FR2701467A1 - A control system for controlling the speed of movement of a pendular load and hoisting apparatus comprising such a system. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système de contrôle et de commande du déplacement d'une charge pendulaire. Le système selon une variante préférée de l'invention comprend une commande de vitesse (Cv i t ), un générateur de rampe (GR A M P E ) et des circuits (100) de commande de la vitesse (V(p)) de la charge pendulaire. Selon l'invention, il est prévu une chaîne de rétro-action (131) dont la sortie est reliée à une entrée d'un comparateur (140) recevant sur son autre entrée un signal de commande de vitesse de référence (R(p)). Le signal de sortie est transmis aux circuits (100) de commande de vitesse. La chaîne de rétro-action (131) est déterminée pour stabiliser la vitesse de sortie. Application à la conduite assistée des appareils de levage, notamment portuaires.The invention relates to a system for controlling and controlling the displacement of a pendulum load. The system according to a preferred variant of the invention comprises a speed control (Cv i t), a ramp generator (GR A M P E) and circuits (100) for controlling the speed (V (p)) of the pendulum load. According to the invention, there is provided a feedback chain (131) whose output is connected to an input of a comparator (140) receiving at its other input a reference speed control signal (R (p) ). The output signal is passed to the speed control circuits (100). The feedback chain (131) is determined to stabilize the output speed. Application to the assisted driving of lifting devices, in particular in ports.
Description
"Système de contrôle et de commande de la vitesse de déplacement d'une"System for controlling and controlling the speed of movement of a
charge pendulaire et appareil de levage comprenant un tel système" La présente invention concerne un système de contrôle et de commande de la vitesse de déplacement d'une The present invention relates to a system for controlling and controlling the speed of movement of a vehicle.
charge pendulaire.pendulum load.
L'invention concerne également les appareils de The invention also relates to apparatus for
levage comprenant un tel système.lifting comprising such a system.
L'invention s'applique notamment aux engins de levage portuaires tels que grues, portiques à benne ou à conteneur. Dans le domaine industriel de la manutention et du levage de charges, notamment de conteneurs, un objectif primordial est de déplacer avec précision d'un point à un autre une charge suspendue par des câbles à un support mobile, tel qu'un chariot motorisé, et également de contrôler et commander le ballant de la charge pendant le trajet. Or, la précision du déplacement dépend essentiellement du contrôle et de l'amortissement des The invention is particularly applicable to harbor lifting equipment such as cranes, dump or container cranes. In the industrial field of handling and lifting loads, in particular containers, a primary objective is to move accurately from one point to another a load suspended by cables to a mobile support, such as a motorized carriage, and also to control and control the ballad of the load during the journey. However, the accuracy of the displacement depends essentially on the control and the amortization of
oscillations de la charge au cours du déplacement. oscillations of the load during the displacement.
Un certain nombre de procédés de contrôle des déplacements de charges pendulaires existent déjà, mais les temps de manoeuvre donnés par ces procédés dépendent de la A number of methods for controlling pendular load displacements already exist, but the maneuvering times given by these methods depend on the
période du pendule constitué par la charge suspendue. period of the pendulum constituted by the suspended load.
Ces procédés présentent en particulier les inconvénients suivants: les mouvements sont calculés avant le démarrage du mouvement en fonction des longueurs pendulaires qui sont elles-mêmes variables pendant le mouvement, en particulier pour les appareils de levage Le calcul des paramètres du mouvement doit donc être effectué avant la mise en route en faisant des approximations sur la longueur du pendule et sur la variation de celle-ci; dans le cas de petits mouvements, les mouvements, liés à la période du pendule, sont nécessairement lents; il est difficile de tenir compte de conditions In particular, these methods have the following drawbacks: the movements are calculated before the start of the movement as a function of the pendular lengths which are themselves variable during the movement, in particular for the lifting devices The calculation of the parameters of the movement must therefore be carried out before start-up by making approximations on the length of the pendulum and the variation of it; in the case of small movements, the movements connected with the period of the pendulum are necessarily slow; it's difficult to consider conditions
initiales non nulles.non-zero initials.
Ces inconvénients font que la précision de déplacement, si elle reste suffisante en manutention de produits en vrac, est insuffisante en manutention de These disadvantages mean that the precision of displacement, if it remains sufficient in handling of bulk products, is insufficient in handling of
conteneurs notamment.containers in particular.
Dans la demande de brevet français publiée sous le n O 2 664 885, la Demanderesse s'est fixé pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de commande des déplacements d'une charge pendulaire suspendue à un support mobile horizontalement, et déplacée d'un point de départ à un point d'arrivée pendant un trajet de durée prédéterminée, qui permette la prise en compte de perturbations et de variations de longueur pendulaire et qui utilise au maximum la puissance de l'appareil de levage In the French patent application published under No. 2,664,885, the Applicant has set itself the goal of overcoming these drawbacks by proposing a method of controlling the movements of a pendular load suspended on a movable support horizontally and displaced. from a starting point to a point of arrival during a journey of predetermined duration, which allows disturbances and variations in pendulum length to be taken into account and which makes maximum use of the power of the lifting device
afin de diminuer les temps de déplacement. to reduce travel time.
La demande de brevet précitée enseigne également The aforementioned patent application also teaches
un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. a device for implementing this method.
Bien que satisfaisant aux objectifs fixés, le procédé décrit ne répond qu'imparfaitement aux besoins exprimés pour certaines applications, notamment si on désire, non plus assurer un ballant nul en fin d'un trajet de durée déterminée, mais une assistance continue au Although satisfying the objectives set, the method described only partially satisfies the needs expressed for certain applications, particularly if it is desired not to ensure a zero balloon at the end of a fixed-duration path, but a continuous assistance to
conducteur, quelle que soit la distance à parcourir. driver, regardless of the distance to be traveled.
En effet, les systèmes de commande de l'Art Connu réalisent un asservissement de vitesse du support du câble de levage de la charge pendulaire (ou plus généralement du Indeed, the control systems of the prior art perform a speed control of the support of the lifting cable of the pendular load (or more generally the
dispositif en faisant office).device making office).
Il résulte de cette disposition que, lors des mouvements du support, la charge pendulaire est animée d'un ballant préjudiciable à la précision du positionnement, en particulier lorsqu'il s'agit d'un objet encombrant tel It follows from this provision that, during the movements of the support, the pendular load is animated by a ballad detrimental to the positioning accuracy, particularly when it is a bulky object such as
qu'un conteneur.than a container.
Cette instabilité de la charge requiert une grande habileté de la part du conducteur lorsqu'il doit This instability of the load requires great skill on the part of the driver when he has to
assurer une manutention précise et rapide. ensure accurate and fast handling.
L'invention se propose de pallier les The invention proposes to overcome the
inconvénients de l'Art Connu qui viennent d'être rappelés. disadvantages of the Known Art which have just been recalled.
L'invention propose donc un système de contrôle et de commande de la vitesse de déplacement de la charge pendulaire d'un appareil de levage qui libère le conducteur The invention therefore proposes a system for controlling and controlling the speed of displacement of the pendulum load of a hoisting apparatus which releases the driver
de la contrainte précité.of the aforementioned constraint.
Pour ce faire, on réalise un asservissement de la vitesse de la charge pendulaire au lieu de la vitesse du support Le système gère le comportement oscillant du système support-cable-charge et le conducteur n'a plus alors à anticiper les mouvements pendulaires de la charge To do this, the speed of the pendular load is enslaved instead of the speed of the support. The system manages the oscillating behavior of the support-cable-load system and the driver no longer has to anticipate the pendular movements of the charge
pour la positionner.to position it.
L'invention a donc pour objet un procédé de contrôle et de commande de la vitesse de déplacement d'une charge pendulaire d'un engin de levage comprenant un support mobile se déplaçant horizontalement et auquel est suspendue ladite charge pendulaire, l'ensemble support mobile-charge pendulaire étant associé à une fonction de transfert globale déterminée, le système comprenant des circuits de commande de vitesse générant un signal de commande de vitesse demandée transmis à des circuits de contrôle et de commande de la vitesse du support mobile; caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure de la vitesse réelle de la charge pendulaire permettant la détermination d'un signal représentatif de cette vitesse et une chaîne de rétro-action réinjectant, en entrée desdits circuits de contrôle et de commande de la vitesse du support mobile, un signal dérivé dudit signal représentatif de la vitesse réelle de la charge pendulaire, la fonction de transfert associée à la chaîne de rétro-action étant choisie telle que ladite fonction de transfert globale The subject of the invention is therefore a method for controlling and controlling the speed of displacement of a pendular load of a hoist comprising a movable support moving horizontally and to which said pendular load is suspended, the mobile support assembly the pendulum load being associated with a determined global transfer function, the system comprising speed control circuits generating a requested speed command signal transmitted to control and control circuits of the speed of the movable support; characterized in that it comprises means for measuring the actual speed of the pendular load for the determination of a signal representative of this speed and a retro-action feedback chain, input of said control circuits and control of the velocity of the mobile support, a signal derived from said signal representative of the actual speed of the pendular load, the transfer function associated with the feedback circuit being chosen such that said global transfer function
déterminée soit stable.determined to be stable.
L'invention a encore pour objet un appareil de The subject of the invention is also a device for
levage comprenant un tel système.lifting comprising such a system.
L'invention présente l'avantage d'une conduite d'engin beaucoup plus simple et rapide, en particulier pour The invention has the advantage of a much simpler and faster machine operation, in particular for
des conducteurs non expérimentés.inexperienced drivers.
En outre, le dispositif selon l'invention peut s'intégrer à un système de manutention automatisé, il se charge alors d'assurer le positionnement précis de la In addition, the device according to the invention can be integrated into an automated handling system, it is then responsible for ensuring the precise positioning of the
charge à partir d'une consigne de position pré-établie. load from a pre-established position setpoint.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de The invention will be better understood and other features and advantages will become apparent upon reading
la description qui suit, en regard des figures annexées et the description which follows, with reference to the appended figures and
parmi lesquelles: la figure 1 est une vue générale schématique d'un engin de levage portuaire pouvant être équipé d'un système de contrôle et commande de la vitesse de déplacement d'une charge pendulaire, selon l'invention; la figure 2 est un bloc-diagramme des circuits d'un système de contrôle et commande du déplacement d'une charge pendulaire selon l'Art Connu; la figure 3 est un chronogramme explicitant le fonctionnement d'un des circuits d'un tel système; la figure 4 illustre schématiquement le fonctionnement d'un tel système; la figure 5 est un chronogramme illustrant les variations de la vitesse de la charge en fonction du temps lorsqu'on excite le système à l'aide d'un signal de commande de vitesse de type "échelon"; la figure 6 est un bloc- diagramme des circuits d'un système de contrôle et de commande de la vitesse de déplacement d'une charge pendulaire selon l'invention; la figure 7 est un chronogramme illustrant les variations de la charge en fonction du temps lorsqu'on excite le système selon l'invention par un signal de commande de type "échelon"; la figure 8 illustre schématiquement les différents paramètres en jeu lors du déplacement de la charge pendulaire; la figure 9 est un bloc diagramme du système de l'invention selon un mode de réalisation supplémentaire comprenant un calculateur; la figure 10 est un bloc diagramme d'un calculateur pouvant être mis en oeuvre dans le système selon l'invention; la figure 11 illustre schématiquement un exemple de réalisation pratique d'un appareil de levage among which: Figure 1 is a schematic overview of a port hoist may be equipped with a control system and control the speed of displacement of a pendular load, according to the invention; FIG. 2 is a block diagram of the circuits of a system for controlling and controlling the displacement of a pendular load according to the prior art; FIG. 3 is a timing diagram explaining the operation of one of the circuits of such a system; Figure 4 schematically illustrates the operation of such a system; Fig. 5 is a timing chart illustrating the changes in load speed versus time when the system is energized with a "step" speed control signal; Figure 6 is a block diagram of the circuits of a control system and control the speed of displacement of a pendular load according to the invention; FIG. 7 is a timing diagram illustrating the variations of the load as a function of time when the system according to the invention is excited by a "step" type control signal; FIG. 8 schematically illustrates the various parameters involved during the displacement of the pendular load; Figure 9 is a block diagram of the system of the invention according to a further embodiment comprising a computer; FIG. 10 is a block diagram of a calculator that can be implemented in the system according to the invention; Figure 11 schematically illustrates an exemplary practical embodiment of a lifting apparatus
mettant en oeuvre un système selon l'invention. implementing a system according to the invention.
Dans ce qui suit, pour fixer les idées et sans que cela soit limitatif de la portée de l'invention, on supposera que l'engin de levage est une grue portuaire de type portique utilisée pour le chargement-déchargement de conteneurs ainsi que pour leur transport le long d'un In the following, to fix ideas and without limiting the scope of the invention, it will be assumed that the hoist is a gantry crane type port used for loading-unloading containers and for their transport along a
chemin pré-établi.pre-established path.
La figure 1 illustre schématiquement un tel engin. L'engin de levage portuaire 1 comprend, suivant des techniques connues, un portique 10 auquel est reliée une structure de flèche horizontale 11 Un chariot mobile 21 peut être déplacé horizontalement suivant une direction X le long de la flèche 11 Un conteneur 20 est suspendu au chariot mobile 21 par des câbles 22 dont la variation de longueur permet le déplacement du conteneur 20 suivant une direction verticale Z L'ensemble câbles 22 et charge pendulaire 20 (conteneur) constitue le système pendulaire 2. On va maintenant décrire les dispositions habituellement retenues dans l'Art Connu pour le contrôle et la commande d'engins de levage, tels que celui qui vient Figure 1 schematically illustrates such a machine. The port hoist 1 comprises, according to known techniques, a gantry 10 which is connected to a horizontal boom structure 11 A movable carriage 21 can be moved horizontally in a direction X along the arrow 11 A container 20 is suspended mobile carriage 21 by cables 22 whose variation in length allows the displacement of the container 20 in a vertical direction Z The cable assembly 22 and pendular load 20 (container) constitutes the pendular system 2. We will now describe the arrangements usually retained in Art Known for the control and control of lifting gear, such as the one that comes
d'être succinctement rappelé en référence à la figure 1. to be briefly recalled with reference to Figure 1.
Le mouvement de direction est commandé par une régulation continue de la vitesse de support, c'est-à-dire le chariot 21 (figure 1) Les organes principaux d'une telle régulation sont les suivants: un organe de mesure de la vitesse du support mobile 21: un générateur d'impulsion ou une dynamo tachymétrique; The steering movement is controlled by a continuous regulation of the support speed, that is to say the carriage 21 (Figure 1). The main organs of such a regulation are the following: a device for measuring the speed of the mobile support 21: a pulse generator or a tachogenerator;
un organe de pilotage: un système électro- a steering body: an electronic system
technique (par exemple du type "Ward Leonard") ou un système électronique (variateur de vitesse par exemple); et un organe de motorisation: un moteur asynchrone technical (for example of the "Ward Leonard" type) or an electronic system (variable speed drive for example); and a motorization member: an asynchronous motor
ou à courant continu.or direct current.
La figure 2 illustre le bloc diagramme d'un dispositif 100 de commande et de contrôle conforme à l'Art Connu. Il comprend un organe de commande de vitesse Cvit, actionné par le conducteur de l'engin (non représenté), fournissant un signal de vitesse demandée Vdem. Cet organe de commande de vitesse Cvit commande un générateur de rampe GR"IPE Celui-ci permet d'écrêter les accélérations du support afin d'éviter que le moteur développe un couple trop important engendrant des chocs mécaniques Cette fonction est traitée par un système de pilotage du mouvement ou par un calculateur (automate programmable par exemple) Connaissant la vitesse maximale Vmax du mouvement ainsi que l'accélération nominale à fournir Acc, le temps de rampe TRAMPE est calculé simplement comme suit: Vmax FIG. 2 illustrates the block diagram of a control and control device 100 according to the prior art. It comprises a speed controller Cvit, actuated by the driver of the vehicle (not shown), providing a requested speed signal Vdem. This speed control member Cvit controls a ramp generator GR "IPE. This allows the acceleration of the support to be clipped in order to prevent the motor from developing excessive torque generating mechanical shocks. This function is processed by a control system. control of the movement or by a computer (programmable automaton for example) Knowing the maximum speed Vmax of the movement as well as the acceleration to be supplied Acc, the ramp time TRAMPE is calculated simply as follows: Vmax
TRAMPE = ( 1)TRAMPE = (1)
2 x Acc La figure 3 est un diagramme de temps illustrant 2 x Acc Figure 3 is a timing chart illustrating
ce qui vient d'être explicité.what has just been explained.
De l'instant t = O à t = T, la vitesse demandée est égale à Vmax (partie haute du diagramme), T étant un intervalle de temps prédéterminé Le générateur de rampe GRAMPE délivre sur sa sortie un signal R(p) représentatif de la vitesse de référence calculée Vref telle qu'illustré par la partie basse du diagramme: une rampe de pente croissante de t = O à t = TRAMPE (variant de O à Vmax), une vitesse constante (Vmax) de t = TRAMPE à t = T, et une rampe décroissante jusqu'à zéro de t = T à t = T + TRAMPE, T étant l'intervalle de temps pendant lequel est généré le From time t = 0 to t = T, the requested speed is equal to Vmax (upper part of the diagram), T being a predetermined time interval The GRAM ramp generator delivers on its output a signal R (p) representative of the calculated reference speed Vref as illustrated by the lower part of the diagram: a ramp of increasing slope from t = 0 to t = TRAMPE (varying from 0 to Vmax), a constant speed (Vmax) from t = TRAMPE to t = T, and a ramp decreasing to zero from t = T to t = T + TRAMPE, where T is the time interval during which the
signal de commande de vitesse.speed control signal.
Si on se reporte à nouveau à la figure 2, le signal R(p) représentant la vitesse de référence calculée, est transmis au système de régulation de vitesse 100 de l'ensemble support-câble-charge (figure 1: 20 à 22) En réalité, dans l'Art Connu, seule la vitesse du support mobile 21 est régulée Celui-ci comprend un actionneur plus une chaîne cinématique 120 représentant le comportement du support Le signal de sortie VSUP(p) représentant la vitesse du support Vsup est réinjecté sur l'entrée des circuits 120 via une boucle de contre-réaction 121 En entrée, on dispose un comparateur 110, comparant le signal de référence R(p) au signal Vsup(p), le résultat de cette Referring back to FIG. 2, the signal R (p) representing the calculated reference speed is transmitted to the speed control system 100 of the carrier-cable-load assembly (FIG. 1: 20 to 22). In fact, in the known art, only the speed of the mobile support 21 is regulated. It comprises an actuator plus a kinematic chain 120 representing the behavior of the support. The output signal VSUP (p) representing the speed of the support Vsup is reinjected. on the input of the circuits 120 via a feedback loop 121 At the input, a comparator 110 is provided, comparing the reference signal R (p) with the signal Vsup (p), the result of this
comparaison étant transmis à l'organe 120. comparison being transmitted to the organ 120.
La fonction de transfert A(p) associée au support mobile, c'est-à- dire aux circuits 120 obéit classiquement à la relation: A(p> K ( 2) 1 + txp relation dans laquelle K est une constante, p une The transfer function A (p) associated with the mobile support, that is to say with the circuits 120, conventionally obeys the relation: A (p> K (2) 1 + txp relation in which K is a constant, p a
variable et X la constante de temps associée. variable and X the associated time constant.
Dans les dispositifs de l'Art Connu classiques, comme illustré sur la figure 2, le système pendulaire représenté par le bloc 130 (commande de l'ensemble câbles + charge) est un système instable Le signal de commande de vitesse est transmis à ce système Le signal de sortie V(p) représentant la vitesse Vcha de la charge pendulaire est également instable Il s'agit naturellement d'une valeur vectorielle puisque de nombreuses composantes peuvent intervenir: oscillations angulaires, déplacement linéaire, allongement des câbles La fonction de transfert de l'ensemble pendulaire S(p) obéit à la relation: S(p) V(p) ( 3) Vsup(p) La fonction de transfert globale du système est: V (p) ( 4) R(p) Cette fonction G(p) n'est pas stable non plus du In conventional known art devices, as illustrated in FIG. 2, the pendular system represented by block 130 (control of the cable + load assembly) is an unstable system. The speed control signal is transmitted to this system The output signal V (p) representing the speed Vcha of the pendular load is also unstable. This is naturally a vector value since many components can intervene: angular oscillations, linear displacement, elongation of the cables. the pendulum set S (p) obeys the relation: S (p) V (p) (3) Vsup (p) The global transfer function of the system is: V (p) (4) R (p) This function G (p) is not stable either
fait de l'instabilité de S(p).makes instability of S (p).
A titre d'exemple, la réponse théorique d'un tel système à un signal de commande de vitesse du type By way of example, the theoretical response of such a system to a speed control signal of the type
"échelon" est illustrée par la figure 5. "step" is illustrated in Figure 5.
On a représenté sur ce chronogramme les variations du signal vitesse Ssortie en fonction du temps t (échelle arbitraire) lorsque le système est excité par un This chronogram shows the variations of the speed signal Sout as a function of time t (arbitrary scale) when the system is excited by a
signal échelon Sentrée-step signal Sentrée-
La théorie montre qu'il y a une ondulation infinie autour d'une position d'équilibre Naturellement on a négligé l'amortissement dû à divers causes: frottements, etc Dans le cadre du dispositif décrit, aucune régulation électrique ou mécanique n'est réalisée sur la vitesse de la charge pendulaire C'est le conducteur de l'engin qui va refermer manuellement la boucle de régulation de vitesse de la charge pendulaire pour la The theory shows that there is an infinite ripple around a position of equilibrium Naturally we have neglected the damping due to various causes: friction, etc. Within the framework of the device described, no electrical or mechanical regulation is realized on the speed of the pendular load It is the driver of the machine that will manually close the speed control loop of the pendular load for the
positionner avec précision.position accurately.
La figure 4 illustre schématiquement cet état de fait Le conducteur de l'engin a été représenté sous la référence CONDUC Le système 120 (figure 2) de régulation de la vitesse appliqué au chariot, c'est-à-dire la structure supportant les câbles 21 (figure 1), reçoit les signaux de commande de vitesse du conducteur CONDUC actionnant la commande de vitesse Cvit (figure 1) via le générateur de rampe GRAMPE (figure 1) Le système de régulation 120 reçoit en retour un signal représentatif de FIG. 4 schematically illustrates this state of affairs. The driver of the machine has been represented under the reference CONDUC. The system 120 (FIG. 2) for regulating the speed applied to the truck, that is to say the structure supporting the cables. 21 (FIG. 1), receives the speed control signals of the driver CONDUC actuating the speed control Cvit (FIG. 1) via the ramp generator GRAMPE (FIG. 1). The regulation system 120 receives back a signal representative of FIG.
la vitesse réelle du chariot 21, via la boucle de contre- the actual speed of the carriage 21, via the counter-loop
réaction 121.reaction 121.
Le conducteur CONDUC "reçoit" des informations visuelles INFO sur la position effective de la charge pendulaire 20, pendue au bout des câbles 22 C'est à partir de cette perception visuelle qu'il va agir sur la commande de vitesse C Vit pour anticiper les mouvements de la charge C'est donc la conducteur qui "élabore" les signaux de The driver CONDUC "receives" visual information INFO on the actual position of the pendular load 20, hanging at the end of the cables 22 It is from this visual perception that it will act on the speed control C Vit to anticipate the This is the driver who "develops" the signals of
régulation de la vitesse de la charge. regulation of the speed of the load.
On conçoit aisément les difficultés inhérentes à ce procédé: apprentissage long: exigence de conducteurs expérimentés; différence de précision et de rapidité selon les conducteurs; influence de la fatigue (dégradation des performances) et d'autres facteurs, par exemple météorologiques: vent, etc. etc Pour pallier ces difficultés, l'invention prévoit The difficulties inherent in this process are easily understood: long learning: the requirement of experienced drivers; difference in precision and speed according to the drivers; influence of fatigue (performance degradation) and other factors, for example meteorological: wind, etc. etc. To overcome these difficulties, the invention provides
une seconde boucle de contre-réaction ou rétro-action. a second loop of feedback or feedback.
Cette disposition est illustrée par la figure 6. This arrangement is illustrated in Figure 6.
Les éléments communs à la figure 2 portent les mêmes références et ne seront redécrits qu'en tant que de besoin. Le système 100 de régulation de la vitesse de l'ensemble support-câble-charge comprend désormais, en entrée, un comparateur supplémentaire 140 recevant sur une première entrée le signal R(p) représentatif de la vitesse The elements common to Figure 2 have the same references and will only be rewritten as needed. The system 100 for regulating the speed of the support-cable-load assembly now comprises, as input, an additional comparator 140 receiving on a first input the signal R (p) representative of the speed
de référence Vref en sortie du générateur de rampe GRAMPE. Vref reference at the output of the GRAMP ramp generator.
La sortie de ce comparateur est transmise à une des entrées du comparateur 110, celui-ci recevant sur sa seconde entrée le signal issu de la première chaîne de rétro-action 121, signal Vsup(P) représentatif de la The output of this comparator is transmitted to one of the inputs of the comparator 110, the latter receiving on its second input the signal coming from the first feedback circuit 121, signal Vsup (P) representative of the
vitesse du support Vsup.Vsup support speed.
La seconde entrée du comparateur 140 reçoit, via une seconde chaîne de rétro-action 131, selon une caractéristique importante de l'invention, un signal représentatif du signal V(p), celui-ci étant pour sa part élaboré à partir de la vitesse réelle mesurée de la charge The second input of the comparator 140 receives, via a second feedback circuit 131, according to an important characteristic of the invention, a signal representative of the signal V (p), the latter being for its part drawn up from the speed actual measured load
pendulaire.pendulum.
La fonction de transfert de la boucle de rétro- The transfer function of the feedback loop
action 131 est par convention appelée H(p). action 131 is conventionally called H (p).
Selon la caractéristique principale de l'invention, on désire stabiliser la fonction de transfert globale G(p) (relation ( 4)), de manière à obtenir une régulation de la vitesse de la charge pendulaire Par ce biais, on offre au conducteur une assistance à la conduite According to the main characteristic of the invention, it is desired to stabilize the global transfer function G (p) (relation (4)), so as to obtain a regulation of the speed of the pendular load. driving assistance
de l'engin de levage.of the hoist.
Pour un système pendulaire non amorti, S(p) est de la forme: S(p) = (W) ( 5) ( o 0)2 + p 2 relation dans laquelle O O est la pulsation du For a non-damped pendulum system, S (p) is of the form: S (p) = (W) (5) (o 0) 2 + p 2 where O O is the pulsation of
système pendulaire.pendular system.
La chaîne de contre-réaction 131 doit être choisie telle que la fonction de transfert H(p) permette la The feedback chain 131 must be chosen such that the transfer function H (p) allows the
stabilisation précitée de la fonction globale G(p). aforementioned stabilization of the global function G (p).
Cette fonction globale G(p) sera de façon préférentielle une fonction mathématique du premier ordre ou du deuxième ordre La réponse optimale est donnée par This global function G (p) will preferably be a first-order or second-order mathematical function. The optimal response is given by
une fonction du deuxième ordre.a second order function.
La fonction de transfert A(p) (relation ( 2)) ayant une constante de temps t généralement faible, peut The transfer function A (p) (relation (2)) having a time constant t which is generally small, can
être négligée.to be neglected.
Dans ces conditions, soit G(p) une fonction de transfert du deuxième ordre, on peut la représenter par la relation: G(p) = ( 6) p + 2 z 4 p + (U 0)2 relation dans laquelle O J est la pulsation du système pendulaire, z le coefficient d'amortissement et p Under these conditions, let G (p) be a transfer function of the second order, we can represent it by the relation: G (p) = (6) p + 2 z 4 p + (U 0) 2 relation in which OJ is the pulsation of the pendular system, z the damping coefficient and p
la variable.the variable.
Par ailleurs G(p) est de la forme générale: S(p) G(p) = ( 7) 1 + S(p) H(p) Moreover G (p) is of the general form: S (p) G (p) = (7) 1 + S (p) H (p)
puisque A(p) peut être négligé.since A (p) can be neglected.
Le calcul montre alors que H(p) répond à la relation: 2 zp H(p) = ( 8) w O il La réponse du système global à un signal de commande du type "échelon" est constituée par une infinité de courbes, fonction de la valeur de z. La figure 7 illustre ces courbes en fonction de L 44 t, t étant le temps Pour z choisi égal à 1, on obtient une réponse amortie, ce de façon optimisée Pour z choisi inférieur à 1, le système oscille et pour z supérieur à 1, le système est amorti mais la rapidité de réponse est dégradée. Pour calculer la vitesse de la charge, on doit tenir compte de deux composantes: la vitesse du support: vitesse absolue par rapport à un référentiel fixe (par exemple le sol); la vitesse du ballant, c'est-à-dire une vitesse The calculation then shows that H (p) responds to the relation: 2 zp H (p) = (8) w O il The response of the global system to a control signal of the "step" type consists of an infinity of curves, function of the value of z. FIG. 7 illustrates these curves as a function of L 44 t, t being the time For z chosen equal to 1, a damped response is obtained, in an optimized manner For z chosen less than 1, the system oscillates and for z greater than 1 , the system is depreciated but the speed of response is degraded. To calculate the speed of the load, two components must be taken into account: the speed of the support: absolute speed with respect to a fixed reference system (for example the ground); the speed of the dangling, that is to say a speed
relative par rapport au support.relative to the support.
La première composante, est généralement mono- The first component is usually mono-
directionnelle: vecteur linéaire C'est par exemple le cas d'un chariot 21 roulant le long de la flèche de l'engin de directional: linear vector This is for example the case of a carriage 21 rolling along the arrow of the machine of
levage 1, suivant l'axe X (figure 1). Lifting 1 along the X axis (Figure 1).
La seconde composante est plus complexe Il faut tenir compte des oscillations angulaires autour de l'axe vertical Z (figure 1) et des variations instantanées de la The second component is more complex Consider angular oscillations around the vertical axis Z (Figure 1) and instantaneous variations of the
longueur des câbles 22.cable length 22.
On a illustré schématiquement ces différents Schematically illustrated these different
paramètres sur la figure 8.parameters in Figure 8.
La vitesse du support mobile 21 (chariot) peut être mesurée par le même capteur que celui utilisé pour The speed of the mobile support 21 (carriage) can be measured by the same sensor as that used for
obtenir la régulation de vitesse de ce support mobile 21. obtain the speed regulation of this mobile support 21.
Cet élément est commun à l'Art Connu On peut utiliser un tachymètre ou un dispositif de mesure équivalent Celui-ci fournit un signal représentatif de l'amplitude du vecteur vitesse Vsup du support mobile 21 et de son signe Dans l'exemple illustré Vsup est parallèle à l'axe X et de même orientation. Pour mesurer l'angle a du ballant par rapport à l'axe Z représentant la verticale, c'est-à-dire la position de repos des câbles 22, on peut utiliser, dans une variante de réalisation préférée, un système optique comprenant un système d'analyse notamment du type CCD ("Charge Coupled Device"), et une balise génératrice d'un faisceau optique Il peut s'agir par exemple d'un laser dont la longueur This element is common to the known art. It is possible to use a tachometer or an equivalent measurement device. This provides a signal representative of the amplitude of the velocity vector Vsup of the mobile support 21 and its sign. In the illustrated example, Vsup is parallel to the X axis and of the same orientation. To measure the angle α of the ballant with respect to the Z axis representing the vertical, that is to say the rest position of the cables 22, it is possible to use, in a preferred embodiment variant, an optical system comprising a analysis system, particularly of the CCD type ("Charge Coupled Device"), and a beacon generating an optical beam. It may be for example a laser whose length
d'onde est choisie pour assurer une sécurité oculaire. wave is chosen to ensure eye safety.
Les moyens d'analyse sont solidaires du support mobile 21 et dirigés vers le bas, suivant une direction parallèle à l'axe Z, c'est-à-dire sensiblement à la verticale de la balise 3 La mesure des variations de la longueur lp instantanée des câbles 22, c'est-à-dire de la composante linéaire de la vitesse suivant un axe faisant un angle a avec l'axe Z, peut être effectuée de différentes façons Des dispositifs permettant d'obtenir cette mesure sont bien connus en soi On peut, par exemple, générer des impulsions électriques par un moyen (non illustré sur la figure 8) couplés à l'axe d'enroulement des câbles 22 On peut encore utiliser des moyens optiques de télémétrie Ces moyens de télémétrie sont en général basés sur l'émission d'un faisceau laser réfléchi ou rétro-diffusé par un obstacle dont on veut mesurer l'éloignement Pour ce faire, The analysis means are integral with the mobile support 21 and directed downwards, in a direction parallel to the Z axis, that is to say substantially vertically to the beacon 3. The measurement of the variations of the length lp instantaneous cables 22, that is to say, the linear component of the speed along an axis at an angle with the axis Z, can be performed in different ways Devices to obtain this measurement are well known in For example, it is possible to generate electrical pulses by means (not illustrated in FIG. 8) coupled to the winding axis of the cables 22. Telemetry optical means can also be used. These telemetry means are generally based on on the emission of a laser beam reflected or retro-diffused by an obstacle whose distance we want to measure To do this,
on mesure le temps aller-retour du faisceau. the round trip time of the beam is measured.
Les mesures ainsi effectuées permettent donc de connaître à tout moment les variations de l'angle a du The measurements thus made make it possible to know at any moment the variations of the angle a of the
ballant et de la longueur du pendule "câbles 22-charge 20 ". dangling and length of the pendulum "cables 22-load 20".
On peut donc en déduire la vitesse relative Vbal du We can therefore deduce the relative velocity Vbal of
ballant, par rapport au chariot 21, de façon classique. dangling, relative to the carriage 21, in a conventional manner.
En combinant les deux vitesses, Vsup et Vbal, on obtient la vitesse absolue de la charge Vcha par rapport à un référentiel fixe, par exemple lié au sol Il s'agit naturellement d'une addition vectorielle de différentes By combining the two speeds, Vsup and Vbal, we obtain the absolute velocity of the Vcha load with respect to a fixed reference, for example linked to the ground. This is naturally a vectorial addition of different
composantes.components.
Dans une variante préférée de réalisation de l'invention, ces déterminations s'effectuent à l'aide d'un calculateur. De façon préférentielle, ce calculateur est un calculateur programmable de type numérique, les signaux représentent les diverses commandes et vitesses lui étant fournis sous forme de mots binaires ou de trains In a preferred embodiment of the invention, these determinations are carried out using a computer. Preferably, this calculator is a programmable computer of the digital type, the signals represent the various commands and speeds supplied to it in the form of binary words or trains
d' impulsions.pulses.
La figure 9 est un bloc-diagramme illustrant l'organisation du dispositif de contrôle-commande selon cette variante de réalisation de l'invention Le système de régulation 100 comprend, outre les circuits 120 et 130 similaires aux circuits de la figure 2, un calculateur 200. FIG. 9 is a block diagram illustrating the organization of the control device according to this variant embodiment of the invention. The control system 100 comprises, in addition to the circuits 120 and 130 similar to the circuits of FIG. 2, a calculator 200.
On a représenté les liaisons sous forme de bus de données. The links are represented in the form of a data bus.
On admet donc implicitement que l'ensemble des circuits est numérisé, mais cela n'est en aucun cas limitatif de la portée de l'invention D'autres solutions peuvent être adoptées, en particulier des solutions hybrides: une partie de la chaîne étant analogique, l'autre étant numérique On fera alors usage de convertisseurs analogiques- numériques ou, inversement, de convertisseurs numériques-analogiques, It is therefore implicitly assumed that all the circuits are digitized, but this is in no way limiting the scope of the invention Other solutions can be adopted, especially hybrid solutions: a part of the chain being analog , the other being digital We will then use analog-digital converters or, conversely, digital-to-analog converters,
de façon classique.in a classic way.
Le calculateur 200 reçoit, d'une part, un signal de commande R(p) représentatif de la vitesse de référence et, d'autre part, un signal V(p) représentatif de la vitesse de la charge pendulaire Vcha A partir de ces données, il élabore une nouvelle référence de vitesse ou The computer 200 receives, on the one hand, a control signal R (p) representative of the reference speed and, on the other hand, a signal V (p) representative of the speed of the oscillating load Vcha. data it is developing a new speed reference or
commande de vitesse corrigée, transmise aux circuits 120. corrected speed control, transmitted to circuits 120.
Le fonctionnement de l'ensemble est analogue au fonctionnement des circuits décrits en relation avec la The operation of the assembly is analogous to the operation of the circuits described in connection with the
figure 6 et il est inutile de le redécrire. Figure 6 and there is no point in redescribing it.
Dans une variante non représentée, le calculateur 200 pourrait recevoir directement le signal de commande de vitesse et élaborer, à l'aide de circuits spécifiques appropriés, ou par programme, le signal de rampe tel que In a variant not shown, the computer 200 could directly receive the speed control signal and develop, with the aid of appropriate specific circuits, or by program, the ramp signal such as
décrit en relation avec la figure 3. described in connection with FIG.
Le calculateur 200 lui-même peut être réalisé à base d'un microordinateur de type courant, muni d'interfaces spécialisées pour communiquer avec l'extérieur, ou à base de circuits de traitement de signaux The computer 200 itself can be made based on a microcomputer of the current type, provided with specialized interfaces for communicating with the outside, or based on signal processing circuits.
dédiés, c'est-à-dire spécifiques. dedicated, that is, specific.
La figure 10 illustre, à titre d'exemple non limitatif, l'architecture d'un calculateur 200 Dans cet FIG. 10 illustrates, by way of non-limiting example, the architecture of a computer 200.
exemple, il s'agit d'un calculateur spécialisé ou dédié. example, it is a specialized or dedicated calculator.
On a représenté plus particulièrement les circuits nécessaires à l'acquisition des signaux utiles au In particular, the circuits necessary for the acquisition of signals useful to
calcul de la vitesse de la charge pendulaire. calculation of the speed of the pendular load.
Le calculateur comprend des premiers circuits d'interface 201 recevant des signaux représentatifs du The computer comprises first interface circuits 201 receiving signals representative of the
déplacement du support 21 (figure 1). moving the support 21 (Figure 1).
Le but de ces circuits d'interface 201 est d'effectuer les adaptations nécessaires, électriques et autres, entre le calculateur 200 et l'extérieur, pour mettre en forme les signaux reçus La sortie des circuits 201 est transmise à des premiers circuits 203 d'acquisition des données relatives aux déplacements du support mobile 21 (figure 1) Ces circuits 203 comprennent en général des organes de mémorisation et transforment les données "brutes" en mots binaires utilisables par des premiers The purpose of these interface circuits 201 is to make the necessary electrical and other adaptations between the computer 200 and the outside, to shape the received signals. The output of the circuits 201 is transmitted to first circuits 203. acquisition of the data relating to displacements of the mobile support 21 (FIG. 1) These circuits 203 generally comprise memory devices and transform the "raw" data into binary words that can be used by first
circuits de traitement de signal 205 disposés en cascade. signal processing circuits 205 arranged in cascade.
Ces circuits élaborent un mot binaire représentatif de la vitesse du support mobile 21 (figure 1) La configuration exacte de ces circuits dépend naturellement de la nature des signaux de mesure reçus en entrée (impulsions de These circuits produce a binary word representative of the speed of the mobile support 21 (FIG. 1). The exact configuration of these circuits naturally depends on the nature of the measurement signals received at the input (pulses of
comptage, signaux analogiques, etc). counting, analog signals, etc.).
Le calculateur 200 comprend par ailleurs une deuxième chaîne comportant des deuxièmes circuits d'interface 202 recevant des signaux représentatifs de l'information ou données de ballant, des seconds circuits 204 d'acquisition de ces données et des deuxièmes circuits de traitement de signal 206 Ces derniers élaborent en sortie un mot binaire représentatif de la vitesse du ballant. Le résultat de ces deux chaînes de calcul est combiné par des circuits 207 que l'on a représenté schématiquement sous la forme d'un comparateur dont les informations en sortie sont transmises à des troisièmes circuits de traitement de signal 208, élaborant la nouvelle The computer 200 furthermore comprises a second chain comprising second interface circuits 202 receiving signals representative of the information or dangling data, second circuits 204 for acquiring this data and second signal processing circuits 206. the last produce a binary word representative of the speed of the ballant. The result of these two computation chains is combined by circuits 207 which are shown schematically in the form of a comparator whose output information is transmitted to third signal processing circuits 208, developing the new
référence de vitesse.speed reference.
Enfin, des troisièmes circuits d'interface 209 assurent les adaptations nécessaires entre le calculateur Finally, third interface circuits 209 provide the necessary adaptations between the calculator
et l'extérieur (circuits 120: figure 2). and the outside (circuits 120: FIG. 2).
On n'a pas représenté sur cette figure les circuits généraux, tels qu'alimentation, générateurs de signaux de cadencement (horloges), etc, nécessaires au bon fonctionnement du calculateur 200 Tous ces circuits sont bien connus de l'Homme de Métier et il est inutile de les détailler. De la même manière, on n'a pas représenté la chaîne de circuits nécessaires à l'élaboration d'un mot binaire représentatif de la commande de vitesse de référence, mot binaire élaboré à partir des informations générées, en premier lieu, par la commande de vitesse Cvit (figure 6) Cette chaîne est analogue aux deux chaînes de calcul illustrées et comprend substantiellement les mêmes éléments Le signal résultant de cette élaboration est combiné aux autres signaux par les circuits 207 ou transmis directement aux circuits 208 selon la configuration adoptée. Il va de soi également que les méthodes, les circuits et/ou les programmes nécessaires aux divers calculs: calcul de vitesse à partir de variations de It is not represented in this figure the general circuits, such as power supply, generators of timing signals (clocks), etc., necessary for the proper functioning of the computer 200 All these circuits are well known to the skilled person and he It is useless to detail them. In the same way, we did not represent the chain of circuits necessary for the elaboration of a binary word representative of the command of speed of reference, binary word elaborated on the information generated, in the first place, by the command This chain is analogous to the two illustrated calculation chains and comprises substantially the same elements. The signal resulting from this elaboration is combined with the other signals by the circuits 207 or transmitted directly to the circuits 208 according to the configuration adopted. It goes without saying also that the methods, the circuits and / or the programs necessary for the various computations: computation of velocity starting from variations of
positions, d'angles, etc, sont bien connus en soi. positions, angles, etc., are well known per se.
Enfin le calculateur 200 peut également être utilisé, de façon avantageuse, pour élaborer les autres signaux de commande nécessaires à la bonne marche de l'appareil de levage: ordres de levage, etc, et qui sont Finally, the computer 200 can also be used, advantageously, to develop the other control signals necessary for the proper operation of the hoisting apparatus: lifting orders, etc., and which are
communs à l'Art Connu.common to Known Art.
Pour illustrer de façon plus précise l'invention, on va maintenant décrire un exemple de réalisation concrète d'un dispositif de contrôle et de commande de vitesse de déplacement de la charge pendulaire d'un appareil de To illustrate more precisely the invention, we will now describe a concrete embodiment of a device for controlling and controlling the speed of displacement of the pendular load of an apparatus for
levage, en se référant à la figure 11. lifting, with reference to FIG.
Dans une forme de réalisation particulière d'un dispositif de contrôle et de commande selon l'invention, illustrée par cette figure, le dispositif de contrôle et de commande de vitesse de déplacement d'une charge pendulaire suspendue à un support mobile d'un engin de levage 1 comprend les circuits de régulation 100 incluant le calculateur 200 (figure 9) recevant d'une part, en entrée CL, une information de longueur du pendule issue d'un codeur de position 5; en entrée B, une information de ballant issue de la caméra 4, ou de tout autre dispositif d'analyse optique, comme il a été indiqué; et en entrée CD, une information de déplacement du support mobile ou information de direction, et délivrant en retour, en sortie SL, des ordres de levage transmis à des moyens de levage 6, 7, 8 de l'engin de levage 1, et en sortie SD, des ordres de In a particular embodiment of a control and control device according to the invention, illustrated by this figure, the device for controlling and controlling the speed of displacement of a pendular load suspended on a mobile support of a machine the lifting circuit 1 comprises the regulation circuits 100 including the computer 200 (FIG. 9) receiving on the one hand, at the input CL, a length information of the pendulum coming from a position encoder 5; at input B, balloon information from camera 4, or any other optical analysis device, as indicated; and at the input CD, information for moving the mobile support or direction information, and delivering back, at the output SL, hoisting commands transmitted to lifting means 6, 7, 8 of the hoist 1, and in SD output, orders from
direction transmis à des moyens de direction 19 a, 19 b. direction transmitted to steering means 19a, 19b.
Les moyens de levage comprennent un tambour de levage 8 autour duquels'enroule un câble de suspension 22 relié à la charge 20, par exemple, un conteneur, un réducteur 7 et un moteur électrique 6, agencés suivant des techniques bien connues Le moteur de levage 6, auquel est associé le codeur de levage 5, est commandé, via une ligne de commande 12 et un amplificateur 13, soit à partir d'un levier de commande de levage 14 soit par les circuits 100, The lifting means comprise a lifting drum 8 around which a suspension cable 22 connected to the load 20 is wound, for example a container, a gearbox 7 and an electric motor 6, arranged according to well-known techniques. 6, which is associated with the hoisting encoder 5, is controlled via a control line 12 and an amplifier 13, either from a hoist control lever 14 or by the circuits 100,
à travers la sortie SL précitée.through the aforementioned SL outlet.
Les moyens de direction comprennent un galet de direction 19 b roulant sur un rail de direction 15 horizontal lié à l'engin de levage, un réducteur 19 a et un moteur électrique 9 auquel est fixé un codeur de direction 16 Ce moteur de direction 9 est commandé via une ligne de puissance de direction 17 et un amplificateur de puissance The steering means comprise a steering wheel 19b rolling on a horizontal steering rail 15 connected to the hoist, a gearbox 19a and an electric motor 9 to which is fixed a steering encoder 16 This steering motor 9 is controlled via a power steering line 17 and a power amplifier
18 par les circuits 100, à travers la sortie SD précitée. 18 by the circuits 100, through the aforementioned SD output.
L'angle de ballant est mesuré grâce à une caméra 4 solidaire du support mobile et dont l'objectif est dirigé verticalement vers le bas, comme il a été indiqué; la charge pendulaire 20 étant équipée d'une balise optique 3 The swinging angle is measured by a camera 4 secured to the movable support and whose objective is directed vertically downwards, as has been indicated; the pendular load 20 being equipped with an optical beacon 3
émettant un faisceau 30 dirigé vers le haut. emitting a beam directed upwards.
La commande de vitesse est réalisée à l'aide d'un levier de commande de vitesse Cvit et transmise sur une entrée EC des circuits 100 On suppose, dans l'exemple illustré, que le générateur de rampe GRAMPE est disposé à l'intérieur des circuits 100 ou que cette fonction est The speed control is carried out using a speed control lever Cvit and transmitted to an input EC of the circuits 100. In the example illustrated, it is assumed that the GRAMP ramp generator is disposed inside the circuits 100 or that this function is
réalisée par le calculateur 200.performed by the calculator 200.
L'invention permet donc d'obtenir une assistance efficace au pilotage des appareils de levage, mise à la The invention therefore makes it possible to obtain effective assistance in the control of hoisting apparatus, made to the
disposition du conducteur d'engin.machine operator layout.
Le ballant, par les dispositions prises est maîtrisé à tout instant du déplacement du chariot mobile 21 (figure 1) et quelles que soient les conditions du déplacement et les facteurs influant sur le comportement de The dangling, by the arrangements made is controlled at all times of the movement of the movable carriage 21 (FIG. 1) and whatever the conditions of the displacement and the factors influencing the behavior of the
l'ensemble pendulaire chariot-charge (vent, etc). the pendulum trolley-load (wind, etc.).
Elle permet donc un positionnement précis de la charge quelle que soit la distance parcourue par le chariot mobile. Un appareil de levage équipé d'un dispositif de contrôle et de commande conforme à l'invention ne nécessite plus d'avoir recours uniquement à des conducteurs expérimentés et garantit une parfaite reproductibilité des manoeuvres. L'invention n'est naturellement pas limitée aux seuls exemples de réalisation précisément décrits par It therefore allows a precise positioning of the load regardless of the distance traveled by the mobile carriage. A hoisting apparatus equipped with a control and control device according to the invention no longer requires the use of only experienced drivers and guarantees perfect reproducibility of the maneuvers. The invention is of course not limited to the only exemplary embodiments precisely described by
référence aux figures.reference to the figures.
Dans le domaine du levage, l'invention s'applique à tout appareil de levage à câbles avec une charge en son extrémité et en particulier, sans que cela soit limitatif de la portée de l'invention, aux appareils suivants: portiques à conteneurs portiques à benne grue de chantier (bâtiment) grue à benne ou à crochet grue ferroviaire bigue flottante In the field of lifting, the invention applies to any cable hoisting apparatus with a load at its end and in particular, without being limited to the scope of the invention, to the following devices: gantry cranes tipper construction crane (building) dump or hook crane railway crane floating derrick
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