JP2020087451A - 振動可能な技術システムの振動を安定化するための方法及び振動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、制御法則を持つ振動制御装置を備える振動可能な技術システムの、安定化されるべき少なくとも１つの振動量を持つ振動を安定化する方法を提供する。【解決手段】振動可能な技術システム１の振動制御における操作値の制限に起因する制御問題を解消するために、制御すべき振動量（ｙ）の目標値（ｙｓｅｔ）及び実際値（ｙａｃｔ）及び／又は目標値（ｙｓｅｔ）及び実際値（ｙａｃｔ）の時間導関数から、振動可能な技術システム１のアクチュエータの操作値（ｕ）を計算するための制御法則で、操作値（ｕ）の少なくともを考慮する。【選択図】図１

Description

本発明は、制御法則を持つ振動制御装置を備える振動可能な技術システムの、安定化されるべき少なくとも１つの振動量を持つ振動を安定化する方法に関する。当該方法は、目標値と、実際値及び／又は目標値の時間導関数と、制御すべき振動量の実際値と、振動可能な技術システムのアクチュエータの操作値とを計算する。また、本発明は、対応する振動調整装置にも関する。

巻上機、特にクレーン（起重機）は、さまざまな実施形態で提供され、さまざまな用途で使用されている。例えば、地上建造物及び地下建造物で主に使用されるタワークレーンや、例えば風力タービンの組み立てのための、移動式クレーンがある。同様に高層倉庫のつり上げ装置（いわゆるスタッカークレーン）が知られている。橋形クレーンは、例えば、鉄道又はトラックによる船舶の積み替え港、又は鉄道からトラックへの積み替え、又はその逆の積み替えのための貨物ステーションのようなインターモーダル処理（複合一貫輸送）ハブでの（コンテナのような）輸送コンテナの操作用に、例えば、工場の建物やガントリーの屋内クレーンとして使用される。このとき主に、物品は、陸路、鉄道、海路の３つのモードでの輸送に同様に適した、標準化されたコンテナ、いわゆるＩＳＯコンテナに入れて輸送用に保管される。ガントリー（橋形）クレーンの構造と操作は周知であって、例えば特許文献１では「船から陸へのクレーン」に基づいて説明されている。クレーンは、ジブが配置される支持構造又はガントリーを備える。車輪付きのガントリーは、例えば移動可能にレールに取り付けられて、一方向に移動可能である。ジブはガントリーにしっかりと結合されていて、ジブにはジブトロリに沿って移動可能なもの（一般的には支持部材）が配置されている。荷を受け取るため、例えばＩＳＯコンテナの場合、トロリは、いわゆるスプレッダーのような耐荷要素とケーブルとに接続される。荷を受けて動かすために、耐荷要素は、巻上機、ここでは２本のロープ用の２つのロープウインチにより、昇降可能である。荷支持要素は、異なる大きさの荷に適合可能である。

流通プロセスの効率を向上させるため、とりわけ非常に迅速な貨物の取り扱い、すなわち、例えば貨物船からの非常に迅速な荷役（貨物の積み卸し）と、これに対応して荷支持要素及びガントリークレーンの全体として高速移動が求められている。もちろん、他のつり上げ装置又は運搬装置にも同様なことが当てはまる。しかし、貨物を意図した場所に正確に配置できないため、そのような急速な貨物の動きが、操作プロセスを遅らせる荷支持要素の不要な揺れにつながるおそれとなる。この場合、貨物支持要素のねじり振動、すなわち貨物の鉛直軸線（スキュー）、長手軸線（リスト）、及び／又は横軸線（トリム）の周りの振動が発生する可能性があり、つり上げ装置は、通常、鉛直軸線の周りに発生するねじれ振動等が関連する。同様に、つり上げ装置の一部、例えばトロリ及び／又は脚の、移動方向への移動過程によってケーブル荷支持要素につり下げられたものが傾いて、荷支持要素の振子振動（いわゆるスウェイ）につながる可能性もある。

つり上げ装置の構造構成のため、荷支持要素に基づき、弱い又は減衰されない振動可能力学システムが含まれる。これは、力学システムの振動部分は減衰機能を内在して持っていないか、効果の弱い減衰しかないことを意味し、発生する振動は減衰しないか、非常に弱く減衰するだけである。力学システムの振動部分の動きは、二階微分方程式（システム理論ではＰＴ２要素と呼ばれることが多い）又は高次で表現可能である。もちろん、つり上げ装置に加えて、減衰手段あり又は減衰手段なしの他の振動力学システム、例えば、振動部としてのつり荷の、駆動されて動く部分に振り子を持つ力学システムは存在する。荷の動きは、二階微分方程式で説明可能である。動く部分は、例えば、特許文献２又は特許文献３に記載された、荷物運搬のためのロングステータリニアモータのビークルのような、例えばコンベアのビークルであってもよい。振り子は、ビークルにしっかりと剛性的に固定される柔軟な腕部として形成してもよい。柔軟な腕部の動きは、そして二次微分方程式で説明可能である。動きによって液体が飛び散るコンテナを持つ、動くビークルもこの例である。液体の動きは、二階微分方程式により、適切な近似で記述可能である。この場合においては、コンベア、例えばロングステータリニアモータの、ビークルであってもよい。それらの組み合わせ、例えば、飛び散る液体のコンテナを持つ、動くビークルにつり下げられた振り子も想到可能である。そのような振動可能な力学システムが多々存在することは明らかで、それにより、力学システムの振動可能な部分の運動は、少なくとも二階微分方程式で記述可能である。

力学的振動可能なシステムに加えて、電気的振動システム（電気回路）、あるいは油圧又は空気力学的振動システムのような、他の振動可能な技術システムがもちろん存在する。そのような振動も、二次又はより高次の微分方程式で同様に記述可能である。

全体として、本発明は、運動の自由度、電圧、電流、圧力、流体量などのような物理量で記述可能な振動技術システムに関し、ここでは、（検討対象の振動の大きさとして）少なくとも１つの物理量が周期的振動に励起可能である。振動技術システムは、例えば、力学システムの動く部分の駆動部（例えば、つり上げ装置又はロングステータリニアモータ）、油圧ポンプ、電圧又は電流源など、少なくとも１つのアクチュエータを手段として、外部から影響を与えて振動値を増大可能である。少なくとも１つの振動量の振動は、数学的／物理的に、二次又はより高次の微分方程式により記述可能である。そのような振動は、正常操作において通常望ましくなく、したがって補償（相殺）されるべきである。

振動可能な技術システムにおいて振動を補償するために、振動を減衰させるように振動量に影響を与えるべく、振動技術システムのアクチュエータの操作値を計算する振動制御装置がしばしば実装される。アクチュエータは、振動技術システムの実施に依存して変更可能である。例えば、つり上げ装置の場合は、（アクチュエータとしての）トロリの速度が、トロリの移動方向における振り子振動を安定化するために、１操作値として計算可能である。同様に、つり上げ装置の場合は、荷支持要素のケーブルのケーブル長さが、１操作値として計算可能であり、ねじり振動の制御のために、ケーブル長さ調整ユニットを手段として調整可能である。ロングステータリニアモータの（アクチュエータとしての）ビークルでは、操作値、ビークルの設定速度を計算して、振り子が付けられた荷の振り子振動又はビークルのコンテナ内の液体のスロッシング運動を安定化可能である。油圧システムでは、（操作値として）油圧ポンプ、油圧作動油の圧力及び／又は流量の影響を受ける。電気システムでは、印加電圧及び／又は印加電流を操作値として使用してもよい。振動技術システムの構成に応じて、他のアクチュエータ及び操作値がもちろんあり得る。

さらに、振動技術システムの振動量を、到達すべき特定位置、ホイストの荷受け要素のねじり角度、ロングステータリニアモータのビークルの位置、電気振動回路の出力電圧、又は油圧回路の油圧などのような所定の目標値に向けた制御がしばしば望ましい又は必要である。そのような振動値制御は、振動制御と組み合わせてもよい。この場合は、振動量の目標値が調整され、目標値によって振動量の振動が安定化される。

各技術システムでは、アクチュエータ用の操作値は、物理的仕様に制限される。例えば、つり上げ装置、又はロングステータリニアモータのビークルの最高達成可能速度は、駆動の実施態様によって制限される。同様のことがケーブル長さの調整可能範囲、又は任意の力学的アクチュエータにいえる。油圧ポンプでは、最大圧力及び／又は流量（流速）、あるいはそれらの時間導関数は達成可能である。同様に、電圧源又は電流源では、ある電圧又はある電流だけ生成可能である。電気モータの物理的制限の典型的な例は、速度制限を導く電気モータの最大モータ電圧、又は加速度制限を導く最大モータ電流である。機械的構造は、例えば応力制限を導く機械的強度によって、制限される。同様に、他の型式のアクチュエータには、対応する物理的制限が存在する。振動量制御装置と組み合わせられることもある、振動制御装置により計算される操作値は、所与の制限のため結果的に制限され、アクチュエータは限定された操作値のみを受ける。しかしながら、この場合の操作値の時間導関数での制限、すなわち操作値をいかに早く変更可能か又は変更すべきかは、しばしば考慮される。操作値の計算後に制御装置に起こる操作値の制限により、操作値のタイムシフト（位相シフト）と、おそらく操作値の値制限も、導入される。ゆえに、特に、高い振動振幅では、振動制御装置は、もはやある振動量の振動を制御できないか、不十分にしか制御できない。（適切なより大きな位相シフトを伴う）極端な例では、振動が、操作値の制限を持つ振動制御装置によって増幅さえされるかもしれないし、不安定さにもつながりかねない。

非特許文献１には、揺動的振動（スウェー）と、ねじり振動（スキュー）とを安定化するように形成されたコンテナクレーン用振動制御システムが記載されている。操作値制限の影響を減らすためと、トロリ速度及びトロリ加速度の制限に応じるため、制御ゲイン値が、適合的に適合される。しかしながら、この適合的適合がどのように起こるかについて、詳しく説明はされていない。

米国特許出願公開第２００７／０２８９９３１号明細書 欧州特許出願公開第３１０９９９８号明細書 欧州特許出願公開第３２４３７７２号明細書

Ｊ．Ｂ． Ｋｌａａｓｓｅｎｓ ほか、「Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ Ｃｒａｎｅｓ」、（英） Ｌｏｎｄｏｎ、Ｃａｒｇｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０００， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， 第１１頁から第１２頁

本発明の目的は、振動技術システムの振動制御における操作値に関連する問題を排除すること、少なくとも軽減することである。

この目的は、操作値の少なくとも一次の導関数の制限が、操作値の計算用制御法則に考慮されることにおいて、達成される。この計算される操作値は、調整用アクチュエータに転送可能である。よって、計算された操作値を続いて制限することはもはや不要となるが、制限がすでに考慮されたゆえに、（例えば、フィードフォーワードからの他の操作値との合計に含まれるものであるかもしれない）計算された操作値は、直接アクチュエータに使用可能である。このアプローチでは、制限によって位相シフトは存在せず、それにより制限に伴う制御への負の効果は回避可能である。

有利な実施形態では、制御法則は、操作値の少なくとも一次の導関数の制限に依存する制御変数を含有する。好ましくは、制御変数は、振動可能技術システムに導入される減衰であって、このように予め定め制限に適合可能である。この際に、制御変数が振動の振動振幅及び／又は振動の時間導関数の振幅に依存するならば、そのように制御変数、好ましくは減衰が現在の振動に適合的に適合可能であるため、特に、有利である。これにより、例えば、比較的大きな振動振幅よりも、比較的小さな振動振幅においてより減衰効果を強化可能であって、振動がより迅速に安定化可能である。

振動振幅は計測可能であるが、好ましくは、振動の振動振幅と、制御対象の振動量の実際値及び目標値の時間導関数との少なくとも一方から振動の時間導関数の振幅を計算する振幅オブザーバで計算される。このようにして、振動振幅及び導関数の振幅を既存の測定された変数から推定可能であるので、振幅を計測する追加の測定装置をなくすことができる。

操作値の計算では、振動可能技術システムのデッドタイムが好ましくは考慮される。好ましくは、将来のデッドタイムによって出てくる制御誤差を計算してこの将来制御誤差を操作値の計算に考慮することで、デッドタイムが考慮される。多くの技術システムでは、デッドタイムを考慮可能である。デッドタイムを考慮することで、振動制御の制御品質が顕著に向上する。

好ましくは、振動量の目標値からフィードフォーワード制御操作値を計算するフィードフォーワード制御が実装される。フィードフォーワード制御操作値は、振動制御装置によって計算される操作値と共に、アクチュエータの操作値を決定するために加えられる。フィードフォーワード制御により、振動制御装置は、比較的小さな制御誤差の安定化だけが必要であり、制御のダイナミクスを改善する。

特に有利には、制御すべき振動量の目標値と、振動後に到達された振動量の値としての振動量の最終値との間の偏差を安定化する振動量制御器が実装される。よって、振動量制御装置から振動制御装置の有利な結合解除が達成され、振動制御器の制御挙動は、振動制御に悪影響を受けない。この目的のため、最終値は、安定化される振動量の振動の定数成分を最終値として計算する最終値オブザーバによって単純に計算可能である。

本発明を、図１から図６を参照して以下により詳細に説明するが、本発明の有利な実施形態を例として概略的に示すが、限定するものではない。各図は、以下の内容を示す。

振動技術システムの例としてのつり上げ装置である。 つり上げ装置の荷物支持要素の振動自由度を示す。 振動量の振動制御器を備える技術システムの操作制御装置を示す。 振動制御器を備えるつり上げ装置の操作制御装置を示す。 振動振幅オブザーバを備える振動制御装置を示す。 最終値オブザーバによる振動制御を示す。

既に述べたように、すでに述べたように、本発明による振動制御は、基本的に、技術システムの振動量の振動が少なくとも二次の微分方程式で記述可能な任意の振動可能技術システムに適用可能である。振動量は、時間に応じて変化する物理変数、例えば、速度、加速度、電流、電圧、流量（流速）のような物理変数であって、それを用いて振動技術システムの経時的に変化する挙動を記述可能である。限定ではなく例として、本発明は、振動可能な技術システム１としてつり上げ装置の例を使用して以下に説明され、以下の記載は、振動量を有する他の振動可能技術システムに同様に移行可能である。

図１は、港で荷役に使用するガントリークレーンの形態のつり上げ装置を示す。つり上げ装置は、地面に固定又は可動式に配置された支持構造３を有する。可動式の構成の場合、支持構造３は、例えばＹ方向に、レール上を移動可能に構成してもよい。支持構造３は、支持構造３に固定的に連結されたジブ４を備える。ジブ４には、ジブ４の長手方向に、つまり図示された例でＸ方向に移動可能である支持要素５が通常配置されていて、例えば、支持要素５は、ジブ４の案内部内のローラ手段により移動可能に支持されている。支持要素５は、通常ケーブル又はベルトを例とする保持要素６によって、荷物８を受け取るための耐荷要素７に通常連結されている。保持要素６は、通常、ケーブルとして形成され、ほとんどの場合、４つの保持要素６が支持要素５上に配置されるが、４つより多い又は少ない保持要素６が設けられてもよい。したがって、耐荷要素７は、保持要素６上に配置された、可動な支持部材５に揺れ動くように配置され、それにより振動可能である。

例えばコンテナである、荷物８を支持するため、支持要素５と耐荷要素７との間のケーブル長ｌ_Ｈは、図１に示されるように、Ｚ方向において、つり上げ駆動装置２によって調整可能である。よって、耐荷要素７は、つり上げ速度Ｖ_Ｈでつり上げ可能であり、すなわちＺ方向で移動可能である。保持要素６がケーブルとして形成されている場合、ケーブル長Ｉ_Ｈは、１つ又はそれ以上のウインチで通常調整される。支持要素５は、支持要素駆動部９により支持要素速度Ｖ_Ｔで、ジブ４上を移動可能である。一般論として、支持要素５は、振動技術システムの動く部分であり、支持要素５につながっている耐荷要素７は、振動技術システム１の振動（揺動）部分である。支持要素の位置Ｘ_Ｔと、耐荷要素７の荷の位置Ｘ_Ｌとは、所定の座標系に関連する。耐荷要素７の振り子振動（図１において点線で図示）の可能性ゆえ、耐荷要素７は角度θで傾き、支持要素の位置Ｘ_Ｔと荷の位置Ｘ_Ｌとは通常一致しない。もちろん、他の方向への振り子振動もあり得る。すなわち、支持構造３がＹ方向に動く場合は、Ｙ方向へ、あるいはＺ方向への振り子振動もあり得て、振り子振動の重ね合わせも起こり得る。

耐荷要素７の振り子振動に加えて、図２ａ及び図２ｂを参照して説明するように、耐荷要素７のねじり振動も起こり得る。曲線の両側矢印は、耐荷要素７の各軸線について生じ得る旋回を象徴している。この場合、Ｘ軸線についての旋回（トリム）、Ｙ軸線についての旋回（リスト）、Ｚ軸線についての旋回（スキュー）が考えられる。Ｚ軸線（すなわち鉛直軸線）についての角度βの旋回は、図２ｂに示す。

一般論として、技術システム１のある振動量の振動が発生する。図１のつり上げ装置の態様では、振動は、振動量（変数）ｙとして、技術システム１の耐荷要素７の少なくとも１つの運動自由度（Ｘ、Ｙ、Ｚ又は３軸の１つの周りのねじり振動）において発生する。複数の振動量の振動、例えば、Ｘ方向の振り子振動とつり上げ装置の鉛直軸を中心とした回転振動が同時に発生する可能性があることは明らかである。

振動可能な技術システム１（例えば、つり上げ装置）で振動量ｙの振動が、内的な又は外的な励起により生じることがある。技術システムの操作に起因する内的な励起としては、例えば、つり上げ装置の動く部分の動き（支持構造３及び／又は支持要素５）によるもの、あるいは不均等に配置された荷物８によるものがある。外的な励起としては、風のような外部影響である。そのような振動は、例えば、達成可能なスループットが低下してしまう、あるいは制御されない振動が操作者及び／又は荷物に危険となるので、技術システム１の操作を乱すものであって、操作中に安定化されるべきである。「バランス安定化」とは、発生している振動の振幅を、好ましくはできるだけ速やかに、小さくすることである。この目的のため、操作制御器１０（ハードウェア及び／又はソフトウェア）が技術システム１に設けられている。操作制御器１０には、本発明による振動制御ユニット１６が振動制御器１１を備えて実装されていて、少なくとも１つの振動量ｙのそのような振動を安定化し、全体として図３を参照して説明される。操作制御器１０は、スタンドアロンのハードウェアで実施されてもよいが、ハードウェアとして技術システム１のプラント制御ユニット内で実施されてもよい。

振動制御のために、制御の各時間ステップにおける振動制御器１１は、それぞれの制御すべき振動量の設定点ｙ_ｓｅｔを指定してもよい。しかし、原則として、振動のみが振動制御器１１により安定化されるため、振動制御器１１は、所望の値ｙ_ｓｅｔを必要としない。制御の各時間ステップにおいて、振動制御器１１は制御量ｕの新しい値を計算する。つり上げ装置のねじり振動のために、図２ａ及び図２ｂに示すように、所望の値ｙ_ｓｅｔは、例えば、通常はゼロの設定回転角度β_ｓｅｔであることがある。図１に示すつり上げ装置における振り子振動の場合、これは例えば、通常ゼロの角度の所望の偏向角θ_ｓｅｔであろう。ただし、偏向角θは、荷の位置ｘ_Ｌ、支持要素位置ｘ_Ｔ及びケーブル長ｌ_Ｈ（Ｙ方向にも同様に当てはまる）に比例するため、以下の数式の関係に従って、設定点の荷の位置ｘ_Ｌｓｅｔを設定点の値ｙ_ｓｅｔとして直接使用してもよい。

荷物の位置ｘ_Ｌ（ｙ_Ｌ）が、好ましくはつり上げ装置で調節されるため、これは有利である。振動値ｙは、荷物の位置ｘ_Ｌ（ｙ_Ｌ）に存在する。複数の振動が安定化されると、目標値ｙ_ｓｅｔは、複数個のエントリを持つベクトル、例えば、設定回転角度β及び設定荷の位置ｘ_Ｌｓｅｔ（ｙ_ｓｅｔ）にしてもよい。

実際値ｙ_ａｃｔは、振動可能な技術システム１で測定されるか、測定量又はその他の利用可能な量から、例えば十分に周知のオブザーバで計算される。実際値ｙ_ａｃｔは振動制御器１１に供給され、振動制御器１１は、実行可能な制御法則（通常はソフトウェア）に従って目標値ｙ_ｓｅｔから、振動可能技術システム１のアクチュエータ１５を作動させる操作値ｕを計算する。同様に、複数の振動量ｙの実際値ｙ_ａｃｔは、所望の実際値のための複数個のエントリを持つベクトルになる。アクチュエータ１５は、例えば、支持要素駆動部９であり、Ｘ方向の振り子振動に影響を与えるために、操作値ｕとして制御要素速度ｖ_Ｔを調整する。この場合、操作値ｕは、調整速度ｖ_Ｓ、又は少なくとも１つの保持要素６の調整位置であってもよい。さまざまなアクチュエータ１５が考えられる。振動技術システム１のその他の態様においては、もちろん、他の目標値（設定点）ｙ_ｓｅｔ、実際値ｙ_ａｃｔ、操作値ｕ及び／又はアクチュエータ１５もまた、着想し得る。

操作制御器１０では、他の制御装置（通常ハードウェア及び／又はソフトウェア）もまた実装可能であり、図４を参照してより詳細に説明する。フィードフォーワード部１２では、パイロット制御値ｕ_Ｖ、例えば、保持要素速度ｖ_ＴＶ又はケーブル調整の調整速度ｖ_ＳＶを、目標値ｙ_ｓｅｔから計算可能である。この目的のため、目標値ｙ_ｓｅｔからパイロット制御値ｕ_Ｖを計算し、すなわち、ｕ_Ｖ＝ｆ（ｙ_ｓｅｔ）の任意の値を実施可能である。特定のフィードフォーワード部１２の実施に依存して、技術システム１の特定の物理量の追加の測定値又は推定値を、フィードフォーワード部１２にて加味してもよい。この目的のため、目標値ｙ_ｓｅｔは、また、複数のベクトル要素を持つベクトルであってもよい。例えば、荷物の目標位置ｘ_Ｌｓｅｔ（また、複数方向Ｘ、Ｙ、Ｚの位置）、又はねじり角度β、及び目標値ｙ_ｓｅｔ、つまり

との少なくとも一種の時間微分値、場合によってはそれ以上の高次の時間微分値である。機械的システム１のアクチュエータ１５の操作値ｕを計算するために、次に、パイロット制御値ｕ_Ｖは、通常のように、振動制御器１１によって計算された制御器操作値ｕ_Ｒに追加される。この場合に、振動制御器１１は、パイロット制御の後に通常の偏差をもはや安定化する必要はない。

同様に、つり上げ装置の場合は、ケーブル長制御器１３を実装してもよく、ケーブル長制御器１３は、ケーブル長調整のために、例えばアクチュエータ１５としてのケーブル長調整ユニットとしてのアクチュエータ１５を経由して、目標値ｙ_ｓｅｔから操作値ｕ_Ｓを計算する。他の技術システムでは、もちろん、ケーブル長調整器１３を設けず、制御対象として別の変数の制御で置き換えられる。ケーブル長さＩ_Ｈの制御のために、ケーブル長調整のための予測（パイロット）制御調整値を、フィードフォーワード部１２にて計算してもよい。計算された予測制御調整値は、ケーブル長制御器１３で計算された調整値とで操作調整値ｕ_Ｓに加算される。

さらに、振動量制御器１４が、振動量制御ユニット１９にて実装されてもよい。振動量制御器１４は、例えば、実装される制御法則にしたがって、さまざまな方向Ｘ、Ｙにある振動可能技術システム１の動く部分の位置、例えば支持要素５の位置、又はロングステータリニアモータのビークルの位置を、調節する。振動量制御器１４がない場合、振動量ｙの外乱振動、いわば、例えば荷受け要素７の振り子振動と、ねじり振動との少なくとも一種類に限って、現在位置で修正される。振動量制御器１４がある場合、振動量ｙ、例えば荷物位置ｘ_Ｌ（ｙ_Ｌ）は事前に決定された（ｙ_ｓｅｔに含まれる）目標値に調整される。振動量制御器１４にて計算される操作値ｕ_Ｐが、少なくとも一つのアクチュエータ１５用の操作値ｕを得るために他の操作値ｕ_Ｖ、ｕ_Ｒに加えられてもよい。フィードフォーワード部１２と振動量制御器１４とは、振動制御器１１と所望される場合、組み合わせてもよい。個々の制御器が、適切なソフトウェアを持つ独立したハードウェアとして全体として又は部分的に実装されるか否か、制御器全て又は一部を、汎用ハードウェアにソフトウェアとして実装されるか否かは、また、取るに足りない。個々の制御器は、以下詳細に説明する。

技術システム１の設計に応じて、あるいは実装される又は使用される制御器に応じて、アクチュエータ１５は複数の異なるアクチュエータから成り立ち得ることは公知である。

振動量の目標値ｙ_ｓｅｔ、例えば荷物位置ｘ_Ｌ又は回転角度βは、通常１ミリ秒から１００ミリ秒の範囲にある、制御の各時間段階ごとに特定してもよい。それ（荷位置ｘ_Ｌ又は回転角度β）は、目標値ｙ_ｓｅｔとして定義してもよいが、振動量の軌道としても定義してもよい。軌道は、振動量の時間的経過、例えば、位置又は角度の具体的数値を含むだけでなく、動的値（運動学）の時間的経過、すなわち振動量の時間的経過の時間微分も含む。例えば、荷受要素７を、初期位置からある経路に沿って、特定の力学によって終点位置まで動かす、つり上げ装置に、軌道を使用してもよい。軌道は、荷受要素７を初期位置から終点位置まで素早く安全に動かす適用のためのつり上げ装置に、特に使用される。

振動制御器１１の設計のためには、まず、制御対象の経路のモデル、すなわち、制御対象の振動量ｙの振動モデルを求める。荷受要素７の動きを、例えば一般に、以下のシステム方程式を用いた状態空間表現でモデル化してもよい。

このモデルは、技術システム１の振動可能な部分としての耐荷要素７の振動の数学的モデルから得られる。そこでは、ｙは、動きの任意の自由度において制御すべき振動量ｙ、すなわち例えば、荷の位置ｘ_Ｌ（ｙ_Ｌ）又は回転角度βを表す。ｕは、操作値、例えば、支持要素５の支持要素速度ｖ_Ｔ、あるいは保持要素６の調節速度ｖ_Ｓである。ｉ_Ｂは、既知のシステムゲインを表し、ξ_０はシステム減衰を表し、ω_０は固有周波数を表す。これらの変数は、したがって、振動技術システム１のシステム変数であり、技術システム１の具体的な実現の結果である。そして、これらの変数を既知と仮定してもよい。これらのシステム変数は、所与の値でもよく、既知の値でもよく、例えば、変数推定方法を用いるなど、既知のシステム識別方法を用いて、決定されてもよい。技術システム１に振動を発生させて、システム変数を推定するため反応が評価される。これは原則として振動可能な技術システム１ごとに適用される。固有周波数ω_０は、つり上げ装置の荷受要素７のケーブル長さＩ_Ｈによって決まり、ケーブル長Ｉ_Ｈの関数（例えば特性曲線又は特性図）として保存されるか、又は計算される。振り子振動には、以下の固有周波数の数式が、重力加速度ｇにより与えられる。

ねじり振動には、異なるケーブル長さＩ_Ｈについて固有周波数ω_０を識別して、保存してもよい。

もちろん、振動可能な部分の動き、すなわち振動量ｙについての別のシステム方程式が、別の技術システム１について得られてもよい。同様に、技術システム１を状態空間表現にてモデル化することは必要ない。上記のシステム方程式は、したがって、単なる例であって、本発明の説明に使うのに役立てている。

基にしているシステム方程式について、アッカーマン集合、フルステートフィードバック、周波数特性法などの周知の制御方法で実行可能な、所望の制御法則により振動制御器１１が起草される。

本発明によると、システム方程式に基づいて、振動制御器１１は、振動を修正する、すなわち減衰するために、操作値ｕを計算する制御法則を持って設計される。好ましくは、若干減衰されているか、減衰されていない技術システム１を減衰するために、所望の減衰ξ_ｓｅｔを導入する振動制御器１１が、設計される。これは一般に、例えば次のシステム方程式について、ｕ＝ｆ（ξ_ｓｅｔ）の形の振動制御器１１の制御法則をもたらす。

その中で、ｙ_ｓｅｔは、調整される振動量ｙの目標値を表し、これは、例えばｙ_ｓｅｔで指定される。もちろん、他のシステム方程式については、他の規則がある。

導入部で説明したように、振動制御器１１で計算される操作値ｕ（ｕＲ）及び／又は操作値ｕの時間導関数は、アクチュエータ１５の実装に依存する物理的な理由、例えば、

でしばしば制限される。この制限は、望ましくない、法則上の挙動と不安定性につながる可能性がある。この問題を回避するために、本発明によると、振動制御器１１によって計算される操作値ｕは、従来のように遡及的に制限されないが、操作値ｕの少なくとも

として考慮される操作値ｕ、又は例えば、

を導入する制御器での操作値ｕの計算において、直接、振動制御器１１の制御法則で考慮される。振動制御器１１によって計算される操作値ｕは、したがって、操作値ｕの時間導関数の少なくとも１つの制限に直接依存する。通常、操作値ｕは、制御誤差ｅの関数でもあり、制御誤差ｅは、目標値ｙ_ｓｅｔ及び実際値ｙ_ａｃｔ、又はそれらの時間導関数（通常はそれらとの差）から生じる。

制限は必ずしも上限と下限のある範囲である必要はないが、最大の制限又は最小の制限のいずれかのみが考慮されると、対応して存在しない制限がｕから逸脱するおそれのある上限又は下限のみが、想到されることとなることに注意されたい。

操作値ｕの計算において操作値ｕの時間導関数の

を即時に考慮することで、続く制限において関連する負の効果は持ち越さない。計算された操作値ｕは既に制限を満足するため、計算された操作値ｕを後で制限する必要はない。好ましくは、加えて、例えば、操作値ｕの計算において、操作値ｕ自体の制限、すなわち、ｕ_ｍｉｎ及び／又はｕ_ｍａｘも考慮に入れてもよい。すなわち、この制限とは、例えば、

あるいは減衰ξ_ｓｅｔまた

を伴う制御法則である。

操作値ｕの少なくとも一次の時間導関数の

の考慮は、制御法則において他の方法で行われてもよい。可能な一実施形態では、振動制御器１１の制御法則は、操作値ｕ、例えば

の少なくとも一次の時間導関数の

と、可能性があるものとしては操作値ｕの他の制限ｕ_ｍｉｎ及び／又はｕ_ｍａｘと、依存する少なくとも１つの制御変数ＲＰとを含む。制御変数ＲＰは、追加的に、技術システム１の制御されている振動量（例えば、ｘ_Ｌ、ｙ_Ｌ、β）の振動を特徴付けるシステム状態に依存してもよい。例えば、振動の振幅Ａ及び／又は振動の振幅Ａの少なくとも

である。

好ましい一実施形態では、制御法則の減衰ξ_ｓｅｔを調整するために、減衰ξ_ｓｅｔを持つ制御法則における（振動制御装置１１の制御変数ＲＰとして）制限及び／又は操作値ｕの少なくとも１次の時間導関数と、場合によっては操作値ｕそれ自体の制限変数ｕ_ｍｉｎ及び／又はｕ_ｍａｘが使用される。よって、減衰ξ_ｓｅｔと、結果的に減衰ξ_ｓｅｔを用いて計算される操作値ｕもとは、操作値ｕの制限、すなわち

に依存する。ここでも、操作値ｕの少なくとも

が考慮される。上記の制御法則は、この場合に、例えば、操作値ｕの一次導関数と、

の制御誤差ｅの制限を持つ次の式として、使用してもよい。

減衰ξ_ｓｅｔ、又は一般的に制御変数ＲＰは、好ましくは、制御すべき技術システム１の振動量ｙ（例えば、ｘ_Ｌ、ｙ_Ｌ、β）の少なくとも一次の導関数の振動の振幅Ａ及び／又は振幅Ａ_ｎ、ｎ≧１の関数として調整される。減衰ξ_ｓｅｔは、すなわち、

であり、それにより全ての事項が包含されなければならないのではなく、少なくとも振動の振幅Ａ又は振動量ｙの時間導関数の振幅Ａ_ｎと、操作値ｕの時間導関数の少なくとも１つの制限とが含まれる項が、包含される。もし、現在の振動振幅Ａが小さい場合、減衰ξ_ｓｅｔ、又は一般的に制御変数ＲＰが個々の振動状態に調整可能な比較的大きな振動振幅Ａより大きく減衰可能である。

現在の振動振幅Ａは、適切な測定センサで、例えば振動を検出及び評価するためのカメラシステムによって測定するか、振動振幅オブザーバ１７を使用して推定してもよい。振動振幅オブザーバ１７は、例えば（図５のように）共通ハードウェア上のソフトウェアとして振動制御ユニット１６と統合されてもよく、又は個別のハードウェア及びソフトウェアとして実装されてもよい。

振動振幅オブザーバ１７は、例えばカルマンフィルタのようにさまざまな方法で実装され得る。有利な実施形態では、最大振幅Ａ及び／又は（必要であれば）振動量ｙの時間微分の振幅を、実際値ｙ_ａｃｔ及び目標値ｙ_ｓｅｔの時間微分から推定する振動振幅オブザーバ１７が使用される。この目的のために、制御すべき振動量ｙの１次及び２次時間微分の制御誤差に対して、

とで正弦振動が仮定される。

これから、最大振動振幅Ａ及び振動量ｙの時間微分を単純に計算し、次の式が得られる。

このアプローチの利点は、減衰ξ_ｓｅｔのアクティブな導入のための振動制御器１１の上記の有利な制御法則とともに、

も発生することである。このアプローチにより、例えば、次の式のように減衰ξ_ｓｅｔに最大振動振幅Ａを簡単に考慮可能となる。

ここで、減衰ξ_ｓｅｔ０は、振動制御器１１の予め決定される調整変数又は予め定義可能な調整変数である。もちろん、操作値ｕの他の時間導関数が制限されている場合、例えば、

に対して追加で、異なる項と、追加の項と、より少ない項との少なくともいずれかが考慮されなければならない。したがって、減衰ξ_ｓｅｔの制限は、振動制御器１１の制御法則における操作値ｕの計算に直接流れ込み、その後適用する必要がなくなる。

このアプローチは、デッドタイム修正にも使用可能である。振動技術システムのデッドタイムＴ_ｔは、操作値ｕの変化と実際の値ｙ_ａｃｔの対応する変更との間の経過時間であり、既知と仮定してもよい。デッドタイムＴ_ｔは、例えば測定しても、識別方法によって決定してもよい。デッドタイム補正では、デッドタイムＴ_ｔ周りの制御誤差が将来計算され、操作値ｕの計算に使用される。

が選択される。ここから、現在の位相角度φ_ａｃｔが

から計算可能である。将来の

は、Δφ＝Ｔ_ｔ・ω_０として、

の結果である。上記の制御法則のために、操作値ｕが、それから、例えば

に与えられるか、あるいは一般的に

に与えられる。この場合も、全ての部分が

を含む必要はないが、少なくとも

の時間導関数だけは含まれなければならない。

図５による例示的な実施態様では、振動振幅オブザーバ１７は、実際値ｙ_ａｃｔ、及び／又は実際値ｙ_ａｃｔの時間微分係数、目標値ｙ_ｓｅｔ、及び／又は技術システム１の実際値ｙ_ｓｅｔの時間微分係数、例えばｘ_Ｌ、ｘ_Ｔ及びω_０、最大振動振幅Ａ及び必要な振幅Ａ_ｎ、例えばＡ_１、Ａ_２、振動量ｙの時間微分係数の振動を、計算する。これらは振動制御器１１で使用され、例えば制御の各時間ステップ又は制御のｘ番目の時間ステップごとに制御法則で減衰ξ_ｓｅｔを調整し、そこから操作値ｕ（ｕ_Ｒ）を計算する。実際の減衰ξ_ｓｅｔは、操作制御器１０の他の構成部分で使用するために出力してもよい。

振動量調整部１４は、例えばＰＤ制御器、ＰＩ制御器又はＰＩＤ制御器として、又は状態制御器として、任意の制御法則で具体化してよく、安定化される振動量ｙの目標値ｙ_ｓｅｔ（例えばｘ_Ｌｓｅｔ、ｙ_Ｌｓｅｔ、β_ｓｅｔ）の所定基準と、制御すべき振動量ｙの実際値ｙ_ａｃｔとの間の誤差を決定するための既知の方法で意図されている。そのような制御器の草案は周知である。

有利な実施形態では、目標値ｙ_ｓｅｔと実際値ｙ_ａｃｔとの間の制御誤差は、振動量制御器１４で通常は安定化されないが、振動量の推定終了値ｙ_ｅｎｄ、例えば、振動量の振動が調整された後に達成される、推定終了位置ｘ_Ｌｅｎｄ、ｙ_Ｌｅｎｄ又は最終ねじれ角β_ｅｎｄと、目標値ｙ_ｓｅｔとの間の偏差が、補正される。したがって、振動量制御器１４からの実際値ｙ_ａｃｔに調整する振動制御器１１の有利な結合解除が達成され、それにより、振動調整部１１の制御挙動は、振動量制御の影響を受けない。

推定最終値ｙ_ｅｎｄを直接測定できない場合、図６を参照して説明したように、好ましくは、技術システム１の他の現存する測定値から最終値オブザーバ２０で推定する。最終値オブザーバ２０は、さらに、さまざまな方法で実装可能である。単純な実装は、例えば、ノッチフィルタとして、例えばバンドストップフィルタとして形成される態様があろう。好ましくは、しかしながら、状態オブザーバは、安定化される振動量ｙのＤＣ成分として振動量の最終値、例えば、ｘ_Ｌ、ｙ_Ｌ、βを計算する状態オブザーバが実現化される。最終値オブザーバ２０に対して、それから、振動量の振動のシステム方程式、例えば次の式が再び使用される。

ここで、

は調整される振動量ｙの交互成分を示す。さらに、減衰ξ_ｓｅｔが含まれていて、これは好ましくは、振動制御器１１で説明されたように適応的に適応される。目標値ｙ_ｓｅｔの時間微分の最後の部分はオプションである。使用する場合、目標値ｙ_ｓｅｔ、又は具体的にはセットポイントの時間導関数が体系的に考慮される。これは、有利なフィードフォーワード制御に相当する。このシステム方程式では、最終値を計算するために、拡張カルマンフィルタを周知の方法で設計してもよい。

しかしながら、最終値オブザーバ２０は、振動振幅オブザーバ１７と同様のアプローチ、例えば、

で設計してもよい。

システム変数、特に固有振動数ω_０は一定である必要はないが、つり上げ装置のケーブル長ｌ_Ｈに依存する固有振動数ω_０のように、他の変数に依存する場合があり、適応的振動振幅制御器１４も有利に構成可能である。ＰＩＤ制御器では、安定性と望ましい制御挙動を確保するため、（比例部分の）ゲインｋ_ｐと、（積分部分の）リセット時間Ｔ_Ｎと、及び（微分係数部分の）リードタイムＴ_Ｖは、例えば、安定化される各技術システム１に設定する必要がある振動量制御器１４の制御変数として含まれている。これらの制御変数は通常、例えば、システムゲインｉ_Ｂ、システムの減衰ξ_０及び／又は固有振動数ω_０の制御変数に依存する。適応的振動量制御器１４の場合、所定のシステム変数、例えばｉ_Ｂｒｅｆ＝１及びω_０ｒｅｆ＝１を備えた参照システムの制御変数ｋ_ｐ、Ｔ_Ｎ、Ｔ_Ｖは、所望の制御動作（立ち上がり時間、オーバーシュートなど）、結果として参照制御変数ｋ_ｐ０、Ｔ_Ｎ０、Ｔ_Ｖ０に設定可能である。例えば、所望の立ち上がり時間と所望のオーバーシュートからの周波数特性法により、制御変数ｋ_ｐ０、Ｔ_Ｎ０、Ｔ_Ｖ０を決定してもよい。制御変数は、そして、次の式で計算され、個々のシステム条件、特にケーブル長さＩ_Ｈに適合される。

他の制御法則、例えば、ＰＩ制御には、他の依存事項が、類推的に予め設定されてもよい。

次に、操作値ｕの制限を、振動量制御器１４を使用して計算される操作値ｕ_Ｐに対して考慮してもよい。振動量制御がフィードフォーワード部１２と組み合わされている場合、非常に小さな操作値ｕ_Ｐが得られるだけである。このように、制限に達することはほとんどなく、そのため、この場合計算された操作値ｕ_Ｐに制限が適用されても、あるいは、全く考慮されなくても、問題とならない。

作動中の制御器１０の様々な制御装置及び構成要素について、調整される振動量ｙの実際値ｙ_ａｃｔ、並びにその時間導関数、

場合によってはより高次の導関数も必要である。制御すべき振動量ｙは、繰り返しになるが例えば、荷物の位置ｘ_Ｌ（ｙ_Ｌ）、又は回転角β、又はロングステータリニアモータのビークルの位置、又は電圧、又は油圧である。必要な実際値ｙ_ａｃｔは、適切な測定センサを使用して技術システム１で測定してもよく、他の測定値から状態オブザーバ１８で推定してもよい。状態オブザーバ１８は、例えば、カルマンフィルタ、拡張カルマンフィルタ、又はルンベルガーオブザーバとして、さまざまな実施形態で周知である。状態オブザーバ１８には、技術システム１の振動量ｙに関するシステム方程式を、荷位置ｘ_Ｌ、例えば次の式を伴うＸ方向の振り子振動について再び記述可能である。

つり上げ装置又は他の技術システム１の他の動きの自由度についても、同様のシステム方程式が得られる。このシステム方程式に対して、条件オブザーバ１８は、その後、既知の方法、例えばカルマンフィルタを使用して形成してもよい。そのような条件オブザーバ１８は、既存の測定変数、例えば、振動可能技術システム１の可動部（又は他の測定値）の荷物の位置ｘ_Ｌ及び位置ｘ_Ｔから、振動量の１次及び２次の

例えば荷物の位置の１次及び２次の

も計算する。他の運動の自由度又は他の振動量ｙについても、手順は類似する。

もちろん、振動制御装置１１は、技術システム１の複数の振動量ｙの振動、例えば、Ｘ方向の振り子振動及び昇降装置の垂直軸線周りのねじり振動も調整可能である。この目的のために、振動制御装置１１は、少なくとも１つ、好ましくは全ての、制御すべき振動量ｙについて上述したように設計される。もちろん、制御すべき振動量ｙのそれぞれ又は一部に対して振動調整装置１１を備えた別個の振動制御ユニット１６を設けてもよい。

Claims (17)

1. 制御法則を用いる振動制御器（１１）を備える振動可能な技術システム（１）の、少なくとも１つの制御すべき振動量（ｙ）の振動を安定化する方法であって、制御すべき振動量（ｙ）の目標値（ｙ_ｓｅｔ）及び実際値（ｙ_ａｃｔ）及び／又は目標値（ｙ_ｓｅｔ）及び実際値（ｙ_ａｃｔ）の時間導関数から、振動可能な技術システム（１）のアクチュエータ（１５）の操作値（ｕ）が計算される、振動を安定化する方法において、
   操作値（ｕ）を計算するための制御法則において、操作値（ｕ）の少なくとも一次の導関数の
   

   

   が考慮される
   ことを特徴とする、振動を安定化する方法。
2. 制御法則は、操作値（ｕ）の少なくとも
   

   

   の制限に依存する制御変数ＲＰを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 制御法則には、振動可能な技術システム（１）に制御変数ＲＰとして、導入される減衰（ξ_ｓｅｔ）が含まれることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 制御変数ＲＰは、システム状態に依存することを特徴とする、請求項２又は３に記載の方法。
5. 制御変数ＲＰは、振動の振動振幅（Ａ）及び／又は振動の時間導関数の振幅（Ａ_ｎ）に依存することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 制御すべき振動量（ｙ）の
   

   

   及び／又は制御すべき振動量（ｙ）の実際値（ｙ_ａｃｔ）及び目標値（ｙ_ｓｅｔ）から、振動の振動振幅（Ａ）及び／又は振動の時間微分係数の振幅（Ａ_ｎ）を計算する、振動振幅オブザーバ（１７）が実装されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 操作値（ｕ）の計算では、振動可能な技術システム（１）のデッドタイム（Ｔ_ｔ）が考慮されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. デッドタイム（Ｔ_ｔ）に関して将来にある制御誤差（ｅ_ｔ）が計算され、この将来の制御誤差（ｅ_ｔ）が、操作値（ｕ）の計算で考慮されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 目標値（ｙ_ｓｅｔ）から、及び／又は振動量（ｙ）の目標値の少なくとも
   

   

   から、アクチュエータ（１５）のための操作値（ｕ）を決定するために、振動制御器（１１）で計算される操作値（Ｕ_Ｒ）に、加えられるフィードフォーワード制御操作値（ｕ_Ｖ）を計算する、フィードフォーワード部（１２）が実装されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 制御すべき振動量（ｙ）の目標値（ｙ_ｓｅｔ）と、振動の安定化後に到達された振動量（ｙ）の値としての振動量（ｙ）の最終値（ｙ_ｅｎｄ）との偏差を安定化する、振動量制御器（１４）が、実装されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 最終値（ｙ_ｅｎｄ）は、制御すべき振動量（ｙ）の振動の定数成分を最終値（ｙ_ｅｎｄ）として計算する最終値オブザーバ（２０）で計算されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 振動可能な技術システム（１）の少なくとも１つの振動量（ｙ）の振動を安定化する振動制御装置であって、制御すべき振動量（ｙ）の、目標値（ｙ_ｓｅｔ）からと、実際値（ｙ_ａｃｔ）からと、並びに／あるいは目標値（ｙ_ｓｅｔ）及び実際値（ｙ_ａｃｔ）の時間導関数から、振動可能技術システム（１）のアクチュエータ（１５）のための操作値（ｕ）を計算する振動制御器（１１）に制御法則が実装される、振動制御装置において、
    操作値（ｕ）を計算するための制御法則は、操作値（ｕ）の少なくとも一次の導関数の
    

    

    を考慮し、振動制御器（１１）は、設定のために、計算された操作値（ｕ）をアクチュエータ（１５）に転送する
    ことを特徴とする振動制御装置。
13. 制御法則は、操作値（ｕ）の少なくとも一次の導関数の
    

    

    に依存する制御変数ＲＰを含有することを特徴とする、請求項１２に記載の振動制御装置。
14. 制御変数ＲＰは、振動の振動振幅（Ａ）及び／又は振動の時間導関数の振幅（Ａ_ｎ）に依存することを特徴とする、請求項１３に記載の振動制御装置。
15. 制御すべき振動量（ｙ）の
    

    

    及び／又は制御すべき振動量（ｙ）の実際値（ｙ_ａｃｔ）及び目標値（ｙ_ｓｅｔ）から、振動の振動振幅（Ａ）及び／又は計算された振動の時間微分係数の振幅（Ａ_ｎ）を計算する、振動振幅オブザーバ（１７）が設けられていることを特徴とする、請求項１４に記載の振動制御装置。
16. 振動量（ｙ）の目標値（ｙ_ｓｅｔ）から、及び／又は目標値の少なくとも
    

    

    から、アクチュエータ（１５）のための操作値（ｕ）を決定するために、
    振動制御器（１１）で計算される操作値（ｕ_Ｒ）に、加えられるフィードフォーワード制御操作値（ｕ_Ｖ）を計算する、フィードフォーワード部（１２）が設けられていることと、
    制御すべき振動量（ｙ）の目標値（ｙ_ｓｅｔ）と、振動の安定化後に到達された振動量（ｙ）の値としての振動量（ｙ）の最終値（ｙ_ｅｎｄ）との間の偏差を安定化する振動量制御器（１４）が設けられていることと
    の少なくとも一方を特徴とする、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の振動制御装置。
17. 制御すべき振動量（ｙ）の振動の定数成分を最終値（ｙ_ｅｎｄ）として計算する最終値オブザーバ（２０）が設けられていることを特徴とする、請求項１６に記載の振動制御装置。
    

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