EP3649072B1 - Crane and method for controlling such a crane - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a crane, in particular a tower crane, with a hoist cable that runs off a boom and carries a load-carrying device, drive devices for moving a plurality of crane elements and movement of the load-carrying device, a control device for controlling the drive devices in such a way that the load-carrying device moves along a travel path , as well as a pendulum damping device for damping pendulum movements of the load-carrying means, the said pendulum-damping device having a pendulum sensor system for detecting pendulum movements of the hoist rope and/or the load-carrying means and a controller module with a closed control circuit for influencing the activation of the drive devices as a function of pendulum signals generated by the pendulum sensors indicate detected pendulum movements and are fed back to the control loop.
- the invention also relates to a method for controlling a crane, in which the actuation of the drive devices is influenced by a sway damping device as a function
- the luffing drive for luffing the boom up and down and the telescoping drive are also used - Actuates and extends the telescopic sections, possibly also a luffing jib drive if there is a luffing jib on the telescopic boom.
- a luffing jib drive if there is a luffing jib on the telescopic boom.
- the drive devices mentioned are usually actuated and controlled by the crane operator using appropriate operating elements, for example in the form of joysticks, toggle switches, rotary knobs and sliders and the like, which experience has shown requires a lot of feeling and experience in order to approach the target points quickly and yet gently without major pendulum movements of the load hook. While the target points should be driven as quickly as possible in order to achieve a high work output, the target point should be stopped gently without the load hook swinging with the load attached to it.
- Such anti-sway devices for cranes are known in various designs, for example by controlling the slewing gear, luffing and trolley drives as a function of certain sensor signals, for example inclination and/or gyroscope signals.
- certain sensor signals for example inclination and/or gyroscope signals.
- the writings show DE 20 2008 018 260 U1 or DE 10 2009 032 270 A1 known load swing damping on cranes, to the extent of which, ie with regard to the basics of the swing damping device, is expressly referred to.
- a gyroscope unit is used to measure the cable angle relative to the vertical and its change in the form of the cable angular velocity in order to automatically intervene in the control when a limit value for the cable angular velocity relative to the vertical is exceeded.
- a load swing damping system for maritime cranes is known from the Liebherr company under the name "Cycoptronic", which calculates load movements and influences such as wind in advance and, based on this precalculation, automatically initiates compensation movements in order to prevent the load from swinging.
- this system also uses gyroscopes to record the cable angle relative to the vertical and its changes in order to intervene in the control depending on the gyroscope signals.
- Dynamic effects and elastic deformation of the structural parts occur in the area of the structural parts, in particular the tower and jib, when a drive is accelerated or braked, so that interventions in the drive devices - for example braking or accelerating the trolley drive or the slewing gear - are not direct affect the pendulum movement of the load hook in the desired way.
- time delays in the transmission to the hoist rope and the load hook can occur due to dynamic effects in the structural parts if drives are operated in a sway-dampening manner.
- the dynamic effects mentioned can also have excessive or even counterproductive effects on a load swing. If, for example, a load swings backwards towards the tower as a result of initially operating the trolley drive too quickly and the swing damping device counteracts this by decelerating the trolley drive, the jib can pitch, since the tower deforms accordingly, which impairs the desired swing-damping effect can be.
- the writings DE 10 2011 001 112 A1 , EP 25 74 819 A1 and DE 10 2010 038 218 A1 describe crane control systems which, in order to reduce vibrations in the structure of the crane during slewing movements, provide that system parameters in the form of the natural frequency and the damping rate of the crane system are automatically calculated during operation and the control signal as an active speed reference profile can be calculated in real time from an operator signal of the operator and the calculated natural frequency under damping rate of the crane system.
- the object of the present invention is to provide an improved crane and an improved method for its control, which avoid the disadvantages of the prior art and develop the latter in an advantageous manner.
- the aim should preferably be to move the payload in accordance with the crane operator's setpoint values and to actively dampen undesired pendulum movements by means of a control system, while at the same time undesired movements of the structural dynamics are not stimulated but also dampened by the control system in order to increase safety, facilitate to achieve usability and automation.
- improved pendulum damping is to be achieved in tower cranes, which takes better account of the diverse influences of the crane structure.
- the pendulum-damping measures not only take into account the actual pendulum movement of the cable itself, but also the dynamics of the crane structure or the steel construction of the crane and its drive trains.
- the crane is no longer assumed to be an immobile rigid body that converts the drive movements of the drive devices directly and identically, ie 1:1, into movements of the suspension point of the hoist rope.
- the sway damping device considers the crane as a soft structure that shows elasticity and resilience during acceleration in its steel construction or structural parts such as the tower lattice and the boom, and in its drive trains, and takes these dynamics of the structural parts of the crane into account when influencing the sway damping Control of the drive devices.
- Both the pendulum dynamics and the structural dynamics are actively dampened by means of a closed control loop.
- the entire system dynamics are actively controlled as a coupling of the pendulum, drive and structural dynamics of the tower crane in order to move the payload according to the target specifications.
- Sensors are used on the one hand to measure system variables of pendulum dynamics and on the other hand to measure system variables of structural dynamics, with non-measurable system variables being able to be estimated as system states in a model-based observer.
- the actuating signals for the drives are calculated using a model-based control system as a status feedback of the system statuses, which closes a control loop and results in changed system dynamics.
- the control is designed in such a way that the system dynamics of the closed control loop are stable and control errors are compensated for quickly.
- a closed control circuit is provided on the crane, in particular a tower crane, with structural dynamics through the feedback of measurements not only of the pendulum dynamics but also of the structural dynamics.
- the sway control device also includes a structural dynamics sensor system for detecting dynamic deformations and movements of the crane structure or at least structural components thereof, with the controller module of the sway control device, which influences the activation of the drive device in a sway-damping manner , is designed to take into account both the pendulum movements detected by the pendulum sensor system and the dynamic deformations of the structural components of the crane detected by the structural dynamics sensor system when influencing the control of the drive devices. Both the pendulum sensor signals and the structural dynamics sensor signals are fed back to the closed control loop.
- the anti-sway device therefore does not consider the crane or machine structure to be a rigid, infinitely stiff structure, so to speak, but is based on an elastically deformable and/or flexible and/or relatively soft structure which - in addition to the adjustment movement axes of the machine such as the boom luffing axis or the axis of rotation of the tower - allows movements and/or changes in position due to deformation of the structural components.
- the steel construction is also protected and less stressed. In particular, shock loads are reduced by the control behavior.
- the influence of the driving behavior can be defined by this method.
- the knowledge of the structural dynamics and the control method can be used to reduce and dampen pitching oscillations in particular. As a result, the load behaves more smoothly and no longer fluctuates up and down later when it is at rest. Also, transverse pendulum motions in the circumferential direction about the upright jib axis of rotation can be better controlled by considering tower torsion and jib pivot bending deformations.
- the above-mentioned elastic deformations and movements of the structural components and drive trains and the resulting movements of their own can basically be determined in different ways.
- the structural dynamics sensor system provided for this purpose is designed to detect elastic deformations and movements of structural components under dynamic loads.
- Such a structural dynamics sensor system can include, for example, deformation sensors such as strain gauges on the steel construction of the crane, for example the lattice framework of the tower and/or the boom.
- yaw rate sensors in particular in the form of gyroscopes, gyro sensors and/or gyrometers, and/or acceleration and/or speed sensors can be provided in order to detect certain movements of structural components such as pitching movements of the boom tip and/or rotational dynamic effects on the boom and/or To detect torsional and / or bending movements of the tower.
- inclination sensors can be provided in order to detect inclinations of the jib and/or inclinations of the tower, in particular deflections of the jib from the horizontal and/or deflections of the tower from the vertical.
- the structural dynamics sensor system can work with different sensor types, in particular also combine different sensor types with each other.
- Strain gauges and/or acceleration sensors and/or yaw rate sensors in particular in the form of gyroscopes, gyro sensors and/or gyrometers, can advantageously be used to detect the deformations and/or dynamic internal movements of structural components of the crane, with the acceleration sensors and/or yaw rate sensors preferably being used are formed detecting three axes.
- Such structural dynamics sensors can be provided on the jib and/or on the tower, in particular on its upper section on which the jib is mounted, in order to detect the dynamics of the tower. For example, jerky lifting movements lead to pitching movements of the jib, which are accompanied by bending movements of the tower, with post-vibration of the tower in turn leading to pitching vibrations of the jib, which is accompanied by corresponding load hook movements.
- an angle sensor system can be provided for determining the differential angle of rotation between an upper tower end section and the jib, wherein, for example, an angle sensor can be attached to the upper turret end section and to the jib, the signals of which can indicate the stated differential angle of rotation when considering the difference.
- a yaw rate sensor for determining the rotational speed of the boom and/or the upper turret end section can advantageously also be provided in order to be able to determine the influence of the turret torsional movement in connection with the aforementioned differential rotational angle. From this, on the one hand, a more precise load position estimation, on the other hand, an active damping of the tower torsion during operation can be achieved.
- two- or three-axis yaw rate sensors and/or acceleration sensors can be attached to the jib tip and/or to the jib in the area of the upright crane axis of rotation in order to be able to determine structural dynamic movements of the jib.
- movement and/or acceleration sensors can also be assigned to the drive trains in order to be able to detect the dynamics of the drive trains.
- encoders can be assigned to the deflection rollers of the trolley for the hoisting rope and/or deflection rollers for a guy rope of a luffing jib, in order to be able to detect the actual rope speed at the relevant point.
- suitable movement and/or speed and/or acceleration sensors are also assigned to the drive devices themselves in order to record the drive movements of the drive devices accordingly and to correlate them with the estimated and/or recorded deformations of the structural components or the steel construction and flexibility in the drive trains to be able to
- the motion and/or acceleration component of a structural part can be determined that indicates dynamic deformation or twisting of the crane structure and in addition to the actual crane movement as induced by the drive movement and which would also occur with a completely stiff, rigid crane.
- the structural dynamics sensor system can advantageously detect different directions of movement of the structural deformations.
- the structural dynamics sensor system can have at least one radial dynamics sensor for detecting dynamic movements of the crane structure in an upright plane parallel to the crane boom, and at least one pivoting dynamics sensor for detecting dynamic movements of the crane structure about an upright crane axis of rotation, in particular the tower axis.
- the controller module of the sway damping device can be designed to control the drive devices, in particular a trolley drive and slewing gear drive, depending on the detected dynamic movements of the crane structure in the upright plane parallel to the boom, in particular parallel to the longitudinal direction of the boom, and the detected dynamic movements of the crane structure around the to influence the vertical axis of rotation of the crane.
- the structural dynamics sensor system can have at least one lifting dynamics sensor for detecting vertical dynamic deformations of the crane boom, and the controller module of the anti-sway device can be designed to influence the activation of the drive devices, in particular a hoist drive, depending on the detected vertical dynamic deformations of the crane boom.
- the structural dynamics sensor system is advantageously designed to detect all natural modes of the dynamic torsion of the crane boom and/or the crane tower, the natural frequencies of which lie in a predetermined frequency range.
- the structural dynamics sensor system can have at least one, preferably several, tower sensor(s), which is/are arranged at a distance from a node of a natural tower vibration, for detecting tower torsion, as well as at least one, preferably several, boom sensor(s), which/are arranged at a distance from a node a boom natural vibration, for detecting boom twists.
- sensors for detecting a structural movement can be placed in such a way that it is possible to observe all natural modes whose natural frequencies are in the relevant frequency range.
- one sensor per pendulum movement direction can suffice for this purpose, but in practice the use of several sensors is recommended.
- placing a single sensor in a node of a structure eigenmode measurand e.g. trolley position at a rotation node of the first cantilever eigenmode
- the use of three-axis yaw rate sensors or acceleration sensors on the boom tip and on the boom near the slewing gear is recommended.
- the structural dynamics sensor system can work with different types of sensors to detect the natural modes, in particular also different types of sensors combine with each other.
- the aforementioned strain gauges and/or acceleration sensors and/or rotation rate sensors in particular in the form of gyroscopes, gyro sensors and/or gyrometers, can be used to detect the deformations and/or dynamic internal movements of structural components of the crane, with the acceleration sensors and/or or yaw rate sensors are preferably designed to detect three axes.
- the structural dynamics sensor system can have at least one yaw rate and/or acceleration sensor and/or strain gauges for detecting dynamic tower deformations and at least one yaw rate and/or acceleration sensor and/or strain gauges for detecting dynamic boom deformations.
- Yaw rate and/or acceleration sensors can advantageously be provided on various tower sections, in particular at least on the top of the tower and at the articulation point of the boom and possibly in a middle section of the tower below the boom.
- rotation rate and/or acceleration sensors can be provided on various sections of the jib, in particular at least on the jib tip and/or the trolley and/or the jib foot to which the jib is articulated, and/or on a jib section in the hoist.
- the sensors mentioned are advantageously arranged on the respective structural component in such a way that they can detect the natural modes of its elastic torsion.
- the anti-sway device can also include an estimation device that calculates the deformations and movements of the machine structure under dynamic loads that vary as a function of the control commands entered at the control station and/or as a function of specific control actions of the drive devices and/or as a function of specific speed and /or result in acceleration profiles of the drive devices, taking into account the circumstances characterizing the crane structure.
- an estimation device that calculates the deformations and movements of the machine structure under dynamic loads that vary as a function of the control commands entered at the control station and/or as a function of specific control actions of the drive devices and/or as a function of specific speed and /or result in acceleration profiles of the drive devices, taking into account the circumstances characterizing the crane structure.
- System variables of the structural dynamics, if necessary also of the pendulum dynamics are estimated, which cannot or only with difficulty be detected by sensors.
- Such an estimation device can, for example, access a data model in which structural variables of the crane such as tower height, jib length, rigidity, area moments of inertia and the like are stored and/or linked to one another, in order to then use a specific load situation, i.e. weight of the load picked up on the load hook and the current radius , to estimate which dynamic effects, i.e. deformations in the steel construction and in the drive trains, result for a specific actuation of a drive device.
- the sway damping device can then intervene in the control of the drive devices and influence the manipulated variables of the drive controllers of the drive devices in order to avoid or reduce swaying movements of the load hook and the hoist cable.
- the determination device for determining such structural deformations can have a calculation unit which calculates these structural deformations and the movements of structural parts resulting therefrom using a stored calculation model as a function of the control commands entered at the control station.
- a model can be constructed similarly to a finite element model or be a finite element model, but it is advantageous to use a model that is significantly simplified compared to a finite element model /or load conditions can be determined on the real crane or the real machine.
- Such a calculation model can work, for example, with tables in which specific control commands are assigned specific deformations, with intermediate values of the control commands being able to be converted into corresponding deformations by means of an interpolation device.
- the controller module in the closed control loop can include a filter device or an observer which, on the one hand, monitors the structure-dynamic crane reactions and the hoisting cable or Observed load hook pendulum movements, as they are detected by the structural dynamics sensor and the pendulum sensor and set with certain manipulated variables of the drive controller, so that the observer or filter device, taking into account predetermined laws of a dynamic model of the crane, which can be fundamentally different and through analysis and simulation of the steel construction can be obtained, based on the observed crane structure and pendulum reactions, can influence the manipulated variables of the controller.
- a filter device or an observer which, on the one hand, monitors the structure-dynamic crane reactions and the hoisting cable or Observed load hook pendulum movements, as they are detected by the structural dynamics sensor and the pendulum sensor and set with certain manipulated variables of the drive controller, so that the observer or filter device, taking into account predetermined laws of a dynamic model of the crane, which can be fundamentally different and through analysis and simulation of the steel construction can
- Such a filter or observer device can be designed in particular in the form of a so-called Kalman filter, to which, on the one hand, the manipulated variables of the drive controller of the crane and, on the other hand, both the pendulum signals of the pendulum sensor system and the structural dynamics signals fed back to the control loop, the deformations and/or dynamic intrinsic Specify movements of the structural components, are supplied and which, from these input variables using Kalman equations that model the dynamic system of the crane structure, in particular its steel components and drive trains, influences the manipulated variables of the drive controllers accordingly in order to achieve the desired sway-damping effect.
- Kalman filter to which, on the one hand, the manipulated variables of the drive controller of the crane and, on the other hand, both the pendulum signals of the pendulum sensor system and the structural dynamics signals fed back to the control loop, the deformations and/or dynamic intrinsic Specify movements of the structural components, are supplied and which, from these input variables using Kalman equations that model the dynamic system of the crane structure, in particular its
- Detected and/or estimated and/or calculated and/or simulated functions that characterize the dynamics of the structural components of the crane are advantageously implemented in the Kalman filter.
- the detection device for detecting the position of the load hook can advantageously be an imaging Sensors, for example include a camera that looks from the suspension point of the hoist rope, such as the trolley, substantially vertically downwards.
- An image evaluation device can identify the crane hook in the image provided by the imaging sensors and determine its eccentricity or its displacement from the center of the image, which is a measure of the deflection of the crane hook relative to the vertical and thus characterizes the swinging load.
- a gyroscopic sensor can detect the hoist cable pull-off angle from the boom and/or from the vertical and feed it to the Kalman filter.
- the pendulum sensor system can also work with an inertial detection device that is attached to the load hook or the load handling attachments and provides acceleration and yaw rate signals that reflect translational accelerations and yaw rates of the load hook.
- Such an inertial measuring device attached to the load handling device which is sometimes also referred to as an IMU, can have acceleration and yaw rate sensor means for providing acceleration and yaw rate signals, which on the one hand indicate translational accelerations along different spatial axes and on the other hand yaw rates or gyroscopic signals with regard to different spatial axes.
- acceleration and yaw rate sensor means for providing acceleration and yaw rate signals, which on the one hand indicate translational accelerations along different spatial axes and on the other hand yaw rates or gyroscopic signals with regard to different spatial axes.
- rotational speeds but in principle also rotational accelerations or even both, can be provided as rotational rates.
- the inertial measuring device can detect accelerations in three spatial axes and yaw rates about at least two spatial axes.
- the acceleration sensor means can work on three axes and the gyroscope sensor means can work on two axes.
- the inertial measuring device attached to the load hook can advantageously transmit its acceleration and yaw rate signals and/or signals derived therefrom wirelessly transmit to a control and / or evaluation device, which can be attached to a structural part of the crane or arranged separately in the vicinity of the crane.
- the transmission can be made to a receiver that can be attached to the trolley and/or to the suspension from which the hoist cable runs.
- the transmission can advantageously take place via a WLAN connection, for example.
- a pendulum damping system can also be retrofitted very easily to existing cranes, without complex retrofitting measures being required for this.
- the inertial measuring device has to be attached to the load hook and the receiver communicating with it, which transmits the signals to the control or regulation device.
- the deflection of the load hook or the hoist rope relative to the vertical can advantageously be determined in a two-stage process.
- the tilting of the load hook is determined, since this does not have to correspond to the deflection of the load hook in relation to the trolley or the suspension point and the deflection of the hoisting rope in relation to the vertical of the hoist rope relative to the vertical. Since the inertial measuring device is attached to the load hook, the acceleration and yaw rate signals are influenced both by the pendulum movements of the hoist rope and by the dynamics of the load hook tilting relative to the hoist rope.
- the tilting of the load hook is first determined from the signals from the inertial measuring device with the aid of a complementary filter, which makes use of the different characteristics of the translational acceleration signals and the gyroscopic signals of the inertial measuring device, with a Kalman filter also being used as an alternative or in addition to the determination the tilting of the load hook from the acceleration and yaw rate signals can be used.
- the desired deflection of the load hook relative to the trolley or relative to the suspension point of the hoisting rope and/or the deflection of the hoisting rope relative to the vertical can then be determined using a Kalman filter and/or by means of static calculation from horizontal inertial acceleration and gravitational acceleration will.
- the pendulum sensor system can have first determination means for determining and/or estimating a tilting of the load handling device from the acceleration and yaw rate signals of the inertial measuring device and second determining means for determining the deflection of the hoist rope and/or the load handling device relative to the vertical from the determined tilting of the load handling device and an inertial -Exhibit acceleration of the lifting device.
- the first determination means mentioned can in particular be a complementary filter with a high-pass filter for the yaw rate signal of the inertial measuring device and have a low-pass filter for the acceleration signal of the inertial measuring device or a signal derived therefrom, wherein said complementary filter can be designed to estimate the tilting of the load handling device based on the high-pass filtered rotation rate signal, and an acceleration-based estimation of the tilting of the load handling device, which is based on the low-pass filtered acceleration signal, and to determine the sought-after tilting of the load-handling device from the linked estimates of the tilting of the load-handling device based on the rate of rotation and acceleration.
- the rotation rate-based estimation of the tilting of the load handling device can include an integration of the high-pass filtered rotation rate signal.
- the second determination means for determining the deflection of the load hook or the hoisting rope relative to the vertical based on the determined tilting of the load hook can have a filter and/or observer device which takes into account the determined tilting of the load lifting device as an input variable and calculates the deflection of the load lifting device from an inertial acceleration on the load lifting device Hoist rope and / or the lifting device determined relative to the vertical.
- Said filter and/or observer device can in particular include a Kalman filter, in particular an extended Kalman filter.
- the second determination means can also have a calculation device for calculating the deflection of the hoisting rope and/or the load handling device relative to the vertical from a static relationship of the accelerations, in particular from the quotient of a horizontal inertial acceleration and the acceleration due to gravity.
- a two-degree-of-freedom control structure is used for the sway control, through which the state feedback described above is supplemented by a feedforward control.
- the status feedback serves to ensure stability and to quickly compensate for control errors, while the pre-control, on the other hand, ensures good control behavior through which, ideally, no control errors occur at all.
- the pilot control can advantageously be determined using the method of differential flatness, which is known per se.
- the mentioned method of differential flatness reference is made to the dissertation " Application of the flatness-based analysis and control of nonlinear multivariable systems", by Ralf Rothfuss, VDI-Verlag, 1997 , referenced, which is made the subject matter of the present disclosure to this extent, ie with regard to the method of differential flatness mentioned.
- the structural dynamics can be neglected to determine the pre-control, which means that the crane, especially the tower crane, can be represented as a flat system with the load coordinates as flat outputs.
- the pilot control and the calculation of the reference states of the two-degree-of-freedom structure are calculated in contrast to the feedback control of the closed control loop, neglecting the structural dynamics, ie the crane is considered to be rigid or so-to-speak for the purposes of the pilot control assumed infinitely stiff structure. Due to the small deflections of the elastic structure, which are very small compared to the crane movements to be carried out by the drives, this only leads to very small and therefore negligible deviations in the pilot control.
- the description of the tower crane which is assumed to be rigid for the purposes of the pilot control, in particular the tower crane, is made possible as a flat system which can be easily inverted. The coordinates of the load position are flat exits of the system. From the flat outputs and their time derivatives, the required course of the manipulated variables and the system states can be calculated exactly algebraically (inverse system) - without simulation or optimization. This allows the load to be brought to a target position without overshooting.
- the load position required for the flatness-based pilot control and its derivatives can advantageously be calculated by a trajectory planning module and/or by setpoint filtering. If a target curve for the load position and its first four time derivatives is now determined via trajectory planning or setpoint filtering, the exact curve of the necessary control signals for controlling the drives, as well as the exact curve of the corresponding system states, can be calculated from this in the pre-control using algebraic equations.
- notch filters can advantageously be switched between trajectory planning and pre-control in order to eliminate the excitable natural frequencies of the structural dynamics from the planned trajectory signal.
- the model on which the control is based can fundamentally be of different types.
- a compact representation of the entire system dynamics as coupled pendulum, drive and structural dynamics is used, which is suitable as a basis for the observer and the controller.
- the crane control model is determined by a modeling method in which the overall crane dynamics are divided into largely independent Parts is separated, advantageously for a tower crane in a part of all movements that are essentially excited by a slewing gear drive (slewing dynamics), a part of all movements that are essentially excited by a trolley drive (radial dynamics) and the Dynamics in the direction of the hoist rope, which is stimulated by a winch drive.
- the drive dynamics are advantageously modeled as a first-order delay element or as a static amplification factor, it being possible for a torque, a rotational speed, a force or a speed to be specified for the drives as the manipulated variable.
- This manipulated variable is regulated by the subordinate control in the frequency converter of the respective drive.
- the pendulum dynamics can be modeled as an idealized single/double string pendulum with one/two point load masses and one/two simple ropes, which are assumed to be either massless or massed with modal order reduction to the most important rope eigenmodes.
- the structural dynamics can be derived by approximating the steel structure in the form of continuous beams as a distributed parametric model, which can be discretized and reduced in system order by known methods, thereby adopting a compact form, can be computed quickly, and simplifies observer and control design.
- the above-mentioned anti-sway device can monitor the input commands of the crane operator by actuating corresponding operating elements such as joysticks and the like and override them if necessary, in particular in the sense that accelerations specified by the crane operator are reduced, for example, or counter-movements are also automatically initiated if a crane movement specified by the crane driver has caused or would cause the load hook to swing.
- the controller module tries to stay as close as possible to the movements and movement profiles desired by the crane driver in order to give the crane driver a feeling of control, and only overrides the manually entered control signals to the extent necessary to keep the desired crane movement as oscillating as possible. and to carry it out without vibration.
- the sway damping device can also be used for automated operation of the crane, in which the control device of the crane automatically moves the load handling device of the crane between at least two target points along a travel path in the sense of an autopilot.
- the control device of the crane automatically moves the load handling device of the crane between at least two target points along a travel path in the sense of an autopilot.
- a travel path determination module of the control device determines a desired travel path, for example in the sense of a path control
- an automatic travel control module of the control device controls the drive controller or drive devices in such a way that the load hook is moved along the specific travel path
- the anti-sway device in intervene in the activation of the drive controller by the above-mentioned travel control module in order to move the crane hook without swaying or to dampen swaying movements.
- the crane can be designed as a tower crane.
- the tower crane shown can have, for example, in a manner known per se, a tower 201 which carries a boom 202 which is balanced by a counter-jib 203 on which a counterweight 204 is provided.
- Said jib 202 can be rotated together with the counter jib 203 about an upright axis of rotation 205, which can be coaxial to the axis of the tower, by means of a slewing gear.
- a trolley 206 can be moved on the boom 202 by a trolley drive, with a hoist cable 207 running off the trolley 206, to which a load hook 208 is attached.
- the crane 2 can have an electronic control device 3, which can include, for example, a control computer arranged on the crane itself.
- Said control device 3 can in this case control various actuators, hydraulic circuits, electric motors, drive devices and other working units on the respective construction machine. This can, for example, in the crane shown, the hoist, the slewing gear, the trolley drive, which -if necessary. existing - cantilever luffing drive or the like.
- Said electronic control device 3 can communicate with a terminal device 4, which can be arranged on the control station or in the driver's cab and can, for example, be in the form of a tablet with a touchscreen and/or joysticks, rotary knobs, slide switches and similar control elements, so that on the one hand different Information from the control computer 3 can be displayed on the terminal 4 and, conversely, control commands can be entered into the control device 3 via the terminal 4 .
- a terminal device 4 can be arranged on the control station or in the driver's cab and can, for example, be in the form of a tablet with a touchscreen and/or joysticks, rotary knobs, slide switches and similar control elements, so that on the one hand different Information from the control computer 3 can be displayed on the terminal 4 and, conversely, control commands can be entered into the control device 3 via the terminal 4 .
- Said control device 3 of crane 1 can in particular be designed to control said drive devices of the hoist, trolley and slewing gear even when a sway damping device 340 detects movement parameters relevant to swaying.
- the crane 1 can have a pendulum sensor system or detection device 60 that detects a diagonal pull of the hoist rope 207 and/or deflections of the load hook 208 relative to a vertical line 61 that passes through the suspension point of the load hook 208, ie the trolley 206.
- the cable pull angle ⁇ can be detected against the line of action of gravity, ie the vertical 62, cf. 1 .
- the determination means 62 of the pendulum sensor system 60 can, for example, work optically in order to determine the said deflection.
- a camera 63 or another imaging sensor system can be attached to the trolley 206, which looks vertically downwards from the trolley 206, so that when the load hook 208 is undeflected, its image reproduction is in the center of the image provided by the camera 63.
- the load hook 208 is deflected relative to the vertical 61, for example as a result of the trolley 206 starting up abruptly or the slewing gear braking abruptly, the image reproduction of the load hook 208 migrates from the center of the camera image, which can be determined by an image evaluation device 64.
- the diagonal pull of the hoist rope or the deflection of the load hook relative to the vertical can also be carried out using an inertial measuring device IMU, which is attached to the load hook 208 and can transmit its measurement signals, preferably wirelessly, to a receiver on the trolley 206. see. 10 .
- the inertial measuring device IMU and the evaluation of its acceleration and yaw rate signals will be explained in more detail later.
- control device 3 can control the slewing gear drive and the trolley drive with the aid of the sway damping device 340 in order to bring the trolley 206 back more or less exactly over the load hook 208 and compensate for or reduce pendulum movements or prevent them from occurring in the first place.
- sway damping device 340 comprises a structural dynamics sensor system 344 for determining dynamic deformations of structural components, controller module 341 of sway damping device 340, which influences the activation of the drive device in a sway-damping manner, being designed to determine the dynamic deformations of the structural components when influencing the activation of the drive devices of the crane must be taken into account.
- An estimation device 343 can also be provided, which calculates the deformations and movements of the machine structure under dynamic loads, which change as a function of control commands entered at the control station and/or as a function of specific control actions of the drive devices and/or as a function of specific speed and/or Acceleration profiles of the drive devices result, taking into account the circumstances characterizing the crane structure.
- a calculation unit 348 can calculate the structural deformations and resulting structural part movements using a stored calculation model as a function of the control commands entered at the control station.
- the pendulum damping device 340 advantageously detects such elastic deformations and movements of structural components under dynamic loads by means of the structural dynamics sensor system 344 .
- a sensor system 344 can include, for example, deformation sensors such as strain gauges on the steel construction of the crane, for example the lattice framework of the tower 201 or the jib 202 .
- acceleration and/or speed sensors and/or yaw rate sensors can be provided in order to detect specific movements of structural components such as, for example, pitching movements of the jib tip or rotary dynamic effects on jib 202 .
- such structural dynamics sensors can also be provided on the tower 201, in particular on its upper section, on which the boom is mounted, in order to detect the dynamics of the tower 201.
- movement and/or acceleration sensors can also be attached to the drive trains be assigned in order to be able to record the dynamics of the drive trains.
- encoders can be assigned to the deflection pulleys of the trolley 206 for the hoist rope and/or deflection pulleys for a guy rope of a luffing jib, in order to be able to detect the actual rope speed at the relevant point.
- the signals y(t) from the structural dynamics sensors 344 and the pendulum sensor system 60 are fed back to the controller module 341, so that a closed control circuit is implemented.
- Said controller module 341 influences the control signals u(t) for controlling the crane drives, in particular the slewing gear, the hoisting gear and the trolley drive, depending on the structural dynamics and pendulum sensor signals fed back.
- the controller structure also has a filter device or an observer 345, which observes the fed-back sensor signals or the crane reactions that occur with certain manipulated variables of the drive controller and taking into account predetermined laws of a dynamic model of the crane, which can fundamentally have different properties and Analysis and simulation of the steel construction can be obtained, based on the observed crane reactions, the manipulated variables of the controller are influenced.
- a filter device or an observer 345 which observes the fed-back sensor signals or the crane reactions that occur with certain manipulated variables of the drive controller and taking into account predetermined laws of a dynamic model of the crane, which can fundamentally have different properties and Analysis and simulation of the steel construction can be obtained, based on the observed crane reactions, the manipulated variables of the controller are influenced.
- Such a filter or observer device 345b can be embodied in particular in the form of a so-called Kalman filter 346, to which the manipulated variables u(t) of the drive controller 347 of the crane and the returned sensor signals y(t), i.e. the detected crane movements, in particular the cable pull angle, are input variables ⁇ relative to the vertical 62 and/or its change over time or the angular velocity of said diagonal pull, as well as the structural dynamic torsion of boom 202 and tower 201 and from these input variables using Kalman equations that determine the dynamic system of the crane structure, in particular model its steel components and drive trains, which influences the manipulated variables of the drive controllers 347 accordingly in order to achieve the desired sway-damping effect.
- Kalman filter 346 to which the manipulated variables u(t) of the drive controller 347 of the crane and the returned sensor signals y(t), i.e. the detected crane movements, in particular the cable pull angle, are input variables ⁇ relative to the vertical 62 and/or its change
- deformations and vibration patterns of the tower crane under load can be dampened or avoided from the start, as described in 3 are shown as examples, where the partial view a.) first shows schematically a pitching deformation of the tower crane under load as a result of bending of the tower 201 with the associated lowering of the boom 202 and an associated diagonal pull of the hoist cable.
- the controller structure is designed in the form of a two-degree-of-freedom control and, in addition to the mentioned "closed-loop" control with feedback of the pendulum sensor technology and structural dynamics sensor signals, includes a pre-control or feed-forward control stage 350, which is controlled by a the best possible leadership behavior tries to ideally not allow any rule errors to occur at all.
- Said pilot control 350 is advantageously designed based on flatness and is determined according to the so-called differential flatness method, as already mentioned at the outset.
- the structural dynamics signals and oscillating movements signals are neglected for the determination of the pre-control signals u d (t) and x d (t), that is, the signals y(t) of the pendulum and structural dynamics sensors 60 and 344 are not fed back to the pilot control module 350 .
- the pre-control module 350 is fed setpoint values for the load handling device 208, wherein these setpoint values can be position information and/or speed information and/or path parameters for the named load handling device 208 and define the desired movement.
- the target values for the desired load position and its time derivatives can advantageously be fed to a trajectory planning module 351 and/or a target value filter 352, by means of which a target curve for the load position and its first four time derivatives can be determined, from which in the Pre-control module 350 can be calculated using algebraic equations to calculate the exact course of the required control signals u d (t) for controlling the drives and the exact course u d (t) of the corresponding system states.
- a notch filter device 353 can advantageously be connected upstream of the precontrol module 350 in order to filter the input variables supplied to the precontrol module 350 accordingly, with such a notch filter device 353 in particular between the named trajectory planning module 351 or the setpoint filter module 352 on the one hand and the pilot control module 350 on the other hand can be provided.
- Said notch filter device 353 can in particular be designed to eliminate the excited natural frequencies of the structural dynamics from the setpoint value signals supplied to the pilot control.
- the pendulum damping device 340 can be designed to correct the slewing gear and the trolley and possibly also the hoist so that the cable is always perpendicular to the load, if possible when the crane tilts more and more forward due to the increasing load moment.
- the pitching movement of the crane as a result of its deformation under the load can be taken into account and the trolley can be tracked taking into account the recorded load position or positioned with anticipatory estimation of the pitching deformation in such a way that the hoist rope is in the vertical position during the resulting crane deformation Lot is above the load.
- the greatest static deflection occurs at the point where the load leaves the ground.
- the slewing gear can also be tracked, taking into account the detected load position, and/or positioned with anticipatory estimation of a transverse deformation in such a way that the hoist cable is perpendicular to the load during the resulting crane deformation.
- the model on which the anti-sway control is based can fundamentally be of different types.
- the decoupled consideration of the dynamics in the slewing direction and within the tower-jib plane is useful.
- the slewing dynamics are stimulated and controlled by the slewing gear drive, while the dynamics in the tower-boom plane are stimulated and controlled by the trolley and hoist drives.
- the load swings in two directions - on the one hand transversely to the jib (pivoting direction), on the other hand in the longitudinal direction of the jib (radial). Due to the low elasticity of the hoist rope, the vertical movement of the load largely corresponds to the vertical movement of the boom, which in tower cranes is small compared to the deflection of the load due to the pendulum movement.
- swivel and radial dynamics the parts of the system dynamics that are excited by the slewing gear and the trolley must be taken into account in particular. These are referred to as swivel and radial dynamics. As long as the pendulum angles are not zero, both swivel and radial dynamics can also be influenced by the hoist. For one However, this is negligible in the control design, especially for the swing dynamics.
- the slewing dynamics include, in particular, steel structure movements such as tower torsion, transverse bending of the boom around the vertical axis and bending of the tower transverse to the longitudinal direction of the boom, as well as pendulum dynamics transverse to the boom and the slewing gear drive dynamics.
- the radial dynamics include the tower bending in the direction of the boom, the pendulum dynamics in the direction of the boom and, depending on the perspective, also the bending of the boom in the vertical direction.
- the radial dynamics are also attributed to the drive dynamics of the trolley and, if applicable, the hoist.
- a linear design method based on the linearization of the non-linear mechanical model equations around a rest position is advantageously sought for the regulation.
- all couplings between pivoting and radial dynamics are eliminated.
- This also means that no couplings are taken into account when designing a linear control system, even if the model was first derived in a coupled manner. Both directions of can be regarded as decoupled from the outset, as this significantly simplifies the mechanical modeling.
- a clear model in compact form is achieved for the swing dynamics, which can be evaluated quickly, which saves computing power on the one hand and accelerates the development process of the control design on the other.
- the cantilever can be viewed as an Euler-Bernoulli beam and thus initially as a system with distributed mass (distributed parametric system). Furthermore, the repercussions of the lifting dynamics on the pivoting dynamics can also be neglected, which is a justified assumption for small pendulum angles due to the vanishing horizontal force component. If large pendulum angles occur, the effect of the winch on the slewing dynamics can also be taken into account as a disturbance variable.
- the cantilever is modeled as a beam in a moving reference system, which rotates with the yaw rate ⁇ due to the slewing gear drive, as in 4 shown.
- the Coriolis acceleration represents a bidirectional coupling between swivel and radial dynamics. This is proportional to the rotation speed of the reference system and to the relative speed.
- Typical maximum slewing rates of a tower crane are in the range of approx. g MAX ⁇ 0.1 wheel s , which is why the Coriolis acceleration typically assumes small values compared to the driven accelerations of the tower crane.
- the yaw rate is very small.
- the Coriolis acceleration can be pre-planned and explicitly taken into account by a pre-control. In both cases, neglecting the Coriolis acceleration only leads to small approximation errors, which is why it is neglected in the following.
- the centrifugal acceleration only affects the radial dynamics and can be taken into account as a disturbance variable for this. Due to the slow rotation rates, it hardly affects the panning dynamics and can therefore be neglected. What is important, however, is the linear Euler acceleration, which acts in the tangential direction and therefore plays a central role when considering the swing dynamics.
- the cantilever Due to the small cross-sectional area of the cantilever and small shear deformations, the cantilever can be viewed as an Euler-Bernoulli beam. The rotational kinetic energy of the beam rotation around the vertical axis is thus neglected. It is assumed that the mechanical parameters such as mass distributions and area moments of inertia of the Euler-Bernoulli approximation of the cantilever elements are known and can be used for the calculation.
- ⁇ ( x ) is the mass covering
- I ( x ) the area moment of inertia at the point x
- E the modulus of elasticity
- q ⁇ ( x,t ) the distributed force acting on the cantilever.
- the zero point of the spatial coordinate x is at the end of the counter-jib.
- ⁇ ′ ⁇ ⁇ ⁇ x describes the local differentiation. Damping parameters will be introduced later.
- FIG. 5 A sketch of the boom is in figure 5 shown.
- the spring stiffnesses c t and c b represent the torsional stiffness and flexural stiffness of the tower and are explained below.
- Tower torsion and tower bending perpendicular to the boom direction are advantageously taken into account for modeling the pivoting dynamics. Due to its geometry, the tower can initially be assumed to be a homogeneous Euler-Bernoulli beam. For the sake of simpler modelling, the tower is represented here by a rigid body substitute model. Only one eigenmode for tower bending and one for tower torsion is considered. Since essentially only the movement at the top of the tower is relevant for the pivoting dynamics, the tower dynamics can be used as a substitute system for bending or torsion by means of a spring-mass system with a matching natural frequency. If the tower is more elastic, the spring-mass systems can be more easily supplemented with additional eigenmodes by adding a corresponding number of masses and springs, cf. 6 .
- the parameters spring stiffness c b and mass m T are chosen in such a way that the deflection at the tip and the natural frequency correspond to that of the Euler-Bernoulli beam, which represents the tower dynamics.
- a rigid body substitute model with the inertia J T and the torsional spring stiffness c t can be derived analogously as in Fig. 5 shown.
- the payload can still be modeled as a lumped mass point.
- the rope mass can be neglected.
- the payload is slightly more affected by Euler, Coriolis, and centrifugal forces.
- the centrifugal acceleration only acts in the direction of the jib, so it is not relevant at this point.
- the acceleration on the load are in 7 shown.
- the pendulum dynamics can be easily derived using the Lagrange formalism.
- the distributed parametric model (5) of the cantilever dynamics describes an infinite number of eigenmodes of the cantilever and is not yet suitable for a control design in this form. Since only a few of the lowest-frequency eigenmodes are relevant for observers and controllers, a modal transformation with subsequent modal order reduction to these few eigenmodes is appropriate. However, an analytical modal transformation of equation (5) is rather difficult. Instead, it makes sense to first locally discretize equation (5) using finite differences or the finite element method and thus obtain an ordinary differential equation.
- the beam is distributed on N equidistant mass points at the cantilever positions x i , i ⁇ 1 ... N divided up.
- equation (35) depends on the edges of the values I -1 , and I N+ 1 , which in practice can be replaced by the values I 1 , and I N .
- (50) is a linear parameter-variant differential equation, the specific form of which can only be determined at runtime, especially online. This must be taken into account in later observer and control drafts.
- the number of discretization points N should be chosen large enough to ensure an accurate description of the beam deformation and dynamics.
- (50) becomes a large system of differential equations.
- a modal order reduction is suitable for the control in order to reduce the large number of system states to a lower number.
- Modal order reduction is one of the most commonly used reduction methods.
- the basic idea is to first carry out a modal transformation, i.e. to specify the dynamics of the system on the basis of the eigenmodes (shapes) and the eigenfrequencies. subsequently become then only the relevant eigenmodes (usually the lowest-frequency ones) are selected and all higher-frequency modes are neglected.
- the number of eigenmodes taken into account is denoted by ⁇ in the following.
- the top one describes the slowest natural mode, which is dominated by the pendulum movement of the load.
- the second eigenmode shown shows a clear tower bending, while in the third the boom bends clearly. All natural modes whose natural frequencies can be excited by the slewing gear drive should be taken into account.
- the output vector y precisely describes the yaw rates, strains or accelerations, which are measured by the sensors on the crane.
- Q and R represent the covariance matrices of the process and measurement noise and serve as design parameters of the Kalman filter.
- equations (60) and (61) describe a parameter-variant system
- the solution P of equation (63) is always only valid for the corresponding parameter set ⁇ x tr ,l,m L ⁇ .
- the standard methods for solving algebraic Riccati equations are quite computationally intensive.
- the solution P for a finely resolved map can be precalculated offline in the parameters x tr ,l,m L .
- the value is then selected from the characteristics map whose parameter set ⁇ x tr ,l,m L ⁇ is closest to the current parameters.
- the vector contains x ⁇ ref the target states, which are typically all zero in the rest position (except for the angle of rotation ⁇ ). While traversing a path, the values can be non-zero, but should not deviate too far from the rest position around which the model was linearized.
- the observer dynamics (62) can be simulated on a control unit at runtime.
- the control signals u of the drives and, on the other hand, the measuring signals y of the sensors are used.
- the control signals are in turn calculated from the feedback gain and the estimated state vector according to (62).
- the procedure for controlling the radial dynamics can be analogous to the pivoting dynamics. Both controls then act independently on the crane and stabilize the pendulum dynamics in the radial direction and transverse to the boom, each taking into account the drive and structural dynamics.
- ⁇ y and ⁇ y describe the angles between the rigid bodies and ⁇ y the radial pendulum angle of the load.
- the positions of the centers of gravity are described with P, where the index CJ for the counterjib, J for the jib, TR for the trolley and T for the tower (in this case the upper one). rigid body of the tower).
- the positions depend at least partially on the variables x TR and l provided by the drives.
- the dynamics can be derived from the well-known Lagrange formalism.
- ⁇ i describe the corresponding time constants and u i the setpoint speeds.
- the deflection of the hoist rope relative to the vertical 62 can be determined not only by an imaging sensor system on the trolley, but also by an inertial measuring device on the load hook.
- Such an inertial measuring device IMU can in particular have acceleration and yaw rate sensors for providing acceleration and yaw rate signals that indicate translatory accelerations along different spatial axes on the one hand and yaw rates or gyroscopic signals with respect to different spatial axes on the other hand.
- acceleration and yaw rate sensors for providing acceleration and yaw rate signals that indicate translatory accelerations along different spatial axes on the one hand and yaw rates or gyroscopic signals with respect to different spatial axes on the other hand.
- rotational speeds but in principle also rotational accelerations or even both, can be provided as rotational rates.
- the inertial measuring device IMU can advantageously record accelerations in three spatial axes and rates of rotation about at least two spatial axes.
- the acceleration sensor means can work on three axes and the gyroscope sensor means can work on two axes.
- the inertial measuring device IMU attached to the load hook can advantageously transmit its acceleration and yaw rate signals and/or signals derived therefrom wirelessly to the control and/or evaluation device 3 or its anti-sway device 340 transmit, which can be attached to a structural part of the crane or arranged separately near the crane.
- the transmission can be made to a receiver REC, which can be attached to the trolley 206 and/or to the suspension from which the hoist cable runs.
- the transmission can advantageously take place, for example, via a WLAN connection, cf. 10 .
- the load hook 208 can tilt in different directions and in different ways relative to the hoist rope 207, depending on the connection.
- the diagonal pull angle ⁇ of the hoist rope 207 does not have to be identical to the orientation of the load hook.
- the tilting angle ⁇ ⁇ describes the tilting or rotation of the load hook 207 in relation to the diagonal pull ⁇ of the hoist rope 2017 or the rotation between inertial coordinates and load hook coordinates.
- the two swaying directions in the travel direction of the trolley i.e. in the longitudinal direction of the jib on the one hand, and in the direction of rotation or arcing around the tower axis, i.e. in the direction transverse to the longitudinal direction of the jib, can be considered separately from one another, since these differ both pendulum movements hardly affect each other.
- Each pendulum direction can therefore be modeled two-dimensionally.
- the pendulum dynamics can be described using the Lagrange equations.
- the trolley position s x ( t ), the cable length l ( t ) and the cable or pendulum angle ⁇ ( t ) are defined as a function of the time t, whereby in the following for the sake of simplicity and better readability the time dependence is no longer specifically defined by the term (t) is specified.
- the hook acceleration right ⁇ s ⁇ x ⁇ 2 ⁇ ⁇ l ⁇ cos ⁇ ⁇ l ⁇ sin ⁇ + l ⁇ ⁇ 2 sin ⁇ ⁇ l ⁇ ⁇ cos ⁇ 2 l ⁇ ⁇ ⁇ sin ⁇ ⁇ l ⁇ cos ⁇ + l ⁇ ⁇ 2 cos ⁇ + l ⁇ ⁇ sin ⁇ is not required for the derivation of the load dynamics, but is used for the design of the filter, as explained below.
- the dynamics in the y - z plane can be expressed analogously.
- the acceleration s ⁇ x of the trolley or a gantry crane runner is considered as a known system input variable. This can sometimes be measured directly or estimated on the basis of the measured trolley speed. Alternatively or additionally, the trolley acceleration can be measured with a separate the trolley accelerometer or estimated if the drive dynamics are known.
- the tilting direction of the load hook is described by the tilting angle ⁇ ⁇ , cf. 13 .
- the IMU measures all signals in the moving, rotating, body-fixed coordinate system of the load hook, which is denoted by the prefix K , while vectors in inertial coordinates are denoted by I or remain without a subscript.
- K [ K a x K a z ] T in hook coordinates
- I cos e ⁇ sin e ⁇ ⁇ sin e ⁇ cos e ⁇ ⁇ a K .
- the inertial acceleration can then be used to estimate the sway angle based on (107) and (103).
- Estimating the rope angle ⁇ requires an accurate estimate of the tilting of the load hook ⁇ ⁇ .
- an absolute reference value is required, since the gyroscope has limited accuracy and an initial value is unknown.
- the gyroscopic measurement is regularly superimposed by an approximately constant deviation that is inherent in the measurement principle.
- G K ⁇ G ⁇ sin e ⁇ cos e ⁇ T . is transformable.
- K g results from the fact that the gravitational acceleration is measured as a fictitious upward acceleration due to the sensor principle.
- the simple structure of the linear pendulum dynamics according to (109) allows the use of various filters to estimate the orientation.
- One option is a so-called time-continuous Kalman Bucy filter, which can be adjusted by varying the process parameters and noise measurement.
- a complementary filter as in 14 shown, used which can be adjusted with regard to its frequency characteristics by selecting the high-pass and low-pass transfer functions.
- the complementary filter can be designed to estimate the direction of the load hook tilting ⁇ ⁇ .
- a high-pass filtering of the gyroscope signal ⁇ ⁇ with G hp 1 ( s ) results in the offset-free yaw rate ⁇ ⁇ as well as after Integration a first tilt angle estimate ⁇ ⁇ , ⁇ .
- the further estimate ⁇ ⁇ , a comes from the signal K a of the acceleration sensor.
- the basic idea of the complementary filter is to sum or combine ⁇ ⁇ , ⁇ and ⁇ ⁇ , a , where the high frequencies of ⁇ ⁇ , ⁇ are weighted more heavily by using the high-pass filter and the low frequencies of ⁇ ⁇ , a are weighted by the use of the low-pass filter should be given more weight, since (115) is a good estimate for low frequencies.
- x ⁇ , and , C ⁇ H ⁇ x
- the sway angle which is estimated using an extended Kalman filter (EKF) or also determined using a simple static approach, corresponds quite well to a validation measurement of the sway angle on a gimbal using a rotation angle encoder on the trolley.
- EKF extended Kalman filter
- the dynamics obviously remain the same, while the physical meaning and approach change.
- the feedback obtained can be defined as a linear-quadratic controller (LQR), which can represent a linear-quadratic Gaussian controller (LQG) structure together with the Kalman-Bucy filter. Both the feedback and the Kalman gain can be adjusted to the rope length l , e.g. using gain plans.
- LQR linear-quadratic controller
- LQG linear-quadratic Gaussian controller
- a structure with two degrees of freedom as in 16 shown can be used in conjunction with a trajectory planner that provides a C 3 differentiable reference trajectory for the hook position.
- a change in the set point shows that the nominal error can be kept close to zero, so that the feedback signal u fb of the controller K is significantly smaller than the nominal input manipulated variable u ff .
- the two-degree-of-freedom controller structure can have a trajectory planner TP that calculates a smooth trajectory z ⁇ C 3 for the flat output with limited derivatives, the input variable ⁇ u and the parameterization of the state ⁇ x , and the controller K .
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kran, insbesondere einen Turmdrehkran, mit einem Hubseil, das von einem Ausleger abläuft und ein Lastaufnahmemittel trägt, Antriebseinrichtungen zum Bewegen mehrerer Kranelemente und Verfahren des Lastaufnahmemittels, einer Steuervorrichtung zum Steuern der Antriebseinrichtungen derart, dass das Lastaufnahmemittel entlang eines Verfahrwegs verfährt, sowie einer Pendeldämpfungseinrichtung zum Dämpfen von Pendelbewegungen des Lastaufnahmemittels, wobei die genannte Pendeldämpfungseinrichtung eine Pendelsensorik zum Erfassen von Pendelbewegungen des Hubseils und/oder des Lastaufnahmemittels sowie einen Reglerbaustein mit einem geschlossenen Regelkreis zum Beeinflussen der Ansteuerung der Antriebseinrichtungen in Abhängigkeit von Pendelsignalen, die von der Pendelsensorik erfaßte Pendelbewegungen angeben und dem Regelkreis rückgeführt werden, aufweist. Die Erfindung betrifft ferner auch ein Verfahren zum Steuern eines Krans, bei dem die Ansteuerung der Antriebseinrichtungen von einer Pendeldämpfungseinrichtung in Abhängigkeit von pendelrelevanten Parametern beeinflusst wird.The present invention relates to a crane, in particular a tower crane, with a hoist cable that runs off a boom and carries a load-carrying device, drive devices for moving a plurality of crane elements and movement of the load-carrying device, a control device for controlling the drive devices in such a way that the load-carrying device moves along a travel path , as well as a pendulum damping device for damping pendulum movements of the load-carrying means, the said pendulum-damping device having a pendulum sensor system for detecting pendulum movements of the hoist rope and/or the load-carrying means and a controller module with a closed control circuit for influencing the activation of the drive devices as a function of pendulum signals generated by the pendulum sensors indicate detected pendulum movements and are fed back to the control loop. The invention also relates to a method for controlling a crane, in which the actuation of the drive devices is influenced by a sway damping device as a function of parameters relevant to swaying.
Um den Lasthaken eines Krans entlang eines Verfahrwegs bzw. zwischen zwei Zielpunkten verfahren zu können, müssen üblicherweise diverse Antriebseinrichtungen betätigt und gesteuert werden. Beispielsweise bei einem Turmdrehkran, bei dem das Hubseil von einer Laufkatze abläuft, die am Ausleger des Krans verfahrbar ist, muss üblicherweise das Drehwerk, mittels dessen der Turm mit dem darauf vorgesehenen Ausleger bzw. der Ausleger relativ zum Turm um eine aufrechte Drehachse verdreht werden, sowie der Katzantrieb, mittels dessen die Laufkatze entlang des Auslegers verfahren werden kann, und das Hubwerk, mittels dessen das Hubseil verstellt und damit der Lasthaken angehoben und abgesenkt werden kann, jeweils betätigt und gesteuert werden. Bei Kranen mit einem wippbaren Teleskopausleger werden zusätzlich zum Drehwerk, der den Ausleger bzw. den den Ausleger tragenden Oberwagen um eine aufrechte Achse verdreht, und zum Hubwerk zum Verstellen des Hubseils, auch der Wippantrieb zum Auf- und Niederwippen des Auslegers sowie der Teleskopierantrieb zum Ein- und Ausfahren der Teleskopschüsse betätigt, ggf. auch ein Wippspitzenantrieb bei Vorhandensein einer Wippspitze am Teleskopausleger. Bei Mischformen solcher Krane und ähnlichen Krantypen, beispielsweise Turmkranen mit wippbarem Ausleger oder Derrick-Kranen mit wippbarem Gegenausleger können jeweils auch weitere Antriebseinrichtungen anzusteuern sein.In order to be able to move the load hook of a crane along a travel path or between two target points, various drive devices are usually required operated and controlled. For example, in the case of a tower crane, in which the hoist rope runs off a trolley that can be moved on the jib of the crane, the slewing gear, by means of which the tower with the jib provided thereon or the jib relative to the tower are rotated about an upright axis of rotation, must usually as well as the trolley drive, by means of which the trolley can be moved along the jib, and the hoist, by means of which the hoist rope can be adjusted and the load hook raised and lowered, are each actuated and controlled. In cranes with a luffing telescopic boom, in addition to the slewing gear, which rotates the boom or the superstructure carrying the boom about an upright axis, and the hoist for adjusting the hoist rope, the luffing drive for luffing the boom up and down and the telescoping drive are also used - Actuates and extends the telescopic sections, possibly also a luffing jib drive if there is a luffing jib on the telescopic boom. In the case of mixed forms of such cranes and similar types of cranes, for example tower cranes with a luffing jib or derrick cranes with a luffing counter-jib, it is also possible to control further drive devices.
Die genannten Antriebseinrichtungen werden hierbei üblicherweise vom Kranführer über entsprechende Bedienelemente beispielsweise in Form von Joysticks, Kippschaltern, Drehknöpfen und Schiebern und dergleichen betätigt und gesteuert, was erfahrungsgemäß viel Gefühl und Erfahrung benötigt, um die Zielpunkte rasch und dennoch sanft ohne größere Pendelbewegungen des Lasthakens anzufahren. Während zwischen den Zielpunkten möglichst rasch gefahren werden soll, um eine hohe Arbeitsleistung zu erzielen, soll am jeweiligen Zielpunkt sanft angehalten werden, ohne dass der Lasthaken mit der daran angeschlagenen Last nachpendelt.The drive devices mentioned are usually actuated and controlled by the crane operator using appropriate operating elements, for example in the form of joysticks, toggle switches, rotary knobs and sliders and the like, which experience has shown requires a lot of feeling and experience in order to approach the target points quickly and yet gently without major pendulum movements of the load hook. While the target points should be driven as quickly as possible in order to achieve a high work output, the target point should be stopped gently without the load hook swinging with the load attached to it.
Ein solches Steuern der Antriebseinrichtungen eines Krans ist angesichts der erforderlichen Konzentration für den Kranführer ermüdend, zumal oft immer wiederkehrende Verfahrwege und monotone Aufgaben zu erledigen sind. Zudem kommt es bei nachlassender Konzentration oder auch bei einer nicht ausreichenden Erfahrung mit dem jeweiligen Krantyp zu größeren Pendelbewegungen der aufgenommenen Last und damit zu einem entsprechenden Gefährdungspotenzial, wenn der Kranführer die Bedienhebel bzw. -elemente des Krans nicht feinfühlig genug bedient. In der Praxis entstehen durch das Ansteuern des Krans auch bei erfahrenen Kranführern bisweilen immer wieder schnell große Pendelschwingungen der Last, die nur sehr langsam abklingen.Such a control of the drive devices of a crane is tiring in view of the required concentration for the crane driver, especially since recurring travel paths and monotonous tasks often have to be performed. In addition, if concentration decreases or if there is insufficient experience with the respective type of crane, there will be larger pendulum movements of the people being recorded Load and thus a corresponding risk potential if the crane driver does not operate the operating levers or elements of the crane sensitively enough. In practice, when the crane is controlled, even experienced crane operators sometimes quickly experience large pendulum swings in the load, which only subside very slowly.
Um der Problematik unerwünschter Pendelbewegungen zu begegnen, wurde bereits vorgeschlagen, die Steuervorrichtung des Krans mit Pendeldämpfeinrichtungen zu versehen, die mittels Steuerungsbausteinen in die Steuerung eingreifen und das Ansteuern der Antriebseinrichtungen beeinflussen, beispielsweise zu große Beschleunigungen einer Antriebseinrichtung durch zu schnelles oder zu starkes Betätigen des Bedienhebels verhindern oder abschwächen oder bestimmte Verfahrgeschwindigkeiten bei größeren Lasten beschränken oder in ähnlicher Weise in die Verfahrbewegungen auch aktiv eingreifen, um ein zu starkes Pendeln des Lasthakens zu verhindern.In order to counteract the problem of undesired pendulum movements, it has already been proposed to provide the crane's control device with pendulum damping devices, which intervene in the control by means of control modules and influence the activation of the drive devices, for example excessive acceleration of a drive device by actuating the operating lever too quickly or too vigorously prevent or mitigate or limit certain travel speeds for larger loads or actively intervene in the travel movements in a similar way in order to prevent the load hook from swinging too much.
Solche Pendeldämpfungseinrichtungen für Krane sind in verschiedenen Ausführungen bekannt, beispielsweise durch Ansteuerung der Drehwerk-, Wipp- und Laufkatzenantriebe in Abhängigkeit von bestimmten Sensorsignalen, beispielsweise Neigungs- und/oder Gyroskopsignalen. Beispielsweise zeigen die Schriften
Weiterhin zeigen die Schriften
Solche Close-Loop-Regelungen an Kranen mit Berücksichtigung der Pendeldynamik sind auch bereits Gegenstand diverser wissenschaftlicher Publikationen, vgl. bspw.
Ferner ist von der Firma Liebherr unter dem Namen "Cycoptronic" ein Lastpendeldämpfungssystem für maritime Krane bekannt, welches Lastbewegungen und Einflüsse wie Wind im Voraus berechnet und auf Basis dieser Vorausberechnung automatisch Kompensationsbewegungen einleitet, um ein Schwingen der Last zu vermeiden. Konkret werden auch bei diesem System mittels Gyroskopen der Seilwinkel gegenüber der Vertikalen und dessen Änderungen erfasst, um in Abhängigkeit der Gyroskopsignale in die Steuerung einzugreifen.Furthermore, a load swing damping system for maritime cranes is known from the Liebherr company under the name "Cycoptronic", which calculates load movements and influences such as wind in advance and, based on this precalculation, automatically initiates compensation movements in order to prevent the load from swinging. In concrete terms, this system also uses gyroscopes to record the cable angle relative to the vertical and its changes in order to intervene in the control depending on the gyroscope signals.
Bei langen, schlanken Kranstrukturen mit ambitionierter Traglastauslegung, wie dies inbesondere bei Turmdrehkranen der Fall ist, aber auch bei anderen Kranen mit um eine aufrechte Achse verdrehbaren Auslegern wie bspw. wippbaren Telekopausleger-Kranen relevant werden kann, ist es mit herkömmlichen Pendeldämpfungseinrichtungen jedoch bisweilen schwierig, in der richtigen Art und Weise in die Ansteuerung der Antriebe einzugreifen, um die gewünschte, pendeldämpfende Wirkung zu erzielen. Hierbei kommt es im Bereich der Strukturteile, insbesondere des Turms und Auslegers, zu dynamischen Effekten und elastischem Verformen der Strukturteile, wenn ein Antrieb beschleunigt oder abgebremst wird, sodass sich Eingriffe in die Antriebseinrichtungen - beispielsweise Abbremsen oder Beschleunigen des Katzantriebs oder des Drehwerks - nicht direkt in der gewünschten Weise auf die Pendelbewegung des Lasthakens auswirken.In the case of long, slender crane structures with an ambitious load capacity design, as is the case in particular with tower cranes, but can also be relevant with other cranes with booms that can be rotated about an upright axis, such as luffing telescopic boom cranes, it is sometimes difficult with conventional swing damping devices to intervene in the correct way in the control of the drives to achieve the desired, sway-damping to achieve effect. Dynamic effects and elastic deformation of the structural parts occur in the area of the structural parts, in particular the tower and jib, when a drive is accelerated or braked, so that interventions in the drive devices - for example braking or accelerating the trolley drive or the slewing gear - are not direct affect the pendulum movement of the load hook in the desired way.
Zum einen kann es durch dynamische Wirkungen in den Strukturteilen zu Zeitverzögerungen bei der Übertragung auf das Hubseil und den Lasthaken kommen, wenn Antriebe pendeldämpfend betätigt werden. Zum anderen können die genannten dynamischen Effekte auch übermäßige oder sogar kontraproduktive Auswirkungen auf ein Lastpendel haben. Wenn beispielsweise eine Last durch zunächst zu schnelles Betätigen des Laufkatzantriebs nach hinten zum Turm hin pendelt und die Pendeldämpfungseinrichtung gegensteuert, indem der Katzantrieb verzögert wird, kann es zu einer Nickbewegungen des Auslegers kommen, da sich der Turm entsprechend verformt, wodurch die gewünschte pendeldämpfende Wirkung beeinträchtigt werden kann.On the one hand, time delays in the transmission to the hoist rope and the load hook can occur due to dynamic effects in the structural parts if drives are operated in a sway-dampening manner. On the other hand, the dynamic effects mentioned can also have excessive or even counterproductive effects on a load swing. If, for example, a load swings backwards towards the tower as a result of initially operating the trolley drive too quickly and the swing damping device counteracts this by decelerating the trolley drive, the jib can pitch, since the tower deforms accordingly, which impairs the desired swing-damping effect can be.
Insbesondere bei Turmdrehkranen tritt dabei aufgrund der Leichtbauweise auch das Problem auf, dass im Gegensatz zu bestimmten anderen Krantypen die Schwingungen der Stahlstruktur nicht vernachlässigbar sind, sondern bei einer Regelung (closed loop) aus Sicherheitsgründen behandelt werden sollten, da es andernfalls in der Regel zu einem gefährlichen instabilen Aufschwingen der Stahlstruktur kommen kann.In particular with tower cranes, due to the lightweight construction, the problem also arises that, in contrast to certain other types of cranes, the vibrations of the steel structure are not negligible, but should be dealt with in a control (closed loop) for safety reasons, since otherwise there would usually be a dangerous unstable upswing of the steel structure.
Die Schriften
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kran sowie ein verbessertes Verfahren zu dessen Steuerung zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und letzteren in vorteilhafter Weise weiterbilden. Vorzugsweise soll erreicht werden, die Nutzlast entsprechend der Sollwerte des Kranführers zu bewegen und dabei unerwünschte Pendelbewegungen über eine Regelung aktiv zu dämpfen, während gleichzeitig unerwünschte Bewegungen der Strukturdynamik nicht angeregt, sondern ebenfalls durch die Regelung gedämpft werden, um eine Erhöhung der Sicherheit, der erleichterten Bedienbarkeit sowie der Automatisierbarkeit zu erreichen. Insbesondere soll eine verbesserte Pendeldämpfung bei Turmdrehkranen erzielt werden, die die mannigfachen Einflüsse der Kranstruktur besser berücksichtigt.Proceeding from this, the object of the present invention is to provide an improved crane and an improved method for its control, which avoid the disadvantages of the prior art and develop the latter in an advantageous manner. The aim should preferably be to move the payload in accordance with the crane operator's setpoint values and to actively dampen undesired pendulum movements by means of a control system, while at the same time undesired movements of the structural dynamics are not stimulated but also dampened by the control system in order to increase safety, facilitate to achieve usability and automation. In particular, improved pendulum damping is to be achieved in tower cranes, which takes better account of the diverse influences of the crane structure.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch einen Kran gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 16 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention, the stated object is achieved by a crane according to
Es wird also vorgeschlagen, bei den pendeldämpfenden Maßnahmen nicht nur die eigentliche Pendelbewegung des Seils an sich zu berücksichtigen, sondern auch die Dynamik der Kranstruktur bzw. des Stahlbaus des Krans und dessen Antriebsstränge. Der Kran wird nicht mehr als unbeweglicher Starrkörper angenommen, der Antriebsbewegungen der Antriebseinrichtungen unmittelbar und identisch, d.h. 1:1 in Bewegungen des Aufhängungspunktes des Hubseils umsetzt. Stattdessen betrachtet die Pendeldämpfungseinrichtung den Kran als weiche Struktur, die in ihren Stahlbau- bzw. Strukturteilen wie beispielsweise dem Turmgitter und dem Ausleger, und in ihren Antriebssträngen Elastizitäten und Nachgiebigkeiten bei Beschleunigungen zeigt, und berücksichtigt diese Dynamik der Strukturteile des Krans bei der pendeldämpfenden Beeinflussung der Ansteuerung der Antriebseinrichtungen.It is therefore proposed that the pendulum-damping measures not only take into account the actual pendulum movement of the cable itself, but also the dynamics of the crane structure or the steel construction of the crane and its drive trains. The crane is no longer assumed to be an immobile rigid body that converts the drive movements of the drive devices directly and identically, ie 1:1, into movements of the suspension point of the hoist rope. Instead, the sway damping device considers the crane as a soft structure that shows elasticity and resilience during acceleration in its steel construction or structural parts such as the tower lattice and the boom, and in its drive trains, and takes these dynamics of the structural parts of the crane into account when influencing the sway damping Control of the drive devices.
Dabei wird mittels eines geschlossenen Regelkreises sowohl die Pendeldynamik als auch die Strukturdynamik aktiv gedämpft. Insbesondere wird die gesamte Systemdynamik als Verkopplung der Pendel-, Antriebs- und Strukturdynamik des Turmdrehkrans aktiv geregelt, um die Nutzlast entsprechend der Sollvorgaben zu bewegen. Dabei werden Sensoren einerseits zur Messung von Systemgrößen der Pendeldynamik sowie andererseits zur Messung von Systemgrößen der Strukturdynamik eingesetzt, wobei nicht messbare Systemgrößen in einem modellbasierten Beobachter als Systemzustände geschätzt werden können. Die Stellsignale für die Antriebe werden durch eine modellbasierte Regelung als Zustandsrückführung der Systemzustände berechnet, wodurch ein Regelkreis geschlossen wird und sich eine veränderte Systemdynamik ergibt. Die Regelung ist derart ausgebildet, dass die Systemdynamik des geschlossenen Regelkreises stabil ist und Regelfehler schnell ausgeglichen werden.Both the pendulum dynamics and the structural dynamics are actively dampened by means of a closed control loop. In particular, the entire system dynamics are actively controlled as a coupling of the pendulum, drive and structural dynamics of the tower crane in order to move the payload according to the target specifications. Sensors are used on the one hand to measure system variables of pendulum dynamics and on the other hand to measure system variables of structural dynamics, with non-measurable system variables being able to be estimated as system states in a model-based observer. The actuating signals for the drives are calculated using a model-based control system as a status feedback of the system statuses, which closes a control loop and results in changed system dynamics. The control is designed in such a way that the system dynamics of the closed control loop are stable and control errors are compensated for quickly.
Erfindungsgemäß ist ein geschlossener Regelkreis an dem Kran, insbesondere Turmdrehkran, mit Strukturdynamik durch die Rückführung von Messungen nicht nur der Pendeldynamik, sondern ebenfalls der Strukturdynamik vorgesehen. Die Pendeldämpfungseinrichtung umfasst neben der Pendelsensorik zum Erfassen von Hubseil- und/oder Lastaufnahmemittel-Bewegungen auch eine Strukturdynamik-Sensorik zum Erfassen von dynamischen Verformungen und Bewegungen der Kranstruktur bzw. zumindest Strukturbauteilen hiervon, wobei der Reglerbaustein der Pendeldämpfungseinrichtung, der das Ansteuern der Antriebseinrichtung pendeldämpfend beeinflusst, dazu ausgebildet ist, beim Beeinflussen der Ansteuerung der Antriebseinrichtungen sowohl die von der Pendelsensorik erfaßten Pendelbewegungen als auch die von der Strukturdynamik-Sensorik erfassten dynamischen Verformungen der Strukturbauteile des Krans zu berücksichtigen. Dem geschlossenen Regelkreis werden sowohl die Pendelsensorsignale als auch die Strukturdynamik-Sensorsignale rückgeführt.According to the invention, a closed control circuit is provided on the crane, in particular a tower crane, with structural dynamics through the feedback of measurements not only of the pendulum dynamics but also of the structural dynamics. In addition to the pendulum sensor system for detecting movements of the hoist rope and/or load handling device, the sway control device also includes a structural dynamics sensor system for detecting dynamic deformations and movements of the crane structure or at least structural components thereof, with the controller module of the sway control device, which influences the activation of the drive device in a sway-damping manner , is designed to take into account both the pendulum movements detected by the pendulum sensor system and the dynamic deformations of the structural components of the crane detected by the structural dynamics sensor system when influencing the control of the drive devices. Both the pendulum sensor signals and the structural dynamics sensor signals are fed back to the closed control loop.
Die Pendeldämpfungseinrichtung betrachtet also die Kran- bzw. Maschinenstruktur nicht als starre, sozusagen unendlich steife Struktur, sondern geht von einer elastisch verformbaren und/oder nachgiebigen und/oder relativ weichen Struktur aus, die - zusätzlich zu den Stellbewegungsachsen der Maschine wie beispielsweise der Auslegerwippachse oder der Turmdrehachse - Bewegungen und/oder Positionsänderungen durch Verformungen der Strukturbauteile zulässt.The anti-sway device therefore does not consider the crane or machine structure to be a rigid, infinitely stiff structure, so to speak, but is based on an elastically deformable and/or flexible and/or relatively soft structure which - in addition to the adjustment movement axes of the machine such as the boom luffing axis or the axis of rotation of the tower - allows movements and/or changes in position due to deformation of the structural components.
Die Berücksichtigung der In-Sich-Beweglichkeit der Maschinenstruktur infolge von Strukturverformungen unter Last oder dynamischen Belastungen ist gerade bei langgestreckten, schlanken und von den statischen und dynamischen Randbedingungen her bewusst - unter Berücksichtigung der notwendigen Sicherheiten - ausgereizten Strukturen wie bei Turmdrehkranen oder Teleskopkranen von Bedeutung, da hier spürbare Bewegungsanteile beispielsweise für den Ausleger und damit die Lasthakenposition durch die Verformungen der Strukturbauteile hinzukommen. Um die Pendelursachen besser bekämpfen zu können, berücksichtigt die Pendeldämpfung solche Verformungen und Bewegungen der Maschinenstruktur unter dynamischen Belastungen.The consideration of the inherent mobility of the machine structure as a result of structural deformations under load or dynamic loads is particularly important in the case of elongated, slender structures that are consciously exhausted from the static and dynamic boundary conditions - taking into account the necessary safety - such as tower cranes or telescopic cranes, since there are noticeable movement components, for example for the boom and thus the load hook position, due to the deformation of the structural components. Around In order to be able to combat the causes of pendulum better, the pendulum damping takes into account such deformations and movements of the machine structure under dynamic loads.
Hierdurch können beträchtliche Vorteile erreicht werden:
Zunächst wird die Schwingungsdynamik der Strukturbauteile durch das Regelverhalten der Steuereinrichtung reduziert. Dabei wird durch das Fahrverhalten die Schwingung aktiv gedämpft bzw. durch das Regelverhalten erst gar nicht angeregt.Considerable advantages can be achieved in this way:
First of all, the vibration dynamics of the structural components are reduced by the control behavior of the control device. The vibration is actively dampened by the driving behavior or not even stimulated by the control behavior.
Ebenso wird der Stahlbau geschont und weniger beansprucht. Insbesondere Stoßbelastungen werden durch das Regelverhalten reduziert.The steel construction is also protected and less stressed. In particular, shock loads are reduced by the control behavior.
Ferner kann durch dieses Verfahren der Einfluss des Fahrverhaltens definiert werden.Furthermore, the influence of the driving behavior can be defined by this method.
Durch die Kenntnisse der Strukturdynamik und das Reglerverfahren kann insbesondere die Nickschwingung reduziert und gedämpft werden. Dadurch verhält sich die Last ruhiger und schwankt später in Ruhelage nicht mehr auf und ab. Auch Querpendelbewegungen in Umfangsrichtung um die aufrechte Auslegerdrehachse können durch Berücksichtigung von Turmtorsion und Ausleger-Schwenkbiegeverformungen besser kontrolliert werden.The knowledge of the structural dynamics and the control method can be used to reduce and dampen pitching oscillations in particular. As a result, the load behaves more smoothly and no longer fluctuates up and down later when it is at rest. Also, transverse pendulum motions in the circumferential direction about the upright jib axis of rotation can be better controlled by considering tower torsion and jib pivot bending deformations.
Die vorgenannten elastischen Verformungen und Bewegungen der Strukturbauteile und Antriebsstränge und die sich hierdurch einstellenden Eigenbewegungen können grundsätzlich in verschiedener Art und Weise bestimmt werden.The above-mentioned elastic deformations and movements of the structural components and drive trains and the resulting movements of their own can basically be determined in different ways.
Erfindungsgemäß ist die hierzu vorgesehene Strukturdynamik-Sensorik dazu ausgebildet, elastische Verformungen und Bewegungen von Strukturbauteilen unter dynamischen Belastungen zu erfassen.According to the invention, the structural dynamics sensor system provided for this purpose is designed to detect elastic deformations and movements of structural components under dynamic loads.
Eine solche Strukturdynamik-Sensorik kann beispielsweise Verformungssensoren wie Dehnungsmessstreifen am Stahlbau des Krans, beispielsweise den Gitterfachwerken des Turms und/oder des Auslegers umfassen.Such a structural dynamics sensor system can include, for example, deformation sensors such as strain gauges on the steel construction of the crane, for example the lattice framework of the tower and/or the boom.
Alternativ oder zusätzlich können Drehratensensoren, insbesondere in Form von Gyroskopen, Gyrosensoren und/oder Gyrometern, und/oder Beschleunigungs-und/oder Geschwindigkeitssensoren vorgesehen sein, um bestimmte Bewegungen von Strukturbauteilen wie beispielsweise Nickbewegungen der Auslegerspitze und/oder rotatorische Dynamikeffekte am Ausleger und/oder Torsions- und/oder Biegebewegungen des Turms zu erfassen.Alternatively or additionally, yaw rate sensors, in particular in the form of gyroscopes, gyro sensors and/or gyrometers, and/or acceleration and/or speed sensors can be provided in order to detect certain movements of structural components such as pitching movements of the boom tip and/or rotational dynamic effects on the boom and/or To detect torsional and / or bending movements of the tower.
Weiterhin können Neigungssensoren vorgesehen sein, um Neigungen des Auslegers und/oder Neigungen des Turms, insbesondere Auslenkungen des Auslegers aus der Horizontalen und/oder Auslenkungen des Turms aus der Vertikalen zu erfassen.Furthermore, inclination sensors can be provided in order to detect inclinations of the jib and/or inclinations of the tower, in particular deflections of the jib from the horizontal and/or deflections of the tower from the vertical.
Grundsätzlich kann die Strukturdynamik-Sensorik dabei mit verschiedenen Sensortypen arbeiten, insbesodere auch verschieden Sensortypen miteinander kombinieren. Vorteilhafterweise können Dehnungsmesstreifen und/oder Beschleinigungssensoren und/oder Drehratensensoren, insbesondere in Form von Gyroskopen, Gyrosensoren und/oder Gyrometern, zum Erfassen der Verformungen und/oder dynamischen Insich-Bewegungen von Strukturbauteilen des Krans verwendet werden, wobei die Beschleunigungssensoren und/oder Drehratensensoren vorzugsweise dreiachsig erfassend ausgebildet sind.In principle, the structural dynamics sensor system can work with different sensor types, in particular also combine different sensor types with each other. Strain gauges and/or acceleration sensors and/or yaw rate sensors, in particular in the form of gyroscopes, gyro sensors and/or gyrometers, can advantageously be used to detect the deformations and/or dynamic internal movements of structural components of the crane, with the acceleration sensors and/or yaw rate sensors preferably being used are formed detecting three axes.
Solche Strukturdynamiksensoren können am Ausleger können und/oder am Turm, insbesondere an dessen oberen Abschnitt, an dem der Ausleger gelagert ist, vorgesehen sein, um die Dynamik des Turms zu erfassen. Beispielsweise führen ruckartige Hubbewegungen zu Nickbewegungen des Auslegers, die mit Biegebewegungen des Turm einhergehen, wobei eine Nachschwingen des Turm wiederum zu Nickschwingungen des Auslegers führt, was mit entsprechenden Lasthakenbewegungen einhergeht.Such structural dynamics sensors can be provided on the jib and/or on the tower, in particular on its upper section on which the jib is mounted, in order to detect the dynamics of the tower. For example, jerky lifting movements lead to pitching movements of the jib, which are accompanied by bending movements of the tower, with post-vibration of the tower in turn leading to pitching vibrations of the jib, which is accompanied by corresponding load hook movements.
Insbesondere kann eine Winkelsensorik zur Bestimmung des Differenzdrehwinkels zwischen einem oberen Turmendabschnitt und dem Ausleger vorgesehen sein, wobei bspw. am oberen Turmendabschnitt und am Ausleger jeweils ein Winkelsensor angebracht sein kann, deren Signale bei einer Differenzbetrachtung den genannten Differenzdrehwinkel angeben können. Ferner kann vorteilhafterweise auch ein Drehratensensor zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeit des Auslegers und/oder des oberen Turmendabschnitts vorgesehen sein, um in Verbindung mit dem vorgenannten Differenzdrehwinkel den Einfluss der Turmtorsionsbewegung bestimmen zu können. Hieraus kann einerseits eine genauere Lastpositionsschätzung, andererseits aber auch eine aktive Dämpfung der Turmtorsion im laufenden Betrieb erreicht werden.In particular, an angle sensor system can be provided for determining the differential angle of rotation between an upper tower end section and the jib, wherein, for example, an angle sensor can be attached to the upper turret end section and to the jib, the signals of which can indicate the stated differential angle of rotation when considering the difference. Furthermore, a yaw rate sensor for determining the rotational speed of the boom and/or the upper turret end section can advantageously also be provided in order to be able to determine the influence of the turret torsional movement in connection with the aforementioned differential rotational angle. From this, on the one hand, a more precise load position estimation, on the other hand, an active damping of the tower torsion during operation can be achieved.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können zwei- oder dreiachsige Drehratensensoren und/oder Beschleunigungssensoren an der Auslegerspitze und/oder an dem Ausleger im Bereich der aufrechten Krandrehachse angebracht werden, um strukturdynamische Bewegungen des Auslegers bestimmen zu können.In an advantageous development of the invention, two- or three-axis yaw rate sensors and/or acceleration sensors can be attached to the jib tip and/or to the jib in the area of the upright crane axis of rotation in order to be able to determine structural dynamic movements of the jib.
Alternativ oder zusätzlich können auch den Antriebssträngen Bewegungs- und/oder Beschleunigungssensoren zugeordnet sein, um die Dynamik der Antriebsstränge erfassen zu können. Beispielsweise können den Umlenkrollen der Laufkatze für das Hubseil und/oder Umlenkrollen für ein Abspannseil eines Wippauslegers Drehgeber zugeordnet sein, um die tatsächliche Seilgeschwindigkeit am relevanten Punkt erfassen zu können.Alternatively or additionally, movement and/or acceleration sensors can also be assigned to the drive trains in order to be able to detect the dynamics of the drive trains. For example, encoders can be assigned to the deflection rollers of the trolley for the hoisting rope and/or deflection rollers for a guy rope of a luffing jib, in order to be able to detect the actual rope speed at the relevant point.
Vorteilhafterweise sind auch den Antriebseinrichtungen selbst geeignete Bewegungs- und/oder Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungssensoren zugeordnet, um die Antriebsbewegungen der Antriebseinrichtungen entsprechend erfassen und in Zusammenhang mit den abgeschätzten und/oder erfassten Verformungen der Strukturbauteile bzw. des Stahlbaus und Nachgiebigkeiten in den Antriebssträngen setzen zu können.Advantageously, suitable movement and/or speed and/or acceleration sensors are also assigned to the drive devices themselves in order to record the drive movements of the drive devices accordingly and to correlate them with the estimated and/or recorded deformations of the structural components or the steel construction and flexibility in the drive trains to be able to
Insbesondere kann durch einen Abgleich der Signale der den Antriebseinrichtungen direkt zugeordneten Bewegungs- und/oder Beschleunigunssensoren mit den Signalen der Strukturdynamik-Sensoren in Kenntnis der Strukturgeometrie der Bewegungs-und/oder Beschleunigungsanteil an einem Strukturteil bestimmt werden, der auf eine dynamische Verformung bzw. Verwindung der Kranstruktur zurückgeht und zusätzlich zur eigentlichen Kranbewegung, wie sie von der Antriebsbewegung induziert ist und auch bei einem vollständig steifen, starren Kran aufträte. Wird beispielsweise das Drehwerk eines Turmdrehkrans um 10° verstellt, an der Auslegerspitze aber nur eine Verdrehung um 9° erfaßt, kann auf eine Torsion des Turms und/oder eine Biegeverformung des Auslegers rückgeschlossen werden, was gleichzeitig wiederum mit bspw. dem Verdrehsignal eines an der Turmspitze angebrachten Drehratensensors abgeglichen werden kann, um zwischen Turmtorsion und Auslegerbiegung differenzieren zu können. Wird der Lasthaken vom Hubwerk um einen Meter angehoben, am Ausleger im aber gleichzeitig eine Nickbewegung nach unten um bspw. 1° festgestellt, kann unter Berücksichtigung der Ausladung der Laufkatze auf die tatsächliche Lasthakenbewegung geschlossen werden.In particular, by comparing the signals from the motion and/or acceleration sensors directly assigned to the drive devices with the signals from the structural dynamics sensors and knowing the structural geometry, the motion and/or acceleration component of a structural part can be determined that indicates dynamic deformation or twisting of the crane structure and in addition to the actual crane movement as induced by the drive movement and which would also occur with a completely stiff, rigid crane. If, for example, the slewing gear of a tower crane is adjusted by 10°, but only a rotation of 9° is detected at the tip of the jib, conclusions can be drawn about torsion of the tower and/or bending deformation of the jib, which in turn can be detected at the same time, for example with the twisting signal of a Yaw rate sensor attached to the top of the tower can be adjusted in order to be able to differentiate between tower torsion and boom bending. If the load hook is lifted by the hoist by one meter, but at the same time a downward pitching movement of e.g. 1° is detected on the jib, the actual load hook movement can be deduced taking into account the radius of the trolley.
Vorteilhafterweise kann die Strukturdynamik-Sensorik verschiedene Bewegungsrichtungen der Strukturverformungen erfassen. Insbesondere kann die Strukturdynamik-Sensorik zumindest einen Radialdynamik-Sensor zum Erfassen von dynamischen Bewegungen der Kranstruktur in einer aufrechten Ebene parallel zum Kranausleger, und zumindest einen Schwenkdynamiksensor zum Erfassen von dynamischen Bewegungen der Kranstruktur um eine aufrechte Krandrehachse, insbesondere Turmachse aufweisen. Der Reglerbaustein der Pendeldämpfungseinrichtung kann dabei dazu ausgebildet sein, die Ansteuerung der Antriebseinrichtungen, insbesondere eines Katzantriebs und Drehwerkantriebs, in Abhängigkeit der erfassten dynamischen Bewegungen der Kranstruktur in der aufrechten, auslegerparallelen Ebene, insbesondere parallel zur Auslegerlängsrichtung, und der erfassten dynamischen Bewegungen der Kranstruktur um die aufrechte Krandrehachse zu beeinflussen.The structural dynamics sensor system can advantageously detect different directions of movement of the structural deformations. In particular, the structural dynamics sensor system can have at least one radial dynamics sensor for detecting dynamic movements of the crane structure in an upright plane parallel to the crane boom, and at least one pivoting dynamics sensor for detecting dynamic movements of the crane structure about an upright crane axis of rotation, in particular the tower axis. The controller module of the sway damping device can be designed to control the drive devices, in particular a trolley drive and slewing gear drive, depending on the detected dynamic movements of the crane structure in the upright plane parallel to the boom, in particular parallel to the longitudinal direction of the boom, and the detected dynamic movements of the crane structure around the to influence the vertical axis of rotation of the crane.
Ferner kann die Strukturdynamik-Sensorik zumindest einen Hubdynamik-Sensor zum Erfassen von vertikalen dynamischen Verformungen des Kranauslegers aufweisen und der Reglerbaustein der Pendeldämpfungseinrichtung dazu ausgebildet sein, die Ansteuerung der Antriebseinrichtungen, insbesondere eines Hubwerkantriebs, in Abhängigkeit der erfassten vertikalen dynamischen Verformungen des Kranauslegers zu beeinflussen.Furthermore, the structural dynamics sensor system can have at least one lifting dynamics sensor for detecting vertical dynamic deformations of the crane boom, and the controller module of the anti-sway device can be designed to influence the activation of the drive devices, in particular a hoist drive, depending on the detected vertical dynamic deformations of the crane boom.
Vorteilhafterweise ist die Strukturdynamik-Sensorik dazu ausgebildet, alle Eigenmoden der dynamischen Verwindungen des Kranauslegers und/oder des Kranturms, deren Eigenfrequenzen in einem vorbestimmten Frequenzbereich liegen, zu erfassen. Hierzu kann die Strukturdynamik-Sensorik zumindest einen, vorzugsweise mehrere Turmsensor(en), der/die beabstandet von einem Knotenpunkt einer Turmeigenschwingung angeordnet ist, zum Erfassen von Turmverwindungen sowie zumindest einen, vorzugsweise mehrere Auslegersensor(en), der/die beabstandet von einem Knotenpunkt einer Auslegereigenschwingung angeordnet ist, zum Erfassen von Auslegerverwindungen aufweisen.The structural dynamics sensor system is advantageously designed to detect all natural modes of the dynamic torsion of the crane boom and/or the crane tower, the natural frequencies of which lie in a predetermined frequency range. For this purpose, the structural dynamics sensor system can have at least one, preferably several, tower sensor(s), which is/are arranged at a distance from a node of a natural tower vibration, for detecting tower torsion, as well as at least one, preferably several, boom sensor(s), which/are arranged at a distance from a node a boom natural vibration, for detecting boom twists.
Insbesondere können mehrere Sensoren zur Erfassung einer Strukturbewegung so platziert sein, dass eine Beobachtbarkeit aller Eigenmoden gewährleistet ist, deren Eigenfrequenzen im relevanten Frequenzbereich liegen. Hierzu kann grundsätzlich ein Sensor pro Pendel-Bewegungs-Richtung genügen, in der Praxis empfiehlt sich aber der Einsatz mehrerer Sensoren. Beispielsweise führt die Platzierung eines einzelnen Sensors in einem Knotenpunkt der Messgröße einer Struktur-Eigenmode (z.B. Position der Laufkatze an einem Drehungs-Knotenpunkt der ersten Ausleger-Eigenmode) führt zum Verlust der Beobachtbarkeit, was sich durch Hinzunahme eines Sensors an einer anderen Position vermeiden lässt. Insbesondere ist die Verwendung von dreiachsigen Drehratensensoren oder Beschleunigungssensoren an der Auslegerspitze sowie auf dem Ausleger nahe des Drehwerks empfehlenswert.In particular, several sensors for detecting a structural movement can be placed in such a way that it is possible to observe all natural modes whose natural frequencies are in the relevant frequency range. In principle, one sensor per pendulum movement direction can suffice for this purpose, but in practice the use of several sensors is recommended. For example, placing a single sensor in a node of a structure eigenmode measurand (e.g. trolley position at a rotation node of the first cantilever eigenmode) will result in loss of observability, which can be avoided by adding a sensor in a different position . In particular, the use of three-axis yaw rate sensors or acceleration sensors on the boom tip and on the boom near the slewing gear is recommended.
Die Strukturdynamik-Sensorik kann zum Erfassen der Eigenmoden grundsätzlich mit verschiedenen Sensortypen arbeiten, insbesodere auch verschieden Sensortypen miteinander kombinieren. Vorteilhafterweise können gie zuvor genannten Dehnungsmesstreifen und/oder Beschleinigungssensoren und/oder Drehratensensoren, insbesondere in Form von Gyroskopen, Gyrosensoren und/oder Gyrometern, zum Erfassen der Verformungen und/oder dynamischen Insich-Bewegungen von Strukturbauteilen des Krans verwendet werden, wobei die Beschleunigungssensoren und/oder Drehratensensoren vorzugsweise dreiachsig erfassend ausgebildet sind.In principle, the structural dynamics sensor system can work with different types of sensors to detect the natural modes, in particular also different types of sensors combine with each other. Advantageously, the aforementioned strain gauges and/or acceleration sensors and/or rotation rate sensors, in particular in the form of gyroscopes, gyro sensors and/or gyrometers, can be used to detect the deformations and/or dynamic internal movements of structural components of the crane, with the acceleration sensors and/or or yaw rate sensors are preferably designed to detect three axes.
Insbesondere kann die Strukturdynamik-Sensorik zumindest einen Drehratenund/oder Beschleunigungssensor und/oder Dehnungsmessstreifen zum Erfassen von dynamischen Turmverformungen und zumindest einen Drehraten- und/oder Beschleunigungssensor und/oder Dehnungsmessstreifen zum Erfassen von dynamischen Auslegerverformungen aufweisen. Vorteilhafterweise können Drehratenund/oder Beschleunigungssensoren an verschiedenen Turmabschnitten, insbesondere zumindest an der Turmspitze und am Anlenkpunkt des Auslegers und ggf. in einem Turmmittelabschnitt unterhalb des Auslegers vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können Drehraten- und/oder Beschleunigungssensoren an verschiedenen Abschnitten des Auslegers, insbesondere zumindest an der Auslegerspitze und/oder der Laufkatze und/oder dem Auslegerfuß, an dem der Ausleger angelenkt ist, und/oder an einem Auslegerabschnitt beim Hubwerk vorgesehen sein. Vorteilhafterweise sind die genannten Sensoren derart am jeweiligen Strukturbauteil angeorndet, dass sie die Eigenmoden von dessen elastischen Verwindungen erfassen können.In particular, the structural dynamics sensor system can have at least one yaw rate and/or acceleration sensor and/or strain gauges for detecting dynamic tower deformations and at least one yaw rate and/or acceleration sensor and/or strain gauges for detecting dynamic boom deformations. Yaw rate and/or acceleration sensors can advantageously be provided on various tower sections, in particular at least on the top of the tower and at the articulation point of the boom and possibly in a middle section of the tower below the boom. Alternatively or additionally, rotation rate and/or acceleration sensors can be provided on various sections of the jib, in particular at least on the jib tip and/or the trolley and/or the jib foot to which the jib is articulated, and/or on a jib section in the hoist. The sensors mentioned are advantageously arranged on the respective structural component in such a way that they can detect the natural modes of its elastic torsion.
In Weiterbildung der Erfindung kann die Pendeldämpfungseinrichtung auch eine Schätzeinrichtung umfassen, die Verformungen und Bewegungen der Maschinenstruktur unter dynamischen Belastungen, die sich in Abhängigkeit von am Steuerstand eingegegebenen Steuerbefehlen und/oder in Abhängigkeit von bestimmten Ansteueraktionen der Antriebseinrichtungen und/oder in Abhängigkeit bestimmter Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsprofile der Antriebseinrichtungen ergeben, unter Berücksichtigung von die Kranstruktur charakterisierenden Gegebenheiten abschätzt. Insbesondere können mittels einer solchen Schätzeinrichtung Systemgrößen der Strukturdynamik, ggf. auch der Pendeldynamik geschätzt werden, die nicht oder nur schwer sensorisch erfasst werden können.In a further development of the invention, the anti-sway device can also include an estimation device that calculates the deformations and movements of the machine structure under dynamic loads that vary as a function of the control commands entered at the control station and/or as a function of specific control actions of the drive devices and/or as a function of specific speed and /or result in acceleration profiles of the drive devices, taking into account the circumstances characterizing the crane structure. In particular, by means of such an estimation device System variables of the structural dynamics, if necessary also of the pendulum dynamics, are estimated, which cannot or only with difficulty be detected by sensors.
Eine solche Schätzeinrichtung kann beispielsweise auf ein Datenmodell zugreifen, in dem Strukturgrößen des Krans wie Turmhöhe, Auslegerlänge, Steifigkeiten, Flächenträgheitsmomente und ähnliches abgelegt und/oder miteinander verknüpft sind, um dann anhand einer konkreten Lastsituation, also Gewicht der am Lasthaken aufgenommenen Last und momentane Ausladung, abzuschätzen, welche dynamischen Effekte, das heißt Verformungen im Stahlbau und in den Antriebssträngen für eine bestimmte Betätigung einer Antriebseinrichtung ergeben. In Abhängigkeit einer solchermaßen geschätzten dynamischen Wirkung kann die Pendeldämpfungseinrichtung dann in die Ansteuerung der Antriebseinrichtungen eingreifen und die Stellgrößen der Antriebsregler der Antriebseinrichtungen beeinflussen, um Pendelbewegungen des Lasthakens und des Hubseils zu vermeiden bzw. zu reduzieren.Such an estimation device can, for example, access a data model in which structural variables of the crane such as tower height, jib length, rigidity, area moments of inertia and the like are stored and/or linked to one another, in order to then use a specific load situation, i.e. weight of the load picked up on the load hook and the current radius , to estimate which dynamic effects, i.e. deformations in the steel construction and in the drive trains, result for a specific actuation of a drive device. Depending on a dynamic effect estimated in this way, the sway damping device can then intervene in the control of the drive devices and influence the manipulated variables of the drive controllers of the drive devices in order to avoid or reduce swaying movements of the load hook and the hoist cable.
Insbesondere kann die Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung solcher Strukturverformungen eine Berechnungseinheit aufweisen, die diese Strukturverformungen und sich daraus ergebende Strukturteilbewegungen anhand eines gespeicherten Berechnungsmodells in Abhängigkeit der am Steuerstand eingegebenen Steuerbefehle berechnet. Ein solches Modell kann ähnlich einem Finite-Elemente-Modell aufgebaut sein oder ein Finite-Elemente-Modell sein, wobei vorteilhafterweise jedoch ein gegenüber einem Finite-Elemente-Modell deutlich vereinfachtes Modell verwendet wird, das beispielsweise empirisch durch Erfassung von Strukturverformungen unter bestimmten Steuerbefehlen und/oder Belastungszuständen am echten Kran bzw. der echten Maschine bestimmt werden kann. Ein solches Berechnungsmodell kann beispielsweise mit Tabellen arbeiten, in denen bestimmten Steuerbefehlen bestimmte Verformungen zugeordnet sind, wobei Zwischenwerte der Steuerbefehle mittels einer Interpolationsvorrichtung in entsprechende Verformungen umgerechnet werden können.In particular, the determination device for determining such structural deformations can have a calculation unit which calculates these structural deformations and the movements of structural parts resulting therefrom using a stored calculation model as a function of the control commands entered at the control station. Such a model can be constructed similarly to a finite element model or be a finite element model, but it is advantageous to use a model that is significantly simplified compared to a finite element model /or load conditions can be determined on the real crane or the real machine. Such a calculation model can work, for example, with tables in which specific control commands are assigned specific deformations, with intermediate values of the control commands being able to be converted into corresponding deformations by means of an interpolation device.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Reglerbaustein im geschlossenen Regelkreis eine Filtereinrichtung bzw. einen Beobachter umfassen, der einerseits die strukturdynamischen Kranreaktionen und die Hubseilbzw. Lasthakenpendelbewegungen beobachtet, wie sie von der StrukturdynamikSensorik und der Pendelsensorik erfaßt werden und sich bei bestimmten Stellgrößen der Antriebsregler einstellen, so dass die Beobachter- bzw. Filtereinrichtung unter Berücksichtigung vorbestimmter Gesetzmäßigkeiten eines Dynamikmodells des Krans, das grundsätzlich verschieden beschaffen sein kann und durch Analyse und Simulation des Stahlbaus gewonnen werden kann, anhand der beobachteten Kranstruktur- und Pendelreaktionen die Stellgrößen des Reglers beeinflussen kann.According to a further advantageous aspect of the invention, the controller module in the closed control loop can include a filter device or an observer which, on the one hand, monitors the structure-dynamic crane reactions and the hoisting cable or Observed load hook pendulum movements, as they are detected by the structural dynamics sensor and the pendulum sensor and set with certain manipulated variables of the drive controller, so that the observer or filter device, taking into account predetermined laws of a dynamic model of the crane, which can be fundamentally different and through analysis and simulation of the steel construction can be obtained, based on the observed crane structure and pendulum reactions, can influence the manipulated variables of the controller.
Eine solche Filter- bzw. Beobachtereinrichtung kann insbesondere in Form eines sogenannten Kalmanfilters ausgebildet sein, dem als Eingangsgröße einerseits die Stellgrößen der Antriebsregler des Krans und andererseits sowohl die Pendelsignale der Pendelsensorik als auch die dem Regelkreis rückgeführten Strukturdynamiksignale, die Verformungen und/oder dynamische Insich-Bewegungen der Strukturbauteile angeben, zugeführt werden und der aus diesen Eingangsgrößen anhand von Kalman-Gleichungen, die das Dynamiksystem der Kranstruktur, insbesondere dessen Stahlbauteile und Antriebsstränge, modellieren, die Stellgrößen der Antriebsregler entsprechend beeinflusst, um die gewünschte pendeldämpfende Wirkung zu erzielen.Such a filter or observer device can be designed in particular in the form of a so-called Kalman filter, to which, on the one hand, the manipulated variables of the drive controller of the crane and, on the other hand, both the pendulum signals of the pendulum sensor system and the structural dynamics signals fed back to the control loop, the deformations and/or dynamic intrinsic Specify movements of the structural components, are supplied and which, from these input variables using Kalman equations that model the dynamic system of the crane structure, in particular its steel components and drive trains, influences the manipulated variables of the drive controllers accordingly in order to achieve the desired sway-damping effect.
In dem Kalman-Filter sind vorteilhafterweise erfasste und/oder geschätzte und/oder berechnete und/oder simulierte Funktionen, die die Dynamik der Strukturbauteile des Krans charakterisieren, implementiert.Detected and/or estimated and/or calculated and/or simulated functions that characterize the dynamics of the structural components of the crane are advantageously implemented in the Kalman filter.
Insbesondere werden mittels der Strukturdynamik-Sensorik erfaßte dynamische Auslegerverformungen und Turmverformungen sowie die mittels der PendelSensorik erfaßte Position des Lasthakens, insbesondere auch dessen Schrägzug gegenüber der Vertikalen, das heißt die Auslenkung des Hubseils gegenüber der Vertikalen, dem genannten Kalmanfilter zugeführt. Die Erfassungseinrichtung für die Positionserfassung des Lasthakens kann vorteilhafterweise eine bildgebende Sensorik, beispielsweise eine Kamera umfassen, die vom Aufhängungspunkt des Hubseils, beispielsweise der Laufkatze, im Wesentlichen senkrecht nach unten blickt. Eine Bildauswerteeinrichtung kann in dem von der bildgebenden Sensorik bereitgestellten Bild den Kranhaken identifizieren und dessen Exzentrizität bzw. dessen Verschiebung aus dem Bildzentrum heraus bestimmen, welche ein Maß für die Auslenkung des Kranhakens gegenüber der Vertikalen ist und damit das Lastpendeln charakterisiert. Alternativ oder zusätzlich kann ein gyroskopischer Sensor den Hubseil-Abzugwinkel vom Ausleger und/oder gegenüber der Vertikalen erfassen und dem Kalman-Filter zuführen.In particular, dynamic boom deformations and tower deformations detected by means of the structural dynamics sensor system and the position of the load hook detected by means of the pendulum sensor system, in particular its diagonal pull relative to the vertical, i.e. the deflection of the hoist rope relative to the vertical, are fed to the Kalman filter. The detection device for detecting the position of the load hook can advantageously be an imaging Sensors, for example include a camera that looks from the suspension point of the hoist rope, such as the trolley, substantially vertically downwards. An image evaluation device can identify the crane hook in the image provided by the imaging sensors and determine its eccentricity or its displacement from the center of the image, which is a measure of the deflection of the crane hook relative to the vertical and thus characterizes the swinging load. Alternatively or in addition, a gyroscopic sensor can detect the hoist cable pull-off angle from the boom and/or from the vertical and feed it to the Kalman filter.
Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Pendelerfassung des Lasthakens mittels einer bildgebenden Sensorik, kann die Pendelsensorik auch mit einer Intertialerfassungseinrichtung arbeiten, die am Lasthaken bzw.den Lastaufnahmemitteln angebracht ist und Beschleunigungs- und Drehratensignale bereitstellt, die translatorische Beschleunigungen und Drehraten des Lasthakens wiedergeben.As an alternative or in addition to such a pendulum detection of the load hook by means of an imaging sensor system, the pendulum sensor system can also work with an inertial detection device that is attached to the load hook or the load handling attachments and provides acceleration and yaw rate signals that reflect translational accelerations and yaw rates of the load hook.
Eine solche am Lastaufnahmemittel angebrachte Inertialmeßeinrichtung, die bisweilen auch als IMU bezeichnet wird, kann Beschleunigungs- und Drehratensensormittel zum Bereitstellen von Beschleunigungs- und Drehratensignalen aufweisen, die einerseits translatorische Beschleunigungen entlang verschiedener Raumachsen und andererseits Drehraten bzw. gyroskopische Signale bezüglich verschiedener Raumachsen angeben, umfassen. Als Drehraten können dabei Drehgeschwindigkeiten, grundsätzlich aber auch Drehbeschleunigungen oder auch beides bereitgestellt werden.Such an inertial measuring device attached to the load handling device, which is sometimes also referred to as an IMU, can have acceleration and yaw rate sensor means for providing acceleration and yaw rate signals, which on the one hand indicate translational accelerations along different spatial axes and on the other hand yaw rates or gyroscopic signals with regard to different spatial axes. In this case, rotational speeds, but in principle also rotational accelerations or even both, can be provided as rotational rates.
Vorteilhafterweise kann die Inertialmesseinrichtung Beschleunigungen in drei Raumachsen und Drehraten um zumindest zwei Raumachsen erfassen. Die Beschleunigungssensormittel können dreiachsig arbeitend und die Gyroskopsensormittel können zweiachsig arbeitend ausgebildet sein.Advantageously, the inertial measuring device can detect accelerations in three spatial axes and yaw rates about at least two spatial axes. The acceleration sensor means can work on three axes and the gyroscope sensor means can work on two axes.
Die am Lasthaken angebrachte Inertialmesseinrichtung kann ihre Beschleunigungsund Drehratensignale und/oder daraus abgeleitete Signale vorteilhafterweise drahtlos an eine Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung übermitteln, die an einem Strukturteil des Krans angebracht oder auch separat in Krannähe angeordnet sein kann. Insbesondere kann die Übermittlung an einen Empfänger erfolgen, der an der Laufkatze und/oder an der Aufhängung, von der das Hubseil abläuft, angebracht sein kann. Vorteilhafterweis kann die Übertragung bspw. über eine WLAN-Verbindung erfolgen.The inertial measuring device attached to the load hook can advantageously transmit its acceleration and yaw rate signals and/or signals derived therefrom wirelessly transmit to a control and / or evaluation device, which can be attached to a structural part of the crane or arranged separately in the vicinity of the crane. In particular, the transmission can be made to a receiver that can be attached to the trolley and/or to the suspension from which the hoist cable runs. The transmission can advantageously take place via a WLAN connection, for example.
Durch eine solche drahtlose Anbindung einer Inertialmesseinrichtung kann eine Pendeldämpfung sehr einfach auch an bestehenden Kranen nachgerüstet werden, ohne dass hierfür komplexe Nachrüstmassnahmen erforderlich wären. Es ist im wesentlichen nur die Inertialmesseinrichtung am Lasthaken und der damit kommunizierende Empfänger anzubringen, der die Signale an die Steuer- bzw. Reglereinrichtung übermittelt.With such a wireless connection of an inertial measuring device, a pendulum damping system can also be retrofitted very easily to existing cranes, without complex retrofitting measures being required for this. Essentially only the inertial measuring device has to be attached to the load hook and the receiver communicating with it, which transmits the signals to the control or regulation device.
Aus den Signalen der Inertialmeßeinrichtung kann vorteilhafterweise in einem zweistufigen Verfahren die Auslenkung des Lasthakens bzw. des Hubseils gegenüber der Vertikalen bestimmt werden. Zunächst wird die Verkippung des Lasthakens bestimmt, da diese nicht mit der Auslenkung des Lasthakens gegenüber der Laufkatze bzw. dem Aufhängepunkt und der Auslenkung des Hubseils gegenüber der Vertikalen übereinstimmen muß, wird sodann aus der Verkippung des Lasthakens und dessen Beschleunigung die gesuchte Auslenkung des Lasthakens bzw. des Hubseils gegenüber der Vertikalen bestimmt. Da die Inertialmesseinrichtung am Lasthaken befestigt ist, werden die Beschleunigungs- und Drehratensignale sowohl von den Pendelbewegungen des Hubseils auch als von der Dynamik des relativ zum Hubseil verkippenden Lasthakens beeinflußt.From the signals of the inertial measuring device, the deflection of the load hook or the hoist rope relative to the vertical can advantageously be determined in a two-stage process. First, the tilting of the load hook is determined, since this does not have to correspond to the deflection of the load hook in relation to the trolley or the suspension point and the deflection of the hoisting rope in relation to the vertical of the hoist rope relative to the vertical. Since the inertial measuring device is attached to the load hook, the acceleration and yaw rate signals are influenced both by the pendulum movements of the hoist rope and by the dynamics of the load hook tilting relative to the hoist rope.
Insbesondere kann durch drei Berechnungsschritte eine genaue Schätzung des Lastpendelwinkels erfolgen, die dann von einem Regler zur aktiven Pendeldämpfung verwendet werden kann. Die drei Berechnungsschritte können insbesondere folgende Schritte umfassen:
- i. Eine Bestimmung der Hakenkippung, z.B. durch ein Komplementärfilter, der hochfrequente Anteile aus den Gyroskopsignalen und niederfrequente Anteile aus Richtung des Gravitationsvektors bestimmen und einander ergänzend zur Ermittlung der HAkenkippung zusammenführen kann;
- ii. Eine Rotation der Beschleunigungsmessung bzw. eine Transformation vom körperfesten ins inertiale Koordinatensystem;
- iii. Schätzung des Lastpendelwinkels mittels eines erweiterten Kaiman-Filters und/oder mittels einer vereinfachten Relation des Pendelwinkel zum Quotienten aus Querbeschleunigungsmessung und Gravitationskonstante.
- i. A determination of the hook tilt, eg by a complementary filter, the high-frequency components from the gyroscope signals and low-frequency components can be determined from the direction of the gravitational vector and combined to determine hook tilt;
- ii. A rotation of the acceleration measurement or a transformation from the body-fixed to the inertial coordinate system;
- iii. Estimation of the load sway angle using an extended Kalman filter and/or using a simplified relation of the sway angle to the quotient of the lateral acceleration measurement and the gravitational constant.
Vorteilhafterweise wird dabei zunächst die Verkippung des Lasthakens aus den Signalen der Inertialmesseinrichtung mit Hilfe eines Komplementärfilters bestimmt, der sich die unterschiedlichen Besonderheiten der translatorischen Beschleunigungs-Signale und der gyroskopischen Signale der Inertialmeßeinrichtung zunutze macht, wobei alternativ oder zusätzlich aber auch ein Kalman-Filter zum Bestimmen der Verkippung des Lasthakens aus den Beschleunigungs- und Drehratensignalen verwendet werden kann.Advantageously, the tilting of the load hook is first determined from the signals from the inertial measuring device with the aid of a complementary filter, which makes use of the different characteristics of the translational acceleration signals and the gyroscopic signals of the inertial measuring device, with a Kalman filter also being used as an alternative or in addition to the determination the tilting of the load hook from the acceleration and yaw rate signals can be used.
Aus der ermittelten Verkippung des Lastaufnahmemittels kann sodann mittels eines Kalman-Filters und/oder mittels statischer Berechnung aus horizontaler Inertialbeschleunigung und Erdbeschleunigung die gesuchte Auslenkung des Lasthakens gegenüber der Laufkatze bzw. gegenüber dem Aufhängepunkt des Hubseils und/oder die Auslenkung des Hubseils gegenüber der Vertikalen bestimmt werden.From the determined tilting of the load handling device, the desired deflection of the load hook relative to the trolley or relative to the suspension point of the hoisting rope and/or the deflection of the hoisting rope relative to the vertical can then be determined using a Kalman filter and/or by means of static calculation from horizontal inertial acceleration and gravitational acceleration will.
Insbesondere kann die Pendelsensorik erste Bestimmungsmittel zum Bestimmen und/oder Schätzen einer Verkippung des Lastaufnahmemittels aus den Beschleunigungs- und Drehratensignalen der Inertialmeßeinrichtung und zweite Bestimmungsmittel zum Bestimmen der Auslenkung des Hubseils und/oder des Lastaufnahmemittels gegenüber der Vertikalen aus der ermittelten Verkippung des Lastaufnahmemittels und einer Inertial-Beschleunigung des Lastaufnahmemittels aufweisen.In particular, the pendulum sensor system can have first determination means for determining and/or estimating a tilting of the load handling device from the acceleration and yaw rate signals of the inertial measuring device and second determining means for determining the deflection of the hoist rope and/or the load handling device relative to the vertical from the determined tilting of the load handling device and an inertial -Exhibit acceleration of the lifting device.
Die genannten ersten Bestimmungsmittel können insbesondere einen Komplementärfilter mit einem Hochpass-Filter für das Drehratensignal der Inertialmeßeinrichtung und einen Tiefpass-Filter für das Beschleunigungssignal der Inertialmeßeinrichtung oder ein daraus abgeleitetes Signal aufweisen, wobei der genannte Komplementärfilter dazu ausgebildet sein kann, eine drehratengestützte Schätzung der Verkippung des Lastaufnahmemittels, die auf dem hochpassgefilterten Drehratensignal basiert, und eine beschleunigungsgestützte Schätzung der Verkippung des Lastaufnahmemittels, die auf dem tiefpassgefilterten Beschleunigungssignal basiert, miteinander zu verknüpfen und aus den verknüpften drehraten- und beschleunigungsgestützten Schätzungen der Verkippung des Lastaufnahmemittels die gesuchte Verkippung des Lastaufnahmemittels zu bestimmen.The first determination means mentioned can in particular be a complementary filter with a high-pass filter for the yaw rate signal of the inertial measuring device and have a low-pass filter for the acceleration signal of the inertial measuring device or a signal derived therefrom, wherein said complementary filter can be designed to estimate the tilting of the load handling device based on the high-pass filtered rotation rate signal, and an acceleration-based estimation of the tilting of the load handling device, which is based on the low-pass filtered acceleration signal, and to determine the sought-after tilting of the load-handling device from the linked estimates of the tilting of the load-handling device based on the rate of rotation and acceleration.
Dabei kann die drehratengestützte Schätzung der Verkippung des Lastaufnahmemittels eine Integration des hochpassgefilterten Drehratensignals umfassen.In this case, the rotation rate-based estimation of the tilting of the load handling device can include an integration of the high-pass filtered rotation rate signal.
Die beschleunigungsgestützte Schätzung der Verkippung des Lastaufnahmemittels kann auf dem Quotienten einer gemessenen Horizontalbeschleunigungskomponente und einer gemessenen Vertikalbeschleunigungskomponente beruhen, aus dem die beschleunigungsgestützte Schätzung der Verkippung anhand der Beziehung
Die zweiten Bestimmungsmittel zum Bestimmen der Auslenkung des Lasthakens bzw. des Hubseils gegenüber der Vertikalen anhand der ermittelten Verkippung des Lasthakens kann eine Filter- und/oder Beobachtereinrichung aufweisen, die als Eingangsgröße die ermittelte Verkippung des Lastaufnahmemittels berücksichtigt und aus einer Inertialbeschleunigung am Lastaufnahmemittel die Auslenkung des Hubseils und/oder des Lastaufnahmemittels gegenüber der Vertikalen bestimmt.The second determination means for determining the deflection of the load hook or the hoisting rope relative to the vertical based on the determined tilting of the load hook can have a filter and/or observer device which takes into account the determined tilting of the load lifting device as an input variable and calculates the deflection of the load lifting device from an inertial acceleration on the load lifting device Hoist rope and / or the lifting device determined relative to the vertical.
Die genannte Filter- und/oder Beobachtereinrichtung kann insbesondere einen Kalman-Filter, insbesondere einen erweiterten Kalman-Filter, umfassen.Said filter and/or observer device can in particular include a Kalman filter, in particular an extended Kalman filter.
Alternativ oder zusätzlich zu einem solchen Kalman-Filter können die zweiten Bestimmungsmittel auch eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Auslenkung des Hubseils und/oder des Lastaufnahmemittels gegenüber der Vertikalen aus einer statischen Beziehung der Beschleunigungen, insbesondere aus dem Quotienten einer horizontalen Inertialbeschleunigung und der Erdbeschleunigung aufweisen.As an alternative or in addition to such a Kalman filter, the second determination means can also have a calculation device for calculating the deflection of the hoisting rope and/or the load handling device relative to the vertical from a static relationship of the accelerations, in particular from the quotient of a horizontal inertial acceleration and the acceleration due to gravity.
Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kommt bei der Pendeldämpfung eine Zwei-Freiheitsgrade-Regelungsstruktur zum Einsatz, durch welche die oben beschriebene Zustandsrückführung (feedback) um eine Vorsteuerung (feedforward) ergänzt wird. Dabei dient die Zustandsrückführung zur Sicherstellung der Stabilität und zum schnellen Ausgleich von Regelfehlern, die Vorsteuerung dagegen einem guten Führungsverhalten durch das im Idealfall gar keine Regelfehler auftreten.According to a further advantageous aspect of the invention, a two-degree-of-freedom control structure is used for the sway control, through which the state feedback described above is supplemented by a feedforward control. The status feedback serves to ensure stability and to quickly compensate for control errors, while the pre-control, on the other hand, ensures good control behavior through which, ideally, no control errors occur at all.
Die Vorsteuerung kann dabei vorteilhafterweise über die per se bekannte Methode der differentiellen Flachheit bestimmt werden. Bezüglich der genannten Methode der differentiellen Flachheit wird auf die Dissertation "
Da die Auslenkungen der Strukturbewegungen im Gegensatz zu den angetriebenen Kranbewegungen sowie den Pendelbewegungen nur klein sind, kann zur Bestimmung der Vorsteuerung die Strukturdynamik vernachlässigt werden, wodurch der Kran, insbesondere Turmdrehkran als flaches System mit den Lastkoordinaten als flache Ausgänge dargestellt werden kann.Since the deflections of the structural movements are only small in contrast to the driven crane movements and the pendulum movements, the structural dynamics can be neglected to determine the pre-control, which means that the crane, especially the tower crane, can be represented as a flat system with the load coordinates as flat outputs.
Vorteilhafterweise wird also die Vorsteuerung sowie die Berechnung der Referenz-Zustände der Zwei-Freiheitsgrade-Struktur im Gegensatz zur feed back Regelung des geschlossenen Regelkreises unter Vernachlässigung der Strukturdynamik berechnet, d.h. der Kran wird für die Zwecke der Vorsteuerung als starre bzw. sozusagen unendlich steife Struktur angenommen. Aufgrund der kleinen Auslenkungen der elastischen Struktur, die im Vergleich zu den von den Antrieben auszuführenden Kranbewegungen sehr klein sind, führt dies nur zu sehr kleinen und daher vernachlässigbaren Abweichungen der Vorsteuerung. Dafür wird jedoch die Beschreibung des - für die Zwecke der Vorsteuerung als starr angenommenen Turmdrehkrans, insbesondere Turmdrehkrans als ein flaches System ermöglicht, welches leicht invertierbar ist. Die Koordinaten der Lastposition sind flache Ausgänge des Systems. Aus den flachen Ausgängen und ihren zeitlichen Ableitungen kann der notwendige Sollverlauf der Stellgrößen sowie der Systemzustände exakt algebraisch berechnet werden (inverses System) - ohne Simulation oder Optimierung. Damit kann die Last ohne Überschwingen an eine Zielposition gebracht werden.Advantageously, the pilot control and the calculation of the reference states of the two-degree-of-freedom structure are calculated in contrast to the feedback control of the closed control loop, neglecting the structural dynamics, ie the crane is considered to be rigid or so-to-speak for the purposes of the pilot control assumed infinitely stiff structure. Due to the small deflections of the elastic structure, which are very small compared to the crane movements to be carried out by the drives, this only leads to very small and therefore negligible deviations in the pilot control. However, the description of the tower crane, which is assumed to be rigid for the purposes of the pilot control, in particular the tower crane, is made possible as a flat system which can be easily inverted. The coordinates of the load position are flat exits of the system. From the flat outputs and their time derivatives, the required course of the manipulated variables and the system states can be calculated exactly algebraically (inverse system) - without simulation or optimization. This allows the load to be brought to a target position without overshooting.
Die für die flachheitsbasierte Vorsteuerung benötigte Lastposition und deren Ableitungen können vorteilhafterweise von einem Trajektorienplanungs-Modul und/oder durch eine Sollwert-Filterung berechnet werden. Wird nun über eine Trajektorienplanung oder eine Sollwertfilterung ein Sollverlauf für die Lastposition und deren erste vier Zeitableitungen bestimmt, so können daraus in der Vorsteuerung über algebraische Gleichungen der exakte Verlauf der notwendigen Stellsignale zur Ansteuerung der Antriebe, sowie der exakte Verlauf der entsprechenden Systemzustände berechnet werden.The load position required for the flatness-based pilot control and its derivatives can advantageously be calculated by a trajectory planning module and/or by setpoint filtering. If a target curve for the load position and its first four time derivatives is now determined via trajectory planning or setpoint filtering, the exact curve of the necessary control signals for controlling the drives, as well as the exact curve of the corresponding system states, can be calculated from this in the pre-control using algebraic equations.
Um durch die Vorsteuerung keine Strukturbewegungen anzuregen, können vorteilhafterweise Kerbfilter zwischen Trajektorienplanung und Vorsteuerung geschaltet werden, um aus dem geplanten Trajektoriensignal die anregbaren Eigenfrequenzen der Strukturdynamik zu eliminieren.In order not to excite any structural movements through the pre-control, notch filters can advantageously be switched between trajectory planning and pre-control in order to eliminate the excitable natural frequencies of the structural dynamics from the planned trajectory signal.
Das der Regelung zugrundeliegende Modell kann grundsätzlich verschieden beschaffen sein. Vorteilhafterweise wird eine kompakte Darstellung der gesamten Systemdynamik als verkoppelte Pendel-, Antriebs- und Strukturdynamik verwendet, die sich als Grundlage für den Beobachter und die Regelung eignet. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird das Kranregelungsmodel durch ein Modellierungs-Verfahren bestimmt, bei dem die gesamte Krandynamik in weitgehend unabhängige Teile aufgetrennt wird, und zwar vorteilhafterweise für einen Turmdrehkran in einen Teil aller Bewegungen, die im Wesentlichen durch einen Drehwerk-Antrieb angeregt werden (Schwenkdynamik), einen Teil aller Bewegungen, die im Wesentlichen durch einen Katzwerk-Antrieb angeregt werden (Radialdynamik) und die Dynamik in Richtung des Hubseils, welche durch einen Windwerk-Antrieb angeregt wird.The model on which the control is based can fundamentally be of different types. Advantageously, a compact representation of the entire system dynamics as coupled pendulum, drive and structural dynamics is used, which is suitable as a basis for the observer and the controller. In an advantageous development of the invention, the crane control model is determined by a modeling method in which the overall crane dynamics are divided into largely independent Parts is separated, advantageously for a tower crane in a part of all movements that are essentially excited by a slewing gear drive (slewing dynamics), a part of all movements that are essentially excited by a trolley drive (radial dynamics) and the Dynamics in the direction of the hoist rope, which is stimulated by a winch drive.
Die unabhängige Betrachtung dieser Teile unter Vernachlässigung der Verkopplungen erlaubt eine Berechnung der Systemdynamik in Echtzeit und vereinfacht insbesondere die kompakte Darstellung der Schwenkdynamik als ein verteiltparametrisches System (beschrieben durch eine lineare partielle Differentialgleichung), das die Strukturdynamik des Auslegers exakt beschreibt und über bekannte Methoden leicht auf die benötigte Anzahl an Eigenmoden reduziert werden kann.The independent consideration of these parts, neglecting the couplings, allows the system dynamics to be calculated in real time and, in particular, simplifies the compact representation of the swivel dynamics as a distributed parametric system (described by a linear partial differential equation), which describes the structural dynamics of the boom exactly and can be easily expanded using known methods the required number of eigenmodes can be reduced.
Die Antriebsdynamik wird dabei vorteilhafterweise als Verzögerungsglied 1. Ordnung oder als statischer Verstärkungsfaktor modelliert, wobei den Antrieben als Stellgröße ein Drehmoment, eine Drehgeschwindigkeit, eine Kraft oder eine Geschwindigkeit vorgegeben werden kann. Durch die unterlagerte Regelung im Frequenzumrichter des jeweiligen Antriebs wird diese Stellgröße eingeregelt.The drive dynamics are advantageously modeled as a first-order delay element or as a static amplification factor, it being possible for a torque, a rotational speed, a force or a speed to be specified for the drives as the manipulated variable. This manipulated variable is regulated by the subordinate control in the frequency converter of the respective drive.
Die Pendeldynamik kann als idealisiertes einfaches / doppeltes Fadenpendel modelliert mit ein / zwei punktförmigen Lastmassen und einem / zwei einfachen Seilen, die entweder als masselos angenommen werden, oder als massebehaftet mit modaler Ordnungsreduktion auf die wichtigsten Seil-Eigenmoden.The pendulum dynamics can be modeled as an idealized single/double string pendulum with one/two point load masses and one/two simple ropes, which are assumed to be either massless or massed with modal order reduction to the most important rope eigenmodes.
Die Strukturdynamik kann durch Approximation der Stahlstruktur in Form kontinuierlicher Balken als verteiltparametrisches Modell hergeleitet werden, das durch bekannte Methoden diskretisiert und in der Systemordnung reduziert werden kann, wodurch es eine kompakte Form annimmt, schnell berechnet werden kann und den Beobachter- und Regelungsentwurf vereinfacht.The structural dynamics can be derived by approximating the steel structure in the form of continuous beams as a distributed parametric model, which can be discretized and reduced in system order by known methods, thereby adopting a compact form, can be computed quickly, and simplifies observer and control design.
Die genannte Pendeldämpfeinrichtung kann bei manueller Betätigung des Krans durch Betätigung entsprechender Bedienelemente wie Joysticks und dergleichen die Eingabebefehle des Kranführers überwachen und bei Bedarf übersteuern, insbesondere in dem Sinne, dass vom Kranführer beispielsweise zu stark vorgegebene Beschleunigungen reduziert werden oder auch Gegenbewegungen automatisch eingeleitet werden, wenn eine vom Kranführer vorgegebene Kranbewegung zu einem Pendeln des Lasthakens geführt hat oder führen würde. Der Reglerbaustein versucht dabei vorteilhafterweise, so nahe wie möglich an den vom Kranführer gewünschten Bewegungen und Bewegungsprofilen zu bleiben, um dem Kranführer ein Gefühl der Kontrolle zu geben, und übersteuert die Manuell eingegebenen Stellsignale nur soweit es nötig ist, um die gewünschte Kranbewegung möglichst pendel- und schwingungsfrei auszuführen.When the crane is operated manually, the above-mentioned anti-sway device can monitor the input commands of the crane operator by actuating corresponding operating elements such as joysticks and the like and override them if necessary, in particular in the sense that accelerations specified by the crane operator are reduced, for example, or counter-movements are also automatically initiated if a crane movement specified by the crane driver has caused or would cause the load hook to swing. Advantageously, the controller module tries to stay as close as possible to the movements and movement profiles desired by the crane driver in order to give the crane driver a feeling of control, and only overrides the manually entered control signals to the extent necessary to keep the desired crane movement as oscillating as possible. and to carry it out without vibration.
Alternativ oder zusätzlich kann die Pendeldämpfungseinrichtung auch bei einer automatisierten Betätigung des Krans eingesetzt werden, bei der die Steuervorrichtung des Krans im Sinne eines Autopiloten das Lastaufnahmemittel des Krans automatisch zwischen zumindest zwei Zielpunkten entlang eines Verfahrwegs verfährt. Bei einem solchen Automatikbetrieb, bei dem ein Verfahrweg-Bestimmungsmodul der Steuervorrichtung einen gewünschten Verfahrweg beispielsweise im Sinne einer Bahnsteuerung bestimmt und ein automatisches Verfahrsteuermodul der Steuervorrichtung die Antriebsregler bzw. Antriebseinrichtungen so ansteuert, dass der Lasthaken entlang des bestimmten Verfahrwegs verfahren wird, kann die Pendeldämpfungseinrichtung in die Ansteuerung der Antriebsregler durch das genannte Verfahrsteuermodul eingreifen, um den Kranhaken pendelfrei zu verfahren bzw. Pendelbewegungen zu dämpfen.Alternatively or additionally, the sway damping device can also be used for automated operation of the crane, in which the control device of the crane automatically moves the load handling device of the crane between at least two target points along a travel path in the sense of an autopilot. In such automatic operation, in which a travel path determination module of the control device determines a desired travel path, for example in the sense of a path control, and an automatic travel control module of the control device controls the drive controller or drive devices in such a way that the load hook is moved along the specific travel path, the anti-sway device in intervene in the activation of the drive controller by the above-mentioned travel control module in order to move the crane hook without swaying or to dampen swaying movements.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1:
- eine schematische Darstellung eines Turmdrehkrans, bei dem die Lasthakenposition und ein Seilwinkel gegenüber der Vertikalen durch eine bildgebende Sensorik erfasst wird, und bei dem eine Pendeldämpfungseinrichtung die Ansteuerung der Antriebseinrichtungen beeinflusst, um Pendelbewegungen des Lasthakens und dessen Hubseils zu verhindern,
- Fig. 2:
- eine schematische Darstellung einer Zwei-Freiheitsgrade-Regelstruktur der Pendeldämpfungseinrichtung und die von dieser vorgenommene Beeinflussung der Stellgrößen der Antriebsregler,
- Fig. 3:
- eine schematische Darstellung von Verformungen und Schwingungsformen eines Turmdrehkrans unter Last und deren Dämpfung bzw. Vermeidung durch eine Schrägzugregelung, wobei die Teilansicht a.) eine Nickverformung des Turmdehkrans unter Last und einen damit verknüpften Schrägzug des Hubseils zeigt, die Teilansichten b.) und c.) eine Querverformung des Turmdrehkrans in perspektivischer Darstellung sowie in Draufsicht von oben zeigen, und die Teilansichten d.) und e.) einen mit solchen Querverformungen verknüpften Schrägzug des Hubseils zeigen,
- Fig. 4:
- eine schematische Darstellung eines elastischen Auslegers in einem mit der Drehrate rotierenden Referenzsystem,
- Fig. 5:
- eine schematische Darstellung eines Auslegers als kontinuierlicher Balken mit Einspannung in den Turm unter Berücksichtigung von Turmbiegung und Turmtorsion,
- Fig. 6:
- eine schematische Darstellung eines elastischen Turms und eines Feder-Masse-Ersatzmodells der Turmbiegung quer zum Ausleger,
- Fig. 7:
- eine schematische Darstellung der Pendeldynamik in Schwenkrichtung des Krans mit konzentrierter Lastmasse und masselosem Seil,
- Fig. 8:
- eine schematische Darstellung der drei wichtigsten Eigenmoden eines Turmdrehkrans,
- Fig. 9:
- eine schematische Darstellung der Pendeldynamik in Radialrichtung des Krans und dessen Modellierung mittels mehrerer verkoppelter Starrkörper,
- Fig. 10:
- eine schaematische Darstellung eines pendelnden Hubseils mit Lasthaken, an dem eine Inertialmesseinrichtung befestigt ist, die ihre Messignale drahtlos an einen Empfänger an der Laufkatze übermittelt, von der das Hubseil abläuft,
- Fig. 11:
- eine schematische Darstellung verschiedener Lasthaken zur Verdeutlichung der möglichen Verkippung des Lasthakens gegenüber dem Hubseil,
- Fig. 12:
- ein schematisches zweidimensionales Modell der Pendeldynanamik der Lasthakenaufhängung aus den beiden vorhergehenden Figuren,
- Fig. 13:
- eine Darstellung der Verkippung bzw. des Kippwinkels des Lasthakens, der die Rotation zwischen Inertial- und Lasthakenkoordinaten beschreibt,
- Fig. 14:
- ein Blockdiagramm eines Komplementär-Filters mit Hochpass- und Tiefpass-Filter zum Bestimmen der Verkippung des Lasthakens aus den Beschleunigungs- und Drehratensignalen der Inertialmesseinrichtung,
- Fig. 15:
- eine vergleichsweise Darstellung der mittels erweitertem Kaman-Filter und mittels statischer Abschätzung bestimmten Pendelwinkel-Verläufe im Vergleich zu dem an einem Kardangelenk gemessenen Pendelwinkelverlauf, und
- Fig. 16:
- eine schematische Darstellung einer Steuerungs- bzw. RegelungsStruktur mit zwei Freiheitsgraden zur automatischen Beeinflussung der Antriebe, um Pendelschwingungen zu vermeiden.
- Figure 1:
- a schematic representation of a tower crane, in which the load hook position and a rope angle relative to the vertical is detected by an imaging sensor system, and in which a pendulum damping device influences the control of the drive devices in order to prevent pendulum movements of the load hook and its hoist rope,
- Figure 2:
- a schematic representation of a two-degree-of-freedom control structure of the anti-sway device and the way it influences the manipulated variables of the drive controllers,
- Figure 3:
- a schematic representation of deformations and modes of vibration of a tower crane under load and their damping or avoidance by a diagonal pull control, wherein the partial view a.) shows a pitch deformation of the tower crane under load and an associated diagonal pull of the hoist rope, the partial views b.) and c. ) show a transverse deformation of the tower crane in a perspective view and in a plan view from above, and the partial views d.) and e.) show a diagonal pull of the hoist cable associated with such transverse deformations,
- Figure 4:
- a schematic representation of an elastic cantilever in a reference system rotating at the rate of rotation,
- Figure 5:
- a schematic representation of a cantilever as a continuous beam clamped in the tower, taking tower bending and tower torsion into account,
- Figure 6:
- a schematic representation of an elastic tower and a spring-mass equivalent model of the tower bending transverse to the boom,
- Figure 7:
- a schematic representation of the pendulum dynamics in the slewing direction of the crane with concentrated load mass and massless rope,
- Figure 8:
- a schematic representation of the three most important eigenmodes of a tower crane,
- Figure 9:
- a schematic representation of the pendulum dynamics in the radial direction of the crane and its modeling using several coupled rigid bodies,
- Figure 10:
- a schematic representation of a swinging hoist rope with a load hook, to which an inertial measuring device is attached, which transmits its measurement signals wirelessly to a receiver on the trolley from which the hoist rope runs off,
- Figure 11:
- a schematic representation of different load hooks to illustrate the possible tilting of the load hook in relation to the hoist rope,
- Figure 12:
- a schematic two-dimensional model of the pendulum dynamics of the load hook suspension from the two previous figures,
- Figure 13:
- a representation of the tilting or tilting angle of the load hook, which describes the rotation between inertial and load hook coordinates,
- Figure 14:
- a block diagram of a complementary filter with high-pass and low-pass filters for determining the tilting of the load hook from the acceleration and yaw rate signals of the inertial measuring device,
- Figure 15:
- a comparative representation of the pendulum angle curves determined by means of an extended Kaman filter and by means of static estimation in comparison to the pendulum angle curve measured on a cardan joint, and
- Figure 16:
- a schematic representation of a control or regulation structure with two degrees of freedom for automatically influencing the drives in order to avoid pendulum oscillations.
Wie
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Die genannte elektronische Steuervorrichtung 3 kann hierbei mit einem Endgerät 4 kommunizieren, das am Steuerstand bzw. in der Führerkabine angeordnet sein kann und beispielsweise die Form eines Tablets mit Touchscreen und/oder Joysticks, Drehknöpfe, Schiebeschalter und ähnliche Bedienelemente aufweisen kann, so dass einerseits verschiedene Informationen vom Steuerungsrechner 3 an dem Endgerät 4 angezeigt und umgekehrt Steuerbefehle über das Endgerät 4 in die Steuervorrichtung 3 eingegeben werden können.Said
Die genannte Steuervorrichtung 3 des Krans 1 kann insbesondere dazu ausgebildet sein, die genannten Antriebsvorrichtungen des Hubwerks, der Laufkatze und des Drehwerks auch dann anzusteuern, wenn eine Pendeldämpfungseinrichtung 340 pendelrelevante Bewegungsparameter erfaßt.Said
Hierzu kann der Kran 1 eine Pendelsensorik bzw. Erfassungseinrichtung 60 aufweisen, die einen Schrägzug des Hubseils 207 und/oder Auslenkungen des Lasthakens 208 gegenüber einer Vertikalen 61, die durch den Aufhängungspunkt des Lasthakens 208, d.h. die Laufkatze 206 geht, erfasst. Insbesondere kann der Seilzugwinkel ϕ gegen die Schwerkraftwirklinie, d.h. die Vertikale 62 erfaßt werden, vgl.
Die hierzu vorgesehenen Bestimmungsmittel 62 der Pendelsensorik 60 können beispielsweise optisch arbeiten, um die genannte Auslenkung zu bestimmen. Insbesondere kann an der Laufkatze 206 eine Kamera 63 oder eine andere bildgebende Sensorik angebracht sein, die von der Laufkatze 206 senkrecht nach unten blickt, so dass bei unausgelenktem Lasthaken 208 dessen Bildwiedergabe im Zentrum des von der Kamera 63 bereitgestellten Bilds liegt. Wird indes der Lasthaken 208 gegenüber der Vertikalen 61 ausgelenkt, beispielsweise durch ruckhaftes Anfahren der Laufkatze 206 oder abruptes Bremsen des Drehwerks, wandert die Bildwiedergabe des Lasthakens 208 aus dem Zentrum des Kamerabilds heraus, was durch eine Bildauswerteeinrichtung 64 bestimmt werden kann.The determination means 62 of the
Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen optischen Erfassung kann der Schrägzug des Hubseils bzw. die Auslenkung des Lasthakens gegenüber der Vertikalen auch mithilfe einer Inertialmesseinrichtung IMU erfolgen, die am Lasthaken 208 angebracht wird und ihre Messignale vorzugsweise drahtlos zu einem Empfänger an der Laufkatze 206 übermitteln kann, vgl.
In Abhängigkeit der erfassten Auslenkung gegenüber der Vertikalen 61, insbesondere unter Berücksichtigung der Richtung und Größe der Auslenkung, kann die Steuervorrichtung 3 mithilfe der Pendeldämpfungseinrichtung 340 den Drehwerksantrieb und den Laufkatzenantrieb ansteuern, um die Laufkatze 206 wieder mehr oder minder exakt über den Lasthaken 208 zu bringen und Pendelbewegungen zu kompensieren, bzw. zu reduzieren oder gar nicht erst eintreten zu lassen.Depending on the detected deflection relative to the vertical 61, in particular taking into account the direction and size of the deflection, the
Hierzu umfasst die Pendeldämpfungseinrichtung 340 eine Strukturdynamik-Sensorik 344 zum Bestimmen von dynamischen Verformungen von Strukturbauteilen, wobei der Reglerbaustein 341 der Pendeldämpfungseinrichtung 340, der das Ansteuern der Antriebseinrichtung pendeldämpfend beeinflusst, dazu ausgebildet ist, beim Beeinflussen der Ansteuerung der Antriebseinrichtungen die bestimmten dynamischen Verformungen der Strukturbauteile des Krans zu berücksichtigen.For this purpose,
Dabei kann auch eine Schätzeinrichtung 343 vorgesehen sein, die die Verformungen und Bewegungen der Maschinenstruktur unter dynamischen Belastungen, die sich in Abhängigkeit von am Steuerstand eingegegebenen Steuerbefehlen und/oder in Abhängigkeit von bestimmten Ansteueraktionen der Antriebseinrichtungen und/oder in Abhängigkeit bestimmter Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsprofile der Antriebseinrichtungen ergeben, unter Berücksichtigung von die Kranstruktur charakterisierenden Gegebenheiten abschätzt. Insbesondere kann eine Berechnungseinheit 348 die Strukturverformungen und sich daraus ergebende Strukturteilbewegungen anhand eines gespeicherten Berechnungsmodells in Abhängigkeit der am Steuerstand eingegebenen Steuerbefehle berechnen.An
Vorteilhafterweise erfasst die Pendeldämpfungseinrichtung 340 mittels der Strukturdynamik-Sensorik 344 solche elastischen Verformungen und Bewegungen von Strukturbauteilen unter dynamischen Belastungen. Eine solche Sensorik 344 kann beispielsweise Verformungssensoren wie Dehnungsmessstreifen am Stahlbau des Krans, beispielsweise den Gitterfachwerken des Turms 201 oder des Auslegers 202 umfassen. Alternativ oder zusätzlich können Beschleunigungs- und/oder Geschwindigkeitssensoren und/oder Drehratensensoren vorgesehen sein, um bestimmte Bewegungen von Strukturbauteilen wie beispielsweise Nickbewegungen der Auslegerspitze oder rotatorische Dynamikeffekte am Ausleger 202 zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich können solche Strukturdynamik-Sensoren auch am Turm 201, insbesondere an dessen oberen Abschnitt, an dem der Ausleger gelagert ist, vorgesehen sein, um die Dynamik des Turms 201 zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich können auch den Antriebssträngen Bewegungs- und/oder Beschleunigungssensoren zugeordnet sein, um die Dynamik der Antriebsstränge erfassen zu können. Beispielsweise können den Umlenkrollen der Laufkatze 206 für das Hubseil und/oder Umlenkrollen für ein Abspannseil eines Wippauslegers Drehgeber zugeordnet sein, um die tatsächliche Seilgeschwindigkeit am relevanten Punkt erfassen zu können.The
Wie
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Eine solche Filter- bzw. Beobachtereinrichtung 345b kann insbesondere in Form eines sogenannten Kalmanfilters 346 ausgebildet sein, dem als Eingangsgröße die Stellgrößen u (t) der Antriebsregler 347 des Krans und die rückgeführten Sensorsignale y (t), d.h. die erfassten Kranbewegungen, insbesondere der Seilzugwinkel ϕ gegenüber der Vertikalen 62 und/oder dessen zeitliche Änderung bzw. die Winkelgeschwindigkeit des genannten Schrägzugs, sowie die strukturdynamischen Verwindungen des Auslegers 202 und des Turms 201 zugeführt werden und der aus diesen Eingangsgrößen anhand von Kalman-Gleichungen, die das Dynamiksystem der Kranstruktur, insbesondere dessen Stahlbauteile und Antriebsstränge, modellieren, die Stellgrößen der Antriebsregler 347 entsprechend beeinflusst, um die gewünschte pendeldämpfende Wirkung zu erzielen.Such a filter or observer device 345b can be embodied in particular in the form of a so-called
Mithilfe einer solchen closed-loop-Regelung können insbesondere Verformungen und Schwingungsformen des Turmdrehkrans unter Last gedämpft bzw. von Anfang an vermieden werden, wie sie in
Ferner zeigen die Teilansichten b.) und c.) der
Schließlich zeigt die
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Die genannte Vorsteuerung 350 ist vorteilhafterweise flachheitsbasiert ausgebildet und nach der sogenannte differentiellen Flachheitsmethode bestimmt, wie eingangs schon erwähnt.Said
Da die Auslenkungen der Strukturbewegungen und auch der Pendelbewegungen im Vergleich zu den angetriebenen Kranbewegungen, die den Soll-Verfahrweg darstellen, sehr klein sind, werden für die Bestimmung der Vorsteuerungssignale ud (t) und xd (t) die Strukturdynamiksignale und Pendelbewegungssignale vernachlässigt, das heißt die Signale y (t) der Pendel- und Strukturdynamiksensoriken 60 bzw. 344 werden dem Vorsteuermodul 350 nicht rückgeführt.Since the deflections of the structural movements and also the oscillating movements are very small compared to the driven crane movements, which represent the target travel path, the structural dynamics signals and oscillating movements signals are neglected for the determination of the pre-control signals u d (t) and x d (t), that is, the signals y(t) of the pendulum and
Wie
Insbesondere können die Sollwerte für die gewünschte Lastposition und deren zeitliche Ableitungen vorteilhafterweise einem Trajektorien-Planungsmodul 351 und/oder einem Sollwertfilter 352 zugeführt werden, mittels derer bzw. mittels dessen ein Sollverlauf für die Lastposition und deren erste vier Zeitableitungen bestimmt werden kann, woraus in dem Vorsteuermodul 350 über algebraische Gleichungen der exakte Verlauf der notwendigen Stellsignale ud (t) zum Ansteuern der Antriebe sowie der exakte Verlauf ud (t) der entsprechenden Systemzustände berechnet werden können.In particular, the target values for the desired load position and its time derivatives can advantageously be fed to a
Um durch die Vorsteuerung keine Strukturbewegungen anzuregen, kann vorteilhafterweise eine Kerbfiltereinrichtung 353 dem Vorsteuermodul 350 vorgeschaltet sein, um die dem Vorsteuermodul 350 zugeführten Eingangsgrößen entsprechend zu filtern, wobei eine solche Kerbfiltereinrichtung 353 insbesondere zwischen dem genannten Trajektorien-Planungsmodul 351 bzw. dem Sollwertfiltermodul 352 einerseits und dem Vorsteuermodul 350 andererseits vorgesehen sein kann. Die genannte Kerbilftereinrichtung 353 kann insbesondere dazu ausgebildet sein, aus den der Vorsteuerung zugeführten Sollwertsignale die angeregten Eigenfrequenzen der Strukturdynamik zu eliminieren.To ensure that no structural movements are stimulated by the precontrol, a
Um eine Schwingungsdynamik zu reduzieren bzw. gar nicht erst entstehen zu lassen, kann die Pendeldämpfungseinrichtung 340 dazu ausgebildet sein, das Drehwerk und das Katzfahrwerk und ggf. auch das Hubwerk so zu korrigieren, dass das Seil möglichst immer im senkrechten Lot zur Last steht, auch wenn sich der Kran durch das zunehmende Lastmoment immer mehr nach vorne neigt.In order to reduce vibration dynamics or prevent them from occurring in the first place, the
Beispielsweise kann beim Anheben einer Last vom Boden die Nickbewegung des Krans infolge seiner Verformung unter der Last berücksichtigt und das Katzfahrwerk unter Berücksichtigung der erfassten Lastposition so nachgefahren bzw. unter vorausschauender Abschätzung der Nickverformung so positioniert werden, dass das Hubseil bei der sich ergebenden Kranverformung im senkrechten Lot über der Last steht. Die größte statische Verformung tritt dabei an dem Punkt auf, an dem die Last den Boden verlässt. In entsprechender Weise kann alternativ oder zusätzlich auch das Drehwerk unter Berücksichtigung der erfassten Lastposition so nachgefahren und/oder unter vorausschauender Abschätzung einer Querverformung so positioniert werden, dass das Hubseil bei der sich ergebenden Kranverformung im senkrechten Lot über der Last steht.For example, when lifting a load from the ground, the pitching movement of the crane as a result of its deformation under the load can be taken into account and the trolley can be tracked taking into account the recorded load position or positioned with anticipatory estimation of the pitching deformation in such a way that the hoist rope is in the vertical position during the resulting crane deformation Lot is above the load. The greatest static deflection occurs at the point where the load leaves the ground. Correspondingly, alternatively or additionally, the slewing gear can also be tracked, taking into account the detected load position, and/or positioned with anticipatory estimation of a transverse deformation in such a way that the hoist cable is perpendicular to the load during the resulting crane deformation.
Das der pendeldämpfenden Regelung zugrundeliegende Modell kann grundsätzlich verschieden beschaffen sein.The model on which the anti-sway control is based can fundamentally be of different types.
Für die regelungsorientierte mechanische Modellierung von elastischen Drehkranen ist dabei die entkoppelte Betrachtung der Dynamik in Schwenkrichtung sowie innerhalb der Turm-Ausleger Ebene nützlich. Die Schwenkdynamik wird durch den Drehwerksantrieb angeregt und geregelt, während die Dynamik in der Turm-Ausleger-Ebene durch den Katzwerks- und den Hubwerks-Antrieb angeregt und geregelt wird. Die Last pendelt in zwei Richtungen - einerseits quer zum Ausleger (Schwenkrichtung), andererseits in Ausleger-Längsrichtung (radial). Die vertikale Last-Bewegung entspricht aufgrund der geringen Hubseil-Elastizität weitgehend der vertikalen Auslegerbewegung, die bei Turmdrehkranen klein im Vergleich zu den Last-Auslenkungen aufgrund der Pendelbewegung ist.For the control-oriented mechanical modeling of elastic slewing cranes, the decoupled consideration of the dynamics in the slewing direction and within the tower-jib plane is useful. The slewing dynamics are stimulated and controlled by the slewing gear drive, while the dynamics in the tower-boom plane are stimulated and controlled by the trolley and hoist drives. The load swings in two directions - on the one hand transversely to the jib (pivoting direction), on the other hand in the longitudinal direction of the jib (radial). Due to the low elasticity of the hoist rope, the vertical movement of the load largely corresponds to the vertical movement of the boom, which in tower cranes is small compared to the deflection of the load due to the pendulum movement.
Für eine Stabilisierung der Lastpendelbewegung müssen inbesondere die Anteile der Systemdynamik berücksichtigt werden, die durch das Drehwerk und durch das Katzwerk angeregt werden. Diese werden als Schwenk- bzw. Radialdynamik bezeichnet. Solange die Pendelwinkel nicht null sind, können sowohl Schwenk- als auch Radialdynamik zusätzlich durch das Hubwerk beeinflusst werden. Für einen Regelungsentwurf ist dies jedoch vernachlässigbar, insbesondere für die Schwenkdynamik.In order to stabilize the swinging load movement, the parts of the system dynamics that are excited by the slewing gear and the trolley must be taken into account in particular. These are referred to as swivel and radial dynamics. As long as the pendulum angles are not zero, both swivel and radial dynamics can also be influenced by the hoist. For one However, this is negligible in the control design, especially for the swing dynamics.
Die Schwenkdynamik umfasst insbesondere Stahlstruktur-Bewegungen wie Turmtorsion, Auslegerquerbiegung um die vertikale Achse und die Turmbiegung quer zur Auslegerlängsrichtung, sowie die Pendeldynamik quer zum Ausleger und die Drehwerk-Antriebsdynamik. Die Radialdynamik umfasst die Turmbiegung in Auslegerrichtung, die Pendeldynamik in Auslegerrichtung und je nach Betrachtungsweise auch die Auslegerbiegung in vertikaler Richtung. Zudem wird der Radialdynamik auch die Antriebsdynamik des Katzwerks sowie ggfs. des Hubwerks zugerechnet.The slewing dynamics include, in particular, steel structure movements such as tower torsion, transverse bending of the boom around the vertical axis and bending of the tower transverse to the longitudinal direction of the boom, as well as pendulum dynamics transverse to the boom and the slewing gear drive dynamics. The radial dynamics include the tower bending in the direction of the boom, the pendulum dynamics in the direction of the boom and, depending on the perspective, also the bending of the boom in the vertical direction. In addition, the radial dynamics are also attributed to the drive dynamics of the trolley and, if applicable, the hoist.
Für die Regelung wird vorteilhafterweise ein lineares Entwurfsverfahren angestrebt, das auf der Linearisierung der nichtlinearen mechanischen Modellgleichungen um eine Ruhelage basiert. Durch eine solche Linearisierung fallen alle Kopplungen zwischen Schwenk- und Radialdynamik weg. Das bedeutet auch, dass für den Entwurf einer linearen Regelung auch dann keine Verkopplungen berücksichtigt werden, wenn das Modell zunächst gekoppelt hergeleitet wurde. Beide Richtungen von können vornherein als entkoppelt betrachtet werden, da dies die mechanische Modellbildung deutlich vereinfacht. Zudem wird so für die Schwenkdynamik ein übersichtliches Modell in kompakter Form erzielt, das sich schnell auswerten lässt, wodurch einerseits Rechenleistung eingespart und andererseits der Entwicklungsprozess des Regelungsentwurfes beschleunigt wird.A linear design method based on the linearization of the non-linear mechanical model equations around a rest position is advantageously sought for the regulation. With such a linearization, all couplings between pivoting and radial dynamics are eliminated. This also means that no couplings are taken into account when designing a linear control system, even if the model was first derived in a coupled manner. Both directions of can be regarded as decoupled from the outset, as this significantly simplifies the mechanical modeling. In addition, a clear model in compact form is achieved for the swing dynamics, which can be evaluated quickly, which saves computing power on the one hand and accelerates the development process of the control design on the other.
Um die Schwenkdynamik als ein kompaktes, übersichtliches und genaues dynamisches Systemmodell herzuleiten, kann der Ausleger als ein Euler-Bernoulli Balken und damit zunächst als ein System mit verteilter Masse (verteiltparametrisches System) betrachtet werden. Ferner kann zudem die Rückwirkung der Hubdynamik auf die Schwenkdynamik vernachlässigt werden, was für kleine Pendelwinkel aufgrund des verschwindenden horizontalen Kraftanteils eine gerechtfertigte Annahme ist. Wenn große Pendelwinkel auftreten, kann die Wirkung des Windwerks auf die Schwenkdynamik als Störgröße mit berücksichtigt werden.In order to derive the swivel dynamics as a compact, clear and accurate dynamic system model, the cantilever can be viewed as an Euler-Bernoulli beam and thus initially as a system with distributed mass (distributed parametric system). Furthermore, the repercussions of the lifting dynamics on the pivoting dynamics can also be neglected, which is a justified assumption for small pendulum angles due to the vanishing horizontal force component. If large pendulum angles occur, the effect of the winch on the slewing dynamics can also be taken into account as a disturbance variable.
Der Ausleger wird als Balken in einem bewegten Referenzsystem modelliert, das durch den Drehwerksantrieb mit der Drehrate γ̇ rotiert, wie in
Damit wirken drei Scheinbeschleunigungen innerhalb des Referenzsystems, die als Coriolis, Zentrifugal- und Euler-Beschleunigung bekannt sind. Da das Referenzsystem um einen festen Punkt rotiert, ergibt sich für jeden Punkt
Von den drei Scheinbeschleunigungen stellt nur die Coriolisbeschleunigung eine bidirektionale Verkopplung zwischen Schwenk- und Radialdynamik dar. Diese ist proportional zur Drehgeschwindigkeit des Referenzsystems sowie zur relativen Geschwindigkeit. Typische maximale Drehraten eines Turmdrehkrans liegen im Bereich von ca.
Die Zentrifugalbeschleunigung wirkt in Abhängigkeit der Drehrate nur auf die Radialdynamik und kann für diese als Störgröße berücksichtigt werden. Auf die Schwenkdynamik wirkt sie sich aufgrund der langsamen Drehraten kaum aus und kann daher vernachlässigt werden. Wichtig ist allerdings die lineare Euler Beschleunigung, die in tangentialer Richtung wirkt und daher bei der Betrachtung der Schwenkdynamik eine zentrale Rolle spielt.Depending on the yaw rate, the centrifugal acceleration only affects the radial dynamics and can be taken into account as a disturbance variable for this. Due to the slow rotation rates, it hardly affects the panning dynamics and can therefore be neglected. What is important, however, is the linear Euler acceleration, which acts in the tangential direction and therefore plays a central role when considering the swing dynamics.
Aufgrund der kleinen Querschnittsfläche des Auslegers und kleinen Schubverformungen kann der Ausleger als Euler-Bernoulli Balken betrachtet werden. Damit wird die rotatorische kinetische Energie der Balkendrehung um die vertikale Achse vernachlässigt. Es wird angenommen, dass die mechanischen Parameter wie Massebeläge und Flächenträgheitsmomente der Euler-Bernoulli Näherung der Ausleger-Elemente bekannt sind und zur Berechnung verwendet werden können.Due to the small cross-sectional area of the cantilever and small shear deformations, the cantilever can be viewed as an Euler-Bernoulli beam. The rotational kinetic energy of the beam rotation around the vertical axis is thus neglected. It is assumed that the mechanical parameters such as mass distributions and area moments of inertia of the Euler-Bernoulli approximation of the cantilever elements are known and can be used for the calculation.
Abspannungen zwischen dem A-Bock und dem Ausleger wirken sich kaum auf die Schwenkdynamik aus und werden daher nicht mit modelliert. Verformungen des Auslegers in Längsrichtung sind ebenfalls so gering, dass sie vernachlässigt werden können. Damit lässt sich die ungedämpfte Dynamik des Auslegers im rotierenden Referenzsystem durch die bekannte partielle Differentialgleichung
Um eine Beschreibung der Auslegerdynamik im Inertialsystem zu erhalten wird die Eulerkraft aus der verteilten Kraft ausgegliedert, was auf die partielle Differentialgleichung
Eine Skizze des Auslegers ist in
Für die Modellierung der Schwenkdynamik wird vorteilhafterweise die Turmtorsion und Turmbiegung quer zur Auslegerrichtung berücksichtigt. Der Turm kann aufgrund seiner Geometrie zunächst als homogener Euler-Bernoulli-Balken angenommen werden. Zugunsten einer einfacheren Modellierung wird der Turm an dieser Stelle durch ein Starrkörper-Ersatzmodell dargestellt. Es wird nur eine Eigenmode für die Turmbiegung und eine für die Turmtorsion berücksichtigt. Da im Wesentlichen nur die Bewegung an der Turmspitze für die Schwenkdynamik relevant ist, kann die Turmdynamik durch jeweils ein Feder-Masse-System mit übereinstimmender Eigenfrequenz als Ersatzsystem für Biegung bzw. Torsion verwendet werden. Für den Fall einer höheren Elastizität des Turmes lassen sich die Feder-Masse-Systeme an dieser Stelle leichter um weitere Eigenmoden ergänzen, indem entsprechend viele Massen und Federn hinzugefügt werden, vgl.
Die Parameter Federsteifigkeit c b und Masse mT werden so gewählt, dass die Auslenkung an der Spitze sowie die Eigenfrequenz mit der des Euler-Bernoulli-Balkens übereinstimmen, welcher die Turmdynamik repräsentiert. Sind für den Turm das konstante Flächenträgheitsmoment IT, die Turmhöhe lT und der Massebelag µT bekannt, so lassen sich die Parameter aus der statischen Auslenkung am Balkenende
Für die Turmtorsion lässt sich analog ein Starrkörper Ersatzmodell mit der Trägheit JT und der Torsionsfedersteifigkeit ct herleiten wie in
Sind für den Turm das polare Flächenträgheitsmoment Ip , das Torsionsträgheitsmoment JT (welches für Kreisringquerschnitte dem polaren Flächenträgheitsmoment entspricht), die Massendichte p und der Schubmodul G bekannt, so lassen sich die Parameter des Ersatzmodells zu
Um sowohl die Ersatzmasse mT als auch die Ersatzträgheit JT in Form eines additiven Massebelags des Auslegers zu berücksichtigen, kann die Approximation der Trägheit für schlanke Objekte verwendet werden, aus der folgt, dass ein schlankes Balkensegment der Länge
Da die Dimensionen und Trägheitsmomente der Nutzlasten eines Turmdrehkrans in der Regel unbekannt sind, kann die Nutzlast weiterhin als konzentrierter Massenpunkt modelliert werden. Die Seilmasse kann vernachlässigt werden. Im Gegensatz zum Ausleger wird die Nutzlast etwas stärker durch Euler, Coriolis und Zentrifugalkräfte beeinflusst. Die Zentrifugalbeschleunigung wirkt nur in Auslegerrichtung, ist also an dieser Stelle nicht relevant, die Coriolisbeschleunigung ergibt sich mit dem Abstand xL der Last zum Turm zu
Aufgrund der geringen Ausleger-Drehraten kann die Coriolisbeschleunigung auf die Last vernachlässigt werden, insbesondere wenn die Last positioniert werden soll. Um bei Bedarf eine Störgrößenaufschaltung realisieren zu können wird sie jedoch noch für einige Schritte mitgeführt.Due to the low boom rotation rates, the Coriolis acceleration on the load can be neglected, especially when the load is to be positioned. However, in order to be able to implement a feedforward control if necessary, it is carried along for a few more steps.
Für die Herleitung der Pendeldynamik wird diese auf eine Tangentialebene projiziert, die orthogonal zum Ausleger orientiert ist und die Position der Laufkatze schneidet.To derive the pendulum dynamics, this is projected onto a tangential plane that is orthogonal to the boom and intersects the position of the trolley.
Die Eulerbeschleunigung ergibt sich zu
Aufgrund der in der Regel kleinen Pendelwinkel gilt die Näherung
Die Beschleunigung auf die Last sind in
Dabei ist
Die Pendeldynamik lässt sich leicht über den Lagrange Formalismus herleiten. Dazu wird zunächst die potentielle Energie
Linearisiert um φ = 0,φ= 0 folgt daraus unter Vernachlässigung der Seillängenänderung i≈0 und der Coriolisbeschleunigung aCoriolis,y ≈0 die vereinfachte Pendeldynamik
Um die Rückwirkung der Pendeldynamik auf die Strukturdynamik von Ausleger und Turm zu beschreiben, muss die Seilkraft FR bestimmt werden. Am einfachsten wird diese dazu durch ihren Hauptanteil durch die Erdbeschleunigung zu
Das verteiltparametrische Modell (5) der Auslegerdynamik beschreibt unendlich viele Eigenmoden des Auslegers und ist in der Form noch nicht für einen Regelungsentwurf geeignet. Da für Beobacher und Regelung nur wenige der niederfrequentesten Eigenmoden relevant sind, bietet sich eine Modaltransformation mit anschließender modaler Ordnungsreduktion auf diese wenigen Eigenmoden an. Eine analytische Modaltransformation der Gleichung (5) ist jedoch eher schwierig. Stattdessen bietet es sich an, Gleichung (5) zunächst mittels finiten Differenzen oder der finite Elemente Methode örtlich zu diskretisieren und somit eine gewöhnliche Differentialgleichung zu erhalten.The distributed parametric model (5) of the cantilever dynamics describes an infinite number of eigenmodes of the cantilever and is not yet suitable for a control design in this form. Since only a few of the lowest-frequency eigenmodes are relevant for observers and controllers, a modal transformation with subsequent modal order reduction to these few eigenmodes is appropriate. However, an analytical modal transformation of equation (5) is rather difficult. Instead, it makes sense to first locally discretize equation (5) using finite differences or the finite element method and thus obtain an ordinary differential equation.
Bei einer Diskretisierung mittels der finiten Differenzen wird der Balken auf N äquidistant verteilte Massepunkte an den Auslegerpositionen
Für die Diskretisierung von w"(x) müssen die Randbedingungen (6)-(7)
Durch die Wahl der zentralen Differenzen Approximation hängt Gleichung (35) an den Rändern von den Werten I -1, und I N+1 ab, welche in der Praxis durch die Werte I 1, und IN ersetzt werden können.Due to the choice of the central difference approximation, equation (35) depends on the edges of the values I -1 , and I N+ 1 , which in practice can be replaced by the values I 1 , and I N .
Für das weitere Vorgehen bietet sich eine Vektorschreibweise (fett gedruckt) an. Der Vektor der Ausleger Auslenkungen wird als
Ebenso wird die Massenmatrix des Massebelags (Einheit kgm) als Diagonalmatrix
Für die verteilte einwirkende Kraft wird der Vektor
Nun soll das dynamische Zusammenwirken von Stahlstruktur-Bewegung und Pendeldynamik beschrieben werden.Now the dynamic interaction of steel structure movement and pendulum dynamics should be described.
Hierzu werden zunächst die zusätzlichen Punktmassen auf dem Ausleger, nämlich die Gegenballastmasse mc, , die Ersatzmasse für den Turm mT sowie die Katzmasse mtr der verteilten Massenmatrix
Zudem können die Kräfte und Momente beschrieben werden, mit denen Turm und Last auf den Ausleger wirken. Die Kraft aufgrund der Turmbiegung ist über das Ersatzmodell durch
Durch die horizontale Seilkraft (28) ergibt sich der Eintrag
Da somit nun alle Kräfte von φ oder
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die drei Parameter Position der Laufkatze auf dem Ausleger xtr' Hubseillänge / und Lastmasse mL im laufenden Betrieb variieren. Daher handelt es sich bei (50) um eine lineare parametervariante Differentialgleichung, deren konkrete Ausprägung erst zur Laufzeit insbesondere online ermittelt werden kann. Beim späteren Beobachter- und Regelungsentwurf muss dies beachtet werden.At this point it should be noted that the three parameters position of the trolley on the jib x tr' hoist cable length / and load mass m L vary during operation. Therefore, (50) is a linear parameter-variant differential equation, the specific form of which can only be determined at runtime, especially online. This must be taken into account in later observer and control drafts.
Die Anzahl der Diskretisierungspunkte N sollte groß genug gewählt werden, um eine präzise Beschreibung der Balkenverformung und -Dynamik zu gewährleisten. Damit wird (50) zu einem großen Differentialgleichungs-System. Für die Regelung bietet sich jedoch eine modale Ordnungsreduktion an, um die Vielzahl der Systemzustände auf eine niedrigere Anzahl zu reduzieren.The number of discretization points N should be chosen large enough to ensure an accurate description of the beam deformation and dynamics. Thus (50) becomes a large system of differential equations. However, a modal order reduction is suitable for the control in order to reduce the large number of system states to a lower number.
Die modale Ordnungsreduktion ist eines der am häufigsten verwendeten Reduktionsverfahren. Die Grundidee besteht darin, zunächst eine Modaltransformation durchzuführen, also die Dynamik des Systems auf Basis der Eigenmoden (Formen) und der Eigenfrequenzen anzugeben. Anschließend werden dann nur die relevanten Eigenmoden (in der Regel die niederfrequentesten) ausgewählt und alle höherfrequenten Moden vernachlässigt. Die Anzahl der berücksichtigten Eigenmoden wird im Folgenden mit ξ bezeichnet.Modal order reduction is one of the most commonly used reduction methods. The basic idea is to first carry out a modal transformation, i.e. to specify the dynamics of the system on the basis of the eigenmodes (shapes) and the eigenfrequencies. subsequently become then only the relevant eigenmodes (usually the lowest-frequency ones) are selected and all higher-frequency modes are neglected. The number of eigenmodes taken into account is denoted by ξ in the following.
Zunächst müssen die Eigenvektoren
Drei der wichtigsten Eigenmoden sind in
Die Dynamik des Drehwerk-Antriebes wird vorteilhafterweise als ein PT1-Glied approximiert, das die Dynamik
Für den Beobachter und die Regelung der Schwenkdynamik kann das System (59) um einen Ausgangsvektor
Der Ausgangsvektor
Auf Basis des Modells (61) lässt sich beispielsweise ein Beobachter 345, vgl.
Da die Gleichungen (60) und (61) ein parametervariantes System beschreiben, ist die Lösung P der Gleichung (63) immer nur für den entsprechenden Parametersatz {xtr,l,mL } gültig. Die Standardverfahren zur Lösung algebraischer Riccati Gleichungen sind allerdings recht rechenintensiv. Um Gleichung (63) nicht zur Laufzeit auswerten zu müssen, kann die Lösung P für ein fein aufgelöstes Kennfeld in den Parametern xtr,l,mL offline vorberechnet werden. Zur Laufzeit (online) wird dann aus dem Kennfeld der Wert ausgewählt, dessen Parametersatz {xtr,l,mL } den momentanen Parametern am nächsten liegt.Since equations (60) and (61) describe a parameter-variant system, the solution P of equation (63) is always only valid for the corresponding parameter set { x tr ,l,m L }. However, the standard methods for solving algebraic Riccati equations are quite computationally intensive. In order not to have to evaluate equation (63) at runtime, the solution P for a finely resolved map can be precalculated offline in the parameters x tr ,l,m L . At runtime (online), the value is then selected from the characteristics map whose parameter set { x tr ,l,m L } is closest to the current parameters.
Da durch den Beobachter 345 alle Systemzustände
Hierzu eignet sich beispielsweise ein linear-quadratischer Ansatz, bei dem die Rückführungsverstärkung K so gewählt wird, dass das Gütefunktional
Da auch die Verstärkung K in Gleichung (66) abhängig vom Parametersatz {xtr,l,mL } ist, wird für diese analog zur Vorgehensweise für den Beobachter ein Kennfeld erzeugt. Im Kontext der Regelung ist dieser Ansatz unter dem Begriff "gain scheduling" bekannt.Since the gain K in Equation (66) is also dependent on the parameter set { x tr ,l,m L }, a characteristic map is generated for this analogously to the procedure for the observer. In the context of regulation, this approach is known under the term "gain scheduling".
Zur Anwendung der Regelung an einem Turmdrehkran, kann die Beobachterdynamik (62) auf einem Steuergerät zur Laufzeit simuliert werden. Dazu können einerseits die Stellsignale u der Antriebe, sowie andererseits die Messignale
Da sich die Radialdynamik ebenfalls durch ein lineares Modell der Form (60)-(61) darstellen lässt, kann für die Regelung der Radialdynamik analog zur Schwenkdynamik vorgegangen werden. Beide Regelungen wirken am Kran dann unabhängig voneinander und stabilisieren die Pendeldynamik in radiale Richtung sowie quer zum Ausleger, jeweils unter Berücksichtigung der Antriebs- und Strukturdynamik.Since the radial dynamics can also be represented by a linear model of the form (60)-(61), the procedure for controlling the radial dynamics can be analogous to the pivoting dynamics. Both controls then act independently on the crane and stabilize the pendulum dynamics in the radial direction and transverse to the boom, each taking into account the drive and structural dynamics.
Im Folgenden wird ein Ansatz zur Modellierung der Radialdynamik beschrieben. Dieser unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Ansatz zur Modellierung der Schwenkdynamik dadurch, dass der Kran nun durch ein Ersatzsystem aus mehreren verkoppelten Starrkörpern beschrieben wird und nicht durch kontinuierliche Balken. Dabei kann der Turm in zwei Starrkörper aufgeteilt werden, wobei ein weiterer Starrkörper den Ausleger repräsentieren kann, vgl.
Dabei beschreibenαy und βy die Winkel zwischen den Starrkörpern und φy den radialen Pendelwinkel der Last. Mit P werden die Positionen der Schwerpunkte beschrieben, wobei der Index CJ für den Gegenausleger, J für den Ausleger, TR für die Laufkatze (engl.: trolley) und T für den Turm (in diesem Fall den oberen Starrkörper des Turmes) steht. Die Positionen hängen dabei zumindest teilweise von den durch die Antriebe gestellten Größen xTR und l ab. An den Gelenken zwischen den Starrkörpern befinden sich Federn mit den Federsteifigkeiten c̃a
Die Dynamik lässt sich über den bekannten Lagrange Formalismus herleiten. Dabei sind die drei Freiheitsgrade im Vektor
Durch Einsetzen von L und Berechnung der entsprechenden Ableitungen ergeben sich in diesen Gleichungen sehr große Terme, so dass eine explizite Darstellung hier nicht sinnvoll ist.By inserting L and calculating the corresponding derivatives, the terms in these equations are very large, so that an explicit representation does not make sense here.
Die Dynamik der Antriebe des Katzwerks sowie des Hubwerks lässt sich in der Regel gut approximieren durch die PT1 Dynamiken erster Ordnung
Darin beschreiben τi die entsprechenden Zeitkonstanten und ui die Sollgeschwindigkeiten.In it, τ i describe the corresponding time constants and u i the setpoint speeds.
Hält man nun alle Antriebsbezogenen Variablen im Vektor
Da die Radialdynamik somit in Minimalkoordinaten vorliegt, ist eine Ordnungsreduktion nicht erforderlich. Allerdings ist aufgrund der Komplexität der durch (75) beschriebenen Gleichungen eine analytische offline Vorberechnung der Jacobi Matrix
Das weitere Vorgehen des Beobachter- und Regelungsentwurfes entspricht dem für die Schwenkdynamik.The further procedure of the observer and control draft corresponds to that for the swing dynamics.
Wie schon erwähnt, kann die Auslenkung des Hubseils gegenüber der Vertikalen 62 nicht nur durch eine bildgebende Sensorik an der Laufkatze bestimmt werden, sondern auch durch eine Inertialmesseinrichtung am Lasthaken.As already mentioned, the deflection of the hoist rope relative to the vertical 62 can be determined not only by an imaging sensor system on the trolley, but also by an inertial measuring device on the load hook.
Eine solche Inertialmesseinrichtung IMU kann insbesondere Beschleunigungs- und Drehratensensormittel zum Bereitstellen von Beschleunigungs- und Drehratensignalen aufweisen, die einerseits translatorische Beschleunigungen entlang verschiedener Raumachsen und andererseits Drehraten bzw. gyroskopische Signale bezüglich verschiedener Raumachsen angeben, umfassen. Als Drehraten können dabei Drehgeschwindigkeiten, grundsätzlich aber auch Drehbeschleunigungen oder auch beides bereitgestellt werden.Such an inertial measuring device IMU can in particular have acceleration and yaw rate sensors for providing acceleration and yaw rate signals that indicate translatory accelerations along different spatial axes on the one hand and yaw rates or gyroscopic signals with respect to different spatial axes on the other hand. In this case, rotational speeds, but in principle also rotational accelerations or even both, can be provided as rotational rates.
Vorteilhafterweise kann die Inertialmesseinrichtung IMU dabei Beschleunigungen in drei Raumachsen und Drehraten um zumindest zwei Raumachsen erfassen. Die Beschleunigungssensormittel können dreiachsig arbeitend und die Gyroskopsensormittel können zweiachsig arbeitend ausgebildet sein.The inertial measuring device IMU can advantageously record accelerations in three spatial axes and rates of rotation about at least two spatial axes. The acceleration sensor means can work on three axes and the gyroscope sensor means can work on two axes.
Die am Lasthaken angebrachte Inertialmesseinrichtung IMU kann ihre Beschleunigungs- und Drehratensignale und/oder daraus abgeleitete Signale vorteilhafterweise drahtlos an die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 3 bzw. deren Pendeldämpfungseinrichtung 340 übermitteln, die an einem Strukturteil des Krans angebracht oder auch separat in Krannähe angeordnet sein kann. Insbesondere kann die Übermittlung an einen Empfänger REC erfolgen, der an der Laufkatze 206 und/oder an der Aufhängung, von der das Hubseil abläuft, angebracht sein kann. Vorteilhafterweis kann die Übertragung bspw. über eine WLAN-Verbindung erfolgen, vgl.
Wie
Für die Modellierung des Pendelverhaltens eines Krans können die beiden Pendelrichtungen in Verfahrrichtung der Laufkatze, d.h. in Längsrichtung des Auslegers einerseits und in Dreh- bzw. Bogenrichtung um die Turmachse, d.h. in Richtung quer zur Längsrichtung des Auslegers, separat voneinander betrachtet werden, da sich diese beiden Pendelbewegungen kaum gegenseitig beeinflussen. Jede Pendelrichtung kann daher zweidimensional modelliert werden.To model the swaying behavior of a crane, the two swaying directions in the travel direction of the trolley, i.e. in the longitudinal direction of the jib on the one hand, and in the direction of rotation or arcing around the tower axis, i.e. in the direction transverse to the longitudinal direction of the jib, can be considered separately from one another, since these differ both pendulum movements hardly affect each other. Each pendulum direction can therefore be modeled two-dimensionally.
Betrachtet man das in
Die kinetische Energie wird bestimmt durch
Mit der Erdbeschleunigung g.With the gravitational acceleration g .
Da V nicht von r abhängt, lautet die Euler-Lagrange Gleichung
Die Dynamik in der y - z Ebene kann analog ausgedrückt werden.The dynamics in the y - z plane can be expressed analogously.
Im Folgenden wird die Beschleunigung s̈x der Laufkatze bzw. eines Portalkran-Läufers als bekannte System-Eingangsgröße betrachtet. Diese läßt sich bisweilen direkt messen oder auf Basis der gemessenen Laufkatzen-Geschwindigkeit schätzen. Alternativ oder zusätzlich kann die Katzbeschleunigung mit einem separaten the trolley Accelerometer gemessen oder auch geschätzt werden, wenn die Antriebsdynamik bekannt ist. Das dynamische Verhalten elektrischer Kranantriebe kann anhand des Lastverhaltens erster Ordnung
Abgeschätzt werden, wobei das Eingangssignal ux der gewünschten Geschwindigkeit entspricht und Tx die Zeitkonstante ist. Bei ausreichender Genauigkeit wird keine weitere Messung der Beschleunigung benötigt.Estimated where the input signal u x corresponds to the desired speed and T x is the time constant. If the accuracy is sufficient, no further measurement of the acceleration is required.
Die Kipprichtung des Lasthakens wird durch den Kippwinkel εβ beschrieben, vgl.
Da die Drehrate oder Kippgeschwindigkeit gyroskopisch gemessen wird, entspricht das der Abschätzung der Verkippung zugrunde liegende Modell dem einfachen Integrator
Der IMU mißt alle Signale im sich mitbewegenden, mitdrehenden körperfesten Koordinatensystem des Lasthakens, was mit dem vorangestellten Index K gekennzeichnet ist, während Vektoren in inertialen Koordinaten mit I gekennzeichnet werden oder auch ganz ohne Index bleiben. Sobald εβ geschätzt ist, kann die gemessene Beschleunigung K a = [ Kax Kaz ] T in Lasthaken-Koordinaten zu K a in inertialen Koordinaten tranformiert werden, und zwar unter Verwendung von
Die inertiale Beschleunigung kann dann zum Abschätzen des Pendelwinkels auf Basis von (107) and (103) genutzt werden.The inertial acceleration can then be used to estimate the sway angle based on (107) and (103).
Das Anschätzen des Seilwinkels β erfordert eine genaue Abschätzung der Verkippung des Lasthakens εβ . Um diesen Winkel auf Basis des einfachen Models gemäß (109) abschätzen zu können, wird ein absoluter Refernezwert benötigt, da das Gyroskop begrenzt genau ist und ein Ausgangswert unbekannt ist. Zudem wird die gyroskopische Messung regelmäßig von einer näherungsweise konstanten Abweichung überlagert, die dem Messprinzip inherent ist. Ferner kann auch nicht angenommen werden, dass εβ generell um Null oszilliert. Daher wird der Beschleunigungs-Sensor dazu verwendet, einen solchen Referenzwert bereitzustellen, indem die Erdbeschleunigungskonstante (die im Signal mit niedriger Frequenz auftritt) ausgewertet wird und in inertialen Koordinaten als
Bekannt ist und in Lasthaken-Koordinaten
Das negative Vorzeichen von K g resultiert dabei aus dem Umstand, dass die Erdbeschleunigung aufgrund des Sensorprinzips als fiktive Aufwärtsbeschleunigung gemessen wird.The negative sign of K g results from the fact that the gravitational acceleration is measured as a fictitious upward acceleration due to the sensor principle.
Da alle Komponenten von K r̈ generell signifikant kleiner als g sind und um Null oszillieren, erlaubt die Anwendung eines Tiefpass-Filters mit ausreichend niedriger Ausblendfrequenz die Näherung
Dividiert man die x Komponente durch die z Komponente, erhält man den Referenzkippwinkel für niedrige Frequenzen als
Die einfache Struktur der linearen Pendeldynamik nach (109) erlaubt die Verwendung von diversen Filtern, um die Orientierung abzuschätzen. Eine Option ist dabei ein sog. zeitkontinuierlicher Kalman Bucy Filter der durch Variation der Verfahrensparameter und Rauschmessung eingestellt werden kann. Im Folgenden wird indes ein Komplementärfilter wie in
Wie das Blockdiagram der
Insbesondere kann zunächst ein einfacher Hochpass-Filter mit der Transfer-Funktion
Auf Basis der geschätzten Lasthaken-Orientierung, kann die inertiale Beschleunigung I a des Lasthakens aus der Messung von K a bestimmt werden, und zwar unter Verwendung von (110), was die Gestaltung eines Beobachters auf Basis der Pendeldynamik (107) gestattet sowie die rotierte Beschleunigungsmessung
Obwohl beide Komponenten dieser Gleichung gleichermaßen für die Abschätzung des Pendelwinkels hergenommen werden können, können gute Ergebnisse auch nur unter Verwendung der x -Komponente erhalten werden, die unabhängig von g ist.Although both components of this equation can be used equally for estimating the sway angle, good results can also be obtained using only the x component, which is independent of g .
Nachfolgend wird angenommen, dass die Pendeldynamik durch prozeßbedingtes Hintergrundrauschen w:N(0,Q) und Messrauschen ν:N(0,R) überlagert wird, so dass sie als nicht-lineares stochastisches System ausdrückbar ist, nämlich
Die räumliche Zustandsdarstellung der Pendeldynamik gemäß (107) lautet dabei
Die horizontale Komponente lgx der Erdbeschleunigung ist dabei naturgemäß Null. Dabei können l̇,l̈ aus der Messung von l rekonstruiert werden, bspw. unter Verwendung der Antriebsdynamik gemäß (108). Bei Verwendung von (123) als Messfunktion
Dabei sind die Kovarianzmatrix-Schätzungen des Prozeßrauschens Q = I 2×2, des Messrauschens R = 1000 sowie die initiale Fehler-Kovarianzmatrix P = 02×2.The covariance matrix estimates of the process noise are Q = I 2 × 2 , the measurement noise R = 1000 and the initial error covariance matrix P = 0 2 × 2 .
Wie
Interessant ist dabei, dass die Berechnung mittels eines relativ einfachen statischen Ansatzes vergleichbar gute Ergebnisse liefert wie der erweiterte Kalman-Filter. Deshalb können die Pendeldynamik gemäß (122) und die Ausgansgleichung gemäß (123) um den stabilen Zustand β = β̇ = 0 linearisiert werden. Wenn weiterhin die Seilänge l als konstant angenommen wird so dass l̇ = l̈ = 0, ergibt sich für das linearisierte System
Unter Verwendung von β und der Gleichung (101), kann somit eine genaue Schätzung der Lastposition erreicht werden.Thus, using β and equation (101), an accurate estimate of the load position can be achieved.
Bei Modellierung der Dynamik der geschwindigkeitsbasierten Kranantriebe gemäß (108) einhergehend mit einer Parameterbestimmung, werden die sich ergebenden Zeitkonstanten gemäß
Um die Pendeldynamik mit der Antriebsgeschwindigkeit ṡx anstelle der Antriebsbeschleunigung s̈x als Systemeingangsgröße anzugeben, kann das linearisierte Dynamiksystem gmäß (127) durch Integration "erhöht" werden, woraus sich ergibt:
Dabei ist der neue Statusvektor x̃ = [∫β β] T . Die Dynamik bleibt ersichtlich dieselbe, wohingegen die physikalische Bedeutung und der Eingang sich verändern. Als Unterschied zu (127) soll β und β̇ bei Null stabilisiert werden, nicht jedoch das Zeitintegral ∫β. Da der Regler eine gewünschte Geschwindigkeit ṡx,d halten können soll, sollte der gewünschte stabile Zustand permanent aus
Das gewonnene Feedback kann als linear-quadratischer Regler (LQR) bestimmt werden, der eine linear-quadratische Gauss-Regler-Struktur (LQG) zusammen mit dem Kalman-Bucy Filter darstellen kann. Sowohl das Feedback als auch der Kalman-Stellfaktor können an die Seillänge l angepasst werden, bspw. unter Verwendung von Stellfaktorplänen.The feedback obtained can be defined as a linear-quadratic controller (LQR), which can represent a linear-quadratic Gaussian controller (LQG) structure together with the Kalman-Bucy filter. Both the feedback and the Kalman gain can be adjusted to the rope length l , e.g. using gain plans.
Um den Lasthaken nahe entlang von Trajektorien zu steuern, kann - ähnlich wie schon zuvor erläutert - eine mit zwei Freiheitsgraden versehene Struktur wie in
Wie
Claims (17)
- A crane, in particular a revolving tower crane, having a hoist rope (207) that runs off from a crane boom (202) and carries a load suspension means (208); having drive devices for moving a plurality of crane elements and for traveling the load suspension means (208); having a control device (3) for controlling the drive devices such that the load suspension means (208) travels along a travel path; and having an oscillation damping device (340) for damping oscillating movements of the load suspension means (208) and/or of the hoist rope (207), wherein the oscillation damping device (340) has an oscillation sensor system (60) for detecting oscillating movements of the hoist rope (207) and/or of the load suspension means (208) and has a regulator module (341) having a closed feedback loop for influencing the control of the drive devices in dependence on a oscillation signal of the oscillation sensor system (60) fed back to the feedback loop, characterized in that the oscillation damping device (340) has a structural dynamics sensor system (342) for detecting deformations and/or dynamic movements in themselves of structural components of the crane; and in that the regulator module (341) of the oscillation damping device (340) is configured to take account of both the oscillation signal of the oscillation sensor system (60) and the structural dynamics signals fed back to the feedback loop that indicate deformations and/or dynamic movements in themselves of the structural components on the influencing of the control of the drive devices, with the structural dynamics sensor system (342) being configured to determine dynamic torsions of a crane tower (201) carrying the crane boom and/or of the crane boom (202); and with the regulator module (341) of the oscillation damping device (340) being configured to influence the control of the drive devices in dependence on the detected dynamic torsions of the crane boom (202) and/or of the crane tower (201).
- A crane in accordance with the preceding claim, wherein the regulator module (341) has a regulation structure having two degrees of freedom and/or has a feedforward module (350), in addition to the closed feedback loop, to feed forward the control signals for the drive devices; wherein the feedforward module (350) is configured as a differential flatness model to carry out the feed forward without taking account of the oscillation signals of the oscillation sensor system (60) and of the structural dynamics signals of the structural dynamics sensor system (342).
- A crane in accordance with the preceding claim, wherein the feed forward module (350) has a notch filter device (353) for filtering the input signals supplied to the feedforward that is configured to eliminate stimulable eigenfrequencies of the structural dynamics from said input signals and/or a desired value filter module (352) for determining a desired progression for the load suspension means position and its time derivatives from predetermined desired values for the load suspension means are associated with the feedforward module (350); and wherein the notch filter device (353) is provided between the trajectory planning module (351) and the desired value filter module (352), on the one hand, and the feedforward module (350), on the other hand.
- A crane in accordance with one of the preceding claims, wherein the regulator module (341) has a regulation model that divides the structural dynamics of the crane into mutually independent portions that at least comprise a pivot dynamics portion that takes account of the structural dynamics with respect to the pivoting of the boom (202) about the upright crane pivot axis and a radial dynamics portion that takes account of structural dynamics movements in parallel with a vertical plane in parallel with a boom.
- A crane in accordance with one of the preceding claims, wherein the structural dynamics sensor system (342) at least has- a radial dynamics sensor for detecting dynamic movements of the crane structure in an upright plane in parallel with the crane boom (202); and- a pivot dynamics sensor for detecting dynamic movements of the crane structure about an upright axis of rotation of the crane, in particular the tower axis (205),and the regulator module (341) of the oscillation damping device (340) is configured to influence the control of the drive devices, in particular of a trolley drive and a slewing gear drive, in dependence on the detected dynamic movements of the crane structure in the upright plane in parallel with the boom and on the detected dynamic movements of the crane structure about the upright axis of rotation of the crane.
- A crane in accordance with one of the preceding claims, wherein the structural dynamics sensor system (342) further has- a hoist dynamics sensor for detecting vertical dynamic deformations of the crane boom (202); and wherein the regulator module (341) of the oscillation damping device (340) is configured to influence the control of the drive devices, in particular of a hoisting gear drive, in dependence on the detected vertical deformations of the crane boom (202).
- A crane in accordance with the preceding claim, wherein the structural dynamics sensor system (342) is configured to detect all the eigenmodes of the dynamic torsions of the crane boom (202) and/or of the crane tower (201) whose eigenfrequencies lie in a predefined frequency range and has at least one tower sensor, preferably a plurality of tower sensors, that is/are arranged spaced apart from a node of a eigen-oscillation of a tower for detecting tower torsions and has at least one boom sensor, preferably a plurality of boom sensors, that is/are arranged spaced apart from a node of a eigen-oscillation of a boom for detecting boom torsions.
- A crane in accordance with one of the preceding claims, wherein the structural dynamics sensor system (342) has strain gauges and/or accelerometers and/or rotational rate sensors, in particular in the form of gyroscopes, for the detection of deformations and/or dynamic movements of structural components of the crane in themselves and/or at least one rotational rate sensor and/or accelerometer and/or strain gauge for detecting dynamic tower deformations and at least one rotational rate sensor and/or accelerometer and/or strain gauge for detecting dynamic boom deformations.
- A crane in accordance with one of the preceding claims, wherein the oscillation sensor system (60) has a detection device for detecting and/or estimating a deflection (ϕ; β) of the hoist rope (207) and/or of the load suspension means (208) with respect to a vertical (61); and wherein the regulator module (341) of the oscillation damping device (340) is configured to influence the control of the drive devices in dependence on the determined deflection (ϕ; β) of the hoist rope (207) and/or of the load suspension means (208) with respect to the vertical (61).
- A crane in accordance with the preceding claim, wherein the detection device (60) has an imaging sensor system, in particular a camera (62) that looks substantially straight down in the region of a suspension point of the hoist rope (207), in particular of a trolley (206), and wherein an image evaluation device (64) is provided for evaluating an image provided by the imaging sensor system with respect to the position of the load suspension means (208) in the provided image and for determining the deflection (ϕ) of the load suspension means (208) and/or of the hoist rope (207) and/or the deflection speed with respect to the vertical (61);
- A crane in accordance with one of the two preceding claims, wherein the detection apparatus (60) has an inertial measurement unit (IMU) attached to the load suspension means (208) having accelerometer means and rotational rate sensor means for providing acceleration signals and rotational rate signals; first determination means (401) for determining and/or estimating a tilt (εβ) of the load suspension means (208) from the acceleration signals and rotational rate signals of the inertial measurement unit (IMU); and second determination means (410) for determining the deflection (β) of the hoist rope (207) and/or of the load suspension means (208) with respect to the vertical (61) from the determined tilt (εβ) of the load suspension means (208) and an inertial acceleration (Ia) of the load suspension means (208); wherein the first determination means (401) have a complementary filter (402) having a highpass filter (403) for the rotational rate signal of the inertial measurement unit (MU) and a lowpass filter (404) for the acceleration signal of the inertial measurement unit (IMU) or a signal derived therefrom, which complementary filter (402) is configured to link an estimate of the tilt (εβ,ω) of the load suspension means (208) that is supported by the rotational rate and that is based on the highpass filtered rotational rate signal and an estimate of the tilt (εβ,a) of the load suspension means (208) that is supported by acceleration and that is based on the lowpass filtered acceleration signal with one another and to determine the sought tilt (εβ) of the load suspension means (208) from the linked estimates of the tilt (εβ,w ; εβ,a ) of the load suspension means (208) supported by the rotational rate and by the acceleration; and wherein the estimate of the tilt (εβ,ω) of the load suspension means (208) supported by the rotational rate comprises an integration of the highpass filtered rotational rate signal; and/or wherein the estimate of the tilt (εβ,a) of the load suspension means (208) supported by the acceleration is based on the quotient of a measured horizontal acceleration (kax) and on a measured vertical acceleration (kaz) from which the estimate of the tilt (εβ,a) supported by the acceleration is acquired using the relationship
- A crane in accordance with the preceding claim, wherein the second determination means (410) have a filter device and/or an observer device that comprises a Kalman filter (411), in particular an extended Kalman filter, and that takes account of the determined tilt (εβ) of the load suspension means (208) as the input value and determines the deflection (ϕ; β) of the hoist rope (207) and/or of the load suspension means (208) with respect to the vertical (61) from an inertial acceleration (la) at the load suspension means (208) and/or have a calculation device for calculating the deflection (β) of the hoist rope (207) and/or of the load suspension means (208) with respect to the vertical (61) from the quotient of a horizontal inertial acceleration (lax) and of an acceleration due to gravity (g).
- A crane in accordance with one of the preceding claims 11 and 12, wherein the inertial measurement unit (IMU) has a wireless communication module for the wireless transmission of measurement signals and/or of signals derived therefrom to a receiver, with the communication module and the receiver preferably being connectable to one another via a wireless LAN connection and with the receiver being arranged at the trolley from which the hoist rope runs off.
- A crane in accordance with one of the preceding claims, wherein the regulator module (341) has a filter device and/or observer device (345) for influencing the control variables of drive regulators (347) for controlling the drive devices, with said filter device and/or observer device (345) being configured to obtain the control variables of the drive regulators (347), on the one hand, and both the oscillation signal of the oscillation sensor system (60) and the structural dynamics signals that are fed back to the feedback loop that give the deformations and/or dynamic movements of the structural components in themselves, on the other hand, as input values, and to influence the regulator control variables in dependence on the dynamically induced movements of crane elements and/or deformations of structural elements obtained for specific regulator control variables; wherein the filter device and/or observer device (345) is configured as a Kalman filter (346) in which detected and/or estimated and/or calculated and/or simulated functions that characterize the dynamics of the structural elements of the crane are implemented in the Kalman filter (346).
- A crane in accordance with one of the preceding claims, wherein the regulator module (341) is configured to track and/or to adapt at least one characteristic regulation value, in particular regulation gains, in dependence on changes in at least one parameter from the parameter group load mass (mL), hoist rope length (I), trolley position (xtr), and radius.
- A method of controlling a crane, in particular a revolving tower crane, whose load suspension means (208) attached to a hoist rope (207) is traveled by drive devices, which drive devices are controlled by a control apparatus (3) of the crane, wherein the control of the drive devices is influenced by an oscillation damping device (340) comprising a regulator module (341) having a closed feedback loop in dependence on parameters relevant to the oscillation, characterized in that both oscillation signals of an oscillation sensor system (60) by means of which oscillating movements of the hoist rope and/or of the load suspension means are detected and structural dynamics signals of a structural dynamics sensor system (342) by means of which deformations and/or dynamic movements of the structural components in themselves are detected, are fed back to the closed feedback loop, and control signals (u(t)) for controlling the drive devices are influenced by the regulator module (341) in dependence on both the fed back oscillation signals of the oscillation sensor system (60) and the fed back structural dynamics signals of the structural dynamics sensor system (342), with dynamic torsions of a crane tower (201) and/or of the crane boom (202) carrying the crane boom determined by the structural dynamics sensor system (342) and the control of the drive devices being influenced by the regulator module (341) in dependence on the detected dynamic torsions of the crane boom (202) and/or of the crane tower (201).
- A method in accordance with the preceding claim, wherein the fed back oscillation signals of the oscillation sensor system (60) and the fed back structural dynamics signals of the structural dynamics sensor system (342) are supplied to a Kalman filter (346) to which the control variables of the drive regulators (347) for controlling the drive devices are furthermore supplied as input values, wherein the Kalman filter (346) carries out an influencing of the control variables of the drive regulators (347) in dependence on said oscillation signals of the oscillation sensor system (60), on the structural dynamics signals of the structural dynamics sensor system (342), and on the fed back control variables of the drive regulators (347); wherein the control signals for controlling the drive devices are fed forward by a feedforward module (350) connected upstream of the regulator module (341), with said feedforward module (350) being configured to carry out the feedforward without taking account of the oscillation signals of the oscillation sensor system (60) and of the structural dynamics signals of the structural dynamics sensor system (342).
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