JP5449689B2

JP5449689B2 - クレーンの振れ角制御装置

Info

Publication number: JP5449689B2
Application number: JP2008081421A
Authority: JP
Inventors: 潔大石; 貴之金子
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Nagaoka University of Technology
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Nagaoka University of Technology
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: JP2009234699A

Description

本発明は、港湾、製鉄所、各種工場などで使用される、トロリを横行させて荷役作業を行う懸垂式クレーンの振れ角制御装置に関するものである。

一般に、クレーンによる荷役作業では、短時間内に目標位置へ正確に到達させると共に、目標位置へ到達した際の吊り荷の振れ角を零にすることができれば理想的なクレーンの運転となり、特に港湾クレーンなどではターゲットである吊り荷を把持するスプレッダに、赤外ＬＥＤ（Light Emitting Diode）によるビーコンを取り付け、トロリ側にはＣＣＤ（Charge Coupled Devices）カメラを取り付けてビーコンの重心位置のずれを算出する事により振れ角を検出し、これを駆動系にフィードバックする方式が一般的である。この場合、振れ角を検出するために、スプレッダにマーカを設置し、トロリに設置した撮像装置から取得した画像を処理し、マーカの位置を検出する事により、振れ角を求めることができるが、画像処理装置を使用するので、天候などの撮像に対する外乱によっては、正しく角度を検出出来ない場合がある。また、振れ角の分解能を高くするためには画像処理装置における処理時間が多く掛かる。このため、振れ角の検出が遅れ、振れ止め制御の安定性と精度を損ねる原因のひとつとなっている。

この問題に対して、例えば、特許文献１に記載の従来のクレーンの振れ止め制御装置では、図６に示すように、トロリおよびこのトロリを横行駆動するモータ速度指令値と、クレーン実機に生じているクレーンの状態量とから、オブザーバまたはカルマンフィルタにより模擬演算する振れ角推定器を設けることにより、振れ角推定器により推定された模擬振れ角に基づいて振れ止め制御を実現している。このように、特許文献１に記載の振れ止め制御装置は、演算による模擬振れ角を振れ止め制御に用いるので、実際の振れ角を検出するセンサが不要になるといった利点がある。
特開２００１−４８４６７号公報

しかしながら、上記従来技術のような模擬振れ角に基づいて振れ止め制御を行う方式では、クレーンの物理モデル化誤差が大きい場合や、実際のクレーンシステムに突発的な外乱などが加わる場合には、模擬振れ角と実際の振れ角とに過大な差が発生し、著しく制御性能が損なわれるという問題がある。
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、クレーンの物理モデル化誤差や外乱などの影響を受けにくい高性能な振れ角制御を行うことが可能な振れ角制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１発明に係るクレーンの振れ角制御装置は、クレーンのトロリから垂らしたロープで懸垂された吊り荷の振れ角を負帰還することにより、振れ角を零に収束させる振れ止め制御を行う振れ止め制御手段を備えたクレーンの振れ角制御装置において、吊り荷の振れ角を含むクレーンの状態を、オブザーバによる推定演算を用いて推定する振れ角推定手段と、吊り荷の実際の振れ角を検出する振れ角検出手段と、前記トロリを駆動する電動機の電動機速度を制御するためにトルク指令を出力する速度制御器と、前記トルク指令に基づき電動機を駆動する電動機駆動装置と、を備え、前記振れ角推定手段は、前記振れ角検出手段により検出された振れ角に基づいて前記オブザーバによる推定演算を補正したうえで、前記振れ角の推定を行い、前記振れ止め制御手段は、前記トロリへの速度指令および前記振れ角推定手段により推定された前記吊り荷の推定振れ角に基づいて、吊り荷の振れ角を零に収束させつつ、トロリの速度を速度指令で指令された速度にするように制御し、前記振れ角推定手段は、第１のオブザーバと第２のオブザーバとをさらに備え、前記第２のオブザーバは、前記振れ角検出手段により検出された振れ角に基づいて前記推定演算に用いる状態量を補正し、前記第１のオブザーバは、前記第２のオブザーバにより補正された状態量に基づいて前記推定演算を行い、前記振れ角検出手段で検出した検出振れ角が正常と判断され得る所定の範囲内にない場合、前記第２のオブザーバが前記推定演算に用いる状態量の補正を行わずに、前記第１のオブザーバが、前記第２のオブザーバにより補正された状態量に基づいて前記推定演算を行うことなく、前記電動機速度と前記トルク指令とに基づいて前記推定演算を行うことにより、検出異常時にも堅牢に推定振れ角を得ることを特徴とする。
この構成によれば、振れ角制御装置の振れ角推定手段は、振れ角検出手段により検出された吊り荷の実際の振れ角を用いてオブザーバによる推定演算を補正することができるため、クレーンの物理モデル化誤差や外乱などの影響を受けにくい高性能な振れ角制御を行うことが可能となる。さらに、この構成によれば、第１のオブザーバおよび第２のオブザーバは、振れ角検出手段により検出された振れ角に基づいて、推定演算に用いる状態量を補正することができるため、クレーンの物理モデル化誤差や外乱などの影響を受けにくい高性能な振れ角制御を行うことが可能となる。さらに、この構成によれば、振れ角の検出異常時にも堅牢な振れ止め制御を実現することができる。

第２発明に係るクレーンの振れ角制御装置は、第１発明に係るクレーンの振れ角制御装置において、前記第２のオブザーバは、前記振れ角検出手段による検出遅れがある場合に、該検出遅れを補償するように前記状態量を補正することを特徴とする。
この構成によれば、振れ角検出手段による検出遅れがあっても、該検出遅れを補償するように状態量を補正することができるため、検出遅れの影響を受けにくい高性能な振れ角制御を行うことが可能となる。

本発明によれば、振れ角制御装置は、検出された吊り荷の実際の振れ角を用いてオブザーバによる推定演算を補正することができるため、クレーンの物理モデル化誤差や外乱などの影響を受けにくい高性能な振れ角制御を行うことが可能となる。

以下に、本発明に係る振れ角推定方法をコンテナクレーンに適用した場合の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、コンテナクレーンの全体概略構成を示す図である。図１に示されるコンテナクレーン１０は、岸壁に停泊しているコンテナ船１１から荷役１２の陸揚げを行う場合に用いられるものである。コンテナクレーン１０は、岸壁１３とコンテナ船１１との間にガータ９が架設されており、このガータ９に沿ってトロリ１４が支持される。トロリ１４は、電気室１７内に設置された図示せぬモータ駆動装置によって駆動され、ガータ９上を横行する。このトロリ１４にはロープ１５を介してスプレッダ１６が吊り下げられており、スプレッダ１６は荷役１２を掴持することができるようになっており、掴持している場合のクレーン吊り荷はスプレッダ１６および荷役１２となり、掴持していない場合はスプレッダ１６のみとなる。

コンテナクレーン１０においては、岸壁１３に位置していたトロリ１４がガータ９に沿って移動し、コンテナ船１１の上方にて停止する。ここで、ロープ１５を繰り出しスプレッダ１６を下降させ、このスプレッダ１６により所定の荷役１２を掴持し、ロープ１５を巻き上げてスプレッダ１６を上昇させる。そして、荷役１２を掴持したたまま、トロリ１４はガータに沿って左方向に移動して、岸壁１３に待機しているトラック１８に荷役１２を降ろす。この繰り返しによってコンテナ船１１の荷役１２を陸揚げすることになる。

コンテナクレーン１０のトロリ１４に取り付けられた図示せぬ制御装置は、トロリ１４を動作するモータ（電動機）の速度または位置を制御するようになっている。また、振れ角検出器から得られた吊り荷の振れ角から、所望の応答となる様にトロリ１４を制御する様にもなっている。
なお、本実施形態における振れ角検出器は、例えば、トロリ１４に取り付けられ、スプレッダ１６および荷役１２の振動の様子を撮像する撮像装置などである。この撮像装置としては、例えば、ＣＣＤカメラなどが挙げられる。

次に、本実施形態における制御装置の概略についてブロック図を用いて説明する。図２は本実施形態に係る制御装置のブロック図である。図２に示される振れ止め制御器１９は、トロリ１４ヘの速度指令ω_rおよび吊り荷の推定振れ角

をもとに、吊り荷の振れ角を零に収束させつつ、トロリ１４の速度を速度指令ω_rで指令された速度にするように制御するものである。速度制御器２０はトロリ１４を駆動する電動機の電動機速度ω_tを制御するためにトルク指令τ_rを出力するものである。電動機駆動装置２１はトルク指令τ_rに基づき電動機を駆動するものである。トルク指令τ_rおよびクレーン実機２２における電動機速度ω_tは、振れ角推定器２３に入力され、振れ角推定器２３から推定振れ角

が出力される。また、検出振れ角θ_tは、振れ角検出器２２にて検出され、振れ角推定器２３の演算を補正するために使用されるものである。
なお、全ての演算は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やマイクロコンピュータなどの計算機にてデジタル制御されるものとする。

図３には、図２における振れ角推定器２３の構成を示す。図３に示すように、振れ角推定器２３は、第１オブザーバ２４および第２オブザーバ２５で構成されている。第１オブザーバ２４は、トルク指令τ_rおよび電動機速度ω_tから推定振れ角

をオブザーバ演算により推定する。
第２オブザーバ２５は、トルク指令τ_r、電動機速度ω_tおよび検出振れ角θ_tから、オブザーバ演算を用いて、オブザーバ状態量

を出力する。第１オブザーバ２４によるオブザーバ演算は、オブザーバ状態量

を用いて、オブザーバ演算を修正するものである。
ここで、オブザーバの原理に関して説明する。図１におけるコンテナクレーン１０の運動を簡単化したモデルを図４に示す。ここで、Ｍはトロリ１４の質量、ｍは荷役１２およびスプレッダ１６を合算した吊り荷の質量、Ｌはロープ長、θは振れ角、ｘはトロリ１４の基準位置からの移動量である。

はトロリ１４の速度であり、電動機速度ω_tからトロリ１４の機構を介して変換される値となる。Ｆ_tはトロリ１４が発生する力であり、トルク指令τ_rからトロリ１４の機構を介して変換される値となる。図４より、コンテナクレーン１０の連続時間の状態方程式を表すと、以下の式となる。ここで、ｕ（ｔ）は入力、ｚ（ｔ）は状態量、ｙは出力、Ｆ、Ｇ、Ｈは、状態方程式における係数行列である。

Ｈ＝［１００］（６）

この連続時間の状態方程式を、サンプリング周期Ｔ_Sで離散化すると、離散時間の状態方程式は以下の数式となる。Ａ、Ｂ、Ｃは、離散時間の状態方程式における係数行列となる。
ｚ（ｋ＋１）＝Ａｚ（ｋ）＋Ｂｕ（ｋ）（７）
ｙ＝Ｃｚ（ｋ）（８）

Ｃ＝［１００］（１１）
なお、ωは固有角周波数となり、次式で表される。

ここで、一般的に知られているゴピナスの方法などを用いて、振れ角θと振れ角速度

の推定値である推定振れ角

および推定振れ角速度

を出力する、離散型のオブザーバを構成すれば、オブザーバ演算は次式の離散型の状態方程式とすることができる。ここで、

はオブザーバ状態量、

はオブザーバ演算における係数行列である。

なお、各数式において、ｌ₁、ｌ₂はオブザーバの収束性を決定する係数である。
上記のオブザーバ演算により、トロリ１４が発生する力Ｆ_t（トルク指令τ_r）と、トロリ１４の速度

（電動機速度ω_t）から推定振れ角

が推定可能となり、実際の振れ角を用いなくても振れ止め制御が可能となる。
しかしながら、オブザーバ演算に用いる物理定数（Ｍ、ｍ、Ｌ）や、外乱の影響によって、推定振れ角

に誤差が生じる。そこで、本発明では振れ角検出器２２にて検出した検出振れ角θ_tを用いて、オブザーバの状態量を補正する。ただし、振れ角検出器２２は先に説明したように、ＣＣＤカメラなどの撮像装置を用いて振れ角を計測するために、検出までに時間遅れＴ_Dが存在するものとする。

オブザーバの状態量の補正アルゴリズムについて説明する。第２オブザーバ２５のサンプリング周期Ｔ_Sは、振れ角検出器２２の時間遅れＴ_Dに相当するものとすれば、１サンプル前のオブザーバ演算の推定振れ角

を、振れ角検出器２２にて検出した検出振れ角θ_tと比較することが可能となる。従って、数式（１４）を逆演算することにより、１サンプル前のオブザーバ状態量の一部

を修正することが可能となる。

次に、修正した１サンプル前のオブザーバ状態量

を用いて、現在のオブザーバ演算を行う。

この様に、第２オブザーバ２５では振れ角検出器２２の時間遅れを考慮しつつ、前述したモデル化誤差や外乱に堅牢で精度が高いオブザーバの状態量が計算可能となる。
次に、第１オブザーバ２４の動作について説明する。図５は、第１オブザーバ２４のオブザーバ演算の動作タイミングと実行内容について示す図である。第１オブザーバ２４のサンプリング周期Ｔ_Sは、振れ止め制御器１９がデジタル制御される場合のサンプリング周期と同じ周期とし、第２オブザ一バ２５のサンプリング周期よりも短い周期で実行されタイミングが同期するものとする。第１オブザーバ２４は、通常は前述したトルク指令τ_rと電動機速度ω_tから推定振れ角

を推定する演算を実行しており、第２オブザーバ２５にて、オブザーバの状態量が数式（２１）にて検出振れ角θ_tを用いて修正されたタイミングで、修正された状態量

を用いて第１オブザーバ２４のオブザーバ演算を実行することにより、モデル化誤差や外乱に堅牢かつ、振れ止め制御器１９のサンプリング周期に同期した推定振れ角

を得る事が可能となる。
なお、振れ角検出器２２で検出した検出振れ角θ_tが異常な値と判断できる場合は、第１オブザーバ２４および第２オブザーバ２５を、通常のオブザーバ演算とする。つまり、振れ角検出器２２で検出した検出振れ角θ_tが正常と判断され得る所定の範囲内にない場合、第１オブザーバ２４が通常通り電動機速度ω_tとトルク指令τ_rとに基づいて推定を行う。これにより、検出異常時にも堅牢に推定振れ角

を得る事が可能となる。
以上説明したように、振れ角検出器２２から得られた振れ角θ_tを用いて、振れ角推定器２３での演算を補正することによって、クレーンの物理モデル化誤差や、外乱などの影響に堅牢な振れ止め制御が実現できる。さらに、振れ角検出器２２の検出遅れを考慮して、振れ角推定器２３での演算を補正すれば、さらに高精度な振れ止め制御を実現することができる。さらに、検出振れ角θ_tが異常な値と判断できる場合は、第１オブザーバ２４および第２オブザーバ２５が通常のオブザーバ演算を行うことで、検出異常時にも堅牢な振れ止め制御を実現することができる。このように、振れ角検出器２２の検出遅れやエラーを考慮しつつ、クレーンの物理モデル化誤差や外乱にロバストな振れ止め制御が可能となる。

本発明に係る振れ角制御装置は、コンテナクレーンに限らず、天井クレーンなど、荷をロープで吊り下げて移動するクレーンの振れ止めに適している。

本発明の実施形態に係るコンテナクレーンの全体概略構成を示す図である。同実施形態に係る制御装置のブロック図である。同実施形態に係る振れ角推定器の構成を示す図である。同実施形態に係るコンテナクレーンの運動を簡単化したモデル図である。同実施形態に係る第１オブザーバのオブザーバ演算の動作タイミングと実行内容について示す図である。従来のクレーンの振れ止め制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

９ガータ
１０コンテナクレーン
１１コンテナ船
１２荷役
１３岸壁
１４トロリ
１５ロープ
１６スプレッダ
１７電気室
１８トラック
１９振れ止め制御器
２０速度制御器
２１電動機駆動装置
２２クレーン実機
２２振れ角検出器
２３振れ角推定器
２４第１オブザーバ
２５第２オブザ一バ

Claims

クレーンのトロリから垂らしたロープで懸垂された吊り荷の振れ角を負帰還することにより、振れ角を零に収束させる振れ止め制御を行う振れ止め制御手段を備えたクレーンの振れ角制御装置において、
吊り荷の振れ角を含むクレーンの状態を、オブザーバによる推定演算を用いて推定する振れ角推定手段と、
吊り荷の実際の振れ角を検出する振れ角検出手段と、
前記トロリを駆動する電動機の電動機速度を制御するためにトルク指令を出力する速度制御器と、
前記トルク指令に基づき電動機を駆動する電動機駆動装置と、を備え、
前記振れ角推定手段は、前記振れ角検出手段により検出された振れ角に基づいて前記オブザーバによる推定演算を補正したうえで、前記振れ角の推定を行い、
前記振れ止め制御手段は、前記トロリへの速度指令および前記振れ角推定手段により推定された前記吊り荷の推定振れ角に基づいて、吊り荷の振れ角を零に収束させつつ、トロリの速度を速度指令で指令された速度にするように制御し、
前記振れ角推定手段は、第１のオブザーバと第２のオブザーバとをさらに備え、
前記第２のオブザーバは、前記振れ角検出手段により検出された振れ角に基づいて前記推定演算に用いる状態量を補正し、
前記第１のオブザーバは、前記第２のオブザーバにより補正された状態量に基づいて前記推定演算を行い、
前記振れ角検出手段で検出した検出振れ角が正常と判断され得る所定の範囲内にない場合、前記第２のオブザーバが前記推定演算に用いる状態量の補正を行わずに、前記第１のオブザーバが、前記第２のオブザーバにより補正された状態量に基づいて前記推定演算を行うことなく、前記電動機速度と前記トルク指令とに基づいて前記推定演算を行うことにより、検出異常時にも堅牢に推定振れ角を得ることを特徴とするクレーンの振れ角制御装置。
前記第２のオブザーバは、前記振れ角検出手段による検出遅れがある場合に、該検出遅れを補償するように前記状態量を補正することを特徴とする請求項１に記載のクレーンの振れ角制御装置。