EP3556969B1 - Concrete pump - Google Patents

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EP3556969B1
EP3556969B1 EP19167399.5A EP19167399A EP3556969B1 EP 3556969 B1 EP3556969 B1 EP 3556969B1 EP 19167399 A EP19167399 A EP 19167399A EP 3556969 B1 EP3556969 B1 EP 3556969B1
Authority
EP
European Patent Office
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concrete
delivery
distribution boom
pump
disturbance variable
Prior art date
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Active
Application number
EP19167399.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP3556969A1 (en
Inventor
Julian Wanner
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Oliver Sawodny
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Liebherr Mischtecknik GmbH
Original Assignee
Liebherr Mischtecknik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Liebherr Mischtecknik GmbH filed Critical Liebherr Mischtecknik GmbH
Publication of EP3556969A1 publication Critical patent/EP3556969A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP3556969B1 publication Critical patent/EP3556969B1/en
Active legal-status Critical Current
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66CCRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C23/00Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes
    • B66C23/62Constructional features or details
    • B66C23/64Jibs
    • B66C23/68Jibs foldable or otherwise adjustable in configuration
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66CCRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00Other constructional features or details
    • B66C13/04Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B66C13/06Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads
    • B66C13/066Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads for minimising vibration of a boom
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E04BUILDING
    • E04GSCAFFOLDING; FORMS; SHUTTERING; BUILDING IMPLEMENTS OR AIDS, OR THEIR USE; HANDLING BUILDING MATERIALS ON THE SITE; REPAIRING, BREAKING-UP OR OTHER WORK ON EXISTING BUILDINGS
    • E04G21/00Preparing, conveying, or working-up building materials or building elements in situ; Other devices or measures for constructional work
    • E04G21/02Conveying or working-up concrete or similar masses able to be heaped or cast
    • E04G21/04Devices for both conveying and distributing
    • E04G21/0418Devices for both conveying and distributing with distribution hose
    • E04G21/0436Devices for both conveying and distributing with distribution hose on a mobile support, e.g. truck
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E04BUILDING
    • E04GSCAFFOLDING; FORMS; SHUTTERING; BUILDING IMPLEMENTS OR AIDS, OR THEIR USE; HANDLING BUILDING MATERIALS ON THE SITE; REPAIRING, BREAKING-UP OR OTHER WORK ON EXISTING BUILDINGS
    • E04G21/00Preparing, conveying, or working-up building materials or building elements in situ; Other devices or measures for constructional work
    • E04G21/02Conveying or working-up concrete or similar masses able to be heaped or cast
    • E04G21/04Devices for both conveying and distributing
    • E04G21/0418Devices for both conveying and distributing with distribution hose
    • E04G21/0445Devices for both conveying and distributing with distribution hose with booms
    • E04G21/0454Devices for both conveying and distributing with distribution hose with booms with boom vibration damper mechanisms

Definitions

  • the present invention relates to a concrete pump with a feed pump, a concrete line and an articulated arm forming a distribution boom, along which the concrete line is guided, the articulated arm having a rotary stand which can be rotated about a vertical axis and/or at least one which can be pivoted about a horizontal axis by means of a joint Segment, wherein the turntable can be moved about the vertical axis via an actuator and / or the at least one segment can be pivoted about the horizontal axis via an actuator, the concrete pump further having a control for controlling the actuators of the distribution boom, the control being a Disturbance input to reduce the vibrations of the placing boom induced by concrete delivery.
  • the concrete pump is a truck-mounted concrete pump.
  • the control device comprises a pressure measuring device on the delivery line of the concrete, in which two pressure sensors are preferably provided distributed over the delivery line and can determine pressure differences in the delivery line. For example, by measuring the delivery pressure at two measuring points, the development of a pressure difference and the course of such a pressure wave through the delivery line can be estimated.
  • Pamphlet JP 2000 282687 A describes a concrete pump in which the pump frequency is changed in order to avoid excessive excitation of the vibrations of the placing boom.
  • the object of the present invention is to provide a concrete pump with an improved disturbance variable feed-in.
  • the present invention comprises a concrete pump with a feed pump, a concrete line and an articulated arm forming a distribution boom, along which the concrete line is guided, the articulated arm having a turntable rotatable about a vertical axis and/or at least one means a joint has a segment that can be pivoted about a horizontal axis, wherein the rotary stand can be moved about the vertical axis via an actuator and / or the at least one segment can be pivoted about the horizontal axis via an actuator, and wherein the concrete pump continues to provide a control Control of the actuators of the distribution boom, the control comprising a disturbance variable feed-in to reduce the vibrations of the distribution boom induced by the concrete delivery.
  • the first aspect is characterized in that the disturbance variables are applied on the basis of a physical model of the concrete delivery, which describes the flow-related disturbance forces of the concrete delivery on the placing boom.
  • the use of the physical model and the determination of the disruptive forces on the placing boom based on it results in a significantly improved reduction in vibrations induced by concrete delivery.
  • the physical model describes frictional forces of the concrete on the inner wall of the concrete pipe and/or inertial forces due to the concrete flow deflection in the pipe bends. These two forces essentially determine the disruptive forces acting on the articulated arm.
  • At least one operating parameter of the feed pump is included in the disturbance variable feed-in.
  • This can be, for example, one or more of the following operating parameters: pumping frequency, cylinder speed of the cylinders of the feed pump and/or the cylinder position of the cylinders of the feed pump.
  • the physical model of concrete delivery takes into account the current position of the placing boom and in particular the articulation angles of the joints.
  • the current position of the distribution boom is preferably determined on the basis of sensors assigned to the swivel joints for indirect or direct measurement of the respective angle of rotation of the joints of the articulated arm.
  • the determination of the disruptive forces of the concrete delivery on the placing boom is preferably carried out without measuring the vibration state of the placing boom or the segments.
  • the position of the placing boom and in particular the articulation angles of the joints are preferably included in the description of the concrete flow deflection by the physical model.
  • the physical model can take into account the hydrostatic pressure loss of the flow, taking into account the current position of the placing boom.
  • At least one material property of the pumped fluid that is included in the modeling by the physical model is determined from operating parameters of the delivery pump and/or the concrete delivery. This can improve the accuracy of the model.
  • At least the viscosity of the pumped fluid is determined, in particular from the concrete pressure and the flow velocity of the concrete.
  • the density of the pumped fluid can be determined by the static concrete pressure. Alternatively, a stored average value for the density of concrete can be used for the density of the pumped fluid.
  • the disturbance variable connection is further based on a physical model of the placing boom, which is coupled to the physical model of the concrete delivery in order to determine the influence of the disturbance forces determined by the physical model of the concrete delivery on the entire placing boom.
  • the physical model of the distribution boom used for this preferably takes into account the elastic deformation of at least one of the segments.
  • the vibrations of the placing boom induced by the conveying of concrete are reduced by switching on the disturbance variables by controlling the actuators of the articulated arm.
  • the disturbance variable feed-in takes place as a feedforward control without feedback of the dynamic state of the distribution boom.
  • the pilot control is based on a control of a virtual model of the distribution boom.
  • the disturbance variable connection preferably regulates the virtual model of the placing boom, which is coupled to the model of the concrete delivery as part of the determination of the disturbance forces.
  • this control can be carried out in such a way that the influence of the disruptive forces is compensated for at least one point on the articulated arm.
  • the disturbance variable control controls the actuators of the articulated arm in such a way that the influence of the disturbance forces on the tip of the distribution boom is reduced and preferably eliminated.
  • the feed pump is preferably a double piston pump.
  • a double piston pump includes two pistons that work in push-pull to pump the concrete.
  • Such feed pumps are known.
  • the damping of induced vibrations by the disturbance variable feed-in according to the present invention is based on controlling the actuators of the articulated arm.
  • the feed pump is preferably controlled independently of the disturbance variable input.
  • the disturbance variable connection can be based solely on controlling the actuators of the articulated arm.
  • control in addition to the input of disturbance variables, also includes a regulation which is based on a measurement and/or feedback of the position and/or the vibration state of the distribution boom.
  • control includes vibration damping for damping horizontal and/or vertical vibrations of the distribution boom, which is based on a measurement and/or feedback of the position and the vibration state of the distribution boom.
  • vibration damping can be designed in such a way that it dampens natural vibrations of the distribution boom.
  • the vibration damping is preferably based on a physical model of the distribution boom.
  • this physical model can be the same model that is also used to determine the influence of the disruptive forces of concrete delivery on the placing boom.
  • control and/or vibration damping is preferably designed in such a way that it only intervenes when the state of the distribution boom deviates from the state of the virtual model, which is regulated as part of the disturbance variable feed-in.
  • the present invention comprises a concrete pump with a feed pump, a concrete line and an articulated arm forming a distribution boom, along which the concrete line is guided, the articulated arm having a turntable rotatable about a vertical axis and/or at least one means a joint has a segment that can be pivoted about a horizontal axis, wherein the rotary stand can be moved about the vertical axis via an actuator and / or the at least one segment can be pivoted about the horizontal axis via an actuator, and wherein the concrete pump also has a control for controlling the actuators of the distribution boom, the control comprising a disturbance variable feed-in to reduce the vibrations of the distribution boom induced by the concrete delivery, which takes the concrete pressure into account.
  • the second aspect is characterized in that the disturbance variable feed-in determines the concrete pressure at the inlet of the concrete line based on the operating parameters of the feed pump.
  • the indirect determination of the concrete pressure according to the invention based on operating parameters of the feed pump has the considerable advantage that pressure sensors on the concrete line, which are extremely susceptible to wear, can be dispensed with.
  • the determination of the concrete pressure at the inlet of the concrete line is preferably based on the hydraulic pressure of the delivery cylinders of the delivery pump and the piston area ratio of the delivery pump.
  • the concrete pressure can thereby be determined using a measured value that can be reliably determined in the hydraulic system of the feed pump.
  • the first and second aspects of the present invention can each be used independently of one another.
  • the disturbance variable input based on a physical model of concrete delivery can also take place according to the first aspect without determining the concrete pressure according to the second aspect.
  • a determination of the concrete pressure according to the second aspect can also be used in a disturbance variable feed-in, which is based on a different principle than the disturbance variable feed-in according to the first aspect.
  • first and second aspects are preferably used in combination.
  • the disturbance variable feed-in takes into account the frequency of the feed pump and/or the position and/or speed of the feed pistons of the feed pump.
  • the disturbance variable feed-in takes into account the frequency of the feed pump and/or the position and/or speed of the feed pistons of the feed pump.
  • these are easily accessible operating parameters of the feed pump, which can be determined either by measurement or from the control of the feed pump, and from which operating variables for concrete delivery can be determined.
  • the disturbance variable connection can determine the flow speed of the concrete in the concrete pipe from the speed of the delivery pistons of the delivery pump.
  • This feature of the present invention can also be used independently of the first and second aspects of the present invention, in particular as a further development of a concrete pump according to the preamble of claim 1.
  • the concrete pump comprises at least one yaw rate sensor, which is arranged on a segment of the articulated arm, wherein the control for the input of disturbance variables and/or vibration damping determines a oscillation state of the entire distribution boom based on the measured values of the yaw rate sensor from the vibrations of the individual segments .
  • the concrete pump comprises at least one rotation rate sensor, which is arranged on a segment of the articulated arm, with the control for feeding in disturbance variables and/or vibration damping taking place without the use of geodetic sensors and/or deformation sensors.
  • the concrete pump comprises at least one rotation rate sensor, which is arranged in a front region of a segment which is arranged between the rotating stand and a segment forming the mast tip in the articulated arm.
  • the signal from the rotation rate sensor is preferably used to determine vibrations of the segment on which it is arranged.
  • the front region of a segment in the sense of the present invention is preferred the front 25% of the length of the respective segment, ie the one facing the top of the mast, is considered, more preferably the front 10% of the length of the length.
  • rotation rate sensors are arranged on at least two segments.
  • the signals from these rotation rate sensors are preferably used to determine vibrations of the segments on which they are arranged.
  • the vibration damping determines a vibration state of the segments and/or the entire arm based on the measured values of the at least two rotation rate sensors.
  • the rotation rate sensors are preferably each arranged in a front region of the segments. This improves the detection of vibrations in these segments.
  • the at least two segments on which the yaw rate sensors are arranged are arranged between the turret and a segment forming the mast tip in the articulated arm. More preferably, a further rotation rate sensor is arranged on the segment forming the mast tip, which is preferably used to determine vibrations of the mast tip.
  • the articulated arm further comprises sensors assigned to the swivel joints for indirectly or directly measuring the respective angle of rotation of the joint, with the measurement signals from the sensors being incorporated into the control of the articulated arm.
  • sensors are preferably provided in addition to the yaw rate sensors and can be used in particular to compensate for a drift in the measured values, which cannot be avoided due to the design of yaw rate sensors.
  • the measurement signals from the sensors are primarily used for vibration damping. Alternatively or additionally, the measurement signals from the sensors can be used to determine the current position of the articulated arm, and in particular can be used for position control of the articulated arm.
  • the disturbance variable input and/or vibration damping takes place using a physical model of the distribution boom, in which the flexibility of at least one segment is described by a virtual joint arranged within this segment.
  • At least the flexibility of the segment arranged directly on the rotating stand is taken into account by a corresponding virtual joint, since the vibrations of this segment have the greatest influence on the vibration state of the articulated arm.
  • the flexibility of the last segment, which forms the mast tip can be taken into account. This is usually the least stable and therefore the most flexible.
  • the virtual joint can also be provided in another segment.
  • the flexibility of several and more preferably all segments is preferably described by at least one virtual joint arranged within the respective segment.
  • the physical model is a rigid body model with actuated joints.
  • the model preferably describes several and more preferably all segments of the articulated arm, and thus simultaneously reflects the position of the articulated arm.
  • the ability to oscillate at least one and preferably several and more preferably all segments is then described by at least one virtual joint in the rigid bodies describing the actual segments.
  • a spring element and a damper element are assigned to the virtual joint.
  • the spring constant and the damper constant are preferably chosen so that the virtual joint describes the size of the deflection and/or torsion and/or the first natural frequency of the real segment.
  • the virtual joint can therefore be viewed as a first description of the segment's first natural oscillation in terms of frequency and amplitude.
  • less than 10, more preferably less than 5, more preferably less than 3 and, in a possible embodiment, exactly one virtual joint are provided within the segment. This reduces the complexity of the model.
  • a virtual joint with only one axis of rotation is sufficient.
  • a virtual joint with a horizontal axis of rotation can be used to dampen vertical vibrations.
  • the virtual joint has at least two and preferably three degrees of freedom of movement.
  • the vibration damping takes into account torsion of at least one segment and/or the articulated arm.
  • the torsion of at least one segment and/or the articulated arm is taken into account by using a physical model of the articulated arm, which describes a torsion of the articulated arm and/or one or more segments of the articulated arm. This is more preferably done via a virtual swivel joint, like this was described above, and which extends in the longitudinal direction of the segment.
  • the articulated arm comprises at least two yaw rate sensors arranged on different segments, the torsion being determined from a comparison of the measured values of the yaw rate sensors.
  • the measured values of a first yaw rate sensor which is arranged within the articulated arm closest to the turret
  • a second yaw rate sensor which is arranged within the articulated arm closest to the mast tip
  • the measured values of a first yaw rate sensor which is arranged on a first segment
  • a second yaw rate sensor which is arranged on a segment following the first segment within the articulated arm, in order to determine the torsion of the articulated arm between the to determine both rotation rate sensors and in particular the torsion of the first or second segment.
  • the yaw rate sensors can each be arranged in a front region of the segments.
  • the articulated arm can comprise at least two yaw rate sensors arranged at different positions of the same segment, the torsion of the segment being determined from a comparison of the measured values of the yaw rate sensors.
  • the rotation rate sensors are preferably arranged in a front and a rear area of the segment.
  • At least one of the yaw rate sensors which is used to determine the torsion, can be arranged on the turntable and/or in a rear region of the segment arranged directly on the turntable, and/or at least one of the rotation rate sensors, which is used to determine the torsion, can be arranged on the last segment of the articulated arm and in particular in the area of the mast tip.
  • the rotation rate sensors whose measured values are used to determine the torsion, preferably have at least two sensitivity directions, in particular a first horizontal sensitivity direction and a second sensitivity direction running in a vertical plane. This means that the torsion can be determined relatively easily through comparison.
  • the rotation rate sensors whose measured values are included in the vibration damping according to the invention, preferably have at least two sensitivity directions, in particular a first horizontal sensitivity direction and a second sensitivity direction running in a vertical plane.
  • the control of the articulated arm includes an observer who estimates the state of the articulated arm.
  • the observer can include a physical model of the articulated arm and estimate its condition based on the model and based on measured values from sensors.
  • the estimate is preferably carried out on the basis of the measured values from sensors, as already described above, in particular on the basis of at least one angle of rotation sensor and/or sensors assigned to the joints for indirectly or directly detecting the angle of rotation of the joints.
  • the observer preferably uses a physical model of the articulated arm, as described in more detail above, in particular a physical model which is also used to determine the influence of the disturbing forces on the articulated arm through the input of disturbance variables.
  • the observer preferably estimates the position and/or the vibration state of the articulated arm.
  • a state is determined, this includes in particular an estimate of the state by an observer.
  • the vibration damping could take place solely as a pilot control.
  • the vibration damping preferably includes regulation by feedback of at least one variable obtained using a measurement signal.
  • the vibration damping comprises a control which takes place by feedback of at least one of the following variables: speed and position of one or more of the joints, speeds and positions of the bending and/or torsion of one or more of the segments.
  • variable or variables that are returned by the control are preferably estimated by an observer.
  • the observer can be used for this, which was described in more detail above.
  • an estimation of the system state and/or the vibration damping and/or the determination of the influence of the disturbing forces on the articulated arm is carried out on the basis of a linearization of a physical model, and in particular on the basis of a linearization of the physical model, as it is was described above.
  • the estimation is carried out by an observer and/or the control and/or the input of disturbance variables, as described above, on the basis of linearization.
  • the linearization preferably takes place around the equilibrium position of the current position of the articulated arm.
  • the linearization can be carried out by the control depending on the current position of the articulated arm.
  • control comprises a pilot control, which calculates control signals from a setpoint specified by an operator, through which the desired mast movement is carried out and vibration excitation of the articulated arm is reduced.
  • the pilot control is preferably designed in such a way that the natural frequencies of the articulated arm are suppressed.
  • the natural frequencies of the articulated arm which are taken into account by the pilot control, can be determined depending on the current position of the articulated arm.
  • the control comprises axis controllers assigned to the respective joints, the control generating control signals for the target angular speed of the axes, on the basis of which the axis controller assigned to the respective joint generates control signals for the respective actuator, the axis controller preferably being on an inverse Deflection kinematics are based and/or include an inverse nonlinearity.
  • the articulated arm comprises a turntable which can be rotated about a vertical axis and at least two segments which can be pivoted about horizontal axes by means of joints, the turntable being movable about the vertical axis via an actuator and the segments being pivotable about the horizontal axes via actuators are. More preferably, the articulated arm comprises at least three and more preferably at least four segments.
  • the control and in particular the disturbance variable feed-in and/or the vibration damping preferably controls all actuators of the segments and/or the turret.
  • At least vertical vibration damping and/or disturbance variable feed-in takes place.
  • the vibration damping and/or disturbance variable control appropriately controls the actuators through which the segments of the articulated arm are rotated about their horizontal axes of rotation.
  • At least horizontal vibration damping and/or disturbance variable feed-in takes place.
  • the vibration damping and/or disturbance input controls the actuator of the lathe accordingly.
  • the actuators are preferably hydraulic actuators.
  • the hydraulic actuators are preferably driven via a hydraulic pump, which is driven via the drive motor of the concrete pump.
  • Hydraulic cylinders are preferably used as actuators for pivoting the segments.
  • a hydraulic motor is preferably used as the actuator for rotating the lathe.
  • the segments of the articulated arm can be folded into a transport position via the joints, with the individual segments preferably running essentially parallel in the transport position.
  • the control comprises a geometry control, which generates the actuators of the joints of the articulated arm based on a user's specifications, which are preferably done via hand levers, and/or based on a predetermined trajectory of the mast tip, which is preferably generated automatically a corresponding movement of the mast tip.
  • the present invention further comprises a control according to claim 14.
  • the control preferably comprises a microprocessor and a memory in which control software is stored, which, when executed by the microprocessor, implements the above-described structure and/or the above-described functionality of the control according to the invention.
  • the controller also has one or more inputs via which it is connected to sensors, in particular the sensors described above, and/or one or more outputs via which it controls the actuators described above.
  • the disturbance variable connection and/or vibration damping according to the invention is preferably carried out automatically by the control of the concrete pump.
  • the present invention further comprises control software according to claim 13.
  • the control software implements the control according to the invention.
  • the control software can be stored in memory and/or represent a computer program product.
  • the concrete pump according to the invention is a truck-mounted concrete pump.
  • the concrete pump preferably includes a chassis via which it can be moved.
  • the chassis preferably includes several wheeled axles.
  • the present invention further comprises a method according to claim 15.
  • the disturbance variable connection takes place on the basis of a physical model of the concrete delivery, which describes the flow-related disturbance forces of the concrete delivery on the placing boom.
  • the method according to the invention provides that the concrete pressure at the inlet of the concrete line is determined based on operating parameters of the feed pump, in particular based on the hydraulic pressure of the feed cylinders and the piston area ratio of the feed pump.
  • New construction methods, materials and electronic systems have meant that concrete pumps have continued to develop over the past few decades.
  • the use of multi-link articulated arms with increasingly longer segments enables improved accessibility to areas that are difficult to access.
  • increasing the number and length of the segments also increases the weight and dimensions of the vehicle. The result is restrictions on road travel, handling and functionality of the concrete pump.
  • a special phenomenon of large manipulators is the ability of the placing boom to oscillate.
  • the vibrations make it difficult for the operator to control the mast and for the end hose operator to distribute the concrete.
  • the ability to vibrate is linked to the slenderness and inertia of the segments and the elastic properties of the material.
  • the vibration excitation arises from the movement of the articulated mast and the concrete delivery.
  • the double piston pump typically used to convey concrete transmits impulse-like disturbing forces to the placing boom and thus causes continuous vibration excitation.
  • excitation close to the natural frequencies of the mast is also possible.
  • the aim of the present invention is to dampen vibrations of the placing boom to improve the manageability and functionality of the concrete pump.
  • the EP 2 103 760 B1 proposes a model-based vibration damping using a modal model.
  • the control algorithm estimates the state of the system using an observer and feeds back the estimated signal via control gains.
  • the gains are retrieved from a list and interpolated depending on the mast position.
  • the method is based on a modal model that is obtained through modal transformation and subsequent model reduction to the first vibration modes.
  • the individual states of the model are therefore modal coordinates and have no physical interpretation.
  • the method has the disadvantage that, in addition to the control gains, the observer's reduced, modal model also depends on the current mast position.
  • the modal model must therefore be regenerated for each mast position or is only valid for certain mast positions.
  • the vibration damping proposed below avoids these problems through a different type of modeling.
  • the model reduction is physically motivated and leads to physically interpretable, elastic coordinates.
  • the sensor combination used to dampen vibrations also differs.
  • the WO 2014165889 A1 presents vibration damping based on the feedback of position and deformation signals of the mast segments.
  • the position is recorded using an inertial measuring unit and the deformation using strain gauges.
  • the inertial measuring unit includes a rotation rate sensor and an acceleration sensor, which are only used in combination and for position estimation (see claim 2).
  • the method has the advantage that the vibration of the segments is recorded independently of the traversing movement. This eliminates the need for additional signal processing to separate traversing movement and superimposed structural vibration.
  • strain gauges has the disadvantage that installation is complex and has to be carried out in highly stressed areas of the segment.
  • the sensor is very temperature sensitive and requires a lot of calibration effort.
  • the vibration damping proposed below avoids these disadvantages by choosing a rotation rate sensor to detect vibrations in the distribution boom.
  • the WO 2016 131977 A1 uses inertial measuring units to control the position of the mast tip.
  • the measuring units are attached to the segments in the middle of the bar.
  • the acceleration and yaw rate signals from the sensors are fused using a rigid body approach and estimate the position of the mast tip.
  • the acceleration signal from the sensor at the top of the mast is integrated twice and merged with the existing estimate.
  • An absolute determination of the position is not possible due to the rigid body approach used and the double integration. Instead, the dynamic components of the mast tip position are calculated using a high-pass filter and fed back using a PID controller.
  • a subordinate position control at the joint level prevents drift effects of the mast tip.
  • the fusion algorithm only includes the reconstruction of the position of the mast tip. Because of the positioning The inertial measuring units and the rigid body approach used only estimate the inclination of the segments and not the vibration state of the placing boom. This differs from the model-based approach to estimating and controlling the vibration state of the placing boom presented below. The vibration state of the entire mast is taken into account. In contrast to the position control of the mast tip, the number of sensors used can be reduced and limited to the use of yaw rate sensors.
  • the EP 1 537 282 B1 (Putzmeister ) suggests geodetic angle sensors to determine the position and dampen vibrations of the placing boom.
  • the sensors are attached to the segments and provide the respective absolute inclination. Taking the kinematics into account, the signals are divided into a low-frequency component for coordinate control and a high-frequency component for vibration damping.
  • the tilt sensors typically used react sensitively to translational acceleration peaks. The application for vibration damping, taking into account traversing movement and concrete delivery, is therefore very limited.
  • the EP 2 778 466 A1 provides vibration damping in the horizontal plane.
  • the EP 1 122 380 B1 suggests a control device for periodically varying or modulating the pump frequency. Varying or modulating the pump frequency prevents excitation frequencies near the mast's natural frequency from occurring. The result is reduced vibration excitation of the placing boom. The process changes the delivery of concrete in order to dampen the vibrations in the placing boom. This differs from the disturbance input shown below, which uses the actuators of the placing boom and leaves the concrete delivery unaffected.
  • the EP 1 537 282 B1 (Putzmeister ) names a disturbance variable controller for reducing vibrations in the placing boom.
  • the procedure is not a disturbance variable feed-in, since not a disturbance variable, but a measured variable from the placing boom is used to dampen vibrations.
  • the measured variable is the dynamic portion of the position detection of the mast. It is amplified by a controller and fed back to the actuators of the placing boom.
  • the method therefore represents classic, feedback-based vibration damping and does not involve the addition of disturbance variables.
  • Fig. 1 The relevant elements of the truck-mounted concrete pump are shown. This has an undercarriage with a chassis with several tire axles, through which the truck-mounted concrete pump can be moved on the road. Front and rear support cylinders 9 and 10 are provided on the undercarriage, which are arranged on fold-out and / or telescopic struts 10 and 12. Furthermore, a transfer case 11 is shown.
  • the undercarriage carries a pump group 1 at the rear and an articulated arm via a mast block 2, along which a delivery line (not shown) is guided.
  • the articulated arm consists of a rotating stand 3 and four segments 4 to 7 (any number of segments possible), which are coupled via joints A to E.
  • Joint A on the vehicle enables the rotation of the turntable 3 about the vertical axis
  • joints B to E enable the pivoting of the segments 4 to 7 about horizontal tilting axes.
  • the actuator system of the concrete pump consists of hydraulic cylinders 14 to 17 at the respective joints B to E and a hydraulic motor for the swivel joint A of the lathe.
  • the hydraulic cylinders 14 to 17 enable the movement of the placing boom in the vertical plane.
  • the hydraulic motor rotates the entire mast around the vertical axis.
  • the mast top 22 (TCP) is the top of the distribution boom.
  • a delivery line is attached to the distribution mast and conveys concrete to the top of the mast 22. From there, the concrete is guided to an operator via a hose section 8.
  • the required delivery pressure is generated by a double piston pump in the pump unit 1.
  • Fig. 2 The planned structure of the vibration damping is divided into: Fig. 2 Subsystems shown: geometry control, feedforward control, regulation (with observer) and disturbance variable feed-in.
  • the geometry control is used to generate movement paths for the placing boom.
  • the trajectories are a time function for the position, speed, acceleration and/or jerk of the joint axes of the placing boom. They are adapted to the dynamics of the system in the feedforward control and given to the control system as a setpoint.
  • the regulation which in Fig. 4 is reproduced again, is divided into two parts: the axis control ( Fig. 5 ) and the control for damping the vibrations and position control with the controller and the observer.
  • the process includes active vibration damping to reduce vibrations in the placing boom.
  • active vibration damping takes the desired target movement into account and only dampens the resulting structural vibrations. The vibrations due to concrete delivery are also reduced.
  • the goal of vibration damping is to reduce vibrations throughout the entire placing boom.
  • the vibrational state of the entire Arms estimated from the vibrations of the individual segments.
  • the placing boom has variable natural frequencies depending on the position and inclination of the segments.
  • the vibration damping takes into account this variability of the natural frequencies depending on the position of the mast.
  • the first natural frequencies have the greatest influence on the vibration behavior.
  • the vibration state of the distribution boom is detected by rotation rate sensors 18 to 21.
  • the sensors are mounted on one or more segments 4 to 7 and measure the rotation rate around the joint axes.
  • the advantage of these sensors for detecting vibrations is that, in contrast to conventional sensors (e.g. strain gauges), they can be easily installed.
  • the sensor can be attached to all outside and inside sides of the segment.
  • the MEMS-based rotation rate sensors are also cost-effective, robust and low-maintenance.
  • the rotation rate sensor 18 to 21 is mounted in the front area of the respective segments 4 to 7 in order to optimally record the structural vibrations. Due to the serial kinematics of the manipulator, the measured rotation rate of a segment also contains the oscillation of the previous segment. This circumstance will be taken into account in the draft regulation.
  • the position of the placing boom is determined by a direct or indirect measurement of the relative joint angles between the segments.
  • the relative joint angles can be recorded using rotary angle sensors.
  • the draft regulation is based on a mathematical model of the placing boom.
  • the mechanical system is represented by a dynamic model.
  • the placing boom is modeled by a rigid body model with actuated joints B to E. Additional virtual joints take the flexibility in the segments into account. An additional virtual joint with spring and damper elements is introduced for each segment. The spring and damping constants are chosen so that the deflection and the first natural frequency of the real segment are preserved.
  • the distribution boom model is made up of several segments. The rigidity of the overall structure results from the rigidity of the individual segments. Since the overall structure is made up of several segments, higher natural frequencies are also reproduced.
  • This type of modeling represents a physically motivated discretization of the infinitely dimensional, elastic placing boom.
  • the advantage is that well-developed and efficient rigid body formalisms can be used for modeling.
  • the resulting model also has a relatively low system order. Unlike a modal model reduction, the system state of the virtual joints is still a physical variable. It describes the concentrated deflection and vibration of the segment.
  • the observer reconstructs the system state x ⁇ using the inputs and outputs of the system .
  • the inputs of the system u are the setpoints of the hydraulics.
  • the outputs y are the measured values of the position and vibration state of the placing boom.
  • the model-based observer also ensures that the measurement signal from the yaw rate sensors is divided into the separate components of the joint movement and the vibration.
  • the control system specifically dampens the structural vibrations without influencing the target movement.
  • the observer gain L is determined by a suitable method such as B. Pole specification or selected by a Kalman filter.
  • the poles are positioned in the complex half-plane in such a way that the damping of the system increases.
  • the vibrations in the placing boom are thus dampened.
  • the controller receives the estimated state of the observer x ⁇ , amplifies the signals and supplies them to the hydraulics as setpoints (see Fig. 4 ).
  • the control gain K is determined by a suitable method such as B. pole specification or optimization-based method (LQR).
  • the observer and controller design process described above applies to a specific equilibrium position of the placing boom. To change the position of the mast, the design process is repeated and adapted to the current position. By tracking the control parameters, the functionality of the vibration damping is guaranteed for every mast position.
  • Vibration damping can also be used for vibrations in the horizontal plane.
  • the hydraulic motor on the mast trestle serves as an actuator.
  • the mast position around the vertical axis is recorded by an angle sensor.
  • the rotation angle sensors for vibration measurement are designed or extended by a detection direction in the horizontal plane and torsion.
  • the sensors are mounted on one or more segments and measure the rotation rate around the vertical axis and the longitudinal axis.
  • the dynamic model of the placing boom (Section 5.3.3) is supplemented by a horizontal component.
  • the virtual joints in the segments are designed as multi-axis swivel joints that record bending in the horizontal plane and torsion.
  • the rotation around the vertical axis is taken into account by a joint on the lathe.
  • the type and structure of the model remain the same as in Section 5.3.3.
  • an observer and a feedback amplifier are designed for the linearized extended model. Either separate horizontal vibration damping or combined vertical and horizontal vibration damping can be implemented.
  • the model-based observer ensures that the measurement signal from the yaw rate sensors is divided into the separate parts of the vertical axis movement and the vibration.
  • the control system specifically dampens the structural vibrations of horizontal bending and torsion without influencing the target movement.
  • the operator's movement specifications are explicitly taken into account by the vibration damping. This means that the desired movement is permitted by the control and only the superimposed structural vibrations are dampened.
  • a pilot control is also provided. This calculates control signals from the operator's setpoint that carry out the desired mast movement and do not stimulate any vibration.
  • a notch filter is used which, depending on the current mast position, suppresses the natural frequencies of the placing boom during the movement (see Fig. 3 ).
  • the setpoint signals for the hydraulics are implemented by a subordinate axis control on the cylinders.
  • the axis control converts a target angular velocity specification u of the joints into the actual translational velocity of the cylinders.
  • the deflection kinematics and non-linearities of the hydraulics are taken into account by a pilot control (see Fig. 5 ).
  • Either the pressure, the cylinder position or the cylinder speed can be used as the feedback measurement variable.
  • the cylinder speed can also be calculated from the position using separate signal processing.
  • the cylinders transmit the force F u to the placing boom and thus generate movement of the joints.
  • the axis control is decentralized and subordinate to each joint separately.
  • the aim of the disturbance variable connection is therefore to reduce vibrations in the placing boom on the basis of characteristic measured variables of concrete delivery.
  • the measured variables describe the condition of the concrete delivery and not the vibration condition of the placing boom.
  • Typical measured variables for concrete delivery are the pressure at the inlet of the delivery line, the frequency of the pumping process and the position and speed of the delivery piston.
  • the measured variables are used to reconstruct the disruptive forces on the placing boom using a model of concrete delivery and are then increasingly applied to the actuators.
  • the reinforcement can be designed in such a way that the influence of the disruptive forces on a specific point on the placing boom is eliminated.
  • the top of the mast is chosen to keep the position of the end hose steady and constant.
  • the modeling of concrete delivery depicts the flow of concrete in the delivery line from the delivery pump in the vehicle to the end hose at the top of the mast.
  • the flow-related disruptive forces of concrete delivery on the placing boom are calculated.
  • the creation of the disruptive forces is primarily due to frictional forces on the inner pipe wall and inertial forces caused by the concrete flow deflection in the pipe bends.
  • the unsteady, periodic delivery creates impulse-like forces that are transmitted to the placing boom via the pipe fastenings.
  • the forces depend on a variety of factors. The The biggest influence is the rheological properties and the composition of the concrete. Depending on the type and consistency of the concrete, there are very different vibration excitations in the placing boom. Another factor is the so-called wall effect. Due to the viscosity and inhomogeneous composition of the fluid, a boundary layer with a low yield point and viscosity forms in the wall area during delivery. The boundary layer acts like a lubricating film and reduces the friction forces in the wall area.
  • the approach uses an equivalent Newtonian fluid to model the frictional and inertial forces of the fluid on the pipe wall.
  • the material properties of the equivalent fluid are determined from the measured variables of concrete delivery.
  • at least the viscosity of the equivalent fluid is determined from the concrete pressure and the flow velocity of the concrete.
  • a stored average value for the density of concrete is used as the density of the equivalent fluid.
  • the output variables of the model are the concentrated disturbance forces F d in each joint of the concrete pump (see Fig. 6 ).
  • the effect of the concentrated disturbance forces F d is calculated via a coupling with a mechanical model of the placing boom.
  • the mechanical model takes into account the dynamic and elastic deformation of the segments under the influence of the disruptive forces across the entire placing boom.
  • the coupled model of concrete delivery and placing boom is used to design a model-supported dynamic disturbance variable feed-in.
  • the model is expanded to include a control loop to reduce the disturbance variables in the placing boom (see disturbance model control loop in Fig. 8 ).
  • the real route is not controlled, but only the “virtual” model. This has advantages for the draft regulation, as no route uncertainties or disturbances occur.
  • the entire state vector is available without the use of an observer.
  • the control is designed in such a way that the influence of disruptive forces on the top of the mast is minimized.
  • the manipulated variable of the virtual control loop u d is now applied to the actuators. This results in a pilot control that does not require feedback of the dynamic state of the placing boom.
  • the disturbance input is combined with traditional vibration damping to compensate for vibrations from the mast's movement and uncertainties in the modeling.
  • the vibration damping is based on the measurement and feedback of the position and vibration state of the placing boom.
  • the control is designed so that the manipulated variables of the disturbance variable feed u d act unhindered on the system.
  • the vibration damping only intervenes if the conditions of the real route differ from the conditions of the virtual model.
  • the hydraulic pressure of the delivery cylinders can also be measured.
  • the corresponding concrete pressure results from a conversion using the piston area ratio.
  • the flow speed of the concrete can also be determined from the speed of the delivery cylinders.
  • the basic idea of the method is to estimate the disruptive forces from the measured values of the placing boom.
  • the periodicity of concrete delivery is used to set up a modal model of the disruptive forces.
  • the model is composed of the fundamental frequency and its multiples.
  • the individual states reproduce the oscillation shape of the disturbance variable as modal coordinates.
  • a modal coordinate has no physical meaning, but only reflects the proportion of the respective frequency in the wave form of the disturbance variable.
  • the disturbance forces are estimated by a disturbance observer or asymptotic disturbance compensation from the measurement values of the placing boom.
  • the estimation procedures are based on the inner model principle.
  • the principle defines that a stable control loop can only be completely resolved when a disturbance occurs can suppress if it has an internal model of the interference signal.
  • the model is boundary-stable and is composed only of complex conjugate pairs of poles of the conveying frequencies on the imaginary axis of the complex half-plane.
  • the initial state of the modal model is adapted from the measurement signals from the distribution boom using the interference observer or asymptotic interference compensation. This corresponds to an estimate of the unknown amplitude and phase position of the disturbing forces. The more frequencies the model contains, the more accurately the waveform of the disturbance can be represented.
  • the larger number of frequencies requires more time to learn the given waveform.
  • a transient motion occurs, the amplitude of which increases with the number of frequencies.
  • the number of frequencies must be chosen so that, on the one hand, the interference is reproduced with sufficient accuracy and, on the other hand, the transient response occurs briefly and with a low amplitude.
  • the reconstructed disturbance variables are applied to the actuators of the placing boom via a control system (see Fig. 9 ).
  • the disturbance input is combined with vibration damping based on the measured variables of the placing boom y to ensure the stability of the system.
  • the states of the system are estimated based on the boom model and the disturbance model by the disturbance observer.
  • the measured variables include the mast position and the vibration condition of the placing boom.
  • the regulator in Fig. 9 thus amplifies the estimated disturbance variables and states of the system.
  • the disturbance input can be designed in such a way that the influence of the disturbance forces on the top of the mast is minimized.
  • the disturbance observer or asymptotic disturbance compensation learns the disturbance forces from the measured values y of the dynamic vibration state of the placing boom. This allows the number of sensors for the Concrete delivery can be reduced.
  • the required measurement variable is the pump frequency, which can be determined in the software via the switching times of the delivery cylinders. Another advantage of the method is its robustness against changes in route parameters and variations in concrete properties.
  • the disturbance inputs described above apply to a specific equilibrium position of the placing boom.
  • the design process is repeated and adapted to the current position.
  • the functionality of the disturbance variable feed-in is guaranteed for each mast position.
  • the setpoint signals for the hydraulics are implemented by a subordinate axis control on the cylinders.
  • the axis control converts a target angular velocity specification of the joints into the actual translational velocity of the cylinders.
  • the deflection kinematics and non-linearities of the hydraulics are taken into account through a pilot control.
  • feedback of the pressure or the cylinder position or speed can be implemented.
  • the axis control is implemented decentrally and is therefore subordinate to each joint separately.
  • the operator's movement specifications are explicitly taken into account through the input of disturbance variables and vibration damping. This means that the desired movement is permitted by the control and only the superimposed structural vibrations are dampened.
  • a pilot control is also provided. This calculates control signals ⁇ target from the operator's setpoint, which carry out the desired mast movement and do not stimulate any vibration.
  • a notch filter is used which, depending on the current mast position, suppresses the natural frequencies of the placing boom during the movement.
  • the feedforward control is for the disturbance variable feed-ins presented in the 8 and 9 marked by a signal block.
  • the pilot control signal ⁇ shall is also taken into account in the disturbance model control loop.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betonpumpe mit einer Förderpumpe, einer Betonleitung und einem einen Verteilermast bildenden Gelenkarm, an welchem die Betonleitung entlang geführt ist, wobei der Gelenkarm einen um eine vertikale Achse drehbaren Drehbock und/oder mindestens ein mittels eines Gelenkes um eine horizontale Achse verschwenkbares Segment aufweist, wobei der Drehbock über einen Aktuator um die vertikale Achse verfahrbar ist und/oder das mindestens eine Segment über einen Aktuator um die horizontale Achse verschwenkbar ist, wobei die Betonpumpe weiterhin eine Steuerung zur Ansteuerung der Aktuatoren des Verteilermastes aufweist, wobei die Steuerung eine Störgrößenaufschaltung zur Verringerung der durch die Betonförderung induzierten Schwingungen des Verteilermastes umfasst. Insbesondere handelt es sich bei der Betonpumpe um eine Autobetonpum pe.The present invention relates to a concrete pump with a feed pump, a concrete line and an articulated arm forming a distribution boom, along which the concrete line is guided, the articulated arm having a rotary stand which can be rotated about a vertical axis and/or at least one which can be pivoted about a horizontal axis by means of a joint Segment, wherein the turntable can be moved about the vertical axis via an actuator and / or the at least one segment can be pivoted about the horizontal axis via an actuator, the concrete pump further having a control for controlling the actuators of the distribution boom, the control being a Disturbance input to reduce the vibrations of the placing boom induced by concrete delivery. In particular, the concrete pump is a truck-mounted concrete pump.

Der relevante Stand der Technik wird im einleitenden Abschnitt der Figurenbeschreibung im Detail erläutert. Insbesondere zeigt die DE 101 01 570 B4 eine Störgrößenaufschaltung kombiniert mit einer rückführungsbasierten Schwingungsdämpfung nach dem Prinzip eines virtuellen Feder-Dämpfer-Elements, durch welches ein Hydraulikzylinder des Gelenkarms beschrieben werden soll. Die Störgrößenaufschaltung soll anhand von Druck- oder Strömungssensoren in der Förderleitung erfolgen. Die Regelungseinrichtung umfasst hierfür eine Druckmeßeinrichtung an der Förderleitung des Betons, bei der vorzugsweise verteilt über die Förderleitung zwei Drucksensoren vorgesehen sind, die Druckunterschiede in der Förderleitung ermitteln können. Hierbei soll beispielsweise durch die Messung des Förderdrucks an zwei Meßpunkten die Entwicklung eines Druckunterschiedes und der Verlauf einer derartigen Druckwelle durch die Förderleitung abgeschätzt werden.The relevant prior art is explained in detail in the introductory section of the description of the figures. In particular, it shows DE 101 01 570 B4 a disturbance variable feed-in combined with feedback-based vibration damping based on the principle of a virtual spring-damper element, through which a hydraulic cylinder of the articulated arm is to be described. The disturbance variable connection should be carried out using pressure or flow sensors in the delivery line. For this purpose, the control device comprises a pressure measuring device on the delivery line of the concrete, in which two pressure sensors are preferably provided distributed over the delivery line and can determine pressure differences in the delivery line. For example, by measuring the delivery pressure at two measuring points, the development of a pressure difference and the course of such a pressure wave through the delivery line can be estimated.

Druckschrift JP 2000 282687 A beschreibt eine Betonpumpe, bei welcher die Pumpfrequenz verändert wird, um eine übermäßige Anregung der Schwingungen des Verteilermastes zu vermeiden.Pamphlet JP 2000 282687 A describes a concrete pump in which the pump frequency is changed in order to avoid excessive excitation of the vibrations of the placing boom.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Betonpumpe mit einer verbesserten Störgrößenaufschaltung zur Verfügung zu stellen.The object of the present invention is to provide a concrete pump with an improved disturbance variable feed-in.

Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt durch eine Betonpumpe gemäß Anspruch 1 und in einem zweiten Aspekt durch eine Betonpumpe gemäß Anspruch 9 gelöst.This object is achieved in a first aspect by a concrete pump according to claim 1 and in a second aspect by a concrete pump according to claim 9.

Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred embodiments of the present invention are the subject of the subclaims.

In einem ersten Aspekt gemäß Anspruch 1 umfasst die vorliegende Erfindung eine Betonpumpe mit einer Förderpumpe, einer Betonleitung und einem einen Verteilermast bildenden Gelenkarm, an welchem die Betonleitung entlang geführt ist, wobei der Gelenkarm einen um eine vertikale Achse drehbaren Drehbock und/oder mindestens ein mittels eines Gelenkes um eine horizontale Achse verschwenkbares Segment aufweist, wobei der Drehbock über einen Aktuator um die vertikale Achse verfahrbar ist und/oder das mindestens eine Segment über einen Aktuator um die horizontale Achse verschwenkbar ist, und wobei die Betonpumpe weiterhin eine Steuerung zur Ansteuerung der Aktuatoren des Verteilermastes aufweist, wobei die Steuerung eine Störgrößenaufschaltung zur Verringerung der durch die Betonförderung induzierten Schwingungen des Verteilermastes umfasst. Der erste Aspekt ist dadurch gekennzeichnet, dass die Störgrößenaufschaltung auf Grundlage eines physikalischen Modells der Betonförderung erfolgt, welches die strömungsbedingten Störkräfte der Betonförderung auf den Verteilermast beschreibt. Durch den Einsatz des physikalischen Modells und die darauf basierende Bestimmung der Störkräfte auf den Verteilermast ergibt sich eine erheblich verbesserte Verminderung von durch die Betonförderung induzierten Schwingungen.In a first aspect according to claim 1, the present invention comprises a concrete pump with a feed pump, a concrete line and an articulated arm forming a distribution boom, along which the concrete line is guided, the articulated arm having a turntable rotatable about a vertical axis and/or at least one means a joint has a segment that can be pivoted about a horizontal axis, wherein the rotary stand can be moved about the vertical axis via an actuator and / or the at least one segment can be pivoted about the horizontal axis via an actuator, and wherein the concrete pump continues to provide a control Control of the actuators of the distribution boom, the control comprising a disturbance variable feed-in to reduce the vibrations of the distribution boom induced by the concrete delivery. The first aspect is characterized in that the disturbance variables are applied on the basis of a physical model of the concrete delivery, which describes the flow-related disturbance forces of the concrete delivery on the placing boom. The use of the physical model and the determination of the disruptive forces on the placing boom based on it results in a significantly improved reduction in vibrations induced by concrete delivery.

In einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreibt das physikalische Modell Reibungskräfte des Betons an der Innenwand der Betonleitung und/oder Trägheitskräfte aufgrund der Betonstromumlenkung in den Rohrbögen. Diese beiden Kräfte bestimmen wesentlich die auf den Gelenkarm wirkenden Störkräfte.In a first embodiment of the present invention, the physical model describes frictional forces of the concrete on the inner wall of the concrete pipe and/or inertial forces due to the concrete flow deflection in the pipe bends. These two forces essentially determine the disruptive forces acting on the articulated arm.

In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geht mindestens ein Betriebsparameter der Förderpumpe in die Störgrößenaufschaltung ein. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen oder mehrere der folgenden Betriebsparameter handeln: Pumpfrequenz, Zylindergeschwindigkeit der Zylinder der Förderpumpe und/oder die Zylinderposition der Zylinder der Förderpumpe.In a second embodiment of the present invention, at least one operating parameter of the feed pump is included in the disturbance variable feed-in. This can be, for example, one or more of the following operating parameters: pumping frequency, cylinder speed of the cylinders of the feed pump and/or the cylinder position of the cylinders of the feed pump.

In einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung berücksichtigt das physikalische Modell der Betonförderung die aktuelle Stellung des Verteilermasts und insbesondere die Knickwinkel der Gelenke.In a possible embodiment of the present invention, the physical model of concrete delivery takes into account the current position of the placing boom and in particular the articulation angles of the joints.

Bevorzugt erfolgt eine Ermittlung der aktuellen Stellung des Verteilermastes auf Grundlage von den Drehgelenken zugeordneten Sensoren zur mittelbaren oder unmittelbaren Messung des jeweiligen Drehwinkels der Gelenke des Gelenkarms.The current position of the distribution boom is preferably determined on the basis of sensors assigned to the swivel joints for indirect or direct measurement of the respective angle of rotation of the joints of the articulated arm.

Bevorzugt erfolgt die Bestimmung der Störkräfte der Betonförderung auf den Verteilermast ohne eine Messung des Schwingungszustands des Verteilermastes oder der Segmente.The determination of the disruptive forces of the concrete delivery on the placing boom is preferably carried out without measuring the vibration state of the placing boom or the segments.

Bevorzugt gehen die Stellung des Verteilermastes und insbesondere die Knickwinkel der Gelenke in die Beschreibung der Betonstromumlenkung durch das physikalische Modell ein. Alternativ oder zusätzlich kann das physikalische Modell den hydrostatischen Druckverlust der Strömung unter Berücksichtigung der aktuellen Stellung des Verteilermasts berücksichtigen.The position of the placing boom and in particular the articulation angles of the joints are preferably included in the description of the concrete flow deflection by the physical model. Alternatively or additionally, the physical model can take into account the hydrostatic pressure loss of the flow, taking into account the current position of the placing boom.

In einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mindestens eine in die Modellierung durch das physikalische Modell eingehende Stoffeigenschaft des gepumpten Fluids aus Betriebsparametern der Förderpumpe und/oder der Betonförderung bestimmt wird. Hierdurch kann die Genauigkeit des Modells verbessert werden.In a possible embodiment of the present invention, at least one material property of the pumped fluid that is included in the modeling by the physical model is determined from operating parameters of the delivery pump and/or the concrete delivery. This can improve the accuracy of the model.

Bevorzugt wird zumindest die Viskosität des gepumpten Fluids bestimmt, insbesondere aus dem Betondruck und der Strömungsgeschwindigkeit des Betons.Preferably, at least the viscosity of the pumped fluid is determined, in particular from the concrete pressure and the flow velocity of the concrete.

Die Dichte des gepumpten Fluids kann durch den statischen Betondruck ermittelt werden. Alternativ kann für die Dichte des gepumpten Fluids dagegen auf einen abgespeicherten Mittelwert für die Dichte von Beton zurückgegriffen werden.The density of the pumped fluid can be determined by the static concrete pressure. Alternatively, a stored average value for the density of concrete can be used for the density of the pumped fluid.

In einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beruht die Störgrößenaufschaltung weiterhin auf einem physikalischen Modell des Verteilermastes, welches mit dem physikalischen Modell der Betonförderung gekoppelt ist, um den Einfluss der durch das physikalische Modell der Betonförderung bestimmten Störkräfte auf den gesamten Verteilermast zu bestimmen.In a possible embodiment of the present invention, the disturbance variable connection is further based on a physical model of the placing boom, which is coupled to the physical model of the concrete delivery in order to determine the influence of the disturbance forces determined by the physical model of the concrete delivery on the entire placing boom.

Bevorzugt berücksichtigt das hierfür eingesetzte physikalische Modell des Verteilermastes die elastische Verformung mindestens eines der Segmente.The physical model of the distribution boom used for this preferably takes into account the elastic deformation of at least one of the segments.

Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt die Verringerung der durch die Betonförderung induzierten Schwingungen des Verteilermastes durch die Störgrößenaufschaltung durch eine Ansteuerung der Aktoren des Gelenkarms.According to the present invention, the vibrations of the placing boom induced by the conveying of concrete are reduced by switching on the disturbance variables by controlling the actuators of the articulated arm.

In einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Störgrößenaufschaltung als eine Vorsteuerung ohne eine Rückführung des dynamischen Zustands des Verteilermastes. Dies vereinfacht die Ansteuerung. Bevorzugt erfolgt die Vorsteuerung auf Grundlage einer Regelung eines virtuellen Modells des Verteilermastes. Bevorzugt regelt die Störgrößenaufschaltung das virtuelle Modell des Verteilermastes, welches im Rahmen der Bestimmung der Störkräfte mit dem Modell der Betonförderung gekoppelt ist. Insbesondere kann diese Regelung so erfolgen, dass der Einfluss der Störkräfte an mindestens einer Stelle des Gelenkarms ausgeglichen wird.In a possible embodiment of the present invention, the disturbance variable feed-in takes place as a feedforward control without feedback of the dynamic state of the distribution boom. This simplifies control. Preferably, the pilot control is based on a control of a virtual model of the distribution boom. The disturbance variable connection preferably regulates the virtual model of the placing boom, which is coupled to the model of the concrete delivery as part of the determination of the disturbance forces. In particular, this control can be carried out in such a way that the influence of the disruptive forces is compensated for at least one point on the articulated arm.

In einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung steuert die Störgrößenaufschaltung die Aktoren des Gelenkarms so an, dass der Einfluss der Störkräfte auf die Spitze des Verteilermastes verringert und bevorzugt eliminiert wird.In a possible embodiment of the present invention, the disturbance variable control controls the actuators of the articulated arm in such a way that the influence of the disturbance forces on the tip of the distribution boom is reduced and preferably eliminated.

Bei der Förderpumpe handelt es sich bevorzugt um eine Doppelkolbenpumpe. Eine solche Doppelkolbenpumpe umfasst zwei Kolben, welche im Gegentakt arbeiten, um den Beton zu fördern. Solche Förderpumpen sind bekannt.The feed pump is preferably a double piston pump. Such a double piston pump includes two pistons that work in push-pull to pump the concrete. Such feed pumps are known.

Die Dämpfung induzierter Schwingungen durch die Störgrößenaufschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung beruht auf einer Ansteuerung der Aktoren des Gelenkarms.The damping of induced vibrations by the disturbance variable feed-in according to the present invention is based on controlling the actuators of the articulated arm.

Die Ansteuerung der Förderpumpe erfolgt dagegen bevorzugt unabhängig von der Störgrößenaufschaltung. Insbesondere kann die Störgrößenaufschaltung allein auf einer Ansteuerung der Aktoren des Gelenkarms beruhen.The feed pump, on the other hand, is preferably controlled independently of the disturbance variable input. In particular, the disturbance variable connection can be based solely on controlling the actuators of the articulated arm.

In einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Steuerung neben der Störgrößenaufschaltung weiterhin eine Regelung, welche auf einer Messung und/oder Rückführung der Stellung und/oder des Schwingungszustands des Verteilermastes beruht.In a possible embodiment of the present invention, the control, in addition to the input of disturbance variables, also includes a regulation which is based on a measurement and/or feedback of the position and/or the vibration state of the distribution boom.

Insbesondere umfasst die Regelung eine Schwingungsdämpfung zur Dämpfung von horizontalen und/oder vertikalen Schwingungen des Verteilermastes, welche auf einer Messung und/oder Rückführung der Stellung und des Schwingungszustands des Verteilermastes beruht. Insbesondere kann die Schwingungsdämpfung so ausgestaltet sein, dass sie Eigenschwingungen des Verteilermastes dämpft.In particular, the control includes vibration damping for damping horizontal and/or vertical vibrations of the distribution boom, which is based on a measurement and/or feedback of the position and the vibration state of the distribution boom. In particular, the vibration damping can be designed in such a way that it dampens natural vibrations of the distribution boom.

Bevorzugt beruht die Schwingungsdämpfung auf einem physikalischen Modell des Verteilermastes. Insbesondere kann es sich bei diesem physikalischen Modell um das gleiche Modell handeln, welches auch zur Bestimmung des Einflusses der Störkräfte der Betonförderung auf den Verteilermast dient.The vibration damping is preferably based on a physical model of the distribution boom. In particular, this physical model can be the same model that is also used to determine the influence of the disruptive forces of concrete delivery on the placing boom.

Bevorzugt ist die Regelung und/oder Schwingungsdämpfung so ausgeführt, dass sie nur dann eingreift, wenn der Zustand des Verteilermastes von dem Zustand des virtuellen Modells abweicht, welches im Rahmen der Störgrößenaufschaltung geregelt wird.The control and/or vibration damping is preferably designed in such a way that it only intervenes when the state of the distribution boom deviates from the state of the virtual model, which is regulated as part of the disturbance variable feed-in.

In einem zweiten Aspekt gemäß Anspruch 9 umfasst die vorliegende Erfindung eine Betonpumpe mit einer Förderpumpe, einer Betonleitung und einem einen Verteilermast bildenden Gelenkarm, an welchem die Betonleitung entlang geführt ist, wobei der Gelenkarm einen um eine vertikale Achse drehbaren Drehbock und/oder mindestens ein mittels eines Gelenkes um eine horizontale Achse verschwenkbares Segment aufweist, wobei der Drehbock über einen Aktuator um die vertikale Achse verfahrbar ist und/oder das mindestens eine Segment über einen Aktuator um die horizontale Achse verschwenkbar ist, und wobei die Betonpumpe weiterhin eine Steuerung zur Ansteuerung der Aktuatoren des Verteilermastes aufweist, wobei die Steuerung eine Störgrößenaufschaltung zur Verringerung der durch die Betonförderung induzierten Schwingungen des Verteilermastes umfasst, welche den Betondruck berücksichtigt. Der zweite Aspekt ist dadurch gekennzeichnet, dass die Störgrößenaufschaltung den Betondruck am Eingang der Betonleitung auf Grundlage von Betriebsparametern der Förderpumpe bestimmt.In a second aspect according to claim 9, the present invention comprises a concrete pump with a feed pump, a concrete line and an articulated arm forming a distribution boom, along which the concrete line is guided, the articulated arm having a turntable rotatable about a vertical axis and/or at least one means a joint has a segment that can be pivoted about a horizontal axis, wherein the rotary stand can be moved about the vertical axis via an actuator and / or the at least one segment can be pivoted about the horizontal axis via an actuator, and wherein the concrete pump also has a control for controlling the actuators of the distribution boom, the control comprising a disturbance variable feed-in to reduce the vibrations of the distribution boom induced by the concrete delivery, which takes the concrete pressure into account. The second aspect is characterized in that the disturbance variable feed-in determines the concrete pressure at the inlet of the concrete line based on the operating parameters of the feed pump.

Die erfindungsgemäße indirekte Bestimmung des Betondrucks auf Grundlage von Betriebsparametern der Förderpumpe hat den erheblichen Vorteil, dass auf extrem verschleißanfällige Drucksensoren an der Betonleitung verzichtet werden kann.The indirect determination of the concrete pressure according to the invention based on operating parameters of the feed pump has the considerable advantage that pressure sensors on the concrete line, which are extremely susceptible to wear, can be dispensed with.

Bevorzugt erfolgt die Bestimmung des Betondrucks am Eingang der Betonleitung auf Grundlage des Hydraulikdrucks der Förderzylinder der Förderpumpe und dem Kolbenflächenverhältnis der Förderpumpe. Der Betondruck kann hierdurch anhand von einem im Hydrauliksystem der Förderpumpe zuverlässig bestimmbaren Messwert bestimmt werden.The determination of the concrete pressure at the inlet of the concrete line is preferably based on the hydraulic pressure of the delivery cylinders of the delivery pump and the piston area ratio of the delivery pump. The concrete pressure can thereby be determined using a measured value that can be reliably determined in the hydraulic system of the feed pump.

Der erste und der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung können jeweils unabhängig voneinander zum Einsatz kommen. Insbesondere kann die auf Grundlage eines physikalischem Modell der Betonförderung erfolgende Störgrößenaufschaltung gemäß dem ersten Aspekt auch ohne eine gemäß dem zweiten Aspekt erfolgende Bestimmung des Betondrucks erfolgen. Weiterhin kann eine gemäß dem zweiten Aspekt erfolgende Bestimmung des Betondrucks auch bei einer Störgrößenaufschaltung zum Einsatz kommen, welche auf einem anderen Prinzip beruht als die Störgrößenaufschaltung gemäß dem ersten Aspekt.The first and second aspects of the present invention can each be used independently of one another. In particular, the disturbance variable input based on a physical model of concrete delivery can also take place according to the first aspect without determining the concrete pressure according to the second aspect. Furthermore, a determination of the concrete pressure according to the second aspect can also be used in a disturbance variable feed-in, which is based on a different principle than the disturbance variable feed-in according to the first aspect.

Bevorzugt werden der erste und der zweite Aspekt jedoch in Kombination eingesetzt.However, the first and second aspects are preferably used in combination.

Bevorzugte Weiterbildungen einer Betonpumpe gemäß dem ersten und/oder zweiten Aspekt werden im folgenden näher dargestellt.Preferred developments of a concrete pump according to the first and/or second aspect are presented in more detail below.

In einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung berücksichtigt die Störgrößenaufschaltung die Frequenz der Förderpumpe und/oder die Position und/oder Geschwindigkeit der Förderkolben der Förderpumpe. Auch hier handelt es sich um einfach zugängliche Betriebsparameter der Förderpumpe, welche entweder durch Messung, oder aus der Ansteuerung der Förderpumpe ermittelbar sind, und aus welchen Betriebsgrößen der Betonförderung ermittelbar sind.In a possible embodiment of the present invention, the disturbance variable feed-in takes into account the frequency of the feed pump and/or the position and/or speed of the feed pistons of the feed pump. Here too it acts These are easily accessible operating parameters of the feed pump, which can be determined either by measurement or from the control of the feed pump, and from which operating variables for concrete delivery can be determined.

Insbesondere kann die Störgrößenaufschaltung die Strömungsgeschwindigkeit des Betons in der Betonleitung aus der Geschwindigkeit der Förderkolben der Förderpumpe ermitteln. Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung kann auch unabhängig vom ersten und vom zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen, insbesondere als Weiterbildung einer Betonpumpe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.In particular, the disturbance variable connection can determine the flow speed of the concrete in the concrete pipe from the speed of the delivery pistons of the delivery pump. This feature of the present invention can also be used independently of the first and second aspects of the present invention, in particular as a further development of a concrete pump according to the preamble of claim 1.

In einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Betonpumpe mindestens einen Drehratensensor, welcher auf einem Segment des Gelenkarms angeordnet ist, wobei die Steuerung zur Störgrößenaufschaltung und/oder Schwingungsdämpfung auf Grundlage der Messwerte des Drehratensensors aus den Schwingungen der einzelnen Segmente einen Schwingungszustand des gesamten Verteilermastes bestimmt.In a possible embodiment of the present invention, the concrete pump comprises at least one yaw rate sensor, which is arranged on a segment of the articulated arm, wherein the control for the input of disturbance variables and/or vibration damping determines a oscillation state of the entire distribution boom based on the measured values of the yaw rate sensor from the vibrations of the individual segments .

In einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Betonpumpe mindestens einen Drehratensensor, welcher auf einem Segment des Gelenkarms angeordnet ist, wobei die Steuerung zur Störgrößenaufschaltung und/oder Schwingungsdämpfung ohne die Verwendung geodätischer Sensoren und/oder Deformationssensoren erfolgt.In a possible embodiment of the present invention, the concrete pump comprises at least one rotation rate sensor, which is arranged on a segment of the articulated arm, with the control for feeding in disturbance variables and/or vibration damping taking place without the use of geodetic sensors and/or deformation sensors.

In einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Betonpumpe mindestens einen Drehratensensor, welcher in einem vorderen Bereich eines Segmentes angeordnet ist, welches zwischen dem Drehbock und einem die Mastspitze bildenden Segment im Gelenkarm angeordnet ist.In a possible embodiment of the present invention, the concrete pump comprises at least one rotation rate sensor, which is arranged in a front region of a segment which is arranged between the rotating stand and a segment forming the mast tip in the articulated arm.

Bevorzugt wird das Signal des Drehratensensors dazu eingesetzt, um Schwingungen des Segmentes, an welchem er angeordnet ist, zu bestimmen. Als vorderer Bereich eines Segmentes im Sinne der vorliegenden Erfindung werden bevorzugt die vorderen, d.h. der Mastspitze zugewandten 25 % der Längenausdehnung des jeweiligen Segmentes betrachtet, weiter bevorzugt die vorderen 10 % der Längenausdehnung.The signal from the rotation rate sensor is preferably used to determine vibrations of the segment on which it is arranged. The front region of a segment in the sense of the present invention is preferred the front 25% of the length of the respective segment, ie the one facing the top of the mast, is considered, more preferably the front 10% of the length of the length.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind auf mindestens zwei Segmenten Drehratensensoren angeordnet. Bevorzugt werden die Signale dieser Drehratensensoren dazu eingesetzt, um Schwingungen der Segmente, an welchem diese angeordnet sind, zu bestimmen.In a possible embodiment of the present invention, rotation rate sensors are arranged on at least two segments. The signals from these rotation rate sensors are preferably used to determine vibrations of the segments on which they are arranged.

Bevorzugt bestimmt die Schwingungsdämpfung auf Grundlage der Messwerte der mindestens zwei Drehratensensoren einen Schwingungszustand der Segmente und/oder des gesamten Arms.Preferably, the vibration damping determines a vibration state of the segments and/or the entire arm based on the measured values of the at least two rotation rate sensors.

Bevorzugt sind die Drehratensensoren jeweils in einem vorderen Bereich der Segmente angeordnet. Dies verbessert die Erfassung von Schwingungen dieser Segmente.The rotation rate sensors are preferably each arranged in a front region of the segments. This improves the detection of vibrations in these segments.

Bevorzugt sind die mindestens zwei Segmente, an welchen die Drehratensensoren angeordnet sind, zwischen dem Drehbock und einem die Mastspitze bildenden Segment im Gelenkarm angeordnet. Weiter bevorzugt ist an dem die Mastspitze bildenden Segment ein weiterer Drehratensensor angeordnet, welcher bevorzugt zur Bestimmung von Schwingungen der Mastspitze eingesetzt wird.Preferably, the at least two segments on which the yaw rate sensors are arranged are arranged between the turret and a segment forming the mast tip in the articulated arm. More preferably, a further rotation rate sensor is arranged on the segment forming the mast tip, which is preferably used to determine vibrations of the mast tip.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der Gelenkarm weiterhin den Drehgelenken zugeordnete Sensoren zur mittelbaren oder unmittelbaren Messung des jeweiligen Drehwinkels des Gelenkes, wobei die Messsignale der Sensoren in die Steuerung des Gelenkarms eingehen. Bevorzugt sind diese Sensoren zusätzlich zu den Drehratensensoren vorgesehen und können insbesondere dazu eingesetzt werden, um einen Drift der Messwerte, welcher bei Drehratensensoren konstruktionsbedingt nicht vermeidbar ist, auszugleichen.In a possible embodiment of the present invention, the articulated arm further comprises sensors assigned to the swivel joints for indirectly or directly measuring the respective angle of rotation of the joint, with the measurement signals from the sensors being incorporated into the control of the articulated arm. These sensors are preferably provided in addition to the yaw rate sensors and can be used in particular to compensate for a drift in the measured values, which cannot be avoided due to the design of yaw rate sensors.

Die Messsignale der Sensoren gehen bevorzugt in die Schwingungsdämpfung ein. Alternativ oder zusätzlich können die Messsignale der Sensoren zur Bestimmung der aktuellen Stellung des Gelenkarms dienen, und insbesondere für eine Positionsregelung des Gelenkarms genutzt werden.The measurement signals from the sensors are primarily used for vibration damping. Alternatively or additionally, the measurement signals from the sensors can be used to determine the current position of the articulated arm, and in particular can be used for position control of the articulated arm.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt die Störgrößenaufschaltung und/oder Schwingungsdämpfung unter Verwendung eines physikalischen Modells des Verteilermastes, bei welchem die Flexibilität mindestens eines Segmentes durch ein innerhalb dieses Segmentes angeordnetes virtuelles Gelenk beschrieben wird.In a possible embodiment of the present invention, the disturbance variable input and/or vibration damping takes place using a physical model of the distribution boom, in which the flexibility of at least one segment is described by a virtual joint arranged within this segment.

Bevorzugt wird zumindest die Flexibilität des unmittelbar am Drehbock angeordneten Segmentes durch ein entsprechendes virtuelles Gelenk berücksichtigt, da die Schwingungen diese Segmentes den größten Einfluss auf den Schwingungszustand des Gelenkarms haben. Alternativ oder zusätzlich kann die Flexibilität des letzten Segmentes, welches die Mastspitze bildet, berücksichtigt werden. Dieses ist üblicherweise am wenigsten stabil und daher am flexibelsten. Das virtuelle Gelenk kann jedoch auch in einem anderen Segment vorgesehen sein.Preferably, at least the flexibility of the segment arranged directly on the rotating stand is taken into account by a corresponding virtual joint, since the vibrations of this segment have the greatest influence on the vibration state of the articulated arm. Alternatively or additionally, the flexibility of the last segment, which forms the mast tip, can be taken into account. This is usually the least stable and therefore the most flexible. However, the virtual joint can also be provided in another segment.

Bevorzugt wird die Flexibilität mehrerer und weiter bevorzugt aller Segmente durch mindestens ein innerhalb des jeweiligen Segmentes angeordnetes virtuelles Gelenk beschrieben.The flexibility of several and more preferably all segments is preferably described by at least one virtual joint arranged within the respective segment.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem physikalischen Modell um ein Starrkörpermodell mit aktuierten Gelenken. Bevorzugt beschreibt das Modell mehrere und weiter bevorzugt alle Segmente des Gelenkarms, und gibt damit gleichzeitig die Stellung des Gelenkarms wieder. Die Schwingungsfähigkeit mindestens eines und bevorzugt mehrerer und weiter bevorzugt aller Segmente wird dann durch mindestens ein virtuelles Gelenk in den die tatsächlichen Segmente beschreibenden Starrkörpern beschrieben.In a possible embodiment of the present invention, the physical model is a rigid body model with actuated joints. The model preferably describes several and more preferably all segments of the articulated arm, and thus simultaneously reflects the position of the articulated arm. The ability to oscillate at least one and preferably several and more preferably all segments is then described by at least one virtual joint in the rigid bodies describing the actual segments.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist dem virtuellen Gelenk ein Federelement und ein Dämpferelement zugeordnet. Hierdurch kann die Flexibilität des Segmentes beschrieben werden. Bevorzugt werden die Federkonstante und die Dämpferkonstante so gewählt werden, dass das virtuelle Gelenk die Größe der Durchbiegung und/oder Torsion und/oder erste Eigenfrequenz des realen Segmentes beschreibt. Das virtuelle Gelenk kann daher als eine erste Beschreibung der ersten Eigenschwingung des Segmentes in Frequenz und Amplitude betrachtet werden.In a possible embodiment of the present invention, a spring element and a damper element are assigned to the virtual joint. This allows the flexibility of the segment to be described. The spring constant and the damper constant are preferably chosen so that the virtual joint describes the size of the deflection and/or torsion and/or the first natural frequency of the real segment. The virtual joint can therefore be viewed as a first description of the segment's first natural oscillation in terms of frequency and amplitude.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind innerhalb des Segmentes weniger als 10, weiter bevorzugt weniger als 5, weiter bevorzugt weniger als 3 und in einer möglichen Ausgestaltung genau ein virtuelles Gelenk vorgesehen. Dies verringert die Komplexität des Modells.In a possible embodiment of the present invention, less than 10, more preferably less than 5, more preferably less than 3 and, in a possible embodiment, exactly one virtual joint are provided within the segment. This reduces the complexity of the model.

Soll nur eine Schwingung in der Vertikalen oder der Horizontalen berücksichtigt werden, so reicht ein virtuelles Gelenk mit nur einer Drehachse aus. Insbesondere kann zur Dämpfung von Schwingungen in der Vertikalen ein virtuelles Gelenk mit einer horizontalen Drehachse eingesetzt werden.If only vertical or horizontal vibration is to be taken into account, a virtual joint with only one axis of rotation is sufficient. In particular, a virtual joint with a horizontal axis of rotation can be used to dampen vertical vibrations.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das virtuelle Gelenk jedoch mindestens zwei und bevorzugt drei Freiheitsgrade der Bewegung auf.In a preferred embodiment of the present invention, however, the virtual joint has at least two and preferably three degrees of freedom of movement.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung berücksichtigt die Schwingungsdämpfung eine Torsion mindestens eines Segmentes und/oder des Gelenkarms.In a possible embodiment of the present invention, the vibration damping takes into account torsion of at least one segment and/or the articulated arm.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt die Berücksichtigung der Torsion mindestens eines Segmentes und/oder des Gelenkarms durch Verwendung eines physikalischen Modell des Gelenkarms, welches eine Torsion des Gelenkarms und/oder eines oder mehrerer Segmente des Gelenkarms beschreibt. Weiter bevorzugt erfolgt dies über ein virtuelles Drehgelenk, wie es oben beschrieben wurde, und welches sich in Längsrichtung des Segmentes erstreckt.In a possible embodiment of the present invention, the torsion of at least one segment and/or the articulated arm is taken into account by using a physical model of the articulated arm, which describes a torsion of the articulated arm and/or one or more segments of the articulated arm. This is more preferably done via a virtual swivel joint, like this was described above, and which extends in the longitudinal direction of the segment.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der Gelenkarm mindestens zwei an unterschiedlichen Segmenten angeordnete Drehratensensoren, wobei die Torsion aus einem Vergleich der Messwerte der Drehratensensoren bestimmt wird.In a possible embodiment of the present invention, the articulated arm comprises at least two yaw rate sensors arranged on different segments, the torsion being determined from a comparison of the measured values of the yaw rate sensors.

Beispielsweise können die Messwerte eines ersten Drehratensensors, welcher innerhalb des Gelenkarms am nächsten zu dem Drehbock angeordnet ist, mit den Messwerten eines zweiten Drehratensensors, welcher innerhalb des Gelenkarms am nächsten zur Mastspitze angeordnet ist, verglichen werden, um die Torsion des Gelenkarms zwischen den beiden Drehratensensoren zu bestimmen.For example, the measured values of a first yaw rate sensor, which is arranged within the articulated arm closest to the turret, can be compared with the measured values of a second yaw rate sensor, which is arranged within the articulated arm closest to the mast tip, in order to determine the torsion of the articulated arm between the two yaw rate sensors to determine.

Alternativ oder zusätzlich können die Messwerte eines ersten Drehratensensors, welcher an einem ersten Segment angeordnet ist, mit den Messwerten eines zweiten Drehratensensors, welcher an einem innerhalb des Gelenkarms auf das erste Segment folgenden Segment angeordnet ist, verglichen werden, um die Torsion des Gelenkarms zwischen den beiden Drehratensensoren und insbesondere die Torsion des ersten oder zweiten Segments zu bestimmen. Die Drehratensensoren können hierfür beispielsweise jeweils in einem vorderen Bereich der Segmente angeordnet sein.Alternatively or additionally, the measured values of a first yaw rate sensor, which is arranged on a first segment, can be compared with the measured values of a second yaw rate sensor, which is arranged on a segment following the first segment within the articulated arm, in order to determine the torsion of the articulated arm between the to determine both rotation rate sensors and in particular the torsion of the first or second segment. For this purpose, the yaw rate sensors can each be arranged in a front region of the segments.

Alternativ oder zusätzlich kann der Gelenkarm mindestens zwei an unterschiedlichen Positionen desselben Segments angeordnete Drehratensensoren umfassen, wobei die Torsion des Segments aus einem Vergleich der Messwerte der Drehratensensoren bestimmt wird. Bevorzugt sind hierfür die Drehratensensoren in einem vorderen und einem hinteren Bereich des Segments angeordnet.Alternatively or additionally, the articulated arm can comprise at least two yaw rate sensors arranged at different positions of the same segment, the torsion of the segment being determined from a comparison of the measured values of the yaw rate sensors. For this purpose, the rotation rate sensors are preferably arranged in a front and a rear area of the segment.

Weiterhin kann mindestens einer der Drehratensensoren, welcher zur Bestimmung der Torsion genutzt wird, am Drehbock und/oder in einem hinteren Bereich des unmittelbar an dem Drehbock angeordneten Segments angeordnet sein, und/oder mindestens einer der Drehratensensoren, welcher zur Bestimmung der Torsion genutzt wird, am letzten Segment des Gelenkarms und insbesondere im Bereich der Mastspitze angeordnet sein.Furthermore, at least one of the yaw rate sensors, which is used to determine the torsion, can be arranged on the turntable and/or in a rear region of the segment arranged directly on the turntable, and/or at least one of the rotation rate sensors, which is used to determine the torsion, can be arranged on the last segment of the articulated arm and in particular in the area of the mast tip.

Bevorzugt weisen die Drehratensensoren, deren Messwerte zur Bestimmung der Torsion genutzt werden, mindestens zwei Sensitivitätsrichtungen auf, insbesondere eine erste horizontale Sensitivitätsrichtung und eine zweite, in einer vertikalen Ebene verlaufende Sensitivitätsrichtung. Hierdurch kann die Torsion durch den Vergleich relativ einfach bestimmt werden.The rotation rate sensors, whose measured values are used to determine the torsion, preferably have at least two sensitivity directions, in particular a first horizontal sensitivity direction and a second sensitivity direction running in a vertical plane. This means that the torsion can be determined relatively easily through comparison.

Jedoch auch unabhängig von der Bestimmung der Torsion weisen die Drehratensensoren, deren Messwerte in die erfindungsgemäße Schwingungsdämpfung eingehen, bevorzugt mindestens zwei Sensitivitätsrichtungen auf, insbesondere eine erste horizontale Sensitivitätsrichtung und eine zweite, in einer vertikalen Ebene verlaufende Sensitivitätsrichtung.However, regardless of the determination of the torsion, the rotation rate sensors, whose measured values are included in the vibration damping according to the invention, preferably have at least two sensitivity directions, in particular a first horizontal sensitivity direction and a second sensitivity direction running in a vertical plane.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Steuerung des Gelenkarms einen Beobachter, welcher den Zustand des Gelenkarms schätzt. Insbesondere kann der Beobachter ein physikalisches Modell des Gelenkarms umfassen und dessen Zustand anhand des Modells und anhand von Messwerten von Sensoren schätzen.In a possible embodiment of the present invention, the control of the articulated arm includes an observer who estimates the state of the articulated arm. In particular, the observer can include a physical model of the articulated arm and estimate its condition based on the model and based on measured values from sensors.

Bevorzugt erfolgt die Schätzung auf Grundlage der Messwerte von Sensoren, wie sie oben bereits beschrieben wurden, insbesondere auf Grundlage von mindestens einem Drehwinkelsensor und/oder den Gelenken zugeordneten Sensoren zur mittelbaren oder unmittelbaren Erfassung der Drehwinkel der Gelenke.The estimate is preferably carried out on the basis of the measured values from sensors, as already described above, in particular on the basis of at least one angle of rotation sensor and/or sensors assigned to the joints for indirectly or directly detecting the angle of rotation of the joints.

Bevorzugt setzt der Beobachter ein physikalisches Modell des Gelenkarmes ein, wie es oben näher beschrieben wurde, insbesondere ein physikalisches Modell, welches auch zur Bestimmung des Einflusses der Störkräfte auf den Gelenkarm durch die Störgrößenaufschaltung zum Einsatz kommt.The observer preferably uses a physical model of the articulated arm, as described in more detail above, in particular a physical model which is also used to determine the influence of the disturbing forces on the articulated arm through the input of disturbance variables.

Bevorzugt schätzt der Beobachter die Stellung und/oder den Schwingungszustand des Gelenkarms.The observer preferably estimates the position and/or the vibration state of the articulated arm.

Wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung dabei davon gesprochen, dass ein Zustand bestimmt wird, umfasst dies insbesondere eine Schätzung des Zustands durch einen Beobachter.If, in the context of the present invention, it is said that a state is determined, this includes in particular an estimate of the state by an observer.

Die Schwingungsdämpfung könnte erfindungsgemäß in einer möglichen Ausgestaltung allein als eine Vorsteuerung erfolgen. Bevorzugt umfasst die Schwingungsdämpfung jedoch eine Regelung durch Rückführung mindestens einer anhand eines Messsignals erhaltenen Größe.According to the invention, in one possible embodiment, the vibration damping could take place solely as a pilot control. However, the vibration damping preferably includes regulation by feedback of at least one variable obtained using a measurement signal.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Schwingungsdämpfung eine Regelung, welche durch Rückführung mindestens einer der folgenden Größen erfolgt: Geschwindigkeit und Position einer oder mehrere der Gelenke, Geschwindigkeiten und Positionen der Biegung und/oder Torsion einer oder mehrere der Segmente.In a possible embodiment of the present invention, the vibration damping comprises a control which takes place by feedback of at least one of the following variables: speed and position of one or more of the joints, speeds and positions of the bending and/or torsion of one or more of the segments.

Bevorzugt werden der oder die Größen, welche durch die Regelung zurückgeführt werden, durch einen Beobachter geschätzt. Insbesondere kann hierfür der Beobachter genutzt werden, welcher oben näher beschrieben wurde.The variable or variables that are returned by the control are preferably estimated by an observer. In particular, the observer can be used for this, which was described in more detail above.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Schätzung des Systemzustandes und/oder die Schwingungsdämpfung und/oder die Bestimmung des Einflusses der Störkräfte auf den Gelenkarm auf Grundlage einer Linearisierung eines physikalischen Modells erfolgt, und insbesondere auf Grundlage einer Linearisierung des physikalischen Modells, wie es oben beschrieben wurde. Insbesondere erfolgt die Schätzung durch einen Beobachter und/oder die Regelung und/oder die Störgrößenaufschaltung, wie sie oben beschrieben wurden, auf Grundlage einer Linearisierung.In a possible embodiment of the present invention, an estimation of the system state and/or the vibration damping and/or the determination of the influence of the disturbing forces on the articulated arm is carried out on the basis of a linearization of a physical model, and in particular on the basis of a linearization of the physical model, as it is was described above. In particular, the estimation is carried out by an observer and/or the control and/or the input of disturbance variables, as described above, on the basis of linearization.

Bevorzugt erfolgt die Linearisierung um die Gleichgewichtslage der aktuellen Stellung des Gelenkarms. Die Linearisierung kann durch die Steuerung in Abhängigkeit von der aktuellen Stellung des Gelenkarms vorgenommen werden.The linearization preferably takes place around the equilibrium position of the current position of the articulated arm. The linearization can be carried out by the control depending on the current position of the articulated arm.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Steuerung eine Vorsteuerung, welche aus einem von einem Bediener vorgegebenen Sollwert Ansteuersignale berechnet, durch welche die gewünschte Mastbewegung durchgeführt und eine Schwingungsanregung des Gelenkarms vermindert wird.In a possible embodiment of the present invention, the control comprises a pilot control, which calculates control signals from a setpoint specified by an operator, through which the desired mast movement is carried out and vibration excitation of the articulated arm is reduced.

Bevorzugt ist die Vorsteuerung so ausgeführt, dass Eigenfrequenzen des Gelenkarms unterdrückt werden. Die Eigenfrequenzen können des Gelenkarms, welche durch die Vorsteuerung berücksichtigt werden, können in Abhängigkeit von der aktuellen Stellung des Gelenkarms bestimmt werden.The pilot control is preferably designed in such a way that the natural frequencies of the articulated arm are suppressed. The natural frequencies of the articulated arm, which are taken into account by the pilot control, can be determined depending on the current position of the articulated arm.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Steuerung den jeweiligen Gelenken zugeordnete Achsregler, wobei die Steuerung Ansteuersignale für die Sollwinkelgeschwindigkeit der Achsen erzeugt, auf deren Grundlage der dem jeweiligen Gelenk zugeordnete Achsregler Ansteuersignale für den jeweiligen Aktuator erzeugt, wobei die Achsregler bevorzugt auf einer inversen Umlenkkinematik beruhen und/oder eine inverse Nichtlinearität umfassen.In a possible embodiment of the present invention, the control comprises axis controllers assigned to the respective joints, the control generating control signals for the target angular speed of the axes, on the basis of which the axis controller assigned to the respective joint generates control signals for the respective actuator, the axis controller preferably being on an inverse Deflection kinematics are based and/or include an inverse nonlinearity.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der Gelenkarm einen um eine vertikale Achse drehbaren Drehbock und mindestens zwei mittels Gelenken um horizontale Achsen verschwenkbare Segmente, wobei der Drehbock über einen Aktuator um die vertikale Achse verfahrbar ist und die Segmente über Aktuatoren um die horizontalen Achsen verschwenkbar sind. Weiter bevorzugt umfasst der Gelenkarm mindestens drei und weiter bevorzugt mindestens vier Segmente. Bevorzugt steuert die Steuerung und insbesondere die Störgrößenaufschaltung und/oder die Schwingungsdämpfung alle Aktoren der Segmente und/oder des Drehbocks an.In a possible embodiment of the present invention, the articulated arm comprises a turntable which can be rotated about a vertical axis and at least two segments which can be pivoted about horizontal axes by means of joints, the turntable being movable about the vertical axis via an actuator and the segments being pivotable about the horizontal axes via actuators are. More preferably, the articulated arm comprises at least three and more preferably at least four segments. The control and in particular the disturbance variable feed-in and/or the vibration damping preferably controls all actuators of the segments and/or the turret.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt zumindest eine vertikale Schwingungsdämpfung und/oder Störgrößenaufschaltung. Hierfür steuert die Schwingungsdämpfung und/oder Störgrößenaufschaltung die Aktoren, über welche die Segmente des Gelenkarms um ihre horizontalen Drehachsen gedreht werden, entsprechend an.In a possible embodiment of the present invention, at least vertical vibration damping and/or disturbance variable feed-in takes place. For this purpose, the vibration damping and/or disturbance variable control appropriately controls the actuators through which the segments of the articulated arm are rotated about their horizontal axes of rotation.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt zumindest eine horizontale Schwingungsdämpfung und/oder Störgrößenaufschaltung. Hierfür steuert die Schwingungsdämpfung und/oder Störgrößenaufschaltung den Aktor des Drehbocks entsprechend an.In a possible embodiment of the present invention, at least horizontal vibration damping and/or disturbance variable feed-in takes place. For this purpose, the vibration damping and/or disturbance input controls the actuator of the lathe accordingly.

Bei den Aktoren handelt es sich bevorzugt um hydraulische Aktoren. Die hydraulischen Aktoren werden bevorzugt über eine Hydraulikpumpe angetrieben, welche über den Fahrmotor der Betonpumpe angetrieben wird.The actuators are preferably hydraulic actuators. The hydraulic actuators are preferably driven via a hydraulic pump, which is driven via the drive motor of the concrete pump.

Als Aktoren zum Verschwenken der Segmente werden bevorzugt Hydraulikzylinder eingesetzt.Hydraulic cylinders are preferably used as actuators for pivoting the segments.

Als Aktor zum Drehen des Drehbocks wird bevorzugt ein Hydraulikmotor eingesetzt.A hydraulic motor is preferably used as the actuator for rotating the lathe.

Bevorzugt können die Segmente des Gelenkarms über die Gelenke in eine Transportstellung zusammengeklappt werden, wobei bevorzugt die einzelnen Segmente in der Transportstellung im Wesentlichen parallel verlaufen.Preferably, the segments of the articulated arm can be folded into a transport position via the joints, with the individual segments preferably running essentially parallel in the transport position.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Steuerung eine Geometriesteuerung, welche anhand von Vorgaben eines Benutzers, welche bevorzugt über Handhebel erfolgen, und/oder anhand einer vorgegebenen Trajektorie der Mastspitze, welche bevorzugt automatisch erzeugt wird, die Aktoren der Gelenke des Gelenkarms zur Erzeugung einer entsprechenden Bewegung der Mastspitze ansteuert.In a possible embodiment of the present invention, the control comprises a geometry control, which generates the actuators of the joints of the articulated arm based on a user's specifications, which are preferably done via hand levers, and/or based on a predetermined trajectory of the mast tip, which is preferably generated automatically a corresponding movement of the mast tip.

Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin eine Steuerung gemäß Anspruch 14.The present invention further comprises a control according to claim 14.

Die Steuerung umfasst bevorzugt einen Mikroprozessor und einen Speicher, in welchem eine Steuersoftware abgespeichert ist, welche bei einer Ausführung durch den Mikroprozessor den oben beschriebenen Aufbau und/oder die oben beschriebene Funktionsweise der erfindungsgemäßen Steuerung implementiert. Die Steuerung weist weiterhin einen oder mehrere Eingänge auf, über welche sie mit Sensoren, insbesondere den oben beschriebenen Sensoren in Verbindung steht, und/oder einen oder mehrere Ausgänge, über welche sie die oben beschriebenen Aktoren ansteuert.The control preferably comprises a microprocessor and a memory in which control software is stored, which, when executed by the microprocessor, implements the above-described structure and/or the above-described functionality of the control according to the invention. The controller also has one or more inputs via which it is connected to sensors, in particular the sensors described above, and/or one or more outputs via which it controls the actuators described above.

Die erfindungsgemäße Störgrößenaufschaltung und/oder Schwingungsdämpfung erfolgt bevorzugt automatisch durch die Steuerung der Betonpumpe.The disturbance variable connection and/or vibration damping according to the invention is preferably carried out automatically by the control of the concrete pump.

Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung eine Steuersoftware gemäß Anspruch 13.The present invention further comprises control software according to claim 13.

Die Steuersoftware implementiert die erfindungsgemäße Steuerung. Die Steuersoftware kann auf einem Speicher abgespeichert sein und/oder ein Computerprogrammprodukt darstellen.The control software implements the control according to the invention. The control software can be stored in memory and/or represent a computer program product.

Insbesondere handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Betonpumpe um eine Autobetonpumpe. Die Betonpumpe umfasst bevorzugt ein Fahrwerk, über welches sie verfahrbar ist. Das Fahrwerk umfasst bevorzugt mehrere bereifte Achsen.In particular, the concrete pump according to the invention is a truck-mounted concrete pump. The concrete pump preferably includes a chassis via which it can be moved. The chassis preferably includes several wheeled axles.

Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren gemäß Anspruch 15.The present invention further comprises a method according to claim 15.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die Störgrößenaufschaltung auf Grundlage eines physikalischen Modells der Betonförderung erfolgt, welches die strömungsbedingten Störkräfte der Betonförderung auf den Verteilermast beschreibt.According to a first aspect of the present invention, it is provided in the method according to the invention that the disturbance variable connection takes place on the basis of a physical model of the concrete delivery, which describes the flow-related disturbance forces of the concrete delivery on the placing boom.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass der Betondruck am Eingang der Betonleitung auf Grundlage von Betriebsparametern der Förderpumpe bestimmt wird, insbesondere auf Grundlage des Hydraulikdrucks der Förderzylinder und dem Kolbenflächenverhältnis der Förderpumpe..According to a second aspect of the present invention, the method according to the invention provides that the concrete pressure at the inlet of the concrete line is determined based on operating parameters of the feed pump, in particular based on the hydraulic pressure of the feed cylinders and the piston area ratio of the feed pump.

Die Verfahren der vorliegenden Erfindung erfolgen bevorzugt so, wie dies oben bereits beschrieben wurde.The processes of the present invention are preferably carried out as already described above.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher beschrieben.The present invention will now be described in more detail using exemplary embodiments and drawings.

Dabei zeigen:

Fig. 1
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Autobetonpumpe,
Fig. 2
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Steuerung mit einer Schwingungsdämpfung und einer Störgrößenaufschaltung,
Fig. 3
eine schematische Darstellung einer Vorsteuerung, wie sie in einer erfindungsgemäßen Steuerung zum Einsatz kommen kann,
Fig. 4
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Steuerung mit einer Schwingungsdämpfung,
Fig. 5
eine schematische Darstellung eines Achsreglers, wie er in einer erfindungsgemäßen Steuerung zum Einsatz kommen kann,
Fig. 6
eine schematische Darstellung der durch die Betonförderung auf den Gelenkarm wirkenden Störkräfte,
Fig. 7
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Steuerung mit einer Störgrößenaufschaltung,
Fig. 8
eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Steuerung mit einer Störgrößenaufschaltung, welche auf einem physikalischen Modell der Betonförderung beruht,
Fig. 9
eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Steuerung mit einer Störgrößenaufschaltung, welche auf einer Schätzung der Störkräfte aus Messwerten der Stellung und/oder des Schwingungszustands des Verteilermastes beruht.
Show:
Fig. 1
an embodiment of a truck-mounted concrete pump according to the invention,
Fig. 2
a schematic representation of an exemplary embodiment of a control according to the invention with vibration damping and a disturbance variable feed-in,
Fig. 3
a schematic representation of a pilot control as it can be used in a control according to the invention,
Fig. 4
a schematic representation of an exemplary embodiment of a control according to the invention with vibration damping,
Fig. 5
a schematic representation of an axis controller as it can be used in a control according to the invention,
Fig. 6
a schematic representation of the disruptive forces acting on the articulated arm due to the concrete delivery,
Fig. 7
a schematic representation of an exemplary embodiment of a control according to the invention with a disturbance variable feed-in,
Fig. 8
a schematic representation of a further exemplary embodiment of a control according to the invention with a disturbance variable feed-in, which is based on a physical model of concrete delivery,
Fig. 9
a schematic representation of a further exemplary embodiment of a control according to the invention with a disturbance variable feed-in, which is based on an estimate of the disturbance forces from measured values of the position and / or the vibration state of the distribution boom.

0. Einleitung0. Introduction

Neue Konstruktionsmethoden, Werkstoffe und elektronische Systeme haben dazu geführt, dass sich Betonpumpen in den letzten Jahrzehnten beständig weiter entwickelt haben. Der Einsatz mehrgliedriger Gelenkarme mit immer längeren Segmenten ermöglicht eine verbesserte Erreichbarkeit von schwer zugänglichen Bereichen. Die Erhöhung der Anzahl und der Länge der Segmente vergrößert jedoch auch das Gewicht und die Abmessungen des Fahrzeugs. Die Folge sind Einschränkungen in der Straßenfahrt, der Handhabbarkeit und der Funktionsfähigkeit der Betonpumpe.New construction methods, materials and electronic systems have meant that concrete pumps have continued to develop over the past few decades. The use of multi-link articulated arms with increasingly longer segments enables improved accessibility to areas that are difficult to access. However, increasing the number and length of the segments also increases the weight and dimensions of the vehicle. The result is restrictions on road travel, handling and functionality of the concrete pump.

Ein spezielles Phänomen von Großmanipulatoren ist die Schwingungsfähigkeit des Verteilermasts. Die Schwingungen erschweren die Steuerung des Masts durch den Bediener und das Verteilen des Betons durch den Endschlauchführer. Die Schwingfähigkeit ist mit der Schlankheit und der Trägheit der Segmente und den elastischen Eigenschaften des Materials verknüpft.A special phenomenon of large manipulators is the ability of the placing boom to oscillate. The vibrations make it difficult for the operator to control the mast and for the end hose operator to distribute the concrete. The ability to vibrate is linked to the slenderness and inertia of the segments and the elastic properties of the material.

Die Schwingungsanregung entsteht durch das Verfahren des Knickmasts und die Betonförderung. Die typischerweise eingesetzte Doppelkolbenpumpe der Betonförderung überträgt impulsartige Störkräfte auf den Verteilermast und verursacht damit eine kontinuierliche Schwingungsanregung. Je nach Mastposition und Förderfrequenz ist damit auch eine Anregung nahe der Eigenfrequenzen des Masts möglich.The vibration excitation arises from the movement of the articulated mast and the concrete delivery. The double piston pump typically used to convey concrete transmits impulse-like disturbing forces to the placing boom and thus causes continuous vibration excitation. Depending on the mast position and conveying frequency, excitation close to the natural frequencies of the mast is also possible.

Die Kombination von Verfahrbewegung und Betonförderung setzt den Verteilermast im normalen Betrieb einer kontinuierlichen Schwingungsanregung aus. Dies hat Auswirkungen auf die Maschinenlebensdauer und die Sicherheit für den Bediener.The combination of traversing movement and concrete delivery exposes the placing boom to continuous vibration excitation during normal operation. This has an impact on machine life and operator safety.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Schwingungsdämpfung des Verteilermasts zur Verbesserung der Handhabbarkeit und Funktionsfähigkeit der Betonpumpe.The aim of the present invention is to dampen vibrations of the placing boom to improve the manageability and functionality of the concrete pump.

1. Stand der Technik1. State of the art

Die EP 2 103 760 B1 (Cifa ) schlägt eine modellbasierte Schwingungsdämpfung unter Nutzung eines modalen Modells vor. Der Regelalgorithmus schätzt den Zustand des Systems mithilfe eines Beobachters und führt das geschätzte Signal über Regelverstärkungen zurück. Die Verstärkungen werden in Abhängigkeit der Mastposition aus einer Liste abgerufen und interpoliert. Das Verfahren basiert auf einem modalen Modell, das durch Modaltransformation und anschließender Modellreduktion auf die ersten Schwingungsmoden gewonnen wird. Die einzelnen Zustände des Modells sind somit modale Koordinaten und besitzen keine physikalische Interpretation. Das Verfahren hat den Nachteil, dass neben den Regelverstärkungen auch das reduzierte, modale Modell des Beobachters von der aktuellen Mastposition abhängig ist. Das modale Modell muss deshalb für jede Mastposition neu generiert werden oder ist nur für bestimmte Mastpositionen gültig. Aufgrund der großen Anzahl an möglichen Mastpositionen stellt dies eine Beschränkung für die Einsatzfähigkeit der Schwingungsdämpfung dar. Die im Folgenden vorgeschlagene Schwingungsdämpfung umgeht diese Probleme durch eine andere Art der Modellierung. Die Modellreduktion ist physikalisch motiviert und führt auf physikalisch interpretierbare, elastische Koordinaten. Zudem unterscheidet sich die verwendete Sensorkombination zur Schwingungsdämpfung.The EP 2 103 760 B1 (Cifa ) proposes a model-based vibration damping using a modal model. The control algorithm estimates the state of the system using an observer and feeds back the estimated signal via control gains. The gains are retrieved from a list and interpolated depending on the mast position. The method is based on a modal model that is obtained through modal transformation and subsequent model reduction to the first vibration modes. The individual states of the model are therefore modal coordinates and have no physical interpretation. The method has the disadvantage that, in addition to the control gains, the observer's reduced, modal model also depends on the current mast position. The modal model must therefore be regenerated for each mast position or is only valid for certain mast positions. Due to the large number of possible mast positions, this represents a limitation for the usability of the vibration damping. The vibration damping proposed below avoids these problems through a different type of modeling. The model reduction is physically motivated and leads to physically interpretable, elastic coordinates. The sensor combination used to dampen vibrations also differs.

Die WO 2014165889 A1 (TTControl ) stellt eine Schwingungsdämpfung basierend auf der Rückführung von Positions- und Deformationssignalen der Mastsegmente vor. Die Position wird dabei mit einer inertialen Messeinheit und die Deformation durch Dehnmessstreifen erfasst. Die inertial Messeinheit umfasst einen Drehratensensor und einen Beschleunigungssensor, die nur in Kombination und für die Positionsschätzung eingesetzt werden (siehe Anspruch 2). Das Verfahren hat den Vorteil, dass die Schwingung der Segmente unabhängig von der Verfahrbewegung erfasst wird. Damit entfällt die zusätzliche Signalverarbeitung zur Trennung von Verfahrbewegung und überlagerter struktureller Schwingung. Der Einsatz von Dehnmessstreifen hat jedoch den Nachteil, dass die Montage aufwendig ist und an hoch belasteten Stellen des Segments erfolgen muss. Zudem ist der Sensor sehr temperatursensitiv und erfordert einen hohen Kalibrationsaufwand. Die im Folgenden vorgeschlagene Schwingungsdämpfung umgeht diese Nachteile durch die Wahl eines Drehratensensors zur Detektion von Schwingungen im Verteilermast.The WO 2014165889 A1 (TTControl ) presents vibration damping based on the feedback of position and deformation signals of the mast segments. The position is recorded using an inertial measuring unit and the deformation using strain gauges. The inertial measuring unit includes a rotation rate sensor and an acceleration sensor, which are only used in combination and for position estimation (see claim 2). The method has the advantage that the vibration of the segments is recorded independently of the traversing movement. This eliminates the need for additional signal processing to separate traversing movement and superimposed structural vibration. However, the use of strain gauges has the disadvantage that installation is complex and has to be carried out in highly stressed areas of the segment. In addition, the sensor is very temperature sensitive and requires a lot of calibration effort. The vibration damping proposed below avoids these disadvantages by choosing a rotation rate sensor to detect vibrations in the distribution boom.

Die WO 2016 131977 A1 (Schwing ) nutzt inertiale Messeinheiten zur Lageregelung der Mastspitze. Die Messeinheiten sind auf den Segmenten jeweils in der Balkenmitte angebracht. An der Mastspitze ist ein zusätzlicher Sensor vorhanden. Die Beschleunigungs- und Drehratensignale der Sensoren werden über einen Starrkörperansatz fusioniert und schätzen die Lage der Mastspitze. Zur Verbesserung der Lageschätzung wird das Beschleunigungssignal aus dem Sensor an der Mastspitze zweifach integriert und mit der bestehenden Schätzung fusioniert. Eine absolute Lagebestimmung ist aufgrund des verwendeten Starrkörperansatzes und der Doppelintegration nicht möglich. Stattdessen werden die dynamischen Anteile der Mastspitzenposition über ein Hochpassfilter berechnet und mit einem PID-Regler zurückgeführt. Eine unterlagerte Positionsregelung auf Gelenkebene verhindert dabei Drifteffekte der Mastspitze. Der Fusionierungsalgorithmus umfasst ausschließlich die Rekonstruktion der Lage der Mastspitze. Aufgrund der Positionierung der inertialen Messeinheiten und des verwendeten Starrkörperansatzes wird dabei lediglich die Neigung der Segmente und nicht der Schwingungszustand des Verteilermasts geschätzt. Dies unterscheidet sich von dem im Folgenden vorgestellten modellbasierten Ansatz zur Schätzung und Regelung des Schwingungszustands des Verteilermasts. Dabei wird der Schwingungszustand des gesamten Masts berücksichtigt. Im Gegensatz zur Lageregelung der Mastspitze lässt sich somit die Anzahl der verwenden Sensoren reduzieren und auf den Einsatz von Drehratensensoren beschränken.The WO 2016 131977 A1 (vibration ) uses inertial measuring units to control the position of the mast tip. The measuring units are attached to the segments in the middle of the bar. There is an additional sensor at the top of the mast. The acceleration and yaw rate signals from the sensors are fused using a rigid body approach and estimate the position of the mast tip. To improve the position estimation, the acceleration signal from the sensor at the top of the mast is integrated twice and merged with the existing estimate. An absolute determination of the position is not possible due to the rigid body approach used and the double integration. Instead, the dynamic components of the mast tip position are calculated using a high-pass filter and fed back using a PID controller. A subordinate position control at the joint level prevents drift effects of the mast tip. The fusion algorithm only includes the reconstruction of the position of the mast tip. Because of the positioning The inertial measuring units and the rigid body approach used only estimate the inclination of the segments and not the vibration state of the placing boom. This differs from the model-based approach to estimating and controlling the vibration state of the placing boom presented below. The vibration state of the entire mast is taken into account. In contrast to the position control of the mast tip, the number of sensors used can be reduced and limited to the use of yaw rate sensors.

Die EP 1 537 282 B1 (Putzmeister ) schlägt geodätische Winkelsensoren zur Positionsbestimmung und Schwingungsdämpfung des Verteilermasts vor. Die Sensoren sind auf den Segmenten angebracht und liefern die jeweilige absolute Neigung. Die Signale werden unter Berücksichtigung der Kinematik in einen niederfrequenten Anteil für eine Koordinatensteuerung und einen hochfrequenten Anteil zur Schwingungsdämpfung aufgeteilt. Die typischerweise eingesetzten Neigungssensoren reagieren empfindlich auf translatorische Beschleunigungsspitzen. Die Anwendung zur Schwingungsdämpfung unter Berücksichtigung von Verfahrbewegung und Betonförderung ist somit stark limitiert.The EP 1 537 282 B1 (Putzmeister ) suggests geodetic angle sensors to determine the position and dampen vibrations of the placing boom. The sensors are attached to the segments and provide the respective absolute inclination. Taking the kinematics into account, the signals are divided into a low-frequency component for coordinate control and a high-frequency component for vibration damping. The tilt sensors typically used react sensitively to translational acceleration peaks. The application for vibration damping, taking into account traversing movement and concrete delivery, is therefore very limited.

Die EP 2 778 466 A1 stellt eine Schwingungsdämpfung in horizontalen Ebene vor..The EP 2 778 466 A1 provides vibration damping in the horizontal plane.

Die EP 1 122 380 B1 (Putzmeister ) schlägt eine Steuereinrichtung zur periodischen Variation oder Modulation der Pumpfrequenz vor. Die Variation oder Modulation der Pumpfrequenz verhindert, dass Anregungsfrequenzen in der Nähe der Eigenfrequenz des Masts auftreten. Das Resultat ist eine reduzierte Schwingungsanregung des Verteilermasts. Das Verfahren verändert die Betonförderung, um die Schwingungen im Verteilermast zu dämpfen. Dies unterscheidet sich von der nachfolgend dargestellten Störgrößenaufschaltung, welche die Aktorik des Verteilermasts nutzt und die Betonförderung unbeeinflusst lässt.The EP 1 122 380 B1 (Putzmeister ) suggests a control device for periodically varying or modulating the pump frequency. Varying or modulating the pump frequency prevents excitation frequencies near the mast's natural frequency from occurring. The result is reduced vibration excitation of the placing boom. The process changes the delivery of concrete in order to dampen the vibrations in the placing boom. This differs from the disturbance input shown below, which uses the actuators of the placing boom and leaves the concrete delivery unaffected.

Die EP 1 537 282 B1 (Putzmeister ) benennt einen Störgrößenregler zur Reduktion von Schwingungen im Verteilermast. Das Verfahren ist jedoch keine Störgrößenaufschaltung, da nicht eine Störgröße, sondern eine Messgröße des Verteilermasts zur Schwingungsdämpfung verwendet wird. Die Messgröße ist der dynamische Anteil der Positionserfassung des Masts. Sie wird durch einen Regler verstärkt und auf die Aktorik des Verteilermasts zurückgeführt. Das Verfahren stellt somit eine klassische, rückführungsbasierte Schwingungsdämpfung und keine Störgrößenaufschaltung dar.The EP 1 537 282 B1 (Putzmeister ) names a disturbance variable controller for reducing vibrations in the placing boom. However, the procedure is not a disturbance variable feed-in, since not a disturbance variable, but a measured variable from the placing boom is used to dampen vibrations. The measured variable is the dynamic portion of the position detection of the mast. It is amplified by a controller and fed back to the actuators of the placing boom. The method therefore represents classic, feedback-based vibration damping and does not involve the addition of disturbance variables.

DE 101 01 570 B4 (Schwing ) beschreibt eine Störgrößenaufschaltung kombiniert mit einer rückführungsbasierten Schwingungsdämpfung nach dem Prinzip des virtuellen Feder-Dämpfer-Elements. Die gemessene Störgröße ist von der Betonförderung abhängig - es findet jedoch keine explizite, modellbasierte Umrechnung in die Störkräfte des Verteilermasts statt. Das vorgestellte Verfahren ist außerdem dezentral für jedes Gelenk angesetzt. Der Einfluss der Störkräfte auf den gesamten Verteilermast wird somit nicht berücksichtigt. Die vorgeschlagene Sensorik zur Druckmessung des Betonstroms in der Förderleitung ist praktisch nicht einsetzbar, da sie teuer und im Betrieb starkem Verschleiß ausgesetzt ist. DE 101 01 570 B4 (vibration ) describes a disturbance variable feed-in combined with feedback-based vibration damping based on the principle of the virtual spring-damper element. The measured disturbance variable depends on the concrete delivery - however, there is no explicit, model-based conversion into the disturbance forces of the placing boom. The method presented is also applied decentrally for each joint. The influence of the disruptive forces on the entire placing boom is therefore not taken into account. The proposed sensor system for measuring the pressure of the concrete flow in the delivery line cannot be used in practice because it is expensive and is subject to heavy wear during operation.

2. Aufbau des Ausführungsbeispiels in Form einer Autobetonpumpe2. Structure of the exemplary embodiment in the form of a truck-mounted concrete pump

In Fig. 1 werden die relevanten Elemente der Autobetonpumpe aufgezeigt. Diese weist einen Unterwagen mit einem Fahrgestell mit mehreren bereiften Achsen auf, durch welches die Autobetonpumpe auf der Straße verfahrbar ist. An dem Unterwagen sind vordere und hintere Abstützzylinder 9 und 10 vorgesehen, welche an ausklappbaren und/oder austeleskopierbaren Streben 10 und 12 angeordnet sind. Weiterhin ist ein Verteilergetriebe 11 dargestellt.In Fig. 1 The relevant elements of the truck-mounted concrete pump are shown. This has an undercarriage with a chassis with several tire axles, through which the truck-mounted concrete pump can be moved on the road. Front and rear support cylinders 9 and 10 are provided on the undercarriage, which are arranged on fold-out and / or telescopic struts 10 and 12. Furthermore, a transfer case 11 is shown.

Der Unterwagen trägt hinten eine Pumpengruppe 1 und über einen Mastblock 2 einen Gelenkarm, an welchem eine nicht dargestellte Förderleitung entlang geführt ist.The undercarriage carries a pump group 1 at the rear and an articulated arm via a mast block 2, along which a delivery line (not shown) is guided.

Der Gelenkarm besteht aus einem Drehbock 3 und vier Segmenten 4 bis 7 (beliebige Anzahl an Segmente möglich), die über Gelenke A bis E verkoppelt sind. Gelenk A auf dem Fahrzeug ermöglicht die Drehung des Drehbocks 3 um die Hochachse, Gelenke B bis E die Verschwenkung der Segemente 4 bis 7 um horizontale Kippachsen. Die Aktorik der Betonpumpe besteht aus Hydraulikzylindern 14 bis 17 an den jeweiligen Gelenken B bis E und einem Hydraulikmotor für das Drehgelenk A des Drehbocks. Die Hydraulikzylinder 14 bis 17 ermöglichen die Bewegung des Verteilermasts in der vertikalen Ebene. Der Hydraulikmotor dreht den gesamten Mast um die Hochachse. Die Mastspitze 22 (TCP) ist die Spitze des Verteilermasts.The articulated arm consists of a rotating stand 3 and four segments 4 to 7 (any number of segments possible), which are coupled via joints A to E. Joint A on the vehicle enables the rotation of the turntable 3 about the vertical axis, joints B to E enable the pivoting of the segments 4 to 7 about horizontal tilting axes. The actuator system of the concrete pump consists of hydraulic cylinders 14 to 17 at the respective joints B to E and a hydraulic motor for the swivel joint A of the lathe. The hydraulic cylinders 14 to 17 enable the movement of the placing boom in the vertical plane. The hydraulic motor rotates the entire mast around the vertical axis. The mast top 22 (TCP) is the top of the distribution boom.

Am Verteilermast ist eine Förderleitung angebracht, die Beton zur Mastspitze 22 befördert. Von dort wird der Beton über einen Schlauchabschnitt 8 zu einem Bediener geleitet. Der erforderliche Förderdruck wird dabei von einer Doppelkolbenpumpe der Pumpeneinheit 1 erzeugt.A delivery line is attached to the distribution mast and conveys concrete to the top of the mast 22. From there, the concrete is guided to an operator via a hose section 8. The required delivery pressure is generated by a double piston pump in the pump unit 1.

Der geplante Aufbau der Schwingungsdämpfung gliedert sich in die in Fig. 2 dargestellten Untersysteme: Geometriesteuerung, Vorsteuerung, Regelung (mit Beobachter) und Störgrößenaufschaltung.The planned structure of the vibration damping is divided into: Fig. 2 Subsystems shown: geometry control, feedforward control, regulation (with observer) and disturbance variable feed-in.

Für jedes Untersystem wird nachfolgend auf den Aufbau und die Funktionsweise eingegangen und charakteristische Merkmale dargelegt.For each subsystem, the structure and functionality are discussed below and characteristic features are presented.

3. Geometriesteuerunq (TCP-Steuerung)3. Geometry control (TCP control)

Die Geometriesteuerung dient der Erzeugung von Bewegungsbahnen für den Verteilermast. Die Bewegungsbahnen sind dabei eine Zeitfunktion für Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und/oder Ruck der Gelenkachsen des Verteilermasts. Sie werden in der Vorsteuerung an die Dynamik des Systems angepasst und der Regelung als Sollwert vorgegeben.The geometry control is used to generate movement paths for the placing boom. The trajectories are a time function for the position, speed, acceleration and/or jerk of the joint axes of the placing boom. They are adapted to the dynamics of the system in the feedforward control and given to the control system as a setpoint.

4. Vorsteuerung4. Pilot control 4.1 Funktion4.1 Function

Die Vorsteuerung gemäß Fig. 3 dient dazu, ein schnelles Verfahren des Verteilermasts zu ermöglichen, ohne die Eigenfrequenzen anzuregen.

  • Messung der Position des Verteilermasts.
  • Bestimmung der (ersten) Eigenfrequenzen und Dämpfung des Verteilermasts in der jeweiligen Mastposition (Ruhelage) in der horizontalen und vertikalen Ebene.
  • Filterung der Sollwertsignale mit Eigenfrequenzen (Notch-Filter, Input-Shaping).
  • Vorsteuerung wirkt auf jeden vertikalen und horizontalen Aktor.
The pilot control according to Fig. 3 serves to enable the placing boom to move quickly without exciting the natural frequencies.
  • Measuring the position of the placing boom.
  • Determination of the (first) natural frequencies and damping of the placing boom in the respective boom position (rest position) in the horizontal and vertical planes.
  • Filtering of the setpoint signals with natural frequencies (notch filter, input shaping).
  • Pilot control affects every vertical and horizontal actuator.

4.2 Sensorik4.2 Sensors

  • Position des VerteilermastsPosition of the placing boom
  • Drehgeber für den Drehwinkel um die HochachseRotary encoder for the angle of rotation around the vertical axis
4.3 Aktorik4.3 Actuators

  • Hydraulikzylinder (vertikale Ebene)Hydraulic cylinder (vertical plane)
  • Hydraulikmotor (horizontale Ebene)Hydraulic motor (horizontal plane)
5. Regelung5. Regulation

Die Regelung, welche in Fig. 4 nochmals wiedergegeben ist, untergliedert sich in zwei Teile: die Achsregelung (Fig. 5) und die Regelung zur Dämpfung der Schwingungen und Positionsregelung mit dem Regler und dem Beobachter.The regulation, which in Fig. 4 is reproduced again, is divided into two parts: the axis control ( Fig. 5 ) and the control for damping the vibrations and position control with the controller and the observer.

5.1 Achsregler5.1 Axis controller

Der Achsregler gemäß Fig. 5 dient der Überführung der Sollwinkelgeschwindigkeit des Gelenkes in die reale Aktorgeschwindigkeit:

  • Das Übertragungsverhalten des Hydrauliksystems von Ansteuerung bis Geschwindigkeit des Aktors weist ein nichtlineares Verhalten auf.
  • Die Achsregelung kompensiert die Nichtlinearitäten der Hydraulik und der Umlenkkinematik.
  • Der Regelalgorithmus besteht aus den invertierten statischen Kennlinien der Hydraulik und Umlenkkinematik. Eventuell ist eine Rückführung des Drucks bzw. der Zylinderposition oder -geschwindigkeit vorgesehen.
  • Die Achsregelung ist dezentral an jedem Gelenk eingesetzt und stellt die unterste Ebene der gesamten Schwingungsdämpfung dar.
The axis controller according to Fig. 5 serves to transfer the target angular speed of the joint to the real actuator speed:
  • The transmission behavior of the hydraulic system from control to the speed of the actuator has a non-linear behavior.
  • The axis control compensates for the non-linearities of the hydraulics and the deflection kinematics.
  • The control algorithm consists of the inverted static characteristics of the hydraulics and deflection kinematics. A feedback of the pressure or the cylinder position or speed may be provided.
  • The axis control is used decentrally at each joint and represents the lowest level of overall vibration damping.

In ihrer Funktion zur Überführung der Sollgeschwindigkeit in die reale Aktorgeschwindigkeit wird die Achsreglung für alle weiteren Steuerungs- und Regelungskonzepte implizit vorausgesetzt.In its function of converting the target speed into the real actuator speed, axis control is implicitly assumed for all other control and regulation concepts.

5.2 Schwingungsdämpfung basierend auf Drehratensensoren5.2 Vibration damping based on rotation rate sensors 5.2.1 Aufbau Schwingungsdämpfung5.2.1 Structure of vibration damping

Das Verfahren umfasst eine aktive Schwingungsdämpfung zur Reduktion von Schwingungen im Verteilermast. Es wird dabei zwischen der Sollbewegungen der Segmente durch den Bediener und den Schwingungen angeregt durch die Verfahrbewegung unterschieden. Die Schwingungsdämpfung berücksichtigt die gewollte Sollbewegung und dämpft nur die entstehenden strukturellen Schwingungen. Die Schwingungen aufgrund der Betonförderung werden ebenfalls reduziert.The process includes active vibration damping to reduce vibrations in the placing boom. A distinction is made between the target movements of the segments by the operator and the vibrations caused by the traversing movement. Vibration damping takes the desired target movement into account and only dampens the resulting structural vibrations. The vibrations due to concrete delivery are also reduced.

Das Ziel der Schwingungsdämpfung ist die Reduktion von Schwingungen im gesamten Verteilermast. Zu diesem Zweck wird der Schwingungszustand des gesamten Arms aus den Schwingungen der einzelnen Segmente geschätzt. Der Verteilermast weist in Abhängigkeit der Position und Neigung der Segmente variable Eigenfrequenzen auf. Die Schwingungsdämpfung berücksichtigt diese Variabilität der Eigenfrequenzen in Abhängigkeit der Maststellung. Die ersten Eigenfrequenzen stellen den größten Einfluss auf das Schwingverhalten dar.The goal of vibration damping is to reduce vibrations throughout the entire placing boom. For this purpose, the vibrational state of the entire Arms estimated from the vibrations of the individual segments. The placing boom has variable natural frequencies depending on the position and inclination of the segments. The vibration damping takes into account this variability of the natural frequencies depending on the position of the mast. The first natural frequencies have the greatest influence on the vibration behavior.

5.2.2 Sensorik5.2.2 Sensors

Der Schwingungszustand des Verteilermasts wird durch Drehratensensoren 18 bis 21 erfasst. Die Sensoren sind auf einem oder mehreren Segmenten 4 bis 7 angebracht und messen die Drehrate um die Gelenkachsen. Der Vorteil dieser Sensoren zur Schwingungserfassung liegt darin, dass sie im Gegensatz zu üblicher Sensorik (z. B. Dehnmessstreifen) einfach montiert werden können. Der Sensor kann an allen Außen- und Innenseiten des Segments angebracht werden. Die MEMSbasierten Drehratensensoren sind außerdem kostengünstig, robust und wartungsarm.The vibration state of the distribution boom is detected by rotation rate sensors 18 to 21. The sensors are mounted on one or more segments 4 to 7 and measure the rotation rate around the joint axes. The advantage of these sensors for detecting vibrations is that, in contrast to conventional sensors (e.g. strain gauges), they can be easily installed. The sensor can be attached to all outside and inside sides of the segment. The MEMS-based rotation rate sensors are also cost-effective, robust and low-maintenance.

Der Drehratensensor 18 bis 21 wird im vorderen Bereich des jeweiligen Segments 4 bis 7 montiert, um die strukturellen Schwingungen optimal zu erfassen. Durch die serielle Kinematik des Manipulators enthält die gemessene Drehrate eines Segments auch die Schwingung des vorhergehenden Segments. Dieser Umstand wird beim Regelungsentwurf berücksichtigt werden.The rotation rate sensor 18 to 21 is mounted in the front area of the respective segments 4 to 7 in order to optimally record the structural vibrations. Due to the serial kinematics of the manipulator, the measured rotation rate of a segment also contains the oscillation of the previous segment. This circumstance will be taken into account in the draft regulation.

Die Position des Verteilermasts wird eine direkte oder indirekte Messung der relativen Gelenkwinkel zwischen den Segmenten bestimmt. Beispielsweise kann als Messanordnung eine Erfassung der relativen Gelenkwinkel über Drehwinkelgeber erfolgen.The position of the placing boom is determined by a direct or indirect measurement of the relative joint angles between the segments. For example, as a measuring arrangement, the relative joint angles can be recorded using rotary angle sensors.

5.3.3 Modellierung5.3.3 Modeling

Der Regelungsentwurf basiert auf einem mathematischen Modell des Verteilermasts. Zu diesem Zweck wird das mechanische System durch ein dynamisches Modell abgebildet.The draft regulation is based on a mathematical model of the placing boom. For this purpose, the mechanical system is represented by a dynamic model.

Der Verteilermast wird durch ein Starrkörpermodell mit aktuierten Gelenken B bis E modelliert. Zusätzliche virtuelle Gelenke berücksichtigen dabei die Flexibilität in den Segmenten. Für jedes Segment wird ein zusätzliches virtuelles Gelenk mit Feder- und Dämpferelementen eingeführt. Die Feder- und Dämpfungskonstanten werden so gewählt, dass die Durchbiegung und die erste Eigenfrequenz des realen Segments erhalten bleiben. Das Modell des Verteilermasts setzt sich aus mehreren Segmenten zusammen. Die Steifigkeit der Gesamtstruktur ergibt sich damit sich aus der Steifigkeit der einzelnen Segmente. Da sich die Gesamtstruktur aus mehreren Segmenten zusammensetzt, werden auch höhere Eigenfrequenzen wiedergegeben.The placing boom is modeled by a rigid body model with actuated joints B to E. Additional virtual joints take the flexibility in the segments into account. An additional virtual joint with spring and damper elements is introduced for each segment. The spring and damping constants are chosen so that the deflection and the first natural frequency of the real segment are preserved. The distribution boom model is made up of several segments. The rigidity of the overall structure results from the rigidity of the individual segments. Since the overall structure is made up of several segments, higher natural frequencies are also reproduced.

Diese Art der Modellierung stellt eine physikalisch motivierte Diskretisierung des unendlich dimensionalen, elastischen Verteilermasts dar. Der Vorteil ist, dass gut entwickelte und effiziente Starrkörper Formalismen zur Modellierung eingesetzt werden können. Das resultierende Modell weist außerdem eine relativ niedrige Systemordnung auf. Anders als bei einer modalen Modellreduktion ist der Systemzustand der virtuellen Gelenke weiterhin eine physikalische Variable. Er beschreibt die konzentrierte Durchbiegung und Schwingung des Segments.This type of modeling represents a physically motivated discretization of the infinitely dimensional, elastic placing boom. The advantage is that well-developed and efficient rigid body formalisms can be used for modeling. The resulting model also has a relatively low system order. Unlike a modal model reduction, the system state of the virtual joints is still a physical variable. It describes the concentrated deflection and vibration of the segment.

Das nichtlineare Modell des Verteilermasts wird um die Gleichgewichtslage der aktuellen Mastposition linearisiert. Damit ergibt sich in Abhängigkeit der Stellung und der Lastsituation des Masts ein lineares System, das kleine Abweichungen von der Gleichgewichtslage darstellt x ˙ = Ax + Bu ,

Figure imgb0001
y = Cx .
Figure imgb0002
The nonlinear model of the placing boom is linearized around the equilibrium position of the current boom position. Depending on the position and load situation of the mast, this results in a linear system that represents small deviations from the equilibrium position x ˙ = Ax + Bu ,
Figure imgb0001
y = Cx .
Figure imgb0002

5.3.4 Beobachter5.3.4 Observer

Basierend auf dem linearisiertem Modell wird ein Beobachter zur Schätzung der Systemzustände eingesetzt x ^ ˙ = A x ^ + Bu + L y C x ^ .

Figure imgb0003
Based on the linearized model, an observer is used to estimate the system states x ^ ˙ = A x ^ + Bu + L y C x ^ .
Figure imgb0003

Der Beobachter rekonstruiert mithilfe der Ein- und Ausgänge des Systems den Systemzustand . Die Eingänge des Systems u sind dabei die Sollwerte der Hydraulik. Die Ausgänge y sind die Messwerte der Position und des Schwingungszustands des Verteilermasts. Durch die Fusionierung der verschiedenen Messsignale verbessert sich die Robustheit der Schwingungsdämpfung gegenüber den Messprinzip bedingten Drifterscheinungen der Drehratensensorik. Der modellbasierte Beobachter stellt außerdem sicher, dass das Messsignal der Drehratensensoren in die separaten Anteile der Gelenkbewegung und der Schwingung aufgeteilt wird. Die Regelung dämpft damit gezielt die strukturellen Schwingungen, ohne die Sollbewegung zu beeinflussen. Die Beobachterverstärkung L wird durch ein geeignetes Verfahren wie z. B. Polvorgabe oder durch einen Kalman Filter gewählt.The observer reconstructs the system state using the inputs and outputs of the system . The inputs of the system u are the setpoints of the hydraulics. The outputs y are the measured values of the position and vibration state of the placing boom. By fusing the different measurement signals, the robustness of the vibration damping improves compared to the drift phenomena of the rotation rate sensors caused by the measuring principle. The model-based observer also ensures that the measurement signal from the yaw rate sensors is divided into the separate components of the joint movement and the vibration. The control system specifically dampens the structural vibrations without influencing the target movement. The observer gain L is determined by a suitable method such as B. Pole specification or selected by a Kalman filter.

5.3.5 Regelverstärkung5.3.5 Control gain

Das linearisierte Modell dient zur Auslegung der Rückführverstärkungen K des Regelkreises u = K x ^ .

Figure imgb0004
The linearized model is used to design the feedback gains K of the control loop u = K x ^ .
Figure imgb0004

Dabei werden die Pole in der komplexen Halbebene so positioniert, dass sich die Dämpfung des Systems erhöht. Die Schwingungen im Verteilermast werden somit gedämpft. Der Regler erhält den geschätzten Zustand des Beobachters , verstärkt die Signale und führt sie als Sollwerte der Hydraulik zu (siehe Fig. 4). Die Regelverstärkung K wird durch ein geeignetes Verfahren wie z. B. Polvorgabe oder optimierungsbasierten Verfahren (LQR) berechnet.The poles are positioned in the complex half-plane in such a way that the damping of the system increases. The vibrations in the placing boom are thus dampened. The controller receives the estimated state of the observer , amplifies the signals and supplies them to the hydraulics as setpoints (see Fig. 4 ). The control gain K is determined by a suitable method such as B. pole specification or optimization-based method (LQR).

Der oben beschriebene Entwurfsprozess für Beobachter und Regler gilt für eine spezifische Gleichgewichtslage des Verteilermasts. Für eine Änderung der Maststellung wird deshalb der Entwurfsprozess wiederholt und an die aktuelle Stellung angepasst. Durch die Nachführung der Regelungsparameter wird die Funktionsfähigkeit der Schwingungsdämpfung für jede Mastposition gewährleistet.The observer and controller design process described above applies to a specific equilibrium position of the placing boom. To change the position of the mast, the design process is repeated and adapted to the current position. By tracking the control parameters, the functionality of the vibration damping is guaranteed for every mast position.

Durch den zyklischen Entwurf von Beobachter und Regler ergeben sich die Verstärkungen in Abhängigkeit von der aktuellen Stellung und Lastsituation des Verteilermasts. Die variable Eigenfrequenz des Masts ist somit im Regelungsentwurf implizit berücksichtigt.The cyclic design of the observer and controller results in the gains depending on the current position and load situation of the placing boom. The variable natural frequency of the mast is therefore implicitly taken into account in the draft regulation.

5.3.6 Horizontale Schwingungsdämpfung5.3.6 Horizontal vibration damping

Die Schwingungsdämpfung kann auch für Schwingungen in der horizontalen Ebene eingesetzt werden. Der Hydraulikmotor am Mastbock dient dabei als Aktor. Die Mastposition um die Hochachse wird durch einen Winkelgeber erfasst. Die Drehwinkelsensoren zur Schwingungsmessung sind in diesem Fall durch eine Detektionsrichtung in der horizontalen Ebene und Torsion ausgeführt oder erweitert. Die Sensoren sind auf einem oder mehreren Segmenten angebracht und messen die Drehrate um die Hochachse und die Längsachse.Vibration damping can also be used for vibrations in the horizontal plane. The hydraulic motor on the mast trestle serves as an actuator. The mast position around the vertical axis is recorded by an angle sensor. In this case, the rotation angle sensors for vibration measurement are designed or extended by a detection direction in the horizontal plane and torsion. The sensors are mounted on one or more segments and measure the rotation rate around the vertical axis and the longitudinal axis.

In der horizontalen Ebene ist horizontale Biegung mit der Torsion der Segmente verkoppelt. Der Verteilermast erfährt somit in Abhängigkeit von der Position gleichzeitig eine horizontale Biegung und eine Torsion. Dieser Effektor wird der Modellierung berücksichtig.In the horizontal plane, horizontal bending is coupled to the torsion of the segments. The distribution boom therefore experiences a horizontal bend and a torsion at the same time, depending on the position. This effector is taken into account in the modeling.

Das dynamische Modell des Verteilermasts (Abschnitt 5.3.3) wird um eine horizontale Komponente ergänzt. Die virtuellen Gelenke in den Segmenten sind dazu als mehrachsige Drehgelenke ausgeführt, die Biegung in der horizontalen Ebene und Torsion erfassen. Die Drehung um die Hochachse wird durch ein Gelenk am Drehbock berücksichtigt. Die Art und der Aufbau des Modells bleiben dabei gegen über Abschnitt 5.3.3 erhalten.The dynamic model of the placing boom (Section 5.3.3) is supplemented by a horizontal component. The virtual joints in the segments are designed as multi-axis swivel joints that record bending in the horizontal plane and torsion. The rotation around the vertical axis is taken into account by a joint on the lathe. The type and structure of the model remain the same as in Section 5.3.3.

Analog zu dem Vorgehen in Abschnitt 5.3.3, 5.3.4 und 5.3.5 werden für das linearisierte erweiterte Modell ein Beobachter und eine Rückführverstärkung entworfen. Dabei kann entweder eine separate horizontale Schwingungsdämpfung oder eine kombinierte vertikale und horizontale Schwingungsdämpfung umgesetzt werden. Der modellbasierte Beobachter stellt sicher, dass das Messsignal der Drehratensensoren in die separaten Anteile der Hochachsenbewegung und der Schwingung aufgeteilt wird. Die Regelung dämpft damit gezielt die strukturellen Schwingungen der horizontalen Biegung und Torsion, ohne die Sollbewegung zu beeinflussen.Analogous to the procedure in Sections 5.3.3, 5.3.4 and 5.3.5, an observer and a feedback amplifier are designed for the linearized extended model. Either separate horizontal vibration damping or combined vertical and horizontal vibration damping can be implemented. The model-based observer ensures that the measurement signal from the yaw rate sensors is divided into the separate parts of the vertical axis movement and the vibration. The control system specifically dampens the structural vibrations of horizontal bending and torsion without influencing the target movement.

5.3.7 Weitere Eigenschaften5.3.7 Other properties

Die Bewegungsvorgaben des Bedieners werden durch die Schwingungsdämpfung explizit berücksichtigt. Das heißt, die gewollte Verfahrbewegung wird durch die Regelung zugelassen und nur die überlagerten strukturellen Schwingungen gedämpft. Um die Schwingungsanregung beim Verfahren zu reduzieren, ist außerdem eine Vorsteuerung vorgesehen. Diese berechnet aus dem Sollwert des Bedieners Ansteuersignale, die die gewollte Mastbewegung ausführen und dabei keine Schwingung anregen. Zu diesem Zweck wird ein Notch-Filter eingesetzt, das abhängig von der aktuellen Mastposition die Eigenfrequenzen des Verteilermasts bei der Verfahrbewegung unterdrückt (siehe Fig. 3).The operator's movement specifications are explicitly taken into account by the vibration damping. This means that the desired movement is permitted by the control and only the superimposed structural vibrations are dampened. In order to reduce the vibration excitation during the process, a pilot control is also provided. This calculates control signals from the operator's setpoint that carry out the desired mast movement and do not stimulate any vibration. For this purpose, a notch filter is used which, depending on the current mast position, suppresses the natural frequencies of the placing boom during the movement (see Fig. 3 ).

Die Sollwertsignale für die Hydraulik werden durch eine unterlagerte Achsregelung an den Zylindern umgesetzt. Die Achsregelung wandelt eine Sollwinkelgeschwindigkeitsvorgabe u der Gelenke in die translatorische Istgeschwindigkeit der Zylinder. Dabei werden die Umlenkkinematik, sowie Nichtlinearitäten der Hydraulik durch eine Vorsteuerung berücksichtigt (siehe Fig. 5). Als Messgröße der Rückführung kann entweder der Druck, die Zylinderposition oder die Zylindergeschwindigkeit ausgeführt sein. Als Alternative kann auch die Zylindergeschwindigkeit aus der Position über eine separate Signalbearbeitung berechnet werden. Die Zylinder übertragen die Kraft Fu auf den Verteilermast und erzeugen somit eine Bewegung der Gelenke. Die Achsregelung ist wie oben beschrieben dezentral und jedem Gelenk separat unterlagert.The setpoint signals for the hydraulics are implemented by a subordinate axis control on the cylinders. The axis control converts a target angular velocity specification u of the joints into the actual translational velocity of the cylinders. The deflection kinematics and non-linearities of the hydraulics are taken into account by a pilot control (see Fig. 5 ). Either the pressure, the cylinder position or the cylinder speed can be used as the feedback measurement variable. As an alternative, the cylinder speed can also be calculated from the position using separate signal processing. The cylinders transmit the force F u to the placing boom and thus generate movement of the joints. As described above, the axis control is decentralized and subordinate to each joint separately.

6. Störgrößenaufschaltung6. Disturbance input

Traditionell werden rückführungsbasierte Schwingungsdämpfungen zur Reduktion von Schwingungen im Verteilermast eingesetzt. Diese Regelungen basieren auf der Rückführung der statischen und dynamischen Parameter des Verteilermasts. Dazu werden die Schwingungen in der Struktur gemessen, mit einem Regelalgorithmus verarbeitet und als Stellsignal auf die Aktorik der Betonpumpe zurückgeführt. Die erzeugte Bewegung der Aktorik wirkt auf den Verteilermast und dämpft aktiv Schwingungen. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass Schwingungen erst kompensiert werden können, wenn sie am Mast gemessen werden. Das heißt die Schwingungen müssen erst in der Struktur auftreten, um gedämpft zu werden. Das nachfolgend dargestellte Verfahren verfolgt einen anderen Ansatz nach dem Prinzip der Störgrößenaufschaltung. Diese dämpft Schwingungen im System basierend auf der Ursache anstatt - wie einem bei rückführungsbasierten Verfahren - basierend auf der Wirkung (siehe Fig. 7). Die Schwingungsanregung im Verteilermast ist zu einem großen Teil auf die Ursache der Betonförderung zurückzuführen. Sie stellt demnach eine Störgröße auf das System dar, die kompensiert werden soll.Traditionally, feedback-based vibration damping is used to reduce vibrations in the placing boom. These regulations are based on the Feedback of the static and dynamic parameters of the placing boom. To do this, the vibrations in the structure are measured, processed using a control algorithm and fed back to the actuators of the concrete pump as a control signal. The movement generated by the actuators acts on the placing boom and actively dampens vibrations. A disadvantage of this method is that vibrations can only be compensated for when they are measured on the mast. This means that the vibrations must first occur in the structure in order to be dampened. The method presented below follows a different approach based on the principle of switching on disturbance variables. This dampens oscillations in the system based on the cause instead of - as with feedback-based methods - based on the effect (see Fig. 7 ). The vibration excitation in the placing boom is largely due to the cause of concrete delivery. It therefore represents a disturbance to the system that should be compensated for.

Der Vorteil der Störgrößenaufschaltung gegenüber einer traditionellen Schwingungsdämpfung ist, dass die Störgrößen kompensiert werden können, bevor sie sich auf das System auswirken. Das heißt die Anregung der Betonförderung wird eliminiert, bevor sie als Schwingung im Verteilermast sichtbar ist.The advantage of feeding in disturbance variables compared to traditional vibration damping is that the disturbance variables can be compensated for before they have an impact on the system. This means that the excitation of concrete delivery is eliminated before it becomes visible as vibration in the placing boom.

Das Ziel der Störgrößenaufschaltung ist somit die Reduktion von Schwingungen im Verteilermast auf Basis von charakteristischen Messgrößen der Betonförderung. Die Messgrößen beschreiben dabei den Zustand der Betonförderung und nicht den Schwingungszustand des Verteilermasts. Typische Messgrößen der Betonförderung sind der Druck am Eingang der Förderleitung, die Frequenz des Pumpprozesses und die Position und Geschwindigkeit des Förderkolbens.The aim of the disturbance variable connection is therefore to reduce vibrations in the placing boom on the basis of characteristic measured variables of concrete delivery. The measured variables describe the condition of the concrete delivery and not the vibration condition of the placing boom. Typical measured variables for concrete delivery are the pressure at the inlet of the delivery line, the frequency of the pumping process and the position and speed of the delivery piston.

Mit den Messgrößen werden über ein Modell der Betonförderung die Störkräfte auf den Verteilermast rekonstruiert und verstärkt auf die Aktorik aufgeschalten. Die Verstärkung kann dabei so entworfen werden, dass der Einfluss der Störkräfte auf einen bestimmten Punkt des Verteilermasts eliminiert wird. Dazu wird die Mastspitze gewählt, um die Lage des Endschlauchs ruhig und konstant zu halten.The measured variables are used to reconstruct the disruptive forces on the placing boom using a model of concrete delivery and are then increasingly applied to the actuators. The reinforcement can be designed in such a way that the influence of the disruptive forces on a specific point on the placing boom is eliminated. For this purpose, the top of the mast is chosen to keep the position of the end hose steady and constant.

Zur Reduktion der Schwingen auf Grund der Betonförderung werden zwei Verfahren vorgeschlagen: die klassische modellgestützte Störgrößenaufschaltung und die Störgrößenaufschaltung mit einem Störbeobachter.Two methods are proposed to reduce the swinging due to concrete delivery: the classic model-based disturbance input and the disturbance input with a disturbance observer.

6.1 Klassische modellgestützte Störgrößenaufschaltung6.1 Classic model-based disturbance input 6.1.1 Überblick6.1.1 Overview 6.1.1.2 Funktion6.1.1.2 Function

Die Berechnung der in Fig. 6 dargestellten Störkräfte erfolgt über ein mathematisches Modell der Betonförderung entlang des Masts.

  • Berechnung der Störkräfte auf den Verteilermast aus Messsignalen der Betonförderung (Druck, Frequenz, Zylinderposition) über Betonfördermodell (siehe Fig. 8).
  • Berechnung des Einfluss der Störkräfte auf den Verteilermast im Störmodell.
  • Zustandsregelung des Störmodells. Die Stellgröße u d des geregelten Störmodells ist die Stellgröße u der Hydraulik der Betonpumpe.
  • Die Zustandsregelung kann durch eine Ausgangsrückführung erweitert werden. Dabei werden die Bewegungen der Mastspitze gedämpft.
  • Der Arbeitspunkt ist die aktuelle Position des Verteilermasts. Bei Veränderung der Mastpostion durch eine Verfahrbewegung wird der Arbeitspunkt nachgeführt. D.h. die Höhe der Mastspitze nach dem Verfahren stellt den neuen Arbeitspunkt dar.
  • Abweichungen vom Sollwert y d (siehe Fig. 8) werden über einen Regelkreis mit den realen Messwerten der Betonpumpe y kompensiert. Dieser Regelkreis kann die Schwingungsdämpfung aus Abschnitt 5.2 darstellen.
The calculation of the in Fig. 6 The disruptive forces shown are carried out via a mathematical model of the concrete delivery along the mast.
  • Calculation of the disruptive forces on the placing boom from measurement signals of the concrete delivery (pressure, frequency, cylinder position) using the concrete delivery model (see Fig. 8 ).
  • Calculation of the influence of the disruptive forces on the placing boom in the disruptive model.
  • State control of the disturbance model. The manipulated variable u d of the controlled disturbance model is the manipulated variable u of the hydraulics of the concrete pump.
  • The state control can be expanded by output feedback. The movements of the mast tip are dampened.
  • The operating point is the current position of the placing boom. If the mast position is changed by a movement, the working point is updated. Ie the height of the mast tip after the procedure represents the new working point.
  • Deviations from the target value y d (see Fig. 8 ) are compensated via a control loop with the real measured values of the concrete pump y . This control loop can represent the vibration damping from Section 5.2.

6.1.1.2 Anmerkungen6.1.1.2 Notes

  • Der zusätzliche Regelkreis des Störmodells ermöglicht eine Kompensation der Störgrößen F d unabhängig von der äußeren Regelung zur Schwingungsdämpfung (Messsignal y ). Da der Zustandsregler ein virtuelles Störmodell beaufschlagt ist der vollständige Zustand x d verfügbar.The additional control loop of the disturbance model enables compensation of the disturbance variables F d independently of the external control for vibration damping (measurement signal y ). Since the state controller applies a virtual disturbance model, the complete state x d is available.
  • Beschränkungen der Stellgröße können einfach durch Beschränkungen im Regelkreis der Störgrößenaufschaltung berücksichtigt werden.Restrictions on the manipulated variable can easily be taken into account through restrictions in the control loop for feeding in the disturbance variables.
6.1.1.3 Sensorik6.1.1.3 Sensors

  • Position VerteilermastDistribution boom position
  • Messwerte zur Betonförderung: Amplitude bzw. Zylinderposition, Zylindergeschwindigkeit, Frequenz der Pumpe und/oder Betondruck am Eingang der FörderleitungMeasured values for concrete delivery: amplitude or cylinder position, cylinder speed, frequency of the pump and/or concrete pressure at the inlet of the delivery line
6.1.1.3 Aktorik6.1.1.3 Actuators

  • Alle Hydraulikzylinder (vertikale Ebene)All hydraulic cylinders (vertical plane)
6.1.2 Ausführungsbeispiel6.1.2 Example embodiment 6.1.2.1 Modellierung6.1.2.1 Modeling

Die Modellierung der Betonförderung bildet den Betonfluss in der Förderleitung von der Förderpumpe im Fahrzeug bis zum Endschlauch an der Mastspitze ab. Dabei werden die strömungsbedingten Störkräfte der Betonförderung auf den Verteilermasts berechnet.The modeling of concrete delivery depicts the flow of concrete in the delivery line from the delivery pump in the vehicle to the end hose at the top of the mast. The flow-related disruptive forces of concrete delivery on the placing boom are calculated.

Die Entstehung der Störkräfte ist vorwiegend auf Reibungskräfte an der Rohrinnenwand und Trägheitskräfte durch die Betonstromumlenkung in den Rohrbögen zurückzuführen. Durch die instationäre, periodische Förderung entstehen dabei impulsartige Kräfte, die über die Rohrbefestigungen auf den Verteilermast übertragen werden. Die Kräfte sind dabei von einer Vielzahl an Faktoren abhängig. Der größte Einfluss sind die rheologischen Eigenschaften und die Zusammensetzung des Betons. Je nach Art und Konsistenz des Betons ergeben sich stark unterschiedliche Schwingungsanregungen im Verteilermast. Eine weitere Größe ist der sogenannte Wandeffekt. Aufgrund der Viskosität und der inhomogenen Zusammensatzung des Fluids bildet sich während der Förderung im Wandbereich eine Grenzschicht mit niedriger Fließgrenze und Viskosität. Die Grenzschicht wirkt wie ein Schmierfilm und verringert die Reibkräfte im Wandbereich. Weitere Faktoren sind außerdem der variable Füllstandsfaktor im Förderkolben und die Menge an gelöster Luft im Beton. Die Unsicherheit und die Variabilität der oben genannten Faktoren führen dazu, dass eine direkte, rein stoffbasierte Modellierung mit großen Schwierigkeiten verbunden ist. Aus diesem Grund wird eine auf Messungen gestützte Modellierung vorgeschlagen. Die grundlegende Idee ist auf die genaue Abbildung der Strömungsverhältnisse innerhalb des Rohrs zu verzichten und stattdessen nur die wirkenden Kräfte auf die Rohrwand zu berücksichtigen.The creation of the disruptive forces is primarily due to frictional forces on the inner pipe wall and inertial forces caused by the concrete flow deflection in the pipe bends. The unsteady, periodic delivery creates impulse-like forces that are transmitted to the placing boom via the pipe fastenings. The forces depend on a variety of factors. The The biggest influence is the rheological properties and the composition of the concrete. Depending on the type and consistency of the concrete, there are very different vibration excitations in the placing boom. Another factor is the so-called wall effect. Due to the viscosity and inhomogeneous composition of the fluid, a boundary layer with a low yield point and viscosity forms in the wall area during delivery. The boundary layer acts like a lubricating film and reduces the friction forces in the wall area. Other factors include the variable fill level factor in the delivery piston and the amount of dissolved air in the concrete. The uncertainty and variability of the factors mentioned above mean that direct, purely substance-based modeling is associated with great difficulties. For this reason, measurement-based modeling is proposed. The basic idea is to forego the exact representation of the flow conditions within the pipe and instead only take into account the forces acting on the pipe wall.

Der Ansatz verwendet dazu ein äquivalentes Newtonsches Fluid, um die Reibungs- und Trägheitskräfte des Fluids auf die Rohrwand zu modellieren.The approach uses an equivalent Newtonian fluid to model the frictional and inertial forces of the fluid on the pipe wall.

Die Stoffeigenschaften des äquivalenten Fluids werden aus den Messgrößen der Betonförderung bestimmt. Insbesondere wird zumindest die Viskosität des äquivalenten Fluids aus dem Betondruck und der Strömungsgeschwindigkeit des Betons bestimmt. Als Dichte des äquivalenten Fluids wird ein abgespeicherter Mittelwert für die Dichte von Beton herangezogen.The material properties of the equivalent fluid are determined from the measured variables of concrete delivery. In particular, at least the viscosity of the equivalent fluid is determined from the concrete pressure and the flow velocity of the concrete. A stored average value for the density of concrete is used as the density of the equivalent fluid.

Dabei lässt sich unter der Annahme von Umgebungsdruck am Endschlauch und durch die Messung des Eingangsdrucks die Druckdifferenz über die gesamte Rohrleitung berechnen. Durch Berücksichtigung der Maststellung wird außerdem der hydrostatische Druckverlust der Strömung bestimmt. Die Ausgangsgrößen des Modells sind die konzentrierten Störkräfte F d in jedem Gelenk der Betonpumpe (siehe Fig. 6).By assuming ambient pressure at the end hose and measuring the inlet pressure, the pressure difference across the entire pipeline can be calculated. By taking the position of the mast into account, the hydrostatic pressure loss of the flow is also determined. The output variables of the model are the concentrated disturbance forces F d in each joint of the concrete pump (see Fig. 6 ).

Die Wirkung der konzentrierten Störkräfte Fd wird über eine Kopplung mit einem mechanischen Modell des Verteilermasts berechnet. Das mechanische Modell berücksichtigt die dynamische und elastische Verformung der Segmente unter dem Einfluss der Störkräfte über den gesamten Verteilermast.The effect of the concentrated disturbance forces F d is calculated via a coupling with a mechanical model of the placing boom. The mechanical model takes into account the dynamic and elastic deformation of the segments under the influence of the disruptive forces across the entire placing boom.

6.1.2.2 Aufschaltung6.1.2.2 Activation

Das verkoppelte Modell aus Betonförderung und Verteilermast dient dem Entwurf einer modellgestützten dynamischen Störgrößenaufschaltung. Dabei wird das Modell um einen Regelkreis zur Reduktion der Störgrößen im Verteilermast erweitert (siehe Störmodell Regelkreis in Fig. 8). Anders als bei der klassischen Rückführung wird nicht die reale Strecke geregelt, sondern nur das "virtuelle" Modell. Das hat Vorteile für den Regelungsentwurf, da keine Streckenunsicherheiten oder Störgrößen auftreten. Außerdem steht der gesamte Zustandsvektor ohne den Einsatz eines Beobachters zur Verfügung. Die Regelung wird so ausgelegt, dass der Einfluss der Störkräfte auf die Mastspitze minimiert wird.The coupled model of concrete delivery and placing boom is used to design a model-supported dynamic disturbance variable feed-in. The model is expanded to include a control loop to reduce the disturbance variables in the placing boom (see disturbance model control loop in Fig. 8 ). In contrast to the classic return, the real route is not controlled, but only the “virtual” model. This has advantages for the draft regulation, as no route uncertainties or disturbances occur. In addition, the entire state vector is available without the use of an observer. The control is designed in such a way that the influence of disruptive forces on the top of the mast is minimized.

Zur Kompensation der Störkräfte im realen System wird nun die Stellgröße des virtuellen Regelkreises u d auf die Aktorik aufgeschaltet. Damit ergibt sich eine Vorsteuerung, die ohne Rückführung des dynamischen Zustands des Verteilermasts auskommt.To compensate for the disruptive forces in the real system, the manipulated variable of the virtual control loop u d is now applied to the actuators. This results in a pilot control that does not require feedback of the dynamic state of the placing boom.

6.1.2.3 Regelung6.1.2.3 Regulation

Die Störgrößenaufschaltung wird mit einer traditionellen Schwingungsdämpfung kombiniert, um Schwingungen aus der Verfahrbewegung des Masts und Unsicherheiten in der Modellierung zu kompensieren. Die Schwingungsdämpfung basiert dabei auf der Messung und der Rückführung der Position und des Schwingungszustands des Verteilermasts. Durch die Berücksichtigung der virtuellen Ausgänge yd und der Messgrößen y wird die Reglung so ausgelegt, dass die Stellgrößen der Störgrößenaufschaltung ud ungehindert auf die Strecke wirken. Die Schwingungsdämpfung greift nur dann ein, wenn die Zustände der realen Strecke von den Zuständen des virtuellen Modells abweichen.The disturbance input is combined with traditional vibration damping to compensate for vibrations from the mast's movement and uncertainties in the modeling. The vibration damping is based on the measurement and feedback of the position and vibration state of the placing boom. By taking into account the virtual outputs y d and the measured variables y , the control is designed so that the manipulated variables of the disturbance variable feed u d act unhindered on the system. The vibration damping only intervenes if the conditions of the real route differ from the conditions of the virtual model.

6.1.2.4 Weitere Eigenschaften6.1.2.4 Other properties

Zur Bestimmung des Betondrucks am Eingang der Strecke kann alternativ auch der Hydraulikdruck der Förderzylinder gemessen werden. Der korrespondierende Betondruck ergibt sich aus einer Umrechnung mit dem Kolbenflächenverhältnis.To determine the concrete pressure at the entrance to the route, the hydraulic pressure of the delivery cylinders can also be measured. The corresponding concrete pressure results from a conversion using the piston area ratio.

Weiterhin kann auch die Strömungsgeschwindigkeit des Betons aus der Geschwindigkeit der Förderzylinder bestimmt werden.Furthermore, the flow speed of the concrete can also be determined from the speed of the delivery cylinders.

Damit wird der Einsatz eines teuren und verschleißanfälligen Drucksensors und/oder Strömungssensors in der Förderleitung vermieden.This avoids the use of an expensive and wear-prone pressure sensor and/or flow sensor in the delivery line.

Die Leistungsfähigkeit der oben beschriebenen Störgrößenaufschaltung ist stark von der Genauigkeit des Betonförder- und des mechanischen Modells abhängig. Dies führt bei Parameterunsicherheit und Parametervariabilität zu Performancebeschränkungen.The performance of the disturbance input described above depends heavily on the accuracy of the concrete delivery and mechanical model. This leads to performance limitations due to parameter uncertainty and parameter variability.

6.2 Asymptotische Störkompensation6.2 Asymptotic interference compensation 6.2.1 Überblick6.2.1 Overview 6.2.1.1 Funktion6.2.1.1 Function

  • Schätzung der Störgröße aus den Schwingungsmesswerten des Verteilermasts und der Pumpfrequenz der Betonförderung (siehe Fig. 9).Estimation of the disturbance variable from the vibration measurements of the placing boom and the pumping frequency of the concrete delivery (see Fig. 9 ).
  • Verstärkung des Störsignals im Störregler und Aufschaltung auf die Aktorik der Betonpumpe.Amplification of the interference signal in the interference controller and connection to the actuators of the concrete pump.
  • Aus Stabilitätsgründen benötigt die Störgrößenkompensation eine Schwingungsdämpfung, welche beispielsweise so aufgebaut sein kann wie in Abschnitt 5.2 beschrieben.For reasons of stability, the disturbance variable compensation requires vibration damping, which can, for example, be constructed as described in Section 5.2.
  • Der Störbeobachter hat gegenüber der klassischen Störgrößenaufschaltung den Vorteil, dass das Störsignal vollständig aus der vorhandenen Sensorik der Schwingungsdämpfung geschätzt wird. Dadurch ist das Verfahren robust gegenüber Parameteränderungen der Betonförderung.Compared to the classic disturbance variable feed-in, the disturbance observer has the advantage the advantage that the interference signal is estimated entirely from the existing vibration damping sensors. This makes the process robust against changes in the parameters of concrete delivery.
  • Der Schätzalgorithmus kann beispielsweise als asymptotische Störkompensation nach Davison ausgeführt sein.The estimation algorithm can, for example, be designed as asymptotic interference compensation according to Davison.
  • Die Störgrößenkompensation basiert darauf, dass aus einem frei wählbaren Messausgang y d die Störgröße geschätzt/gelernt wird. Ziel ist es dabei mit geeigneten Stellgrößen diesen Messausgang y d auf einen Konstantwert zu regeln. Eine mögliche Wahl des Messausgangs y d ist die Höhe der Mastspitze in der vertikalen Ebene. Die Störkompensation reduziert damit Schwingungsbewegungen der Mastspitze.The disturbance variable compensation is based on the disturbance variable being estimated/learned from a freely selectable measurement output y d . The aim is to regulate this measurement output y d to a constant value using suitable manipulated variables. A possible choice of measurement output y d is the height of the mast top in the vertical plane. The interference compensation thus reduces oscillatory movements of the mast tip.
  • Der Arbeitspunkt ist die aktuelle Position des Verteilermasts. Bei Veränderung der Mastpostion durch Verfahrbewegung wird der Arbeitspunkt nachgeführt. D.h. die Höhe der Mastspitze nach dem Verfahren stellt den neuen Arbeitspunkt dar.The operating point is the current position of the placing boom. If the mast position is changed through movement, the working point is updated. This means that the height of the mast tip after the procedure represents the new working point.
6.2.1.2 Sensorik6.2.1.2 Sensors

  • Position VerteilermastDistribution boom position
  • Pumpfrequenz der BetonförderungPumping frequency of concrete delivery
  • Messung Schwingungszustand des Verteilermastes: Drehratensensoren auf bestimmten SegmentenMeasuring the vibration condition of the placing boom: yaw rate sensors on certain segments
6.2.1.3 Aktorik6.2.1.3 Actuators

  • Alle Hydraulikzylinder (vertikale Ebene)All hydraulic cylinders (vertical plane)
6.2.1.2 Anmerkungen6.2.1.2 Notes

  • Die asymptotische Störkompensation basiert darauf, angreifende Störsignale durch ein fiktives Störmodell abzubilden. Das Störmodell wird im Regelkreis integriert und von einem gewählten Messausgang solange angeregt, bis die Störungen in einem gewählten Messausgang kompensiert werden. Das Störmodell hat dabei die Eigenschaft auch bei verschwindendem Anregungssignal ein nicht verschwindendes Ausgangssignal zu liefern (grenzstabil). Dadurch erzeugt die Störkompensation die erforderlichen Stellgrößen, um die Einwirkung der Störgröße auszugleichen.Asymptotic interference compensation is based on representing attacking interference signals using a fictitious interference model. The disturbance model is integrated into the control loop and excited by a selected measurement output until the disturbances are compensated for in a selected measurement output. The interference model has the property of delivering a non-disappearing output signal even when the excitation signal disappears (boundary stable). As a result, the disturbance compensation generates the required manipulated variables to compensate for the effect of the disturbance.
  • Auf Grund des Schätzprozesses wirken die Störgrößen zumindest vorübergehend auf die Ausgänge des Systems. Dies führt dazu, dass die Störkompensation zu Beginn und bei großen Parameteränderungen einem Einschwingvorgang unterworfen ist.Due to the estimation process, the disturbance variables have at least a temporary effect on the system outputs. This means that the interference compensation is subject to a transient response at the beginning and when there are large parameter changes.
6.2.2 Ausführungsbeispiel6.2.2 Example embodiment 6.2.2.1 Modellierung6.2.2.1 Modeling

Im Folgenden wir ein alternatives Verfahren zur obigen Störgrößenaufschaltung vorgestellt. Die grundlegende Idee des Verfahrens ist, die Störkräfte aus den Messwerten des Verteilermasts zu schätzen. Dabei wird die Periodizität der Betonförderung genutzt, um ein modales Modell der Störkräfte aufzustellen. Das Modell setzt sich aus der Grundfrequenz und deren Vielfachen zusammen. Die einzelnen Zustände bilden als modale Koordinaten die Schwingungsform der Störgröße nach. Eine modale Koordinate hat keine physikalische Bedeutung, sondern gibt nur den Anteil der jeweiligen Frequenz an der Schwingungsform der Störgröße wieder.Below we present an alternative method to the above disturbance variable feed-in. The basic idea of the method is to estimate the disruptive forces from the measured values of the placing boom. The periodicity of concrete delivery is used to set up a modal model of the disruptive forces. The model is composed of the fundamental frequency and its multiples. The individual states reproduce the oscillation shape of the disturbance variable as modal coordinates. A modal coordinate has no physical meaning, but only reflects the proportion of the respective frequency in the wave form of the disturbance variable.

6.2.2.2 Schätzverfahren6.2.2.2 Estimation procedure

Basierend auf dem modalen Modell werden die Störkräfte durch einen Störbeobachter oder eine asymptotische Störkompensation aus den Messwerten des Verteilermasts geschätzt. Die Schätzverfahren beruhen auf dem Innere-Modell-Prinzip. Das Prinzip definiert, dass ein stabiler Regelkreis nur dann eine Störung vollständig unterdrücken kann, wenn er ein inneres Modell des Störsignals besitzt. Das Modell ist dabei grenzstabil und setzt sich nur aus konjugiert komplexen Polstellenpaaren der Förderfrequenzen auf der imaginären Achse der komplexen Halbebene zusammen. Durch den Störbeobachter oder der asymptotischen Störkompensation wird der Anfangszustand des Modalmodells aus den Messsignalen des Verteilermasts adaptiert. Dies entspricht einer Schätzung der unbekannten Amplitude und Phasenlage der Störkräfte. Je mehr Frequenzen das Modell enthält, desto genauer kann die Schwingungsform der Störgröße dargestellt werden. Die größere Anzahl an Frequenzen benötigt jedoch mehr Zeit, um die vorliegende Schwingungsform zu lernen. Während des Lernprozesses tritt eine Einschwingbewegung auf, deren Amplitude mit der Anzahl der Frequenzen zunimmt. Für eine gute Störunterdrückung muss deshalb die Anzahl der Frequenzen so gewählt werden, dass einerseits die Störgröße ausreichend genau abgebildet wird und andererseits das Einschwingverhalten kurz und mit geringer Amplitude auftritt.Based on the modal model, the disturbance forces are estimated by a disturbance observer or asymptotic disturbance compensation from the measurement values of the placing boom. The estimation procedures are based on the inner model principle. The principle defines that a stable control loop can only be completely resolved when a disturbance occurs can suppress if it has an internal model of the interference signal. The model is boundary-stable and is composed only of complex conjugate pairs of poles of the conveying frequencies on the imaginary axis of the complex half-plane. The initial state of the modal model is adapted from the measurement signals from the distribution boom using the interference observer or asymptotic interference compensation. This corresponds to an estimate of the unknown amplitude and phase position of the disturbing forces. The more frequencies the model contains, the more accurately the waveform of the disturbance can be represented. However, the larger number of frequencies requires more time to learn the given waveform. During the learning process, a transient motion occurs, the amplitude of which increases with the number of frequencies. For good interference suppression, the number of frequencies must be chosen so that, on the one hand, the interference is reproduced with sufficient accuracy and, on the other hand, the transient response occurs briefly and with a low amplitude.

6.2.2.3 Regelung6.2.2.3 Regulation

Die rekonstruierten Störgrößen werden über eine Regelung auf die Aktorik des Verteilermasts aufgeschaltet (siehe Fig. 9). Die Störgrößenaufschaltung ist mit einer Schwingungsdämpfung basierend auf den Messgrößen des Verteilermasts y kombiniert, um die Stabilität des Systems zu gewährleisten. Die Zustände des Systems werden basierend auf dem Modell des Verteilermasts und dem Störmodell durch den Störbeobachter geschätzt. Die Messgrößen umfassen dabei die Mastposition und den Schwingungszustand des Verteilermasts. Der Regler in Fig. 9 verstärkt somit die geschätzten Störgrößen und Zustände des Systems. Die Störgrößenaufschaltung kann so ausgelegt werden, dass der Einfluss der Störkräfte auf die Mastspitze minimiert wird.The reconstructed disturbance variables are applied to the actuators of the placing boom via a control system (see Fig. 9 ). The disturbance input is combined with vibration damping based on the measured variables of the placing boom y to ensure the stability of the system. The states of the system are estimated based on the boom model and the disturbance model by the disturbance observer. The measured variables include the mast position and the vibration condition of the placing boom. The regulator in Fig. 9 thus amplifies the estimated disturbance variables and states of the system. The disturbance input can be designed in such a way that the influence of the disturbance forces on the top of the mast is minimized.

6.2.2.4 Weitere Eigenschaften6.2.2.4 Other properties

Anders als beim ersten Verfahren lernt der Störbeobachter oder die asymptotische Störkompensation die Störkräfte aus den Messwerten y des dynamischen Schwingungszustands des Verteilermasts. Damit kann die Anzahl der Sensoren für die Betonförderung reduziert werden. Die benötigte Messgröße ist die Pumpfrequenz, welche über die Umschaltzeitpunkte der Förderzylinder in der Software bestimmt werden kann. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist die Robustheit gegenüber Streckenparameteränderungen und Variation der Betoneigenschaften.Unlike the first method, the disturbance observer or asymptotic disturbance compensation learns the disturbance forces from the measured values y of the dynamic vibration state of the placing boom. This allows the number of sensors for the Concrete delivery can be reduced. The required measurement variable is the pump frequency, which can be determined in the software via the switching times of the delivery cylinders. Another advantage of the method is its robustness against changes in route parameters and variations in concrete properties.

6.3 Weitere Eigenschaften der Störgrößenaufschaltung6.3 Further properties of the disturbance variable feed-in

Die oben beschriebenen Störgrößenaufschaltungen gelten für eine spezifische Gleichgewichtslage des Verteilermasts. Für eine Änderung der Maststellung wird deshalb der Entwurfsprozess wiederholt und an die aktuelle Stellung angepasst. Durch die Nachführung der Regelungsparameter wird die Funktionsfähigkeit der Störgrößenaufschaltung für jede Mastposition gewährleistet.The disturbance inputs described above apply to a specific equilibrium position of the placing boom. To change the position of the mast, the design process is repeated and adapted to the current position. By tracking the control parameters, the functionality of the disturbance variable feed-in is guaranteed for each mast position.

Die Sollwertsignale für die Hydraulik werden durch eine unterlagerte Achsregelung an den Zylindern umgesetzt. Die Achsregelung wandelt eine Sollwinkelgeschwindigkeitsvorgabe der Gelenke in die translatorische Istgeschwindigkeit der Zylinder. Dabei werden die Umlenkkinematik, sowie Nichtlinearitäten der Hydraulik durch eine Vorsteuerung berücksichtigt. Je nach Ausführung kann eine Rückführung des Drucks bzw. der Zylinderposition oder -geschwindigkeit umgesetzt werden. Die Achsregelung ist dezentral ausgeführt und somit jedem Gelenk separat unterlagert.The setpoint signals for the hydraulics are implemented by a subordinate axis control on the cylinders. The axis control converts a target angular velocity specification of the joints into the actual translational velocity of the cylinders. The deflection kinematics and non-linearities of the hydraulics are taken into account through a pilot control. Depending on the version, feedback of the pressure or the cylinder position or speed can be implemented. The axis control is implemented decentrally and is therefore subordinate to each joint separately.

Die Bewegungsvorgaben des Bedieners werden durch die Störgrößenaufschaltung und Schwingungsdämpfung explizit berücksichtigt. Das heißt, die gewollte Verfahrbewegung wird durch die Regelung zugelassen und nur die überlagerten strukturellen Schwingungen gedämpft. Um die Schwingungsanregung beim Verfahren zu reduzieren, ist außerdem eine Vorsteuerung vorgesehen. Diese berechnet aus dem Sollwert des Bedieners Ansteuersignale ω soll , die die gewollte Mastbewegung ausführen und dabei keine Schwingung anregen. Zu diesem Zweck wird ein Notch-Filter eingesetzt, das abhängig von der aktuellen Mastposition die Eigenfrequenzen des Verteilermasts bei der Verfahrbewegung unterdrückt.The operator's movement specifications are explicitly taken into account through the input of disturbance variables and vibration damping. This means that the desired movement is permitted by the control and only the superimposed structural vibrations are dampened. In order to reduce the vibration excitation during the process, a pilot control is also provided. This calculates control signals ω target from the operator's setpoint, which carry out the desired mast movement and do not stimulate any vibration. For this purpose, a notch filter is used which, depending on the current mast position, suppresses the natural frequencies of the placing boom during the movement.

Die Vorsteuerung ist für die vorgestellten Störgrößenaufschaltungen in den Fig. 8 und 9 durch einen Signalblock gekennzeichnet. Für die modellgestützte dynamische Störgrößenaufschaltung wird das Vorsteuersignal ω soll zusätzliche im Störmodell Regelkreis berücksichtigt.The feedforward control is for the disturbance variable feed-ins presented in the 8 and 9 marked by a signal block. For the model-supported dynamic disturbance input, the pilot control signal ω shall is also taken into account in the disturbance model control loop.

Claims (15)

  1. Concrete pump, in particular truck-mounted concrete pump, with a delivery pump, a concrete line and an articulated arm forming a distribution boom, along which the concrete line is guided,
    wherein the articulated arm has a rotary stand (3) rotatable about a vertical axis (A) and/or at least one segment (4 - 7) that can be pivoted by means of a hinge (B - E) about a horizontal axis, wherein the rotary stand (3) is movable about the vertical axis via an actuator and/or the at least one segment (4 - 7) is pivotable about the horizontal axis via an (14 - 17) actuator,
    wherein the concrete pump further has a control for controlling the actuators (14 - 17) of the distribution boom, wherein the control comprises disturbance variable activation to reduce the vibrations of the distribution boom induced by the concrete delivery,
    wherein
    the disturbance variable activation takes place based on a physical model of the concrete delivery, which describes the flow-related disruptive forces of the concrete delivery on the distribution boom,
    wherein the physical model describes friction forces of the concrete on the inner wall of the concrete line and/or inertia forces on account of the concrete flow redirection in the pipe bends and/or wherein at least one operating parameter of the delivery pump (1) feeds into the disturbance variable activation.
  2. Concrete pump according to claim 1, wherein the physical model of the concrete delivery takes account of the current position of the distribution boom and in particular the articulation angles of the hinges (B - E), wherein preferably the position of the distribution boom and in particular the articulation angles of the hinges (B - E) feed into the description of the concrete flow redirection and/or wherein the determination of the disruptive forces of the concrete delivery on the distribution boom takes place without measurement of the vibration state of the distribution boom or of the segments (4 - 7), and/or wherein the physical model takes account of the hydrostatic pressure loss of the flow, taking the current position of the distribution boom into consideration.
  3. Concrete pump according to one of the preceding claims, wherein at least one material property of the pumped fluid feeding into the modelling is determined from operating parameters of the delivery pump (1) and/or of the concrete delivery, wherein preferably the viscosity is determined, in particular from the concrete pressure and the flow velocity of the concrete.
  4. Concrete pump according to any one of the preceding claims, wherein the disturbance variable activation is based furthermore on a physical model of the distribution boom, which is coupled to the physical model of the concrete delivery, in order to determine the influence of the disruptive forces determined by the physical model of the concrete delivery on the entire distribution boom, wherein the physical model of the distribution boom preferably takes account of the elastic deformation of at least one of the segments (4 - 7).
  5. Concrete pump according to any one of the preceding claims, wherein the disturbance variable activation takes place as feedforward control without feedback of the dynamic state of the distribution boom, preferably on the basis of closed-loop control of a virtual model of the distribution boom.
  6. Concrete pump according to any one of the preceding claims, wherein the disturbance variable activation controls the actuators in such a way that the influence of the disruptive forces on the tip (22) of the distribution boom is reduced and preferably eliminated.
  7. Concrete pump according to any one of the preceding claims, wherein the control, apart from the disturbance variable activation, further comprises closed-loop control, which is based on measurement and/or feedback of the position and/or of the vibration state of the distribution boom, wherein the closed-loop control preferably comprises vibration damping to damp horizontal and/or vertical vibrations of the distribution boom.
  8. Concrete pump according to claim 7, wherein the vibration damping is based on the same physical model of the distribution boom which also serves to determine the influence of the disruptive forces of the concrete delivery on the distribution boom, wherein the vibration damping preferably only intervenes if the state of the distribution boom deviates from the state of the virtual model that is being controlled in the context of the disturbance variable activation.
  9. Concrete pump, in particular according to any one of the preceding claims, with a delivery pump (1), a concrete line and an articulated arm forming a distribution boom, along which the concrete line is guided,
    wherein the articulated arm has a rotary stand (3) rotatable about a vertical axis (A) and/or at least one segment (4 - 7) that can be pivoted by means of a hinge (B - E) about a horizontal axis, wherein the rotary stand (3) is movable about the vertical axis via an actuator and/or the at least one segment (4 - 7) is pivotable about the horizontal axis via an actuator (14 - 17),
    wherein the concrete pump further has a control for controlling the actuators of the distribution boom, wherein the control comprises disturbance variable activation to reduce the vibrations of the distribution boom induced by the concrete delivery, which activation takes account of the concrete pressure, characterised in that the disturbance variable activation determines the concrete pressure at the inlet to the concrete line based on operating parameters of the delivery pump (1), in particular based on the hydraulic pressure of the delivery cylinders and the piston area ratio of the delivery pump.
  10. Concrete pump according to any one of the preceding claims, wherein the disturbance variable activation takes account of the frequency of the delivery pump (1) and/or the position and velocity of the delivery pistons of the delivery pump.
  11. Concrete pump according to any one of the preceding claims with at least one angular rate sensor (18 - 21), which is arranged on a segment (4 - 7), wherein the control for disturbance variable activation and/or vibration damping based on measured values of the angular rate sensor (18 - 21) determines from the vibrations of the individual segments (4 - 7) a vibration state of the entire distribution boom and/or takes place without the use of geodetic sensors, and/or at least one angular rate sensor (18 - 20) is arranged in a front region of a segment (4 - 6), which is arranged between the rotary stand (3) and a segment (7) forming the boom tip (22) in the articulated arm.
  12. Concrete pump according to any one of the preceding claims, wherein the disturbance variable activation and/or vibration damping takes place using a physical model of the distribution boom, in which the flexibility of at least one segment (4 - 7) is described by a virtual hinge arranged within this segment (4 - 7), wherein a spring element and a damper element are preferably associated with the virtual hinge, wherein the spring constant and the damper constant are further preferably selected so that the virtual hinge describes the deflection, torsion and/or first natural frequency of the real segment (4 - 7).
  13. Control software for a concrete pump according to any one of claims 1 to 12, wherein the control software in its execution implements a control for controlling the actuators of the distribution boom of the concrete pump with disturbance variable activation to reduce the vibrations of the distribution boom induced by the concrete delivery,
    wherein the disturbance variable activation
    a) takes place on the basis of a physical model of the concrete delivery, which describes the flow-related disruptive forces of concrete delivery on the distribution boom,
    wherein the physical model describes friction forces of the concrete on the inner wall of the concrete line and/or inertia forces on account of the concrete flow redirection in the pipe bends and/or wherein at least one operating parameter of the delivery pump (1) feeds into the disturbance variable activation,
    and/or
    b) determines the concrete pressure at the inlet to the concrete line on the basis of operating parameters of the delivery pump (1), in particular on the basis of the hydraulic pressure of the delivery cylinders and the piston area ratio of the delivery pump.
  14. Control for controlling the actuators of the distribution boom of a concrete pump according to any one of claims 1 to 12, wherein the control comprises disturbance variable activation to reduce the vibrations of the distribution boom induced by the concrete delivery,
    wherein the disturbance variable activation
    a) takes place on the basis of a physical model of the concrete delivery, which describes the flow-related disruptive forces of concrete delivery on the distribution boom,
    wherein the physical model describes friction forces of the concrete on the inner wall of the concrete line and/or inertia forces on account of the concrete flow redirection in the pipe bends and/or wherein at least one operating parameter of the delivery pump (1) feeds into the disturbance variable activation,
    and/or
    b) determines the concrete pressure at the inlet to the concrete line on the basis of operating parameters of the delivery pump (1), in particular on the basis of the hydraulic pressure of the delivery cylinders and the piston area ratio of the delivery pump.
  15. Method for controlling the actuators of the distribution boom of a concrete pump according to any one of claims 1 to 12, wherein the disturbance variable activation
    a) takes place on the basis of a physical model of the concrete delivery, which describes the flow-related disruptive forces of concrete delivery on the distribution boom,
    wherein the physical model describes friction forces of the concrete on the inner wall of the concrete line and/or inertia forces on account of the concrete flow redirection in the pipe bends and/or wherein at least one operating parameter of the delivery pump (1) feeds into the disturbance variable activation,
    and/or
    b) determines the concrete pressure at the inlet to the concrete line on the basis of operating parameters of the delivery pump (1), in particular on the basis of the hydraulic pressure of the delivery cylinders and the piston area ratio of the delivery pump.
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019105814A1 (en) 2019-03-07 2020-09-10 Liebherr-Mischtechnik Gmbh Articulated arm control of a concrete pump
DE102019105871A1 (en) 2019-03-07 2020-09-10 Liebherr-Mischtechnik Gmbh Articulated arm control of a concrete pump
DE102019105817A1 (en) 2019-03-07 2020-09-10 Liebherr-Mischtechnik Gmbh Articulated arm control of a concrete pump
CN112049426B (en) * 2020-08-31 2022-02-25 三一汽车制造有限公司 Arm support control system and method and working vehicle
DE102021107142A1 (en) 2021-03-23 2022-09-29 Putzmeister Engineering Gmbh Stability monitoring for a thick matter conveyor system
DE102021107139A1 (en) 2021-03-23 2022-09-29 Putzmeister Engineering Gmbh Operational monitoring for a thick matter conveyor system
CN115142678B (en) * 2021-03-31 2024-02-06 三一汽车制造有限公司 Arm support device and engineering machinery
CN112942839B (en) * 2021-04-20 2022-04-01 江苏理工学院 Control method of movable concrete automatic pouring machine
DE102021134513A1 (en) 2021-12-23 2023-06-29 Putzmeister Engineering Gmbh sludge conveyor system
CN114562111B (en) * 2022-02-14 2023-09-08 三一汽车制造有限公司 Arm support position determining method, device, equipment and working machine
CN114819158B (en) * 2022-03-24 2023-04-07 浙江大学 Concrete pump truck arm support motion vibration suppression method based on distributed load port independent control valve group
CN114756063A (en) * 2022-03-30 2022-07-15 徐州徐工施维英机械有限公司 Control method for arm support track planning and pump truck
CN117005691B (en) * 2023-08-08 2024-01-30 河北吉达重工机械股份有限公司 Concrete spreader

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4120905B2 (en) * 1999-03-31 2008-07-16 石川島建機株式会社 Operation control device for boom-equipped concrete pump car
DE10004779A1 (en) 2000-02-03 2001-08-09 Putzmeister Ag Thick matter conveyor with placing boom and method for pulsating pumping of thick matter
DE10101570B4 (en) 2001-01-15 2008-12-04 Schwing Gmbh Large manipulator with vibration damping
DE10240180A1 (en) 2002-08-27 2004-03-11 Putzmeister Ag Device for actuating an articulated mast
DE102005042721A1 (en) * 2005-09-08 2007-03-15 Iveco Magirus Ag Rotating ladder e.g. fire fighting ladder, for use on vehicle, has controller provided to move ladder parts, where map-based pilot control representing idealized movement behavior of ladder in dynamic model is provided
ITUD20080057A1 (en) 2008-03-17 2009-09-18 Cifa Spa PROCEDURE FOR CHECKING THE VIBRATIONS OF AN ARTICULATED ARM FOR CONCRETE PUMPING AND ITS DEVICE
CN103062281B (en) 2011-10-20 2013-12-04 中联重科股份有限公司 Pump truck and vibration suppression method, controller and device for arm support of pump truck
AT514116A1 (en) 2013-04-09 2014-10-15 Ttcontrol Gmbh A control system and method for controlling the orientation of a segment of a manipulator
WO2015031821A1 (en) * 2013-08-30 2015-03-05 Eaton Corporation Control method and system for using a pair of independent hydraulic metering valves to reduce boom oscillations
CN105317217B (en) * 2014-06-17 2017-08-29 中联重科股份有限公司 Rotary vibration of cantilever crane suppresses equipment, system, method and engineering machinery
DE102015102368A1 (en) 2015-02-19 2016-08-25 Schwing Gmbh Position control mast top

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