KR100237149B1

KR100237149B1 - 현수하중 안정제어장치

Info

Publication number: KR100237149B1
Application number: KR1019970058884A
Authority: KR
Inventors: 다카시 도요하라; 스스무 고노; 히로미츠 호시나
Original assignee: 마스다 노부유키; 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1997-11-08
Publication date: 2000-03-02
Also published as: JPH10139369A; EP0841294B1; MY125688A; DE69730798T2; DE69730798D1; SG67435A1; KR19980042223A; EP0841294A3; EP0841294A2; TW380115B; HK1010533A1

Abstract

트롤리(12)는 로프(13)에 의하여 하중(14)을 매달고 있는 동안에 레일(11)을 따라서 이동된다. 트롤리(12)는 트롤리위치(x1)를 검출하기 위한 트롤리 변위 검출기(21), 트롤리속도(x2)를 검출하기 위한 트롤리 속도검출기(22), 및 현수하중(14)의 스윙변위(x3) 및 스윙속도(x4)를 검출하기 위한 스윙 움직임검출기(23)를 가진다. 제어장치(26)는 검출된 값(x1, x2, x3, x4)에 기초하여 속도명령(u)을 야기시킨다. 속도명령(u)에 응하여 트롤리 구동장치(15)는 트롤리(12)를 주행시키도록 구동된다. 트롤리가 제어장치(26)의 제어에 의하여 목표위치로 이동될 때, 트롤리가 설정속도를 따르고 있는 동안 현수하중을 안정시키기 위한 제어는 제어의 전반부에서 수행된다. 트롤리(12)가 목표위치에 접근됨에 따라 트롤리를 위치결정시키고 현수하중을 안정시키기 위한 제어는 수행된다. 따라서, 현수하중의 스윙은 목표위치에서 뿐만아니라 트롤리의 이동시에도 줄어들게 된다.

Description

현수하중 안정제어장치

본 발명은 크레인에서 현수하중의 안정(즉, 스윙멈춤)을 위한 제어를 수행하는 현수하중 안정제어장치에 관한 것이다.

종래기술의 현수하중 안정제어장치는 전체 구조를 도시하는 도 5, 제어장치의 블록선도인 도 6, 및 제어특성을 도시하는 도 7을 참조하여 설명된다.

도 5에 도시된 바와같이 트롤리(012)는 트롤리 구동장치(015)의 구동동작에 의하여 레일(011)상에서 이동된다. 트롤리(011)로부터 로프(013)가 매달리고, 트롤리(011)는 로프(013)의 단부에 현수하중(014)을 부착시킴으로써 현수하중(014)을 운반시킨다.

트롤리(012)는 트롤리 위치(x1)를 검출하는 트롤리변위 검출기(021), 트롤리속도(x2)를 검출하는 트롤리 속도검출기(022), 및 스윙변위(x3)와 스윙속도(x4)를 검출하는 스윙움직임 검출기(023)를 구비한다.

스윙 움직임 검출기(023)는 수직 아래쪽으로 트롤리(012)상에 장착되는 카메라에 의하여 현수하중(014)에 부착되는 마커를 촬영하여 촬영된 화상을 처리하고, 이에따라 스윙변위(x3) 및 스윙속도(x4)을 검출하는 타입의 검출기이다.

검출된 트롤리위치(x1), 트롤리속도(x2), 스윙변위(x3) 및 스윙속도(x4)는 제어장치(026)로 보내진다. 제어장치(026)는 붙박이 최적제어부(032)(도 6참조)에 의하여 위치결정 최적제어연산(이하 설명됨)을 수행하며, 속도명령(u)을 야기한다. 이러한 속도명령(u)하에서, 트롤리 구동장치(015)는 트롤리(012)를 이동시키도록 구동된다.

그러한 크레인에서 자동주행이 수행될 때, 지시된 목표위치에 정확하게 현수하중(014)을 위치시키기 위한 제어를 구체화시킬 필요가 있다.

크레인은 보기-진자 시스템과 같은 모델일수 있으며, 그러한 모델로 현수하중의 위치결정이 최적 레귤레이터에 의한 피드백 제어에 따라서 트롤리를 구동시킴으로써 인식될수 있다는 것이 공지된다.

도 6 및 도 7을 참조하여 크레인의 최적제어 방법이 개시된다. 이러한 제어는 다음의 제어규칙(수학식 1)에 따라 작동량(본 실시예에서 트롤리에 대한 속도명령(u))을 계산하는 제어장치(026)의 최적제어부(최적 레귤레이터)(032)에 의하여 수행된다.

u = Kx

여기에서, x는 이하 설명될 상태량 벡터를 나타내며, 상태량 벡터의 각각의 요소는 좌에서 우의 순서대로, 트롤리위치(x1), 트롤리속도(x2), 현수하중의 스윙변위(x3) 및 스윙속도(x4)이다.

즉, x는 다음 수학식 2로 표시된다.

x = [x1 x2 x3 x4]^T

나아가서, K는 수학식 3에 표시된 4열의 이득 벡터를 나타낸다.

K = [k1 k2 k3 k4]

상기 이득벡터(K)는 다음의 과정에 의하여 결정되는 최적 이득이다.

(a) 도 5에 도시된 트롤리-진자 시스템 이동모델에 대하여 공식화되는 이동방정식으로부터, 상태방정식(수학식 4)이 도출된다. 이러한 상태방정식은 스프링-매스 시스템으로서 현수하중(014)의 진동을 표현하는 선형미분 방정식이다. 유도방법을 포함해서, 상태방정식에 대한 설명은 생략된다.

여기에서, u와 x는 각각 상기 작동량과 상태량 벡터를 나타내며, A는 4행 4열의 변환 매트릭스를 나타내고, B는 4행 1열의 드라이브 매트릭스를 나타낸다.

(b) 상기 상태방정식(수학식 4)에 대하여, 다음의 수학식 5의 평가함수(J)를 최소화하는 수학식 6의 최적 이득(K)이 획득된다.

여기에서, Q 는 4행 4열의 웨이팅 매트릭스이며, r은 웨이팅 계수를 나타낸다.

u = Kx

평가함수(J)를 최소화시킴에 의하여, 최적이득(K)은 가장 작은 가능 작동량(속도 명령)(u)으로써 상태량의 모든 요소를 0으로 빠르게 감소시킨다는 것이 발견된다. 상기 설명된 연산에 의하여 획득되는 최적이득(K)에 기초하여, 제어연산장치(026)는 검출기(021, 022, 023)에 의한 이동상태량의 곱과 최적이득(K)의 합에 의하여 최적작동량을 결정한다. 제어연산장치(026)는 트롤리구동장치(015)에 대한 제어명령신호(속도명령(u))로서 최적작동량을 산출한다. 신호에 따라 이러한 장치를 구동시킴으로써, 최적 제어는 수행된다.

이때에 트롤리(012)상의 위치신호인풋(트롤리위치(x1))은 트롤리목표위치(pset)에 대한 위치와 같은 피드백으로 주어지며, 이에따라 트롤리(012)는 목표위치에 위치결정될 수 있다. 동시에 현수하중(014)은 안정될수 있다. 따라서, 현수하중(014)은 주어진 목표위치로 옮겨질수 있다.

그러한 제어가 최적 레귤레이터에 의하여 수행될 때, 트롤리는 목표위치가 변경되는 상태에서 정지상태로부터 이동된다. 이러한 경우에 제어의 초기상태에서, 트롤리 위치는 목표위치로부터 떨어지게 된다. 그러므로 상태량과 같은 트롤리의 상대위치(x1)는 또 다른 상태량과 비교하여 큰 값을 취한다. 작동량으로서의 속도명령(u)은 또한 제어시작직후 큰 값을 또한 취한다. 제어시작직후의 속도명령(u)은 도 7에서 점선으로 도시된다(시간 0으로부터 T2까지).

한편, 초기상태에서의 트롤리는 속도가 0이다. 실제 크레인에서 트롤리의 가속도 및 속도는 또한 제한된다. 이것은 제어의 초기상태에서 최대가속시의 가속도(시간 0으로부터 T1까지) 및 최대속도에서의 이동(시간 T1으로부터 T2 까지)을 필요로 한다. 이러한 경우에 트롤리속도(x2)는 도 7에 실선으로 표시된다.

트롤리속도의 이러한 상태는 트롤리가 목표위치에 정확하게 도달되는 데에는 효과적이지만, 현수하중의 스윙상태에 피드백이 작용되지 않은 상태이다. 결과적으로 트롤리가 가속됨으로써 발생된 스윙이 계속되는 동안 목표 위치에 접근된다.

이것은 트롤리의 이동시 안전성을 악화시킬 뿐만아니라 위치결정을 위한 고정시간을 더 걸리게 하며, 이에따라 취급효율을 저하시키는 중대한 문제점을 가지게 한다.

본발명은 이러한 환경하에서 성취된다. 본발명의 목적은 종래기술의 최적제어에 더하여, 트롤리가 소정의 속도명령을 따르고 있는 동안에도 안정제어를 수행하기 위한 최적제어를 실행하는, 또한 주행상태에 따라 이들 2가지 제어방법 사이에서 전환되기 위한 전환장치를 가지는 현수하중 안정제어장치를 제공하는 것이다.

상기 문제점의 해결책인 본발명의 현수하중안정 제어장치는,

로프부재에 의하여 하중을 매달고 있는 크레인에서 트롤리의 이동상태량을 검출하기 위한 트롤리 이동상태량 검출기;

트롤리에 의하여 매달린 하중의 이동상태량을 검출하기 위한 현수하중 이동상태량 검출기; 및

각각의 검출기로부터 도입되는 검출신호에 기초하여 현수하중의 안정제어를 수행하기 위한 제어장치;를 포함하며,

이 제어장치는,

일정한 설정속도를 따라 조절되는 최적이득에 기초하여 최적작동량으로 트롤리를 구동시키며 이에따라 안정제어를 수행하기 위한 속도추종 최적제어부;

일정한 목표위치에 트롤리를 위치시키기 위해서 조절되는 최적 이득에 기초하여 최적작동량으로 트롤리를 구동시키며 이에따라 안정제어를 수행하기 위한 위치결정 최적제어부; 및

트롤리를 구동시키기 위해서, 트롤리의 주행상태량에 기초하여 속도추종 최적제어부 또는 위치결정 최적제어부를 선택하기 위한 주행상태 제어선택부;를 포함한다.

트롤리 이동 상태량 검출기는 트롤리 위치를 검출하기 위한 트롤리 변위 검출기 및 트롤리 속도를 검출하기 위한 트롤리속도 검출기를 포함한다.

현수하중 이동상태량 검출기는 현수하중의 스윙변위 및 스윙속도를 검출하기 위한 스윙이동 검출기이다.

주행상태 제어선택부는 다음과 같이 구조될수 있다. 목표위치에 대한 트롤리의 상대위치가 설정값보다 클 때, 주행상태 제어선택부는 트롤리를 구동시키기 위해서 속도 추종 최적제어부를 선택한다. 한편, 목표위치에 대한 트롤리의 상대위치가 설정값보다 작을 때, 주행상태 제어선택부는 트롤리를 구동시키기 위해서 위치결정 최적 제어부를 선택한다.

본 발명에 따라서 트롤리가 목표위치로 이동될 때, 트롤리가 설정속도를 따르고 있는 동안에도 안정을 실행하기 위한 제어는 제어의 전반부에 수행되며, 이에 따라 현수하중의 스윙은 작게 유지될수 있다. 트롤리가 목표위치에 접근될 때, 이러한 제어는 트롤리의 위치결정 및 안정을 수행하기 위한 종래기술의 제어로 전환된다. 따라서 제어의 전환시 현수하중의 스윙은 감소될수 있으며, 종래기술의 제어에 의한 스윙의 고정시간은 짧게 유지될수 있다.

도 1은 본발명의 실시예에 따르는 현수하중 안정제어장치의 전체 구조도,

도 2는 본발명의 실시예에 따르는 현수하중 안정제어장치의 블록선도,

도 3은 제어장치에서 수행되는 프로세싱을 도시하는 순서도,

도 4는 본발명에 따르는 현수하중 안정제어장치의 제어특성을 도시하는 도면,

도 5는 종래기술의 현수하중 안정제어장치를 도시하는 전체구조도,

도 6은 종래기술의 현수하중 안정제어장치를 도시하는 블록선도, 및

도 7은 종래기술의 현수하중 안정제어장치의 제어특성을 도시하는 도면.

본 발명의 실시예는 전체 구조를 도시하는 도 1, 제어장치의 블록선도인 도 2, 제어작동을 도시하는 순서도인 도 3, 및 제어특성을 도시하는 도 4를 참조하여 설명된다.

도 1에 도시된 바와같이, 트롤리(12)는 트롤리 구동장치(15)의 구동작동에 의하여 레일(11)상에서 이동될수 있다. 트롤리(11)로부터 로프(13)가 매달리고, 트롤리(11)는 로프(13)의 단부에 현수하중(14)을 부착시킴으로써 현수하중(14)을 운반시킨다.

트롤리(12)는 트롤리위치(x1)를 검출하기 위한 트롤리 변위검출기(21), 트롤리속도(x2)를 검출하기 위한 트롤리 속도검출기(22), 및 스윙변위(x3)와 스윙속도(x4)를 검출하기 위한 스윙움직임 검출기(23)를 더 구비한다.

스윙움직임 검출기(23)는 수직 아래쪽으로 트롤리(12)상에 장착되는 카메라에 의하여 현수하중(14)에 부착된 마커를 촬영하고, 촬영된 화상을 처리하여 스윙변위(x3) 및 스윙속도(x4)를 검출하는 타입의 검출기이다.

검출된 트롤리위치(x1), 트롤리속도(x2), 스윙변위(x3) 및 스윙속도(x4)는 제어장치(26)로 보내진다. 제어장치(26)는 이하 설명된 바와같이 제어의 전반부에서 트롤리가 설정속도를 따르고 있는 동안에 트롤리(12)를 안정시키기 위한 제어를 수행한다. 이러한 타입의 제어는 붙박이 최적제어부(31, 32)에 의하여 이루어진다(도 2 참조). 이에 따라 현수하중(14)의 스윙은 작게 유지된다(본 발명에 의하여 첨가되는 제어). 트롤리(12)가 목표위치에 접근될 때, 이러한 제어는 트롤리(12)를 위치결정 및 안정시키기 위한 제어로 전환된다(종래기술로 수행되는 제어). 이러한 속도명령(u)하에서, 트롤리 구동장치(15)는 트롤리(012)를 이동시키기 위해서 구동된다.

제어장치(26)에 있어서 도 2에 도시된 바와같이, 설정속도(vset)를 따르도록 트롤리(12)를 제어하기 위한 가속도/등속도 최적제어부(31) 및 트롤리를 위치결정 및 안정시킬 목적으로 제어를 수행하기 위한 위치결정 최적제어부(32)가 배치된다.

검출기(21, 22, 23)에 의하여 검출되는 측정값은 이들 최적제어부(31, 32)내로 입력된다. 트롤리 위치에 있어서, 목표위치(pset)에 대한 트롤리의 상대위치는 제어 인풋으로서 작용된다. 따라서 x1' = x1 - pset 로 정의되는 상대위치(x1')는 제어인풋으로서 이용된다.

가속도/등속도 최적제어부(31)로의 인풋에 있어서, 트롤리속도는 설정속도(vset)에 대한 트롤리의 상대속도이다. 따라서 x2' = x2 - vset 로 정의되는 상대속도(x2')는 최적제어부(31)에 대한 인풋신호로서 이용된다.

또한, 가속도/등속도 최적제어부(31)로부터의 출력은 설정속도로부터의 상대속도이다. 따라서 u1' = u1 + vset 로 정의되는 u1'는 최적제어부(31)에 의한 연산의 결과로서 이동된다(트롤리 속도명령).

가속도/등속도 최적제어부(31)에 의하여 수행되는 프로세싱은 다음과 같다. 최적제어 이득은 종래기술의 제어이득에 대한 것과 동일한 방식으로 결정된다. 그렇지만, 트롤리 위치를 곱한 이득은 설정속도를 따르기 위한 제어를 필요로 하지 않는다. 따라서, 트롤리 위치를 곱한 이득이 0이 되도록 설정되는 웨이팅 매트릭스(Q')가 이용되며, 다음의 평가함수(J')를 최소화시키기 위한 최적이득(K')이 도출된다.

u = K'x + vset

트롤리 속도명령(u1'), 즉 출력신호는 상기된 바와같이 더해지는 설정속도(vset)를 가진다.

위치결정 최적제어부(32)는 도 6에 도시된 바와같이 종래의 최적제어부(032)와 동일한 연산을 행하며, 이에 따라 트롤리를 위치결정 및 안정시키기 위한 트롤리 속도명령(u2)을 야기시킨다.

주행상태 제어선택부(33)는 가속도/등속도 최적제어부(31)로부터의 트롤리 속도명령(u1'), 위치결정 최적제어부(32)에 의하여 계산되는 트롤속도명령(u2), 및 트롤리(12)에 대하여 목표위치(pset)에 대한 상대위치(x1')의 인풋을 수용한다.

주행상태 제어선택부(33)는, 트롤리(12)에 대하여 목표위치(pset)에 대한 상대위치(x1')가 일정한 설정값보다 크다면, 속도명령(u)으로서 가속도/등속도 최적제어부(31)(트롤리 속도명령)(u1')의 결과를 산출하도록; 또는 상대위치(x1')가 일정한 설정값보다 작다면, 속도명령(u)으로서 트롤리 속도명령(u2), 즉 위치결정 최적제어부(32)의 결과를 산출하도록 전환을 수행한다.

주행상태 제어선택(33)에 의하여 선택된 속도명령(u1') 또는 속도명령(u2)은 트롤리(12)를 구동시키기 위해서 트롤리 구동장치(15)로 보내진다.

제어장치(26)에서의 프로세싱은 아래와같이 요약된다. 즉, 도 3에 도시된 순서도를 참조하여 아래에 설명된다.

[스텝 1]

검출기(21, 22, 23)로부터 신호(x1, x2, x3, x4)가 포착된다.

[스텝 2]

목표위치에 대한 트롤리의 상대위치(x1')는 x1' = x1 - pset 로 계산된다.

설정속도에 대한 트롤리의 상대속도(x2')는 x2' = x2 - vset 로 계산된다.

[스텝 3]

가속도/등속도 최적제어연산은 수학식 9에 기초하여 수행된다. 게다가, 수학식 10에 표시된 바와같이 설정속도는 연산결과에 더해진다.

u1' = u1 + vset

[스텝 4]

위치결정 최적제어연산은 수학식 11에 기초하여 수행된다.

[스텝 5]

목표위치에 대한 트롤리의 상대위치가 일정한 설정값보다 큰지의 여부를 결정한다.

[스텝 6]

목표위치에 대한 트롤리의 상대위치가 일정한 설정값보다 클 때, 가속도/등속도 최적제어의 결과는 트롤리속도 명령이 된다. 즉, u = u1'이다.

[스텝 7]

목표위치에 대한 트롤리의 상대위치가 일정한 설정값보다 작을 때, 위치결정 최적 제어의 결과는 트롤리 속도 명령이 된다. 즉, u = u2이다.

상기 설명된 바와같이, 제어량으로서 본발명은 2개의 제어이득을 가지는데, 하나는 트롤리속도 및 스윙을 처리하는 제어에 대한 것이고, 다른 하나는 트롤리 위치 및 스윙을 처리하는 제어에 대한 것이다. 이들 2개의 타입의 파라미터 사이에서 전환됨으로써, 본발명은 제어를 수행한다. 따라서, 트롤리가 이동되고 있는 동안에 현수하중의 스윙을 최소한으로 유지시킬 수 있는 현수하중 안정제어장치를 구성할수 있다.

Claims

현수하중 안정제어장치에 있어서,

로프부재에 의하여 하중을 매달고 있는 크레인에서 트롤리의 이동상태량을 검출하기 위한 트롤리 이동상태량 검출기;

트롤리에 의하여 매달린 하중의 이동상태량을 검출하기 위한 현수하중 이동상태량 검출기; 및

각각의 검출기로부터 도입되는 검출신호에 기초하여 현수하중의 안정제어를 수행하기 위한 제어장치;를 포함하며,

상기 제어장치는,

일정한 설정속도를 따라 조절되는 최적이득에 기초하여 최적작동량으로 트롤리를 구동시키며 이에따라 안정제어를 수행하기 위한 속도추종 최적제어부;

일정한 목표위치에 트롤리를 위치시키기 위해서 조절되는 최적 이득에 기초하여 최적작동량으로 트롤리를 구동시키며 이에따라 안정제어를 수행하기 위한 위치결정 최적제어부; 및

트롤리를 구동시키기 위해서, 트롤리의 주행상태량에 기초하여 속도추종 최적제어부 또는 위치결정 최적제어부를 선택하기 위한 주행상태 제어선택부;를 포함

하는 것을 특징으로 하는 현수하중 안정제어장치.
제 1 항에 있어서,

트롤리 이동 상태량 검출기는 트롤리 위치를 검출하기 위한 트롤리 변위 검출기 및 트롤리 속도를 검출하기 위한 트롤리속도 검출기를 포함하며,

현수하중 이동상태량 검출기는 현수하중의 스윙변위 및 스윙속도를 검출하기 위한 스윙이동 검출기이고,

목표위치에 대한 트롤리에 상대위치가 설정값보다 클 때, 주행상태 제어선택부는 트롤리를 구동시키기 위해서 속도 추종 최적제어부를 선택하며, 목표위치에 대한 트롤리의 상대위치가 설정값보다 작을 때, 주행상태 제어선택부는 트롤리를 구동시키기 위해서 위치결정 최적 제어부를 선택하는 것을 특징으로 하는 현수하중 안정제어장치.