EP3459899A1

EP3459899A1 - Optimisation dynamique d'une courbe de charge de grue

Info

Publication number: EP3459899A1
Application number: EP18194342.4A
Authority: EP
Inventors: Xavier Claeys
Original assignee: Manitowoc Crane Group France SAS
Current assignee: Manitowoc Crane Group France SAS
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2018-09-13
Publication date: 2019-03-27
Also published as: US10865075B2; US20190084809A1; FR3071240B1; CN109534168A; FR3071240A1

Abstract

Moyens de contrôle de commande de levage d'une charge suspendue à une flèche, portée par un mât d'une grue, notamment des moyens pour déterminer: ¢ en fonction de la masse de la charge suspendue, d'un facteur de charge spécifié quantifiant un dépassement acceptable par rapport à une charge maximale admissible prédéterminée pour ladite grue ; ¢ une accélération de levage maximale autorisée, en fonction de la masse de la charge suspendue, du facteur de charge spécifié et de la position en distribution de la charge suspendue sur la flèche par rapport au mât; ¢ à partir de consignes de vitesse de levage, de consignes de vitesse de levage optimisées destinées à être exécutées par un dispositif moteur pour déplacer selon un mouvement de levage la charge suspendue de telle sorte que l'accélération relative au mouvement de levage reste, en valeur absolue, inférieure ou égale à l'accélération maximale autorisée.

Description

La présente invention se rapporte au domaine des grues, et plus spécifiquement des grues à tour, et en particulier à la surveillance de la charge maximale déplacée.
Selon une configuration usuelle, une grue à tour comprend un mât vertical, une flèche sensiblement horizontale portée par le mât et orientable en azimut autour du mât selon un mouvement dit d'orientation, ainsi qu'un chariot qui est monté mobile en translation radiale le long de ladite flèche réalisant ainsi un mouvement dit de distribution. Le chariot porte une charge, suspendue au chariot par un câble dont la longueur est modifiable au moyen d'un treuil qui commande ainsi le mouvement vertical de ladite charge, dit mouvement de levage.
Une caractéristique essentielle de la grue est la masse maximale de la charge suspendue que la grue peut déplacer, en fonction d'un point de fonctionnement défini par la distance de ladite charge à l'axe passant par le mât - appelée position de distribution - et par la masse de la charge.
La limite maximale est typiquement décrite au moyen d'une courbe de charge, sur un graphique représentant, sur un premier axe (conventionnellement en abscisses), la position de distribution et, sur un deuxième axe (conventionnellement en ordonnées), la masse de la charge.
De façon conventionnelle, une grue à tour dispose d'un système de surveillance et de contrôle configuré de sorte à limiter la vitesse de levage de la charge, lorsque le point de fonctionnement s'approche de la courbe de charge.
Lorsque le point de fonctionnement atteint la courbe de charge, le système de surveillance et de contrôle stoppe les mouvements de la grue, afin d'éviter tout dépassement véritablement dangereux pour la stabilité ou la structure de la grue.
La courbe de charge est généralement établie, au regard de l'agencement mécanique de la grue, d'une part à partir d'une première limite dite « statique » qui prend pour hypothèse que la grue est dans un état mécanique statique ou dans un régime permanent assimilable à un régime quasi-statique (notamment avec une vitesse de levage sensiblement constante, ou nulle), et d'autre part en prévoyant en outre, par rapport à cette première limite statique, une marge dynamique, qui correspond à un dépassement maximal toléré par rapport à cette limite statique, appelé facteur de charge Ψ.
Ledit facteur de charge Ψ permet de prendre en compte les suppléments de contrainte qui s'exercent sur la flèche, et plus globalement sur la grue, lorsque la charge suspendue est soumise à des phénomènes transitoires, par exemple au début d'un mouvement de levage, lorsque l'inertie de la charge suspendue s'ajoute au poids de ladite charge suspendue.
Les normes de sécurité, par exemple la norme européenne EN 13001, exigent que le facteur de charge Ψ reste inférieur à 30%.
En pratique, plus le facteur de charge Ψ est important, c'est-à-dire plus la marge de sécurité imposée est grande, plus la limite maximale de la charge que la grue peut déplacer est basse.
C'est pourquoi il est souhaitable, pour améliorer les performances de la grue, de réduire le facteur de charge Ψ, sans toutefois remettre en cause la sécurité de fonctionnement de la grue.
Il est ainsi connu, par exemple du document de brevet EP-0 849 213 , de mettre en oeuvre des moyens de contrôle, utilisant une première courbe de charge relativement restrictive au vu des capacités potentielles de la grue, et une seconde courbe de charge étendue. Toutefois, la seconde courbe de charge ne peut être utilisée que pour une plage réduite prédéterminée de vitesse/accélération de déplacement, lorsque les conditions pour un tel dépassement sont réunies. Il est en particulier prévu l'usage d'un commutateur pour sélectionner, selon les circonstances, la courbe de charge adaptée. L'opérateur peut ainsi forcer manuellement les moyens de contrôle à opérer la grue en utilisant la deuxième courbe de charge étendue. Cette solution repose donc sur l'utilisation de deux courbes de charge prédéfinies et ne permet que partiellement d'optimiser le compromis entre performances dynamiques d'utilisation de la grue et capacité de charge, en fonction des capacités instantanées réelles de la grue.
C'est pourquoi il existe encore un besoin pour des moyens améliorés et automatisés, pour grue à tour, de surveillance et de contrôle de mouvements en fonction d'une courbe de charge, proposant un compromis optimisé entre capacité de levage de charges, et performances dynamiques d'utilisation.
Un des objets de l'invention est de permettre la prise en compte, par les moyens améliorés de surveillance et de contrôle, de la capacité à un instant donné d'une grue, notamment d'une grue à tour, à réduire l'influence des facteurs dynamiques et incertitudes à un niveau déterminé.
Un autre objet de l'invention est de fournir des moyens aptes à prendre en compte, pour déterminer le facteur de charge, les capacités et les performances d'une grue à appliquer et contrôler des consignes de vitesse et d'accélération du moteur de levage.
Un autre objet de l'invention est de fournir des moyens améliorés de surveillance et de contrôle pour grue aptes à limiter les mouvements de levage de la charge utile, en vitesse et en accélération, au moyen de règles de calculs dynamiques fonction de la charge mécanique courante, de la portée, de la vitesse de levage et optionnellement d'autres grandeurs caractéristiques de ladite grue.
Un des objets de l'invention est d'augmenter la capacité de levage d'une grue, tout en garantissant un niveau de sécurité élevé.
Un des objets de l'invention est d'augmenter les performances dynamiques d'utilisation d'une grue, tout en garantissant un niveau de sécurité élevé.
Un des objets de l'invention est de fournir des moyens améliorés de surveillance et de contrôle pour grue, lesquels ne requièrent lors de leur utilisation aucune action du grutier visant à sélectionner parmi plusieurs courbes de charge celle adaptée au contexte pour contrôler les mouvements de levage de la charge.
Un des objets de l'invention est de fournir des moyens améliorés de surveillance et de contrôle pour grue, utilisant une unique courbe de charge pour adapter de manière continue la vitesse et l'accélération demandée par le grutier pour respecter les contraintes dynamiques que la grue peut supporter.
Un des objets de l'invention est de fournir des moyens améliorés de surveillance et de contrôle pour grue adaptés à être utilisés conjointement avec les dispositifs de sécurité et de coupure habituellement déployés dans une grue.
Un ou plusieurs de ces objets sont remplis par le dispositif selon la revendication indépendante. Les revendications dépendantes fournissent en outre des solutions à ces objets et/ou d'autres avantages.
Plus particulièrement, selon un premier aspect, l'invention se rapporte à un procédé de contrôle de commande de levage d'une charge suspendue à une flèche, portée par un mât d'une grue, notamment d'une grue à tour. L'invention peut aussi s'appliquer à d'autres familles de grues - grue à flèche relevable, etc - en transposant les calculs réalisés selon le modèle de l'invention à la géométrie desdites grues.
Le procédé comporte les étapes suivantes :

une première étape de détermination, en fonction de la masse de la charge suspendue, d'un facteur de charge spécifié quantifiant un dépassement acceptable par rapport à une charge maximale admissible prédéterminée pour ladite grue ;
une deuxième étape de détermination d'une accélération de levage maximale autorisée, en fonction de la masse de la charge suspendue, du facteur de charge spécifié et de la position en distribution de la charge suspendue sur la flèche par rapport au mât;
une troisième étape de détermination, à partir de consignes de vitesse de levage, de consignes de vitesse de levage optimisées destinées à être exécutées par un dispositif moteur pour déplacer selon un mouvement de levage la charge suspendue de telle sorte que l'accélération relative au mouvement de levage reste, en valeur absolue, inférieure ou égale à l'accélération maximale autorisée.

Le procédé de commande selon l'invention permet notamment d'adapter le contrôle de la grue en fonction de la dynamique réelle de la charge.
Le procédé permet donc de contrôler la grue en prenant en compte des effets de la charge lorsque cette dernière est dans un état mécanique statique ou quasi statique, mais également dans un état transitoire au cours duquel les effets inertiels liés aux accélérations/décélérations de la charge sont observés.
En effet lors des régimes transitoires, notamment en début de levage lorsque le treuil fait accélérer la charge, une contrainte supérieure à la stricte masse de la charge suspendue est exercée sur la flèche de la grue : cette dernière subit en conséquence l'équivalent d'une charge plus lourde que celle effectivement suspendue au treuil, et réagit donc par une déformation en tangage supérieure à la déformation observée en régime quasi statique.
L'invention permet ainsi d'optimiser dynamiquement le contrôle de la grue vis-à-vis de la charge maximale admissible prédéterminée pour ladite grue, en limitant l'accélération de levage, en fonction de paramètres courants mesurables, telle que la masse de la charge suspendue, et la position en distribution de la charge suspendue.
L'optimisation ne nécessite en outre aucune intervention de l'opérateur.
Tout en maintenant le même niveau de sécurité, il résulte de l'invention une amélioration du compromis capacité de levage / performances dynamiques d'utilisation, comparativement aux approches conventionnelles dans lesquelles seule la charge maximale admissible prédéterminée pour ladite grue aurait été prise en compte, ou encore aux approches reposant sur l'utilisation de deux courbes statiques de charge maximale admissible.
Le procédé est en outre aisément paramétrable pour s'adapter à divers besoins, notamment quant au choix de la charge maximale admissible prédéterminée.
L'accélération de levage maximale autorisée peut être déterminée au moyen de l'expression mathématique suivante : $\frac{{gJ}_{z}}{{x_{c}}^{2} M + J_{z}} ψ_{0}^{*}$
dans laquelle :

x_c correspond à la position en distribution de la charge suspendue ;
M correspond à la masse de la charge suspendue;
J_z correspond à un modèle de raideur et d'inertie du premier ordre relative à la structure de la grue ;
Ψ₀* est le facteur de charge spécifié.

Ainsi, le procédé selon l'invention permet en particulier d'optimiser le contrôle de la grue, en limitant de façon dynamique l'accélération, ainsi que la vitesse, de la charge suspendue, au moyen d'une formule mathématique préétablie.
Le facteur de charge spécifié est par exemple déterminé au moyen d'une courbe de charge maximale admissible, correspondant à un facteur de charge limite et à une charge statique maximale.
Ainsi, une unique courbe de charge maximale admissible peut être utilisée, adaptée dynamiquement aux conditions réelles courant au moyen d'une formule mathématique permettant de prendre en compte les conditions réelles actuelles, telles que la masse de la charge suspendue ou encore la position en distribution de la charge suspendue.
Il est ainsi possible d'éviter tout dépassement de la charge maximale admissible prédéterminée pour la grue, tout en s'approchant, en toute sécurité, au plus près de ladite charge maximale admissible.
Le facteur de charge limite peut être déterminé à partir d'un premier seuil théorique fonction des capacités théoriques de charge supportée par la grue et d'un deuxième seuil fonction d'incertitudes de mesures relatives à la masse de la charge suspendue et/ou au mouvement de levage de la charge suspendue.
Le facteur de charge spécifié peut être obtenu en multipliant le facteur de charge limite par le ratio entre la charge statique maximale correspondant à la courbe de charge maximale admissible et la masse de la charge suspendue.
Ainsi, grâce à une meilleure maitrise des aspects dynamiques permise par l'invention, il est possible d'utiliser un facteur de charge limite se rapprochant des limites édictées par les normes.
Avantageusement, les consignes de vitesse de levage optimisées sont déterminées de sorte que leur exécution par le dispositif moteur pour déplacer selon le mouvement de levage la charge suspendue respecte la condition suivante:

∘ l'accélération de levage de la charge suspendue, en valeur absolue, reste inférieure ou égale à l'accélération maximale autorisée (L"MAX) ; en l'espèce, ladite accélération maximale autorisée L"MAX correspond à une accélération théorique qui est calculée de manière à ne pas provoquer un dépassement du facteur dynamique considéré ;

∘ la vitesse de levage de la charge suspendue, en valeur absolue, reste inférieure à une vitesse de levage maximale autorisée, la vitesse de levage maximale autorisée étant déterminée en fonction des capacités de la grue à freiner les mouvements de la charge suspendue; et/ou,
∘ la vitesse de levage de la charge suspendue, en valeur absolue, reste inférieure à une vitesse de levage maximale de sécurité, déterminée en fonction des capacités de la grue à supporter une pose au sol de la charge suspendue brutale et/ou un arrêt d'urgence; et/ou,
∘ l'accélération de levage de la charge suspendue, en valeur absolue, reste inférieure à une accélération de levage maximale atteignable par le dispositif moteur; et/ou,
∘ l'accélération de levage de la charge suspendue, en valeur absolue, reste supérieure à une accélération de levage minimale de confort.

Il est donc possible d'optimiser à la fois la sécurité de la grue, tout en optimisant les performances d'utilisation ressenties par l'opérateur de la grue.
Les consignes de vitesse de levage optimisées peuvent être déterminées de sorte que la valeur absolue de la vitesse de levage de la charge suspendue croît, sur une période de temps prédéfinie, suivant une rampe dont la pente correspond à l'accélération de levage maximale autorisée. Il est alors possible de limiter les effets inertiels.
Selon un deuxième aspect, l'invention se rapporte à un programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé selon le premier aspect, lorsque ledit programme est exécuté par un processeur.
Chacun de ces programmes peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet, tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable. En particulier, il est possible d'utiliser le langage C/C++, le langage™ des langages de script, tels que notamment tcl, javascript, python, perl qui permettent une génération de code « à la demande » et ne nécessitent pas de surcharge significative pour leur génération ou leur modification.
Selon un troisième aspect, l'invention se rapporte à un support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé selon le premier aspect.
Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou n'importe quel dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD-ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une disquette ou un disque dur. D'autre part, le support d'informations peut être un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé par un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau Internet ou Intranet. Alternativement, le support d'informations peut être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé en question.
Selon un quatrième aspect, l'invention se rapporte également à une grue, notamment une grue à tour, adaptée à mettre en oeuvre le procédé selon le premier aspect. La grue comporte un mât supportant une flèche sur laquelle est monté un chariot destiné à porter une charge suspendue. La grue comporte en outre des moyens de contrôle de commande de levage de la charge suspendue, pourvus:

de moyens de détermination, en fonction de la masse de la charge suspendue, d'un facteur de charge spécifié quantifiant un dépassement acceptable par rapport à une charge maximale admissible prédéterminée pour ladite grue ;
de moyens de détermination d'une accélération de levage maximale autorisée, en fonction de la masse de la charge suspendue, du facteur de charge spécifié et de la position en distribution de la charge suspendue sur la flèche par rapport au mât;
de moyens de détermination, à partir de consignes de vitesse de levage, de consignes de vitesse de levage optimisées destinées à être exécutées par un dispositif moteur pour déplacer selon un mouvement de levage la charge suspendue de telle sorte que l'accélération relative au mouvement de levage reste, en valeur absolue, inférieure ou égale à l'accélération maximale autorisée .

L'invention peut aussi s'appliquer à d'autres familles de grues - grue à flèche relevable, etc - en transposant les calculs réalisés selon le modèle de l'invention à la géométrie desdites grues.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront, dans la description ci-après de modes de réalisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

la figure 1 est un schéma d'architecture d'un système de contrôle de levage d'une charge, selon un mode de réalisation;
la figure 2 est un synoptique des étapes d'un procédé de contrôle de commande de levage d'une charge suspendue, selon un mode de réalisation;
la figure 3 représente un schéma de principe du dispositif de surveillance et de contrôle, selon un mode de réalisation de l'invention ;
la figure 4 représente, un schéma de principe utilisé pour décrire un modèle mécanique de type oscillateur, utilisé, selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention pour déterminer l'accélération de levage maximale autorisée ;
la figure 5 représente un diagramme comportant un ensemble de courbes surfaciques décrivant l'accélération de levage maximale autorisée, en fonction de la masse M de la charge et de la position en distribution de la charge, chaque courbe surfacique correspondant à un facteur de charge spécifié.

On se réfère à la figure 1, sur laquelle est représenté un système 1 de contrôle de levage d'une charge suspendue 2.
Ce système est applicable à une grue 3, et notamment à une grue 3 à tour.
En référence à la figure 4, il est envisageable d'appliquer le système 1 à tout type de grue 3 comprenant une flèche 4 qui est orientable en lacet autour d'un axe vertical (ZZ'), selon un mouvement d'orientation, et qui est agencée de sorte que la charge suspendue 2 soit suspendue à ladite flèche 4 par un câble 5, et ce de telle manière que ladite grue 3 puisse modifier la distance radiale de ladite charge suspendue 2 par rapport à l'axe vertical, selon un mouvement de distribution, ainsi que la longueur du câble 5 qui relie la flèche 4 à la charge suspendue 2, selon un mouvement dit de levage, afin de pouvoir modifier l'altitude de la charge suspendue 2.
La grue 3 peut ainsi former par exemple une grue à flèche relevable (flèche basculante), une grue télescopique, ou, de façon particulièrement préférentielle, une grue à tour.
Dans l'exemple non limitatif suivant, la grue à tour comprend un mât 6 vertical, qui matérialise l'axe vertical (ZZ'), une flèche 4 sensiblement horizontale portée par le mât 6 et orientable en azimut (lacet) autour du mât 6, ainsi qu'un chariot 7 qui est monté mobile en translation radiale le long de ladite flèche.
Le chariot 7 porte la charge 2, suspendue au chariot par un câble 5 dont la longueur est modifiable au moyen d'un treuil.
Dans ce qui suit, on assimilera, par simple commodité de description, la grue 3 à une grue à tour, et l'axe vertical (ZZ') à un mât 6.
Le système 1 de contrôle de commande comporte en particulier un dispositif de pilotage 10, un dispositif de surveillance et de contrôle 20, un contrôleur 30, et un système d'exécution de commandes 40.
Le système d'exécution de commandes 40 comporte typiquement :

un dispositif moteur 41 de levage couplé au treuil, apte à déplacer la charge 2 selon un mouvement de levage, en fonction de consignes reçues;
un dispositif moteur 42 de distribution couplé au chariot 7, apte à déplacer ledit chariot 7 selon un mouvement de distribution, en fonction de consignes reçues;
un dispositif moteur 43 d'orientation couplé à la flèche 4, apte à déplacer ladite flèche, et donc le chariot 7 et la charge suspendue 2 selon un mouvement d'orientation, en fonction des consignes reçues.

Le système d'exécution de commandes 40 comporte également un système de mesure 45 configuré pour délivrer un ensemble MES de mesures physiques et mécaniques, relatives aux dispositifs moteurs 41-42-43, à la charge, ainsi qu'à l'environnement de la grue 3.
Plus particulièrement, le système de mesure 45 comporte un ensemble de capteurs pour mesurer la masse de la charge.
Le système de mesure 45 comporte également un ensemble de capteurs pour déterminer, à chaque instant, la position, la vitesse et l'accélération des organes principaux du système d'exécution de commandes 40, notamment le chariot 7, la flèche 4, et les dispositifs couplés mécaniquement à la charge 2.
Le dispositif de pilotage 10 est configuré pour produire des consignes de vitesse de levage CMD en fonction d'interactions avec un opérateur de grue et pour transmettre lesdites consignes de vitesse de levage CMD au dispositif de surveillance et de contrôle 20. Les consignes de vitesse de levage CMD peuvent comporter notamment des consignes de positionnement, et/ou de vitesse, et/ou d'accélération, destinées en particulier à être transmises au dispositif moteur 41 de levage.
Le dispositif de pilotage 10 comprend généralement une interface utilisateur, par exemple du genre joystick, qui est destinée à être manipulée par un opérateur de grue pour produire les consignes de vitesse de levage CMD. Toutefois, les consignes de vitesse de levage CMD peuvent également être produites par d'autres moyens, tel un dispositif automatisé de pilotage.
Le dispositif de surveillance et de contrôle 20 est couplé au dispositif de pilotage 10 pour recevoir les consignes de vitesse de levage CMD et au système de mesure du système d'exécution de commandes 40 pour recevoir l'ensemble MES de mesures.
Le dispositif de surveillance et de contrôle 20 est configuré pour produire, en fonction des consignes de vitesse de levage CMD et de l'ensemble MES de mesures, des consignes de vitesse de levage optimisées CMD' destinées à être exécutées par le dispositif moteur 41 de levage pour déplacer selon un mouvement de levage la charge suspendue 2 de telle sorte que l'accélération relative au mouvement de levage reste, en valeur absolue, inférieure ou égale à une accélération maximale de levage autorisée L"_MAX.
Le contrôleur 30 est couplé au système d'exécution de commandes 40 et au dispositif de surveillance et de contrôle 20 pour recevoir les consignes optimisées de vitesse de levage optimisées CMD'.
Le contrôleur 30 est configuré pour contrôler le dispositif moteur 41 de levage appartenant au système d'exécution de commandes 40, en fonction des consignes optimisées de vitesse de levage optimisées CMD'.
Typiquement, le contrôleur 30 comporte des moyens automatisés de contrôle, par exemple en boucle fermée, afin de contrôler, en fonction des informations transmises par les capteurs du système de mesure et des informations comprises dans les consignes de vitesse de levage optimisées CMD', le positionnement, la vitesse et/ou l'accélération des organes mécaniques du système d'exécution de commandes 40.
On se réfère à la figure 2, sur laquelle est représenté un synoptique des étapes d'un procédé, selon l'invention, de contrôle de commande de levage d'une charge 2 suspendue à une flèche 4, portée par un mât 6 d'une grue 3 (ici d'une grue à tour).
Le procédé est notamment apte à être mis en oeuvre par le système 1 de contrôle de commande, précédemment décrit, et plus particulièrement par le dispositif de surveillance et de contrôle 20.
Au cours d'une première étape 110, un facteur de charge spécifié Ψ₀* est déterminé, en fonction de la masse M de la charge suspendue.
Le facteur de charge spécifié Ψ₀* quantifie un dépassement acceptable par rapport à une charge maximale admissible prédéterminée pour ladite grue. Le facteur de charge spécifié Ψ₀* peut être déterminé au moyen d'une courbe de charge maximale admissible, correspondant à un facteur de charge Ψ₀ limite prédéterminé et à une charge statique maximale.
Dans un mode de réalisation, le facteur de charge Ψ₀ limite est déterminé à partir d'un premier seuil théorique fonction des capacités théoriques de charge supportée par la grue et d'un deuxième seuil fonction d'incertitudes de mesures relatives à la masse de la charge suspendue et/ou au mouvement de levage de la charge suspendue. Le premier seuil théorique est typiquement défini d'après un modèle mécanique théorique d'une grue idéale.
Le facteur de charge Ψ₀ limite est par exemple obtenue en additionnant le premier seuil théorique et le deuxième seuil. À titre d'exemple, si on considère un premier seuil théorique autorisant un dépassement de 10% de la charge maximale, et un deuxième seuil, un dépassement supplémentaire de 7,5% lié aux incertitudes de mesure, le facteur de charge Ψ₀ limite est alors égal à 10 % + 7,5 % = 17,5%.
Le facteur de charge spécifié Ψ₀* peut notamment être obtenu en multipliant le facteur de charge Ψ₀ limite, prédéterminé, par le ratio entre d'une part la charge statique maximale qui correspond à la courbe de charge maximale admissible établie pour le facteur de charge limite Ψ₀, et d'autre part la masse M effective de la charge suspendue 2 manipulée par la grue 3 à l'instant considéré.
Ainsi, pour un facteur de charge limite Ψ₀ donné, et donc pour une courbe de charge maximale de base donnée, plus la masse M de la charge suspendue 2 est faible, plus le facteur de charge spécifié Ψ₀* sera élevé.
Le facteur de charge Ψ₀ limite prédéterminé peut notamment être choisi en fonction de règles métier, et/ou varier selon le domaine d'utilisation de la grue.
Au cours d'une deuxième étape 120, une accélération de levage maximale autorisée L"_MAX est déterminée, en fonction de la masse M de la charge suspendue, du facteur de charge spécifié Ψ₀*, de la position en distribution X_c de la charge suspendue 2 par rapport au mât 6.
De préférence, l'accélération de levage maximale autorisée L"_MAX est déterminée également en fonction en fonction de composantes d'inertie J_z propres à la structure de la grue 3.
À titre d'exemple, la figure 5 représente un diagramme comportant un ensemble de courbes surfaciques décrivant l'accélération de levage maximale autorisée L"_MAX, exprimée en g (1g correspondant à l'accélération de pesanteur), en fonction de la masse M de la charge suspendue 2, exprimée en kilogrammes, et de la position en distribution X_c de ladite charge suspendue, exprimée en mètres.
Chaque courbe surfacique correspond à un facteur de charge Ψ₀* spécifié distinct.
Pour rappel, le facteur de charge Ψ₀ limite utilisé pour déterminer le facteur de charge Ψ₀* spécifié peut être librement choisi par la personne chargée de configurer la grue.
Dans l'exemple de la figure 5, l'ensemble comporte trois courbes surfaciques correspondant à un facteur de charge Ψ₀* spécifié égal, respectivement, à 0.15, 0.175, 0.2.
Il est bien sûr possible d'employer un ensemble comportant un nombre plus élevé de courbes surfaciques, de sorte à couvrir plus finement et/ou sur une plage plus importante différentes valeurs pour le facteur de charge Ψ₀* spécifié.
Ainsi, au cours de la deuxième étape 120, l'accélération de levage maximale autorisée L"_MAX peut être déterminée, à tout moment, en fonction de la masse M et de la position en distribution Xc, en déterminant au moyen de la courbe surfacique correspondant au facteur de charge Ψ₀* spécifié.
Au cours d'une troisième étape 130, des consignes CMD' de vitesse de levage optimisées sont déterminées, à partir de consignes de vitesse de levage CMD.
Les consignes CMD' de vitesse de levage optimisées sont destinées à être exécutées par le dispositif moteur 41 de levage pour déplacer selon un mouvement de levage la charge suspendue 2 de telle sorte que l'accélération propre au mouvement de levage reste, en valeur absolue, inférieure ou égale à l'accélération de levage maximale autorisée L"_MAX.
Il est à noter que l'accélération de levage maximale autorisée L"_MAX est variable, en fonction du facteur de charge Ψ₀* spécifié.
L'accélération de levage maximale autorisée L"_MAX est ainsi utilisée comme valeur limitant les variations de vitesse de la charge suspendues, imparties par le dispositif moteur 41 à l'origine du mouvement de levage.
Les consignes de vitesse de levage optimisées CMD' peuvent en outre être déterminées, en fonction des consignes de vitesse de levage CMD reçues du dispositif de pilotage 10, de sorte que leur mise en oeuvre par le système d'exécution de commandes 40 respecte également une ou plusieurs des contraintes de la liste non exhaustive suivante :

une vitesse de levage V_{MAX BRK} maximale autorisée, déterminée en fonction des capacités de la grue à freiner les mouvements de la charge 2 suspendue notamment pour garantir la sécurité du freinage de la charge à tout moment;
une vitesse de levage V_{MAX SEC} maximale de sécurité, déterminée en fonction des capacités de la grue 3 à supporter une pose au sol de la charge 2 suspendue brutale ou un arrêt d'urgence, de manière à s'assurer que la dynamique résultante reste dans une enveloppe acceptable pour la structure - ladite enveloppe étant différente de la courbe de charge nominale ;
une accélération de levage maximale L"_SEC atteignable aux moyens du dispositif moteur 41 de levage;
une accélération de levage minimale L"_MIN, dite « accélération minimale de confort », qui est prédéterminée de sorte à fixer une valeur d'accélération de levage qui est suffisamment élevée pour assurer un certain confort du levage, mais dont la valeur est suffisamment basse (en valeur absolue) pour ne jamais mettre en danger la grue ; en pratique, cette accélération minimale de confort peut être utilisée en lieu et place de l'accélération maximale L"_MAX pour ne pas immobiliser inutilement la grue.

On se réfère à présent à la figure 4, sur laquelle est représenté un schéma de principe utilisé pour décrire un modèle mécanique de type oscillateur, utilisé, selon un mode de réalisation de l'invention, au cours de la deuxième étape 120, pour déterminer l'accélération de levage maximale autorisée L"_MAX.
Le modèle mécanique présenté ci-après permet d'établir une inégalité entre l'accélération de levage maximale autorisée L"_MAX et le facteur de charge Ψ₀* spécifié. Tant que cette inégalité est respectée, le facteur de charge Ψ instantané effectif - correspondant aux conditions de transport de la charge à l'instant considéré - reste inférieur au facteur de charge Ψ₀* spécifié. Ainsi, la charge statique et dynamique subie à l'instant considérée par la grue n'excède jamais le dépassement maximal admissible fixé par la courbe de charge maximale admissible.
Le modèle mécanique peut ainsi être décrit au moyen des expressions mathématiques suivantes: $J_{z} \ddot{θ} = - Kθ + x_{c} F_{z}$
$J_{z} {\ddot{θ}}_{0} = - {Kθ}_{0} + x_{c} F_{z 0}$
$M \ddot{L} = (F_{z} - Mg)$
$M {\ddot{L}}_{0} = (F_{z 0} - Mg)$
dans lesquelles

θ représente l'angle de fléchissement en tangage de la flèche 4 (c'est-à-dire l'angle formé en tangage par la déformée de la flèche 4 par rapport à la position de ladite flèche à vide, du fait de la déformation par flexion en basculement de ladite flèche 4 sous l'effet de la charge) ;
ΔF_z = F_z - Mg corresponds à la variation d'effort vertical lié à la charge, F_z étant la charge verticale à l'instant considéré ;
J_z, K corresponds à un modèle de raideur et d'inertie du premier ordre relative à la structure de la grue ; plus particulièrement, K correspond à la raideur de la flèche 4 en flexion de tangage, et Jz l'inertie de la flèche 4 par rapport à son point d'intersection avec le mât 6 ;
M correspond à la masse de la charge;
θ̃ = θ - θ ₀ corresponds à la variation de l'angle horizontal de la flèche ;
L̃ = L - L ₀ corresponds à la variation de hauteur de charge directement proportionnelle à la longueur de câble enroulée / déroulée au niveau du treuil de levage, ou grandeur directement liée ;

J_{z} \ddot{\tilde{θ}} = - K \tilde{θ} + x_{c} Δ F_{z}

M \ddot{L} = Δ F_{z}

On notera que l'on néglige l'effet de raideur d'amortissement, du fait que celui-ci n'amplifie pas les effets dynamiques de la flèche lorsque le facteur dynamique est important - (comme cela est le cas en phase de levée charge ou variation importante).
On peut poser : $- K \tilde{θ} + x_{c} {Δ F}_{z} \leq x_{c} {Δ F}_{z}$
Puisque $M \ddot{L} = Δ F_{z}$
et que par conséquent : $x_{c} {Δ F}_{z} = x_{c} M \ddot{L}$
on obtient ainsi l'expression mathématique suivante : $J_{z} \ddot{\tilde{θ}} = - K \tilde{θ} + x_{c} Δ F_{z} \leq {Mx}_{c} \ddot{\tilde{L}}$
Le facteur de charge Ψ instantané effectif correspond au quotient de la somme de l'accélération verticale de la charge suspendue - c'est-à-dire de l'accélération d'enroulement ou de déroulement du câble - et de l'accélération liée au fléchissement en tangage de la flèche de la grue, au numérateur, par l'accélération de pesanteur g, au dénominateur, c'est-à-dire correspond à la somme, rapportée à l'accélération de pesanteur, de l'accélération verticale de la charge et de l'accélération liée au fléchissement de la flèche 4. Ainsi, le facteur de charge Ψ instantané effectif peut être décrit par l'expression mathématique suivante : $Ψ = \frac{\ddot{\tilde{L}}}{g} + \frac{x_{c} \ddot{θ}}{g}$
Ainsi, on obtient l'inégalité suivante: $Ψ = \frac{\ddot{\tilde{L}}}{g} + \frac{x_{c} \ddot{θ}}{g} \leq \frac{{x_{c}}^{2} M + J_{z}}{{gJ}_{z}} \ddot{\tilde{L}}$
Par conséquent, si l'on choisit de limiter l'accélération de levage $\ddot{\tilde{L}}$
de telle sorte que l'on respecte : $\ddot{\tilde{L}} < \frac{{gJ}_{z}}{({x_{c}}^{2} M + J_{z})} Ψ_{0}^{*}$
Alors on aura nécessairement : $Ψ \leq \frac{{x_{c}}^{2} M + J_{z}}{{gJ}_{z}} \ddot{\tilde{L}} < \frac{{x_{c}}^{2} M + J_{z}}{{gJ}_{z}} \frac{{gJ}_{z}}{({x_{c}}^{2} M + J_{z})} Ψ_{0}^{*}$
Soit : $Ψ < Ψ_{0}^{*}$
Ainsi, le facteur de charge Ψ instantané effectif sera toujours inférieur au facteur de charge Ψ₀* spécifié.
Dans un mode de réalisation, au cours de la troisième étape 130, la limitation des variations de vitesse de levage, c'est-à-dire la limitation de l'accélération de levage, au regard du facteur de charge spécifié Ψ₀*, limitation qui permet d'imposer l'inégalité ci-dessus, est de préférence obtenue par l'application d'une fonction LIM de type limiteur à rampe, plus communément désigné par l'expression anglo-saxonne « ramp limiter ». La fonction LIM de type limiteur à rampe permet de s'assurer que la variation de vitesse demandée en entrée ne dépasse jamais un seuil maximal d'accélération. Ainsi, la consigne de vitesse en sortie de la fonction LIM respecte l'objectif fixé par le concepteur.
Dans un mode de réalisation, la fonction LIM décrit une rampe dont la pente correspond à l'accélération maximale autorisée L"_MAX.
Aussi, à titre d'exemple, en réponse à un échelon de commandes de vitesse comprises dans les instructions CMD, demandé par le grutier, les consignes optimisées CMD' comprendront des consignes de vitesse à appliquer, dont la valeur croît progressivement, pour une période de temps prédéfinie, suivant la rampe décrite par la fonction LIM, dont la pente correspond à l'accélération maximale autorisée L"_MAX. De la sorte, les effets inertiels sont limités.
On se réfère à présent à la figure 3, sur laquelle est représenté un schéma de principe du dispositif de surveillance et de contrôle 20, selon un mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le dispositif de surveillance et de contrôle 20 est configuré pour mettre en oeuvre le procédé de contrôle de commande de levage, précédemment décrit, au moyen du modèle mathématique tel que décrit précédemment, en regard de la figure 4.
Plus particulièrement, le dispositif de surveillance et de contrôle 20 comporte un module limiteur de vitesse 210, un module limiteur d'accélération 220, et un module de freinage et de coupure 230 (noté SD&CUTF pour « SlowDown & CUToFf »).
Le module limiteur de vitesse 210 est configuré pour produire, à destination du module limiteur d'accélération 220, une consigne cible de vitesse de levage CV supérieure, en fonction des consignes de vitesse de levage CMD, envoyées par le dispositif de pilotage 10. La consigne cible de vitesse de levage CV supérieure est déterminée par calcul du résultat d'une fonction LIMv limiteur pour la valeur correspondant au minimum entre :

la vitesse V_{MAX BRK} maximale autorisée, fonction des capacités de la grue à freiner les mouvements de la charge suspendue ; et,
la vitesse de levage V_{MAX SEC} maximale de sécurité, déterminée en fonction des capacités de la grue à supporter une pose au sol de la charge suspendue brutale et/ou un arrêt d'urgence (freinage et arrêt du mouvement de levage), de sorte à éviter des à-coups dans des situations d'urgence.

Le module limiteur d'accélération 220 comporte un module de calcul 240 de l'accélération maximale L"_MAX, en fonction du facteur de charge Ψ₀* spécifié, de la position de distribution X_c et de la masse M.
Le module de calcul 240, peut comporter des moyens de lecture dans une mémoire préconfigurée d'un abaque/d'une cartographie correspondant à un ensemble de courbes surfaciques comme représenté sur la figure 5.
Alternativement, le module de calcul 240 peut comporter des moyens de calcul utilisant une description mathématique explicite, telle que décrite précédemment en regard de la figure 4, pour déterminer l'accélération maximale L"_MAX.
Le module limiteur d'accélération 220 est configuré pour déterminer la valeur de consigne de vitesse applicable au moteur de levage 41, et amener progressivement ladite consigne de vitesse à la valeur de vitesse de levage supérieure CV, en appliquant comme taux de variation (pente V_L" de la rampe accélération), une valeur V_L" qui correspondant au maximum entre :

∘ d'une part la valeur minimale entre:
- ▪ l'accélération de levage maximale L"_MAX déterminée par le module de calcul 240 ; et,
- ▪ l'accélération de levage maximale L"_SEC atteignable par le dispositif moteur 41 de levage (de manière à ce que la consigne d'accélération ne puisse pas excéder les capacités matérielles du moteur de levage 41) ; la valeur ainsi retenue à l'instant considéré correspond donc avantageusement à l'exigence de sécurité de fonctionnement la plus contraignante, et par conséquent à la condition de fonctionnement la plus défavorable ;
∘ et d'autre part une accélération de levage minimale L"_MIN, dite « accélération de levage de confort ».

L'accélération de levage minimale L"_MIN correspond à une accélération minimale de confort pour le pilotage de la grue par le grutier. Comme indiqué plus haut, cette accélération minimale de confort est choisie suffisamment basse pour ne pas mettre en péril la grue, tout en étant suffisamment élevée pour ne pas immobiliser inutilement la grue, en particulier lorsque l'accélération de levage maximale L"_MAX calculée est, de manière ponctuelle, exceptionnellement basse ou anormalement basse.
La valeur d'accélération de levage retenue, applicable à l'instant considéré, et donc la pente V_L" de la rampe d'accélération correspondante, reflète ainsi le meilleur compromis possible, en tenant compte des exigences de sûreté de fonctionnement.
Avantageusement, le module limiteur d'accélération 220 comporte des moyens pour limiter, au cours du temps, l'accélération de levage correspondant aux consignes cible de vitesse de levage CV reçues, par l'application de la fonction LIM de type limiteur à rampe, décrivant une rampe dont la pente correspond à la valeur V_L". La fonction LIM de type limiteur à rampe permet de brider la variation de vitesse demandée en entrée de telle sorte que l'accélération de levage observée en valeur absolue reste inférieure à la valeur V_L".
De préférence, le module de freinage et de coupure 230 est configuré pour s'assurer que les consignes optimisées CMD' produites en fonction des consignes d'accélération CA, n'entraînent pas le déplacement de la charge selon le mouvement de distribution au-delà d'une position limite X_{C MAX}. Le cas échéant, le module de coupure 230 modifie les consignes optimisées CMD' de sorte que la charge ne dépasse pas la position limite X_{C MAX} après la mise en oeuvre des instructions optimisées CMD'. On notera, plus globalement, que l'invention vient de préférence avantageusement en superposition des dispositifs conventionnels de sécurité permettant de stopper les mouvements de la grue en cas d'apparition d'une situation dangereuse.
Ainsi, les instructions optimisées CMD' pourront typiquement être transmises auxdits dispositifs de sécurité et de coupure traditionnels de la grue, qui pourront donc rester actifs de manière à assurer leur mission usuelle.
Plus particulièrement, le module de freinage et de coupure 230 peut ainsi ralentir le moteur de levage 41 voire le stopper lorsque la charge approche, voire atteint, la position limite prédéfinie X_{C MAX}.

Claims

Procédé de contrôle de commande de levage d'une charge suspendue à une flèche, portée par un mât d'une grue, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
• une première étape (110) de détermination, en fonction de la masse (M) de la charge suspendue, d'un facteur de charge spécifié (Ψ₀*) quantifiant un dépassement acceptable par rapport à une charge maximale admissible prédéterminée pour ladite grue ;

• une deuxième étape (120) de détermination d'une accélération de levage maximale autorisée (L"_MAX), en fonction de la masse (M) de la charge suspendue, du facteur de charge spécifié (Ψ₀*) et de la position en distribution (X_c) de la charge suspendue sur la flèche par rapport au mât;

• une troisième étape (130) de détermination, à partir de consignes de vitesse de levage (CMD), de consignes de vitesse de levage optimisées (CMD') destinées à être exécutées par un dispositif moteur (41) pour déplacer selon un mouvement de levage la charge suspendue de telle sorte que l'accélération relative au mouvement de levage reste, en valeur absolue, inférieure ou égale à l'accélération maximale autorisée (L"_MAX).
Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'accélération de levage maximale autorisée (L"_MAX) est déterminée au moyen de l'expression mathématique suivante : $\frac{{gJ}_{z}}{{x_{c}}^{2} M + J_{z}} ψ_{0}^{*}$
dans laquelle :
x_c correspond à la position en distribution de la charge suspendue ;

M correspond à la masse de la charge suspendue;

J_z correspond à un modèle de raideur et d'inertie du premier ordre relative à la structure de la grue.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le facteur de charge spécifié (Ψ₀*) est déterminé au moyen d'une courbe de charge maximale admissible, correspondant à un facteur de charge limite (Ψ₀) et à une charge statique maximale.
Procédé selon la revendication 3, dans lequel le facteur de charge limite (Ψ₀) est déterminé à partir d'un premier seuil théorique fonction des capacités théoriques de charge supportée par la grue et d'un deuxième seuil fonction d'incertitudes de mesures relatives à la masse de la charge suspendue et/ou au mouvement de levage de la charge suspendue.
Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 4, dans lequel le facteur de charge (Ψ₀*) spécifié est obtenu en multipliant le facteur de charge limite (Ψ₀) par le ratio entre la charge statique maximale correspondant à la courbe de charge maximale admissible et la masse (M) de la charge suspendue.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les consignes de vitesse de levage optimisées (CMD') sont déterminées de sorte que leur exécution par le dispositif moteur (41) pour déplacer selon le mouvement de levage de la charge suspendue vérifie la condition suivante:
∘ l'accélération de levage de la charge suspendue, en valeur absolue, reste inférieure ou égale à l'accélération maximale autorisée (L"_MAX);
ainsi qu'une ou plusieurs des conditions supplémentaires suivantes:
∘ la vitesse de levage de la charge suspendue, en valeur absolue, reste inférieure à une vitesse de levage (V_{MAX BRK}) maximale autorisée, la vitesse de levage (V_{MAX BRK}) maximale autorisée étant déterminée en fonction des capacités de la grue à freiner les mouvements de la charge suspendue; et/ou,

∘ la vitesse de levage de la charge suspendue, en valeur absolue, reste inférieure à une vitesse de levage (V_{MAX SEC}) maximale de sécurité, déterminée en fonction des capacités de la grue à supporter une pose au sol de la charge suspendue brutale et/ou un arrêt d'urgence; et/ou,

∘ l'accélération de levage de la charge suspendue, en valeur absolue, reste inférieure à une accélération de levage maximale (L"_SEC) atteignable par le dispositif moteur (41); et/ou,

∘ l'accélération de levage de la charge suspendue, en valeur absolue, reste supérieure à une accélération de levage minimale (L"_MIN).
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les consignes de vitesse de levage optimisées sont déterminées de sorte que la valeur absolue de la vitesse de levage de la charge suspendue croît, sur une période de temps prédéfinie, suivant une rampe dont la pente correspond à l'accélération de levage maximale autorisée (L"_MAX).
Programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution des étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, lorsque ledit programme est exécuté par un processeur.
Support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes des procédés selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
Grue, de préférence grue à tour, comportant un mât supportant une flèche sur laquelle est monté un chariot destiné à porter une charge suspendue, caractérisé en ce qu'elle comporte en outre des moyens (20) de contrôle de commande de levage de la charge suspendue, pourvus:
• de moyens de détermination, en fonction de la masse (M) de la charge suspendue, d'un facteur de charge spécifié (Ψ₀*) quantifiant un dépassement acceptable par rapport à une charge maximale admissible prédéterminée pour ladite grue ;

• de moyens de détermination d'une accélération de levage maximale autorisée (L"_MAX), en fonction de la masse (M) de la charge suspendue, du facteur de charge spécifié (Ψ₀*) et de la position en distribution (X_c) de la charge suspendue sur la flèche par rapport au mât;

• de moyens de détermination, à partir de consignes de vitesse de levage (CMD), de consignes de vitesse de levage optimisées (CMD') destinées à être exécutées par un dispositif moteur (41) pour déplacer selon un mouvement de levage la charge suspendue de telle sorte que l'accélération relative au mouvement de levage reste, en valeur absolue, inférieure ou égale à l'accélération maximale autorisée (L"_MAX).