JP3777713B2

JP3777713B2 - クレーンの制御装置

Info

Publication number: JP3777713B2
Application number: JP10716097A
Authority: JP
Inventors: 昌克野村; 佳美袴田
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1997-04-24
Filing date: 1997-04-24
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2017-04-24
Also published as: JPH10297873A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はクレーンの制御装置に関し、詳しくは走行又は横行して吊荷を目標位置まで搬送するホイストクレーン等のクレーンの運転自動化に適するように、搬送中の荷振れを抑え、また目標位置に正確に停止させるクレーンの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走行又は横行して吊り荷を目標位置まで搬送するホイストクレーン等のクレーンの運転自動化を実現するに当たって、解決しなければならない主なものの一つに吊り荷の振れ止め・位置決め制御技術がある。図１はクレーンが移動するときの荷振れを表すクレーンモデル図である。
【０００３】
図１に示すようにクレーンのトロリ１１を駆動して所定の方向（Ｘ軸方向）に移動させるときに、ワイヤ１２によって吊り下げられた吊り荷１３が振れを起こすエネルギーは、駆動系（トロリ）の加速度の微分（加速度の変化率）に比例する。そこで、加速度変化率（ジャーク）を指定し、このジャークに基づいてトロリ１１に対する速度指令を生成する。また、目標位置Ｂで滑らかにトロリ１１を停止させるために、速度指令の変化率を一定に保った状態で目標位置Ｂにおいてトロリ１１の駆動速度Ｖが０になるような速度パターンを発生する。
【０００４】
このことを前提にして、従来は下記に詳述するように各運転モード（加速領域１、加速領域２、低速走行領域、減速領域１、減速領域２）においてそれぞれ速度指令を発生し位置制御を行うようにしていた。更に、各運転モードで発生する速度指令に吊り荷３の振れ角θをフィードバックすれば吊り荷３の振れを抑制することができるが、吊り荷３の振れを吊り荷３の移動速度ｖの変化と考えると、この吊り荷３の移動速度ｖに関して、移動速度ｖが振動的にならなければよいといえる、即ち、吊り荷３の振れ（駆動系に対する吊り荷の相対的な位置変化）があっても、吊り荷３の移動速度ｖが振動的にならなければよいとする。
【０００５】
＜位置制御＞
目標位置にクレーンを停止するために、以下のように加速領域１、加速領域２、低速走行領域、減速領域１、減速領域２の各運転モードにおいてそれぞれ速度指令を発生する。
【０００６】
▲１▼ 加速領域１：ｖ＜Ｖ／２ｖ：速度指令、Ｖ：目標速度（定速走行速度）
加速領域１ではクレーンを停止状態から目標速度（定速走行速度）Ｖの１／２になるまで、加速度変化率（ジャーク）Ｊを一定として加速する。即ち、次の（１）式に基づいて速度指令ｖを演算する。なお、制御装置では一定間隔Ｔごとに速度指令ｖを発生する。そして、速度指令ｖが目標速度Ｖの１／２になったら運転モードを加速領域１から加速領域２へ切り換える。また、この運転モードが切り換わった時間Ｔ₁を記憶しておく。
【０００７】
ｖ＝０．５・Ｊ・ｔ² ・・・（１）
ｔ：クレーンが始動してからの時間
【０００８】
▲２▼ 加速領域２：Ｖ／２＜ｖ＜Ｖ
加速領域２では、クレーンの駆動速度が目標速度Ｖになるまで、ジャークＪを負で一定として加速し、二次曲線でのピークで目標速度Ｖに達するようにする。即ち、次の（２）式に基づいて速度指令ｖを演算する。そして、速度指令ｖが目標速度Ｖになったら運転モードを加速領域２から定速走行領域に切り換える。また、加速開始から目標速度Ｖに達したときまでのクレーンの移動距離Ｌ_dを記憶しておく。
【０００９】
ｖ＝−０．５・Ｊ・（ｔ−２・Ｔ₁）²＋Ｖ・・・（２）
Ｔ₁：運転モードが加速領域１から加速領域２へ切り換わった時間
【００１０】
▲３▼ 定速走行領域：Ｌ_d＜Ｌ_m Ｌ_m：クレーンの位置から目標位置までの残り距離
定速走行領域では、クレーンは目標位置のＬ_d手前まで（Ｌ_mがＬ_dに等しくなるまで）目標速度（定速走行速度）Ｖで走行する。即ち、次の（３）式に示すように速度指令ｖを設定する。そして、クレーンの位置から目標位置までの残り距離Ｌ_mがＬ_dに等しくなったら運転モードを定速走行領域から減速領域１に切り換える。また、この運転モードが切り換わった時間Ｔ₂を記憶しておく。
【００１１】
ｖ＝Ｖ・・・（３）
【００１２】
▲４▼ 減速領域１：Ｖ／２＜ｖ＜Ｖ
減速領域１では、クレーンの駆動速度が目標速度（定速走行速度）の１／２になるまで、ジャークＪを一定として減速する。この減速領域１では速度指令ｖのパターンが２次曲線を描くようにする。即ち、次の（４）式に基づいて速度指令ｖを演算する。速度指令ｖが目標速度Ｖの１／２になったら運転モードを減速領域１から減速領域２へ切り換える。
【００１３】
ｖ＝−０．５・Ｊ・（ｔ−Ｔ₂）²＋Ｖ・・・（４）
Ｔ₂：運転モードが定速走行領域から減速領域に切り換わった時間
【００１４】
▲５▼ 減速領域２：０＜ｖ＜Ｖ／２
減速領域２では、目標位置でクレーンの駆動速度が０となるように速度指令ｖを与える。この場合、目標位置で、クレーンの駆動速度は２次曲線の最小値になるようにする。
【００１５】
即ち、加速度変化率（ジャーク）をＪ_n、クレーンが停止するまでの時間をＴ_dとすると、現在のクレーンの駆動速度ｖ_n、クレーンの位置から目標位置までの残り距離Ｌ_mは、
【００１６】
ｖ_n＝０．５・Ｊ_n・Ｔ_d ² ・・・（５）
Ｌ_m＝Ｊ_n・Ｔ_d ³／６・・・（６）
【００１７】
となるので、この（５）、（６）式から次の（７）、（８）式のようにＴ_d、Ｊ_nが導出される。
【００１８】
Ｔ_d＝３・Ｌ_m／ｖ_n ・・・（７）
Ｊ_n＝２・ｖ_n／Ｔ_d ² ・・・（８）
【００１９】
従って、この（７）、（８）式から求めたＴ_d、Ｊ_nを用いて、次の（９）式から次回の速度指令ｖ_n+1を演算する。
【００２０】
ｖ_n+1＝０．５・Ｊ_n・（Ｔ_d−Ｔ）² ・・・（９）
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の位置制御では次のような問題点がある。
【００２２】
▲１▼ クレーンの減速時に荷振れを起こさないようにするためにはスムースに減速領域１から減速領域２へと運転モードの切り換わりが行われる必要があるが、上記のように、速度指令ｖが目標速度（定速走行速度）Ｖの１／２になったことを減速領域１から減速領域２へ切り換える条件とすると、クレーンの加速度が不連続となり、荷振れを発生する原因となる。
【００２３】
▲２▼ 実際のシステムでは、制御装置で演算したクレーン（トロリ）の速度指令をインバータに渡し、このインバータで前記速度指令に基づいてトロリの駆動モータの速度制御を行っているが、前記速度指令の受け渡しに際して無駄時間があるため、クレーンを目標位置に停止させる際に、クレーンが目標位置を行き過ぎてしまう（オーバーシュートしてしまう）。
【００２４】
従って本発明は上記従来技術に鑑み、クレーンの減速時における運転モードの切り換えをクレーンの加速度が不連続とならずにスムースに行うことができるクレーンの制御装置を提供することを第１課題とする。
【００２５】
また、制御系に無駄時間があってもクレーンをオーバシュートさせずに目標位置に正確に停止させることができるクレーンの制御装置を提供することを第２課題とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記第１課題を解決する第１発明のクレーンの制御装置は、クレーンが所定の方向に移動して目標位置まで吊り荷を搬送するように前記クレーンを制御する制御装置であって、
所定の第１加速度変化率に基づいて前記クレーンへの速度指令を演算する第１減速領域から、前記クレーンの位置から前記目標位置までの残り距離に基づいて第２加速度変化率を演算しこの第２加速度変化率に基づいて前記クレーンへの速度指令を演算する第２減速領域へと運転モードを切り換える際には、この運転モードの切り換え前に、前記第１減速領域において前記第２減速領域における演算と同じようにして前記第２加速度変化率を演算し、この第２加速度変化率と前記第１加速度変化率とを比較して、前記第２加速度変化率の絶対値が前記第１加速度変化率の絶対値よりも大きくなったときに、前記第１減速領域から前記第２減速領域へと運転モードを切り換えることを特徴とする。
【００２７】
従って、この第１発明のクレーンの制御装置によれば、運転モードを第１加速領域から第２加速領域へ切り換える前に、第１加速領域において第２加速領域における演算と同じようにして第２加速度変化率を演算し、この第２加速度変化率の絶対値が第１加速度変化率の絶対値よりも大きくなったときに、第１減速領域から前記第２減速領域へと運転モードを切り換えるため、クレーンの加速度が不連続とならずにスムースに第１減速領域から第２減速領域へと切り換えることができる。
【００２８】
また、上記第２課題を解決する第２発明のクレーンの制御装置は、クレーンが所定の方向に移動して目標位置まで吊り荷を搬送するように前記クレーンを制御する制御装置であって、
前記クレーンの位置から前記目標位置までの残り距離に基づいて加速度変化率を演算しこの加速度変化率に基づいて前記クレーンへの速度指令を演算する減速領域の運転モードでは、現時点から制御系の無駄時間分だけ経過した時点での前記残り距離を予測演算し、この予測演算した残り距離に基づいて前記加速度変化率を演算することを特徴とする。
【００２９】
従って、この第２発明のクレーンの制御装置によれば、制御系の無駄時間を考慮して、現時点からこの無駄時間分だけ経過した時点での残り距離を予測演算し、この予測演算した残り距離に基づいて加速度変化率を演算し、この加速度変化率に基づいて速度指令を演算するため、制御系に無駄時間があっても、クレーンをオーバシュートさせることなく目標位置に正確に停止させることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
＜基本的な考え方＞
図１に示すようにクレーンのトロリ１１を駆動して所定の方向（Ｘ軸方向）に移動させるときに、ワイヤ１２によって吊り下げられた吊り荷１３が振れを起こすエネルギーは、駆動系（トロリ）の加速度の微分（加速度の変化率）に比例する。そこで、本実施の形態においても従来と同様に、加速度変化率（ジャーク）を指定し、このジャークに基づいてトロリ１１に対する速度指令を生成する。また、目標位置Ｂで滑らかにトロリ１１を停止させるために、速度指令の変化率を一定に保った状態で目標位置Ｂにおいてトロリ１１の駆動速度Ｖが０になるような速度パターンを発生する。
【００３２】
そして更に、上記の課題を解決するために、（ａ）減速領域での運転モードの切り換え方法の変更、（ｂ）制御系の無駄時間を考慮した速度指令値演算、を行う。
【００３３】
このことを前提にして、本実施の形態では下記に詳述するように各運転モード（加速領域１、加速領域２、低速走行領域、減速領域１、減速領域２）においてそれぞれ速度指令を生成するようにして位置制御を行う。更に、本実施の形態においても従来と同様に、各運転モードで発生する速度指令に吊り荷３の振れ角θをフィードバックすれば吊り荷３の振れを抑制することができるが、吊り荷３の振れを吊り荷３の移動速度ｖの変化と考えると、この吊り荷３の移動速度ｖに関して、移動速度ｖが振動的にならなければよいといえる、即ち、吊り荷３の振れ（駆動系に対する吊り荷の相対的な位置変化）があっても、吊り荷３の移動速度ｖが振動的にならなければよいとする。
【００３４】
＜位置制御＞
目標位置にクレーンを停止するために、以下のように加速領域１、加速領域２、低速走行領域、減速領域１、減速領域２の各運転モードにおいてそれぞれ速度指令を発生する。
【００３５】
▲１▼ 加速領域１：ｖ＜Ｖ／２ｖ：速度指令、Ｖ：目標速度（定速走行速度）
加速領域１ではクレーンを停止状態から目標速度（定速走行速度）Ｖの１／２になるまで、加速度変化率（ジャーク）Ｈを一定として加速する。即ち、次の（１０）式に基づいて速度指令ｖを演算する。なお、制御装置では一定間隔Ｔごとに速度指令ｖを発生する。そして速度指令ｖが目標速度Ｖの１／２になったら運転モードを加速領域１から加速領域２へ切り換える。また、この運転モードが切り換わった時間Ｔ₁を記憶しておく。
【００３６】
ｖ＝０．５・Ｈ・ｔ² ・・・（１０）
ｔ：クレーンが始動してからの時間
【００３７】
▲２▼ 加速領域２：Ｖ／２＜ｖ＜Ｖ
加速領域２では、クレーンの駆動速度が目標速度Ｖになるまで、ジャークＨを負で一定として加速し、二次曲線でのピークで目標速度Ｖに達するようにする。即ち、次の（１１）式に基づいて速度指令ｖを演算する。そして速度指令ｖが目標速度Ｖになったら運転モードを加速領域２から定速走行領域に切り換える。また、加速開始から目標速度Ｖに達したときまでのクレーンの移動距離Ｌ_dを記憶しておく。
【００３８】
ｖ＝−０．５・Ｈ・（ｔ−２・Ｔ₁）²＋Ｖ・・・（１１）
Ｔ₁：運転モードが加速領域１から加速領域２へ切り換わった時間
【００３９】
▲３▼ 定速走行領域：Ｌ_d＜Ｌ_m Ｌ_m：クレーンの位置から目標位置までの残り距離
定速走行領域では、クレーンは目標位置のＬ_d手前まで（Ｌ_mがＬ_dに等しくなるまで）目標速度（定速走行速度）Ｖで走行する。即ち、次の（１２）式に示すように速度指令ｖを設定する。そして、クレーンの位置から目標位置までの残り距離Ｌ_mがＬ_dに等しくなったら運転モードを定速走行領域から減速領域１に切り換える。また、この運転モードが切り換わった時間Ｔ₂を記憶しておく。
【００４０】
ｖ＝Ｖ・・・（１２）
【００４１】
▲４▼ 減速領域１：約Ｖ／２＜ｖ＜Ｖ
減速領域１では、クレーンの駆動速度が目標速度（定速走行速度）の１／２になるまで、ジャークＨを一定として減速する。この減速領域１では速度指令ｖのパターンが２次曲線を描くようにする。即ち、次の（１３）式に基づいて速度指令ｖを演算する。
【００４２】
ｖ＝−０．５・Ｈ・（ｔ−Ｔ₂）²＋Ｖ・・・（１３）
Ｔ₂：運転モードが定速走行領域から減速領域に切り換わった時間
【００４３】
更に、この減速領域１では、減速領域２の（１５）式と同じ演算を行い、この（１５）式から求められたジャークＨと上記（１３）式におけるジャークＨ（設定値）とを比較する。そして、（１５）式から求められたジャークＨの絶対値が上記（１３）式におけるジャークＨの絶対値よりも大きくなったときに、運転モードを減速領域１から減速領域２へ切り換える。
【００４４】
▲５▼ 減速領域２：０＜ｖ＜約Ｖ／２
減速領域２では、目標位置でクレーンの駆動速度が０となるように速度指令ｖを与える。この場合、目標位置で、クレーンの駆動速度は２次曲線の最小値になるようにする。
【００４５】
そして、実際のシステムでは制御装置（シーケンサ）からインバータへの速度指令の受け渡しにおける無駄時間を含めて制御系に速度応答の遅れがあり、加速度の変化が大きい場合には、この遅れが位置精度に悪影響を与えることになるため、この減速領域２では、これに対する補償を行う。
【００４６】
即ち、速度指令値がクレーンの実速度に反映されるまでに無駄時間（ｎ・Ｔｓ）があるとすると、制御装置ではｎ・Ｔｓ時間先の速度指令値を演算することになるので、次の（１４）式からｎ・Ｔｓ時間先の残り距離を予測演算し、この予測演算した残り距離に基づいて（１５）式からジャークを演算し、この演算したジャークに基づいて（１６）式から速度指令を演算する。Ｔe は減速を開始してから停止するまでの時間である。
【００４７】
【数１】

【００４８】
なお、実験に用いたシステムではサンプリング期間が０．１ｓｅｃで、遅れは２サンプリング期間（０．２ｓｅｃ）であった。
【００４９】
以上の基本的な考え方に基づき、振れ止め・位置決め制御装置の構成は図２のブロック図に示すような構成となる。
【００５０】
図２に示すシステムは、駆動系（インバータやモータを含む）を備えたクレーン本体２１と、このクレーン本体２１に速度指令を与える制御装置２２とから構成されている。クレーン本体２１から制御装置２２へはクレーン位置、振れ角及びワイヤ長が出力され、逆に、制御装置２２からクレーン本体２１へは速度指令が出力される。
【００５１】
制御装置２２の位置制御ブロック２２ａでは、クレーン位置と位置指令（目標位置）とから目標位置までの残り距離を求め、この残り距離等に基づいて上記の如く運転モード（加速領域１、加速領域２、定速走行領域、減速領域１、減速領域２）の切り換えを行い、それぞれの運転モードで上記のようにして位置制御速度指令を求め、この位置制御速度指令を速度指令生成ブロック２２ｂへ出力する。
【００５２】
特に、運転モードを減速領域１から減速領域２へと切り換える際には、上記のように、加速領域１から加速領域２へ切り換える前に、加速領域１において加速領域２における演算と同じように（１５）式からジャークを演算し、このジャークと減速領域１の（１３）式におけるジャーク（設定値）とを比較して、（１５）式から求めたジャークの絶対値が、減速領域１の（１３）式おけるジャークの絶対値よりも大きくなったときに、減速領域１から減速領域２へと運転モードを切り換える。
【００５３】
また、減速領域２では、上記のように、制御系の無駄時間を考慮して、現時点からこの無駄時間分だけ経過した時点での残り距離を（１４）式から予測演算し、この予測演算した残り距離に基づいて（１５）式からジャークを演算し、このジャークに基づいて（１６）式から速度指令を演算する。
【００５４】
一方、振れ止めブロック２２ｃでは、吊り荷の重心位置とワイヤ長とで吊り荷の重心までの長さ（図１中のＬ参照）を求め、この長さによって補正したゲインＫと振れ角とによって振れ角制御速度指令を求め、この振れ角制御速度指令を速度指令生成ブロック２２ｂへ出力する。
【００５５】
そして速度指令生成ブロック２２ｃでは、位置制御速度指令と振れ角制御速度指令とを加え合わせて速度指令を生成し、この速度指令を駆動系のインバータへ出力する。このように各運転モードについてゲインＫの補正をした振れ角速度指令をフィードバックすることにより、振れ角の抑制を行うことができる。
【００５６】
以上のように、本実施の形態にかかるクレーンの制御装置によれば、運転モードを減速領域１から減速領域２へと切り換える際には、加速領域１から加速領域２へ切り換える前に、加速領域１において加速領域２における演算と同じように（１５）式からジャークを演算し、このジャークと減速領域１の（１３）式におけるジャーク（設定値）とを比較して、（１５）式から演算したジャークの絶対値が（１３）式におけるジャークの絶対値よりも大きくなったときに、減速領域１から減速領域２へと運転モードを切り換えるため、クレーンの加速度が不連続とならずにスムースに減速領域１から減速領域２へと切り換えることができる。このため、速度指令の不連続性が緩和され、クレーンが目標位置に停止したときの荷振れが少なく、精度のよい位置決めを行うことができる。
【００５７】
また、制御系の無駄時間を考慮して、現時点からこの無駄時間分だけ経過した時点での残り距離を（１４）式から予測演算し、この予測演算した残り距離に基づいて（１５）式から加速度変化率を演算し、この加速度変化率に基づいて（１６）式から速度指令を演算するため、制御系に無駄時間があっても、クレーンをオーバシュートさせることなく目標位置に正確に停止させることができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態と共に具体的に説明したように、第１発明のクレーンの制御装置によれば、運転モードを第１減速領域から第２減速領域へと切り換える際には、第１加速領域から第２加速領域へ切り換える前に第１加速領域において第２加速領域における演算と同じようにして第２加速度変化率を演算し、この第２加速度変化率の絶対値が第１加速度変化率の絶対値よりも大きくなったときに減速領域１から減速領域２へと運転モードを切り換えるため、クレーンの加速度が不連続とならずにスムースに第１減速領域から第２減速領域へと切り換えることができる。このため、速度指令の不連続性が緩和され、クレーンが目標位置に停止したときの荷振れが少なく、精度のよい位置決めを行うことができる。
【００５９】
また、第２発明のクレーンの制御装置によれば、制御系の無駄時間を考慮して、現時点からこの無駄時間分だけ経過した時点での残り距離を予測演算し、この予測演算した残り距離に基づいて加速度変化率を演算し、この加速度変化率に基づいて速度指令を演算するため、制御系に無駄時間があっても、クレーンをオーバシュートさせることなく目標位置に正確に停止させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】クレーンが移動するときの荷振れを表すクレーンモデル図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るクレーンの制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
２１クレーン本体（トロリ）
２２制御装置
２２ａ位置制御ブロック
２２ｂ速度指令生成ブロック
２２ｃ振れ止めブロック

Claims

クレーンが所定の方向に移動して目標位置まで吊り荷を搬送するように前記クレーンを制御する制御装置であって、
所定の第１加速度変化率に基づいて前記クレーンへの速度指令を演算する第１減速領域から、前記クレーンの位置から前記目標位置までの残り距離に基づいて第２加速度変化率を演算しこの第２加速度変化率に基づいて前記クレーンへの速度指令を演算する第２減速領域へと運転モードを切り換える際には、この運転モードの切り換え前に、前記第１減速領域において前記第２減速領域における演算と同じようにして前記第２加速度変化率を演算し、この第２加速度変化率と前記第１加速度変化率とを比較して、前記第２加速度変化率の絶対値が前記第１加速度変化率の絶対値よりも大きくなったときに、前記第１減速領域から前記第２減速領域へと運転モードを切り換えることを特徴とするクレーンの制御装置。
クレーンが所定の方向に移動して目標位置まで吊り荷を搬送するように前記クレーンを制御する制御装置であって、
前記クレーンの位置から前記目標位置までの残り距離に基づいて加速度変化率を演算しこの加速度変化率に基づいて前記クレーンへの速度指令を演算する減速領域の運転モードでは、現時点から制御系の無駄時間分だけ経過した時点での前記残り距離を予測演算し、この予測演算した残り距離に基づいて前記加速度変化率を演算することを特徴とするクレーンの制御装置。