JP4713473B2 - クレーンの制御方法 - Google Patents

Description

発明の背景

本発明はクレーンの制御方法に関するものであり、本方法は、クレーンの制御機構からクレーン駆動部へ速度要求を制御シーケンスとして発し、また制御機構において速度要求を読み取って記憶し、それによって各速度要求を前回の速度要求と比較する。速度要求が変更されている場合、該当する速度変更に対する加速シーケンスを形成、記憶し、その後は、速度要求の変更の有無に関係なく、一定時間で、記憶された加速シーケンスによって決定された速度変更を合計し、その総和を前回の速度要求に加算して新たな速度要求を得る。ここで得られた速度要求がクレーン駆動部の新たな制御および速度要求となり、合計した加速シーケンスで決定された速度要求のいくつかを各シーケンスの規定時間で実行し、また残りの要求は遅延させる。

上述の方法はフィンランド特許第89155号に開示されている。この方法を用いることで、クレーンを制御して吊荷を運搬する際にクレーンの使用および操作性に支障をきたすクレーンに固定された吊荷の不要な振れを効果的に防止できる。本方法は、吊荷の加速後に起こる振れを排除する個々の制御シーケンスを特定の方法で合計して、クレーン制御機構の特性を改善する。この方法を用いることで、加速目標を形成する最終速度をいつでも、あるいは実際の速度変更シーケンス中でも、ランダムに変更でき、また、吊荷の不要な振れのない新たな所望の最終速度を実現できる。

従来技術では、荷振れを防止する制御は通常２つの加速シーケンスからなり、その時差は吊荷の揺動時間の半分である。別の容易に決定可能な制御は、同じ大きさだが方向が異なる３つの加速シーケンスからなり、第１シーケンスは正、第２シーケンスは負、そして第３シーケンスは正であり、それによりシーケンス間の時間は吊荷の揺動時間の６分の１に及ぶ。フィンランド特許第89155号の方法では、荷振れを防止するこれらの制御シーケンスを互いに異ならせることが可能であり、無制限な制御シーケンス量を限定できる。基本的には、これらのシーケンスで決定された加速を合計すると、振れを防止する制御が実現される。所望の速度変化をもたらすように加速の合計値を選択して、制御を実行すると、荷振れすることなく所望のクレーン最終速度が実現される。

米国特許第5,526,946号には、同様の主題の応用が開示され、速度基準値が変化する度に、その半分を実行し、もう半分はテーブルに記憶して、吊荷の揺動時間の半分だけ遅延させて実行する。これはフィンランド特許第89155号による方法の好適な実施例であり、コンピュータ計算に用いられる。

加速および減速勾配を適用してクレーン吊荷の先端振れを防止する方法では、クレーンの停止距離を予測する際に問題が生じる。クレーンを加速する度にクレーンの停止位置を予測するのは、速度要求が０に設定されている場合、困難である。このため、吊荷が自動的に位置決めされる場合、またクレーンの動作許容範囲のほぼ限界でその操作を行う場合は、操作プログラミングが複雑になる。

また、クレーンの吊荷の揚程が変化すると、吊荷の揺動時間およびクレーンが停止するまでに進む距離も変化する。クレーンが加速され、クレーンの速度制御の大半がテーブルに記憶されて遅延後に実行されると、クレーンの停止距離の予測が困難になる。これは、吊荷の振り子アームが例えば数十メートルもの長さがあり、また狭くて深い空間で吊荷を運搬する場合に、特に問題となる。

発明の概要

本発明は、クレーンが必要とする停止距離を可能な限り正確に算出できる方法を提供することで、上記の欠点を排除することを目的とする。

この目的は、クレーンが停止するまでにそれに固定されている吊荷が振れることなく進む距離を、次のような算出結果を合計して毎回決定することを主な特徴とする本発明の方法によって達成される。その算出結果は以下のとおりである。

ａ）内部目標速度、すなわち記憶された速度変更をすべて実行した後に、これを実行するアルゴリズムの制御が有する速度を基に、選択された減速勾配を使用して算出される停止距離と、
ｂ）停止決定前に示された記憶速度変更を基に、かつ残存動作時間に基づいて算出される距離。

項目ａ）の目標速度を減速する場合、荷の振れを防ぐために生じる、減速勾配とは異なる速度制御部分を基に算出された、実際の減速勾配によって生じる荷振れがこの異なる速度制御によって減衰するときにクレーンによって動く距離を、算出結果に加えることが望ましい。

記憶は望ましくは二要素テーブルにするとよく、一定の揺動時間後に実行する速度変更を第１の要素に記憶し、第１の要素の速度変更を実行する前の時間を第２の要素に記憶する。

減速勾配はどのような所定の勾配でもよく、例えば線形またはＳ字カーブ型勾配でもよい。

本発明は、走行距離とは時間について速度を積分したものであるという事実に基づいている。速度グラフを描く場合、総和速度を算出するために使用する箇所は個々に決定でき、その積分は時間について算出できる。

本発明による方法の重要な利点は、クレーンの動作許容範囲をすべて利用でき、また振れ運動の結果、吊荷がバンカー状空間の壁に衝突する心配をすることなく加減速を所望の方法でいつでも行えることである。これは、本発明によれば、クレーンが必要とする荷振れのない停止距離を毎回非常に高い精度で算出することが可能であるためである。

次に、本発明を添付図面を参照してより詳細に述べる。

発明の詳細な説明

本発明による方法を、図１の簡単なオーバーヘッドクレーン１に関連して説明するが、持ち上げる荷が揺動するものであれば他のどのようなクレーンでも適用できる。

図１におけるオーバーヘッドクレーン１のトロリ２は、橋桁３に沿って移動するよう設置され、橋桁３は、その各端部にトロリ２の動きに対して垂直に設けられた端梁４および５に沿って移動可能である。吊り上げロープ６の端部には、吊り上げ要素７、ここでは吊り上げフックがトロリ２から垂れ下がっている。持ち上げる吊荷８は、吊り上げベルト７ａによって吊り上げフック７に固定されている。それぞれの異なる揚程ｌ_ｉ（ｉ＝１、２、…）は、揚程ｌ_ｉに特有の揺動時間Ｔを有し、それによって吊荷８の揺動時間が以下の式から得られる。

Ｔ＝２π（ｌ_ｉ／ｇ）^１/２
ただし、ｇは重力加速度である。

クレーン１はクレーン制御機構９で種々の制御シーケンス１０によって制御されるが、その簡単な一例が図２に示されている。図２の制御シーケンス１０は、時間ｔの関数として示される速度ベクトルＶ(ｔ)である。制御シーケンス１０は、トロリ２の駆動部１１またはトロリ２を支持する橋桁３の駆動部１２の制御にあてられる。これらの駆動部は典型的には、周波数変換器を有する電動モータ駆動部である。

図３は、クレーンを制御する本発明の基礎となる方法を説明するフローチャートを示している。クレーン１の使用者は、制御機構９から速度要求Ｖ_refを制御シーケンス１０としてクレーン１の駆動部１１、１２に発する。速度要求Ｖ_refは、読み取られると制御機構９に記憶され、その後、各速度要求Ｖ_refは前回の速度要求と比較され、速度要求Ｖ_refが変更されている場合には、該当する速度変更に対する（プラスあるいはマイナスの記号のいずれかを有する）加速シーケンスが形成され、記憶される。その後、速度要求Ｖ_refの変更の有無に関係なく、記憶された加速シーケンスによって一定時間に決定された速度変更を合計し、そこで得られた総和ｄＶを前回の速度要求Ｖ_refに加算して新たな速度要求Ｖ_ref2を得、それをクレーン駆動部の新たな制御および速度要求Ｖ_ref2とする。合計加速シーケンスで決定された速度要求のいくつかを各シーケンスの規定時間で実行し、残りの要求は遅延させて実行する。前述の方法はフィンランド特許第89155号により詳しく説明されており、また、それ自体が公知の速度や加速シーケンスの合計などの詳細については、詳しく述べないが、例として前述の特許を参照する。

クレーン１の停止距離の算出に使用した本発明の方法を説明するにあたり、一例をあげる。ここでは、速度シーケンスＶ(ｔ)をクレーン１の制御の各制御段階（図３における期間）において形成するようにクレーン１の制御を行い、速度シーケンスは一連の速度変更を自律的に実行するものであり、各変更は制御段階に１つずつ行うことができる。使用するシーケンスは２つの加速パルスで形成され、パルス間の時間は吊荷８の揺動時間Ｔの半分である。このようなシーケンスは一般に知られている。シーケンスを形成する時、シーケンスの第１の部分を形成し、第２の部分は実行テーブル（図示せず）に例えば２種類の数字で記憶する。２種のうち１つは遅延させたシーケンスを実行するまでの時間を表し、もう１つは遅延シーケンスの部分の大きさを表す。

変更を実行するまでの時間は数字で表され、例えば吊荷８の全揺動周期を表すＴ_spというように定義される。テーブルの要素を処理する度に、過去の時間を表す数字Ｔ_stepを以下の式によって求める。

Ｔ_step＝Ｔ_step＋Ｄ／Ｔ^*Ｔ_sp
ただし、Ｄは制御段階（サンプル間隔）であり、Ｔは前述の吊荷８の揺動時間である。

新しいシーケンスがテーブルに記憶されると、テーブルの過去の時間Ｔ_stepを表す部分を０に設定する。テーブルを検索する度に、上記の式で算出された、吊荷８の全揺動時間Ｔに関する制御期間Ｄ中に経過した時間を表す数字を、過去の時間Ｔ_stepを示すテーブルの行に追加する。要素の数値が、記憶された速度変更を遅延させる全揺動周期Ｔ_spの部分を表す数字に達したとき、速度制御を実行し、テーブルの要素を０に設定する。

上述のテーブルは記憶された速度変更の大きさと継続時間を含む。継続時間は、実行時間前の残存時間を数字Ｔ_spで割り最新の揺動時間を掛けることで、吊荷８の揚程（すなわち揺動時間Ｔ）毎に較正可能である。クレーン１が停止前に進むであろう距離ｓ₁は、内部目標速度を基に算出できる。線形減速勾配を使用すると、距離は以下の式で得られる。

ｓ₁＝ｖ^＊ｔ_dec／２
ただし、ｖは速度であり、ｔ_decは減速時間である。

テーブルに記憶された速度変更に基づいて距離を算出できる。

ｓ₂＝Σ（実行前の残存時間^＊実行する速度変更）
２パルス制御を用いる場合、揺動減衰による追加距離ｓ₃が以下の式から算出できる。

ｓ₃＝ｖ／２^＊Ｔ／２
この制御は２段階で行われるため、後段は揺動時間Ｔの半分だけ遅延される。

クレーン１が停止するまでに進む総距離ｓは、上記の距離をすべて加算することで得られる。

ｓ＝ｓ₁＋ｓ₂＋ｓ₃
図４ａは駆動部の速度要求の変化を時間関数で示している。サンプル点ｔ_i、ｔ_i＋1...において、前回の測定に対する速度要求変更を測定する。

Δｖ_ref,i＝ｖ_ref,i−ｖ_ref,i‐1（図４ａ）
速度要求が変更されると（図４ｂ）、対応する加速シーケンスＡ_iが形成される。クレーンの速度要求ｖ_ＡＳは、加速シーケンスＡを合計して形成される（図４ｃ）。

目標速度、すなわち記憶された全加速シーケンスＡ_iを実行した時のクレーンの速度は以下のとおりである。

クレーンが時刻ｔ_stopで停止するまでに進む距離は、選択された減速方法を用いてクレーンがその時の目標速度ｖ_targetで停止したとすると、クレーンが移動したであろう距離を算出して決定することができる。本例では、２減速期間法を用いている。

しかし、時刻ｔ_stopでは、記憶された加速シーケンスＡ_iのいくつかが実行されないままである。実行すべきクレーンの減速要求は図４ｅに示されている。

この実行すべき速度グラフは、時刻ｔ_stopでの初期速度がｖ_ＡＳである場合に、選択された方法による減速勾配の加速と、最新の加速シーケンスＡ₁の未実行加速パルスを合計して作成される。

クレーンが停止するまでに進む距離は、時刻ｔ_stopで実行されずに（図４ｃ）選択された加速方法で得られるクレーンの停止距離の一部を形成する加速シーケンスＡ_iの速度制御を、時刻ｔ_stopでの速度ｖ_targetから差し引くことで算出できる。

ここで、加速とは、正負の両方であり、言い換えれば、文字通りの加速であり、また逆の減速効果でもあることを理解されたい。

上記の方法はクレーンが停止するまでに進む距離を明確に述べているが、その結果は実施に際しては多くの場合修正を要する。それはクレーンの走行モータの速度が理想速度制御と全く一致せず、通常位置決めの実行の基準となるクレーン位置の算出のみならず種々の演算に遅れが生ずるためである。また、吊荷は減速中に揚げ降ろしできる。実際の用途では、これらの要因は、クレーン速度、吊荷速度および揺動時間を基にして計算された様々な補正値で補償しなければならない。

クレーンを概略的に示す図である。 制御シーケンスの役割を果たす速度シーケンスを示す図である。 クレーン制御のフローチャートを示す図である。 乃至 本発明によるクレーン制御およびクレーンの停止距離の算出を図解したものである。

Claims (3)

1. クレーンの制御機構からクレーン駆動部へ速度要求を制御シーケンスとして発し、制御機構の速度要求を読み取って記憶し、
   各速度要求を前回の速度要求と比較して、該速度要求が変更されている場合には該当する速度変更に対する加速シーケンスを形成、記憶し、その後、前記速度要求の変更の有無にかかわらず、
   前記記憶された加速シーケンスによって一定の時間で決定された速度変更を合計して、得られた総和を前記前回の速度要求に加算して新たな速度要求を得て、それを前記クレーン駆動部の新たな制御および速度要求とし、
   合計した加速シーケンスによって決定された速度要求のいくつかを各加速シーケンスの規定時間で実行し、残りの要求を遅延させるクレーンの制御方法において、
   前記クレーンが停止するまでにこれに固定されている吊荷が振れることなく進む距離を、以下の算出結果、すなわち
   ａ）前記記憶された速度変更をすべて実行した後に、これを実行するアルゴリズムの制御が終わる際の速度を基に、選択された減速勾配を使用して算出される停止距離と、
   ｂ）停止決定前に示された記憶された速度変更を基に、かつ残存動作時間に基づいて算出される第２の距離
   とを合計して決定することを特徴とするクレーンの制御方法。
2. 請求項１に記載の方法において、該方法は、項目ａ）の目標速度を減速する場合、前記吊荷の振れの防止に起因する第３の距離であって、前記減速勾配とは異なる速度制御部分に基づいて算出され、かつ、実際の減速勾配に起因する荷振れをこの異なる速度制御によって減衰させる際に前記クレーンが走行する距離を、前記算出結果に加算することを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、二要素テーブルに記憶し、一定の揺動時間後に実行される速度変更を第１の要素に、また、第１の要素の速度変更を実行するまでの時間を第２の要素に記憶することを特徴とする方法。

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