JPH06156976A - クレーンの振止制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 吊荷の振れの減衰を考慮して安定したクレー
ンの自動運転を実現する。 【構成】 クレーンが低等速度域に到達したか否かを判
別し（ステップS1) 、低等速度域へ到達後、振れ検出を
行い（ステップS2) 、振れが最大となるタイミングを検
出する（ステップS3) 。振れの最大となったタイミング
でクレーンの位置を検出し（ステップS4) 、検出結果に
基づいて最終速度パターンの制御開始タイミングを予測
し、この制御開始タイミングでの目標位置までの残距離
を演算し（ステップS5) 、振れの減衰を考慮した式を用
いて最終速度パターンを演算する（ステップS6) 。次
に、最終速度パターンの制御開始タイミング（振れ最大
時）になったか否かを判別し（ステップS7）、そのタイ
ミング以降最終速度パターンとなるよう速度制御を実施
し（ステップS8）、最終的にクレーンを目標位置に停止
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は懸垂式のクレーンの吊荷
の振止制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】天井等に設けられた所定の経路を、走行
可能に設けられた走行体から垂下したロープにて吊荷を
吊下げ、前記走行体の走行により前記吊荷を任意の位置
に搬送するように構成された天井クレーン等の懸垂式の
クレーンにおいては、目標位置まで自動的に吊荷を搬送
させる自動運転化が進められている。

【０００３】このようなクレーンの運転の自動化を行う
ためには、目標位置での停止時における吊荷の荷振れの
抑制と、吊荷の位置決め精度の向上とを図ることが重要
である。従来のクレーンの自動運転の振止制御方法とし
ては、吊荷の振れ周期によって加減速パターンを決定し
て走行体を運転する方式（プログラム制御方式）が公知
の技術である。

【０００４】また、吊荷の懸架装置として、荷役機械の
走行装置と吊具間に２本の主巻ワイヤーロープを斜めに
掛ける等の方式を用いることにより吊荷の横振れを少な
くし、同時に横振れをできるだけ速やかに減衰させる吊
荷懸架装置が考案されているが、このような減衰特性を
もつ吊荷懸架装置に対し、減衰を考慮しない速度パター
ンを適用すれば、本来の振止制御が適切に働かないた
め、減衰を考慮すべきことも公知の技術である（特公昭
61-31031号，特公昭61-31032号）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の如き従
来のプログラム制御を用いる場合には、理論的には目標
位置において振れがなくなるはずであるが、実際に制御
を行う場合の速度パターンは、荷役効率の向上を主目的
として決定するので、加減速時の設定加速度が大きいた
め、走行体の速度制御系が速度パターンに対して早い応
答性で追従できない。また、実際の制御においては、速
度パターンの通りに速度を追従させても、種々の外乱に
よってその速度パターンが有効ではなくなるので、この
ような理由により目標位置において残留振れが生じると
いう問題があった。

【０００６】また、停止位置精度についても、高等速度
域から吊荷の振れ周期の時間相当で減速するため、速度
特性により所定の精度が得られないことも問題である。
さらに、この停止位置の精度の狂いが次に吊り上げる際
の初期振れとなるため、振止制御の観点からも停止位置
精度の向上が望まれる。

【０００７】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であり、安定したクレーンの自動運転を実現するクレー
ンの振止制御方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るクレーンの
振止制御方法は、速度パターンに従って懸垂式のクレー
ンの走行速度を制御することにより吊荷の振止制御を行
う方法において、目標位置までのクレーンの走行速度
を、加速域，高等速度域，第１減速域，低等速度域及び
第２減速域に分けて制御する基本速度パターンを設定
し、加速域，高等速度域及び第１減速域については、予
め設定した基本速度パターンに基づいて速度制御し、低
等速度域において吊荷の振れを検出し、検出した吊荷の
振れが最大となったタイミングでのクレーンの現在位置
を検出して目標位置までの残距離を算出し、吊荷の振れ
周期，低等速度域の残留振れ，目標位置までの残距離，
振れの減衰特性を用いて、目標位置に到達したタイミン
グにクレーンが停止し、振れをなくすよう、吊荷の振れ
周期Ｔの１／２ずつの時間間隔で加減速度を３回切り替
える３Ｔ／２周期分の最終速度パターンを算出し、算出
した最終速度パターンの制御開始タイミング以降、該最
終速度パターンに基づいてクレーンを速度制御すること
を特徴とする。

【０００９】

【作用】吊荷の振止を充分に抑制するように設定された
速度パターンに従って、そのクレーンの走行速度を制御
する場合、その速度パターンに走行速度が良好に追従し
ても、制御中の外乱によって吊荷の振れが抑制できない
場合があるが、本発明では、クレーンの停止前の第２減
速域において、吊荷の振れ周期，クレーンの現在位置か
ら停止目標位置までの距離の検出結果と、吊荷の振れの
最大値の検出結果，振れの減衰特性とに基づき、停止目
標位置にて吊荷の残留振れを零にすべく求められた最終
速度パターンに従って走行速度の制御がなされるので、
前記外乱による吊荷の振れが抑制される。

【００１０】また、第２減速域における速度制御は、速
度パターンの速度が低等速度域まで減速された後での制
御であり、急激な速度制御を行う必要がないので、高い
追従性で速度制御が行えるため、安定した振止制御が可
能である。さらに、停止位置精度についても低等速度域
からの速度制御であり、高等速度域からの減速に比べ加
減速度が小さくなるので、高精度化が図れることも明ら
かである。尚、停止位置の向上により、併せて次回搬送
の吊上時に発生する初期振れの抑制効果も図ることが可
能となる。

【００１１】

【実施例】以下本発明をその実施例を示す図面に基づい
て具体的に説明する。まず、本発明に係るクレーンの振
止制御方法（以下本発明方法という）の原理について説
明する。

【００１２】図１は本発明方法を説明するためのクレー
ンの模式的側面図である。図中１は懸垂式のクレーンで
あり、該クレーン１は、その下部に垂下したロープ２に
よって吊荷３を吊下げ、クレーン１の下部に設けられた
車輪11の駆動によって図中白抜き矢符で示される方向に
水平移動するようになっている。このようなクレーン１
における振子のモデル式を下記(1) 〜(3) 式に示す。

【００１３】

【数１】

【００１４】ここで、(1) 式はクレーンを加減速させず
に吊荷３を自由振動させる場合には、振れ周期間に４α
₀ ／ωずつ等差級数的に振れが減衰する特性の振子モデ
ルであることを表している。

【００１５】 ω² ＝ｇ／Ｒ …(2) 但し、ｇ：重力加速度 Ｒ：有効ロープ長

【００１６】 Ｔ＝２π／ω …(3) 但し、Ｔ：振れ周期 π：円周率

【００１７】また、前記(1) 式は下記(4) 式に変形でき
る。

【００１８】

【数２】

【００１９】但し、ｒ：減衰係数α₀ とクレーン加速度
αによりきまる定数

【００２０】前記(4) 式は、クレーン１を基準一定加速
度α_s とすれば、振れ周期の半分において加速度α_s ＋
α₀ で加速し、さらに振れ周期の半分において加速度α
_s −α₀ で加速すれば、（ωｘ，ドットｘ）にて表され
る位相面において、振れ状態が( −α_s ／ω，０）を中
心とした円軌跡となることを表している。

【００２１】また、振れ周期の半分において減速度−α
_s ＋α₀ 、さらに振れ周期の半分において減速度−α_s
−α₀ で減速すれば、同様に振れ状態が（α_s ／ω，
０）を中心とした円軌跡となることを表す。従って、加
速開始時に振れがないとすれば、目標位置までの距離と
なるよう上記加減速度を決定し、その速度パターンでク
レーン１を走行させれば目標位置に到着したタイミング
に原理上振れが残らない。

【００２２】しかし、このような制御方法においては、
原理上は振れは残らないというものの、クレーンの速度
指令に対する速度追従性，有効ロープ長より算出される
振れ周期の精度，減衰特性の精度，その他各種制御実施
時の外乱等により残留振れを生じてしまう。

【００２３】そこで、本発明は図２に示される如き速度
パターンにてクレーン１を走行させる。図２は本発明方
法におけるクレーンの速度パターンを示すグラフであ
り、縦軸に速度、横軸に時間をとり、これらの関係を示
している。

【００２４】図２の速度パターンは、上記減衰を考慮し
て加速を行う加速域ａ₁ と、一定速度の高速度の保持を
行う高等速度域ａ₂ と、上記減衰を考慮した減衰を行う
第１減速域ａ₃ とよりなる従来の速度パターンの如き第
１速度パターンａに、所定時間一定の低速度でクレーン
１を走行させる低等速度域ｂ₁ と、これに引き続いてク
レーン１を後述する最終速度パターンにて減速停止させ
る減速域ｂ₂ とよりなる第２速度パターンｂを付加した
速度パターンであり、本発明では、このような速度パタ
ーンを基本速度パターンとして予め決定する。

【００２５】そして、この基本速度パターンを実行する
ことにより、前記第１速度パターンａの実施時に発生し
た振れを前記第２速度パターンｂの実施時において低減
解消し、併せて停止位置精度の向上を行う。

【００２６】前述の如く、前記第１速度パターンａは公
知の技術と同様であるのでその説明は省略し、以下、前
記第２速度パターンｂにおける低等速度域ｂ₁ 以降の最
終速度パターンについて説明する。

【００２７】図３は最終速度パターンを示すグラフであ
り、縦軸に速度、横軸に時間をとり、これらの関係を示
してある。最終速度パターンの制御に必要な条件は、ク
レーン１が、目標位置に到達した時に、停止し、かつ吊
荷３の振れがないことである。このため、その制御は、
下記(5) 式に表される走行距離制約条件，下記(6) 式に
表される停止制約条件，及び下記(7) 式に表される振止
制約条件の３つの制約条件を満足することが必要であ
り、前提として吊荷３の振れ周期の半分毎にクレーン１
の加速度をα，β，γの３段階に切り替えて3/2 振れ周
期にて制御完了となる方式とした。

【００２８】

【数３】

【００２９】但し、Ｌ：目標位置までの残距離 α：第１の加速度 β：第２の加速度 γ：第３の加速度 Ｖ_LOW ：低等速度域の速度

【００３０】

【数４】

【００３１】但し、Ｘ₀ ：計測した振れの最大値

【００３２】前記(5) 式の走行距離制約条件は、加速度
α，β，γが、加速度α，β，γの各区間での走行距離
の和が最終速度パターンの制御開始点から目標位置まで
の距離Ｌ（図３における斜線領域の面積）にならなけれ
ばならないことを表している。また、前記(6) 式の停止
制約条件は、加速度α，β，γによる減速の結果、吊荷
３の振れ周期の3/2 の時間で速度が零にならなければな
らないことを表している。

【００３３】また、前記(7) 式の振止制約条件は、加速
度α，β，γによる減速の結果、吊荷３の振れ周期の3/
2 の時間で、その振れが無くならなければいけないこと
を表している。この振止制約条件は図４の位相面軌跡図
にて表される。図４は最終速度パターンによる振幅（ω
ｘ）と振れ角速度（ドットｘ）との関係の位相面軌跡図
であり、縦軸に振れ角速度（ドットｘ）、横軸に振幅
（ωｘ）をとり、これらの関係を示してある。

【００３４】図４においては、加速度のα，β，γの３
段階の切替えによって、加速度αでの減速区間の開始点
Ａから、加速度βでの減速区間の開始点Ｂ、加速度γで
の減速区間の開始点Ｃを経て、加速度γでの減速区間の
終了点Ｄ（原点）まで振れが渦巻き状に減衰することが
解る。そして、前記(5),(6),(7) 式を連立方程式として
加速度α，β，γを求めると、その結果は、下記(8) 〜
(10)式となる。

【００３５】

【数５】

【００３６】このように求められた、前述の制約条件を
満足する加速度α，β，γを1/2 振れ周期毎に切り替え
ることにより、クレーン１が、目標位置に到達したとき
に、停止し、かつ吊荷３の残留振れが生じないための振
止制御が行える。

【００３７】以上で、最終速度パターンについて説明を
行ったが、以下、具体的な振止制御方法について説明す
る。但し、基本速度パターンのうち、第１速度パターン
ａは公知の技術であるので、その説明は省略し、以下、
前記第２速度パターンｂにおける低等速度域以降の制御
について説明する。

【００３８】図５は振止制御のフローチャートである。
まず、クレーン１が低等速度域ｂ₁ に到達したか否かを
判別し（ステップS1)、低等速度域ｂ₁ への到達の判別
後、振れ検出を行い（ステップS2) 、振れが最大となる
タイミングを検出する（ステップS3) 。このタイミング
の検出方法としては、振れの検出データを何回分か記憶
できるようにしておき、前記検出データが増加から減少
又は減少から増加に切り替わることを用いるとよい。

【００３９】尚、振れ検出に際しては、実際の吊荷が
(1) 式に示される振子モデルではなく、吊荷の振れより
も高周波の振動が検出されることがあり、これを防止
し、吊荷の振れだけを検出するために、ＬＰＦ（ Low P
ass Filter）等を用いるが、このような場合には検出デ
ータが振れの最大となっても、実際の振れはさらに位相
が進んでいることとなる。このような場合には事前にそ
のＬＰＦの特性について調査しておき、振れが最大とな
るタイミングを検出データにより検出し、次の振れが最
大となる（振れ周期−ＬＰＦ位相遅れ相当時間）後を最
終速度パターンの制御開始タイミングとすればよい。ま
た、この場合には真の振幅は測定できておらず、１回前
の振幅から吊荷の振れの減衰分を補正した振れを(7) 式
の計測した最大振れとして使用する。尚、上記補正方法
は、説明のため簡便な方法を示したが、負の最大振れを
検出し、正の最大振れのタイミングで最終速度パターン
の制御を開始するという方法を併用すれば、低等速度域
の時間短縮が図れる効果がある。

【００４０】振れの最大となったタイミングで、クレー
ン１の位置の検出を行い（ステップS4) 、この検出結果
に基づいて最終速度パターンの制御開始タイミングを予
測し、その制御開始タイミングでの目標位置までの残距
離を演算する（ステップS5)。そして、前述の如き(8),
(9),(10)式を用いて最終速度パターンを演算する（ステ
ップS6) 。次に、最終速度パターンの制御開始タイミン
グ（振れ最大時）になったか否かを判別し（ステップS
7）、そのタイミングの判別後、それ以降最終速度パタ
ーンとなるよう速度制御を実施し（ステップS8）、最終
的にクレーン１を目標位置に停止させる。

【００４１】次に、以上の如き構成のクレーンの振止制
御方法を用いて実際に振止制御を行った結果について説
明する。この制御においては、クレーン１は最大速度1.
5m/sec, 最大加速度0.4m/sec²のものを用い、低等速度
域での速度を0.15m/sec,低等速度域の開始点Ｐ₁ から目
標位置Ｐ₂ までの距離を３ｍとした。

【００４２】その制御結果を図６(a) 及び図６(b) に示
す。図６はその制御結果を示すタイムチャートであり、
図６(a) には制御中のクレーン１の速度，加速度及び走
行距離の時間推移を示し、図６(b) には制御中の吊荷３
の振れの時間推移を示してある。以上の結果、第１加速
度α＝−0.00405m/s² 、第２加速度β＝0.02476m/s² ,
第３加速度γ＝−0.08639m/s² , 減衰係数α₀ ＝0.019m
/s² （振れ周期Ｔ毎に40mmずつ減衰相当），振れ周期Ｔ
＝4.57sec であった。図６から明らかな如く、吊荷３の
振れは目標位置Ｐ₂ において零となり、残留振れが解消
された。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明方法では、クレ
ーン停止前の第２減速域において、クレーンの現在位置
検出結果に基づく最終速度パターン制御開始位置から停
止位置までの距離の演算と、吊荷の振れの検出結果に基
づく最終速度パターン制御開始時の振れ演算結果とに基
づき、吊荷の振れの減衰を考慮して、停止位置にて吊荷
の振れを零にするように求められた最終速度パターンに
従って走行速度の制御がなされるため、前記外乱による
吊荷の振れが抑止され、停止位置における吊荷の残留振
れが解消できる。

【００４４】これに加えて、第２減速域における速度制
御は、速度パターンの速度が低等速度域まで減速された
後での制御であり、急激な減速を行う必要がないので、
高い追従性で速度制御が行えるため、安定した振止制御
ができる。さらに、上記同様の理由により、停止位置精
度の向上も併せて実現できる等、本発明は安定したクレ
ーンの自動運転を実現する優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の基本原理を説明するためのクレー
ンの模式的側面図である。

【図２】本発明方法におけるクレーンの速度パターンを
示すグラフである。

【図３】最終速度パターンを示すグラフである。

【図４】最終速度パターンによる振幅と振れ角速度との
関係の位相面軌跡図である。

【図５】振止制御のフローチャートである。

【図６】本発明方法を用いて実際に振止制御を行った場
合の制御結果を示すタイムチャートである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 速度パターンに従って懸垂式のクレーン
   の走行速度を制御することにより吊荷の振止制御を行う
   方法において、 目標位置までのクレーンの走行速度を、加速域，高等速
   度域，第１減速域，低等速度域及び第２減速域に分けて
   制御する基本速度パターンを設定し、 加速域，高等速度域及び第１減速域については、予め設
   定した基本速度パターンに基づいて速度制御し、 低等速度域において吊荷の振れを検出し、 検出した吊荷の振れが最大となったタイミングでのクレ
   ーンの現在位置を検出して目標位置までの残距離を算出
   し、 吊荷の振れ周期，低等速度域の残留振れ，目標位置まで
   の残距離，振れの減衰特性を用いて、目標位置に到達し
   たタイミングにクレーンが停止し、振れをなくすよう、
   吊荷の振れ周期Ｔの１／２ずつの時間間隔で加減速度を
   ３回切り替える３Ｔ／２周期分の最終速度パターンを算
   出し、 算出した最終速度パターンの制御開始タイミング以降、
   該最終速度パターンに基づいてクレーンを速度制御する
   ことを特徴とするクレーンの振止制御方法。