JP2017206351A - 天井クレーンによる液体タンクの搬送制御システムおよび天井クレーンにより液体タンクを搬送する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タンク内の液体の揺動を抑制することができる天井クレーンによる液体タンクの搬送制御システムおよび天井クレーンにより液体タンクを搬送する方法を提供すること。
【解決手段】液体タンクを天井クレーン台車１４から吊り下げる吊下部材１６と液体タンクの揺れと、液体タンク中の液体の揺動とを連成系モデルとし、吊下部材の揺れ角θを用いてフィードバック・コントロールをし、天井クレーン台車の走行指令値と液体タンクに作用する外力とを外部入力とし、天井クレーン台車の位置と液体タンクの位置との差ｚを制御量として、混合Ｈ_２／Ｈ_∞制御手法を用いて設計し、Ｈ_２制御の周波数重み関数Ｗ_２では積分器またはローパスフィルタを用い、Ｈ_∞制御の周波数重み関数Ｗ_∞は液体タンク中の液体の揺動を考慮しないノミナルモデルと前記連成系モデルとの乗法的誤差を包含するように設計し、天井クレーン台車を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、天井クレーンによる液体タンク、すなわち液体の入ったタンク、の搬送制御システムおよび天井クレーンにより液体タンクを搬送する方法に関する。特に液体タンクの搬送効率と搬送時の安全性を高める液体タンクの搬送制御システムおよび液体タンクを搬送する方法に関する。

鋳造工場では、溶解炉で溶解した高温の溶湯を、注湯機を用いて鋳型に注湯する。鋳造工場は広大で、溶解炉等と注湯機とが離れた場所に設置されているのが一般的である。また、鋳造工場内には、鋳型を製造する造型機や、造型機で造型した鋳型を注湯機に搬送するライン、注湯機で溶湯が注湯された鋳型を冷却するライン等が敷設され、溶解炉から注湯機への溶湯搬送ラインを確保するのも難しいことが多い。そこで、溶湯を取鍋に収容し、取鍋を天井クレーンで搬送することが行われている。

溶湯を収容する取鍋は重量も大きくなり、また、高温の溶湯を収容しているため、大きく揺れると危険であり、また、揺れが止まるまでの時間が長く掛かり、かつ、内容物である溶湯が溢流するようなことがあると、大きな事故を引き起こしかねない。取鍋と天井クレーンから取鍋を吊り下げる吊下部材とを一緒に揺らすと、溶湯は吊下部材が揺れることにより生ずる遠心力により取鍋の壁面に張り付いて、見掛け上液面揺動が生じにくい。しかし、天井クレーンの走行を止める際あるいは走行速度を変更する際に、吊下部材と取鍋が振動し、この振動が止まるまでの時間のために作業効率が低下する。また、吊下部材が揺れる周期（周波数）と異なる周波数で天井クレーンを走行する場合や吊下部材および取鍋が天井クレーンから揺れないように固定すると、取鍋内の溶湯が揺動し、溢流を起こす危険がある。天井クレーンを振動させないようにするためには、速度フィードバック制御を用いる天井クレーンの振動抑制方法が提案されている（特許文献１）。

また、このような天井クレーンの操作は、危険な天井クレーンから離れたオペレータ室等から行うことが多い。そこで、操作器具を工夫して天井クレーンを円滑に制御する方法が提案されている（特許文献２）。

特開平６−３３６３９４号公報 特開平９−１０４５８７号公報

しかし特許文献１に記載された天井クレーンの振動抑制方法では、吊り荷を剛体としており、溶湯を収容する取鍋における溶湯の揺動、すなわちスロッシングを考慮してはいない。

また、特許文献２に記載された操作器具では、一人の操作において誤操作をなくして遠隔操作をすることは可能になるが、揺れを生ずることなく速く天井クレーンを目的地に搬送するための操作については言及されていない。

そこで、本発明は、液体タンクの揺れを抑制すると共にタンク内の液体の揺動を抑制することができる天井クレーンによる液体タンクの搬送制御システムおよび天井クレーンにより液体タンクを搬送する方法を提供することを目的とする。また、遠隔操作において天井クレーンを用いて液体タンクを速く目的地に搬送することができる天井クレーンによる液体タンクの搬送制御システムおよび天井クレーンにより液体タンクを搬送する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の第１の態様に係る搬送制御システムは、たとえば図１〜３に示すように、天井クレーン１０による液体タンク３０の搬送制御システムであって、液体タンク３０を天井クレーン台車１４から吊り下げる吊下部材１６と液体タンク３０の揺れと、液体タンク３０中の液体３４の揺動とを連成系モデルとし、吊下部材１６の揺れ角θを用いてフィードバック・コントロールをし、天井クレーン台車１４の走行指令値ｗ_∞と液体タンク３０に作用する外力ｗ_２とを外部入力とし、天井クレーン台車１４の位置と液体タンク３０の位置との差ｚを制御量として、混合Ｈ_２／Ｈ_∞制御手法を用いて設計し、ここで、Ｈ_２制御の周波数重み関数Ｗ_２では積分器またはローパスフィルタを用い、Ｈ_∞制御の周波数重み関数Ｗ_∞は液体タンク３０中の液体３４の揺動を考慮しないノミナルモデルと前記連成系モデルとの乗法的誤差を包含するように設計し、天井クレーン１０による液体タンク３０の搬送の際の液体タンク３０の揺れを抑制するように天井クレーン台車１４を制御する。

このように構成すると、液体タンクの揺れを抑制するように天井クレーン台車を制御することができ、かつ、液体タンク内の液体の揺動、すなわち液面揺動を抑制することができる。そのために、速く目的地に到達させ、作業効率を高めることも可能となる。

また、本発明の第２の態様に係る搬送制御システムは、第１の態様に係る搬送制御システムにおいて、たとえば図２に示すように、液体タンク３０中の液体３４の一次振動モード３６を制振するように設計される。このように構成すると、液体タンク中の液体は一次振動モードが抑制され、高次の振動も起きることなく液体がこぼれず、所期の目的を達成することができる。

また、本発明の第３の態様に係る搬送制御システムは、第１または第２の態様に係る搬送制御システムにおいて、たとえば図１〜３に示すように、天井クレーン台車１４の走行指令値ｗ_∞は、天井クレーン台車１４の速度指令値であって、レバー１１０の角度操作により入力され、液体タンク３０の揺れに基づき、レバー１１０に角度を変更するような力を生じさせる。このように構成すると、レバーを通じて操作者に加速すべきか減速すべきかの情報が伝達されるので、遠隔操作においても、天井クレーンによる液体タンクの搬送を確実に行うことが可能になる。そのために、速く目的地に到達させることも可能となる。

また、本発明の第４の態様に係る搬送制御システムは、第１ないし第３のいずれかの態様に係る搬送制御システムにおいて、たとえば図１および図６に示すように、天井クレーン１０とレバー１１０との間の信号伝達の遅れをスキャッタリング変換で処理する。このように構成すると、信号伝達の遅れをスキャッタリング変換で処理するので、天井クレーンから離れた場所からでも安定して天井クレーン台車を操作することができる。

上記課題を解決するための本発明の第５の態様に係る天井クレーンにより液体タンクを搬送する方法は、第１ないし第４のいずれかの態様に係る搬送制御システムを用いて、天井クレーンにより液体タンクを搬送する。このように構成すると、液体タンクの揺れや液体タンク内の液体の揺動を抑制するように天井クレーン台車を制御して、液体タンクを天井クレーンにより搬送することができる。

また、本発明の第６の態様に係る天井クレーンにより液体タンクを搬送する方法は、第５の態様に係る天井クレーンにより液体タンクを搬送する方法において、液体タンク３０が、溶湯を収容する取鍋である。このように構成すると、取鍋の揺れや取鍋内の溶湯の揺動を抑制するように天井クレーン台車を制御して、天井クレーンにより取鍋を搬送することができるので、鋳造工場においても安全に効率よく溶湯を搬送することができる。

本発明の搬送制御システムによれば、天井クレーンによる液体タンクの搬送制御システムであって、液体タンクを天井クレーン台車から吊り下げる吊下部材と液体タンクの揺れと、液体タンク中の液体の揺動とを連成系モデルとし、吊下部材の揺れ角を用いてフィードバック・コントロールをし、天井クレーン台車の走行指令値と液体タンクに作用する外力とを入力とし、天井クレーン台車の位置と液体タンクの位置との差を制御量として、混合Ｈ_２／Ｈ_∞制御手法を用いて設計し、ここで、Ｈ_２制御の周波数重み関数では積分器またはローパスフィルタを用い、Ｈ_∞制御の周波数重み関数は液体タンク中の液体の揺動を考慮しないノミナルモデルと前記連成系モデルとの乗法的誤差を包含するように設計し、天井クレーンによる液体タンクの搬送の際の液体タンクの揺れを抑制するように天井クレーン台車を制御するので、液体タンクの揺れや液体タンク内の液体の揺動を抑制することができ、速く目的地に到達させ、搬送効率を高めることも可能となる。

また、本発明の天井クレーンにより液体タンクを搬送する方法によれば、液体タンクの揺れや液体タンク内の液体の揺動を抑制するように天井クレーン台車を制御して、液体タンクを天井クレーンにより搬送することができる。

遠隔操作を用いて天井クレーンにより液体タンクを搬送する構造を説明する概略図である。 図１の構造から数学的モデルを導くための構成を示す説明図である。 一般化プラントのブロック線図である。 周波数重み関数Ｗ_∞の一例を示すボード線図である。 天井クレーンの走行指令値を入力して液体タンクを搬送する制御システムのブロック線図である。 通信遅れを考慮して天井クレーンの走行を入力して液体タンクを搬送する制御システムのブロック線図である。 実施例１で用いた周波数重み関数Ｗ_∞を示すボード線図である。 実施例１における天井クレーン台車の走行速度を示す図である。 実施例１のケース１における制御をした場合の効果を示すグラフで、（ａ）は天井クレーン台車の走行速度であって、大きな値を示すきれいな台形は入力指令値で、その下が実際の走行速度、（ｂ）は液体タンクの揺れ角、（ｃ）は液体の揺動を示し、（ａ１）、（ｂ１）、（ｃ１）は制御をした場合、（ａ２）、（ｂ２）、（ｃ２）は制御なしの場合である。 実施例１のケース２における制御をした場合の効果を示すグラフで、（ａ）は天井クレーン台車の走行速度であって、大きな値を示すきれいな台形は入力指令値で、その下が実際の走行速度、（ｂ）は液体タンクの揺れ角、（ｃ）は液体の揺動を示し、（ａ１）、（ｂ１）、（ｃ１）は制御をした場合、（ａ２）、（ｂ２）、（ｃ２）は制御なしの場合である。 実施例２における測定結果を示すグラフであり、（ａ）はレバーの入力角、（ｂ）は台車速度、（ｃ）は台車位置、（ｄ）は揺れ角、（ｅ）は液体の揺動を示す。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一または相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、遠隔操作を用いて天井クレーン１０により液体タンク３０を搬送する装置を説明する概略図である。天井クレーン１０は、たとえば鋳造工場内の設備の上方に架設された、レール１２と、レール１２を走行する天井クレーン台車１４とを備える。天井クレーン１０は公知の装置であるので、詳細な説明は省略する。天井クレーン台車１４から吊下部材１６が垂下され、液体タンク３０を懸吊する。吊下部材１６は、本実施の形態ではロッドであるが、特にその構造は限定されない。

液体タンク３０は、液体３４を収容して天井クレーン１０にて搬送される容器３２であり、たとえば溶湯を収容する取鍋である。容器３２の形状は、直方体、円筒など任意である。収容される液体も、溶湯に限られず、水、その他の液体でよい。

本実施の形態では、吊下部材１６がロッドである。すなわち曲げ剛性が高いので、天井クレーン台車１４との接合部をピン接合（回転自在な接合）とする。液体タンク３０が溶湯を収容する取鍋のような重量の大きなものである場合、天井クレーン台車１４との接合部を剛接合とすると大きなモーメントを受けることになり、破損し易く、あるいは、堅牢な構造が必要になるので、ピン接合とするのがよい。また、吊下部材１６の揺れ角θを計測する角度変位計１３０を備える。

入力装置１００は、レバー１１０の傾斜角により天井クレーン台車１４への速度指令値を変化させる。ここで、速度指令値とは、操作者が入力装置１００により入力した天井クレーン台車１４の走行を速度で指令する値である。なお、入力装置１００では、速度指令値に代えて、加速度指令値や位置指令値で入力してもよい。制御装置１２０でレバー１１０の傾斜角から速度指令値を演算して天井クレーン台車１４へ信号を送る。なお、搬送制御システムは制御装置１２０および／または天井クレーン１０に内蔵される。後述するように、搬送制御システムからの出力に応じて、制御装置１２０から入力装置１００に信号が送られてもよい。

鋳造工場においては、入力装置１００や制御装置１２０は運転室に置かれるのが一般的である。そのために、天井クレーン１０や液体タンク３０から離れており、遠隔操作を行っている。運転室、すなわち、入力装置１００の近くには、天井クレーン１０や液体タンク３０の動作を映し出すモニター（不図示）等が置かれてもよい。また、天井クレーン１０や液体タンク３０と入力装置１００や制御装置１２０との距離が長いときには、イーサネット等の有線回線あるいは無線回線を経由して通信が行われてもよい。

次に図２を参照して、図１に示す装置から数学的モデルを導くための構成を説明する。図２において、天井クレーン台車１４は左右方向に移動する。吊下部材１６は剛なロッドとする。天井クレーン台車１４と吊下部材１６とはピン接合、吊下部材１６と容器３２とは剛接合されているものとする。容器３２内の液面３６は、一次モードで振動するものとする。これは、通常、天井クレーンで搬送する液体タンクの大きさの範囲では、高次の液面振動は生じにくく、生じたとしても大きくはならないためである。なお、容器３２内の液面３６が高次モードで振動する場合や吊下部材１６と容器３２とを剛接合ではなくピン接合とした場合についても、同様の方法で解析し制御系を設計することにより、液体タンク３０の揺れや液面３６の揺動を抑制するように天井クレーン台車１４を制御することができる。

吊下部材１６と容器３２とを合わせた（「ロッド・タンク連成系」ともいう）質量をｍ_１、天井クレーン台車１４との接合点から質量ｍ_１の重心までの長さをｌ_１とする。容器３２内の液体３４の質量をｍ_２とし、液体３４の揺動は重心からの腕の長さｌ_２の単振子にモデル化する（「等価振子」ともいう）。等価粘性ｃは、液体３４自身の粘性と液体３４と容器３２の壁面との摩擦とを考慮して求める。ロッド・タンク連成系の揺れに液体３４の揺動を合わせた振動モデルを、連成系モデルという。

ロッド・タンク連成系の接合点からの揺れ、すなわち揺れ角をθ_１、等価振子の傾斜角をθ_２とする。天井クレーン台車１４が

で走行すると、運動方程式は式（１）で表わされる。

・・・（１）
ここで、
Ｉ_１＝（ｍ_１＋ｍ_２）ｌ_１ ^２＋ｉ_１
Ｉ_２＝ｍ_２ｌ_２ ^２＋ｉ_２、
ｉ_１：ロッド・タンク連成系の重心回りの慣性モーメント
ｉ_２：液体３４の重心回りの慣性モーメント
ｌ_１：ロッド・タンク連成系の重心までのまでの距離
ｌ_２：等価振子長さ
ｍ_１：ロッド・タンク連成系の質量
ｍ_２：液体３４の質量
ｃ： 液体３４自身の粘性と液体３４と容器３２の壁面との摩擦とを考慮した等価粘性
Ｄ： 回転支点部（吊下部材１６の天井クレーン台車１４との接合点）の粘性係数

図１および図２に示す天井クレーンにより液体タンクを搬送する構成を制御する一般化プラントを図３に示す。以下、図３に示す一般化プラントの制御系の設計を説明する。ここでは、混合Ｈ_２／Ｈ_∞制御理論を用いる。ここで、混合Ｈ_２／Ｈ_∞制御理論とは、一般化制御対象に対して、閉ループシステムを安定化し、かつ、

を満足するという制約のもとで、

を最小化する線形時不変制御器を設計する理論である。また、一般化プラントでは、ロッド・タンク連成系に及ぼす等価振子の影響、すなわち乗法的誤差を、後述の周波数重み関数Ｗ_∞により覆うようにすることにより、１質点系モデルとなっている。

レバー１１０からの入力操作量ｗ_∞と容器３２に作用する外力ｗ_２を外部入力とし、定常状態における容器３２の変位に周波数重み関数Ｗ_２を通した制御量ｚ_２と、入力操作量ｗ_∞に対する容器３２の変位に周波数重み関数Ｗ_∞を通した制御量ｚ_∞を用いる。ここで、外力ｗ_２は、たとえば容器３２に物が衝突して作用する外力であり、あるいは、風力などである。外力ｗ_２は、通常はゼロである。Ｐ（ｓ）２００は、後述の運動方程式である。ｌｓ２１０は、角度変位計１３０で計測した吊下部材１６の揺れ角θを容器３２の変位に変換する関数である。ｋ_ｐ／ｍｇ２２０は、外力ｗ_２を容器３２の変位に変換する関数である。なお、ｍは、ロッド・タンク連成系の質量、すなわち（１）式のｍ_１、ｇは重力加速度である。Ｗ_２２３０およびＷ_∞２４０は、周波数重み関数であり、後述する。Ｋ（ｓ）２５０は、角度変位計１３０で計測した揺れ角θから入力操作量の補正量を算定する関数であり、制御システムのコントローラである。すなわち、揺れ角θに基づきフィードバック・コントロールを行っている。Ｋ（ｓ）２５０は、容器３２の揺れを小さくするように制御するための天井クレーン台車１４への速度入力値の補正量を算定する。なお、ｓは、ラプラス演算子である。

図３に示すノミナルモデルの運動方程式Ｐ（ｓ）２００は、（２）式で表わされる。

ここで、
u：天井クレーン台車への速度指令値，
Ｔ：時定数、なお、

ｌ：ロッド・タンク連成系の重心までのまでの距離、すなわち、（１）式のｌ_１、
ｆ：外力。
ここで、天井クレーン台車の位置ｘは重要ではないので、（２）式では省略している。

（２）式を、（３）式のように置き換える。

出力方程式を（４）式とする。

なお、

である。また、

である。ｙは、出力変数ベクトルである。

図３に示す一般化プラントの周波数重み関数Ｗ_∞２４０は、ノミナルモデルとロッド・タンク連成系に等価振子を加えた連成系モデルとの乗法的誤差を覆うように設計する。一例として、（９）式で表わされる。このように、周波数重み関数Ｗ_∞２４０を乗法的誤差を覆うように設計するために、ロバスト性の高い制御システムを設計することができる。

周波数重み関数Ｗ_∞２４０を状態方程式として（１０）式、（１１）式に示す。

ここで、

ｚ_∞：Ｈ_∞制御における制御量
ｘ_∞：Ｈ_∞制御における状態変数であって、ノミナルモデルの位置
ｕ： Ｈ_∞制御における制御入力
Ａ_∞、Ｂ_∞、Ｃ_∞、Ｄ_∞：Ｈ_∞制御における状態方程式の係数
一例として数値計算で求めた周波数重み関数Ｗ_∞２４０のボード線図を図４に示す。

図３に示す一般化プラントの周波数重み関数Ｗ_２２３０は、低周波での収束を速くするために、ローパスフィルタまたは積分器を用いる。一例として、（１２）式で表わされる時定数を０．２としたローパスフィルタとする。

周波数重み関数Ｗ_２２３０を状態方程式として（１３）式、（１４）式に示す。

ここで、

ｚ_２：Ｈ_２制御における制御量
Ａ_２、Ｂ_２、Ｃ_２：Ｈ_２制御における状態方程式の係数

である。

状態変数ｘを（１６）式とする。

その結果、上述の状態方程式を統合して（１７）〜（２０）式が得られる。

上記（１７）〜（２０）式より、

が１以下を満たすと共に、

ができるだけ小さくなるコントローラＫ（Ｓ）２５０を数値解析により算定する。ここで、

は、全ての領域におけるｚ_∞／ｗ_∞の上限値であり、１以下にするということは、入力ｗ_∞に対して出力ｚ_∞が大きくなることがないことを意味する。

は、ｚ_２／ｗ_２の二乗面積の平方根であり、

が小さいということは、ｗ_２が入力された場合にｚ_２が速く０（ゼロ）になることを意味する。

数値解析は、たとえば、MATLAB（登録商標）、Scilab（登録商標）などの市販のソフトウェアを用いて行うことができる。本制御システムによれば、レバー１１０からの入力操作量ｗ_∞に対して、

を１以下とする制御を行うので、容器３２の変位、すなわち揺れを小さくすることができる。さらに

を速く小さくするように制御システムが設計されるので、容器３２の揺れを速く小さくすることができる。よって、液体タンク３０の揺れおよび液体タンク３０内の液体３４の揺動を防止できると共に、操作者の速度指令値に応じて天井クレーン台車１４を目的地に速く移動させることができる。

次に、図５に示すブロック線図を参照して、図１に示す装置に上記の制御系を用いて、液体タンク３０の揺れを防止する搬送方法について説明する。先ず操作者が所望の速度指令値となるようにレバー１１０を傾ける。すなわち、レバー１１０に所定のトルクを付加するための力ｆ_ｈをかける。このとき、操作者は、所期の搬送時間に適合するような速度指令値を入力しようとする。なお、ｌ_ｍ３００はレバー１１０に対応する。すると入力装置１００に対応するＰｍ（Ｓ）３１０でレバー１１０の操作角度θ_ｍが算定され、出力される。Ｋ_θｖ３２０でレバー１１０の操作角度θ_ｍに応じた天井クレーン台車１４の

を算定する。天井クレーン１０に対応するＰｓ（Ｓ）３３０では、

と後述の

を合算した

が入力され、天井クレーン台車１４を

で動かす。天井クレーン台車１４から吊り下げられる吊下部材１６の揺れ角θを角度変位計１３０で測定し、コントローラＫｓ（Ｓ）３４０に送る。Ｋｓ（Ｓ）３４０では、前述のように容器３２の揺れを小さくするための

を算出し、出力する。よって、前述の通り、天井クレーン台車１４は液体タンク３０の揺れを小さくする

で動かされる。

Ｐｓ（Ｓ）３３０からは、測定した吊下部材１６の揺れ角θに基づき、天井クレーン台車１４に対する液体タンク３０の速度である荷物速度Ｖ_０が出力される。Ｋ_ｖｆ３５０では、荷物速度Ｖ_０に比例するようにレバー１１０を傾けるためのトルクτ_１を算定する。すなわち、レバー１１０で荷物速度値Ｖ_０を指定するトルクに所定の係数を乗じた値で方向（すなわち正負）を逆にしたトルクτ_１を算定する。また、Ｐｍ（Ｓ）３１０から出力された操作角度θ_ｍに基づき、モーメントを測定する力センサに代わり、反力オブザーバ（Reaction force observer）３６０でレバー１１０に付加されたモーメントτ_２を推定する。また、Ｋｍ（Ｓ）３７０では、レバー１１０の操作角度θ_ｍの変化に対する抵抗、すなわちレバー１１０の角速度の変化に対する摩擦から、摩擦により生ずるトルクτ_３を推定する。このトルクτ_３は、レバー１１０を操作する際の抵抗を減じ、すなわち操作するための力を軽減する。これら、Ｋ_ｖｆ３５０、反力オブザーバ３６０およびＫｍ（Ｓ）３７０からのトルクτ_１、τ_２、τ_３を統合し（τ_１からτ_２、τ_３を減じ）、トルクτ_ｍをＰｍ（Ｓ）３１０に入力する。そのために、操作者はレバー１１０を通じて力あるいはトルクτ_ｍを知覚することにより、液体タンク３０の揺れを小さくするには加速した方がいいのか減速した方がいいのか、またその大きさを、レバー１１０からの力として知覚することができる。すなわち、天井クレーン１０や液体タンク３０の動作を映し出すモニターで観察しながら加速した方がいいのか減速した方がいいのかを判断するのではなく、レバー１１０から直接的に感じることができる。

このように本方法によれば、液体タンク３０の揺れを抑え、液体３４がこぼれることを防止するように天井クレーン台車１４を制御することができる。そのために、液体タンク３０を速く目的地に搬送することができる。さらに、液体タンク３０の揺れを小さくする天井クレーン１０の操作が入力装置１００から操作者に直接的に伝達されるので、未熟練者であっても、液体タンク３０の揺れを確実に抑えた操作をすることが可能になる。

次に、図６に示すブロック線図を参照して、天井クレーン１０と入力装置３０とが遠く離れた場所にある場合について説明する。図６に示すブロック線図では、基本的には図５に示すブロック線図と同じ制御を行っている。しかし、天井クレーン１０および液体タンク３０と入力装置１００とが遠く離れた場所にあるため、その間での通信遅れが無視できないレベルとなる。図６では、天井クレーン１０と入力装置１００との間の通信をＷｓ（Ｓ）４２０とＷｍ（Ｓ）４３０とで示す。ここでいう通信は、専用回線による通信でもイーサネット等の公衆回線による通信でもよく、あるいは無線回線を経由した通信であってもよい。通信距離が長いので、送信信号をｂ４００で増幅し、受信した後に１／ｂ４１０で減衰し、雑音の混入を防止するのがよい。なお、図６ではＷｓ（Ｓ）４２０の前後に増幅器であるｂ４００と減衰器である１／ｂ４１０を示しているが、Ｗｍ（Ｓ）４３０の前後でも増幅・減衰をしてもよい。あるいは、増幅・減衰をしなくてもよい。また、

のｂを含め、ｂは特性インピーダンスと呼ばれている任意の正数である。

通信遅れのある制御系の安定性については、制御系が安定することが知られているスキャッタリング変換を用いる。スキャッタリング変換を用いることにより、天井クレーン１０と入力装置１００とが遠く離れた場所にある場合についても、液体タンク３０の揺れを抑え、液体３４がこぼれることを防止して天井クレーン１０で液体タンク３０を搬送することができる。さらに、液体タンク３０の揺れを小さくする天井クレーン１０の加速と減速に関する情報を入力装置１００から操作者に直接的に、かつ、適正に伝達することが可能になる。

本発明による制御システムの有効性を確認するために、実験装置を用いて天井クレーンにより液体タンクを搬送した場合の液体タンクの揺れと液体の液面揺動を測定した。天井クレーンは、一方向に走行するクレーンである。天井クレーンからピン接合で金属ロッドを走行方向と直交する方向に２本吊り下げた。２本のロッドで液体タンクを懸架し、ロッドと液体タンクとは剛接合とした。液体タンクとしては 幅２００ｍｍ×長さ２００ｍｍ×高さ３００ｍｍのアクリル製直方体容器を用いた。液体タンクには水を入れた。

ロッドの長さを０．４ｍとして液体の深さを０．０５ｍとしたケース１と、ロッドの長さを０．８ｍとして液体の深さを０．１５ｍとしたケース２で実験を行い、制御系のロバスト性も確認した。実験で用いた制御系の周波数重み関数Ｗ_∞は、ケース１とケース２における乗法的誤差を覆うように図７に示す通りとした。天井クレーン台車を走行させ、液体タンクの揺れ、すなわちロッドの揺れ角を測定し、液面揺動を液体タンクの進行方向の壁面の揺動の高さで測定した。具体的には、天井クレーン台車に取り付けたレーザーサンサ（株式会社キーエンス製ＶＧ−０３５）で、吊下部材の支持点から所定の長さ下がった位置での変位を測定して揺れ角とした。また、液体タンクの壁面から１０ｍｍ離れた位置に取り付けた超音波センサ（オムロン株式会社製Ｅ４Ｃ−ＤＳ３０）で、液面までの位置を測定し、静止時の高さとの差を液面揺動とした。

天井クレーン台車には、図８で示すように台形状の速度変化を与えた。速度指令値に対し若干の遅れがあるものの、ケース１、ケース２共にほぼ同等の動きをした。

図９にケース１、すなわち、ロッドの長さ０．４ｍ、液体の深さ０．０５ｍとしたケースの実測結果を示す。図９中、（ａ）は天井クレーン台車の速度、（ｂ）は液体タンクの揺れ角、（ｃ）は液面揺動を示す。図９の左側、すなわち（ａ１）、（ｂ１）、（ｃ１）が制御システムを用いた場合、右側、すなわち（ａ２）、（ｂ２）、（ｃ２）が制御システムを用いない場合を示す。制御がない場合に比べ、本実施例による制御システムを用いることにより、液体タンクの揺れの最大値が０．０３ｒａｄ（１．７°）から０．０２ｒａｄ（１．１°）に抑えられ、液面揺動も最大値が０．５５ｍｍから０．２５ｍｍに小さくなったことが分かる。

図１０にケース２、すなわち、ロッドの長さ０．８ｍ、液体の深さ０．１５ｍとしたケースの実測結果を示す。図１０中、（ａ）は天井クレーン台車の速度、（ｂ）は液体タンクの揺れ角、（ｃ）は液面揺動を示す。図１０の左側、すなわち（ａ１）、（ｂ１）、（ｃ１）が制御システムを用いた場合、右側、すなわち（ａ２）、（ｂ２）、（ｃ２）が制御システムを用いない場合を示す。制御がない場合に比べ、本実施例による制御システムを用いることにより、液体タンクの揺れの最大値が０．０５５ｒａｄ（３．２°）から０．０２ｒａｄ（１．１°）に抑えられ、液面揺動も最大値が０．３ｍｍから０．２ｍｍに小さくなったことが分かる。また、本実施例による制御システムを用いた場合、ケース１およびケース２において揺れ角も液面揺動も共に低く抑えられ、本実施例による制御システムのロバスト性が確認できた。

本発明による制御システムの遠隔操作での有効性を確認するために、入力装置と天井クレーンとの間に５０ｍｓの通信遅延を発生させて、実施例１と同様の実験を行った。なお、幅２００ｍｍ×長さ２００ｍｍ×高さ３００ｍｍのアクリル製容器を液体タンクとして用い、ロッドの長さを０．６ｍ、液体の深さを０．１５ｍとした。用いた制御システムは、実施例１で用いたものと同様でスキャッタリング変換を用いたものである。操作者は、天井クレーン台車が０．６ｍ付近まで移動し、そこで一旦停止後、１．６ｍの位置まで移動するように入力装置のレバーを操作した。本実施例の制御システムを用いた場合と用いなかった場合の結果を対比して図１１に示す。

図１１（ａ）は、入力装置のレバーの角度を示す。本実施例の制御システムを用いて、レバーを通じて液体タンクの揺れを小さくする減速・加速情報をレバーの力（トルク）で知覚して操作することにより、レバー角度がスムースになり、操作し易くなっていることが確認された。また、図１１（ｂ）は天井クレーン台車の走行速度、図１１（ｃ）は天井クレーン台車の位置を示すが、本実施例の制御システムを用いることにより、走行速度が安定していることが分かる。

図１１（ｄ）は揺れ角、図１１（ｅ）は液面揺動を示すが、本実施例の制御システムを用いることにより、揺れ角も液面揺動も顕著に小さくなり、本発明の効果が確認された。

産業上の利用の可能性

これまで説明した通り、本発明の制御システムまたは該制御システムを用いた搬送方法を用いることにより、天井クレーンで搬送する液体タンクの揺れを抑制し、液面揺動も小さく抑えられる。さらに、入力装置のレバーの角度操作により速度指令値を入力し、制御系から液体タンクの揺れを抑制するようにレバーに力（トルク）を生じさせることにより、操作者の操作が容易になる。さらに、天井クレーンと入力装置が通信遅れを無視できない程度に離れた位置にあっても、安定した制御を行うことができる。

これまでは、天井クレーンによる液体タンクの搬送制御について説明したが、本発明の技術思想は、２質点系の制御一般に広く適用できるものである。

本発明を鋳造工場の溶湯搬送に適用すると、取鍋の揺れと取鍋内の溶湯の揺動を抑制することができるので、溶湯の溢流による危険性を低下し、ノロの巻き込みによる製品劣化を防止することでき、さらに、溶湯を効率的に搬送することができる。また、未熟練者でも確実な天井クレーン搬送操作が可能になる。さらに、操作者が天井クレーンから離れていても、確実な操作ができるので、安全性が高くなる。

１０ 天井クレーン
１２ レール
１４ 天井クレーン台車
１６ 吊下部材
３０ 液体タンク
３２ 容器
３４ 液体
３６ 液面
１００ 入力装置
１１０ レバー
１２０ 制御装置
１３０ 角度変位計
ｃ 等価粘性
ｌ_１ 接合点から重心までの長さ
ｌ_２ 液体の揺動を単振子でモデル化するときの腕の長さ
ｍ_１ 吊下部材と容器の質量
ｍ_２ 液体の質量
Ｗ_２、W_∞ 周波数重み関数
ｗ_２ 外乱
ｗ_∞ 操作量
ｚ_２、ｚ_∞ 制御量

Claims (6)

1. 天井クレーンによる液体タンクの搬送制御システムであって、
   液体タンクを天井クレーン台車から吊り下げる吊下部材と前記液体タンクの揺れと、前記液体タンク中の液体の揺動とを連成系モデルとし、
   前記吊下部材の揺れ角を用いてフィードバック・コントロールをし、前記天井クレーン台車の走行指令値と前記液体タンクに作用する外力とを外部入力とし、前記天井クレーン台車の位置と前記液体タンクの位置との差を制御量として、混合Ｈ_２／Ｈ_∞制御手法を用いて設計し、ここで、Ｈ_２制御の周波数重み関数では積分器またはローパスフィルタを用い、Ｈ_∞制御の周波数重み関数は液体タンク中の液体の揺動を考慮しないノミナルモデルと前記連成系モデルとの乗法的誤差を包含するように設計し、
   前記天井クレーンによる前記液体タンクの搬送の際の前記液体タンクの揺れを抑制するように前記天井クレーン台車を制御する、
   搬送制御システム。
2. 前記液体タンク中の液体の一次振動モードを制振するように設計される、
   請求項１に記載の搬送制御システム。
3. 前記天井クレーン台車の走行指令値は、前記天井クレーン台車の速度指令値であって、レバーの角度操作により入力され、
   前記液体タンクの揺れに基づき、前記レバーに角度を変更するような力を生じさせる、
   請求項１または２に記載の搬送制御システム。
4. 前記天井クレーンと前記レバーとの間の信号伝達の遅れをスキャッタリング変換で処理する、
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の搬送制御システム。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の搬送制御システムを用いて、天井クレーンにより液体タンクを搬送する方法。
6. 前記液体タンクが、溶湯を収容する取鍋である、
   請求項５に記載の方法。

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