JP5751662B2

JP5751662B2 - ジブクレーンの制御方法および装置

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Publication number: JP5751662B2
Application number: JP2010545775A
Authority: JP
Inventors: 秀和西村; 貴章西川; 進下田
Original assignee: Keio University; IHI Transport Machinery Co Ltd
Current assignee: Keio University; IHI Transport Machinery Co Ltd
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2010-01-07
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2030-01-07
Also published as: SG172403A1; WO2010079801A1; JPWO2010079801A1; BRPI1006126A2

Description

この発明はジブクレーンの制御方法および装置に関し、吊り荷の制振およびマストの制振を図りながらオペレータの操作指令に対する実動作の遅れを無くすことができるようにしたものである。

従来から、ジブクレーンでは、ジブの作動による吊り荷の荷揺れの低減を主目的にした制御が多く提案されており、フィードバック制御によるものや運転パターンに基づく制御方法が提案されてきた。例えば、ロープの吊り長さと、ジブの現在位置から目標位置上までの旋回角度と、吊り荷の振れ角と、振れ速度を検出して、旋回角度と、吊り荷の振れ角と、振れ速度が夫々許容誤差範囲内になるようにジブの旋回角速度を制御して吊り荷を目標位置に静止させるものがある（例えば、特許文献１参照）。又、始点時と終点時におけるロープ長に最適な２段階加速タイミングの運転パターンによって吊り荷の振れ止めを行うものがある（例えば、特許文献２参照）。

しかし、ビル、ダム等の建設で使用されるジブクレーン、特にタワークレーンは、クレーンの土台となるマスト（タワー部）を剛体とすることは難しく柔軟構造物として考えられる。そのため、クレーンの運動がマストの振動を励起し、荷振れに加えてその残留振動が操縦者に違和感（船酔い状態）を与えて作業効率を悪化させるという問題がある。更にタワークレーンは吊り荷ロープ長変動の幅が大きく、それを一定とした制御では制振性能の劣化は免れない。又、強風や地震時の揺れを低減することも必要である。そのため、振り子やジンバル（或いはジャイロ）を用いた制振装置を設置することも提案されている。例えば、クレーン本体におもりを有する制振装置を備えたものがある（例えば、特許文献３、４参照）。又、ジンバルの回転角度を検出すると共に、タワークレーンの振動を検出し、これらの検出信号を演算してジンバルを駆動することによりタワークレーンの揺れを抑えるものがある（例えば、特許文献５参照）。

さらに、フィードバック制御とフィードフォワード制御を組み合わせた２自由度制御系を構成することにより、オペレータの任意指令に対応してジブクレーンの既存のモータを作動させるのみで、荷揺れを防止した状態での吊り荷の位置制御と、クレーン作業によるクレーン本体の揺れ及び風、地震等の外乱に対する制振とを同時に達成できるジブクレーンの制御方法及び装置も提供されている（例えば、特許文献6参照）。

特開平０９−３１５７６５号公報特開平０５−８５６９８号公報特開平０３−２００６９３号公報特開平０３−２００６９４号公報特開平０７−２３３８５４号公報特開２００５―６７７４７号公報

従来のジブクレーンの制御は、特許文献１、２に示すように吊り荷を制御するか、或いは特許文献３、４に示すようにマストの揺れを制御するかのいずかに限定されていた。しかし、このように、吊り荷或いはマストの一方の制御を行ったのみでは、吊り荷又はマストの揺れが残ってしまい、オペレータに違和感を与えてしまう。

従って、荷揺れとマストの揺れを同時に制御するためには、例えば特許文献５の如く荷揺れの制御機能と共にマストの揺れ制御のためのジンバル等の制振装置を設置することが必要になる。しかし、このような制振装置を既存機に設置する場合は工事が大掛かりになる問題がある。

一方、吊り荷とマストを同時に制御することができる方法として、例えば特許文献６が提案されているが、吊り荷の位置決め制御よりも、吊り荷の制振およびマストの制振を優先的に行う制御手法が採られている。このため、オペレータの操作指令に対応した迅速な吊り荷の位置決め動作が得られず、結果としてオペレータの操作指令に対して実動作に遅れが生じ、オペレータの操作感覚に不快感を与えるという問題がある。

この発明は、上記従来技術の課題を解決するためなされたもので、吊り荷の制振およびマストの制振を図りながらオペレータの操作指令に対する実動作の遅れを無くすことができるジブクレーンの制御方法および装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決するこの発明の請求項１に記載のジブクレーンの制御方法は、ジブクレーンの吊り荷のロープ長変動を考慮した低次元モデルの線形分数変換（ＬＦＴ）表現を求め、該線形分数変換（ＬＦＴ）表現を用いたゲインスケジュールド制御方式によるフィードバック制御を行うジブクレーンの制御方法において、
当該フィードバック制御指令と操作レバーからの操作指令とを線形結合させ、これらフィードバック制御指令と操作指令との割合を前記操作レバーからの操作指令が入力される操作領域と、操作指令が入力されない操作領域外とで変化させて、前記操作領域では、吊り荷の振れが大きくなっても前記操作レバーからの操作指令の割合を、前記フィードバック制御指令の割合に比べて高めて制御を行い、前記操作領域外では、前記フィードバック制御指令による振れ止め制御のみによって吊り荷のロープ長が変動しても吊り荷の揺れを抑制し吊り荷を目標位置に移動させることを特徴とするものである。

さらに、この発明の請求項２に記載のジブクレーンの制御装置は、旋回駆動手段と起伏駆動手段とを備えてジブの旋回と起伏とを行うジブクレーンの制御装置であって、
ジブの旋回角、ジブの起伏角、吊り荷角、クレーン本体の変位を少なくとも検出し得るジブ等検出手段と、ジブの旋回、起伏、吊り荷の巻き上げ巻き下げを行う操作レバーと、この操作レバーによる旋回、起伏、吊り荷の巻き上げ巻き下げの各操作を検出し得るレバー検出手段と、予め入力した吊り荷のロープ長変動を考慮した低次元モデルの線形分数変換（ＬＦＴ）表現を用いてゲインスケジュールド制御を行うフィードバック制御系と、当該フィードバック制御系からのフィードバック指令と前記操作レバーのレバー検出手段からの操作指令とを線形結合させるとともに、これらフィードバック制御指令と操作指令との割合を前記操作レバーからの操作指令が入力される操作領域と、操作指令が入力されない操作領域外とで変化させて、前記操作領域では、吊り荷の振れが大きくなっても前記操作レバーからの操作指令の割合を、前記フィードバック制御指令の割合に比べて高めて制御を行い、前記操作領域外では、前記フィードバック制御指令による振れ止め制御のみを行う線形結合制御部とを備える制御器と、からなり、
吊り荷のロープ長が変動しても吊り荷の揺れを抑制し吊り荷を目標位置に移動させるようにしたことを特徴とするものである。

この発明の請求項１に記載のジブクレーンの制御方法によれば、ジブクレーンの吊り荷のロープ長変動を考慮した低次元モデルの線形分数変換（ＬＦＴ）表現を求め、該線形分数変換（ＬＦＴ）表現を用いたゲインスケジュールド制御方式によるフィードバック制御を行うジブクレーンの制御方法で、当該フィードバック制御指令と操作レバーからの操作指令とを線形結合させ、これらフィードバック制御指令と操作指令との割合を前記操作レバーからの操作指令が入力される操作領域と、操作指令が入力されない操作領域外とで変化させて、前記操作領域では、吊り荷の振れが大きくなっても前記操作レバーからの操作指令の割合を、前記フィードバック制御指令の割合に比べて高めて制御を行い、前記操作領域外では、前記フィードバック制御指令による振れ止め制御のみによって吊り荷のロープ長が変動しても吊り荷の揺れを抑制し吊り荷を目標位置に移動させるようにしたので、吊り荷のロープ長を考慮して、ジブの旋回と起伏を行う既存のモータを制御して吊り荷の揺れの制振制御およびマストの振動の抑制制御を行うフィードバック制御で、フィードバック制御指令とオペレータの操作指令とを線形結合した指令を割合を変えて制御系の指令とすることで、オペレータの操作指令に追従させた制御を行うことができ、ジブクレーンの制振を行いながら操作感覚に優れた吊り荷の位置決めをすることができる。また、オペレータに違和感を与えることがなく、ジブクレーンの振動が抑制されることにより、オペレータの熟練度によらず荷の搬送を速やかに行うことができ、作業効率を向上することができる。さらに、強風や地震等の外乱に対しても制振することができるとともに、新たに制振装置を設置する必要がなく既存のジブクレーンへの適用が容易となる。
また、フィードバック制御指令と操作指令の割合を操作レバーからの操作指令が入力される操作領域と、操作指令が入力されない操作領域外とで変化させて、前記操作領域では、吊り荷の振れが大きくなっても前記操作レバーからの操作指令の割合を、前記フィードバック制御指令の割合に比べて高めて制御を行い、前記操作領域外では、前記フィードバック制御指令による振れ止め制御のみによって吊り荷のロープ長が変動しても吊り荷の揺れを抑制し吊り荷を目標位置に移動させるようにしたので、一層オペレータの操作感覚に沿った操作が可能となる。

さらに、この発明の請求項２に記載のジブクレーンの制御装置によれば、旋回駆動手段と起伏駆動手段とを備えてジブの旋回と起伏とを行うジブクレーンの制御装置であって、ジブの旋回角、ジブの起伏角、吊り荷角、クレーン本体の変位を少なくとも検出し得るジブ等検出手段と、ジブの旋回、起伏、吊り荷の巻き上げ巻き下げを行う操作レバーと、この操作レバーによる旋回、起伏、吊り荷の巻き上げ巻き下げの各操作を検出し得るレバー検出手段と、予め入力した吊り荷のロープ長変動を考慮した低次元モデルの線形分数変換（ＬＦＴ）表現を用いてゲインスケジュールド制御を行うフィードバック制御系と、当該フィードバック制御系からのフィードバック指令と前記操作レバーのレバー検出手段からの操作指令とを線形結合させるとともに、これらフィードバック制御指令と操作指令との割合を前記操作レバーからの操作指令が入力される操作領域と、操作指令が入力されない操作領域外とで変化させて、前記操作領域では、吊り荷の振れが大きくなっても前記操作レバーからの操作指令の割合を、前記フィードバック制御指令の割合に比べて高めて制御を行い、前記操作領域外では、前記フィードバック制御指令による振れ止め制御のみを行う線形結合制御部とを備える制御器と、からなり、吊り荷のロープ長が変動しても吊り荷の揺れを抑制し吊り荷を目標位置に移動させるようにしたので、吊り荷のロープ長を考慮して、ジブの旋回と起伏を行う既存のモータを制御して吊り荷の揺れの制振制御およびマストの振動の抑制制御を行うフィードバック制御系で、フィードバック制御指令とオペレータによる操作レバーからの操作指令とを線形結合制御部で線形結合した指令を、割合を変えて制御器の指令とすることで、オペレータの操作レバーによる操作指令に追従させた制御を行うことができ、ジブクレーンの制振を行いながら操作感覚に優れた吊り荷の位置決めをすることができる。また、オペレータに違和感を与えることがなく、ジブクレーンの振動が抑制されることにより、オペレータの熟練度によらず荷の搬送を速やかに行うことができ、作業効率を向上することができる。さらに、強風や地震等の外乱に対しても制振することができるとともに、新たに制振装置を設置する必要がなく既存のジブクレーンへの適用が容易となる。
また、制御器は、フィードバック制御指令と操作指令の割合を操作レバーからの操作指令が入力される操作領域と、操作指令が入力されない操作領域外とで変化させて、前記操作領域では、吊り荷の振れが大きくなっても前記操作レバーからの操作指令の割合を、前記フィードバック制御指令の割合に比べて高めて制御を行い、前記操作領域外では、前記フィードバック制御指令による振れ止め制御のみを行うようにしたので、一層オペレータの操作感覚に沿った操作が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、この発明のジブクレーンの制御方法および装置の一実施の形態にかかる制御系のブロック線図である。

このジブクレーンの制御系は、吊り荷ロープ長変動を考慮したゲインスケジュールド制御方式でのフィードバック制御系で構成され、このフィードバック制御系により外乱に対しても制振効果を有するものとし、さらにフィードバック制御指令とオペレータの操作レバーによる操作指令とを線形結合させ、線形結合演算部で、これら２つの指令の割合（フィードバック制御指令の割合とオペレータの操作指令の割合）を操作レバーの操作状況に応じて変化させるように構成することで、オペレータの操作指令に追従させた制御を行って実動作に遅れのない操作感覚に優れた位置決めができるようにしている。

ここでは、フィードバック制御系を起伏・旋回方向に対してゲインスケジュールド分散制御系として実装する必要があるため、各方向について夫々Ｐａｃｋａｒｄらによって定式化された線形分数変換（ＬＦＴ）表現を用いたスケジューリング手法（以下ＬＦＴ法と略す）により設計を行うことで簡便な制御系としてある（特許文献６参照）。

このようなジブクレーンの制御は、モデリングと、制御系設計・オペレータによる実際移動に基づく検証とによって達成される（特許文献６参照）。

ロープ長変動を考慮したＬＦＴ表現に基づくモデリングの概要は、次のようにして行われる。

吊り荷ロープ長の変動に応じて制御対象の特性が変動するが、この特性変動を線形分数変換を用いたモデルで表現する。このモデル化は、ジブの起伏・旋回運動の夫々又は両方向同時で吊り荷ロープ長の変動を考慮してモデル化を行い、タワークレーンをＬＦＴ表現でモデル化することで、制御系の離散化はオフラインで行うのみで済むことになり、パラメータ変動系へのモデル化の場合のような制御系をオンラインで離散化する必要をなくしている。

フィードバック制御（ゲインスケジュールド制御）系設計の概要は、次のように行われる。

ロープ長変動に応じて制御器を変化させるゲインスケジュールド制御系によって、風や地震等の外乱、或いはオペレータの不意な操作による外乱に対して、吊り荷がどのようなロープ長であっても、外乱抑制効果の高いフィードバック制御が得られるようにしている。

次に、上記モデリング・制御系設計の方法手順について詳細に説明する。

モデリング
（１・１）３次元モデルの導出Ｑ
タワークレーンの３次元モデルを図２に示す。図中、１はマスト、２はジブ、３は吊り荷、４はロープである。主な記号の定義を以下に示す。

ｘ_ｉ：マスト各部のｘ方向絶対変位、ｙ_ｉ：マスト各部のｙ方向絶対変位、ν：ジブの起伏角度、θ：吊り荷の起伏方向振り上がり角度、ζ：旋回角度、ψ：吊り荷の旋回方向振り上がり角度、Ｌ：ジブ長、ｌ：吊り荷ロープ長、Ｌ_ｔ：マスト長、Ｗ_ｂ：ジブ質量、Ｗ_ｏ：吊り荷質量、Ｍ_ｄ：起伏・旋回モータ、ガントリを含む旋回架構の質量、ｋ_ｔ：低次元化モデルの等価的ばね定数、ｃ_ｔ：低次元化モデルの等価的減衰係数、ｘ_ｒ：マスト最上部の起伏方向の変位、ｙ_ｒ：マスト最上部の起伏方向と直角方向の変位、ν_ｎ：ｘ_ｒ軸から反時計方向を正とするジブの起伏角度、ｕ_ｓ：旋回方向入力トルク、ｕ：起伏方向入力トルク、ｇ：重力加速度である。

ｘ−ｙ−ｚ座標の原点はマスト最上部にとり、以下のように仮定をする。

ａ）ロープ質量は考慮しない。

ｂ）マストのねじり振動は微少なものと考え無視する。

ｃ）マストをｘ−ｙ面内並進方向のみの４質点系のモデルとする。

ｄ）ジブは剛体とする。

ｅ）ジブ支持ロープの動特性を考慮せず、入力トルクが直接ジブ先端に掛かるとする。

そして、ジブの持つ運動エネルギＴ_ｂ、位置エネルギＶ_ｂ、吊り荷の持つ運動エネルギＴ_ｏ、位置エネルギＶ_ｏ、旋回架構の持つ運動エネルギＴ_ｔを求め、旋回架構を含むクレーン部の運動方程式をラグランジュの方程式

より求める。ここで、Ｑ_ｕはジブ支持ロープに関して幾何学的に生じる係数であり、Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙはクレーン部のｙ_ｒ，ｘ_ｒ軸まわりのモーメントＭ_ｘ，Ｍ_ｙを真直はりの変形問題より

のように等価的にマスト最上部に加わる力として与えている外力である。そして、４質点バネ−マス−ダンパ系としたマストの運動方程式と共通する質量、減衰、剛性要素を足し合わせることで結合する。更に、吊り荷ロープ振れ角を微少と考えて

とし、又、

と変形し、状態方程式を求めると、

ただし、

となる。観測量ｙ_ｔｄは以下の出力方程式で表される。

（１・２）制御系設計モデルの導出
起伏方向と旋回方向の分散制御を行うため、以下のように起伏・旋回各方向に対する制御器設計用の低次元化モデルを導出する。図２（ａ）は起伏方向低次元化モデル、図２（ｂ）は旋回方向用低次元化モデルで、次のような仮定に基づいてモデリングされる。

ａ）タワー部を等価的な１質点系とし、各方向のみを考慮する。

ｂ）吊り荷の振れは各方向のみを考慮する。

そして運動方程式をラグランジュの方程式（２）より求める。起伏方向低次元化モデルに関しては、ジブ起伏角度が目標角度

外１

のときに、ジブ及び吊り荷に作用する重力と釣り合う入力を

外２

、制御時のジブ起伏角度νと

外３

との偏差を微少な角度δ_ν、それを補償する制御入力をδ_ｕとして、線形化を行う。その結果、状態方程式、観測量及び出力方程式は、

ただし、

となる。旋回方向の低次元化モデルについては、式（３）と同様の線形化を行うと、

ただし、

となる。ここで、ｘ_ｒ，ｙ_ｒはマスト最上部の変位ｘ_１，ｙ_１の旋回角度ζに関する相対座標で、

より求められる。

（１・３）吊り荷ロープ長変動に対するＬＦＴ表現の導出
ＬＦＴ法によるゲインスケジュールド制御系設計を行うため、吊り荷ロープ長を摂動とする低次元化モデルのＬＦＴ表現を求める。モデル摂動をディスクリプタ形式として取り出したのちＬＦＴ表現に変換する方法があるが、起伏方向モデル式（７）にそのような変換を施すと、摂動するパラメータ数が２となってしまうことおよびゲインスケジュールド制御系設計のためには、パラメータ数は少ない方が解が得られやすいことから、ここでは、まずＬＰＶモデルの導出を示し、それを用いてＬＦＴ表現への変換を行う。尚、以下ではＮとＭの上側ＬＦＴを

外４

で表す。

式（７）の行列Ａ_ｒ，Ｂ_ｒは、夫々、

外５

の関数となるが、

外６

は、あるジブの角度ν_０に固定し

外７

は夫々０とし、吊り荷ロープ長ｌのみの変動を考慮すると、吊り荷ロープ長ｌの変動により行列Ａ_ｒ，Ｂ_ｒ中のｌの項が含まれている要素が変動するが、大きく変動する８個の要素の変動のみを考える。そして、行列の（６，１）成分をＺとおくと、残りの変動する要素は式（１３）に示すように全てＺの定数倍で表すことができる。

このようにして、吊り荷ロープ長ｌが変動した場合の行列Ａ，ＢをパラメータＺのみによって表すことができ、以下のＬＰモデルが得られる。

ここで、Ａ_０，Ｂ_０は行列Ａ，Ｂから変動する成分を取り除いた行列、Ａ_ｚ，Ｂ_ｚはＺの係数のみの行列である。

ジブの角度ν_０を移動し得る中間点である
(数１９)
ν_０＝４５ｄｅｇ（１６）
とし、吊り荷ロープ長ｌの変動する範囲を

とすると、Ｚのとる範囲は
(数２１)
Ｚ_ｍｉｎ≦Ｚ≦Ｚ_ｍａｘ（１８）
Ｚ_ｍｉｎ＝１．６７２９・１０^１，Ｚ_ｍａｘ＝５．３５３３・１０^１
となる。尚、Ｚは吊り荷ロープ長ｌを用いて
(数２２)
Ｚ＝２６．７６６／ｌ（１９）
より求める。

ここで、
(数２３)
Ｚ_ｎ＝（Ｚ_ｍａｘ−Ｚ_ｍｉｎ）／２，
δ_ｚ＝Ｚ_ｍａｘ−Ｚ_ｎ（２０）
(数２４)
Ａ_ｎ＝Ａ_０＋Ｚ_ｎＡ_ｚ，
Ａ_１＝δ_ｚＡ_ｚ（２１）
(数２５)
Ｂ_ｎ＝Ｂ_０＋Ｚ_ｎＢ_ｚ，
Ｂ_１＝δ_ｚＢ_ｚ（２２）
とすると、ＬＰＶモデルは以下のように表記できる。

これを参考文献６に従い、

として、
(数２８)
［０Ａ_１Ｂ_１］＝［Ｌ_１］×［Ｒ_１Ｗ_１Ｚ_１］（２４）
と分解すると、以下のようなＬＦＴ表現が得られる。

ただし、

である。旋回方向低次元化モデルに対しても同様の変換を施す。

２．制御系の設計
ゲインスケジュールド制御器の設計
ここでは、簡易に実装が行えるＬＦＴ法を用いたゲインスケジュールド制御系の設計を行う。以下に、ＬＦＴ法のゲインスケジュールド制御器の導出手法の概略を特許文献６に基づいて示す。

まず、制御対象の摂動を含んだ図３のような一般化プラントを構成する。ここで、δは吊り荷ロープ長に関する制御対象の摂動を表し、△_ｗは性能のパスに導入した仮想的な摂動を表す。そして、図４（ａ）のように制御対象と同様の摂動ブロックを制御器が持つ相互接続を考える。そして、図４（ｂ）に示すように制御器の摂動ブロックを制御対象側に引っ張りあげる。パラメータがオンラインで観測できると仮定すると、すべてのδに対して安定で、そのｗ_１：＝［ｗ_１１，ｗ_１２］^Ｔからｚ_１：＝［ｚ_１１，ｚ_１２］^Ｔへの

外８

ゲインが

を満たすような制御器を、ＬＭＩ（線形行列不等式）を解くことにより求めることができる。ただし、γ＞０は与えられたスカラーである。ゲインスケジュールド制御器は制御対象と同様の摂動ブロックで構成されたＬＦＴで表される。

ここで、摂動の範囲を式（２０）のようにとると、性能のパスの評価より摂動の評価のパスでγが小さくならず、保守的な制御器となってしまう。そこで、マスト、ジブ起伏角度、吊り荷に対する重み関数であるｗ_１１，ｗ_１２，ｗ_１３を一定として、摂動の範囲を小さくしγの変化を調べたところ、

よりも小さくなると、γの値にほとんど変化がなくなることがわかった。このことから、パラメータの変動する範囲全体の安定性の保証はなくなるが、制御器の設計を行う際は変動幅を式（２８）の

外９

とする。そして、式（２０）の

外１０

の範囲で変動させ、数値シミュレーション等で安定性に問題がないかどうかを確認した上で実装することとした。

３．実験装置を用いたオペレータによる実際移動に基づく検証実験
（３・１）実験装置
タワークレーン実験装置の概略図を図５に示す。ジブ２はサーボモータによる旋回モータ５によって旋回され、サーボモータによる起伏モータ６によって起伏が行われ、又吊り荷３はＤＣモータによる昇降モータ７によってロープ長が調節される。クレーン本体の変位は、マスト最下部にｘ方向とｙ方向に夫々貼り付けた２組の歪みゲージによる変位センサ８，９によりマスト１の歪みを検出し、歪みを定数倍してマスト最上部の変位とする。尚、変位センサ８，９としては、上記歪みゲージを用いることに代えて、マスト上部に加速度計を配置し、該加速度計の加速度からマスト上部の変位を求めるようにしてもよい。クレーン旋回角度ζはサーボモータ内蔵のロータリーエンコーダによる旋回角センサ１０により検出する。ジブ角度νは、ジブ下端の回転軸にポテンショメータによる起伏角センサ１１を取り付けて検出する。吊り荷の振り角度θ，ψは、吊り荷ロープを挟むフォークをポテンショメータに取り付けて、それを起伏方向用と旋回方向用にジブ先端に取り付けた吊り荷角センサ１２，１３にて検出する。操縦装置はポテンショメータ内蔵の２軸の操作レバー１４を用い、その倒れ角ρ_ＵＤ，ρ_ＲＤを検出し、夫々起伏、旋回角速度に対する指令値とする。尚、吊り荷ロープ長は制御器１５（制御用コンピュータ）のキーボードにより操作を行う。１６は線形結合制御演算部である。

制御系は、予めサンプリング時間４ｍｓで離散化し実装する。図中のＫ_ＵＤ，Ｋ_ＲＤが夫々起伏方向、旋回方向のゲインスケジュールド制御器である。又、ｒ_ＵＤ，ｒ_ＲＤが起伏方向、旋回方向の指令値（操作指令）、ｕ_ｂ，ｕ_ｓｂが起伏方向、旋回方向のフィードバック信号を表している。

ＬＦＴ法のゲインスケジュールド制御器は吊り荷ロープ長により求まるパラメータＺ，Ｙを摂動とするＬＦＴとなっているため、制御器に関するマイナーループとして実装される。

（３・２）吊り荷ロープ長を変動させる目標値応答
まず、吊り荷ロープ長変動に対するゲインスケジュールド制御系の有効性の検証を行ったところ、ＬＦＴ法は制御器のゲインのピークが上がることにより、性能が劣化することなくマストの制御を行っていることがわかった（特許文献６参照）。

（３・３）操縦者の任意指令に対する制御
まず、線形結合演算部１６によるフィードバック制御指令の割合を１００％として、操作指令の割合を０としてフィードバック制御系による操縦者の任意操作に対する制御実験を行ったところ、図６（b）に示すように、吊り荷ロープ長を変動させながら障害物を回避するような吊り荷の搬送を操縦者が行うため、吊り荷ロープ長を任意の長さに巻き取りつつ、レバー操作により旋回角速度、ジブ起伏角速度に指令を与えクレーンを操作した場合やレバー操作に急峻な変化を与えた場合でも、マスト、吊り荷の振動は速やかに抑えられていることがわかる。これにより、吊り荷の振れは速やかに減衰され操縦者は吊り荷振れ止めを行わずとも所望の位置に容易に吊り荷を搬送することができる。ロープ長変動に対しては、ゲインスケジュールド制御器が補償し、どのロープ長でもマスト、吊り荷の収束性はほぼ同様であった。

また、操作中に吊り荷に外乱が加わったときのジブ起伏角度、起伏方向吊り荷振れ、吊り荷ロープ長の応答についても、外乱による吊り荷振れはゲインスケジュールド制御器により速やかに制振されていることがわかった。

次に、線形結合演算部１６によるフィードバック制御指令の割合と操作指令の割合を変化させるフィードバック制御系では、線形結合制御方式の制御対象の状態方程式は、すでに説明した式（５）、（６）で表すことができる。

そして、この線形結合制御の適用は、式（５）、（６）の制御対象への入力項である起伏モータへの制御指令と旋回モータへの制御指令

外１１

を下記式（２９）を入力することで適用できる。

ここで、αはオペレータの操作指令割合、βはフィードバック制御指令割合である。

また、ｆは係数であり、操作領域（操作レバーが入力状態）では、ｆ＝０であり、操作領域外（操作レバーが未入力状態）になった時点で、ｆは実時間に応じて時々刻々増大する。なお、α＝０．８５、β＝０．１５、f／２．５は、一例であり、ジブクレーンの機種特性や使用状況や操作状況などに応じて自由に変えることができる値である。

このようなα、βの割合を変化させることで、たとえば図７に示すように、フィードバック制御指令とオペレータの操作指令との割合をオペレータの操作を優先するオペレータの操作領域と、操作領域外との操作状況に応じて変化させる。

なお、線形結合演算部１６によるフィードバック制御指令の割合と操作指令の割合は、上記制御対象への入力項の式(２９)を代入した制御対象の状態方程式（５）、（６）を用いた机上シミュレーションにより、フィードバック制御指令の割合βと操作指令の割合αの変化に応じた制御対象の状態量の変化を予測することで、予め想定することもできる。そして、最終的なフィードバック制御指令の割合βと操作指令の割合αの決定は、実験に基づく検証と机上シミュレーション結果との比較により行うことが好ましく、机上シミュレーション結果が実験結果と整合性が十分に図られている場合には、実験に基づく検証を省くこともできる。

線形結合演算部１６によるフィードバック制御指令の割合と操作指令の割合を変化させるフィードバック制御系による操縦者の任意操作に対する制御実験を行ったところ、図６（a）に示すように、操作領域での操作指令に対する動作遅れが改善されるとともに、吊り荷の振れについてもオペレータの操作領域では、大きくなるもののオペレータの操作領域外で振れ止め制御が１００％になると、目標範囲内に収まることが分かる。

このような制御手法を適用することで、フィードバック制御系により生じる操作指令に対する遅れ時間を短縮することができ、これによって、振動抑制制御を行いながら、よりオペレータの操作指令に対応した位置決め制御を行うことができ、オペレータの操作感覚をより快適にすることができる。

尚、本発明は上記形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

この発明のジブクレーンの制御方法および装置の一実施の形態にかかる制御系のブロック線図である。タワークレーンの起伏方向低次元化モデルおよび旋回方向用低次元化モデルの説明図である。タワークレーン実験装置の概略構成図である。制御対象の摂動を含んだ一般化プラントを構成したブロック線図である。（ａ）は制御対象と同様の摂動ブロックを制御器が持つ相互接続を考えたブロック線図、（ｂ）は制御器の摂動ブロックを制御対象側に引っ張りあげたブロック線図である。線形結合制御による操作指令に対する動作角度と吊り荷の振れの状態との実験結果をフィードバック制御のみの場合と比較して示すグラフである。線形結合割合の時刻暦変化の１例を示す説明図である。

１マスト
２ジブ
３吊り荷
４ロープ
５旋回モータ
６起伏モータ
８クレーン本体の変位センサ（歪みゲージ）
９クレーン本体の変位センサ（歪みゲージ）
１０旋回角センサ
１１起伏角センサ
１２，１３吊り荷角センサ
１４操作レバー
１５制御器
１６線形結合演算部

Claims

ジブクレーンの吊り荷のロープ長変動を考慮した低次元モデルの線形分数変換（ＬＦＴ）表現を求め、該線形分数変換（ＬＦＴ）表現を用いたゲインスケジュールド制御方式によるフィードバック制御を行うジブクレーンの制御方法において、
当該フィードバック制御指令と操作レバーからの操作指令とを線形結合させ、これらフィードバック制御指令と操作指令との割合を前記操作レバーからの操作指令が入力される操作領域と、操作指令が入力されない操作領域外とで変化させて、
前記操作領域では、吊り荷の振れが大きくなっても前記操作レバーからの操作指令の割合を、前記フィードバック制御指令の割合に比べて高めて制御を行い、前記操作領域外では、前記フィードバック制御指令による振れ止め制御のみによって吊り荷のロープ長が変動しても吊り荷の揺れを抑制し吊り荷を目標位置に移動させることを特徴とするジブクレーンの制御方法。
旋回駆動手段と起伏駆動手段とを備えてジブの旋回と起伏とを行うジブクレーンの制御装置であって、
ジブの旋回角、ジブの起伏角、吊り荷角、クレーン本体の変位を少なくとも検出し得るジブ等検出手段と、
ジブの旋回、起伏、吊り荷の巻き上げ巻き下げを行う操作レバーと、
この操作レバーによる旋回、起伏、吊り荷の巻き上げ巻き下げの各操作を検出し得るレバー検出手段と、
予め入力した吊り荷のロープ長変動を考慮した低次元モデルの線形分数変換（ＬＦＴ）表現を用いてゲインスケジュールド制御を行うフィードバック制御系と、当該フィードバック制御系からのフィードバック指令と前記操作レバーのレバー検出手段からの操作指令とを線形結合させるとともに、これらフィードバック制御指令と操作指令との割合を前記操作レバーからの操作指令が入力される操作領域と、操作指令が入力されない操作領域外とで変化させて、前記操作領域では、吊り荷の振れが大きくなっても前記操作レバーからの操作指令の割合を、前記フィードバック制御指令の割合に比べて高めて制御を行い、前記操作領域外では、前記フィードバック制御指令による振れ止め制御のみを行う線形結合制御部とを備える制御器と、からなり、
吊り荷のロープ長が変動しても吊り荷の揺れを抑制し吊り荷を目標位置に移動させるようにしたことを特徴とするジブクレーンの制御装置。