JPS6327393A - クレ−ンの制御方法 - 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】 〔産業上の利用分野］ ；ト発明はクレーンの制御方法に係り、詳しくは、吊荷
を目標位置へ移動させる間、荷振れの抑制と到達時間の
短縮を図ることができるようにしたクレーンの位置およ
び振れ止め制御に関するものである。

〔従来技術〕

ロープ懸垂式のクレーンにおいて採用される振れ止め制
御方式には、大きく分けると以下の２柾類がある。１つ
は、目標（車止位置にて吊荷の（辰れが止まる加減速パ
ターンを事前に求めておき、これをプログラム的に与え
るプログラム制御方式であり、他は、吊荷の振れ角をフ
ィードバンクすることによって、振れ止めを実現するフ
ィードバンク制御方式である。

前者は、予め吊荷の特性を把握して吊荷の動きを多側し
、目標（、ｆ正位置にて振れが出ないようにする。これ
は、吊荷の動きが一般的に吊索長によって特徴づけられ
るため、第１３図に示す速度制御器３１とクレーン駆動
器３２とにプログラム発生器３３を加えた構成となる。

すなわち、プログラム発生器３３は、吊索長と移動距離
によって目標停止位置で吊荷の振れが止まる加減速パタ
ーンを有し、時間の経過とともにクレーンの速度指令信
号から検出速度信号を減する減算器３４に出力するよう
になっている。そのプログラム発生器３３により出力さ
れる代表的パターンは、例えば第１４図のようになる。

なお、速度制御器３１はプログラム発生器３３より出力
される速度指令信号とクレーン速度信号とを比較し、ク
レーン速度が速度指令に従うようクレーン駆動器３２に
対し制御信号を出力する。以上の説明から判るように、
プログラム制御方式は荷振れに対して本質的に開ループ
の制御方式である。

上述した後者のフィードバック制御方式は、第１５図に
示される構成となる。すなわち、現在のクレーン位置と
目標停止位置との差を計算し、位置制御器４１に入力す
る。位置制御器４１はクレーンが目標停止位置にくるよ
う出力信号を出す。

振れ止め制御器４２は、吊荷の振れ角が０度になるよう
出力信号を出す。加算器４３にて位置制御器４１の出力
信号と振れ止め制御器４２の出力信号が加算され、クレ
ーン駆動器４４の操作信号とされる。すなわち、吊荷の
位置および振れ角のフィードバンク制御となっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記したプログラム制御方式は、多（の研究によって種
々の方法が発表されているが、本質的に開ループ制御で
あるため、吊荷の特性の把握が不充分な場合や外乱が加
わった場合、目標停止位置での振れ止め１１度が悪くな
る欠点がある。すなわち、外乱としては荷を吊上げる時
の初期荷振れや風による外乱、また、船舶搭載のクレー
ンの場合には船の傾きによる外乱などが考えられる。さ
らに、第１６図に示されるデツキクレーンの場合、クレ
ーンの俯仰角ψの変化にともない吊索４５の長さが変化
するため、事前に複雑な計算を必要とする。また、第１
７図に示される対向クレーンによる２点吊りの場合、吊
荷４６の動きは２本の吊索４５ａ、４５ｂの長さ、吊荷
４６の重心位置や慣性モーメントさらには質量などによ
って変わるため、吊荷の動きを事前に把握してクレーン
速度のパターンを決定するのは不可能である。したがっ
て、プログラム制御方式は吊荷やクレーンの作動状況に
より使用が制限される。

これに対してフィードバック制御方式は、振れ角をフィ
ードバックするため、プログラム制御方式に比べ外乱に
強く、また対象が明確でない場合も制御不可能になるこ
とはない。したがって、デツキクレーンや対向２点吊り
クレーンのように吊荷の動きを事前に把握しにくい場合
にフィードバック方式を採用することになるが、位置制
御系と振れ止め制御系が強く干渉しあい、収束が遅くな
るという問題点がある。例えば、位置制御系と振れ止め
制御系とをともに強めておくと、目標位置へ向かって加
速しているときには荷振れが後向きに発生するため、振
れ止め制御によってクレーンが減速されてしまう。また
、振れ止め制御の効果を上げるために振れ止め制御を位
置制御より強めておくと、目標停止位置の近傍で減速し
ているときに荷振れが前向きに発生し、これを抑えるた
めにクレーンが前進して、位置制御の収束性が悪くなる
という性質も存在する。以上より判るように、振れ止め
制御と位置制御とは一方を強めれば他方の制御の収束性
を損なう問題がある。

本発明は上記の問題に鑑みなされたもので、その目的は
、フィードバック制御方式において振れ止め制御と位置
制御をともに働かせながらも、相互の干渉を減らずこと
により、目標位置へ移動させる間の荷振れの抑制と到達
時間の短縮を図ることができるようにしたクレーンの（
立置および１辰れ止め制御方法を提供することである。

〔問題点を解決するだめの手段〕

本発明の特徴とするところは、以下の通りである。第１
の発明にあっては、吊荷の位置制御と振れ止め制御をフ
ィードバック制御方式により行なうローブ懸垂式クレー
ンの制御方法において、検出された振れ角θと振れ角の
微分値を含む評価関数Ｉｐを演算し、 その評価値Ｉｐｃが設定値１ｐｏより大きくなると、振
れ止め制御ゲインＫｆを増大させると共に位置制御ゲイ
ンＫｉを減少させ、 前記評価値１ｐｃが設定値■ρ０に向けて小さくなると
、位置制御ゲインＫｉを増大させると共に振れ止め制御
ゲインＫｆを減少させるようにしたごとである。

第２の発明にあっては、吊荷が移動を開始しその目標停
止位置までの距離が所定距離Ｌｏ以内になるまるでは、
振れ止め制御ゲインＫｆを小さく設定しておくと共に位
置制御ゲインＫｉを大きく設定しておき、 吊荷が前記所定距離ＬＯに到達するまでの間に、吊荷の
１辰れ角θを検出すると共にその１辰れ角θと振れ角の
微分値を含む評価関数１ｐを演算し、その評価値Ｉ　ｐ
ｃが設定値Ｉｐｏより大きくなると、振れ止め制御ゲイ
ンＫｆを増大させると共に位置制御ゲインＫｉを減少さ
せ、評価値ｒ　ｐｃが設定値Ｉｐｏに向けて小さくなる
と、位置制御ゲインＫｉを増大させると共に振れ止め制
御ゲインＫｆを減少゛させ、 吊荷が前記所定距離Ｌｏ以内に入り目標停止位置に近づ
いたとき、振れ止め制御ゲインＫｆを大きく設定してお
くと共に位置制御ゲインＫｉを小さく設定しておき、振
れ角評価値Ｉｐｃにより位置制御ゲインＫｉと振れ止め
制御ゲインＫｆとを増減させるようにしたことである。

〔発明の効果〕

第１の発明にあっては、評価値が設定値より大きくなる
と振れ止め制御ゲインを増大させ、評価値が小さくなる
と位置制御ゲインを増大させるようにしたので、吊荷の
振れ幅が小さい時には位置制御を優先させ、振れ幅が大
きい時には振れ止め制御を優先させることができる。そ
れによって、振れ止め制御と位置制御との干渉を減らし
、目標停止位置に至る間までの荷振れ抑制と到達時間の
短縮を図ることができる。

第２の発明にあっては、第１の発明の構成に加えて、吊
荷が目標停止位置の手前の所定距離に到達するまでは、
位置制御ゲインを大きく設定しておき、吊荷が所定距離
以内に入ったとき振れ止め制御ゲインを大きく設定する
ようにしたので、吊荷が所定距離に到達するまでは移動
が速められ、目標停止位置近傍においては荷振れの抑制
が優先される。したがって、目標停止位置近傍までは吊
荷が迅速に移動し、目標停止位置の近傍においては吊荷
を確実にしかも短い時間で降ろすことができる。

〔実　施　例〕

以下に本発明を実施例をもとに詳細に説明する。

第１図は本発明の実施例の構成ブロック図で、吊荷の位
置制御と振れ止め制御をフィードバック制御方式により
行なう。吊荷を移動させるためのクレーンの旋回、俯仰
または走行などと吊索の巻上げ巻下げなどを行なうだめ
の駆動装置の作動を指令するクレーン駆動器Ｉと、位置
制御器２と振れ止め制御器３と加算器４とが設けられて
おり、さらに、振れ月評価計算器５と可変ゲイン計算器
６が設置されている。これは、振れ月評価計算器５で吊
荷の１辰れ角θをもとにその振れ角と１辰れ角の微分値
を含む評価関数を演算し、可変ゲイン計算器６において
そのｉＳ！価値に見合った制御ゲインを決定するように
なっている。なお、位置制御器２と振れ止め制御器３に
は、クレーン位置検出器７や振れ角検出器８からの信号
が所望値となるように通常の比例積分微分制御（ＰＩＤ
制御）や比例微分制御（ＰＤ制御）などが採用されてい
る。

本発明の思想を節Ｑ４に述べると、吊荷の振れ角θの評
価関数を導入し、その評価値が高いすなわち振れ幅が大
きい時には振れ止め制ｆｆｆｌｌのゲインを大きくする
一方、位置制御のゲインを小さくすることによって、振
れ止めを優先して行なわせる。

逆に、評価値が低いすなわち振れ幅が小さい時には、振
れ止め制御のゲインを小さくして、位置制御のゲインを
大きくすることにより、位置制御を優先させるようにし
たものである。それによって、振れ止め制御と位置制御
との干渉を減らし、目標停止位置に至る間までの荷振れ
抑制と到達時間の短縮を図るために、優先させるべき制
御を増強するようにしているのである。

ここで、振れ角θの評価関数について説明する。

一般に荷振れの微分方程式は次式で表わされる。

θ：吊荷の１辰れ角、■：クレーン速度！：吊索長、　
　　ｇ：重〕Ｊ加速度 これに対し、振れ止め制御として理想的に次式でフィー
ドバックを行なったとする。

なお、Ｋｆ：比例ゲイン　　Ｔｏ：？６分時定数θの微
分方程式は次式となる。

この時、θの振動解の解析解は、以下の式で表される。

−・−（４） ＣＩ、Ｃ２：初期値によって決まる定数ここて、評価関
数１ｐとして次式を考える。

−−一−・−（５） （４）式を（５）式に代入すると、 ・−−−−（６） Δ；定数 となる。したがって、Ｉｐは時間に関して単調減少関数
となり、その値は（４）式からも明らかなようにθの振
幅に対応する係数 の２乗に比例している。

すなわち、荷振れ評価関数１ｐとして（５）式を採用す
るならば、このＩｐはその時刻での荷振れ角の振幅の２
乗を表わしている。したがって、このＩｐによって荷振
れ角の大小を判断することが可能となる。その結果、ご
の評価関数値を利用して各制御系のゲインを決定すれば
よい。

なお、振れ角の評（西関数として、例えば、１ｐ−θ　
　　　　−・−（７） も考えられる。この評価関数は極めて単純な構成であり
、振れ角θが小さくなった時に評価値も小さくなる。し
かし、荷振れが停止し振れ角が０度で安定している状態
と、振動を継続中に一時的に振れ角が０度となる状態と
を判別することは不可能である。したがって、この評価
関数によって振れ止め制御・位置制御のゲインを変える
と、次の問題点が発生する。すなわち、吊荷の振動中−
時的に振れ角が０度となったとき、評価値が減少するた
め、位置制御のゲインが上って、位置制御を優先させる
状態となるが、吊荷の現在の振れ方向と目標位置方向と
が逆であると、位置制御によって振れ角が増幅されてし
まう。しかし、評（ｉｌｌ＋関数が（５）式の場合、あ
る時刻での荷振れ角が０度であっても振動中である限り
は振れ角θの微分値がＯでない値を持っているため、評
価関数は振動が停止しないかぎりＯとならない、したが
って、（５）式の評価関数を採用すると、（７）式の評
価関数を採用した■、？生じるような問題は起こらない
。

再び、構成の説明に戻る。振れ月評１西計算器５は第２
図に示す通りであり、撮れ角検出器８　〔第１図参照〕
で検出された振れ角θと振れ角の微分値ｄθ／ｄｔを含
む評価関数ｒｐを計算する。その回路には擬似微分器９
があり、振れ角θの微分信号ｄθ／ｄｔを出力する。乗
算器１０，１１゜１２が設けられていて、 定数乗算器１３，１４．１５で使用する定数は、（５）
式からも明らかなように吊索長や振れ止め制御系のゲイ
ンに応じて変えるべきであるが、定数ｋａ’、　ｋｂ、
　ｋｃのまま使用しても実用上全く問題のないことが本
発明者らの研究により確認されている。

加算器１６で加算された上述の評価関数１ｐの評価値１
　ｐｃが、予め設定されている設定値１ｐｏより大きく
なると、可変ゲイン計算器６は第３図（ａ）の実線矢印
′：Ｖ１のように振れ止め制御ゲインＫｆを増大させる
と共に、第３図（ｂ）の実線矢印Ｎのように位置制御ゲ
インＫｉを減少させる。もちろん、評価値Ｉｐｃが大き
くなっている状態から設定値１　ｐｏに向けて小さくな
ると、破線矢印Ｑのように位置制御ゲインＫｉを増大さ
せると共に、破線矢印Ｒのように振れ止め制御ゲインＫ
ｆを減少させる。その構成は第４図に示すようなもので
、振れ止め制御ゲイン増減器１７および位置制御ゲイン
増減器１８を有する。すなわち、両増減器１７．１８に
よって振れ角が小さい時は位置制御を中心に、振れ角が
大きい時は振れ止め制御を中心にクレーンを作動制御す
ることが可能となり、振れ止めと位置制御の協働状態に
おいて他方の制御の収束性を損なうようなことが回避さ
れるのである。

以上述べたような溝底からなる制御装置を備えたクレー
ンの作動を、第５図に示すフローチャートを参照しなが
ら説明する。まず、クレーンが動き始めると、機械的ま
たは光学的さらには電磁的な方法により、吊荷の１辰れ
角θが時々刻々検出され〔ステップｌ、以下３１などと
記す〕、それが振れ月評価計算器５に入力される。その
振れ角θと検出中の時間経過から振れ角θの微分値ｄθ
／ｄｔが演算され〔Ｓ２〕、評価関数■ρの評価値■ρ
（二が算出される〔Ｓ３〕。その評価値１ｐｃが設定値
１ｐｏより大きければ（Ｓ４）、振れ止め制御ゲイン増
減器１７により振れ止め制御ゲインＫｆを例えば評価値
ｒｐｃの増加に比例して増大させる一方、位置制御ゲイ
ン増減器１８により位置制御ゲインＫｉを評価値１ｐｃ
の増加に比例して減少させる〔Ｓ５〕。その結果、振れ
角θが大ぎくなっていた吊荷の振れ止め制御が、吊荷の
目標停止位置への移動制御よりも優先して行なわれる。

なお、評価値ｒ　ｐｃ、が設定値１　ｐｏより小さい間
は、当初から設定されているＫｆｏ、Ｋｉｏ（第３図（
ａ）、（ｂ）参照〕が採用される〔Ｓ６〕。

第６図（ａ）、　　（ｂ）は本発明に基づく方法と従来
の方法による制御効果の比較を示す。本発明による方法
が実線であり、１辰れ角θが大きい時に振れ止め制御を
位置制御より優先させていることが確認できる。従来の
方法は、位置と振れを同時に制御しようとして互いに干
渉し、破線のように収束が遅くなっている。第７図は上
からみた時の吊荷のＩＰＩＬ跡を示し、（ａ）は本発明
に基づくもので（ｂ）は従来の方法によるものである。

この例は、２台のｘ−ｙ方向に自由に動くクレーンにて
１つの長尺な吊荷を扱った場合であり、矢印Ｕ方向の初
期荷振れを持った状態から目標停止位置Ａ。

Ｂで吊荷を停止させる場合である。なお、実線が吊荷端
部の＠Ｌ跡を表わし、破線が一定時間間隔での吊荷の姿
勢を表わしている。ちなみに、前記した第６図（ｂ）は
第７図（ａ）、　　（ｂ）における左側クレーンの図の
上下方向について時系列で表したものである。第７図（
ａ）、　　（ｂ）から明らかなように本発明の制御によ
れば、半分以下の時間で良好に制御されていることが判
る。したがっ”ζ、本発明によれば、ライ−ドパツク制
御方式において振れ止め制御と位置制御とをともに励か
せながらも、相互の干渉を減らし、目標位置への到達お
よび停止させるまでの荷振れの抑制と到達時間の短縮を
図ることができる。

第８図は異なる発明における可変ゲイン計算器のブロッ
ク図で、第９図（ａ）、　　（ｂ）で示すように、クレ
ーンが目標位置に向かって移動している途中と目標位置
近傍に到達した時とで、対応する振れ止め制御ゲインＫ
ｆと位置制御ゲインＫｉとを変えるようにしたものであ
る。これによって、振れ止め制御を目標位置近傍で特に
葉中的に作用させることが可能となる。そのために、吊
荷が移動を開始し目標停止位置までの距離が所定距離Ｌ
ｏ以内になるか否かにより、振れ止め制御ゲインＫｆを
変更する振れ止め制御ゲイン変更器１９と、位置制御ゲ
インＫｉを変更する位置制御ゲイン変更器２０とが設け
られている。そして、吊荷の目標停止位置までの距離が
前記所定能ＲＬｏに到達するまでの間に、吊荷の振れ角
と振れ角の微分値を含む評価関数１ｐを演算し、その評
価値ｒ　ｐｃが設定値Ｉ　ｐｏより大きくなると、第１
０図（ａ）。

（ｂ）のように、振れ止め制御ゲインＫｆを増大゛させ
る振れ止め制御ゲイン増大量決定器２１と、位置制御ゲ
インＫｉを減少させる位置制御ゲイン減少量決定器２２
とがある。上述の振れ止め制御ゲイン変更器１９と位置
制御ゲイン変更器２０との後には、加算器２３と減算器
２４が介在され、各制御ゲインＫｉ、Ｋｆを第１１図（
ａ）、（ｂ）のように変えることができる。その結果、
クレーンが目標停止位置から大きく離れている時、振れ
止め制御ゲインが小さく位置制御ゲインが大きい状態に
あるが、そのようなときでも必要に応じて振れ止め制御
が増強され、クレーンの移動を早めることによる弊害を
抑えて吊荷の姿勢を修正することができる。

このような構成の制御装置による作動を、第１２図に示
すフローチャートを参照しながら説明する。吊荷を吊り
上げクレーンが移動を開始する。

クレーンの移動距離がクレーン位置検出器で時々刻々検
出され（３２１）、可変ゲイン計算器に入力される。そ
の目標停止位置までの検出距離Ｌｒが予め設定されてい
る距離、例えば目標停止位置まであと１０％の距離を残
す地点Ｌｏにまで到達していなければ、（Ｓ２２）、ｌ
ｉれ止め制御ゲインがＫｆｏなる小さい値に設定される
と共に、位置制御ゲインがＫｉｏなる大きい値〔第９図
（ａ）、　　（ｂ）参照〕に設定される（３２３）。そ
して、吊荷が前記所定距離Ｌｏに到達するまでの間、吊
荷の振れ角θが検出され（３２４）、その振れ角θと振
れ角の微分値を含む評価関数１ｐが演算される〔Ｓ２５
〕。その評価値■ρＣが設定値１ｐｏより大きくなると
（Ｓ２６）、振れ止め制御ゲインＫｆが振れ止め制御ゲ
イン増大量決定器２１で演算されたΔＫｆだけ増量され
る一方、位置制御ゲインＫｉが位置制御ゲイン減少量決
定器２２で演算されたΔＫｉだけ減量される（３２７）
。その結果、吊荷が所定能ＲＬｏに到達するまでは、主
として移動速度を大きくする制御がなされ、その間に修
正を必要とするほど大きい振れ角が出たときのみそれに
対応した振れ止め制御が行なわれる。

クレーンが移動を続けて目標停止位置の所定距離Ｌｏ以
内に入ると（Ｓ２２）、振れ止め制御ゲインが目標停止
位置までの距離にしたがい順次大ぎい値に設定されると
共に、位置制御ゲインが逆に順次小さい値〔第９図（ａ
）、　　（、ｂ）参照〕に設定される（　３２８）。そ
の結果、残存距離における移動速度は低下するが、荷振
れが抑制されるので、目標停止位置へ吊荷を降ろすのが
正確に行なわれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明におけるフィードバック制御の構成ブロ
ック図、第２図は振れ月評価計算器のブロック図、第３
図（ａ）、　　（ｂ）は評価値に対する振れ止め制御ゲ
インと位置制御ゲインの増減図、第４図は可変ゲイン計
算器のブロック図、第５図は制御ゲイン増減のフローチ
ャート、第６図（ａ）、　　（ｂ）は振れ角と吊荷位置
の収束性を従来のフィードバック制御と比較したタイム
チャート、第７図（ａ）および（ｂ）は２基のクレーン
による２点吊りの場合に、禾発明および従来のフィード
パツク制御を通用した位置制御の収束状況説明図、第８
図は異なる発明における可変ゲイン計算器のブロック図
、第９図（ａ）、　　（ｂ）は吊荷の移動距離による制
御ゲインの変更図、第１０図（ａ）、　　（ｂ）は荷振
れがあった場合の制御ゲインの増大量または減少量決定
図、第１１図（ａ）。 （ｂ）は評価値に対する振れ止め制御ゲインと位置制御
ゲインの増減図、第１２図はフローチャート、第１３図
は従来技術におけるプログラム制御方式のブロック図、
第１４図はプログラム制御方式におけるプログラム発生
器からのクレーン速度の出力を示すタイムチャート、第
１５図は従来技術におけるフィードバンク制御方式のブ
ロック図、第１６図はデツキクレーンの概略図、第１７
図は対向２点吊りデツキクレーンの概略図である。 θ−・振れ角、Ｉｐ・−評価関数、Ｉｐｃ−評価値、Ｉ
　ｐｏ−設定値、Ｋ　ｆ−・振れ止め制御ゲイン、Ｋｉ
−位置制御ゲイン。 特許出願人　　　川崎重工業株式会社 代理人　弁理士　吉村勝俊（ほか１名）第３　図 （ａ）　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）Ｉｐｏ　　
　　　　Ｉｐｃ　　　　　　ｌｐｏ　　　　　ＩｐｃＮ
４図 第　５　図 木　　　　第６図 Ｕへ 。八 第８図 第９図 第１０図 第１１図 （ａ）　　　　　　　　　（ｂ） ｌｐｏ　　　　　Ｉｐｃ　　　　　　ｌｐｏ　　　　　
ｌｐｃ第１６図 第１７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）吊荷の位置制御と振れ止め制御をフィードバック
   制御方式により行なうロープ懸垂式クレーンの制御方法
   において、 検出された振れ角と振れ角の微分値を含む評価関数を演
   算し、 その評価値が設定値より大きくなると、振れ止め制御ゲ
   インを増大させると共に位置制御ゲインを減少させ、 前記評価値が設定値に向けて小さくなると、位置制御ゲ
   インを増大させると共に振れ止め制御ゲインを減少させ
   るようにしたことを特徴とするクレーンの制御方法。
2. （２）吊荷の位置制御と振れ止め制御をフィードバック
   制御方式により行なうロープ懸垂式クレーンの制御方法
   において、 吊荷が移動を開始しその目標停止位置までの距離が所定
   距離以内になるまるでは、振れ止め制御ゲインを小さく
   設定しておくと共に位置制御ゲインを大きく設定してお
   き、 吊荷が前記所定距離に到達するまでの間に、吊荷の振れ
   角を検出すると共にその振れ角と振れ角の微分値を含む
   評価関数を演算し、その評価値が設定値より大きくなる
   と、振れ止め制御ゲインを増大させると共に位置制御ゲ
   インを減少させ、評価値が設定値に向けて小さくなると
   、位置制御ゲインを増大させると共に振れ止め制御ゲイ
   ンを減少させ、 吊荷が前記所定距離以内に入り目標停止位置に近づいた
   とき、振れ止め制御ゲインを大きく設定しておくと共に
   位置制御ゲインを小さく設定しておき、振れ角評価値に
   より位置制御ゲインと振れ止め制御ゲインとを増減させ
   るようにしたことを特徴とするクレーンの制御方法。