JP4147512B2

JP4147512B2 - クレーンの振れ止め制御装置

Info

Publication number: JP4147512B2
Application number: JP2000067663A
Authority: JP
Inventors: 孝之山川; 利雄宮野; 克也繁岡; 哲雄河野
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: JP2001253685A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロープに吊り下げられた負荷、例えば天井クレーンのフック荷重やコンテナ荷役用のコンテナ、荷役用のグラブバケットクレーン、アンローダ等のグラブバケット等の横行または走行時の振れを抑制するクレーンの振れ止め制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気的振れ角の検出方法として、例えば特開平８−２９５４８６号公報に開示したものがある。これは、ロープの振れに基づく負荷トルク変動を含まない電動機トルクの推定信号を、制御系及び駆動系のゲイン定数、等価時定数によって演算推定し、この推定信号と、実際の負荷トルクとを比較することにより、ロープの振れ角及び荷重に比例した振れ負荷信号を演算し、この振れ負荷信号に比例した振れ角検出推定値と振れ角設定値との偏差に位相進み・遅れ補償を行った信号をトロリー駆動装置のトロリー速度信号に負帰還することにより、ロープで吊り下げられた負荷の振れを制止するものである。この方法は、振れ止め制御の方法としては、機械的振れ角検出や、光学的振れ角検出による振れ止め制御方法より信頼性高く、且つ安価にできる特徴がある。
しかしながら実際の重量物の搬送や、コンテナ、グラブバケット荷役においては、振れ止めを行なうことのみならず、吊り荷を所定の位置に停止させる機能が必要である。
この場合、吊り荷の停止点前にトロリーまたはブリッジを低速または微速まで振れ止め制御を行なっていても、目標位置に停止する際の減速によってまた吊り荷が振れてしまう問題があった。
【０００３】
これを解決するために、トロリーまたはブリッジの現在位置を検出し、目標位置までの距離、減速時の吊り荷の振れを予測し、望ましい減速曲線を演算し、この減速曲線に従って振れ止めを行ないつつ、定位置に吊り荷を停止させる制御方式が提案されている。
しかしながら、この方式では、振れ止めと位置決めを両立させるための複雑な演算処理を要するために、どうしても高価なディジタル演算装置が必要であった。
また、従来方式では、アンローダのホッパー位置が固定されている場合やコンテナクレーンのコンテナ荷役のように、停止点が設定によって決定される場合には問題ないが、通常の天井クレーンの場合、停止点は不定であるために本方式は適用できない欠点があった。
【０００４】
この問題を解決するために特開平１１−２５５４７４号公報では、振れ負荷電流を検出する手段を設け、これを振れ角信号として適用し、トロリーまたはブリッジを、低速または、微速に減速させた時、この振れ角の変化を一定速度運転における位相面軌跡として捉え、この一定速度の位相面軌跡に内接する、一定減速度の位相面軌跡を考え、この一定速度位相面軌跡と接する点から、この加速度とちょうど逆向きの減速度をトロリーまたはブリッジに与え、吊り荷の位置を位相面上にほぼ固定すると共に、トロリーを停止させるように制御することによって、残留振れを抑制する制御方法が提案されている。
この方法は、確かに、複雑、高価な演算制御装置を必要としないで残留振れを抑制することができる特徴がある。しかしながら、この制御では停止制御を開始する時点を振れ角と振れ負荷電流を対応させ、その極大値によって検出するように構成されているために、その電流波形が極大値を有しない単調に減少するような形の場合、停止制御の開始点が正確に検出できないという問題が発生していた。
特にブリッジ駆動振れ止め制御において、吊り荷重が小さい場合には、全速から減速して低速または微速運転する場合、その過程の電流波形は脈動のない、滑らかな単調に減少する波形になることが実際の運転にて確認され、前記発明方法は適用が困難となっていた。
また、この従来の方法は、吊り荷の振れを停止制御開始時点の振れより大きくならないように、位相面軌跡変更点にて、最大減速度を抑制することを原理にしたオープンループ制御の方法であるため、残留振れ止め制御開始点以後の振れを制御によって積極的に抑制する機能は無かった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べたように、残留振れを抑制するために提案された特開平１１−２５５４７４号公報記載の方法は、複雑高価な演算制御装置を使用しないで済むという効果があったが、振れ負荷電流によって、吊り荷の位相面軌跡に対応した軌跡切り換え点の検出が困難になる場合が生じていた。
また、低速または微速からの停止制御は、オープンループ制御であるために、停止制御中に、振れを積極的に小さく制御するという働きはなかった。
本発明は、残留振れ止め制御の開始のために、従来の方法では必要であった位相面軌跡変更点の検出を必要とせず、また、停止制御過程にても振れ負荷電流のフィードバックによるクローズドループの振れ止め制御を行ない、残留振れを従来方式より更に小さく抑制することができるように構成すると共に、トロリーまたは、ブリッジを任意の目標位置に精度よく停止させることができる制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、前記課題を解決するために、特開平８−２９５４８６号公報にて提案した振れ負荷電流フィードバックによる振れ止め制御装置を適用し、トロリーまたはブリッジを低速または微速まで減速した後、指数関数的にゼロ速度まで低下する速度指令を与え、クローズドループの振れ止め制御を行ないつつ、トロリーまたはブリッジを低速または微速の数分の一以下〜十数分の一の極低速度まで減速して、停止させる制御を追加することによって解決する。
すなわち、本発明は、クレーン等のロープで懸垂された負荷を走行させるトロリーやブリッジの駆動システムに吊り荷の振れ角を検出する手段を設け、その振れ角信号を駆動システムに負帰還することにより吊り荷の振れを抑制する振れ止め制御装置において、トロリーまたはブリッジを加減速して吊り荷を目標位置に停止させる操作を行なう場合に、減速のための定格速度の数分の１の低速指令または微速指令を与える手段と、その低速または微速指令によってトロリーまたはブリッジが指令速度まで減速されたことを検出する減速完了検出手段と、減速完了検出後、トロリーまたはブリッジの速度指令を低速または微速からゼロ速度まで指数関数的に減速停止させる指数関数停止指令を発生する手段と、その停止指令の大きさが、前記低速または微速指令の数分の１以下〜十数分の１以下の速度に達したことを検出する残留振れ止め制御完了検出手段とを備え、残留振れ止め制御完了検出後に振れ止め制御を打ち切るようにしたものである。
これにより、低速または微速よりゼロ速度に十分近い極低速まで振れ止め制御を機能させることによって、吊り荷の振れ止め制御を行ないつつ極低速まで減速させ、停止時の吊り荷の振れを抑制すると共に、吊り荷を目標位置に停止することができるようになる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図５に示す実施例に基づいて説明する。
図１は、前記の位相面軌跡切り換え点検出方式の前出願の残留振れ止めのシミュレーション例として、特開平１１−２５５４７４号公報の第６図にて示された特性を示したものである。図２は、本発明の制御を同一の条件のもとで実施した場合の特性を示す。
図１、図２何れも、振れ止め制御ゲインは、適性値の５０％である場合を示す。図１では、トロリーは、軌跡切り換え点で低速からからゼロ速度まで直線的な減速指令に従って忠実に直線的に減速し停止させられている。しかしながら、吊り荷の振れは、このときの減速度によって増加することなく、ほとんど一定に保たれていることが分かる。
しかるに、図２に示された本発明では、トロリー速度は、指数関数的減速指令にほぼ一定の大きさの振れ止め制御指令分が加わった指令にて制御されており、トロリー停止時の振れ角と振れ速度が小さくなっており、それだけ残留振れも小さくなっている。
【０００８】
次に、図２のような特性が得られる本発明の制御を説明する。図３は、本発明の制御装置の原理的構成を示したものである。図３において、１はトロリー駆動装置、２は振れ止め制御装置、３は速度指令ハンドルに取り付けられた速度指令器、４は加減速調整器を示している。
電動機速度Ｎをトロリー速度に変換する手段とトロリー振れ力学モデルは省略されているが、前記特開平８−２９５４８６号公報で提案した振れ負荷電流検出方式のクレーンの振れ止め制御装置を構成している。
本発明のクレーンの振れ止め制御装置は、前記出願の制御装置に、点線で囲んだ残留振れ止め制御装置１００を追加したものである。
残留振れ止め制御装置１００は、ハンドルの停止操作と速度指令ＮＳによって、全速から低速または、微速に減速したことを検出する減速完了検出とクローズドループ残留振れ止め制御終了を検出する機能を備えた停止制御装置（ＳＴＣ）１１、それぞれの出力リレー１２と１３、低速または微速を設定する低速速度設定器１０、この設定信号とハンドル取り付けの速度指令器３の速度信号のうち高レベルの信号を優先する信号選択器（ＣＲＥ）８、低速または微速からゼロ速まで残留振れ止め制御のための速度指令を作る指数関数減速指令装置（ＥＸＰＣ）１５によって構成されている。停止制御装置１１の出力リレー１３、１４は、それぞれ接点１４、７、９を有する。
【０００９】
このような構成において、運転中のトロリーを減速停止する操作を説明する。
全速運転中の速度指令器３はフルハンドル位置にあり、信号選択器８は、速度指令器３側の信号を選択し、また、フルハンドルのノッチ位置信号により、停止制御装置１１の演算は停止されている。つまり停止リレー１２は、ＯＦＦしており、接点７、９、は共に閉じている。また減速完了検出リレー１３もＯＦＦしており、接点１４は開いている。つまり、この状態は、振れ止め制御全速運転の制御状態である。停止点までの減速距離を予測し、停止点より前の位置にて運転者は、ハンドルをゼロノッチに戻す。
この停止操作にて、速度指令器３の指令信号はゼロになるが低速速度設定器１０で与えられた低速、または、微速信号が自動的に選択される。つまり、加減速調整器４によって低速速度設定器１０で与えられた速度まで定められた減速度の速度指令が振れ止め制御装置２に与えられる。従って、図１に示すように、振れ止め制御を行ないつつトロリ速度は、低速速度設定器１０で設定されている低速度に向かって減速して行く。減速開始にて、停止制御装置１１が演算を開始し、速度指令ＮＳが低速または微速指令に到達し、低速または微速運転時間確認用の遅延タイマがタイムアップすれば、減速完了検出リレー１３がＯＮし接点１４が閉じ、残留振れ止め制御が開始される。
【００１０】
即ち、出力リレー１４のＯＮによって、指数関数減速指令装置１５が働き、低速速度設定器１０で設定された低速または微速指令は、一次遅れ要素１５−２に予め設定された一次遅れ時定数によって定まる指数関数曲線に沿ってゼロ速に向かって減少して行く。この減速過程中でも、振れ止め制御ループは生かされており、その制御ゲインに応じた振れ止め制御が減速制御と並行して遂行される。速度指令ＮＳが低下し、低速または微速の数分の一以下〜十数分の一以下の極低速指令を検出すれば、停止リレー１２がＯＮする。
速度指令回路をＯＦＦし、振れ止め制御もＯＦＦして、トロリーは停止する。このように、本発明では、先の特開平１１−２５５４７４号公報記載の方法と異なり、低速速度設定器１０で設定された低速または、微速から極低速まで、振れ止め制御を行ないつつトロリーを減速させる。そしてトロリー速度が殆どゼロ速に近い低速になってトロリーを停止する。
このように制御するために、図２に示すように、停止時の残留振れは極めて小さくなっている。
【００１１】
次に、このような構成において残留振れの抑制が可能となる原理を説明する。
先の特開平１１−２５５４７４号公報に述べたように、トロリーは、全速から、低速または微速に減速し低速または微速運転に入ると、振れ負荷電流フィードバックによる振れ止め制御によって減速過程に生じた振れは段々と小さくなるように制御される。
この過程は、図１でも、本発明の図２にても同様である。
先の特開平１１−２５５４７４号公報にて、トロリーが低速または微速運転中の吊り荷の振れと一定減速度にて運転している場合の吊り荷の振れを、位相面軌跡上に、前者は、中心点を（０，０）、半径（ｖ／ｌω）の円、後者は、中心点を（０，−（α／ｇ））、半径（α／ｇ）の円で表わすことができることを示した。
【００１２】
そして、低速または微速運転中の一定速度位相面軌跡に内接する一定の減速度の位相面軌跡を画くことができることを示し、図から二つの位相面軌跡の間には、次の（１）、（２）式の関係があることを明らかにした。
ｖ／（ｌω）＝ωｖ／ｇ・・・・・・（１）
ωｖ／ｇ＝２（α／ｇ）・・・・・・（２）
ここに
θ：振れ角（ｒａｄ）
α：加速度（ｍ／ｓｅｃ²）
ｇ：重力の加速度＝９．８（ｍ／ｓｅｃ²）
ω：（ｇ／ｌ）^1/2（ｓｅｃ^-1）
ｌ：ロープ長（ｍ）
ｖ：トロリー速度（ｍ／ｓｅｃ）
【００１３】
更に、両方の位相面軌跡が接する点にて、上記（２）式で定まる加速度と大きさが同一で逆向きの加速度をトロリーに与えれば、振れ角、振れ速度を位相面軌跡が接する点に保つことができることを述べた。即ち、その接点での振れを−θ_MAXとしたとき、トロリーの減速度を（２）式が与える加速度以下にすれば、振れは−θ_MAX以上には増加しないことを意味している。本発明の残留振れ止め制御は、この原理を応用している。
つまり、残留振れ止め制御開始時点での最大減速度を、前記（２）式で与えられる値以下になるように、指数関数減速指令装置１５の減速指令曲線を設定する。
このように設定することで、残留振れ止め制御と停止制御を同時に行なっても、残留振れ止め開始時点の吊り荷の振れを増大させることなく、トロリーを減速させることができる。即ち、トロリ速度が極低速になるまで振れ止め制御と停止制御を同時に行ない、吊り荷の振れも小さく制御されている、極低速にてトロリーを停止させることができる。
【００１４】
本発明の指数関数減速指令装置１５は図３に示すように、加算器１５−１と一次遅れ要素１５−２によって構成され、一次遅れ要素１５−２は次の（３）式で表わされるような伝達特性を有する。
Ｇ₁₀₀（ｓ）＝１／（１＋Ｔ_RES・ｓ）・・・・・（３）
ここに、
Ｇ₁₀₀（ｓ）：一次遅れ要素１５−２の伝達特性
Ｔ_RES：指数関数指令装置の時定数（sec）
ｓ：ラプラス演算子
従って、減速完了にて出力リレー１３の接点１４がＯＮした時より、出力リレー１２の接点９、信号選択器８を通して加減速度調整器４に与えられる低速速度設定器１０で設定された低速または微速指令は、（３）式のＴ_RES・ｓで定まる時定数によってゼロに向かって減少して行くことになる。このことは、指数関数減速指令装置１５の総合伝達特性、Ｗ₁₀₀（ｓ）が、
Ｗ₁₀₀（ｓ）＝１−Ｇ₁₀₀（ｓ）＝Ｔ_RES・ｓ／（１＋Ｔ_RES・ｓ）・・・・（４）
となることによって明白である。
（４）式の単位ステップ入力に対する時間応答はｅｘｐ（−ｔ／Ｔ_RES）となることは周知であり、従って、ｔ＝０の時の微分値−（１／Ｔ_RES）を、（２）式で決定される許容最大減速度より減速度が小さくなるように定めれば、本発明が示すように動作させることができる。先に示した図２は、本発明の方法にて残留振れ止め制御を行なった場合のシミュレーション結果を示したものである。この図より、図１の先願の方式より残留振れが小さくなっていることが理解される。
【００１５】
次に、本発明の低速または微速検出の方法について説明する。本発明では、残留振れ止めの開始を、トロリーの実速ではなく低速または微速の指令値が設定以下になり、さらに、これが、一定時間経過したことを確認する遅延タイマのタイムアップをもって行なっている。
実際のトロリー速度は振れ止め制御と減速制御の両方の信号にて速度制御されており、つまりトロリー速度は加減速調整器４で与えられる速度指令のみならず、吊り荷の振れの状態によって異なる振れ止め制御信号を受けて制御されている。
従って、本発明の方法を実施する場合、残留振れ止め制御開始時点の違いによって、減速時の振れ止め制御の過度状態の影響を受ける度合いが変わり、結果として、残留振れ止め性能が変化する。位置決め操作の容易性、作業能率の向上のためには、速度指令が低速または微速を検出してからの残留振れ止め制御開始までの低速または、微速運転確認用の遅延タイマ時間は、できるだけ短い方が望ましい。
図４と、図５はこの遅延時間の差をシミュレーションによって確かめたものである。図４は遅延タイマ設定＝１３ｓｅｃ、図５は、６０ｓｅｃの場合であり、遅延時間が長い図５の方が残留振れは小さくなっているが、遅延時間の短い図４の場合にも、特開平１１−２５５４７４号公報の図２と対比することにより、実用上十分な性能をもっていることが分かる。
つまり、本発明の方法を採用した場合にも、位置決め操作は容易であり、また作業性が低下することはないと評価できる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば下記の効果を奏する。
（１）極低速からの停止制御は速度制御とし、減速中、低速または微速中から極低速までは減速制御と振れ止め制御を同時に実行し、位置決め制御と振れ止め制御を両立させているで残留振れを小さく制御できると共に、位置決めをを必要とするクレーンの自動化への応用が容易になる。
（２）その制御のために必要な振れ角信号を電動機の振れ負荷電流の推定値で検出し、また、目標停止点に対応した特別な停止位置演算等の複雑な演算処理を必要としないので制御装置が安価に構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】特開平１１−２５５４７４号公報の位相面軌跡切り換えの方法による残留振れ止め制御を適用した場合の残留振れ止め制御のシミュレーション結果を示すタイムチャートである。
【図２】本発明の指数関数減速指令クローズドループ残留振れ止め方式を適用した場合の残留振れ止め制御のシミュレーション結果を示すタイムチャートである。
【図３】本発明の基本的構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の方式の残留振れ止め制御開始時間を変更した場合の残留振れ抑制の違いを示したタイムチャートである。
【図５】本発明の方式の残留振れ止め制御開始時間を変更した場合の残留振れ抑制の違いを示したタイムチャートである。
【符号の説明】
１トロリー駆動装置、２振れ止め制御装置、３速度指令器、４加減速調整器、７，９，１４接点、８信号選択器（ＣＲＥ）、１０低速速度設定器、１１停止制御装置（ＳＴＣ）、１２，１３出力リレー、１５指数関数減速指令装置（ＥＸＰＣ）、１５−１加算器、１５−２一次遅れ要素、１００
残留振れ止め制御装置

Claims

クレーン等のロープで懸垂された負荷を走行させるトロリーやブリッジの駆動システムに吊り荷の振れ角を検出する手段を設け、その振れ角信号を駆動システムに負帰還することにより吊り荷の振れを抑制する振れ止め制御装置において、
トロリーまたはブリッジを加減速して吊り荷を目標位置に停止させる操作を行なう場合に、減速のための定格速度の数分の１の低速指令または微速指令を与える手段と、
その低速または微速指令によってトロリーまたはブリッジが指令速度まで減速されたことを検出する減速完了検出手段と、
減速完了検出後、トロリーまたはブリッジの速度指令を低速または微速からゼロ速度まで指数関数的に減速停止させる指数関数停止指令を発生する手段と、
その停止指令の大きさが、前記低速または微速指令の数分の１以下〜十数分の１以下の速度に達したことを検出する残留振れ止め制御完了検出手段とを備え、
残留振れ止め制御完了検出後に振れ止め制御を打ち切るようにしたことを特徴とするクレーンの振れ止め制御装置。