wiederum nur deren erster Wert zur Regelung herangezogen.
- Erfindungsgemäß kann die Optimierungsfunktion mit einer größeren Abtastzeit arbeiten als die Regelung. Dies ermöglicht es, für die rechenintensive Optimierungsfunktion größere Abtastzeiten zu wählen, für die weniger rechenintensive Regelung dagegen eine größere Genauigkeit durch niedrigere Abtastzeiten zu erreichen.
- Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Optimierungsfunktion auf eine Notfalltrajektorienplanung zurückgreift, wenn keine gültige Lösung auffindbar ist. Hierdurch wird ein ordnungsgemäßer Betrieb auch dann sichergestellt, wenn eine gültige Lösung nicht gefunden werden kann.
- Vorteilhafterweise berechnet die Bedienersteuerung anhand eines von einem Bediener durch eine Eingabevorrichtung vorgegebenen Signals die vom Bediener gewünschte Geschwindigkeit der Hubwinde. Insbesondere kann dabei ein Handhebel vorgesehen sein.
- Dabei kann die gewünschte Geschwindigkeit als der durch die Position der Eingabevorrichtung vorgegebenen Anteil der maximal zur Verfügung stehenden Geschwindigkeit für die Bedienersteuerung berechnet werden.
- Vorteilhafterweise wird die Soll-Trajektorie dabei durch Integration des maximal zulässigen positiven Rucks erzeugt, bis die maximale Beschleunigung erreicht ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Hubwerk durch die Bedienersteuerung nicht überlastet wird. Vorteilhafterweise entspricht die maximale Beschleunigung dabei dem Anteil an der maximal zur Verfügung stehenden Beschleunigung des Hubwerks, welche der Bedienersteuerung zugewiesen ist.
- Weiterhin vorteilhafterweise wird daraufhin durch Integration der maximalen Beschleunigung die Geschwindigkeit erhöht, bis die gewünschte Geschwindigkeit durch ein Aufschalten des maximalen negativen Rucks erreicht werden kann.
- Hierdurch wird sichergestellt, dass beim Erreichen der Soll-Geschwindigkeit die Beschleunigung wieder auf Null abgesunken ist, so dass unnötige Belastungen durch einen Beschleunigungssprung bei Erreichen der Soll-Geschwindigkeit vermieden werden.
- Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen Kran mit einer Kransteuerung, wie sie oben beschrieben wurde.
- Insbesondere kann der Kran dabei auf einem Schwimmkörper angeordnet sein. Insbesondere kann es sich bei dem Kran um einen Schiffskran handeln. Alternativ kann es sich auch um einen Offshorekran, einen Hafenkran oder einen Seilbagger handeln.
- Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen Schwimmkörper mit einem Kran gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere ein Schiff mit einem erfindungsgemäßen Kran.
- Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Krans bzw. einer erfindungsgemäßen Kransteuerung zum Anheben und/oder Absenken einer sich im Wasser befindlichen Last und/oder die Verwendung eines erfindungsgemäßen Krans bzw. einer erfindungsgemäßen Kransteuerung zum Anheben und/oder Absenken einer Last von und/oder auf eine im Wasser befindliche Lastabsetzposition, bspw. auf ein Schiff. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung dabei die Verwendung des erfindungsgemäßen Krans bzw. der erfindungsgemäßen Kransteuerung für Tiefseehübe und/oder das Be- und/oder Entladen von Schiffen.
- Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines Krans, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist. Vorteilhafterweise gleicht dabei eine Seegangskompensation durch eine automatische Ansteuerung des Hubwerkes die Bewegung des Seilaufhängepunkts und/oder Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise aus. Weiterhin wird das Hubwerk anhand von Vorgaben des Bedieners über eine Bedienersteuerung angesteuert. Erfindungsgemäß ist dabei gemäß einem ersten Aspekt vorgesehen, dass mindestens eine kinematisch beschränkte Größe des Hubwerks variabel zwischen der Seegangskompensation und der Bedienersteuerung aufgeteilt wird. Gemäß einem zweiten Aspekt ist vorgesehen, dass getrennt voneinander Trajektorien für die Seegangskompensation und für die Bedienersteuerung berechnet werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich damit die gleichen Vorteile, welche bereits oben im Hinblick auf die Kransteuerung beschrieben wurden. Wiederum werden besonders bevorzugt die beiden Aspekte miteinander kombiniert.
- Bevorzugt wird das Verfahren dabei so durchgeführt, wie dies erfindungsgemäß bereits im Hinblick auf die Kransteuerung und deren Funktion näher dargestellt wurde. Weiterhin vorteilhafterweise dient das erfindungsgemäße Verfahren dabei zu der Verwendung, welche oben ebenfalls bereits dargestellt wurde.
- Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren dabei mittels einer Kransteuerung durchgeführt werden, wie sie oben dargestellt wurde, bzw. mit Hilfe eines Kranes, wie er oben dargestellt wurde.
- Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin Software mit Code zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere kann die Software dabei auf einem maschinenlesbaren Datenträger abgespeichert sein. Vorteilhafterweise kann durch Aufspielen der erfindungsgemäßen Software auf eine Kransteuerung eine erfindungsgemäße Kransteuerung implementiert werden.
- Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels sowie Zeichnungen näher dargestellt.
- Dabei zeigen:
- Figur 0:
- einen auf einem Schwimmkörper angeordneten Kran gemäß der vorliegenden Erfindung,
- Figur 1:
- die Struktur einer getrennten Trajektorienplanung für die Seegangskompensation und die Bedienersteuerung,
- Figur 2:
- eine Integratorkette vierter Ordnung zur Planung von Trajektorien mit stetigem Ruck,
- Figur 3:
- eine nicht äquidistante Diskretisierung für die Trajektorienplanung, welche gegen Ende des Zeithorizontes größere Abstände verwendet als zu Anfang des Zeithorizontes,
- Figur 4:
- die Berücksichtigung von sich ändernden Beschränkungen zunächst am Ende des Zeithorizontes am Beispiel der Geschwindigkeit,
- Figur 5:
- die für die Trajektorienplanung der Bedienersteuerung verwendete Integratorkette dritter Ordnung, welche anhand einer Ruckaufschaltung arbeitet,
- Figur 6:
- die Struktur der Bahnplanung der Bedienersteuerung, welche Beschränkungen des Antriebs berücksichtigt,
- Figur 7:
- ein beispielhafter Ruckverlauf mit zugehörigen Schaltzeiten, aus welchen anhand der Bahnplanung eine Trajektorie für die Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks berechnet wird,
- Figur 8:
- ein mit der Ruckaufschaltung generierter Verlauf einer Geschwindigkeits- und Beschleunigungstrajektorie,
- Figur 9:
- eine Übersicht über das Ansteuerungskonzept mit einer aktiven Seegangskompensation und einem Sollkraftmodus, hier als Konstantspannungsmodus bezeichnet,
- Figur 10:
- ein Blockschaltbild der Ansteuerung für die aktive Seegangskompensation und
- Figur 11:
- ein Blockschaltbild der Ansteuerung für den Sollkraftmodus.
-
Figur 0 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kranes 1 mit einer erfindungsgemäßen Kransteuerung zur Ansteuerung des Hubwerks 5. Das Hubwerk 5 weist eine Hubwinde auf, welche das Seil 4 bewegt. Das Seil 4 ist über einen Seilaufhängepunkt 2, im Ausführungsbeispiel eine Umlenkrolle am Ende des Kranauslegers, am Kran geführt. Durch das Bewegen des Seiles 4 kann eine am Seil hängende Last 3 angehoben oder abgesenkt werden. - Dabei kann mindestens ein Sensor vorgesehen sein, welche die Position und/oder Geschwindigkeit des Hubwerkes misst und entsprechende Signale an die Kransteuerung übermittelt.
- 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.
- Der Kran 1 ist im Ausführungsbeispiel auf einem Schwimmkörper 6 angeordnet, hier einem Schiff. Wie ebenfalls in
Figur 0 zu erkennen, bewegt sich der Schwimmkörper 6 aufgrund des Seegangs um seine sechs Freiheitsgrade. Hierdurch wird auch der auf dem Schwimmkörper 6 angeordnete Kran 1 sowie der Seilaufhängepunkt 2 bewegt. - 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.
- 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.
- 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.
- Die Prognosevorrichtung und die Messvorrichtung sind vorteilhafterweise so ausgeführt, wie dies in der
DE 10 2008 024513 A1 ausführlicher beschrieben ist. - 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.
- 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.
- Alternativ könnte ein elektrischer Antrieb eingesetzt werden. Auch dieser könnte mit einem Energiespeicher verbunden werden.
- 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.
- 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.
- 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
DE 10 2008 024 513 beschriebenen Algorithmus über einen festen Zeithorizont vorhergesagt werden. Zusätzlich wird bei der Trajektorienplanung noch das Handhebelsignal des Kranfahrers, über das er die Last im inertialen Koordinatensystem verfährt, miteinbezogen. - Aus Sicherheitsgründen ist es notwendig, dass sich die Winde auch bei einem Ausfall der aktiven Seegangskompensation weiterhin über das Handhebelsignal verfahren lässt. Daher erfolgt bei dem verwendeten Konzept zur Trajektorienplanung eine Trennung zwischen der Planung der Referenztrajektorien für die Kompensationsbewegung und derer infolge eines Handhebelsignals, wie dies in
Fig. 1 dargestellt ist. - 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.
- Um die gegebenen Beschränkungen in Geschwindigkeit vmax und Beschleunigung amax trotz der komplett unabhängigen Planung nicht zu verletzen, werden vmax und a max mit Hilfe eines Gewichtungsfaktors 0 ≤ kl ≤ 1 aufgeteilt (vgl.
Fig. 1 ). Dieser wird durch den Kranfahrer vorgegeben und ermöglicht damit die individuelle Aufteilung der Leistung, welche für die Kompensation bzw. das Verfahren der Last zur Verfügung steht. Somit folgt für die maximale Geschwindigkeit und Beschleunigung der Kompensationsbewegung (1-kl )vmax und (1-kl)a max sowie für die Trajektorien zum überlagerten Ab- und Aufwickeln des Seils klvmax und klamax. - 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.
- 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.
- 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.
- 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
-
- 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.
- 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
DE 10 2008 024 513 beschriebenen Algorithmus, berechnet werden. - Unter Beachtung der durch kl, vmax und amax gültigen Beschränkungen lässt sich daraufhin eine optimale Zeitfolge für die Kompensationsbewegung bestimmen.
- 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.
- 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.
- 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.
- Um die Anforderungen an die Stetigkeit der Referenztrajektorien für die Kompensationsbewegung zu erfüllen, darf frühestens deren dritte Ableitung
- Somit ist der Ruck
Fig. 2 veranschaulichten Integratorkette vierter Ordnung. Diese dient bei der Optimierung als Systemmodell und lässt sich im Zustandsraum als -
Fig. 3 verdeutlicht, dass das gewählte Gitter nichtäquidistant ist, womit die Anzahl der notwendigen Stützstellen auf dem Horizont reduziert wird. Dadurch ist es möglich, die Dimension des zu lösenden Optimalsteuerungsproblems klein zu halten. Der Einfluss der gröberen Diskretisierung gegen Ende des Horizonts hat keine nachteiligen Auswirkungen auf die geplante Trajektorie, da die Vorhersage der Vertikalposition und -geschwindigkeit gegen Ende des Prädiktionshorizonts ungenauer ist. -
- Durch Lösen des Optimalsteuerungsproblems soll eine Trajektorie geplant werden, welche der vorhergesagten Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts möglichst nahe folgt und gleichzeitig den gegebenen Beschränkungen genügt.
- Um diese Anforderung zu erfüllen, lautet die Gütefunktion wie folgt:
- Über die positiv semidefinite Diagonalmatrix
-
- Hier stellt δa (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.
- 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 berücksichtigt das vorgestellte Konzept folgendermaßen: Sobald sich eine Beschränkung ändert, wird der aktualisierte Wert zuerst nur am Ende des Prädiktionshorizonts für den Zeitschritt τk
p einbezogen. Anschließend schiebt man ihn mit fortschreitender Zeit an den Anfang des Prädiktionshorizonts. -
Fig. 4 verdeutlicht dieses Vorgehen anhand der Geschwindigkeitsbeschränkung. Bei der Reduzierung einer Beschränkung ist zusätzlich darauf zu achten, dass sie zu ihrer maximal zulässigen Ableitung passt. Dies bedeutet, dass beispielsweise die Geschwindigkeitsbeschränkung (1-kl )vmax maximal so schnell reduziert werden darf, wie es die aktuelle Beschleunigungsbeschränkung (1-kl )a max erlaubt. Wegen des Durchschiebens der aktualisierten Beschränkungen existiert für eine in den Beschränkungen liegende Anfangsbedingung x a(τ 0 ) immer eine Lösung, die wiederum nicht gegen die aktualisierten Beschränkungen verstößt. Allerdings dauert es den kompletten Prädiktionshorizont bis sich eine geänderte Beschränkung endgültig auf die geplanten Trajektorien am Anfang des Horizonts auswirkt. - 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(τ 0 ) = [0,0,0,0] T gewählt. Anschließend verwendet man den im letzten Optimierungsschritt für den Zeitschritt τ 1 berechneten Wert x a(τ 1 ) als Anfangsbedingung.
- Die Berechnung der eigentlichen Lösung des QP-Problems erfolgt in jedem Zeitschritt über ein numerisches Verfahren, das man als QP-Solver bezeichnet.
- Infolge des Rechenaufwands für die Optimierung ist die Abtastzeit für die Trajektorienplanung der Kompensationsbewegung größer als die Diskretisierungszeit aller restlichen Komponenten der aktiven Seegangskompensation; somit gilt Δτ > Δt.
- Damit die Referenztrajektorien allerdings für die Regelung im schnelleren Takt zur Verfügung stehen, findet die Simulation der Integratorkette aus
Fig. 2 außerhalb der Optimierung mit der schnelleren Abtastzeit Δt statt. Sobald neue Werte aus der Optimierung vorliegen, werden die Zustände x a(τ0) als Anfangsbedingung für die Simulation verwendet und die Stellgröße am Anfang des Prädiktionshorizonts ua (τ 0) als konstanter Eingang auf die Integratorkette geschrieben. - Analog zur Kompensationsbewegung sind für die überlagerte Handhebelsteuerung zweimal stetig differenzierbare Referenztrajektorien notwendig (vgl.
Fig. 1 ). Da bei diesen durch den Kranfahrer vorgebbaren Bewegungen im Normalfall keine schnellen Richtungswechsel für die Winde zu erwarten sind, hat sich die Mindestanforderung einer stetig geplanten Beschleunigung - Wie
Fig. 5 zeigt, dient sie gleichzeitig als Eingang einer Integratorkette dritter Ordnung. Neben den Anforderungen an die Stetigkeit müssen die geplanten Trajektorien auch die aktuell gültigen Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbeschränkungen erfüllen, welche sich für die Handhebelsteuerung zu klvmax und klamax ergeben. -
- 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.
- 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.
- 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.
- Daher sind bei der Ruckaufschaltung lediglich die Schaltzeitpunkte zwischen den einzelnen Phasen zu bestimmen.
Fig .7 stellt einen beispielhaften Verlauf des Rucks für einen Geschwindigkeitswechsel zusammen mit den Schaltzeitpunkten dar. Dabei bezeichnet Tl,0 den Zeitpunkt, an dem ein Umplanen stattfindet. Die Zeitpunkte Tl,1 , Tl,2 und Tl,3 verweisen jeweils auf die berechneten Schaltzeitpunkte zwischen den einzelnen Phasen. Ihre Berechnung skizziert der folgende Absatz. - Sobald für die Handhebelsteuerung eine neue Situation eintritt, vollzieht sich ein Umplanen der generierten Trajektorien. Eine neue Situation tritt ein, sobald sich die Sollgeschwindigkeit
Fig. 6 ). Analog dazu ist eine Variation der maximal gültigen Beschleunigung durch kl oder amax möglich. - Bei einem Umplanen der Trajektorien wird zunächst aus der aktuell geplanten Geschwindigkeit
Fig. 5 ). Er ergibt sich in Abhängigkeit von der aktuell geplanten Beschleunigung - 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 T l,i wird zunächst die Beschleunigungsbeschränkung vernachlässigt, wodurch ΔT 2 = 0 gilt. Aufgrund dieser Vereinfachung lassen sich die Längen der beiden restlichen Zeitintervalle wie folgt angeben:
- Das Vorzeichen von ã folgt aus der Bedingung, dass ΔT 1 und ΔT 3 in (1.21) bzw. (1.22) positiv sein müssen.
-
- 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 =
a . Das noch unbekannte Zeitintervall ΔT 2 bestimmt sich nun aus (1.17) und (1.19) mit ΔT 1 und ΔT 3 aus (1.21) und (1.22) zu - Die zu planenden Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverläufe
-
Fig. 8 zeigt eine mittels des vorgestellten Verfahrens beispielhaft generierte Trajektorie. Der Verlauf der Trajektorien beinhaltet beide Fälle, welche aufgrund von (1.24) eintreten können. Im ersten Fall wird die maximal zulässige Beschleunigung zum Zeitpunkt t = 1 s erreicht und es folgt eine Phase mit konstanter Beschleunigung. Der zweite Fall tritt zum Zeitpunkt t = 3,5s ein. Hier wird die maximal zulässige Beschleunigung aufgrund der Handhebelstellung nicht vollständig erreicht. Die Folge ist, dass der erste und zweite Schaltzeitpunkt zusammenfallen und ΔT2 = 0 gilt. Der zugehörige Positionsverlauf berechnet sich nachFig. 5 durch Integration des Geschwindigkeitsverlaufs, wobei die Position bei Systemstart durch die aktuell von der Hubwinde abgewickelte Seillänge initialisiert wird. - Prinzipiell besteht die Ansteuerung aus zwei unterschiedlichen Betriebsmodi: der aktiven Seegangskompensation zur Entkopplung der vertikalen Lastbewegung von der Schiffsbewegung bei frei hängender Last und der Konstantspannungsregelung zur Vermeidung von Schlaffseil, sobald die Last auf dem Meeresboden abgesetzt ist. Während eines Tiefseehubs ist zunächst die Seegangskompensation aktiv. Anhand einer Detektion des Absetzvorgangs wird automatisch auf die Konstantspannungsregelung umgeschaltet.
Fig. 9 veranschaulicht das Gesamtkonzept mit den zugehörigen Führungs- und Regelgrößen. - 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.
- Durch die aktive Seegangskompensation soll die Hubwinde so angesteuert werden, dass die Windenbewegung die Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts
Fig. 9 ). Die daraus resultierenden Solltrajektorien für den Systemausgang der Antriebsdynamik bzw. der Windendynamik werden mit - Während der Konstantspannungsphase soll die Seilkraft an der Last Fsl auf einen konstanten Betrag geregelt werden, um Schlaffseil zu vermeiden. Daher wird in diesem Betriebsmodus der Handhebel deaktiviert, und die aus dem Handhebelsignal geplanten Trajektorien werden nicht mehr aufgeschaltet. Die Ansteuerung der Winde erfolgt wiederum durch eine Zwei-Freiheitsgrade-Struktur mit Vorsteuerungs- und Stabilisierungsteil.
- 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.
- Mithin stehen als Messgrößen für die Regelung lediglich die abgewickelte Seillänge ls und die zugehörige Geschwindigkeit is sowie die Kraft am Seilaufhängepunkt Fc zur Verfügung. Die Länge ls ergibt sich indirekt aus dem mit einem Inkrementalgeber gemessenen Windenwinkel ϕh und dem von der Wicklungslage jl abhängigen Windenradius rh (jl ). Die zugehörige Seilgeschwindigkeit is lässt sich durch numerische Differentiation mit geeigneter Tiefpassfilterung berechnen. Die am Seilaufhängepunkt angreifende Seilkraft Fc wird mit Hilfe einer Kraftmessachse erfasst.
-
Fig. 10 verdeutlicht die Ansteuerung der Hubwinde für die aktive Seegangskompensation mit einem Blockschaltbild im Frequenzbereich. Wie darin ersichtlich, erfolgt nur eine Rückführung der Seillänge und -geschwindigkeit yh = ls und ẏh = is aus dem Teilsystem des Antriebs Gh (s). Dadurch vollzieht sich die Kompensation der als Eingangsstörung auf das Seilsystem G s,z (s) wirkenden Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts - Die Übertragungsfunktion des Antriebssystems von der Stellgröße Uh (s) auf die abgewickelte Seillänge Yh (s) lässt sich als lT1 -System approximieren und ergibt sich zu
- Die Übertragungsfunktion des geschlossenen Kreises, bestehend aus der Stabilisierung Ka (s) und dem Windensystem Gh (s), lässt sich aus
Fig. 10 zu - Sobald die Last auf den Meeresgrund trifft, soll von der aktiven Seegangskompensation in die Konstantspannungsregelung umgeschaltet werden. Hierfür ist eine Detektion des Absetzvorgangs notwendig (vgl.
Fig. 9 ). Für sie und die anschließende Konstantspannungsregelung wird das Seil als einfaches FederMasse-Element approximiert. Somit berechnet sich die wirkende Kraft am Seilaufhängepunkt näherungsweise zu -
-
- Anhand eines Koeffizientenvergleichs zwischen (2.9) und (2.10) lässt sich die äquivalente Federkonstante als
- Trotzdem fließt in die Kraftmessung am Seilaufhängepunkt die volle Gewichtskraft des Seils µslsg ein.
- 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:
- Die Abnahme der negativen Federkraft ΔFc berechnet sich dabei jeweils in Bezug auf den letzten Hochpunkt
F c im gemessenen Kraftsignal Fc. Zur Unterdrückung von Messrauschen und hochfrequenten Störungen wird das Kraftsignal durch ein entsprechendes Tiefpassfilter vorverarbeitet. - Da die Bedingungen (2.14) und (2.15) gleichzeitig erfüllt sein müssen, wird eine Fehldetektion infolge einer dynamischen Seileigenschwingung ausgeschlossen: Als Resultat der dynamischen Seileigenschwingung oszilliert das Kraftsignal Fc, wodurch die Änderung der Federkraft ΔFc in Bezug auf den letzten Hochpunkt
F c und die zeitliche Ableitung der Federkraft Ḟc eine verschobene Phase aufweisen. Folglich können bei geeigneter Wahl der Schwellwerte ΔF̂c und - 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.
-
Fig. 11 zeigt die umgesetzte Ansteuerung der Hubwinde im Konstantspannungsmodus in einem Blockschaltbild im Frequenzbereich. Im Gegensatz zu der inFig. 10 veranschaulichten Regelungsstruktur wird hier der Ausgang des Seilsystems Fc (s), d. h. die am Seilaufhängepunkt gemessene Kraft, anstelle vom Ausgang des Windensystems Yh (s) zurückgeführt. Die gemessene Kraft Fc (s) setzt sich nach (2.12) aus der Kraftänderung ΔFc (s) und der statischen Gewichtskraft meg + µslsg, die im Bildbereich mit M(s) bezeichnet wird, zusammen. Für die eigentliche Regelung wird das Seilsystem wiederum als Feder-Masse-System approximiert. - 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
-
- 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 (15)
- Kransteuerung für einen Kran, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist, mit
einer aktiven Seegangskompensation, welche durch eine Ansteuerung des Hubwerks die Bewegung des Seilaufhängepunkts und/oder eines Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht, und
einer Bedienersteuerung, welche das Hubwerk anhand von Vorgaben des Bedieners ansteuert,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Aufteilung mindestens einer kinematisch beschränkten Größe des Hubwerks zwischen Seegangskompensation und Bedienersteuerung einstellbar ist. - Kransteuerung nach Anspruch 1, wobei die Aufteilung der mindestens einen kinematisch beschränkten Größe des Hubwerks eine Aufteilung der maximal zur Verfügung stehenden Leistung und/oder maximal zur Verfügung stehenden Geschwindigkeit und/oder maximal zur Verfügung stehenden Beschleunigung des Hubwerks umfasst und/oder wobei die Aufteilung der mindestens einen kinematisch beschränkten Größe über mindestens einen Gewichtungsfaktor erfolgt, über welchen die maximal zur Verfügung stehende Lesitung und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks zwischen der Seegangskompensation und der Bedienersteuerung aufgeteilt wird.
- Kransteuerung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aufteilung zumindest über einen Teilbereich stufenlos einstellbar ist und/oder wobei die Seegangskompensation über die Zuteilung der gesamten mindestens einen kinematisch beschränkten Größe zur Bedienersteuerung ausschaltbar ist.
- Kransteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung zwei getrennte Bahnplanungsmodule aufweist, über welche getrennt voneinander Trajektorien für die Seegangskompensation und für die Bedienersteuerung berechnet werden.
- Kransteuerung nach Anspruch 4, wobei die durch die zwei getrennten Bahnplanungsmodule vorgegebenen Trajektorien summiert werden und als Sollwerte für die Steuerung und/oder Regelung des Hubwerks dienen, wobei die Regelung des Hubwerks vorteilhafterweise Messwerte zur Position und/oder Geschwindigkeit der Hubwinde zurückführt und/oder die Dynamik des Antriebes der Hubwinde berücksichtigt.
- Kransteuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Seegangskompensation eine Optimierungsfunktion aufweist, welche anhand einer prognostizierten Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes und unter Berücksichtigung der für die Seegangskompensation zur Verfügung stehenden mindestens einen kinematisch beschränkten Größe eine Trajektorie berechnet und/oder wobei die Bedienersteuerung anhand von Vorgaben des Bedieners und unter Berücksichtigung der für die Bedienersteuerung zur Verfügung stehenden mindestens einen kinematisch beschränkten Größe eine Trajektorie berechnet.
- Kransteuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Aufteilung der mindestens einen kinematisch beschränkten Größewährend eines Hubes verändert werden kann, insbesondere durch Veränderung des Gewichtungsfaktors.
- Kransteuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Berechnungsfunktion, welche die aktuell zur Verfügung stehende mindestens eine kinematisch beschränkte Größe, und insbesondere die maximal zur Verfügung stehende Leistung und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks berechnet, wobei die Berechnungsfunktion vorteilhafterweise die Länge des abgewickelten Seiles und/oder die Seilkraft und/oder die zum Antrieb des Hubwerks zur Verfügung stehende Leistung berücksichtigt.
- Kransteuerung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Optimierungsfunktion der Seegangskompensation eine Änderung in der Aufteilung der mindestens einen kinematisch beschränkten Größe des Hubwerks und/oder eine Änderung der zur Verfügung stehenden mindestens einen kinematisch beschränkten Größe des Hubwerks während eines Hubes zunächst nur am Ende des Prädiktionshorizonts einbezieht und dann vorteilhafterweise mit fortschreitender Zeit an den Anfang schiebt.
- Kransteuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Optimierungsfunktion der Seegangskompensation eine Solltrajektorie bestimmt, welche in die Steuerung und/oder Regelung des Hubwerkes eingeht,
wobei die Optimierung bei jedem Zeitschritt auf Grundlage einer aktualisierten Prognose der Bewegung des Lastaufnahmepunktes erfolgt und/oder
wobei jeweils der erste Wert der Solltrajektorie zur Regelung herangezogen wird und/oder
wobei die Optimierungsfunktion mit einer größeren Abtastzeit arbeitet als die Regelung und/oder
wobei die Optimierungsfunktion auf eine Notfall-Trajektorienplanung zurückgreift, wenn keine gültige Lösung auffindbar ist. - Kransteuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Bedienersteuerung anhand eines von einem Bediener durch eine Eingabevorrichtung, insbesondere einen Handhebel, vorgegebenen Signals eine vom Bediener gewünschte Geschwindigkeit berechnet, und/oder wobei die Bahnplanung der Bedienersteuerung die Trajektorie durch Integration des maximal zulässigen positiven Rucks erzeugt, bis die maximale Beschleunigung erreicht ist, und daraufhin vorteilhafterweise durch Integration der maximalen Beschleunigung, bis die gewünschte Geschwindigkeit durch ein Aufschalten des maximalen negativen Rucks erreicht werden kann.
- Kran mit einer Kransteuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
- Verfahren zur Steuerung eines Krans, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist, mit
wobei eine Seegangskompensation durch eine automatische Ansteuerung des Hubwerks die Bewegung des Seilaufhängepunkts und/oder eines Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht, und
wobei das Hubwerk anhand von Vorgaben des Bedieners über eine Bedienersteuerung angesteuert wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine kinematisch beschränkte Größe des Hubwerks variabel zwischen der Seegangskompensation und Bedienersteuerung aufgeteilt wird und/oder wobei getrennt voneinander Trajektorien für die Seegangskompensation und für die Bedienersteuerung berechnet werden. - Verfahren nach Anspruch 13 mittels einer Kransteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
- Software mit Code zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 13 oder 14.
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