JPH09328290A - 天井クレーンの自動運転制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 データ演算処理の負担が大きいファジィ制御
によらず、きわめて簡単な演算処理で実行できる最適レ
ギュレータの仕組みを適用し、吊荷の振れを抑えつつ、
吊荷を目標位置に正確かつ迅速に運ぶ。 【解決手段】 走行開始からの加速プロセスでは、トロ
リー４の目標速度ＴＶｃと実速度ＴＶとの偏差をゼロに
するためのフィードバック制御と吊荷３の振れを止める
ためのフィードバック制御とを併用してトロリー４の走
行速度を制御し、トロリー４が目標停止位置Ｘｃに対し
て一定距離まで近づいたならば、その目標停止位置Ｘｃ
と実位置Ｘとの偏差をゼロにするためのフィードバック
制御と吊荷３の振れを止めるためのフィードバック制御
とを併用してトロリー４の速度および位置を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、各種工場などで
の荷役作業に使用する天井クレーンの自動運転制御方法
に関し、とくに、吊荷の振れを抑えつつ、吊荷を目標位
置に正確かつ迅速に運ぶための運転制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】天井クレーンの操作では、吊荷を目標位
置に正確にかつ振れのないように運ぶことが求められ
る。この相反する制御目標に対して、できるだけ速く、
実用上許される精度で制御を行うには、高度な技術を必
要とし、経験豊かな熟練オペレータの手動操作に頼って
いるのが現状である。しかし、熟練オペレータの不足な
どの理由により、天井クレーンの運転を自動化すること
が強く要請されている。

【０００３】そのため、天井クレーンの自動運転につい
て多くの技術者が研究にとりくんでおり、さまざまな研
究成果が報告されている。今までに報告された自動運転
の制御方法では、荷物を吊り下げるロープ長が一定であ
るという条件のもとで、最適制御理論や位相平面に着目
して、目標速度パターンを生成し、そのパターンに追従
させる方式が一般的である。これらの方法は、初期位置
と目標位置での吊荷の振れ角がゼロであるという条件を
前提にしたオープン系であり、摩擦や機械的な外乱に対
して対応できないという基本的な問題点がある。

【０００４】これらの問題に対応するため、正確な数学
モデルを用いて得られる最適軌道や加減速時間の対称性
を利用した速度パターンに対してのフィードバック制御
により、追従させる研究も行われている。一方、ファジ
ィ理論を適用した研究も発表されている。力学系のモデ
ルに基づく制御結果をファジィ集合により評価する予見
ファジィ制御方式が提案されている。また、ファジィ適
応則をもつモデルを用いた評価関数最小化アルゴリズム
による制御方式も提案されている。

【０００５】しかし、いずれの研究も、シミュレーショ
ンまたは実験レベルの報告であり、実用化されたもので
はない。しかも、吊荷の振れ止めまたは位置決めのいず
れかを主体とした制御方法に止まっており、それらを高
いレベルで協調させるような制御にはなっていない。

【０００６】適切な自動運転を行うには、まず天井クレ
ーンの運動特性を解析する必要がある。この発明の対象
である天井クレーンは工場などの天井に設置され、工場
内での材料や製品の運搬（横行、走行）に用いられるも
のである。その概略モデルを図１に示す。天井に設置さ
れた軌道１上を、ロープ２に荷３を吊り下げたトロリー
４がＡ点からＢ点まで移動する。

【０００７】ここで、Ｘ：トロリー位置から目標位置ま
での距離（ｍ） Ｖ：トロリーの速度（ｍ／ｓｅｃ） θ：吊荷の振れ角（ｒａｄ） ｌ：ロープの長さ（ｍ） ｍ：吊荷の重さ（ｋｇ） とし、またｇ：重力加速度（ｍ／ｓｅｃ² ）とする。

【０００８】図１の簡略化したクレーンモデルの力学系
の運動方程式をＬａｇｒａｎｇｅの式から導くと次のよ
うになる。

【０００９】

【数１】

【数２】

【数３】 とすると次式が求まる。

【００１０】

【数４】 この式を積分すると（４）式が得られる。

【００１１】

【数５】 ここで、

【数６】

【数７】 （４）式を位相平面で表すと図２のようになる。点（−
α／ｇ，０）を中心とする円運動として表すことができ
る。振れのない状態から加速（減速）した場合、原点か
ら右回りで回転する。そして、吊荷の周期の整数倍の
間、一定加速（減速）を加えることにより、初期状態に
戻ることを示している。これにより、振れのない加減速
が理論上可能である。

【００１２】図３に振れ止めの原理を示す。現在の振れ
位置を

【数８】 とし、トロリーに加わる加速度をθ軸上のＡ点とする。
加速度（−β／ｇ）により振れが止まる条件は、（４）
式より、Ａ点を中心とする円がＰ点と原点（０，０）を
通ることである。すなわち、

【数９】 従って、（８）式が求まる。この式を満たす加速度を与
えることにより、振れを止めることができる。

【００１３】

【数１０】 ただし、符合はＶ・Ｘ＜０を満たすようにとる。

【００１４】Ｐ点が、図３の第４象限にある場合も同様
に求められる。しかし、第１象限、第３象限にある場合
は、原点を通る円は存在しないため、振れ止めが出来な
いことが分かる。つまり、吊荷に振れが存在する場合、

【数１１】 の範囲では振れを止めることができるが、

【数１２】 では振れを小さくすることしかできない。振れを止める
ためには、Ｐ点が第１象限にある場合、第１象限で加
速、第４象限に入ってから減速を必要とする。そして、
最終目標である位置決めを同時に行うためには、更に減
速を必要とすることが分かる。

【００１５】一方、位置決めのときの加速度をγ（ｍ／
sec ² ）、時間をｔ（sec ）とすると、次の式が成り立
つ。

【００１６】

【数１３】

【数１４】 従って、（１１）式が求まる。

【００１７】

【数１５】 （１１）式より、位置決め時のトロリーの速度はトロリ
ーの位置から目標位置までの距離の平方根に比例するこ
とが分かる。

【００１８】また、（８）式のβを（９）式のγとする
と、図３より振れが収まるまでの時間ｔが決まるので、
移動距離は一意に決まる。従って、任意の位置、振れ状
態から位置決め、振れ止めを同時に満たすことのできる
一定加速（減速）度は一般的に存在しないことが分か
る。すなわち、解析的な操作は不可能なため、両制御目
標をほどほどに協調させた制御が必要になる。熟練オペ
レータは、まさに、その操作を荷の状態を見ながら行っ
ている。

【００１９】図４に従来のクレーンの基本走行パターン
を示す。大きく分けて加速、定速、減速領域から構成さ
れている。図２より分かるように、加速、減速領域では
ワイヤーロープの振れ周期の整数倍時間の加速、減速に
より残留振れのない操作が可能である。従って、その操
作により、初期振れや移動途中の外乱がない場合には、
目標位置に到達した際に吊荷の振れは無くなっているは
ずである。すなわち、予測制御により、位置決め、振れ
止めの両制御を実現することができる。

【００２０】この考え方をベースに加速、減速領域の途
中に定速領域を付加し、その後の加速や減速のタイミン
グをファジイ推論で決定し、位置決め、振れ止め制御を
行う方法も提案されている。しかし、クレーンの運転状
態（位置、速度、振れ角度など）が精度良く計測できて
も、現実には機器のガタ、遅れ、摩擦等の外乱があり、
理想的な精密モデルを作り、予測制御することは非常に
困難である。

【００２１】これに対して、オペレータは吊荷を巻き上
げた後、クレーンの位置、走行（横行）速度、振れ状態
などの情報から操作判断を行い、できるだけ早く、目標
位置に精度良くかつ振れを抑えた運転を実現している。
そこで、熟練オペレータが行っている運転方法を利用す
る。すなわち、クレーンの運転状態により、速度設定根
を制御する方式である。ファジイ制御時の速度パターン
を図５に示す。加速、定速走行時振れ止め、減速、位置
決め・振れ止めの各領域（運転状態）から構成されてい
る。

【００２２】そして、初期振れや加速領域で発生した振
れは定速走行時に抑え、それ以降に加わった外乱による
振れは振れ止め・位置決め領域で抑える制御を行なう。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】以上のようにファジィ
制御を採り入れた従来の自動運転制御方法によれば、ク
レーンの走行開始から停止に至るまで比較的良好な制御
が可能である。しかし、きわめて高度で複雑なファジィ
制御の演算処理を行うことから、データ演算処理の負担
が大きく、そのため制御のサンプリング周期を充分に短
くすることができないという問題が残されている。具体
的な従来例では制御サンプリング周期の最小値が０．１
秒ほどであり、これではきめの細かい制御は実現でき
ず、クレーンの走行速度を大きくすると制御精度が低下
してしまう。

【００２４】この発明は前述した従来の問題点に鑑みな
されたもので、その目的は、データ演算処理の負担が大
きいファジィ制御によらず、きわめて簡単な演算処理で
実行できる最適レギュレータの仕組みを適用し、吊荷の
振れを抑えつつ、吊荷を目標位置に正確かつ迅速に運ぶ
ことができるようにした天井クレーンの自動運転制御方
法を提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】この発明による天井クレ
ーンの自動運転制御方法では、走行開始からの加速プロ
セスでは、目標速度と実速度との偏差をゼロにするため
のフィードバック制御と吊荷の振れを止めるためのフィ
ードバック制御とを併用してトロリーの走行速度を制御
し、トロリーが目標位置に対して一定距離まで近づいた
ならば、その目標位置と実位置との偏差をゼロにするた
めのフィードバック制御と吊荷の振れを止めるためのフ
ィードバック制御とを併用してトロリーの速度および位
置を制御するようにした。

【００２６】

【発明の実施の形態】

＜制御システムの基本的な構成＞この発明の制御方法を
実施するためのシステム構成の一実施例を図６に、また
その力学的モデルを図７に示している。天井に設置され
た軌道１上を、ロープ２に荷３を吊り下げたトロリー４
が移動する。

【００２７】ここで、Ｍ：トロリーの重量（ｋｇ） Ｘ：トロリー位置（ｍ） ＴＶ：トロリーの速度（ｍ／ｓｅｃ）…Ｘの微分値 ｌ：ロープの長さ（ｍ） θ：吊荷の振れ角（ｒａｄ） ｍ：吊荷の重さ（ｋｇ） ｘ：吊荷の振れ位置（ｍ） ｓｖ：吊荷の振れ速度（ｍ／ｓｅｃ）…ｘの微分値 Ｆｆ：トロリー摩擦 Ｃｆ：ロープ摩擦 ｕ：トロリーを走行駆動するアクチュエータへの制御信
号 ｇ：重力加速度（ｍ／ｓｅｃ² ）である。

【００２８】トロリー位置Ｘは、例えば光波距離計５に
より求める。トロリー速度ＴＶは、例えばトロリー４の
車輪の回転速度を検出するロータリーエンコーダ６によ
り求める。吊荷３の振れ角θは、例えばロープ２の傾斜
計７により求める。ロープ２の長さｌは、例えばロープ
巻上機の巻上げ量を検出するロータリーエンコーダ８に
より求める。吊荷３の重さｍは、図示していない重量計
により求める。吊荷３の振れ位置ｘは、演算子９により
吊荷３の振れ角θとロープ２の長さｌとを乗じることで
求める。吊荷３の振れ速度ｓｖは、演算子９により吊荷
３の振れ角θの微分値とロープ２の長さｌとを乗じるこ
とで求める。

【００２９】トロリー４の位置Ｘと速度ＴＶ、それに吊
荷３の振れ位置ｘと速度ｓｖがコントローラ１０に入力
される。コントローラ１０は、これら入力変数Ｘ、Ｔ
Ｖ、ｘ、ｓｖと適宜に設定されたフィードバックゲイン
とに従ってつぎに説明するように演算処理を行い、その
演算結果としてトロリー４を走行駆動するアクチュエー
タ１１の制御信号ｕを発生する。アクチュエータ１１
は、制御信号ｕに比例した駆動力を発生してトロリー４
を軌道１に沿って走行させる。

【００３０】＜運動方程式の導出から最適レギュレータ
の設計まで＞本発明に係る最適レギュレータは、図７の
力学モデルから以下のように設計される。

【００３１】まず、運動エネルギ関数Ｔ、損失エネルギ
関数Ｄ、位置エネルギ関数Ｖが次の（１２）〜（１４）
式ように求められる。

【００３２】

【数１６】

【数１７】

【数１８】 これら関数からＬａｇｒａｎｇｅの運動方程式を立てる
と、（１５）式となる。

【００３３】

【数１９】 （１２）〜（１４）式を上記（１５）式に代入すると、

【数２０】 となる。ここで、

【数２１】 であるから、θ＝−ｘ／ｌを代入して整理すると、

【数２２】 の（１７）式が得られる。この運動方程式を状態方程式
化すると、

【数２３】 となる。ただし、

【数２４】 である。

【００３４】評価関数Ｊ、すなわち

【数２５】 を最小にする

【数２６】 はリカッチ型代数方程式を解いて、

【数２７】 となる。

【００３５】＜自動運転の制御アルゴリズム＞この発明
の運転パターンを示した図１２のタイムチャート図を参
照しつつ説明すると、スタート位置Ｓに停止しているト
ロリー４を目標停止位置Ｘｃまで移動させて停止させる
とする。この発明では、トロリー４の定速走行時の目標
速度ＴＶｃを設定するとともに目標停止位置Ｘｃを設定
し、さらに目標停止位置Ｘｃより距離ΔＸだけ手前の位
置を減速開始点Ｘａ＝Ｘｃ−ΔＸとして設定する。この
発明の制御方法では、トロリー４の走行を開始してから
減速開始点Ｘａに達するまでが第１の最適レギュレータ
モードで動作し、トロリー４を目標停止位置Ｘｃに停止
させるまでが第２の最適レギュレータモードで動作す
る。

【００３６】（１）第１の最適レギュレータモード 走行開始からの加速プロセスでは、目標速度ＴＶｃと実
速度ＴＶとの偏差をゼロにするためのフィードバック制
御と、吊荷３の振れを止める（振れ位置ｘと振れ速度ｓ
ｖをゼロに近づける）ためのフィードバック制御とを併
用してトロリー４の走行速度を制御する。この第１モー
ドの制御ブロック線図を図８に示している。トロリー速
度ＴＶが目標速度ＴＶｃにほぼ達するまでの時間は、図
８において、速度偏差（ＴＶｃ−ＴＶ）に乗じるフィー
ドバックゲインｆ（ＴＶ）を変化させることにより調整
できる。また第１モードでは、吊荷３の振れを止めつつ
トロリー速度ＴＶを目標速度ＴＶｃまで加速して定速走
行することが制御目標であり、トロリー位置Ｘはほとん
ど問題にならない。したがって図８に示すように、トロ
リー位置Ｘにかけるフィードバックゲインｆ（Ｘ）はほ
ぼゼロでよい。こうすることによって制御信号ｕ（実質
的にはアクチュエータ１１の消費エネルギー）を抑える
ことができる。

【００３７】（２）第２の最適レギュレータモード トロリー４がほぼ目標速度ＴＶｃで定速走行し、その位
置Ｘが減速開始点Ｘａに達したならば、第２の最適レギ
ュレータモードに切り替えて、目標停止位置Ｘｃと実位
置Ｘとの偏差をゼロにするためのフィードバック制御
と、吊荷３の振れを止める（振れ位置ｘと振れ速度ｓｖ
をゼロに近づける）ためのフィードバック制御とを併用
してトロリー４の速度および位置を制御する。この第２
モードの制御ブロック線図を図９に示している。トロリ
ー４が目標停止位置Ｘｃに達するまでの時間は、位置偏
差（Ｘｃ−Ｘ）にかけるフィードバックゲインｆ（Ｘ）
を変化させることにより調整できる。トロリー４を位置
決めしてから最終的に吊荷３の残留振れ運動を抑え込む
までの時間は、振れ止め制御系のフィードバックゲイン
ｆ（ｘ）およびｆ（ｓｖ）を変化させることにより調整
できる。

【００３８】＜フィードバックゲインについて＞前述し
たように、図８に示した第１の最適レギュレータモード
と、図９に示した第２の最適レギュレータモードのそれ
ぞれにおいて、制御系に含まれる各フィードバックゲイ
ンｆ（Ｘ）、ｆ（ＴＶ）、ｆ（ｘ）、ｆ（ｓｖ）を変化
させることによりシステムの制御特性を調整できる。こ
れらフィードバックゲインｆ（Ｘ）、ｆ（ＴＶ）、ｆ
（ｘ）、ｆ（ｓｖ）は、例えば図１０（第１モード用）
および図１１（第２モード用）に示すように、実際に取
り扱う吊荷３の重さｍとロープ２の長さｌに応じて適切
に可変設定するように、重さｍと長さｌを入力変数とし
た制御変数マップとしてコントローラ１０のメモリに格
納しておくのが望ましい。

【００３９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明で
は、データ演算処理の負担が大きいファジィ制御の仕組
みは採用せずに、きわめて簡単な演算処理で実行できる
最適レギュレータの仕組みを適用している。つまりこの
発明では、走行開始から適宜に設定された目標速度に達
するまでの加速プロセスでは、目標速度と実速度との偏
差をゼロにするためのフィードバック制御と吊荷の振れ
を止めるためのフィードバック制御とを併用してトロリ
ーの走行速度を制御し、トロリーが目標位置に対して一
定距離まで近づいたならば、その目標位置と実位置との
偏差をゼロにするためのフィードバック制御と吊荷の振
れを止めるためのフィードバック制御とを併用してトロ
リーの速度および位置を制御するのである。

【００４０】したがって、この発明の制御方法を比較的
簡単なデータ演算処理系により容易に実施できるし、か
つ演算処理の負担が軽いことから処理速度を高速化する
ことが容易である。そのためトロリー走行速度がきわめ
て高い領域でも、この発明の制御動作は遅れなく追従
し、吊荷の振れを抑えつつ、吊荷を目標位置に正確かつ
迅速に運ぶという自動運転を高いレベルで実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】天井クレーンの力学的モデルの概念図である。

【図２】同上力学的モデルにおける加減速時の吊荷の振
れ状態の位相平面図である。

【図３】同上位相平面図において振れ止めに必要な加減
速度を付記した図である。

【図４】天井クレーンの基本的な動作の速度パターンを
示す図である。

【図５】従来技術による振れ止め制御を加味した速度パ
ターンを示す図である。

【図６】この発明の制御方法を適用した制御システムの
構成例を示すブロック図である。

【図７】この発明の制御方法を説明するための天井クレ
ーンの力学的モデルの概念図である。

【図８】この発明における第１の最適レギュレータモー
ドの制御ブロック線図である。

【図９】この発明における第２の最適レギュレータモー
ドの制御ブロック線図である。

【図１０】この発明の第１の最適レギュレータモードに
おける各フィードバックゲインの設定例を示す制御マッ
プである。

【図１１】この発明の第２の最適レギュレータモードに
おける各フィードバックゲインの設定例を示す制御マッ
プである。

【図１２】この発明の運転パターンを示すタイムチャー
ト図である。

【符号の説明】

１ 軌道 ２ ロープ ３ 吊荷 ４ トロリー ５ 光波距離計 ６ ロータリーエンコーダ ７ 傾斜計 ８ ロータリーエンコーダ ９ 演算子 １０ コントローラ １１ アクチュエータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 走行開始からの加速プロセスでは、目標
   速度と実速度との偏差をゼロにするためのフィードバッ
   ク制御と吊荷の振れを止めるためのフィードバック制御
   とを併用してトロリーの走行速度を制御し、トロリーが
   目標位置に対して一定距離まで近づいたならば、その目
   標位置と実位置との偏差をゼロにするためのフィードバ
   ック制御と吊荷の振れを止めるためのフィードバック制
   御とを併用してトロリーの速度および位置を制御するこ
   とを特徴とする天井クレーンの自動運転制御方法。