JP2017206358A - 懸垂式クレーンの制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トロリを横行させつつ吊り荷を昇降している時に動作中断要求があった場合でも、トロリ停止時の吊り荷の振れを抑制可能な懸垂式クレーンの制御方法及び制御装置を提供する。【解決手段】懸垂式クレーンの制御方法において、トロリ７の走行中にクレーンの動作中断信号Ｓが発生した時に吊り荷９の昇降動作を停止すると共に、吊り荷９の振れ量と振れ速度を固有角速度により除算した量とを各軸に持ち、かつ、トロリ７の定速走行時の第１の円軌道と加減速走行時の第２の円軌道とを有する位相平面を構成し、トロリ７の停止時に振れ量及び振れ速度が零となるように、トロリ７の減速開始タイミング及び減速度を位相平面上の軌跡から求め、求めたタイミング及び減速度に従ってトロリ７の減速を開始する。【選択図】図１

Description

本発明は、港湾、製鉄所、各種工場等において、トロリを横行させて荷役作業を行う懸垂式クレーンの制御装置及び制御方法に関し、詳しくは、クレーンの運転中断時の吊り荷の振れを抑制するための制御技術に関するものである。

一般に、懸垂式クレーンを用いた荷役作業では、吊り荷を短時間で目標位置へ正確に到達させると共に、トロリの走行中や停止時における吊り荷の振れを零にする振れ止め制御が要求される。
上記の振れ止め制御を行うために、これまで各種の制御方式が開発されており、特に近年では、コンピュータ制御による電気式振れ止め制御が注目されている。

電気的振れ止め制御には、トロリの加減速終了時の吊り荷の振れを零にする速度パターンを演算し、この速度パターンに従ってトロリを駆動する方式、及び、吊り荷の振れ量（距離）や振れ角を検出してトロリの駆動系にフィードバック制御する方式がある。

ここで、図６は、前者の速度パターンに基づく方式の一例として、特許文献１に記載された振れ止め制御装置を示している。
この振れ止め制御装置は、所定の速度パターンに従ってトロリ装置７０を駆動することにより、トロリ７０ｂの走行中及び停止時の吊り荷７０ｄの振れ角θを零にしながら吊り荷７０ｄを最短時間で始点位置から目標位置に運搬することを目的としている。

以下、この従来技術による振れ止め制御の概要を説明する。
図６において、入力装置２０には、吊り荷７０ｄを支持するロープ７０ｃの長さｌ、トロリ７０ｂの走行距離Ｌ、トロリ７０ｂの最大加速度α_ｍａｘ、最大速度Ｖ_ｍａｘ等の走行条件が入力され、入力装置２０の出力側には速度パターン演算装置３０、荷振れ角演算装置４０、及び評価基準演算装置８０が接続されている。

速度パターン演算装置３０は、例えば５種類の速度パターン演算部３０ａ〜３０ｅを備えており、演算部３０ａには速度パターン１、演算部３０ｂには速度パターン２というように、各演算部３０ａ〜３０ｅには、トロリ７０ｂの速度パターン１〜５がそれぞれ設定されている。これらの演算部３０ａ〜３０ｅは、入力装置２０から出力されるロープ長ｌ、走行距離Ｌ等の走行条件に応じた加速度切替時刻及び加速度変化量を、個々の速度パターンを対象として演算する。

図７は、速度パターン１〜５の例を示している。
速度パターン１，２はいわゆる台形状の速度パターンであり、Ｖ_ｃは一般的な設定速度、Ｖ_ｍａｘは最大速度、ｔ_１，ｔ_２は加速度切替時刻、ｔ_３は停止時刻を示す。また、速度パターン３〜５は、加速区間及び減速区間において加速、減速，等速を適宜組み合わせた例であり、ｔ_ａｆは加速度切替時刻、ｔ_ｆは停止時刻を示す。

図６に戻って、荷振れ角演算装置４０は、速度パターン１〜５（速度パターン演算部３０ａ〜３０ｅ）にそれぞれ対応する荷振れ角演算部４０ａ〜４０ｅを備えている。
これらの荷振れ角演算部４０ａ〜４０ｅは、トロリ７０ｂの運転直前に、速度パターン１〜５の加速度切替時刻及び加速度変化量を用いた状態推移法を適用することにより、加速・減速区間及び定速区間における振れ角θを演算する。

評価基準演算装置８０は、速度パターン演算装置３０から出力される加速度、加速度変化量、加速度切替時刻、走行時間、及び、荷振れ角演算装置４０から出力される振れ角θに基づいて速度パターン１〜５を評価することにより、振れ角θが小さく、かつ目標位置まで最短時間で走行可能な速度パターンを決定し、その速度パターンを示す選択信号を速度パターン選択装置５０に出力する。
速度パターン選択装置５０は、上記選択信号に従って選択した一つの速度パターンを速度制御装置６０に出力する。

速度制御装置６０は、速度検出器６０ｅによる速度検出値が、入力された速度パターン（速度指令）に追従するように、差分回路６０ａ、補償回路６０ｂ、増幅回路６０ｃを動作させて電動機６０ｄをフィードバック制御し、電動機６０ｄの駆動力をトロリ装置７０の歯車機構７０ａに伝達してトロリ７０ｂを駆動する。これにより、トロリ７０ｂの走行時及び停止時における吊り荷７０ｄの振れ角θを零に抑制しつつトロリ７０ｂを目標位置に到達させている。

なお、この従来技術では、トロリ７０ｂの横行中はロープ長ｌが一定であること、トロリ７０ｂの加速度が零の時点から走行を開始すること、振れ摩擦や振れ角θは十分に小さいこと等を解析の条件としている。

特公平２−４４７５７号公報（第２頁右欄第２３行〜第３頁第右欄第２４行、第２図，第３図等）

いま、吊り荷７０ｄの巻き上げ高さをＸ_ｈ、トロリ７０ｂの移動量をＸ_ｔとすると、懸垂式クレーンによる荷役動作では、吊り荷７０ｄを短時間で目標位置へ到達させるために、図８（ｂ）に示す如く、吊り荷７０ｄの昇降及びトロリ７０ｂの横行を同時に実行しながら、吊り荷７０ｄが始点Ｏ→Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅという軌跡を辿るように制御することが望ましい。
しかし、特許文献１に係る振れ止め制御装置では、トロリ７０ｂの横行中にロープ長ｌが一定であることを条件としているため、昇降動作と横行動作とを同時に行うことを予定していない。その結果、吊り荷７０ｄは図８（ａ）のように始点Ｏ→Ｆ→Ｇ→Ｅという軌跡を辿らざるを得ず、非常に効率の悪い動作となってしまう。

ここで、横行中のロープ長ｌが一定という条件であっても、図９（ａ）に示すように、トロリ７０ｂの速度ｖ_Ｔが一定である定速走行時にその動作を中断する場合、従来技術の速度パターンを用いてトロリ７０ｂを減速していって停止させれば、停止時の吊り荷７０ｄの振れ角θを零に収束させることができる。
しかしながら、図９（ｂ）に示す如く、トロリ７０ｂの加速中に吊り荷７０ｄが大きく振れている状態で走行動作を中断する場合、前述の速度パターンを適用すると、前提条件に当てはまらないため振れ角θが零に収束せず、発振してしまう恐れがある。

そこで、本発明の解決課題は、吊り荷の昇降及びトロリの横行を同時に実行している際に動作中断要求が発生した場合でも、トロリの停止時における吊り荷の振れを抑制可能とした懸垂式クレーンの制御方法及び制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る制御方法は、トロリからロープにより懸垂された吊り荷を始点位置から目標位置まで運搬する懸垂式クレーンの制御方法であって、前記トロリの横行動作及び前記吊り荷の昇降動作が可能な懸垂式クレーンの制御方法において、
前記トロリの走行中に前記クレーンの動作中断信号が発生した時に前記吊り荷の昇降動作を停止すると共に、
前記吊り荷の振れ量と、前記吊り荷の振れ速度を前記吊り荷の固有角速度により除算した量と、を各軸に持ち、かつ、前記トロリの定速走行時の第１の円軌道と前記トロリの加減速走行時の第２の円軌道とを有する位相平面を構成し、
前記トロリの停止時に前記振れ量及び前記振れ速度が零となるように、前記トロリの減速開始タイミング及び前記トロリの減速度を前記位相平面上の軌跡から求め、前記減速開始タイミング及び前記減速度に従って前記トロリの減速を開始するものである。

請求項２に記載した制御方法は、請求項１に記載した懸垂式クレーンの制御方法において、前記位相平面における前記第１の円軌道と前記第２の円軌道との交点の一つを前記減速開始タイミングとするものである。

請求項３に記載した制御方法は、請求項１または２に記載した懸垂式クレーンの制御方法において、前記減速度を、前記固有角速度と前記トロリの速度と前記位相平面上の位相とに基づいて求めるものである。

請求項４に記載した制御装置は、トロリからロープにより懸垂された吊り荷を始点位置から目標位置まで運搬する懸垂式クレーンの制御装置であって、前記トロリを横行させる横行装置及び前記吊り荷を昇降させる昇降装置を有する懸垂式クレーンの制御装置において、
少なくともトロリ目標速度、トロリ加速度及びロープ長を入力として前記トロリの逐次速度指令を生成する速度指令生成部と、
任意のタイミングで前記クレーンの動作中断信号が発生した時に前記トロリの動作中断時速度指令を生成する動作中断時速度指令生成部と、
前記動作中断信号の発生時に前記逐次速度指令を前記動作中断時速度指令に切り替えて出力する速度指令切替部と、
前記逐次速度指令または前記動作中断時速度指令に従って速度制御信号を生成する速度制御部と、
前記速度制御信号に従って駆動される前記昇降装置、前記横行装置及び前記トロリを含むトロリ機械系と、
前記吊り荷の振れ量を検出する振れセンサと、を備え、
前記トロリの走行中に前記動作中断信号が発生した時に、前記速度制御部を介して前記吊り荷の昇降動作を停止すると共に、
前記動作中断時速度指令生成部は、
前記吊り荷の振れ量と、前記吊り荷の振れ速度を前記吊り荷の固有角速度により除算した量と、を各軸に持つ位相平面を構成し、前記トロリの停止時に前記振れ量及び前記振れ速度が零となるように、前記トロリの減速開始タイミング及び前記トロリの減速度を前記位相平面上の軌跡から求め、前記減速開始タイミング及び前記減速度に従って前記トロリの減速を開始させる速度指令を前記動作中断時速度指令として生成するものである。

本発明によれば、吊り荷の昇降及びトロリの横行を同時に実行している際にクレーンの動作中断要求が発生した場合でも、トロリの減速を開始するタイミング及び減速度を、吊り荷の振れ量及び振れ速度に関する位相平面上の軌跡に基づいて求めることにより、トロリの停止時における吊り荷の振れ量が零となるように制御することができる。

本発明の実施形態に係る制御装置を示すブロック図である。 図１におけるトロリ機械系の概念的な構成図である。 図１における振れセンサの機能を説明するための図である。 吊り荷の振れ量ｘ_Ｌ及び（ｄ／ｄｔ）（ｘ_Ｌ／ω）に関する位相平面図である。 吊り荷の振れ量ｘ_Ｌ及び（ｄ／ｄｔ）（ｘ_Ｌ／ω）に関する位相平面図である。 特許文献１に記載された振れ止め制御装置の構成図である。 図６に示した従来技術における速度パターンの説明図である。 クレーン荷役動作における吊り荷の軌跡を示す図である。 トロリの走行動作中断時のトロリ速度と吊り荷振れ角との関係を示す図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態に係る懸垂式クレーンの制御装置を示すブロック図である。この制御装置は、速度指令生成部１、動作中断時速度指令生成部２、速度指令切替部３、速度制御部４、トロリ機械系５、及び振れセンサ６によって構成されている。

速度指令生成部１は、トロリ目標速度Ｖ_Ｔ、トロリ加速度α_Ｔ、及びロープ長ｌを入力として、トロリの逐次速度指令ｖ’_Ｔを生成し、出力する。トロリの加速時には、トロリの速度ｖ_Ｔがトロリ目標速度Ｖ_Ｔに達するまで、トロリ加速度α_Ｔを調整して逐次速度指令ｖ’_Ｔを変更していく。
この時、速度指令生成部１は、特許文献１と同様に、ロープ長ｌからロープ及び吊り荷系の固有角速度(固有角振動数）ωをω＝√（ｇ／ｌ）（ｇは重力加速度）により求め、トロリの加速・減速区間及び定速区間を組み合わせた速度パターン（逐次速度指令ｖ’_Ｔ）を生成することで、トロリが目標速度Ｖ_Ｔに到達した時点における吊り荷の振れを零にすることができる。

動作中断時速度指令生成部２、速度指令切替部３、及び速度制御部４については後述することとし、次に、トロリ機械系５及び振れセンサ６の構成、機能について説明する。
図２は、トロリ機械系５の概念的な構成図である。
図２において、７は横行軌道８に沿って走行するトロリ、９は吊り荷（吊り荷を把時するスプレッダ、ヘッドブロック等を含む）、１２はロープ、１０は吊り荷９を昇降動作させる昇降装置（巻上げ・巻下げ装置）、１１はトロリ７を横行動作させる横行装置である。昇降装置１０及び横行装置１１は、主に電動機、減速機、及びロープ巻き取り用のドラム等によって構成されている。

図３は、振れセンサ６の機能を説明するための図である。
振れセンサ６は、例えばトロリ７に光学的検出手段を配置し、鉛直線を基準とした吊り荷９の振れ量（距離）ｘ_Ｌまたは振れ角θを検出する。この実施形態では、振れセンサ６が振れ量ｘ_Ｌを検出するものとして説明を続ける。

図１に戻って、動作中断時速度指令生成部２は、速度指令生成部１から出力される逐次速度指令ｖ’_Ｔと、任意のタイミングで発生するクレーンの動作中断信号Ｓと、振れセンサ６により検出した吊り荷９の振れ量ｘ_Ｌとに基づいて、動作中断時速度指令ｖ’_Ｓを生成する。

次に、動作中断時速度指令ｖ’ _Ｓの生成について説明する。
吊り荷９の振れ量ｘ_Ｌは、トロリ７が加速度α_Ｔで運動している場合、振り子の運動方程式に基づき数式１に従って変化する。

なお、数式１を展開すると、数式２に示す円の方程式となる。

ここで、図４は、吊り荷９の振れ量ｘ_Ｌを縦軸とし、振れ速度（ｄｘ_Ｌ／ｄｔ）を角速度ωで除算した値である（ｄ／ｄｔ）（ｘ_Ｌ／ω）を横軸とした位相平面図であり、吊り荷９の軌跡を概念的に示したものである。
図４において、トロリ加速度α_Ｔが零の場合（定速走行時）に、吊り荷９の軌跡は、極座標系における原点（０，０）を中心とした円軌道Ａに沿って、偏角θ＝ωｔとして角速度ωで移動し、また、トロリ加速度α_Ｔが一定の場合には、点（０，α_Ｔ／ω^２）を中心とした円軌道Ｂに沿って移動する。

トロリ７の加速中に動作中断信号Ｓが発生した場合には、ａ→ｂ→ｃという経路を辿り、また、トロリ７の定速走行中に動作中断信号Ｓが発生した場合には、ｂ→ｃという経路を辿れば良い。いずれにしても、吊り荷９の振れ量ｘ_Ｌを零にするためには、軌跡が原点（０，０）を通るように所定のタイミングでトロリ加速度（減速度）α_Ｔを与えること、及び、原点（０，０）においてトロリ速度ｖ_Ｔが零になることが必要である。

ここで、トロリ加速度α_Ｔとして零または一定値をどのタイミングで与えれば振れ量ｘ_Ｌを零にできるかについて説明する。なお、動作中断信号Ｓが発生した時点で、吊り荷９の昇降動作を停止することを前提とするため、ロープ長ｌの変化は無視することができる。

吊り荷９を昇降させずにトロリ７だけを横行させるのであれば、減速時に与えるべき加速度α_Ｔは、加速時と等しくすれば良いことが分かっているが、吊り荷９を巻き上げながらトロリ７を移動させる場合もある。
そこで、図４に示す如く、トロリ７が速度ｖ_Ｔで定速走行しており、位相平面上の軌跡が円軌道Ａにある時に動作中断信号Ｓが発生したものと仮定し、この場合にトロリ７に与えるべき減速度α_Ｔ及び減速開始タイミングについて説明する。なお、図４において、（π−ｚ）は減速開始タイミングを極座標で見た場合の位相であり、ｚ＝ωｖ_Ｔ／２α_Ｔである。

まず、図４における原点（０，０）、点（０，α_Ｔ／ω^２）、及び減速開始タイミング（円軌道Ａ，Ｂの交点）を頂点とする三角形から、数式３が成り立つ。

数式３において、ωｖ_Ｔ／２α_Ｔ＝ｚとおくと数式４が得られ、ｚは数式５を満たす必要がある。

ｚ＝０〜πの範囲で、数式５の（ｓｉｎｚ／ｚ）は単調減少関数になるので、この逆関数を得る関数を用意しておいてｚを求め、更に、トロリ７に与えるべき減速度α_Ｔを、ωｖ_Ｔ／２α_Ｔ＝ｚにより求める。

次に、トロリ７の減速開始タイミングについては、図５に示すように、位相が（π−ｚ）以下の間は軌跡ｂに従って定速走行し、位相が（π−ｚ）に達した時点で軌跡ｃに移行させて減速に切り替えれば良いことが分かる。
なお、トロリ７の加速中に任意のタイミングで運転中断信号Ｓが発生したら、その直前の振れ量ｘ_Ｌ及び振れ速度（ｄｘ_Ｌ／ｄｔ）を用いて、原点（０，０）回りで見た初期位相θ_０と半径ｒとを求め、トロリ７の加速を中断して位相が（π−ｚ）に達するまで固有角速度ωにより定速走行させ、その後に位相が（π−ｚ）に達した時点で減速に切り替えれば良い。

また、固有角速度ωは、重力加速度をｇとした場合、前述したようにロープ長ｌを用いた下記の数式６により、吊り荷９の高さが変化した場合でも逐次的に算出することが可能である。これにより、吊り荷９の昇降とトロリ７の横行とを同時に行っている時に動作中断信号Ｓが発生した場合でも、トロリ７に与えるべき減速度α_Ｔ及び減速開始タイミングを適切に求めることができる。

図１の速度指令切替部３は、通常動作時には、速度指令ｖ’として逐次速度指令ｖ’_Ｔをそのまま出力しているが、クレーンの動作中断信号Ｓが入力された時には、逐次速度指令ｖ’_Ｔに代えて動作中断時速度指令ｖ’_Ｓを選択し、速度指令ｖ’として出力する。この速度指令ｖ’は、前述したトロリ７の減速度及び減速開始タイミング等の情報を含む速度パターンに相当する。なお、動作中断信号Ｓの入力時には、前述したように昇降装置１０の動作を停止させる。

速度制御部４は、速度指令切替部３から入力された速度指令ｖ’に従ってトロリ機械系５の昇降装置１０及び横行装置１１を制御するための速度制御信号を生成する。
特に、動作中断信号Ｓの発生時には、昇降装置１０の動作を停止させると共に、動作中断時速度指令ｖ’_Ｓに情報として含まれるトロリ７の減速度α_Ｔ及び減速開始タイミングに従って速度制御信号を生成し、この速度制御信号により横行装置１１の動作を制御してトロリ７を減速させ、停止させる。

トロリ７の減速度α_Ｔ及び減速開始タイミングは、位相平面上の軌跡が図４，図５における原点（０，０）を通り、しかも原点（０，０）においてトロリ速度ｖ_Ｔが零になるように求めているため、トロリ７の停止時における吊り荷９の振れ量ｘ_Ｌを零にすることができる。

なお、上述した実施形態は、定速走行（減速のタイミングを待っている状態）と減速走行とを組み合わせた場合のものであるが、位相平面上の軌跡が原点を通り、原点においてトロリ速度ｖ_Ｔが零になる条件であれば、定速走行、減速走行、加速走行を適宜組み合わせて実現しても構わない。

１：速度指令生成部
２：動作中断時速度指令生成部
３：速度指令切替部
４：速度制御部
５：トロリ機械系
６：振れセンサ
７：トロリ
８：横行軌道
９：吊り荷
１０：昇降装置
１１：横行装置
１２：ロープ

Claims (4)

1. トロリからロープにより懸垂された吊り荷を始点位置から目標位置まで運搬する懸垂式クレーンの制御方法であって、前記トロリの横行動作及び前記吊り荷の昇降動作が可能な懸垂式クレーンの制御方法において、
   前記トロリの走行中に前記クレーンの動作中断信号が発生した時に前記吊り荷の昇降動作を停止すると共に、
   前記吊り荷の振れ量と、前記吊り荷の振れ速度を前記吊り荷の固有角速度により除算した量と、を各軸に持ち、かつ、前記トロリの定速走行時の第１の円軌道と前記トロリの加減速走行時の第２の円軌道とを有する位相平面を構成し、
   前記トロリの停止時に前記振れ量及び前記振れ速度が零となるように、前記トロリの減速開始タイミング及び前記トロリの減速度を前記位相平面上の軌跡から求め、前記減速開始タイミング及び前記減速度に従って前記トロリの減速を開始することを特徴とする懸垂式クレーンの制御方法。
2. 請求項１に記載した懸垂式クレーンの制御方法において、
   前記位相平面における前記第１の円軌道と前記第２の円軌道との交点の一つを前記減速開始タイミングとすることを特徴とする懸垂式クレーンの制御方法。
3. 請求項１または２に記載した懸垂式クレーンの制御方法において、
   前記減速度を、前記固有角速度と前記トロリの速度と前記位相平面上の位相とに基づいて求めることを特徴とする懸垂式クレーンの制御方法。
4. トロリからロープにより懸垂された吊り荷を始点位置から目標位置まで運搬する懸垂式クレーンの制御装置であって、前記トロリを横行させる横行装置及び前記吊り荷を昇降させる昇降装置を有する懸垂式クレーンの制御装置において、
   少なくともトロリ目標速度、トロリ加速度及びロープ長を入力として前記トロリの逐次速度指令を生成する速度指令生成部と、
   任意のタイミングで前記クレーンの動作中断信号が発生した時に前記トロリの動作中断時速度指令を生成する動作中断時速度指令生成部と、
   前記動作中断信号の発生時に前記逐次速度指令を前記動作中断時速度指令に切り替えて出力する速度指令切替部と、
   前記逐次速度指令または前記動作中断時速度指令に従って速度制御信号を生成する速度制御部と、
   前記速度制御信号に従って駆動される前記昇降装置、前記横行装置及び前記トロリを含むトロリ機械系と、
   前記吊り荷の振れ量を検出する振れセンサと、を備え、
   前記トロリの走行中に前記動作中断信号が発生した時に、前記速度制御部を介して前記吊り荷の昇降動作を停止すると共に、
   前記動作中断時速度指令生成部は、
   前記吊り荷の振れ量と、前記吊り荷の振れ速度を前記吊り荷の固有角速度により除算した量と、を各軸に持つ位相平面を構成し、前記トロリの停止時に前記振れ量及び前記振れ速度が零となるように、前記トロリの減速開始タイミング及び前記トロリの減速度を前記位相平面上の軌跡から求め、前記減速開始タイミング及び前記減速度に従って前記トロリの減速を開始させる速度指令を前記動作中断時速度指令として生成することを特徴とする懸垂式クレーンの制御装置。

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