FI101215B

FI101215B - Menetelmä nosturin taakan heilahtelun vaimentamiseksi

Info

Publication number: FI101215B
Application number: FI945859A
Authority: FI
Inventors: Olli Maard; Risto Ahvo
Original assignee: Abb Industry Oy
Priority date: 1994-12-13
Filing date: 1994-12-13
Publication date: 1998-05-15
Also published as: JP3118403B2; EP0717004A3; DE69510898D1; EP0717004B1; FI945859A; DE717004T1; FI945859A0; EP0717004A2; FI101215B1; ATE182320T1; JPH08231182A; DE69510898T2; US5799805A

Description

1 101215

Menetelmä nosturin taakan heilahtelun vaimentamiseksi

Keksinnön kohteena on menetelmä nosturin taakan ' heilahtelun vaimentamiseksi taakkaa kannattavan vaunun 5 ja/tai vaunua kannattavan sillan siirtoliikkeen aikana ohjattaessa vaunua/siltaa antamalla vaunun/sillan siirto-käytölle haluttua siirtosuuntaa ja nopeutta vastaava no-peusohje, jossa menetelmässä määritetään oleellisen jatkuvasti vaunun/sillan kiihtyvyyttä ja taakan muodostaman 10 heilurin kunkinhetkistä heilahdusaikavakiota, heilahdus-nopeutta ja poikkeamaa tasapainoasemasta ja nopeusohjeen muuttuessa määritetään senhetkisen heilahtelun kompensoiva ohjaus ja halutun nopeusmuutoksen toteuttava ohjaus. Keksintö koskee siis menetelmää nosturin siirtokäyttöjen oh-15 jäämiseksi siten, että taakan ei-toivottu jälkiheilahtelu haluttujen nopeusmuutosten jälkeen on eliminoitu.

Nostoköyden varassa liikkuvan taakan heilunta tuottaa ongelmia käytettäessä nosturia materiaalin käsittelyssä. Heiluvaan kuormaan sitoutuu taakan massasta riippuen 20 varsin suuri kineettinen energia, joka saattaa aiheuttaa vaaratilanteita tai vaurioita joko itse taakalle tai sen ympäristölle. Kokemattomalta kuljettajalta kuluu myös aikaa heilunnan hillitsemiseen taakkaa paikoitettaessa, koska se vaatii oikea-aikaisia ja oikean suuruisia korjaus-25 liikkeitä. Siirtoliikkeen pysäyttäminen oikeaan kohtaan siten ettei taakan heiluntaa esiinny onkin vaativa tehtävä. Tästä johtuen taakan paikoitukseen kuluu usein yhtä pitkä aika kuin varsinaiseen siirtoon. Siten ei-toivottu heilunta alentaa nosturin käytön tehokkuutta.

30 Taakan heilumista on tutkittu paljon ja automaatti- « sesti toimivia ratkaisuja on kehitetty. Perinteiset ratkaisut jakaantuvat kahteen pääluokkaan: 1) takaisinkytken-tätietoon perustuvat säädöt ja 2) avoimet, sopivien kiih- 35 2 101215 dytys- ja hidastusramppien etukäteen suoritettavaan laskentaan perustuvat säädöt.

Takaisinkytkettyyn säätöön perustuvat järjestelmät vaativat tiedon taakan sijainnista nostovaunuun nähden, 5 säätöalgoritmi kuolettaa taakan heilunnan tähän informaatioon perustuen. Nämä järjestelmät toimivat erinomaisesti ainakin laboratorioissa, mutta niiden ongelmana on monimutkaisuus, kalleus sekä anturoinnin toteutuksen hankaluus ja epäluotettavuus käytännössä. Takaisinkytkettyjen jär-10 jestelmien hyvä puoli on niiden kyky kompensoida myös ulkoisien häiriöiden, kuten tuulen, vaikutusta.

Avoimien järjestelmien etuna on yksinkertaisuus ja edullisuus, ne ovat käyttökelpoisia käytännön ratkaisuissa. Järjestelmä tarvitsee tiedon ainoastaan nostoköyden 15 pituudesta, joka voidaan mitata useilla eri tavoilla. Esimerkiksi oikosulkumoottorin vektorisäädön yhteydessä nostoköyden pituus saadaan mitattua ilmaiseksi järjestelmään kuuluvan pulssitakometrin avulla.

Johdantokappaleessa kuvatun kaltainen nosturin oh-20 jausmenetelmä tunnetaan FI-kuulutusjulkaisusta 91058. Siinä heilahtelun kompensoiva ohjaus käsittää ensimmäisen kiihdytysohjeen ja toisen kiihdytysohjeen. Vaihtoehtoisesti kiihdytysjaksoista poistetaan sopivalla tavalla toteutumattomat osat. Nopeuden muutos puolestaan aikaansaadaan 25 antamalla uudet kiihdytysjaksot, jotka muuttavat nopeuden uutta asetusarvoa vastaavaksi ilman heilahtelua. Tämä nopeuden muuttava kiihdytys voidaan kytkeä välittömästi, mutta heilahtelun kompensoiva kiihdytys voidaan kytkeä vasta heilurin heilahdettua ääriasentoonsa, mikä hidastaa .· 30 nosturin ohjausta. Menetelmässä tarvittavat laskennat ovat lisäksi suhteellisen monimutkaisia.

FI-kuulutusjulkaisusta 89155 tunnetaan puolestaan nosturin ohjausmenetelmä, jossa ei varsinaisesti kompensoida heiluntaa vaan nopeusohjeen muuttuessa summataan 35 halutun nopeusmuutoksen toteuttava ohjaus jo olemassaole- 3 101215 viin ohjauksiin. Koska yksittäiset osaohjaukset eivät itsessään aiheuta heiluntaa, ei myöskään kompensointitarvet-ta esiinny eli heilahtelun kompensoivan kiihdytyksen laskenta ei ole tarpeen. Kyseessä on siis ohjausmenetelmä, 5 joka itsessään ei aiheuta heiluntaa. Tästä seuraa, että heiluntaa - esimerkiksi kiihdytyksen aikana muuttuvan nos-toköyden pituuden aiheuttamaa - ei voida kompensoida.

Tämän keksinnön tavoitteena on tuoda esiin avoimeen säätön perustuva ohjausmenetelmä, jossa edellä mainittuja 10 rajoituksia ei kuitenkaan tarvitse ottaa huomioon. Tähän päästään keksinnön mukaisen menetelmän avulla, jolle on tunnusomaista, että halutun nopeusmuutoksen toteuttava ohjaus on kiihtyvyys, joka kytketään välittömästi no-peusohjeen muuttuessa, ja nopeusohjeen muutoshetkellä val-15 litsevan heilahtelun kompensoiva ohjaus on kiihtyvyys, joka myös kytketään välittömästi, mikäli siirtokäytölle sallittu maksimikiihtyvyys ei ylity. Jos heilahtelun kompensoiva kiihtyvyys välittömästi kytkettäessä muodostuisi suuremmaksi kuin siirtokäytölle sallittu maksimikiihty-20 vyys, heilahtelun kompensoiva kiihtyvyys kytketään, kun taakan muodostama heiluri on saavuttanut ääriasemansa. Menetelmä sallii nopeusohjeen muuttumisen milloin tahansa, myös kesken kiihdytyksen tai jarrutuksen. Saavutettaessa haluttu loppunopeus taakan heilunta on eliminoitu.

25 Edullisesti keksinnön mukaisessa menetelmässä käy tettävä kompensoiva kiihtyvyys on verrannollinen sen ympyrän halkaisijaan, joka heilahdusnopeuden ja tasapainoase-mapoikkeaman määrittämässä suorakulmaisessa koordinaatistossa kulkee origon ja nopeusohjeen muutoshetkellä vallit-30 sevien heilahdusnopeuden ja tasapainoasemapoikkeaman mää-rittämän pisteen kautta.

Jos kompensoiva kiihtyvyys kytketään heti, sen kestoaika tal määritetään kaavasta tai=(0/2 π)τ, 35 missä τ on heilurin senhetkinen heilahdusaikavakio ja Θ se 4 101215 keskuskulma, jonka heilahdusnopeuden ja tasapainoasema-poikkeaman määrittämä piste rajaa siirtyessään mainitun ympyrän kehää myötäpäivään origoon.

Jos kompensoiva kiihtyvyys kytketään, kun taakan 5 muodostama heiluri on saavuttanut ääriasemansa, sen kestoaika tal määritetään kaavasta tax=T/2, missä τ on heilurin senhetkinen heilahdusaikavakio.

Seuraavassa keksinnön mukaista menetelmää kuvataan 10 yksityiskohtaisemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää heilurin yhden heilahdusaikavakion mittaisen kiihdytysjakson aikana piirtämää kuviota skaalatussa koordinaatistossa,- 15 kuvio 2 esittää yhden heilahdusjakson mittaisen kiihtyvyyden piirtämää ympyrää kiihdytettäessä kumpaankin suuntaan suurimmalla sallitulla kiihtyvyydellä sekä kiihdytyksen keskeytyksellä saavutettavaa maksimiheiluntaa skaalatussa koordinaatistossa ja 20 kuvio 3 esittää skaalattuun koordinaatistoon piir rettyä ympyrää, joka kulkee origon ja heilurin tilaa no-peusohjeen muutoshetkellä vastaavan pisteen kautta.

Keksinnön mukaisessa ohjausmenetelmässä määritetään jatkuvasti riippuvan taakan muodostaman heilurin heilah-• 25 dusaikavakiota τ, heilahdusnopeutta V ja heilahduskulmaa a. Riippuvan taakan muodostaman heilurin oletetaan käyttäytyvän matemaattisen heilurin tavoin, heilahdusaikavakio τ voidaan laskea, kun tunnetaan heilahdusvarren 1 pituus: τ « 2π^~ a 2,006/T (1)

Heilurin heilahdusnopeutta V ja heilahduskulmaa a _30 laskettaessa oletetaan maksimiheilahdus niin pieneksi että linearisointi 5 101215 α = arctan— * — (2) 3 3 ei aiheuta käytännössä virhettä. Heilurin heilahdusnopeus vi ja poikkeama tasapainoasemasta SA ajanhetkellä i määritetään siirtokäytöltä saatavan, nosturin vaunun tai sillan kiihtyvyyden a ja mitatun nostoköyden pituuden 1 avulla Δ-5 menetelmällä seuraavasti:

Vi - Vj-J *(a - (3) S1 = Si-1 + VfAt

Jotta heilahduksen vaihe ja sitä vastaava kiihtyvyys voidaan määrittää, lasketut absoluuttiarvot täytyy skaalata sopivasti. Käytetään skaalauksessa heilahdukset-tomasta alkutilasta suurimmalla sallitulla kiihtyvyydellä 10 saavutettavia heilahdusnopeuden ja heilahduskulman ar voja: 5-X - 2 sr / 4 \ „ . 2a^l _ 23^^1 ^max —— m r— yfTg yfg

Suhteelliset tasapainoasemapoikkeaman Si ja heilah-dusnopeuden Vi arvot saadaan siis seuraavasti: s -_£l * (5)

Vi y 1 vi = v1- rnax . .. Näin skaalatussa sv-koordinaatistossa yhden heilah- \ 15 dusaikavakion τ mittaisen kiihdytysjakson piirtämä kuvio muodostuu kuviossa 1 esitetyn kaltaiseksi ympyräksi.

Jos heilahduksettomasta alkutilasta aloitettu kiihdytys lopetetaan puolikkaan heilahdusjakson kuluttua on tuloksena yhdellä kiihdytysjaksolla saavutettava maksimi- 6 101215 heilunta. Kuvioon 2 on piirretty tämä kiihdytyksen keskeytyksellä saavutettava maksimiheilunta samoinkuin yhden heilahdusjakson mittaisen kiihtyvyyden piirtämä ympyrä kiihdytettäessä kumpaankin suuntaan suurimmalla sallitulla 5 kiihtyvyydellä. Kuvioon 2 on merkitty myös heilurin piirtämien ympyröiden pyörimissuunnat kiihdytykselle kumpaankin suuntaan. Tässä on huomattava, että kiihdytyksellä tarkoitetaan myös jarrutusta eli kiihdytystä nopeuden suuntaa vastaan.

10 Kuviosta 2 voidaan päätellä, että heilahduksen kom pensointi mielivaltaisesta alkutilasta lähtien jakaantuu kahteen eri tapaukseen: 1) Heilurin tilaa kuvaava piste sijaitsee maksimi-kiihdytys- tai hidastusjakson rajaamalla alueella. Näitä 15 ympyrämäisiä alueita on kuviossa 2 merkitty viitenumerolla 1.

2) Heilurin tilaa kuvaava piste sijaitsee maksimi-kiihdytys- tai hidastusjakson rajaaman alueen ulkopuolella mutta maksimiheilahdusta kuvaavan ympyrän sisäpuolella.

20 Näitä alueita on kuviossa 2 merkitty viitenumerolla 2.

Ohjattaessa nosturia tämän keksinnön mukaisella menetelmällä kuvion 2 alueen 2 ulkopuolelle ei periaatteessa koskaan jouduta eli taakan heilahdus nopeusmuutos-ten aikana rajoittuu käytön maksimikiihtyvyyttä vastaavaan 25 arvoon.

Tarkastellaan ensin heilahduksen kompensointia alueessa 1. Tässä alueessa päästään mistä tahansa pisteestä origoon kytkemällä kiihtyvyys, jota vastaava ympyrä kulkee origon ja senhetkistä heilurin tilaa vastaavan pisteen 30 kautta. Kiihdytyksen kestoaika vastaa näiden pisteiden välisen ympyränkaaren pituutta. Tämä ympyrä on esitetty kuviossa 3. Ympyrän ja jäijelläolevan kaaren pituuden laskeminen tehdään seuraavan proseduurin mukaisesti:

Lasketaan ensin kuviossa 3 näkyvät suureet R, joka 35 vastaa heilurin tilaa vastaavan pisteen P etäisyyttä ori- 7 101215 gosta, R1# joka vastaa ympyrän sädettä, φ, joka on vektorin R ja positiivisen s akselin välinen kulma edettäessä myötäpäivään ja Θ, joka on se keskuskulma, jonka heilurin ' tilaa vastaava piste P rajaa siirtyessään mainitun ympyrän 5 kehää myötäpäivään origoon.

R - ifsl + v’i (6) viiO- <p=arccos^-^j Vj < 0 - <p=2u-arccos|-^j 0£<p<-^ - θ=2φ+π -ϊ·£φ<-^· -» θ=2φ-π (8) €λ η 4ρ£φ£2π - θ=2φ-3π (9)

Parametri ALUE, joka liittyy kuvion 2 yhteydessä määriteltyihin alueisiin 1 ja 2, määrää kompensointistra-10 tegian valinnan. Se määritetään ympyrän säteen Rx suuruuden perusteella seuraavasti: £0,5 ALUE = 1 y. q .

Ä!> 0,5 - ALUE =2 1 '

Jos siis Ri£0,5 ollaan kuvion 2 alueessa 1 ja kompensoiva kiihtyvyys voidaan kytkeä välittömästi. Suure Rx tai ympyrän halkaisija 2RX vastaa tätä kiihtyvyyttä ja kul-15 ma Θ vastaa heilurin origoon ajamiseksi tarvittavaa aikaa tal. Aika sekunteina saadaan heilahdusaikavakion avulla: 8 101215 e« - (11)

Lisäksi on laskettava kiihtyvyyden ax suuntakerroin k:

Si> 0-k= 1

Si<0-ic=-l (12) 8± = 0 -*ic= 0

Absoluuttinen heilahduksen kompensoiva kiihtyvyys lasketaan siten: a1 = 2kR1aaax (13) 5 On epätodennäköistä, että tämä kiihdytyspulssi to teuttaa siirtoliikkeelle halutun nopeusmuutoksen. Siten siihen on vielä summattava kiihtyvyys, joka itsessään ei aiheuta heiluntaa, mutta toteuttaa halutun nopeusmuutoksen. Tähän tullaan palaamaan tuonnempana. Seuraavaksi tar-10 kastellaan heilahduksen kompensointia kuvion 2 alueessa 2.

Alueessa 2 origoon johtavaa kiihtyvyyttä ei voida välittömästi kytkeä koska sen itseisarvo olisi suurempi kuin siirtokäytölle sallittu maksimikiihtyvyys eli 2RX olisi suurempi kuin 1. Kompensoiva kiihtyvyys voitaisiin pe-15 riaatteessa kytkeä välittömästi kun saavutaan alueelle 1, mutta käytännössä on helpompaa laskea aika, joka heilurilta kuluu ääriasemansa saavuttamiseen eli siirtymiseen kuvion 2 koordinaatistossa s-akselille ja kytkeä kompensoiva kiihtyvyys vasta tässä pisteessä. Tällöin ollaan myös suu-20 rimmalla todennäköisyydellä (teoriassa aina) alueessa 1 tai ainakin sen rajalla.

Heilahdusaika ääriasemaan saadaan aiemmin lasketun kulman φ avulla: 9 101215 Ο£φ<π - t=-£-x 2* <14)

π < 2π - t= ν~-τ 21C

Kompensoivan kiihtyvyyden kestoaika tal on luonnollisesti puolet heilurin heilahdusaikavakiosta τ (matka origoon vastaa puolikasta ympyränkaarta): - Ί <15>

Suuntakerroin k määritetään seuraavasti: v±> 0-k=l /i/-i v1<0-k= -1 (16) 5 Jos Vi on nolla, suuntakerroin lasketaan kaavoista (12). Kytkettävän kiihtyvyyden ax itseisarvo vastaa aiemmin laskettua etäisyyttä R origosta, sen absoluuttiarvo on siis: a1 = kRa^ (17)

Näin laskettu heilahduksen kompensoiva kiihtyvyys ax 10 tuottaa nopeusmuutoksen AVX

*Vi = a1tal (18)

Kuten alueen 1 tapauksessa, kiihtyvyyteen ax on vie- < lä summattava sopiva kiihtyvyys a2, joka itsessään ei aiheuta heiluntaa, mutta pyrkii toteuttamaan halutun nopeusmuutoksen. Kiihtyvyyden a2 kestoaika on heilurin sen-15 hetkinen heilahdusaikavakio τ ja se kytketään välittömästi nopeusohjeen Vraf muuttuessa. Tarvittava kiihtyvyys a2 las-ketään seuraavaan proseduurin mukaan, missä AV2 on haluttuun loppunopeuteen johtava nopeudenmuutos ja V0l0 on nopeuden oloarvo: AV2 = V^-V^-Δ^ (19) 20 jos AVX ja AV2 ovat samanmerkkiset, valitaan kiihtyvyyden a2 itseisarvoksi: 10 101215 l«2l=“>in la^l-laj, (20) Tällöin lopulliseksi kiihtyvyydeksi a2 saadaan: a2 = k\a2\ (21)

Jos AVX ja AV2 ovat erimerkkiset, valitaan: |a2|=min la^l,(22)

Lopulliseksi kiihtyvyydeksi a2 saadaan siis: a2 = ~k\a2\ (23)

Jos kaavojen (20), (22) rajoituksista on jouduttu 5 valitsemaan ensimmäinen, kiihtyvyydet a3 ja a2 yhdessä eivät kykene toteuttamaan haluttua nopeusmuutosta. Tällöin joudutaan edellisten lisäksi käyttämään kolmatta, kiihtyvyyden a2 kanssa samansuuntaista kiihtyvyyttä a3. Kiihtyvyyden a3 suuruus lasketaan seuraavasti:

Av;-a2T /0il.

a, = -2—2- (24) 3 τ 10 Kiihtyvyys a3 kytketään välittömästi kiihtyvyyden at suorittamisen jälkeen, jos ehto |a2+a31 £ l^maxl (25) on voimassa. Päinvastaisessa tapauksessa kytketään vasta kiihtyvyyden a2 suorittamisen jälkeen eli yhden heilahdus-aikavakion kuluttua nopeusohjeen muuttumisesta.

15 Teoriassa kuvattu järjestelmä toimii jatkuvasti muuttuvalla nopeusohjeella. Käytännössä nopeusohje täytyy porrastaa tai suorittaa laskenta vasta, kun nopeusohjeen muutos on merkittävä. Jos näin ei menetellä, joudutaan helposti tilanteeseen, jossa lasketaan kiihtyvyyksille 20 jatkuvasti uusia arvoja, jolloin kasautuvat aika- ja pyö-ristysvirheet vähitellen tuhoavat lopputuloksen.

Claims

101215

1. Menetelmä nosturin taakan heilahtelun vaimentamiseksi taakkaa kannattavan vaunun ja/tai vaunua kannatta- 5 van sillan siirtoliikkeen aikana ohjattaessa vaunua/siltaa antamalla vaunun/sillan siirtokäytölle haluttua siirto-suuntaa ja nopeutta vastaava nopeusohje (Vref), jossa menetelmässä määritetään oleellisen jatkuvasti vaunun/sillan kiihtyvyyttä (a) ja taakan muodostaman heilurin kunkinhet-10 kistä heilahdusaikavakiota (τ), heilahdusnopeutta (vx) ja poikkeamaa tasapainoasemasta (s^ ja nopeusohjeen (Vcef) muuttuessa määritetään senhetkisen heilahtelun kompensoiva ohjaus (a!) ja halutun nopeusmuutoksen toteuttava ohjaus (a2), joka kytketään heilurin senhetkisen heilahdusaikava-15 kion (τ) määrittämäksi ajaksi, tunnettu siitä, että halutun nopeusmuutoksen toteuttava ohjaus on kiihtyvyys (a2), joka kytketään välittömästi nopeusohjeen (Vref) muuttuessa, ja nopeusohjeen muutoshetkellä vallitsevan heilahtelun kompensoiva ohjaus on kiihtyvyys (a:), joka 20 myös kytketään välittömästi, mikäli siirtokäytölle sallittu maksimikiihtyvyys (a*,,,) ei ylity.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että, jos heilahtelun kompensoiva kiihtyvyys (ax) välittömästi kytkettäessä muodostuisi suu- 25 remmaksi kuin siirtokäytölle sallittu maksimikiihtyvyys (a*,*), heilahtelun kompensoiva kiihtyvyys (ax) kytketään, kun taakan muodostama heiluri on saavuttanut ääriaseman-sa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, 30 tunnettu siitä, että kompensoiva kiihtyvyys (aj on verrannollinen sen ympyrän halkaisijaan, joka heilahdusno-peuden (v) ja tasapainoasemapoikkeaman (s) määrittämässä suorakulmaisessa koordinaatistossa kulkee origon ja nopeusohjeen (Vre£) muutoshetkellä (i) vallitsevien heilahdus-35 nopeuden (vJ ja tasapainoasemapoikkeaman (sj määrittämän 12 101215 pisteen kautta.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että, jos kompensoiva kiihtyvyys (a:) kytketään heti, sen kestoaika (tal) määritetään kaavas- 5 ta tal=(0/2n)T, missä τ on heilurin senhetkinen heilahdusaikavakio ja Θ se keskuskulma, jonka heilahdusnopeuden (vJ ja tasapainoase-mapoikkeaman (sL) määrittämä piste rajaa siirtyessään mai-10 nitun ympyrän kehää myötäpäivään origoon.

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että, jos kompensoiva kiihtyvyys (a1) kytketään, kun taakan muodostama heiluri on saavuttanut ääriasemansa, sen kestoaika (tal) määritetään kaavasta 15 tal=T/2, missä τ on heilurin senhetkinen heilahdusaikavakio. is 101215