JPS60106795A - 懸垂式クレーンにおける振れ止め制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、吊り荷に無視し得な〜・単調減衰振動を生じ
る場合に、その振れ止め制御を高精度で行うことができ
る懸垂クレーンにおける振れ止め制御方式に関するもの
である。

〔従来技術〕

従来、懸垂式クレーンにおける振れ止め制御方式として
は、大別すると、第１図に示す吊り荷のロープ長で決ま
る振動周期の整数倍の時間で、トロリを加速・減速する
制御方式と、第２図に示すトロリの加減速区間にのみ着
目し、加速区間の終端でトロリ速度を最大速度とし、且
つ荷振れを零とするように定式化した最短時間制御問題
から導かれる制御方式とが提案されている。なお、第１
図（ａ）及び第２図（ａ）は夫々トロリの速度パターン
を示すグラフ、第１図（ｂ）及び第２図（ｂ）は夫々ト
ロリの基準加速度入力を示す波形図、第１図（Ｃ）及び
第２図（Ｃ）は荷振れの位相面軌道を示す図であり、こ
れらトロリの速度、加速度入力及び荷振れの位相面軌道
は、ロープ長、トロリの許容最大速度、許容最大加速度
、走行距離などから時間を評価基準とした場合に、唯一
に定められる。

次に動作について説明する。まず、第１図の制御方式の
場合は、吊り荷の振動周期（Ｔ＝２πｄ力つは、ロープ
長ｌのみから定まり、制御方式も簡単で且つ加速度の変
化が小さいため、速度制御系に対する負担も少ない特徴
を有する。而して、トロリか加速されると、吊り荷は（
−α／ｇ）を中心として振動を開始し、２πｎＪ’ｌ、
＝り秒後に荷振れは零となる（ここでω＝　ｆｖりは固
有振動数、ｎは自然数である）。次いで、定速区間では
、加速度は零となり振動に影響を与えないので、加減速
時間を振動周期の整数倍に選定することにより、トロリ
か停止した時点で荷振れを零とすることができる。

また、第２図の制御方式の場合は、ロープ長、許容最大
加速度、許容最大速度などのクレーン走行条件により決
定される加速度切換時間で、トロリに対して加減速を繰
り返すことによって、加速区間の終端で荷振れを零とし
、且つトロリ速度を最大速度にする制御を行う。したが
って、第２図（Ｃ）の位相面軌道でみると、原点Ｏから
最初の加速により（−αｍａｘ／ｊｉ）を中心とする円
弧軌道を描いて人魚に進み、次の減速で（αｍａｘ／ｇ
）を中心とする円弧軌道を上を進んでＢ点に到達する。

そして、第２の加速の後、引き続き減速し、さらに加速
することにより、位相面原点０に達する。その結果、最
大速度に達した時点では荷振れは零となり、それ以後の
定速区間では加速度入力が零であるため振動は生じない
。また、減速区間についても前記加速区間と同様の制御
を行うこと罠より荷振れを零とすることが可能である。

ところで、以上のような単振動をするクレーン系に対す
る振れ止め制御方式は、制御態様（加速度切換時刻）を
解析解としてめることができる利点を有するものである
。すなわち、クレーン糸の任意のパラメータに対して解
を代数方程式から一意的に決定することができ、自白度
の高い制御系を構成することができるものである。逆に
、制御態様を解析的にめることができない場合は、最大
速度、最大加速度、走行距離、ロープ長などのパラメー
タに対し、予め数値計算して制御用のテーブルを作成し
、与えられたノラメータをキーワードとしてテーブル検
索によって制御態様を決定する手法が必要となる。この
方法に、よると、クレーン系として考えられる全てのパ
ラメータに対して制御用テーブルを作成し、制御用計算
機のメモリに記憶させるには多大な労力と費用が掛るう
え、メモリ容量が膨大となり現実的でない。また、製品
に対応した個々のクレーンに対して制御用テーブルを用
意することは、生産管理上好ましいことではない。この
意味で解析解をペースに制御系を構成することは非常に
重要なことである。

しかしながら、上述の従来の振れ止め制御方式にあって
は、何れの方式も吊り荷の振動の減衰を無視できる所謂
単振動であると仮定した場合に有効となるものであり、
吊り荷に減衰振動を生じる場合には、満足できる制御結
果を得ることができな（・問題点があった。すなわち、
減衰振動を生じる場合には、与えられるロープ長、走行
距離などの諸定数から定まる吊り荷の運搬時間（制御時
間）Ｔｃが、振動系の擬似時定数に比べて大きくなり、
荷振れの振幅は、時間の経過と共に減衰係数と擬似時定
数とに依存して減衰し、その影響が無視できなくなると
、減衰区間の終端（ｔ＝Ｔｃ）で残留荷振れが生じ、所
望の制御成果をあげることができないものであった。

因みに、実際のクレーンでは、機械系の摩擦、設計誤差
、ロープのかけ方等により、吊り荷の振動は単振動とは
ならず、単調減衰振動となるものが多い。：このため、
第１図の制御方式を例にとり、その減衰係数をζ＝０（
単振動系）、ζ＝０．１（単調減衰振動系）とした場合
の荷振れの位相面軌道を第３図に示す。この図から明ら
かなように、ζ＝０とした単振動系では、破線図示のよ
うに、制御時間の終端で原点に復帰し残留荷振れは零で
ある。これに対し、ζ＝０．１の単調減衰振動系では、
実線図示のように、時間の経過と共に（−ａ／ｇ）を中
心として減衰しながら振動するため、加速区間の終端（
Ａ点）では原点に復帰することがない。

そして、次の定速区間では加速度入ブｈま零であるから
、原点の回りを減衰しながら振動し、Ｂ点から減速区間
に移行する。この減速区間では（α／ｇ）を中心として
減衰しながら振動し、０点で制御を終了する。このよう
に、減衰係数が零でない減衰振動系に従来の制御方式を
適用すると、残留荷振れを生じることになる。この場合
、クレーンは安定系であるので、十分時間が経過すれば
荷振れは零となる。しかしながら、一般にクレーンは工
場等で連続した工程間を結ぶ搬送工程で使用されるため
、吊り荷の運搬をサイクルタイム以内で処理することが
要求されるので、従来方式では減衰の影響を無視できな
い系には適用することができないものであった。

〔発明の概要〕

本発明は、かかる欠点を改善する目的でなされたもので
、クレーン制御系の基準入力をトロリの加減速駆動によ
り生じる吊り荷の振れ角速度に比例した補正量で補正す
ることにより、単振動系の振れ止め制御方式を基礎とし
て振動の減衰が無視できない系に対して高精度で振れ止
め制御を行うことができる方式を提案するものである。

〔発明の実施例〕

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する
。

第４図は、本発明の一実施例を示すブロック図である。

図中、１０は、トロリの速度、位置及び荷振れを制御す
る速度パターン信号を形成する速度パターン信号形成装
置、１２は、速度ノぞターン信号を受けてトロリの位置
、速度を制御する制御装置、１４は、吊り荷をロープで
吊り下げるトロリを有するクレー／、１６は、吊り荷の
振れ角を検出してこれを微分して振れ角速度を検出する
振れ角速度検出器である。

速度パターン信号形成装置１ｏは、走行距離、許容最大
加速度等を入力する入力装置１８と、この入力装置１８
から供給される各データに基づき制御態様を決定する加
速度切換時刻演算回路２゜と、この演算回路２ｏからの
出力信号に基づき基準加速度信号を発生する基準加速度
信号発生回路２２と、その基準加速度信号と後述する補
正量発生回路３２からの補正量とを加算する加算器２４
と、その加算出力を積分して速度パターン信号を算出す
る速度パターン信号発生回路２６と、振動系の計算機シ
ュミレーションを行って吊り荷の振れ角速度を算出する
振れ角速度演算回路２８と、この振れ角速度演算回路２
８からの角速度信号又は前記振れ角速度検出器１６から
の角速度信号が切換器３０を介して供給され、これらに
基づき減衰の影響を打ち消す補正量を算出する補正量発
生回路３２とから構成されている。この場合、補正量発
生回路３２における補正量は、以下述べるようにして決
定される。

すなわち、吊り荷が単振動を生じる場合の運動方程式及
び状態方程式は次式で表わすことができる。

■十ωｎ′θ＝α。・・・・・・・・・・・・・・・（
１）Ｘ、＝Ｘ。

ｘ、＝−ωｎｔｘ１＋α。

ココテ、ｘ、　＝θ、Ｘ、　＝　０　ωｎ　：　固有ｍ
　動数、αｏ：加速度入力である。

一方、単調減衰振動を行う吊り荷の運動方程式及び状態
方程式は次式で表わすことができる。

θ＋２ζωｎθ＋ωｎ２θ＝α１・−・・・・・・・・
・・（２）Ｘ＝Ｘ。

；ｃ２＝−ωｎ”Ｘｌ　−２ζωｆｉＸ、＋α１ここで
、ζ：減衰係数、α、：加速度入力である。

そして、上記各状態方程式から第５図（ａ）及び１）に
示す単振動系及び単調減衰振動系の状態線図を得ること
ができる。これら状態線図から明らかなように、単振動
系と単調減衰振動系との相違点は、単調減衰振動系には
、単振動系にない（−２ζωｎθ）で表わされるフィー
ドバック量の内部ネガティブ・フィード／セック・ルー
プが存在することである。

したがって、このフィードバック・ループを打ち消すこ
とにより、単振動系に対する振れ止め制御方式を基礎と
する単調減衰振動系の振れ止め制御方式を行うことが可
能となる。このため、基本的には、第６図に示すように
、単振動系の基準加速度入力α０に補正量発生器３４か
ら角速度に比例した補正量（α２＝２ζωｎδ）を加算
して、単調減衰振動系の基準加速度人力α、を得ること
により、内部ネガティブ・フィートノセック・ループの
フィートノ々ツタ量（−２ζωｎＭ）を打ち消すことが
できる。その結果、前記補正量発生回路３２では、振れ
角速度演算回路２８又は振れ角速度検出器１６かも供給
される振れ角速度すと予め設定した設定値（２・ζωｎ
）とを乗算して補正量（α２・７＝２ζωｎＭ）を得る
ようにしている。

また、制御装置１２は、速度Ａターン信号形成装置１０
の速度パターン信号が加算器３６を介して供給され、こ
れに基づきトロリの位置・速度を制御する制御回路３８
と、この制御回路３８の出力を検出してこれを加算器３
６にフィートノセックする位置・速度検出器４０とから
構成されている。

次に動作につ〜・て説明する。第７図（ａ）に示す従来
の速度ノミターンに対応した制御を行う場合は、まず、
速度パターン信号形成装置１００入力装置】８に走行距
離、許容最大加速度等のりンー７１４の駆動に必要なデ
ータを入力する。すると、このデータに基づき加速度切
換演算回路２０で加速度切換時刻を算出し−、これを基
準加速度発生回路２２に供給してこれから第７図（ｂ）
に示す基準加速度信号α。を発生させる。そして、この
基準加速度α。

と補正量発生回路３２からの補正量α２（＝２ζωｎθ
）とを加算器２４で加算して単調減衰振動を防止する第
７図（Ｃ）に示す基準加速度信号α１（−α。＋２ζω
ｎ″０）を得、これを速度パターン信号発生回路２６に
供給する。この速度パターン信号発生回路２６では基準
加速度信号α１を積分して速度パターン信号をｑ−出し
て、これを制御装置１２に供給し、クレーン１４を速度
パターン信号に応じて駆動開始する。このクレーン１４
の駆動により吊り荷が単調減衰振動を生じようとするが
、前記補正量発生回路３２で単調減衰振動を抑制する補
正量α、が基準加速度信号α。に付加されているので、
単調減衰振動を防止して、通常の単振動の振れ止め制御
と同様の振れ止め制御を行うことができる。なお、クレ
ーン１４が定速走行している間は、吊り荷の振れ角速度
が零となるので、振れ角速度検出器１６又は振れ角速度
演算回路２８の出力は零となり、このため、補正量発生
回路３２の出力も零となるので、クレーンの走行状態に
影響を与えることはない。

以上のようにしてクレーン１４を走行制御し、このとき
のクレーン系のロープ長を９．８ｍ、減衰係数ζ−０，
１、加速度αを０．２＠／ｓｅｃ”とした場合の加速区
間における吊り荷の位相面軌道を従来方式と比較して第
８図に示す。この図から明らかなように、従来方式では
曲線４２で示すように、加速区間の終端で、約０．５６
度の残留首振れが生じるのに対し、本発明方式では曲線
４４で示すように、単振動のときの軌道と同様の円軌道
となり、残留首振れは零となる。また、減速区間におい
ても、図示しないが、同様に残留首振れは零となる。

なお、上記実施例においては、振れ角速度に比例するサ
イン波形の補正量α２（＝２ζωｎｂ）で基準加速度信
号α。を補正する場合について説明したが、残留首振れ
を多少化じてもその範囲を許容首振れ角範囲内に制御す
ればよい場合には、補正量α、を第７図（ｄ）、（ｅ）
に示すように矩形波又は鋸歯状波で近似させて、制御ア
ルゴリズムを簡易イヒすることができる。この第７図（
ｄ）に示す矩形波で近似させたときの加速度入力に対す
る吊り荷の位相面軌道は、第８図において曲線４６で示
すようになり、加速区間の終端で、約０．０９度の極め
て少ない残留首振れとなっており、この近似方式によっ
ても前記実施例と略同様の作用を得ることカーできる。

また、上記実施例においては、基準力１１速度信号に補
正量を付方１］　して単調減衰振動の影響を防止する場
合について説明したか、第６図に対応する第９図に示す
ように、内部フィートノセック量に直接補正量発生器３
４の出力α２を加え合わせて摩擦力を打ち消すようにし
てもよ〜・。換言すれ（′ｆ、、摩擦による振動エネル
ギの損失分を、外音す力・ら補給することにより、吊り
荷の振動を単振動に伶１］御するようにしたもので、こ
の場合（′；！、柑）正量発生器３４がクレーンの機構
ブロック中に存在するため、前述の電気的手段に代えて
機椋的手段で実現することになる。

〔発明の効果〕 以上のように、本発明によれば、機械的摩擦等に起因す
る吊り荷の単調減衰振動の影響を、基準制御入力を振れ
加速度に比例した補正量で補正することにより、除去す
るように構成したので、単振動系の振れ止め制御方式を
基礎として振動の減衰が無視できない系に対して高精度
で振れ止め制御を行うことができる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（Ｃ）及び第２図（ａ）〜（Ｃ）は、夫
々従来方式の速度パターン、基準加速度入力及び荷振れ
の位相面軌道を示す図、第３図は、第１図の従来方式を
減衰振動系に適用した場合の位相面軌道を示す図、第４
図は、本発明の一実施例を示すブロック図、第５図（ａ
）及び（ｂ）は、単振動系及び単調減衰振動系の状態線
図、第６図は本発明の一実施例を示す状態線図、第７図
（ａ）〜（ｅ）は、本発明の詳細な説明に供する信号波
形図、第８図は、加速区間における位相面軌道を示す図
、第９図は、本発明の他の実施例を示す状態線図である
。 各図中同一部材には同一′符号を付し、ｌＯは速度パタ
ーン信号発生装置、１２は制御装置、１４はクレーン、
１６は振れ角速度検出器、１８は入力装置、２０は加速
度切換時刻演算回路、２２は基準加速度信号発生回路、
２４は加算器、２６は速度パターン信号発生回路、２８
は振れ角速度演算回路、３０は切換器、３２は補正量発
生回路、３４は補正量発生器である。 代理人　弁理士　大　岩　増　雄 （外２名） 第１図　第２図 （ａ）　（ａ） （ｂ）　（ｂ） （ｃ）　（ｃ） 第３図 第５図 （０） （ｂ） 第７図 第８図 第９図 手続補正書（自発） 昭和　鼎　１ｈ　１３日 １、事件の表示　特願昭　５８−２１１８２２号２、発
明の名称 懸垂式クレーンにお（）る振れ止め制御方式３、補正を
する者 ５、補正の対象 明細：８の光用の訂＋１１１１な説明及び図面の簡単な
説明の欄。 ６、補正の内容

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　クレーン制御系により駆動制御されるトロリに
   、吊り荷をロープで吊り下げて運搬する懸垂式クレーン
   において、前記吊り荷が単調減衰振動を生じる場合に、
   前記クレーン制御系の基準大刀を、前記トロリの加減速
   駆動により生じる吊り荷の振れ角速度に比例した補正量
   で補正することによって、振れ止め制御を行うことを特
   徴とする懸垂式クレーンの振れ止め制御方式。
2. （２）　前記補正量を、鋸歯状波、矩形波等で近似させ
   た補正量としてなる特許請求の範囲第（１）項記載の懸
   垂式クレーンの振れ止め制御方式。