EP2681147B1

EP2681147B1 - Verfahren und steuerungseinrichtung zur schwingungsarmen bewegung eines bewegbaren kranelementes eines kransystems

Info

Publication number: EP2681147B1
Application number: EP20120708121
Authority: EP
Inventors: Michael Vitovsky
Original assignee: Schneider Electric Automation GmbH
Current assignee: Schneider Electric Automation GmbH
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2032-03-05
Also published as: US20140067111A1; DE102011001112A1; CN103608282A; EP2681147A1; CN103608282B; WO2012119985A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur schwingungsarmen Steuerung der Bewegung eines bewegbaren Kranelementes wie Kranausleger eines Kransystems mittels eines Motors, welches zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz anregbar ist und eine Dämpfungsrate aufweist, wobei das bewegbare Kranelement mit einem Steuersignal angesteuert wird, dessen Spektrum im Wesentlichen frei von Eigenfrequenzen des Kransystems ist, wobei das Steuersignal aus einem Bedienersignal einer Bedienperson unter Berücksichtigung von System-Parametern des Kransystems berechnet wird sowie eine Steuerungseinrichtung zur schwingungsarmen Steuerung der Bewegung eines bewegbaren Kranelementes wie Kranauslegers eines Kransystems, welches zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz anregbar ist und eine Dämpfungsrate aufweist, wobei das bewegbare Kranelement mit einem Steuersignal ansteuerbar ist, dessen Spektrum im Wesentlichen frei von der Eigenfrequenz ist, wobei das Steuersignal in einer Sollwert-Recheneinheit aus einem Bedienersignal einer Bedienperson unter Berücksichtigung von System-Parametern berechnet wird und wobei das am Ausgang der Sollwert-Recheneinheit anliegende Steuersignal einer Motorsteuerung zur Ansteuerung des Motors zugeführt wird.
Ein Verfahren und eine Steuerungseinrichtung der eingangs genannten Art ist in der DE-A-10 2004 052 616 beschrieben. Das Verfahren dient zur Steuerung der Bewegung eines bewegbaren Kranelementes eines Kransystems, wobei zumindest Teile des Kransystems zu einer Pendelschwingung anregbar sind. Dabei weist das Kransystem wenigstens eine Eigenfrequenz auf, welche durch die Bewegung des bewegbaren Kranelementes veränderbar ist. Mittels eines Ansteuerkreises wird ein Steuersignal erzeugt, das eine Antriebseinheit des Kransystems zur Bewegung des bewegbaren Kranelementes, beispielsweise in Form einer Laufkatze, ansteuert. Hierbei wird das Steuersignal im Wesentlichen ohne die Eigenfrequenz der Pendelschwingung des Kransystems generiert, so dass eine Anregung der Pendelschwingung soweit wie möglich unterbleibt. Die in einer flexiblen Struktur eines Turmdrehkrans gespeicherte Energie verursacht während der Beschleunigung und Verzögerung von Schwenkbewegungen Schwingungen in der Struktur. Diese Schwingungen, welche die Schwenkgeschwindigkeit des Kranauslegers überlagern, werden von einem Kranführer als eine instabile Geschwindigkeit des Ausleger-Endes wahrgenommen. Ein solches Verhalten erschwert die Steuerung des Krans, insbesondere präzise Positionierung und manuelle Steuerung der Schwenkbewegung bei niedriger Schwenkgeschwindigkeit.
Ein Turmdrehkran verhält sich während der Schwenkbewegung wie eine Feder. Die von dem Motor abgegebene Energie resultiert in einer Torsion des Turms und des Auslegers. Die in dem mechanischen System gespeicherte Energie bewirkt Schwingungen der Struktur, wie dies in Fig. 1b dargestellt ist.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die durch eine Schwenkbewegung verursachten Schwingungen zu behandeln.
Antriebe ohne Frequenzumwandler:

Fluidkopplung (indirekte Kopplung zwischen einem Motor und einer Schwenkachse)
Wirbelstrombremse, wobei das Bremsmoment durch eine Wirbelstrombremse aufgebracht wird,

Antriebe mit Frequenzumwandler:

V/f-Motor-Steuerungs-Mode (Soft-Motor-Steuerungs-Mode, Motorgeschwindigkeit wird durch das Drehmoment beeinflusst),
Begrenzung des Generator-Drehmoments (Motorgeschwindigkeit wird durch Drehmoment beeinflusst, sofern im Generator-Quadranten),

Durch zuvor aufgelistete Möglichkeiten soll das Problem gelöst werden, indem die Kraft, welche die primäre Ursache für die Schwingungen ist, reduziert wird. Dies bedeutet aber, dass die Geschwindigkeit des Antriebsmotors bzw. der Antriebsachse durch das von den Schwingungen in der Struktur resultierende Drehmoment beeinflusst wird. Keine der vorgestellten passiven Lösungen ist optimal, da diese Reaktionsfähigkeit opfern, um Schwingungen zu reduzieren.
Ferner sind Verfahren bekannt, bei denen die aktive Erzeugung eines Geschwindigkeitsprofils verwendet wird, wie z. B. "Posicat"-Steuerung von O.J.M. Smith und Input-Shaping von N.C. Singer, W.E. Singose und W.P. Seering oder T. Sing u. a. "Tutorial on input shaping/time delay control of maneuvering flexible structures, N. Singer: An input shaping controller enabling crans to move about sway", auf deren Inhalt vollinhaltlich Bezug genommen wird.
Obige Aufsätze beziehen sich allerdings auf Pendelbewegungen von an einem Kranausleger hängenden Lasten.
Die DE 41 30 970 A1 offenbart ein Steuerungssystem für einen Elektromotor, der eine Seiltrommel einer Bergwerkswinde oder eines Fördersystems antreibt, welches ein von einem Seil getragenes Transportmittel aufweist und ein schwingendes System bildet. Das Steuerungssystem weist einen Lastsensor zum Überwachen der Belastung des Seils, einen Seillängensensor zum Überwachen der von der Seiltrommel abgewickelten Seillänge, eine auf Signale der Sensoren reagierende Motorsteuereinheit, die Sollwerte für die Drehzahl, die Beschleunigung und die Druckbewegung des schwingenden System berechnet, auf. Die Steuereinheit erzeugt ein Steuersignal, das in ein Verhältnis zu einer Eigenschwingungscharakteristik des schwingenden Systems gesetzt ist, um die Erzeugung von Schwingungen in dem System zu verhindern und steuert eine Motorantriebseinrichtung entsprechend dem Steuersignal. Hierdurch soll ein Steuersystem für den Normalbetrieb und für Notbremsvorgänge geschaffen werden, das die Schwingungen in Längsrichtung verringert.
In der DE 10 2006 048 988 A1 ist ein Steuerungssystem für einen Auslegerkran mit einem Turm und einem an dem Turm schwenkbar angebrachten Ausleger beschrieben. Der Auslegerkran umfasst einen ersten Aktor zum Erzeugen einer Wipp-Bewegung des Auslegers, einen zweiten Aktor zum Drehen des Turms, erste Mittel zum Ermitteln der Position und/oder der Geschwindigkeit des Auslegerkopfes durch Messungen, zweite Mittel zum Ermitteln des Drehwinkels und/oder der Drehgeschwindigkeit des Turms durch Messung, wobei das Steuerungssystem den ersten und den zweiten Aktor steuert. Hierbei wird die Beschleunigung der Last in der radialen Richtung aufgrund einer Drehung des Krans durch eine Wipp-Bewegung des Auslegers in Abhängigkeit von der durch die zweiten Mittel ermittelten Drehgeschwindigkeit des Turms ausgeglichen. Es soll ein Steuerungssystem für einen Auslegerkran bereitgestellt werden, das eine bessere Präzision aufweist und insbesondere zu einer besseren Steuerung der Dämpfung der Pendelbewegung der Last führt.
Die DE 10 2009 032 270 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines Antriebs eines Kranes. Dabei dient eine Soll-Bewegung der Auslegerspitze als Eingangsgröße, auf deren Grundlage eine Steuergröße zur Ansteuerung des Antriebs berechnet wird. Um ein Verfahren zur Ansteuerung eines Antriebs eines Krans zur Verfügung zu stellen, welches durch Schwingungen verursachte Belastungen der Kranstruktur vermindert, ist vorgesehen, dass bei der Berechnung der Steuergröße die Schwingungsdynamik des Systems aus Antrieb und deren Kranstruktur berücksichtigt wird, um Eigenschwingungen zu reduzieren. Die Berechnung der Steuergröße erfolgt auf der Grundlage eines mathematischen Modells der Kranstruktur. Die Erstelllung und Berechnung des mathematischen Modells ist mit erheblichem Aufwand verbunden.
Die DD 260 052 bezieht sich auf eine Steuerung der Bewegungsvorgänge für elastische, spielbehaftete Fahrwerksantriebe von Kranen, insbesondere für solche, bei denen durch das Spiel im Antrieb bzw. durch die Elastizität des Tragwerks unerwünschte Schwingungsbeanspruchungen beim Anfahren und Bremsen entstehen. Eine solche Steuerung hat die Aufgabe, bei Antrieben von elastischen Krankonstruktionen bzw. bei solchen mit Spiel den Bewegungsvorgang automatisch so zu steuern, dass unerwünschte Schwingungsbeanspruchungen vom Tragwerk und Antrieb ferngehalten werden. Als Vorteil ist angegeben, dass durch die Beanspruchungsreduzierung Stillstandzeiten der Krane infolge Zerstörung von Baugruppen der Antriebe oder des Tragwerks durch Überbeanspruchung gesenkt und dass Beruhigungszeiten des Fahrwerks am Zielpunkt vermindert werden.
Die WO 2010/045602 A1 bezieht sich auf eine Schwenkarmanordnung sowie auf ein Verfahren zur Steuerung einer solchen. Es wird ein Verfahren zur Kalibrierung der Dämpfungsrate sowie der Eigenfrequenz der Schwenkarmanordnung unter Verwendung eines Durchflusssteuerventils beschrieben. Das Verfahren umfasst den Empfang von Drucksignalen von Drucksensoren, die den Druck in einem Aktuator berücksichtigen. In einem ersten Zyklus werden Hoch- und Nieder-Druckventile und mit den Druckventilen assoziierte Zeiten erfasst. Hoch- und Niederdruckwerte und Zeiten, die mit diesen Druckventilen assoziiert sind, werden des Weiteren über einen zweiten Zyklus erfasst. Eigenfrequenz und Dämpfungsrate basieren auf den Druckwertzeiten, die mit den Druckwerten und Zeiten des ersten und zweiten Zyklusses assoziiert sind.
Das Verfahren bezieht sich allerdings auf die Steuerung hydraulischer Ventile, die dann der weiteren hydraulischen Steuerung von hydraulischen Rezeptoren bzw. hydraulischen Motoren dienen.
Die US 4 916 635 A bezieht sich auf die Formgebung eines Steuereingangssignals, um unerwünschte Dynamiken zu minimieren. Dazu wird eine Sequenz von Impulsen bestimmt, die unerwünschte Dynamiken in einem dynamischen System eliminieren. Diese Impulssequenz wird mit einem beliebigen Steuereingangssignal gefaltet, um das dynamische System zu einem Output mit einem Minimum an unerwünschter Dynamik zu veranlassen.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Steuerungseinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die Schwingungen in der Struktur eines Turmdrehkrans während der Schwenkbewegung reduziert werden und die Konfiguration der Steuerungseinrichtung vereinfacht ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die System-Parameter in Form der Eigenfrequenz sowie der Dämpfungsrate des Kransystems während des Betriebs automatisch berechnet werden und dass das Steuersignal als aktives Geschwindigkeits-Referenzprofil in Echtzeit aus dem Bedienersignal der Bedienperson sowie der berechneten Eigenfrequenz und der Dämpfungsrate des Kransystems berechnet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet ein automatisch erzeugtes Geschwindigkeits-Referenzprofil für den Antriebsmotor wie Schwenkmotor, um Schwingungen bei der Eigenfrequenz der Struktur des Kransystems zu unterdrücken.
Das Verfahren wird als Open Loop-Steuerungsverfahren ausgeführt. Das modifizierte Geschwindigkeits-Referenzprofil wird in Echtzeit (Realtime) aus Steuerbefehlen bzw. Bedienersignalen einer Bedienperson, der Eigenfrequenz des Systems und dessen Dämpfungsrate berechnet.
Diese Parameter werden unter Verwendung eines automatischen Identifikations- und Konfigurations-Algorithmus berechnet.
Das Verfahren zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass ein mathematisches Modell der Kranstruktur nicht zwingend notwendig ist.
Ein besonders bevorzugtes Verfahren, welches für die automatische Berechnung von Parametern verwendet wird, basiert auf Werten des aktuellen Motordrehmoments und/oder Motorstroms, welche an einer Motorsteuerung mit variabler Geschwindigkeit erfasst werden. Der Wert des Motordrehmoments/Motorstroms schwankt mit derselben Frequenz wie die mechanische Struktur des Krans schwingt. Daher ist es möglich, Parameter der Kranstruktur unter Verwendung eines abgetasteten Drehmomentprofils abzuleiten. Vorzugsweise wird die Eigenfrequenz f_EIG und die Dämpfungsrate (ζ) des Kranelements aus dem gemessenen Strom- und/oder Drehmoment des Motors berechnet.
Ein bevorzugtes Autokonfigurationsverfahren für einen Turmdrehkran weist folgende Verfahrensschritte auf:

a) Ausführung einer ersten Bewegung des bewegbaren Kranelementes durch Beschleunigung mittels eines frei wählbaren Geschwindigkeitsprofils wie Beschleunigungsrampe mit linearem Verlauf, welche steil genug ist, Schwingungen des Kransystems anzuregen,
b) Abtasten von Drehmoment- und/oder Stromwerten,
c) Durchführung einer Spektralanalyse vorzugsweise mittels Fast-Fourier-Transformation mit den erfassten Drehmoment- und/oder Stromwerten und Ermitteln einer Spektralverteilung,
d) Auffinden einer dominanten Frequenz der Spektralverteilung als Eigenfrequenz des Kransystems,
e) Berechnung der Dämpfungsrate aus ursprünglich abgetasteten Strom- und/oder Drehmomentwerten.

Vorzugsweise können die Verfahrensschritte mit der im jeweils vorausgegangenen Zyklus ermittelten Beschleunigungsrampe regelmäßig wiederholt werden.
Die Abtastung der Strom- und/oder Drehmomentwerte erfolgt nach Abschluss der Beschleunigung über zumindest eine Periode einer Strom- und/oder Drehmomentschwingung.
Eine bevorzugte Verfahrensweise zeichnet sich dadurch aus, dass das Geschwindigkeits-Referenzprofil durch mathematische Faltung des von der Bedienperson vorgegebenen Bedienersignals mit einem Schwingungen bei Eigenfrequenz der Struktur des Kransystems unterdrückenden Frequenzeliminations-Signals berechnet wird, wobei das Frequenzeliminations-Signal in Echtzeit aus der ermittelten Eigenfrequenz und der Dämpfungsrate abgeleitet wird.
Das gewünschte Geschwindigkeits-Referenzprofil wird durch Faltung des beliebigen Geschwindigkeitsbefehls, welcher von der Bedienperson stammt, mit dem Frequenzeliminationssignal, welches Schwingungen bei Eigenfrequenz der Kranstruktur aufhebt, erzeugt. Das Ergebnis dieser Faltungs-Operation ist das Geschwindigkeits-Referenzsignal, welches keine Schwingungen bei der Eigenfrequenz des Systems anregt und somit eine sanfte Schwenkbewegung des Auslegers erlaubt.
Gemäß bevorzugter Verfahrensweise ist vorgesehen, dass das Frequenzeliminations-Signal zwei zeitversetzte Impulse mit jeweils einer Amplitude aufweist, wobei die Impulse um eine Zeit t zueinander zeitversetzt sind mit $t = \frac{1}{2 f \sqrt{1 - ζ^{2}}}$

wobei f die berechnete Eigenfrequenz und ζ die berechnete Dämpfungsrate sind.
Es existiert eine Vielzahl von Signalen, welche die Anforderung des Auslöschens von Schwingungen bei einer gegebenen Frequenz eines Systems erfüllen, wobei das einfachste Signal durch zwei in der Zeit versetzte Impulse repräsentiert wird. Dieses Signal wurde benutzt, da es die kürzesten Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen liefert - eine der wichtigsten Kriterien für Bedienperson.
Vorzugsweise wird als Bedienersignal der Bedienperson ein Rechteck-Signal oder Trapez-Signal verwendet.
Das Geschwindigkeitsprofil zur Ansteuerung des Antriebs- bzw. Schwenkmotors wird derart modifiziert, dass dieses an die mechanischen Frequenzcharakteristiken der Struktur angepasst ist, so dass weniger Spannungen auf die Struktur wirken, weniger Störungen entstehen und eine stabile Geschwindigkeit des Kranauslegers erreicht wird. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, welche die Verwendung einer V (Spannungs-) /F (Frequenz)-Motorsteuerung oder eines anderen Verfahrens zur Begrenzung des Drehmoments bevorzugen, "kämpft" die Motorsteuerung nicht mit der Kranstruktur, sondern steuert den Motor in einer optimalen Art und Weise. Bei bekannten Verfahren kann die Motorgeschwindigkeit lediglich durch das Drehmoment beeinflusst werden, welches durch Torsion der Struktur erzeugt wird, um die Bewegung zu glätten.
Die Verwendung von aktiven Profil-Generatoren erfordert die Vorgabe von System-Parametern wie Eigenfrequenz und Dämpfungsrate. Es ist möglich, eine Messung von Frequenzen der Kranstruktur und dessen Dämpfungsrate unter Verwendung von zusätzlichen Sensoren durchzuführen. Dieser Ansatz erfordert jedoch eine zusätzliche Hardware, welche die Einfachheit reduziert und die Kosten für die Lösung erhöhen würde.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die System-Parameter während des Betriebs des Turmdrehkrans fortlaufend berechnet werden und dass bei einer Änderung der mechanischen Eigenschaften der Struktur eine Anpassung des Geschwindigkeits-Referenzprofils erfolgt.
Der Konfigurations-Algorithmus kann vorzugsweise auch während des üblichen Betriebs der Maschine in Betrieb sein und Systemparameter des Geschwindigkeitsgenerators ändern, wenn sich z. B. mechanische Eigenschaften des Systems ändern. Dies kann durch Erfassung steigender Schwingungen und Messung der Frequenz "on-the-fly" erfolgen.
Die Software zur Durchführung des Verfahrens ist in einer SoMachine (eingetragene Marke)-Software implementiert und derart entwickelt, um auf einem PC zu laufen, welcher eine 32-Bit-Floating-Point-Mathematik unterstützt. Die Funktion bzw. das Verfahren muss in einem periodischen Task ausgeführt werden. Der Steueralgorithmus wird zu diskreten Zeiten ausgeführt. Die Ausführungs-Periode wird zur Berechnung des Geschwindigkeitsreferenz-Profils verwendet. Das Verfahren kann bei Antrieben mit variabler Geschwindigkeit verwendet werden, welche in Vektor-Steuerungs-Modi dem Geschwindigkeits-Referenzprofil genau folgen können.
Das beschriebene Verfahren erlaubt die automatische Konfiguration von Geschwindigkeitsprofilgeneratoren, welche Eigenfrequenz und Dämpfungsrate als Eingangsparameter benötigen.
Bei dem Verfahren entfällt die Notwendigkeit, Parameter zu konfigurieren, deren Auffinden ohne zusätzliches Equipment Schwierigkeiten bereiten könnte. Somit vereinfacht sich die Kommissionierung/Inbetriebnahme der optimalen Schwenkbewegung von Turmdrehkranen.
Eine Steuerungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungseinrichtung eine Messeinrichtung zur Erfassung eines die Eigenfrequenz f_EIG und die Dämpfungsrate ζ des Kranelements implizit enthaltenen Schwingungsverlaufs insbesondere eines Motorstroms und/oder eines Motordrehmoments sowie eine mit dieser verbundene Parameter-Recheneinheit zur Echtzeit-Berechnung der System-Parameter in Form von Eigenfrequenz sowie Dämpfungsrate aus den erfassten Messwerten, insbesondere Strom- und/oder Drehmomentwerten aufweist, dass die Parameter-Recheneinheit mit der als Geschwindigkeits-Referenzprofil-Generator ausgebildeten Sollwert-Recheneinheit verbunden ist, in der das Steuersignal als aktives Geschwindigkeits-Referenzprofil aus dem von der Bedienperson vorgegebenen Eingabesignal unter Berücksichtigung der in Echtzeit ermittelten Eigenfrequenz und Dämpfungsrate des Kransystems berechenbar ist.
Die Messeinrichtung kann als eine Strom-/Drehmomenteinrichtung oder als ein Schwingungssensor ausgebildet sein.
In bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Parameter-Recheneinheit eine als Spektralanalysator wie Fast-Fourier-Transformationseinheit ausgebildete Recheneinheit aufweist und dass ein Ausgang der Recheneinheit mit einer Recheneinheit zur Berechnung der Systemparameter Eigenfrequenz und Dämpfungsrate verbunden ist.
In der als Spektralanalysator ausgebildeten Recheneinheit werden die erfassten Messwerte mittels Fast-Fourier-Transformation analysiert, wobei eine dominante Frequenz in dem Spektrum des Strom-/Drehmomentverlaufs vorzugsweise durch Vergleich mit vorgegebenen Mittelwerten bestimmt wird.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass ein Ausgang der Sollwert-Recheneinheit mit einer Motorsteuerung verbunden ist, und dass die Motorsteuerung als Open-Loop-Steuerung ausgebildet ist, umfassend einen Geschwindigkeitsregler, einen vorzugsweise unterlagerten Drehmoment-/Stromregler sowie die Messeinrichtung, wobei der Motorstrom und/oder das Motordrehmoment über einen zwischen dem Geschwindigkeitsregler und dem Drehmoment-/Stromregler angeordnetes Addierglied in den Drehmoment-/Stromregler zurückgeführt wird.
Die Motorsteuerung weist des Weiteren ein Geschwindigkeits-Abschätzglied auf, welches aus den in der Messeinrichtung ermittelten Strom-/Drehmomentwerten einen Geschwindigkeits-Istwert ableitet, welcher mit dem Geschwindigkeits-Referenzprofil verknüpft und dem Geschwindigkeitsregler zugeführt wird.
Vorzugsweise kann das Bedienersignal über eine Modifiziereinheit mit der Sollwert-Recheneinheit verbunden sein.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass der Antrieb- bzw. Schwenkmotor des Krans in einer optimalen Art und Weise angesteuert wird , wobei die in die Struktur eingeleitete Energie nicht zur Anregung von Schwingungen verschwendet, sondern zur Ausführung einer geschmeidigen, ruckfreien Schwenkbewegungen eingesetzt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden folgen Vorteile erreicht:

sanfte, oszillationsfreie Bewegung des Auslegers,
reduzierte Spannungen auf die Struktur,
Reduzierung von während der Bewegung erzeugten Geräuschen,
das volle Drehmoment ist zum Antrieb des Auslegers verfügbar,
signifikante energieeffiziente Reduktion von durch die Oszillation verschwendeter Energie.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der den Figuren zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:

Fig. 1a: eine schematische Darstellung eines Turmdrehkrans,
Fig. 1b: den Zeitverlauf einer Soll- und Ist-Winkelgeschwindigkeit über der Zeit eines Kranauslegers,
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Steuerungssystems,
Fig. 3: eine Darstellung von Geschwindigkeitsprofilen über der Zeit,
Fig. 4: eine Darstellung von Schwingungsausschlägen über der Zeit,
Fig. 5: eine abklingende Schwingung,
Fig. 6a) - d): Geschwindigkeits-Sollprofile als Ergebnis einer Faltung eines Bedienerimpulses mit einer Rampenfunktion,
Fig. 7: ein Geschwindigkeitsprofil als Ergebnis einer Faltung eines Eingangsimpulses mit einer Rampenfunktion mit linear ansteigender Rampe,
Fig. 8 a), b): ein Geschwindigkeitsprofil mit ansteigender Rampe, resultierendes Geschwindigkeitsprofil eines Kranauslegers sowie Strom-/Drehmomentverlauf des Antriebsmotors,
Fig. 9: eine Spektralverteilung des Drehmoment-/Stromverlaufs gemäß Fig. 8b),
Fig. 10a): einen Drehmoment-/Stromverlauf des Antriebsmotors,
Fig. 10b)-c): Spektralverteilungen von Zeitabschnitten des Drehmoment-/Stromverlaufs gemäß Fig. 10a),

Fig. 11a), b): ein modifiziertes Geschwindigkeitsprofil mit resultierendem Geschwindigkeitsverlauf des Kranauslegers und Drehmoment-/Stromverlauf des Motors und
Fig. 12: eine Spektralverteilung des Drehmoment-/Stromverlaufs gemäß Fig. 11b).

Fig. 1a zeigt rein schematisch eine flexible, mechanische Struktur eines Kransystems wie Turmdrehkrans 10, umfassend einen von einer Basis 12 ausgehenden Turm 14, an dem über ein Gelenk 16 ein Ausleger 18 drehbar gelagert ist. Der Ausleger 18 ist mittels eines elektrischen Motors 20 um eine Schwenkachse 22 in Richtung des Pfeils 23 schwenkbar. Die in der flexiblen Struktur des Turmdrehkrans 10 gespeicherte Energie verursacht während eines Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsvorgangs Schwingungen in der mechanischen Struktur, die mit dem Bezugszeichen 24 gekennzeichnet sind. Die Schwingungen, welche eine Schwenkgeschwindigkeit des Kranauslegers 18 überlagern, werden von einem Kranführer beispielsweise als eine instabile Geschwindigkeit des Ausleger-Endes wahrgenommen.
Fig. 1b zeigt den Verlauf einer gewünschten Soll-Geschwindigkeit V_SOLL gemäß Kurve 26 und einer Ist-Geschwindigkeit V_IST gemäß Kurve 28.
Die mechanische Struktur des Turmdrehkrans 10 verhält sich während der Schwenkbewegung wie eine Feder. Die von dem Motor 20 abgegebene Energie resultiert in einer Torsion des Turms 14 und des Auslegers 18. Die in der mechanischen Struktur gespeicherte Energie bewirkt Schwankungen der Ist-Geschwindigkeit 28, wie dies in der Fig. 1b dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt rein schematisch eine Steuerungseinrichtung 30 zur schwingungsarmen Ansteuerung des Kranauslegers 18 bzw. Turms 14 des Turmdrehkrans 10 mittels des Motors 20.
Die Steuerungseinrichtung 30 umfasst eine Motorsteuerung 32 mit einem Geschwindigkeitsregler 34, dem eingangsseitig über ein Addierglied 36 ein Geschwindigkeits-Sollwert V_SOLL sowie ein Geschwindigkeits-Istwert V_IST zugeführt werden.
Der Geschwindigkeitsregler 34 ist ausgangsseitig über ein Addiererglied 38 mit einem Strom-/Drehmoment-Regler 40 verbunden, der ausgangsseitig Strom-/Drehmomentwerte I/M zur Ansteuerung des Motors 20 liefert. Die Strom-/Drehmomentwerte I/M werden mittels einer Messeinrichtung 42 erfasst und in Form eines Regelkreises einerseits dem Addierglied 38 und andererseits einer Geschwindigkeits-Schätzeinrichtung 44 zugeführt, die den Geschwindigkeits-Istwert V_IST für das Addierglied 36 bereitstellt.
Durch die beschriebenen Geschwindigkeits- und Strom-Regelkreise wird eine variable Motorsteuerung 32 mit variabler Geschwindigkeit zur Verfügung gestellt.
Gemäß der Erfindung werden mittels der Messeinrichtung 42 einem Drehmoment M des Motors 20 entsprechende oder proportionale Werte wie Stromwerte des Motors 20 erfasst und einer Geschwindigkeitsprofil-Erzeugungs- und -Identifikationseinheit 46 zugeführt. Die Geschwindigkeitsprofil-Erzeugungs- und -Identifikationseinheit 46 umfasst eine Spektralanalyseeinheit wie Fast-Fourier-Transformationseinheit 48, in der die erfassten Messwerte einer Spektralanalyse wie Fast-Fourier-Transformation unterzogen werden. Sodann werden die analysierten Werte einer Recheneinheit 50 zugeführt, in der System- Parameter wie Eigenfrequenz f_EIG und/oder Dämpfungsrate ζ des Kransystems 10 berechnet werden. Die berechneten System-Parameter dienen als eine erste Eingangsgröße für einen Geschwindigkeitsprofil-Generator 52. Ein Steuerbefehl S_BED eines Kranführers bzw. einer Bedienperson wird gegebenenfalls mit vorheriger Anpassung durch eine Modifiziereinheit 54 dem Geschwindigkeits-Profilgenerator 50 als zweite Eingangsgröße zugeführt.
Aus den System-Parametern und dem Steuerbefehl S_BED des Kranführers wird sodann ein Geschwindigkeitsprofil für den Geschwindigkeits-Sollwert V_SOLL berechnet.
Die Verwendung eines Geschwindigkeitsprofil-Generators 52 zur schwingungsarmen Ansteuerung eines Motors 20 ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt.
Gemäß der Erfindung erfolgt jedoch eine automatische Berechnung der System-Parameter, basierend auf Werten des aktuellen Motorstroms I und/oder Motordrehmoments M, welche mittels der Messeinrichtung 42 während des Betriebs erfasst werden.
Dabei wird ausgenutzt, dass das Motordrehmoment M und folglich der Motorstrom I mit derselben Frequenz schwingt wie die mechanische Struktur des Turmdrehkrans 10. Daher ist es möglich, System-Parameter der mechanischen Struktur, insbesondere die Eigenfrequenz f _EIG und die Dämpfungsrate ζ unter Verwendung des abgetasteten Strom-/Drehmoment-Profils abzuleiten.
Fig. 3 zeigt zwei Geschwindigkeitsprofile 56, 58 für den Geschwindigkeits-Sollwert V_SOLL, wobei das Geschwindigkeitsprofil 56 eine lineare Rampe und das Geschwindigkeitsprofil 58 eine stufenförmige Rampe gleicher Zeitdauer darstellt. Im Zeitabschnitt von 2 sec bis 6 sec ist eine Beschleunigung und im Zeitbereich 16 sec bis 21 sec eine Verzögerung darstellt.
Für die in Fig. 3 dargestellten Geschwindigkeitsprofile 56, 58 sind in Fig. 4 entsprechend Schwingungsverläufe 60, 62 der Geschwindigkeit eines Endes des Auslegers 18 dargestellt, wobei der Schwingungsverlauf 60 aus der Ansteuerung mit der Geschwindigkeitsrampe 58 und der Schwingungsverlauf 62 aus der Ansteuerung mit dem Geschwindigkeitsprofil 56 resultiert.
Obige Schwingungsverläufe 60, 62 verdeutlichen, dass die Geschwindigkeitsrampe 58 weniger Schwingungen in der mechanischen Struktur erzeugt als beispielsweise die Ansteuerung mit der Geschwindigkeitsrampe 56.
Das gewünschte Geschwindigkeits-Referenzprofil 58 wird durch mathematische Faltung eines aus dem Steuerbefehl S_BED generierten Steuersignals S_STEU mit einem Frequenzeliminationssignal S_FREQ erzeugt, welches Schwingungen bei Eigenfrequenz der Kranstruktur aufhebt. Wird der Motor 20 mit dem Geschwindigkeits-Referenzprofil 58 als Geschwindigkeits-Sollwert V_SOLL angesteuert, werden keine Schwingungen bei der Eigenfrequenz der mechanischen Struktur angeregt und somit wird eine sanfte Schwenkbewegung des Auslegers 18 ermöglicht.
Es existiert eine Vielzahl von Frequenzeliminationssignalen S_FREQ, welche die Anforderung des Auslöschens von Schwingungen bei einer gegebenen Eigenfrequenz der Struktur erfüllen, wobei ein einfaches Signal S_FREQ zwei um die Zeit t₁ zeitversetzte Impulse 68, 70; 72, 74; 76, 78; 80, 82; 84, 86 aufweist. Die Impulse können unterschiedliche Amplituden A und Zeitdauern Δt aufweisen, wie in Fig. 6a) - 6d) dargestellt ist.
Das Frequenzeliminationssignal S_FREQ besteht, wie zuvor erläutert, aus zwei Impulsen, beispielsweise Impulse 68, 70. Der erste Impuls 68 wird zum Zeitpunkt t = 0 sec erzeugt, um die Gesamtlänge der modifizierten Beschleunigungs- und Verzögerungsrampe so kurz wie möglich zu halten. Der zweite Impuls 70 ist um die Zeit t₁ zeitversetzt, welche von der Eigenfrequenz f_EIG der Kranstruktur 10 und dessen Dämpfungsrate ζ abhängt.
Die Zeit t zum Setzen des zweiten Impulses entspricht der halben Periode einer Schwingung der Eigenfrequenz f_EIG der Kranstruktur, kompensiert durch die Dämpfungsrate ζ. $t = \frac{1}{2 f \sqrt{1 - ζ^{2}}}$

wobei f die Eigenfrequenz [Hz] der Kranstruktur und ζ die Dämpfungsrate ist.
Die Dämpfungsrate ζ definiert die Rate der Dämpfung einer Schwingung gemäß Fig. 5 bei Eigenfrequenz f_EIG. Zur Berechnung der Dämpfungsrate ζ benötigt man das logarithmische Dekrement δ, welches als Logarithmus des Verhältnisses von zwei aufeinander folgenden Amplituden A₁, A₂ definiert ist: $δ = \ln \frac{x_{1}}{x_{2}}$
Die Formel zur Berechnung der Dämpfungsrate ζ lautet: $ζ = \frac{δ}{\sqrt{{(2 π)}^{2} + δ^{2}}}$
Die Beziehung zwischen Amplituden A1, A2 von Pulsen ist: $\frac{A_{2}}{A_{1}} = e^{\frac{- ζπ}{\sqrt{1 - ζ^{2}}}}$
Die Amplituden A1, A2 beider Pulse müssen in Summe 1 ergeben, um für den generierten Steuerbefehl den Wert für den ungeformten Steuerbefehl zu erreichen $A_{1} + A_{2} = 1$
Die resultierende Impulssequenz wird sodann mit einem gewöhnlichen Steuersignal gefaltet. $(f * g) = \int_{0}^{t} f (τ) g (t - τ) dτ$

f = Steuerbefehl des Bedieners
g = vorberechnete Impuls sequenz.
Die Eigenfrequenz f_EIG des flexiblen Systems 10 ist eine Frequenz, bei der die mechanische Struktur des Turmdrehkrans 10 schwingt, wenn eine kinetische Energie auf die Struktur einwirkt (z. B. wenn die Struktur beschleunigt wird). Das optimale Verfahren zur Messung der Frequenz ist abhängig von dem Messsystem. Der einfachste Weg ist, die Schwingungen über eine Zeitperiode zu zählen. Die Frequenz kann sodann mit folgender Formel berechnet werden:

f_EIG = Anzahl von Schwingungen/Zeitdauer [Hz]

Dabei ist T die Periodendauer einer Schwingung der Eigenfrequenz f_EIG.
Die Eigenfrequenz f_EIG der Struktur des Turmdrehkrans 10 kann vereinfacht wie folgt ermittelt werden:

Setzen der Motorsteuerung 32 auf Beschleunigung unter Verwendung einer linearen Beschleunigungsrampe, welche steil genug ist, um bemerkbare Schwingungen in der Struktur zu erzeugen;
Vorgabe eines Steuerbefehls zum Schwenken des Auslegers 18 mit einer geringen Geschwindigkeit und aktives Halten des Steuerbefehls;
Erfassen der Schwingungen des Systems mittels Schwingungssensoren und Auffinden eines charakteristischen Wiederhol-Verhaltens entsprechend einiger Schwingungsphasen von Signalen wie Rauschen, Vibration, Drehmoment/Motors trom-Peaks;
Zählen von Ereignissen, die der Anzahl von Schwingungen entsprechen und Messen der zugehörigen Zeit;
Berechnen der Eigenfrequenz unter Verwendung obiger Formel.

Einfache Pulse, welche in der Theorie des Input-Shaping definiert sind, wurden bei dieser Implementation auf variable Länge erweitert (Fig. 6a) - 6d)). Es ist möglich, die Dauer der Beschleunigungs-/Verzögerungsphase, der Beschleunigung und den Betrag an Erschütterungen durch Modifikation der Impulslänge zu beeinflussen. Die Notwendigkeit, dass die Amplituden A1, A2 von beiden Impulsen in Summe 1 ergeben müssen, führt zu der Notwendigkeit, dass die Summe der Flächen unterhalb der Impulse ebenfalls 1 sein muss.
Fig. 6 zeigt den Einfluss der Form von berechneten Impulsen 68, 70; 72, 74; 76, 78; 80, 82 auf das ausgegebene Geschwindigkeitsreferenzprofil 58. Die Fläche der Impulse und die Zeit t des zweiten Impulses ist abhängig von der Eigenfrequenz F_EIG und Dämpfungsrate ζ der Struktur und in den vier Beispielen konstant. Die Figuren zeigen, dass Impulse von kurzer Dauer und größerer Amplitude die Steilheit der Beschleunigung vergrößern und ebenfalls (in einigem Ausmaß) die Zeit der Transitionsphase verkürzen. Ein optimales Setting mit balancierter Steilheit der Rampe und deren Dauer ist von mechanischen Eigenschaften des Krans 10 abhängig.
Die in Fig. 6 dargestellten Geschwindigkeits-Referenzprofile sind geeignet, um Schwingungen bei definierten Frequenzen zu unterdrücken. Jedoch kann ein Profil, welches zu einem übermäßigen Wert von "Zuckungen" führt, höhere Schwingungs-Moden des Systems anregen.
Fig. 7 zeigt die Verwendung eines linear ansteigenden Steuersignals S_STEU anstelle eines steilen Signals. Dieses Steuersignal S_STEU wird durch Modifizierung des Bedienersignals S_BED in der Einheit 52 erzeugt. Der Algorithmus zum Falten der Steuersignale S_STEU 68, 70; 72, 74; 76, 78; 80, 82 und der Pulssequenzen 66 ist aus praktischen Gründen in der Zeitdomäne implementiert und verwendet die diskrete Form eines an sich bekannten Faltungsintegrals.
Ein weiteres bevorzugtes Autokonfigurationsverfahren für den Turmdrehkran 10 weist folgende Verfahrensschritte auf:

Ausführen einer Bewegung des Kranauslegers 18 um die Schwenkachse 22 mittels des Motors 20 unter Verwendung eines willkürlichen bzw. beliebigen Geschwindigkeitsprofils 56, 88 wie Beschleunigungsrampe gemäß Fig. 3 oder Fig. 8a), welche steil genug ist, eine Schwingung in der mechanischen Struktur des Turmdrehkrans 10 anzuregen,
Abtasten von Drehmoment M und/oder Stromwerten I des Motors 20,
Durchführung einer Spektralzerlegung wie Fast-Fourier-Transformation der mittels Messeinrichtung 42 erfassten Stromwerte I und/oder Drehmomentwerte M,
Aufsuchen der dominanten Frequenz f_d des Spektrums der transformierten Werte in der Recheneinheit (48)
Berechnen der Eigenfrequenz f_EIG der mechanischen Struktur 10,
Verwendung der Eigenfrequenz f_EIG und der ursprünglich abgetasteten Drehmoment- und/oder Stromdaten zur Berechnung der Dämpfungsrate ζ der mechanischen Struktur des Turmdrehkrans 10,
Vorzugsweise regelmäßiges Wiederholen der beschriebenen Verfahrensschritte mit der im jeweils vorausgegangenen Zyklus ermittelten Beschleunigungsrampe.

Die Abtastung der Drehmoment- und/oder Stromwerte beginnt mit der Zeit t_A, wenn die Beschleunigungsrampe endet, d. h. dass System nicht mehr beschleunigt wird und frei schwingt.
Das bevorzugte Autokonfigurationsverfahren soll nachfolgend näher erläutert werden. Ein mögliches Geschwindigkeitsprofil 88 eines Geschwindigkeits-Sollwertes V_SOLL zur Ansteuerung des Motors 20 ist in Fig. 8a rein schematisch dargestellt. Das Geschwindigkeitsprofil 88 ist proportional zu einer Winkelgeschwindigkeit einer Motorwelle bei Ansteuerung mit linearer Rampe. Hierzu ist anzumerken, dass die wahre Winkelgeschwindigkeit des Motors sehr viel höher und zu Zwecken der Darstellung verkleinert dargestellt ist. Die Kurve 90 gemäß Fig. 8a zeigt die Winkelgeschwindigkeit eines Endes des Kranauslegers 18 in Form einer abklingenden Schwingung.
Fig. 8b zeigt einen Strom-Drehmomentverlauf 92, der mittels der Messeinrichtung 42 erfasst wird. Auch dieser weist den Verlauf einer abklingenden Schwingung auf. Die Strom- bzw. Drehmomentwerte I/M werden abgetastet und in der Recheneinheit 48 mittels Fast-Fourier-Transformation einer Spektralanalyse unterzogen. Ein Energiespektrum 94 des Strom- bzw. Drehmomentverlaufs 92 ist in Fig. 9 dargestellt. Das Energiespektrum weist ein Maximum 96 bei einer dominanten Frequenz f_d auf. Ferner sind Mittelwert-Linien 98, 100, 102 zur Darstellung von Mittelwerten MW1, MW2, MW3 eingezeichnet, wobei der Mittelwert MW2 dem zweifachen Wert des Mittelwertes MW1 und der Mittelwert MW3 dem dreifachen Mittelwert MW1 entspricht. Die durch die Mittelwert-Linien 100, 102 repräsentierten Mittelwerte MW2, MW3 können verwendet werden, um zu bestimmen, ob eine dominante Frequenz f_d in dem Spektrum 94 enthalten ist. Beispielsweise muss die dominante Frequenz f_d eine Amplitude A aufweisen, die mindestens dem Mittelwert MW3 entspricht und keine der Amplituden der anderen Frequenzen darf gleich oder größer als der Mittelwert MW2 sein.
Die so ermittelte dominante Frequenz f_d entspricht der Eigenfrequenz f_EIG der mechanischen Struktur des Turmdrehkrans 10.
Ferner kann aus dem Verlauf 92 der Strom-/Drehmomentwerte I/M die Dämpfungsrate ζ aufgrund der abklingenden Amplitudenwerte ermittelt werden.
Alternativ kann die Eigenfrequenz f_EIG unter Berücksichtigung folgender Bedingungen ermittelt werden:

die Amplitude der dominanten bzw. identifizierten Frequenz f_d muss größer als der Mittelwert MW1 sein,
die identifizierte bzw. dominante Frequenz f_d muss innerhalb eines Frequenzbandes liegen, welches für einen Turmdrehkran plausibel ist, wobei empirisch ermittelte Grenzen im Bereich von etwa 0,03 Hz ≤ f_d ≤ 0,25 Hz liegen,
die identifizierte bzw. dominante Frequenz f_d muss die Bedingungen des Nyquist-Shannon-Theorems erfüllen, d. h., die Frequenz muss kleiner als ½ x Sampling-Periode und größer als 1/gesamte Abtastzeit sein.

Aus dem Verlauf 92 der Strom-/Drehmomentwerte I/M kann die Dämpfungsrate ζ basierend auf den maximalen und minimalen Amplituden der abklingenden Amplitudenwerte unter Berücksichtigung von Mittelwerten des Antriebsdrehmoments ermittelt werden.
Alternativ kann die Dämpfungsrate ζ mittels Fourier-Transformationen FFT1, FFT2 von zwei aufeinanderfolgenden Zeitsegmenten mit einer Länge einer Periode P1, P2 der Eigenfrequenz ermittelt werden. Der Vorgang ist in Fig. 10a) bis 10c) dargestellt.
Fig. 10a) zeigt einen Schwingungsverlauf 104 des Drehmoments/Motorstroms M, I über der Zeit t. Ein Verlauf 106 einer Fourier-Transformation FFT1 eines Abschnitts 108 der ersten Periode P1 ist in Fig. 10b) über der Frequenz f dargestellt. Fig. 10c) zeigt einen Verlauf 110 eines Abschnitts 112 der Periode P2 des Drehmoment-/Stromsignals M, I. Die Werte der Amplituden-Maxima x₁, x₂ der beiden Spektren 106, 110 bei Nennfrequenz bzw. dominanter Frequenz f_n werden bei der Berechnung des logarithmischen Dekrements $δ = \ln \frac{x_{1}}{x_{2}}$

und schließlich zur Berechnung der Dämpfungsrate $ζ = \frac{δ}{\sqrt{{(2 π)}^{2} + δ^{2}}}$

verwendet.
Sodann kann aus der Eigenfrequenz f_EIG und der Dämpfungsrate ζ das Frequenzeleminationssignal S_FREQ insbesondere die Zeitverschiebung t zwischen den einzelnen Impulsen berechnet werden. Zusammen mit dem Steuersignal S_STEU wird anschließend in dem Geschwindigkeits-Profilgenerator 52 das Geschwindigkeitsprofil 58 gemäß Fig. 3 bzw. 114 gemäß Fig. 11a) entsprechend der Eingangsgrößen berechnet. Ein entsprechend berechnetes Geschwindigkeitsprofil 114 ist in Fig. 11a) dargestellt. Ein resultierender Geschwindigkeitsverlauf 116 des Endes des Kranauslegers 18 gemäß Fig. 11a) zeigt, dass Schwingungen eliminiert wurden. Gleiches gilt für den Strom-/Drehmomentverlauf, der durch die Kurve 118 in Fig. 11b) dargestellt ist. Im Vergleich zu der Kurve 92 gemäß Fig. 8b) zeigt die Kurve118 nur noch geringe Schwingungen.
Fig. 12 zeigt ein Spektrum 120 des Strom-/Drehmomentverlaufs 118 gemäß Fig. 11d, dem zu entnehmen ist, dass keine dominante Frequenz enthalten ist, da diese durch Verwendung der modifizierten Beschleunigungsrampe 114 eliminiert wurde.
Anzumerken ist, dass die Abtastung der Strom-/Drehmomentwerte beginnt, wenn die Beschleunigungsrampe 114 beendet ist. Diese Bedingung wird verwendet, um die wahre Eigenfrequenz zu messen und Schwingungen aufgrund von erzwungenen Frequenzen, welche durch die Beschleunigungsrampe verursacht werden, herauszufiltern.
Durch die Geschwindigkeitsprofil- und -Identifikationseinheit 46 wird während des üblichen Betriebs des Turmdrehkrans 10 ein Konfigurations-Algorithmus ausgeführt, so dass die System-Parameter für den Geschwindigkeitsprofil-Generator 52 während des Betriebs ermittelt werden können, wenn sich z. B. mechanische Eigenschaften des Turmdrehkrans 10 ändern.
Dies kann dann durch Erfassen zunehmender Schwingungen und Messen der Frequenz "on-the-fly" erfolgen. Folglich erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die automatische Konfiguration des Geschwindigkeitsprofil-Generators 52, der die Eigenfrequenz f_EIG und die Dämpfungsrate ζ des Turmdrehkrans 10 als Eingangsparameter benötigt.
Folglich entfällt die aus dem Stand der Technik bekannte notwendige Konfiguration von System-Parametern vor dem Betrieb, deren Auffinden ohne zusätzliches Equipment Schwierigkeiten bereiten würde. Auch wird die Inbetriebnahme von Turmdrehkranen vereinfacht.
Die gewünschten Funktionen erzeugen ein Geschwindigkeitsprofil zur Ansteuerung des Motors 20. Das Geschwindigkeitsprofil wird so berechnet, dass aktive Schwingungen bei Eigenfrequenz der Kranstruktur unterdrückt werden.
Der Vorteil der Verwendung dieser Funktion ist, dass die Schwenkbewegung der Kranstruktur in einer optimalen Art und Weise durchgeführt wird, wobei die in die Struktur eingebrachte Energie nicht durch Schwingungen verbraucht wird, sondern in einer gleichmäßigen energie-effizienten Schwenkbewegung resultiert.

Claims

Verfahren zur schwingungsarmen Steuerung der Bewegung eines bewegbaren Kranelementes (14, 16, 18) wie Kranausleger (18) eines Kransystems (10) mittels eines Motors (20), welches zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz (F_EIG) anregbar ist und eine Dämpfungsrate (ζ) aufweist, wobei das bewegbare Kranelement (14, 16, 18) mit einem Steuersignal (V_SOLL) angesteuert wird, dessen Spektrum im Wesentlichen frei von Eigenfrequenzen (f_EIG) des Kransystems (10) ist, wobei das Steuersignal (V_SOLL) aus einem Bedienersignal (S_BED) einer Bedienperson unter Berücksichtigung von System-Parametern des Kransystems (10) berechnet wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die System-Parameter in Form der Eigenfrequenz (f_EIG) sowie der Dämpfungsrate (ζ) des Kransystems (10) während des Betriebs automatisch berechnet werden und dass das Steuersignal (V_SOLL) als aktives Geschwindigkeits-Referenzprofil (V_SOLL) in Echtzeit aus dem Bedienersignal (S_BED) der Bedienperson sowie der berechneten Eigenfrequenz (F_EIG) und der Dämpfungsrate (ζ) des Kransystems (10) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Eigenfrequenz (f_EIG) und die Dämpfungsrate (ζ) des Kransystems (10) aus einem gemessenen Strom (I) und/oder Drehmoment (M) des Motors (20) berechnet werden und/oder dass die Abtastung der Drehmomente und/oder Stromwerte (M/I) nach Abschluss der Beschleunigung über zumindest eine Periode erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die System-Parameter gemäß folgender Verfahrensschritte ermittelt werden:
a) Ausführung einer ersten Bewegung des bewegbaren Kranelementes (18) durch Beschleunigung des Kransystems mittels eines frei wählbaren Geschwindigkeitsprofils (56, 88) wie Beschleunigungsrampe mit linearem Verlauf, welche steil genug ist, Schwingungen des Kransystems (10) anzuregen,

b) Abtasten von Drehmoment- und/oder Stromwerten (M/I),

c) Durchführung einer Spektralanalyse vorzugsweise mittels diskreter Fast-Fourier-Transformation mit den erfassten Drehmoment- und/oder Stromwerten und Ermitteln einer Spektralverteilung (94),

d) Auffinden einer dominanten Frequenz (f_d) der Spektralverteilung (94) als Eigenfrequenz (F_EIG) des Kransystems und

e) Berechnung der Dämpfungsrate (ζ) aus ursprünglich abgetasteten Strom- und/oder Drehmomentwerten.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Geschwindigkeits-Referenzprofil (V_SOLL) durch mathematische Faltung des von der Bedienperson vorgegebenen Bedienersignals (S_BED) mit einem Schwingungen bei Eigenfrequenz (f_EIG) der Struktur des Kransystems (10) unterdrückenden Frequenzeliminations-Signal (S_FREQ) berechnet wird, wobei das Frequenzeliminations-Signal (S_FREQ) in Echtzeit aus der ermittelten Eigenfrequenz (F_EIG) und der Dämpfungsrate (ζ) abgeleitet wird und/oder wobei als Bedienersignal (S_BED) der Bedienperson vorzugsweise ein Rechteck-Signal oder Trapez-Signal verwendet wird und/oder wobei das Bedienersignal (S_BED) vorzugsweise über eine Modifiziereinheit (54) mit der Sollwert-Recheneinheit (52) verbunden ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Frequenzeliminations-Signal (S_FREQ) zwei zeitversetzte Impulse (68, 70; 72, 74; 76, 78; 80, 82; 84, 86) mit jeweils einer Amplitude (A1, A2) aufweist, wobei die Impulse um eine Zeit t zueinander zeitversetzt sind mit $t = \frac{1}{2 f \sqrt{1 - ζ^{2}}}$

wobei f die berechnete Eigenfrequenz (f_EIG) und ζ die berechnete Dämpfungsrate (ζ) sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die System-Parameter in Form der Eigenfrequenz (f_EIG) sowie der Dämpfungsrate (ζ) während des Betriebs des Kransystems (10) fortlaufend berechnet werden und dass bei einer Änderung der mechanischen Eigenschaften der Struktur eine Anpassung des Geschwindigkeits-Referenzprofils (V_SOLL) erfolgt und/oder dass die Berechnung der System-Parameter in Form der Eigenfrequenz (f_EIG) sowie der Dämpfungsrate (ζ) in einem periodischen Takt in diskreten Zeitschnitten ausgeführt wird, wobei eine Ausführungs-Periode zur Berechnung des Geschwindigkeits-Referenzprofils (V_SOLL) verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Auffindung der dominanten Frequenz (f_d) der Spektralverteilung (94) ein Maximum (96) der Spektralverteilung (94) ermittelt wird, wobei das Maximum (96) zumindest dem dreifachen Mittelwert (MW1) der Spektralverteilung (94) entsprechen muss und wobei keine der anderen Frequenzen eine Amplitude aufweisen darf, die größer als das Zweifache des Mittelwertes (MW1) der Spektralverteilung (94) ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dominante Frequenz (f_d) der Spektralverteilung (94) nach folgenden Bedingungen ermittelt wird:
die Amplitude der dominanten Frequenz (f_d) muss größer als der Mittelwert (MW1) sein,

die dominante Frequenz (f_d) muss innerhalb eines Frequenzbandes liegen, welches für das Kransystem (10) plausibel ist, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,03 Hz ≤ f_d ≤ 0,25 Hz,

die dominante Frequenz (f_d) muss die Bedingungen des Nyquist-Shannon-Theorems erfüllen, d. h., die Frequenz muss kleiner als ½ x Sampling-Periode und größer als 1/gesamte Abtastzeit sein.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dämpfungsrate (ζ) gemäß der Formel $ζ = \frac{δ}{\sqrt{{(2 π)}^{2} + δ^{2}}}$

berechnet wird, mit $δ = \ln \frac{A_{1}}{A_{2}}$

wobei A1, A2 maximale und minimale Amplitudenwerte (A1, A2) des abklingenden Drehmoment-/Stromverlaufs sind und dass die Berechnung vorzugsweise unter Berücksichtigung von Mittelwerten des Antriebsdrehmomentes erfolgt, wobei die Berechnung in der Zeit-Domäne durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dämpfungsrate (ζ) mittels Fourier-Transformation (FFT1, FFT2) von zwei aufeinander folgenden Zeitsegmenten mit einer Länge einer Periode (P1, P2) des Strom-/Drehmomentverlaufs (I, M) ermittelt wird, wobei aus der Fourier-Transformation (FFT1) der ersten Periode (P1) eine Spektralverteilung (106) mit einem Maximum (x1) ermittelt wird, wobei mittels der Fourier-Transformation (FFT2) der zweiten Periode (P2) eine Spektralverteilung (110) mit einem Maximum (x2) ermittelt wird, wobei die Amplituden-Maxima (x1, x2) der Spektralverteilungen (106, 110) bei der dominanten Frequenz (f_d) liegen, wobei mittels der Formel $δ = \ln \frac{x_{1}}{x_{2}}$

das logarithmische Dekrement und mit der Formel $ζ = \frac{δ}{\sqrt{{(2 π)}^{2} + δ^{2}}}$

die Dämpfungsrate (ζ) berechnet wird.
Steuerungseinrichtung (30) zur schwingungsarmen Steuerung der Bewegung eines bewegbaren Kranelementes (14, 16, 18) wie Kranauslegers (18) eines Kransystems (10), welches zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz (f_EIG) anregbar ist und eine Dämpfungsrate (ζ) aufweist, wobei das bewegbare Kranelement (18) mit einem Steuersignal (V_SOLL) ansteuerbar ist, dessen Spektrum im Wesentlichen frei von der Eigenfrequenz (f_EIG) ist, wobei das Steuersignal (V_SOLL) in einer Sollwert-Recheneinheit (52) aus einem Bedienersignal (S_BED) einer Bedienperson unter Berücksichtigung von System-Parametern berechnet wird und wobei
das am Ausgang der Sollwert-Recheneinheit (52) anliegende Steuersignal (V_SOLL) einer Motorsteuerung (32) zur Ansteuerung des Motors (20) zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerungseinrichtung (30) eine Messeinrichtung (42) zur Erfassung eines die Eigenfrequenz (f_EIG) und die Dämpfungsrate (ζ) des Kransystems implizit enthaltenen Schwingungsverlaufs (62, 92, 90) sowie eine mit dieser verbundene Parameter-Recheneinheit (48, 50) zur Echtzeit-Berechnung der System-Parameter in Form von Eigenfrequenz (f_EIG) sowie Dämpfungsrate (ζ) aus den erfassten Messwerten (I, M) aufweist, dass die Parameter-Recheneinheit (48, 50) mit der als Geschwindigkeits-Referenzprofil-Generator ausgebildeten Sollwert-Recheneinheit (52) verbunden ist, in der das Steuersignal als aktives Geschwindigkeits-Referenzprofil (V_SOLL) aus dem von der Bedienperson vorgegebenen Eingabesignal unter Berücksichtigung der in Echtzeit ermittelten Eigenfrequenz (f_EIG) und Dämpfungsrate (ζ) des Kransystems (10) berechenbar ist.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messeinrichtung (42) als eine den Motorstrom (I) oder das Motordrehmoment (M) erfassende Messeinrichtung ausgebildet ist und/oder dass die Messeinrichtung (42) Schwingungssensoren zur Erfassung der Schwingung der mechanischen Struktur des Kransystems (10) umfasst.
Steuerungseinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Parameter-Recheneinheit (48, 50) eine als Spektralanalysator wie Fast-Fourier-Transformationseinheit ausgebildete Recheneinheit (48) aufweist und dass ein Ausgang der Recheneinheit (48) mit einer Recheneinheit (50) zur Berechnung der Systemparameter Eigenfrequenz (f_EIG) und Dämpfungsrate (ζ) verbunden ist.
Steuerungseinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Ausgang der Sollwert-Recheneinheit (52) mit einer Motorsteuerung (32) verbunden ist, dass die Motorsteuerung (32) als Open-Loop-Steuerung ausgebildet ist, umfassend einen Geschwindigkeitsregler (34), einen vorzugsweise unterlagerten Drehmoment-/Stromregler (40) sowie die Messeinrichtung (42), wobei der Motorstrom und/oder das Motordrehmoment über einen zwischen dem Geschwindigkeitsregler und dem Drehmoment-/Stromregler (40) angeordnetes Addierglied (38) in den Drehmoment-/Stromregler (40) zurückgeführt wird.
Steuerungseinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Motorsteuerung (32) ein Geschwindigkeits-Abschätzglied (44) aufweist, welches aus den in der Messeinrichtung (42) ermittelten Strom-Drehmomentwerten einen Geschwindigkeits-Istwert (V_IST) ableitet, welcher mit dem Geschwindigkeits-Referenzprofil (V_SOLL) verknüpft und dem Geschwindigkeitsregler (34) zugeführt wird, wobei der Motor (20) vorzugsweise mit variabler Geschwindigkeit im Vektor-Steuerungs-Mode angesteuert wird.