JP2012066885A - クレーンの振れ止め制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】吊り荷及びその支持構造が単振り子構造または多重振り子構造を構成し、クレーン本体の台車を駆動して吊り荷を目標位置まで搬送するクレーン搬送システムにおいて、吊り荷503の振動による振れ角度を検出する振れ角センサ512と、吊り荷の速度検出値及び位置検出値をフィードバックして吊り荷を目標位置まで搬送するための第1の操作量を演算し、かつ、前記振れ角度を無線通信によりフィードバックして吊り荷の振れ止めを行うための第2の操作量を演算する演算制御手段としてのアシスト制御部101と、第1の操作量及び第2の操作量を加算して前記台車に与える手段と、を備える。
【選択図】図6
Description
特許文献2に係る従来技術では、制御に必要なパラメータを過去の運転結果から学習するので、運転期間が短く学習が不十分な場合には高精度な振れ止め制御が難しいという問題がある。
特許文献3に係る従来技術は、速度パターンに基づいた加減速制御と比例制御または比例積分制御による位置制御との組み合わせで制御を行っており、制御系の構成が比較的複雑である。
特許文献4に係る従来技術は、ジャーク一定時間をモデルの固有周期の整数倍に設定した台形の加速度パターンに基づいて加減速制御するものであり、加速度パターンの設定装置や状態変数検出装置における演算負荷が少なくない。
すなわち、図10はクレーン−吊り荷系の単振り子モデルであり、501はクレーンの台車、502はワイヤロープ、503は吊り荷、Lはロープ長(台車501から吊り荷503の重心までの距離)、θ0は吊り荷503の振れ角度である。
ここで、台車501の加速時間及び減速時間(吊り荷503の振れ周期)TはT=2π√(L/g)によって表されることが知られており(gは重力加速度)、台車501の加速終了時及び減速終了時に吊り荷503の振れ角度θ0が何れも0になるため、距離Lから求めた加減速時間Tに基づき速度パターンを作成して台車501を走行させれば、理論上、吊り荷503の振れ止め制御を行うことができる。
このように、二重振り子構造のクレーン搬送システムにおいては、台車501から吊り荷503の重心までの距離Lに基づいて加減速時間を決定することができず、振れ止め制御の精度が低くなるという問題があった。
吊り荷の振動による振れ角度を検出する振れ角センサと、
吊り荷の速度検出値及び位置検出値をフィードバックして吊り荷を前記目標位置まで搬送するための第1の操作量を演算し、かつ、前記振れ角センサから得られた前記振れ角度をフィードバックして吊り荷の振れ止めを行うための第2の操作量を演算する演算制御手段と、
前記第1の操作量及び第2の操作量を加算して前記台車に与える手段と、を備えたものである。
前記演算制御手段は、前記振れ角度が、
前記支点から第1の質点までの距離と、第1の質点から第2の質点までの距離と、前記支点からの鉛直線と第1の質点との間の角度と、第1の質点からの鉛直線と第2の質点との間の角度と、を用いて表されるものとして、第2の操作量を演算するものである。
まず、図1は本実施形態に係る天井型クレーン搬送システムの主要部構成図、図2は図1におけるクレーン本体100の概略説明図(図2(a)は平面図、図2(b)は側面図)であり、建屋内の天井(高所)に設置されたクレーン本体100によって吊り荷503を始点位置から目標位置まで搬送するシステムを示している。ここで、主に吊り荷503の支持構造に関して、図11と同一の構成要素には同一の番号を付してある。
本実施形態において、吊り荷503は例えばプレス加工用の金型であり、この金型を天井型クレーン搬送システムにより金型置場とプレス機との間で搬送する場合を想定しているが、本発明における吊り荷の種類や搬送場所等は何ら限定されないことは言うまでもない。
図1では、基台100A及び台車100Bを図示しておらず、これらを有するクレーン本体100を一つのブロックとして示してあるが、このブロック内の各構成要素は、基台100Aまたは台車100Bの何れかに配置されるものである。
クレーン本体100において、110はPLC(プログラマブルロジックコントローラあるいはシーケンサ)等により構成されたクレーン制御部であり、後述するアシスト制御部101からの運転指令に従い、インバータ111,113,115を運転して走行用モータ112、横行用モータ114、ドラム509の駆動用(巻き上げ・巻き下げ用)モータ116をそれぞれ駆動するようになっている。ここで、クレーン制御部110及びインバータ111,113,115による各モータ112,114,116の駆動システムや、モータ112による台車100Bの走行機構、モータ114による基台100Aの走行機構、モータ116によるドラム509の駆動機構は、何れも既知のものであり、本発明の要旨ではないため、詳述を省略する。
アシスト設定部200は、例えばタッチパネル方式により、台車100Bの運行パターン(搬送速度、搬送経路上の中継場所の有無等)や目標位置、吊り荷503のパラメータ(吊り荷の種類、振れ止め制御を行わずに通常の搬送を行う場合の重心位置等)を設定するためのものである。なお、201は、上記運行パターンに応じたモータ制御用プログラムや吊り荷503のパラメータ等が格納されたメモリカードを示している。
104は基台100A及び台車100BのX方向、Y方向の位置を検出するための距離検出部であり、詳しくは、図2(a)に示すように構成されている。
反射板105aからのレーザ反射光を受光するレーザ距離計104aの出力信号を用いれば台車100BのX方向の位置(距離)を検出することができ、同様に反射板105bからのレーザ反射光を受光するレーザ距離計104bの出力信号を用いれば基台100AのY方向の位置(距離)を検出することができる。よって、これらの検出値から台車100B言い換えれば吊り荷503の絶対位置が求められ、吊り荷503の搬送先である目標位置(アシスト設定部200により設定される)までの距離も求められる。
300は作業員による遠隔操作用の無線送信部であり、基台100A側に設置された受信部117を介してアシスト制御部101及びクレーン制御部110に指令を送り、本発明に係る振れ止め制御による搬送モードと振れ止め制御を行わない通常の搬送モードとの選択、クレーン搬送システム全体の起動、停止等を行わせる。
118は地上の作業員がクレーン本体100の行先を確認するための行先表示灯であり、この行先はアシスト制御部101から表示データとして行先表示灯118に与えられる。
図3において、位置決め制御手段120には、台車100Bの目標位置xrと位置検出値xとの偏差が入力され、その出力である速度目標値が速度制御手段140に入力される。速度制御手段140では、図示されていない速度検出値が速度目標値に一致するように制御が行われ、第1の操作量u10が出力される。
吊り荷503の振れ角度φは、前述した振れ角センサ512によって検出され、振れ止め制御手段130に入力される。この制御手段130からは振れ止め制御を行うための第2の操作量u20が出力され、前記第1の操作量u10と第2の操作量u20との加算値が、最終的な操作量として台車100Bに与えられる。
ここで、位置決め制御手段120及び振れ止め制御手段130は、主として図1のアシスト制御部101により実現され、速度制御手段140は図1のクレーン制御部110及びインバータ並びにモータ111〜116により実現される。
図4において、Mは台車100Bの質量、m1はビーム504の質量(第1の質点)、m2はスプレッダ505及び吊り荷503の合計質量(第2の質点)、L1はワイヤロープ510の長さ、L2はロープ511の長さ、L3は台車100Bから質点m2までの長さ、θ1は台車100Bからの鉛直線と質点m1との間の角度、θ2は質点m1からの鉛直線と質点m2との間の角度、φは振れ角センサ512によって検出される、鉛直線からの振れ角度である。
まず、図5において、Kpは位置決め制御手段120の伝達関数(ゲイン)、Ksは速度制御手段140の伝達関数(ゲイン)である。また、操作量uが入力される台車100B及び二重振り子構造部150において、a11,a12,a21,a22,a31,b1,b2はパラメータ、1/sは積分手段(sはラプラス演算子)、L1,L2は前述したごとくワイヤロープ510及びロープ511の長さを示している。
ここで、台車100Bは、操作量u及び角度θ1に基づき位置(位置検出値)xを出力し、二重振り子構造部150は、操作量uに基づいて角度θ1,θ2とロープ長L1,L2とのそれぞれの乗算結果並びに角度θ1を出力するように作用する。
また、二重振り子構造部150から出力されるL1θ1とL2θ2との加算結果は、ロープ510,511のパラメータ151を介して振れ角センサ512に作用し、その出力である振れ角度φが位置決め制御手段130を介して操作量u20にフィードバックされる。なお、操作量u20は、図示するようにフィードバックゲインf1,f2と振れ角度φ及びその一階微分値(本文上、「・」を所定位置に表記できないため、φの一階微分値を「φドット」ともいい、φの二階微分値を「φツードット」ともいう。)によって表されるものとする。
この実施形態では、図6に示した制御ブロックにおいて、振れ角センサ512から送信される振れ角度φをアシスト制御部101内の振れ止め制御手段130に直接取り込み、第2の操作量u20にフィードバックして最終的な操作量u20を得ることとし、後述するような演算により制御系のフィードバックゲイン及びパラメータを求めるようにしたものである。
このため、数式24が成り立てば、前述したフィードバックゲインf1,f2と、振れ角センサ512によって検出される振れ角度φから第2の操作量u20を求めることができる。
図7は、位置決め制御系の制御ブロック図である。この図7から、数式28〜数式30が得られる。なお、前述したようにKpは位置決め制御手段120の伝達関数、Ksは速度制御手段140の伝達関数、Mは台車100Bの質量、m=m1+m2である。
まず、Ksを算出するには、図8に示すような速度制御系の制御ブロック図を想定すると、数式34〜数式36が得られ、数式36を変形して数式37、数式38が得られるため、この数式38からKsを求めることができる。なお、Tsは台車100Bの加速時間に相当する。
まず、数式1から求めたx(ツードット)を数式2に代入し、数式39を得る。
また、数式40から数式46を得ることができ、数式46におけるθ1,θ2の係数からパラメータa21,a22を求めることができる。
シミュレーションの条件として、ロープ長はL1=0.6[m],L2=0.3[m]とし、フィードバックゲインはf1=−4.5,f2=−2.73,f3=20,f4=100とし、Ks=20,Kp=5とした。
この図9によれば、台車100Bの位置が目標位置に到達した時点で速度はほぼゼロとなり、同時に振れ角度φもほぼゼロに収束して良好な振れ止め制御が行われていることがわかる。
また、本発明は、ビーム504、スプレッダ505及び吊り荷503等からなる二重振り子構造だけでなく、図10に示したような単振り子構造のクレーンにも適用可能である。その場合には、図5及び図6の二重振り子構造部150におけるパラメータa12,a21,a22,二段階の積分手段(1/s)及びロープ長L2の部分を除いて、単振り子構造部の制御系を構成すればよい。
なお、吊り荷503の昇降機構や走行・横行機構は、図示例に何ら限定されるものではない。
100A:基台
100B:台車
101:アシスト制御部
102:受信部
103,104:距離検出部
104a,104b:レーザ距離計
105a,105b:反射板
106:スプレッダ操作部
110:クレーン制御部
111,113,115:インバータ
112,114,116:モータ
117:受信部
118:行先表示灯
120:位置決め制御手段
130:振れ止め制御手段
140:速度制御手段
150:二重振り子構造部
200:振れ止め設定部
201:メモリカード
300:無線送信部
503:吊り荷
504:ビーム
505:スプレッダ
509:ドラム
510:ワイヤロープ
511:ロープ
512:振れ角センサ
Claims (3)
- 吊り荷及びその支持構造が単振り子構造または多重振り子構造を構成し、クレーン本体の台車を駆動して吊り荷を目標位置まで搬送するクレーン搬送システムにおいて、
吊り荷の振動による振れ角度を検出する振れ角センサと、
吊り荷の速度検出値及び位置検出値をフィードバックして吊り荷を前記目標位置まで搬送するための第1の操作量を演算し、かつ、前記振れ角センサから得られた前記振れ角度をフィードバックして吊り荷の振れ止めを行うための第2の操作量を演算する演算制御手段と、
前記第1の操作量及び第2の操作量を加算して前記台車に与える手段と、
を備えたことを特徴とするクレーンの振れ止め制御装置。 - 請求項1に記載したクレーンの振れ止め制御装置において、
前記吊り荷及びその支持構造が二重振り子構造を構成していることを特徴とするクレーンの振れ止め制御装置。 - 請求項2に記載したクレーンの振れ止め制御装置において、
吊り荷及びその支持構造が、前記台車側の支点から吊り下げられた第1の質点と、この第1の質点から吊り下げられた吊り荷を含む第2の質点と、を有する二重振り子構造であり、
前記演算制御手段は、
前記振れ角度が、
前記支点から第1の質点までの距離と、第1の質点から第2の質点までの距離と、前記支点からの鉛直線と第1の質点との間の角度と、第1の質点からの鉛直線と第2の質点との間の角度と、を用いて表されるものとして、第2の操作量を演算することを特徴とするクレーンの振れ止め制御装置。
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