JP4247697B2 - 振れ止め制御装置 - Google Patents

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制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、加速時、減速時、あるいは走行中の吊り荷の振れを抑制する方法として、電気的振れ止め方法があるが、これは吊り荷の振れ角、あるいは振れ速度を検出して、これを駆動系にフィードバックして、あるいは加減速終了時に振れを無くし得るような速度パターンを演算指令して、振れ止め制御を行う等の手法がある。
このような制御を行う際に必要な電気的振れ角の検出方法として、例えば、特開平８−２９５４８６号公報に記載された方法がある。
この方法は、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τ_M*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τ_M*と、実際の負荷トルクτ_Mとを比較することにより、ロープ振れ角及び荷重に比例した振れ負荷信号Ｉ_2W*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θ₁*と振れ角設定値θ_Sとの偏差に位相進み・遅れ補償を行った信号Ｎ_Wをトロリー駆動装置のトロリー速度指令Ｎ_Sにネガティブフィードバック（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ことを特徴とするクレーン等のロープ振れ止め制御方法である。
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が高く、且つ安価にできる特長があった。
【０００３】
図６は、前記特開平８−２９５４８６号公報にて提示した方式によってトロリーを低速度まで減速せしめた場合、ループゲインが適性値の５０％である場合のシミュレーション結果の代表例を示したものである。
トロリーは、低速度に減速し、ある時間の後一定速度に落ち着き、振れも殆どゼロに制御されている。
図７は、この制御装置を適用して、トロリーを停止させた場合の特性を示したものである。
つまり、目標停止点直前の時刻にて、振れ止め制御を中止すると共に、トロリーを減速停止させた場合のトロリーの速度と振れの特性を示している。
図示のように、本例では、トロリーは停止できているが、大きな残留振れを生じている。
このように従来の方法では、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りまた吊り荷が振れてしまう問題があった。
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せしめ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かったが、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】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の方法では、停止時には、位置決めを優先するために低速または微速から減速停止した場合に、吊り荷の振れすなわち残留振れが残る問題があった。
本発明では、上記のような複雑高価な演算制御装置を使用しないで、残留振れをできるだけ小さく抑制し、トロリーまたはブリッジを任意の目標位置に精度良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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、与えられた速度指令を加減速調整する加減速調整器と、前記加減速調整された速度指令によりロープで懸垂された負荷を走行させる駆動システムと、前記負荷の振れ角を電気的に検出する振れ角検出手段と、該振れ角検出手段によって検出された振れ角信号を前記駆動システムに負帰還することにより前記負荷の振れ止め制御を行い、前記負荷を目標位置に停止する停止点制御装置とを備えた振れ止め制御装置において、前記停止点制御装置は、定格速度よりも低い低速指令を与える速度設定器と、前記与えられた速度指令から前記低速指令に切替えるために、前記加減速調整器の入力を選択する信号選択回路とを備え、前記低速指令で与えられた速度からゼロ速度への減速開始時点及び該減速開始時点の減速度を演算し、前記減速開始時点で前記振れ止め制御を打ち切り、前記減速度を前記加減速調整器に設定するものである。前記停止点制御装置における前記減速開始時点の減速度の演算は、前記電気的振れ角信号の位相面軌跡により行われる。また、前記加減速調整器は、前記減速度が設定された後は前記減速度でゼロ速度まで減速するように構成される。また、前記加減速調整器は、前記減速度を初期値とし、その後は前記速度と指数関数的に減少する関数の積によって決まる減速度でゼロ速度まで減速するように構成される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１〜図５によって説明する。
本発明では、特開平８−２９５４８６号公報にて提示した、振れ負荷電流を振れ角信号として適用し、トロリーまたはブリッジが、低速または微速に減速された時、この電流値の変化を、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る。
すなわち、一定速度位相面軌跡と接する点が、共に、等しい振れの振幅と速度を持つこと、その加速度が、一定減速度の半径に等しい加速度をもつことに着目し、この接点において、この加速度とちょうど逆向きの減速度を与え、吊り荷の位置を位相面上にてほぼ固定すると共に、トロリーを漸次減速後、停止させるような制御を追加する。
図１は、本発明の制御装置の原理的構成を示したもので、振れ止め制御の方法としては、先の特開平８−２９５４８６号公報に記載された方法を適用する。
図１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おり、これらは前記出願の図６において示されたものと同じである。
すなわち、電動機速度Ｎをトロリー速度に変換する手段５とトロリー振れ力学モデル６は省略されているが、前記出願の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。
【０００７】
本発明は、前記出願の制御装置に、残留振れ止め制御装置１００を追加することにより、実用性に富む新しいクレーンの振れ止め制御装置を提供するものである。 残留振れ止め制御装置１００は、振れ負荷電流の推定値Ｉ２Ｗ*によって、低速（以下、本明細書において、「低速」とは、定格速度の数分の１の低速及び定格速度の１０分の１以下の微速を含むものとする。）から減速停止させるための減速開始点を演算する停止点制御装置（ＳＴＣ）１１と停止前の低速を設定する速度設定器１０、この設定信号とハンドル取り付けの速度指令器３の速度信号の内、高レベルの信号を優先する信号選択器（ＣＲＥ）８、停止点制御装置（ＳＴＣ）１１の演算結果で制御される停止リレー１２並びに、停止時停止点制御装置１１が演算した減速レートに、加減速調整器４の減速レートを調整する機能によって構成されている。
【０００８】
このような構成において、運転中のトロリーを減速停止させる操作を説明する。
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、停止点制御装置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。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、速度指令器３の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、速度設定器１０で与えられた低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、速度設定器１０で与えられた速度まで定められた減速指令が振れ止め制御装置２に与えらる。従って、図６示したような応答特性で、振れ止めを行ないつつ、速度設定器１０で設定された速度に落ち着く。
減速開始にて、停止点制御装置１１が演算を開始し、後述の図３に従った制御が進行し、速度がほぼ低速指令に落ち着き、振れ角がマイナス極大値（トロリー位置より、振れ角だけ進んでいる）になれば、停止リレー１２がＯＮし、接点７によって振れ止め制御をＯＦＦすると共に、接点９によって低速よりゼロ速度までを速度制御のみによって停止させるように働く。
この場合、速度設定器１０で設定された速度よりゼロ速度までは、停止点制御装置１１で演算された減速度にて減速する。このような制御によって、図４のような特性が得られる。
図７と比較することにより、トロリー停止後の残留振れが小さくなっていることが理解される。
【０００９】
次に、低速よりゼロ速度までを速度制御のみによって停止させ、残留振れが小さくできる原理を説明する。トロリーが初期振れゼロにて、定加速度αで加速される時の振れ角θは、周知のように次式で表わされる。
θ＝（α／ｇ）（１−ｃｏｓωｔ） ・・・（１）
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）
（１）式より
θ−（α／ｇ）＝−（α／ｇ）ｃｏｓωｔ
∴ｄθ／ｄｔ＝（α／ｇ）ω・ｓｉｎωｔ
が得られる。
従って、次の（２）式が得られる。
(θ−(α／ｇ))²＋((１／ω)(ｄθ／ｄｔ))²＝(α／ｇ)² ・・・（２）
即ち、位相面軌跡は、((α／ｇ)，０)を中心とする半径(α／ｇ)の円となる。
【００１０】
（１）式は、速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）を入力とする振れ角θ（ｒａｄ）の伝達関数、
θ(s)／Ｖ(s)＝（１／ｇ）・（（ω²ｓ／(ｓ²＋ω²)) ・・・（３）
に速度入力（α／ｓ²）を与えて、ラプラス逆変換することによって求めることができる。
同様にして、速度ｖのステップ入力に対する出力は、（３）式に、入力（ｖ／ｓ）を与えて（４）式のように求めることができる。
θ＝(ｖ／（ｌω))・ｓｉｎωｔ ・・・・・・・（４）
（４）式より、同様にして、次の（５）式を得ることができる。
θ²＋((１／ω)(ｄθ／ｄｔ))²＝(ｖ／１ω)² ・・・・（５）
すなわち、位相面軌跡は、（０，０）を中心とする半径（ｖ／ｌω）の円となる。
【００１１】
ここで、低速にて運転中のトロリーの振れに（５）式を近似的に適用することを考える。
ある速度から振れ止め制御を行ないつつ低速にまで減速し、速度がほぼ一定になった場合の振れと振れの速度の関係は、（５）式によって表わされると考える。
実際には、振れ負荷電流を負帰還している前記の振れ止め制御によって、図６のように、低速区間に入っても振れ角は、漸次小さくなっているが、これを一定速度位相面軌跡円の半径が漸次小さくなっていると考える。
このように考えると、減速停止制御開始点Ｄで、（５）式の表わす位相面軌跡円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。
図２の（ｂ）は、（５）式の円に内接するそのような円、中心点を、（０，−（α／ｇ））、半径（α／ｇ）の位相面軌跡を示している。
但し、図では、（１／ω）（ｄθ／ｄｔ）をＸ軸にとり、θをＹ軸にて表わしている。
また、ｖ／（ｌω）＝ωｖ／ｇ ・・・・・（６）
として、表わしている。
【００１２】
図２（ａ）は、実際の振れ止め制御に於ける、振れ角の変化と位相面軌跡（ｂ）を対応させたものである。
但し、振れ止め制御によって、振れの振幅が減少しているため、（ωｖ／ｇ）が時々刻々に減少しているが、このことを考慮していない。
トロリー停止時の残留振れを抑制するために、位相面軌跡切替点Ｄを考える。もし、Ｄ点にて、定速度位相面軌跡円のもつ加速度と同一の逆向きの加速度を与えることができれば、振れ角、振れ速度を、Ｄ点に保つことができる。
つまり、振れ止め制御によって抑制された振れ角を増大させることなく、トロリー速度をゼロ速まで減速することが可能となる。この切替点Ｄに必要な加速度は、
ωｖ／ｇ＝２(α／ｇ) ・・・（７）
であり、理想条件での、加速度αを求めることができる。
【００１３】
従って、本発明の残留振れ止め制御は次のように、行なわれる。
実際の振れ負荷電流の推定値Ｉ２Ｗ*より、Ｉ２Ｗｍａｘ*を検出すれば、この時点から、（７）式で求めたαの加速度を減速度指令としてトロリー速度制御に与えると共に、振れ止め制御をＯＦＦする。トロリーは、この減速度で減速を始める。
この場合、Ｄ点で一定減速度位相面軌跡は、内接しているので、トロリーがαの減速度にて減速を始めても、吊り荷の振れ角は、ほぼ一定に保たれる。
つまり、位相面軌跡では、この過程は、Ｄ点に留まっていることになる。
トロリー速度はこの状態を保ちつつ速度を低下させ、減速終了時点でトロリーが停止する。この停止によって、トロリー速度がゼロになりこの時点から、減速度はゼロになる。
従って、この時点から位相面軌跡円のＤ点から、半径（ωｖ／ｇ）の一定速度位相面軌跡円を移動する。
従って、この動作が理想的に遂行されるならば、吊り荷の振れは、トロリー停止後でも、振れ止め制御によって抑制された所の減速停止開始時点の振れ角とほぼ同じになる。
勿論、実際には、振れ止め制御や、本発明の減速時の速度制御も、電動機とその制御装置を介して行なわれ、制御遅れ、制御精度の影響を受ける。
【００１４】
実際の位相面軌跡切替点Ｄは、最大振れ角θ_max、を、推定振れ負荷電流Ｉ_2W ^*の最大振幅値にて、Ｉ_2Wmax ^*として検出する。
このＩ_2Wmax ^*は、吊り荷の最大振れ角θ_maxと吊り荷重Ｗの積に比例したものであり、吊り荷の大きさは、前記特開平８−２９５４８６号公報で明らかにしたように測定可能であるから、Ｉ_2Wmax ^*より振れ角の最大値θmaxを推定可能である。いま、この推定値をθ_max ^*（ｒａｄ）とすれば、
θ_max ^*＝２（α／ｇ）
∴ α＝ｇ・θ_max ^*／２（ｍ／ｓｅｃ²） ・・・・・（８）
として、推定することができる。
図４は、以上に述べた本発明の残留振れ止め制御のシミュレーション結果を示している。
以上に述べたように、減速過程でほぼ振れ角が一定に保たれて制御が遂行されていることが分かる。
また、この結果を本発明の制御をしない図７のシミュレーション結果と比べることにより、本発明の制御によって、はるかに、残留振れが小さくなっていることがわかる。しかも、減速停止開始点以降は、振れ止め制御をＯＦＦしているから、停止点までの走行距離を運転者が予測すること容易であり、目標点に正確にトロリーを停止することができることになる。
【００１５】
図３は、以上に述べた本発明の制御動作の基本的制御フローを示したものである。
図示のように、減速停止制御のスタートは、メモリー“ＲＥＳ”が“４”になった時点に開始される。
この時、図１のＬＡＵに減速度を設定するのに、ｄ（Ｉ_2W ^*）／ｄｔ＝０の時のＩ_2Wmax ^*を測定し、前記に述べた方法によって、（８）式にて、加速度を計算し、この値を減速度として、ＬＡＵに設定している。
以上に述べた本発明の方式では、振れ角と振れ速度ほぼ一定に保つように、Ｄ点で、演算された所定の一定加速度αを、減速度として制御装置に与え、トロリーを速度制御によって停止せしめるものであった。
この場合、トロリー減速過程中の吊り荷の振れは、ほぼ、減速停止開始時点の大きさに保たれ、その大きさを減少できないと言う欠点がある。
つまり、トロリー停止時に、減速停止開始点の振れが、そのまま残留振れとして残る。
【００１６】
これを改善するには、トロリーがＤ点より停止する過程で、吊り荷の位相面軌跡が、定速度位相面軌跡円内にあり、できるだけ、振れ角の最大振幅が、（ωｖ／ｇ）より小さくなるような位相面軌跡を選択できるようにする方法が考えられる。
つまり、（８）式で与えられるαの値より、若干小さい減速度α’を考える。このα’の逆の減速度を、制御装置に与えるならば、吊り荷の位相面軌跡は、α−α’の差に相当する加速度で、Ｄ点より右側で、（ωｖ／ｇ）を半径とする一定速度位相面軌跡円より内側の軌跡を通ることになる。例えば、減速度指令を
α’＝α・ＥＸＰ（−ｔ／α”） ・・・・・（９）
ここに、α’：収束した減速度
α ：（８）式で計算した減速度（ｍ／ｓｅｃ²）
α”：減速度逓減時定数
ｔ ：減速停止制御スタート時をゼロとした時の減速経過時間（ｓｅｃ）で、与えるようにする。
つまりＤ点で時刻ゼロでは、前述の一定減速指令−αと同一であり、ｔ＝α”（ｓｅｃ）では、−０．３６７αになり、ｔ＝３α”時間では、−０．０４９８αの殆どゼロ減速度の指令になる。
【００１７】
低速の大きさは、既知であり、減速度αが決まれば、理論停止時間は定まる。
よって、α”を適当に選ぶことは容易である。
α”を適当に選ぶことにより、残留振れ止め制御の減速度を時間に対して逓減せしめることができる。
この場合、α”＝∞にて、直線減速の場合であり、α”＝０で、減速度ゼロの場合になる。
つまり、（８）式の与える減速度より、常に小さい減速度になり、図７のように、トロリーが低速に減速せしめられた直後の振れより、残留振れが返って大きくなるようことにはならない。
最大減速度が（８）式にて制限されており、そのために、その値から逓減された減速度分だけ、（８）式の与える直線減速の方法より残留振れを小さくできる。
また、（９）式の減速指令は、公知の直線指令器に減速度−αを与え、関数発生器でＥＸＰ（−ｔ／α”）を作り、この値を−αに乗ずることによって、容易に実現できる。
図５は、（９）式の方法にて減速度指令を与えた場合のシミュレーション結果を示す。図４の結果に対して、残留振れが小さくなっていることが理解される。
【００１８】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば下記の効果を奏する。
（１）トロリーまたはブリッジを停止した時の残留振れを抑制できる。
（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。
（３）減速停止制御は、速度制御とし、加速中、全速中、減速中には振れ止め制御として、位置決め制御と振れ止め制御を両立させているで、振れ止めを行ないつつ位置決めを必要とするクレーンの自動化への応用が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】 本発明の原理を位相面軌跡にて説明した図である。
【図３】 本発明の制御フローの概略図である。
【図４】 本発明の制御による残留振れ抑制の効果をシミュレーション結果で示したものである。
【図５】 本発明の異なる実施例のシミュレーション結果を示す。
【図６】 振れ負荷電流帰還による、特開平８−２９５４８６号公報において、トロリーを低速まで減速した場合の代表的振れ止め制御シミュレーション結果を示す。
【図７】 その低速から振れ止め制御をＯＦＦして減速停止せしめた場合の残留振れのシミュレーション結果を示す。
【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 接点、１０ 速度設定器、１１ 停止点制御装置、１２ 停止リレー、１００ 残留振れ止め制御装置

Claims (4)

1. 与えられた速度指令を加減速調整する加減速調整器と、前記加減速調整された速度指令によりロープで懸垂された負荷を走行させる駆動システムと、前記負荷の振れ角を電気的に検出する振れ角検出手段と、該振れ角検出手段によって検出された振れ角信号を前記駆動システムに負帰還することにより前記負荷の振れ止め制御を行い、前記負荷を目標位置に停止する停止点制御装置とを備えた振れ止め制御装置において、
   前記停止点制御装置は、定格速度よりも低い低速指令を与える速度設定器と、前記与えられた速度指令から前記低速指令に切替えるために、前記加減速調整器の入力を選択する信号選択回路とを備え、
   前記低速指令で与えられた速度からゼロ速度への減速開始時点及び該減速開始時点の減速度を演算し、前記減速開始時点で前記振れ止め制御を打ち切り、前記減速度を前記加減速調整器に設定することを特徴とする振れ止め制御装置。
2. 前記停止点制御装置における前記減速開始時点の減速度の演算は、前記電気的振れ角信号の位相面軌跡により行われることを特徴とする請求項１に記載の振れ止め制御装置。
3. 前記加減速調整器は、前記減速度が設定された後は前記減速度でゼロ速度まで減速するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の振れ止め制御装置。
4. 前記加減速調整器は、前記減速度を初期値とし、その後は前記速度と指数関数的に減少する関数の積によって決まる減速度でゼロ速度まで減速するように構成されていることを特徴する請求項１に記載の振れ止め制御装置。

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