KR0153559B1 - 퍼지제어를 이용한 자동운전제어방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 퍼지제어를 이용한 자동운전제어방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명에서 마이크로컴퓨터는 입력부를 통해 목표위치를 입력받으면 현재위치에서 목표위치로 움직이기 위한 속도패턴을 일차로 생성한다. 이 일차로 생성된 크레인의 호이스트와 트롤리의 속도패턴(V1, V2)에 대해 퍼지제어에 의한 새로운 속도패턴(VT, VH)을 산출하여, 크레인의 트롤리ㆍ호이스트의 속도를 제어한다. 또한, 새로운 속도패턴(VT, VH)를 검출수단에 의해 검출된 트롤리ㆍ호이스트의 현재위치, 속도, 로프의 진동각 및 외란등을 고려한 퍼지제어규칙에 의해 새롭게 보완하여 속도를 제어한다. 따라서, 본 발명은 감속시의 로프진동각을 최소화하면서 최적의 속도를 갖는 효과를 제공한다.

Description

퍼지제어를 이용한 자동운전제어방법 및 그 장치
제1도는 크레인자동운전방식의 일반적인 속도패턴을 나타낸 그래프.
제2도는 크레인상의 호이스트와 트롤리부를 개략적으로 나타낸 구성도.
제3도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 퍼지제어를 이용한 자동운전제어장치를 나타내는 블록도.
제4도는 제3도 장치에서 마이크로컴퓨터의 동작을 설명하기 위한 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
31 : 입력부 32 : 마이크로컴퓨터
33 : 퍼지제어부 34 : 퍼지의사결정부
35 : 퍼지제어규칙저장부 36,37 : 구동부
38 : 크레인 39,40 : 위치ㆍ속도측정부
41 : 외란측정부 42 : 진동각측정부
본 발명은 화물을 운반하는 콘테이너 크레인등의 운전제어시스템에 관한 것으로서, 특히 화물을 진동없이 목표위치로 운반하여 정지시키는데 있어 바람등의 외란을 고려한 퍼지추론을 통해 속도패턴을 결정하고, 그 속도패턴에 의해 운반속도를 제어할 수 있는 퍼지제어를 이용한 자동운전제어방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 화물을 실어 운반하는 콘테이너크레인(Container Crane)에서 화물이송시 이송시간을 최소화하기 위해 최대속도로 횡행운전한 후 빠르게 감속하여 화물을 내리는 목표위치에서 정확히 정지하도록 운전속도를 제어하는데 있어 종래에는 운전자의 경험을 통한 수동운전방식이 사용되었다. 즉, 화물의 진동을 최소화하면서도 이송시간을 최소화하는데 있어 운전자의 오랜 경험을 바탕으로 수동제어함으로써 운전자에게 전적으로 부담감을 주게 되고, 정확한 제어가 어려운 문제점이 있었다. 그래서, 이와같은 문제점을 해결하기 위해 자동운전방식이 제안되었다. 이 자동운전제어방식은 제1도에 도시된 바와같은 속도패턴을 사전설정해 놓고, 크레인의 빔(beam)위를 이동하는 무개차인 트롤리(Trolley)나 화물을 매달아 올리는 호이스트(Hoist)의 속도를 설정된 속도패턴에 맞추어 자동제어하는 것이다. 이 자동운전제어방식에서 설정되는 속도패턴은 종단시점에서 화물을 매달은 로프의 진동각이 0 이 되도록 기하학적수법이나 최종제어수법을 이용하여 구한다. 하지만, 이러한 자동운전제어방식은 초기진동이나 제어계진동시간, 바람과 같은 외란등의 다양한 오차요인이 존재하는 경우에 전혀 고려할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 현재위치와 목표위치를 비교하여 일차적인 속도패턴을 구하고, 이 속도패턴에 대해 퍼지연산을 통해 실제 속도패턴을 생성시켜 운전제어하며, 각 순간의 진동각, 외란, 현재위치ㆍ속도를 검출하여 이를 고려한 퍼지연산을 통해 실제속도패턴을 지속적으로 보상하여 운전제어함으로써 화물을 목표위치까지 최소한의 진동으로 운반하여 정지시킬 수 있는 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전술한 진동없이 화물을 목표위치에 이송시킬 수 있는 퍼지제어를 이용한 자동운전제어방법을 하드웨어적으로 구현할 수 있는 장치를 제공함에 있다.
이와같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 퍼지제어를 이용한 자동운전제어방법은 화물을 실어 목표위치로 운반하는 크레인상의 트롤리와 호이스트의 속도를 제어하는 방법에 있어서, 목표위치를 입력하는 단계, 현재위치에서 상기 목표위치로 움직이기 위한 일차속도패턴을 구하는 단계, 제1퍼지연산을 통해 속도패턴변화량을 산출하여 일차속도패턴에 더해서 새로운 속도패턴을 생성하는 단계, 상기 새로운 속도패턴에 맞추어 상기 트롤리와 호이스트의 속도를 제어하는 단계, 상기 트롤리와 호이스트의 현재위치와 속도를 검출하는 단계, 화물의 현재진동각을 검출하는 단계, 바람등의 현재 외란을 검출하는 단계, 상기 검출단계들로부터 검출된 현재위치와 속도, 진동각, 외란을 고려한 제2퍼지연산을 통해 보상량을 산출하여 새로운 속도패턴을 보상하는 단계, 및 상기 보상된 속도패턴에 맞추어 속도명령을 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 퍼지제어를 이용한 자동운전제어장치는 화물을 실어 목표위치로 운반하는 크레인의 트롤리와 호이스트의 속도를 제어하는 장치에 있어서, 목표위치를 입력하기 위한 입력부, 상기 크레인의 트롤리와 호이스트 각각에 대한 현재위치와 속도를 검출하기 위한 위치ㆍ속도측정부, 진동각을 검출하기 위한 진동각측정부, 바람등의 외란을 검출하기 위한 외란측정부, 상기 입력부로부터 목표위치가 인가되면 현재위치에서 목표위치로 움직이기 위한 일차 속도패턴을 구한후, 라그랑지(Lagrange's) 방정식을 시뮬레이션하여 그 결과로 구한 위치, 속도, 가속도의 에러와 에러의 변화량을 퍼지제어부로 인가하고, 퍼지제어부로부터 인가되는 속도패턴변화량을 일차속도패턴에 더해서, 새로운 속도패턴을 생성하여 그 속도패턴에 맞는 속도명령을 내보냄과 동시에 상기 측정부들로부터 각각 인가되는 현재위치, 속도, 진동각, 외란의 에러와 에러변화율을 퍼지제어부로 인가하고 퍼지제어부로부터 인가되는 보정량을 새로운 속도패턴에 더해서 그 보정된 속도패턴에 맞는 속도명령을 내보내는 마이크로컴퓨터, 퍼지제어규칙을 갖으며, 상기 마이크로컴퓨터로부터 인가되는 위치, 속도, 가속도의 에러와 에러의 변화량을 퍼지제어규칙에 적용시켜 속도패턴변화율을 산출하고, 상기 마이크로컴퓨터로부터 인가되는 현재위치, 속도, 진동각, 외란의 에러와 에러변화율을 퍼지제어규칙에 적용시켜 보정량을 산출하는 퍼지제어부, 및 상기 마이크로컴퓨터로부터 인가되는 속도명령에 응답하여 상기 트롤리와 호이스트의 모터를 구동시키는 구동부를 포함한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
제2도는 콘테이너크레인에서 화물을 감아올리는 기계인 호이스트와, 이 호이스트를 횡행이송시키는 트롤리를 개략적으로 나타낸 구성도로서, 일반적인 구성이므로 동작설명은 생략한다.
제3도는 본 발명에 따른 퍼지제어를 이용한 자동운전제어장치를 나타내는 블록도이다. 도시한 바와같이, 본 발명의 자동운전제어장치는 화물의 운반이 정지되는 위치인 목표위치(PT)를 입력하기 위한 입력부(31)와, 입력부(31)의 목표위치(PT)를 입력받아 속도패턴을 생성하는 마이크로컴퓨터(32)를 구비하고 있다. 마이크로컴퓨터(32)에는 퍼지제어부(33)가 연결된다. 퍼지제어부(33)는 속도패턴을 생성하는데 필요한 위치, 속도등의 데이타에 따른 속도패턴변화량을 산출하는 퍼지의자결정부(34)와, 퍼지제어규칙을 갖는 퍼지제어규칙저장부(35)로 이루어졌다. 마이크로컴퓨터(32)의 출력단에는 생성된 속도패턴에 맞게 크레인(38)상의 트롤리ㆍ호이스트의 이동속도를 각각 제어하는 복수개의 구동부(36,37)가 연결된다. 화물을 운반하는 크레인(38)의 트롤리ㆍ호이스트와 마이크로컴퓨터(32)사이에는 트롤리ㆍ호이스트의 현재위치와 속도를 검출하기 위한 복수개의 위치ㆍ속도측정부(39,40)가 연결된다. 마이크로컴퓨터(32)의 다른 입력단에는 바람등의 외란을 검출하기 위한 외란측정부(41)와, 로프의 진동각을 검출하기 위한 진동각측정부(42)가 연결되도록 구성된다.
이와같이 구성된 본 발명에 따른 퍼지제어를 이용한 자동운전제어장치의 동작을 좀더 구체적으로 설명한다.
우선, 입력부(31)로부터 목표위치(PT)가 입력되면 마이크로컴퓨터(32)는 다음과 같은 라그랑지(Lagrange's) 방정식을 시뮬레이션시켜 크레인(38)상의 트롤리ㆍ호이스트에 대한 일차적인 속도패턴과 위치, 속도, 가속도등을 구한다.
상기 식(1)에 대한 각 변수들은 제2도에 도시된 바와같다, 즉, θ1은 트롤리모터의 회전각도, J1은 트롤리모터ㆍ브레이크ㆍ드럼ㆍ감속기어등의 관성, b1은 트롤리모터의 드럼의 반지름, θ2은 호이스트모터의 회전각도, J2은 호이스트모터ㆍ브레이크ㆍ드럼ㆍ감속기어등의 관성, b2은 호이스트모터의 드럼의 반지름, ψ는 진동가곧, m은 트롤리와 운전실의 총무게, M은 부하ㆍ스프레더ㆍ그외 장비의 총 무게, T1은 트롤리구동모터에 의해 발생되는 운전토크, T2은 호이스트구동모터에 의해 발생되는 운전 토크, g는 중력가속도(=9.81m/s2)이다.
여기서, 진동각도 ψ가 작다고 가정하면 cosψ1, sinψψ로 들 수 있다. 상태변수 X1(트롤리위치), X2(호이스트위치), X3(진동각)과 제어변수 V1, V2를 아래와 같이 정의하면,
상기 식(1)은 다음의 식(4)로 나타내진다.
여기서,
마이크로컴퓨터(32)는 상기 식(2) 내지 식(4)을 통해서 구한 각각의 위치와 목표위치와의 에러와 에러의 변화량, 속도와 목표속도와의 에러와 에러의 변화량, 및 가속도와 목표가속도와의 에러와 에러의 변화량을 구하여 퍼지제어부(33)의 퍼지의사결정부(34)로 인가된다. 퍼지의사결정부(34)는 또한, 퍼지제어규칙저장부(35)로부터 퍼지제어규칙들을 인가받아 위치, 속도, 가속도의 에러와 에러의 변화량에 따른 최적의 속도패턴변화량(△V1, △V2)을 산출한다. 여기서 이용되는 퍼지이론은 애매모호한 정보를 수량화하여 종래의 계산방법으로 취급할 수 있도록 바꾸는 방법론으로, 요즘 많이 대두되고 있는 이론이므로 구체적인 설명은 생략한다. 마이크로컴퓨터(32)는 퍼지제어부(33)의 퍼지의사결정부(34)에서 결정된 속도패턴변화량(△V1, △V2)을 인가받아 일차적으로 생성한 속도패턴(V1,V2)에 더하여 새로운 속도패턴(VT= V1+△V1, VH= V2+△V2)을 생성한다. 마이크로컴퓨터(32)는 새롭게 생성된 속도패턴(VT, VH)에 따라서 제1 및 제2구동부(36,37)로 해당 속도명령을 내보낸다. 제1 및 제2구동부(36,37)는 마이크로컴퓨터(32)로부터 공급받은 속도명령에 응답하여 크레인(38)상의 트롤리와 호이스트의 모터를 구동시킨다. 마이크로컴퓨터(32)는 또한, 속도명령을 내보냄과 동시에 크레인상태량을 인가받는다. 즉, 제1 및 제2위치ㆍ속도측정부(39,40)는 크레인(38)상의 트롤리와 호이스트의 현재위치와 속도를 검출하여 마이크로컴퓨터(32)로 출력한다. 외란측정부(41)는 바람등의 외란을 검출하여 마이크로컴퓨터(32)로 출력하고, 진동각측정부(42)는 로프의 진동각을 검출하여 마이크로컴퓨터(32)로 출력한다. 마이크로컴퓨터(32)는 매 순간마다 입력되는 각각의 현재위치와 목표위치와의 에러와 에러변화율, 현재속도와 목표속도와의 에러와 에러변화율, 및 현재진동각과 목표진동각과의 에러와 에러변화율, 외란의 에러변화율을 구하여 퍼지제어부(33)의 퍼지의사결정부(34)로 인가한다. 퍼지의사결정부(34)는 또한, 퍼지제어규칙저장부(35)로부터 퍼지제어규칙들을 인가받아 위치, 속도, 진동각 및 외란의 에러와 에러변화율에 따른 최적의 속도패턴보정량을 산출한다. 마이크로컴퓨터(32)는 퍼지제어부(33)의 퍼지의사결정부(34)에서 결정한 속도패턴보정량을 인가받아 속도패턴(VT, VH)에 더하여 속도패턴을 초기진동이나 외란등을 고려하여 보정하며 이 보정된 속도패턴에 맞추어 속도명령을 내보냄으로써 허용가능한 진동각내에서 원하는 목표위치까지 신속히 화물을 이송가능토록 한다.
제4도는 제3도 장치에서 마이크로컴퓨터(32)의 동작을 설명하기 위한 흐름도로서, 마이크로컴퓨터(32)는 입력부(31)를 통해 목표위치(PT)를 입력받는다(단계 101). 목표위치가 입력되는 마이크로컴퓨터(32)는 제3도에서 전술한 바와같은 라그랑지(Lagrange's) 방정식을 실행시켜 일차적으로 크레인(38)상의 트롤리ㆍ호이스트의 속도패턴(V1,V2)을 생성한다(단계 102). 그런다음, 마이크로컴퓨터(32)는 라그랑지방정식을 통해 구한 위치, 속도, 가속도의 에러와 에러의 변화량을 구해 퍼지제어부(33)로 입력시켜 얻어낸 속도패턴변화량(△V1, △V2)을 일차적속도패턴(V1,V2)에 더해서 새로운 속도패턴(VT= V1+ △V1, VH= V2+ △V2)을 생성한다(단계 103). 새롭게 구한 속도패턴에 맞추어 제1 및 제2구동부(36,37)로 속도명령을 내보낸다(단계 104). 그런다음, 마이크로컴퓨터(32)는 각 측정부(39~42)로부터 트롤리ㆍ호이스트의 현재위치(X1,X2)와 속도(), 로프의 현재진동각(X3)과 각속도() 및 외란을 입력받는다(단계 105). 마이크로컴퓨터(32)는 입력받은 현재위치, 속도, 진동각, 외란의 에러와 에러변화율을 구해 퍼지제어부(33)로 입력시켜 얻어낸 속도패턴보정량을 속도패턴(VT, VH)에 더해서 속도패턴을 보정한다(단계 106). 보정된 속도패턴에 맞추어 제1 및 제2구동부(36,37)로 속도명령을 내보낸다(단계 107). 그런다음, 마이크로컴퓨터(32)는 현재위치(P)와 속도패턴상의 감속시작위치(P1)를 비교한다(단계 108). 비교결과 현재위치(P)가 감속시작위치(P1)에 도달하지 못한 경우 단계 105로 돌아가 단계를 반복수행하고, 현재위치(P)가 감속시작위치(P1)에 도달하거나 넘어선 경우 현재 진동각(θ)과 허용진동각(△θ)을 비교한다(단계 109). 비교결과 현재 진동각(θ)이 허용진동각(△θ)보다 큰 경우에는 단계 105로 돌아가 단계를 반복수행하고, 현재진동각(θ)이 허용진동각(△θ)보다 작거나 같은 경우 현재위치(P)와 목표위치(PT)를 비교한다(단계 110). 비교결과 현재위치(P)와 목표위치(PT)가 다른 경우 단계 105로 돌아가 단계를 반복수행하고, 현재위치(P)와 목표위치(PT)가 동일한 경우 종료한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 퍼지제어를 이용한 자동운전제어방법 및 그 장치에 관한 것으로 초기진동, 제어계 진동시간, 바람등의 외란을 전혀 고려하지 못하던 종래의 자동운전제어방식에 비하여 퍼지제어를 이용하여 다양한 오차요인을 고려한 속도패턴을 생성함으로써 화물을 최소한의 진동으로 목표위치까지 신속히 운반할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (5)

  1. 화물을 실어 목표위치로 운반하는 크레인의 트롤리와 호이스트의 속도를 제어하는 장치에 있어서, 목표위치를 입력하기 위한 입력부; 상기 크레인의 트롤리와 호이스트 각각에 대한 현재위치와 속도를 검출하기 위한 위치ㆍ속도측정부; 진동각을 검출하기 위한 진동각측정부; 바람등의 외란을 검출하기 위한 외란측정부; 상기 입력부로부터 목표위치가 인가되면 현재위치에서 목표위치로 움직이기 위한 일차 속도패턴을 구한 후, 라그랑지(Lagrange's) 방정식을 시뮬레이션하여 그 결과로 구한 위치, 속도, 가속도의 에러와 에러의 변화량을 퍼지제어부로 인가하고, 퍼지제어부로부터 인가되는 속도패턴변화량을 일차속도패턴에 더해서, 새로운 속도패턴을 생성하여 그 속도패턴에 맞는 속도명령을 내보냄과 동시에 상기 측정부들로부터 각각 인가되는 현재위치, 속도, 진동각, 외란의 에러와 에러변화율을 퍼지제어부로 인가하고 퍼지제어부로부터 인가되는 보정량을 새로운 속도패턴에 더해서 그 보정된 속도패턴에 맞는 속도명령을 내보내는 마이크로컴퓨터; 퍼지제어규칙을 갖으며, 상기 마이크로컴퓨터로부터 인가되는 위치, 속도, 가속도의 에러와 에러의 변화량을 퍼지제어규칙에 적용시켜 속도패턴변화율을 산출하고, 상기 마이크로컴퓨터로부터 인가되는 현재위치, 속도, 진동각, 외란의 에러와 에러변화율을 퍼지제어규칙에 적용시켜 보정량을 산출하는 퍼지제어부; 및 상기 마이크로컴퓨터로부터 인가되는 속도명령에 응답하여 상기 트롤리와 호이스트의 모터를 구동시키는 구동부를 포함하는 퍼지제어를 이용한 자동운전제어장치.
  2. 화물을 실어 목표위치로 운반하는 크레인상의 트롤리와 호이스트의 속도를 제어하는 방법에 있어서, 목표위치를 입력하는 단계; 현재위치에서 상기 목표위치로 움직이기 위한 일차속도패턴을 구하는 단계; 제1퍼지연산을 통해 속도패턴변화량을 산출하여 일차속도패턴에 더해서 새로운 속도패턴을 생성하는 단계; 상기 새로운 속도패턴에 맞추어 상기 트롤리와 호이스트의 속도를 제어하는 단계; 상기 트롤리와 호이스트의 현재위치와 속도를 검출하는 단계; 화물의 현재진동각을 검출하는 단계; 바람등의 현재 외란을 검출하는 단계; 상기 검출단계들로부터 검출된 현재위치와 속도, 진동각, 외란을 고려한 제2퍼지연산을 통해 보상량을 산출하여 새로운 속도패턴을 보상하는 단계; 및 상기 보상된 속도패턴에 맞추어, 속도명령을 출력하는 단계를 포함하는 퍼지제어를 이용한 자동운전제어방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 속도패턴보상단계는 상기 검출된 현재위치가 해당속도패턴의 감속시작위치에 도달하지 못한 경우에는 속도패턴을 재보상하는 것을 특징으로 하는 퍼지제어를 이용한 자동운전제어방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 속도패턴보상단계는 상기 검출된 진동각이 사전설정된 허용진동각내에 포함될 때까지 속도패턴을 재보상하는 것을 특징으로 하는 퍼지제어를 이용한 자동운전제어방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 속도패턴보상단계는 상기 검출된 현재위치가 상기 목표위치가 될 때까지 속도패턴을 재보상하는 것을 특징으로 하는 퍼지제어를 이용한 자동운전제어방법.
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