KR101348535B1 - 크레인의 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 크레인의 제어장치에 관한 것으로, 대형구조물에 활주가능하게 설치되는 구동부와, 상기 구동부에 설치되어 대상물을 이동하는 호이스트를 포함하는 크레인에 설치되며, 대상물의 이동 또는 정지에 따른 진동을 감쇠하기 위한 크레인의 제어장치로서, 크레인의 움직임을 조작하기 위한 기준입력명령을 입력하는 입력부와, 크레인에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위한 파라미터 값들을 입력받는 설정부와, 상기 설정부로부터 입력받은 파라미터 값들을 바탕으로 진동제거명령을 생성하고, 상기 입력부에 입력되는 기준입력명령에 진동제거명령을 추가하여 크레인에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위한 디지털 제어신호를 출력하는 제어부와, 상기 제어부로부터 출력된 디지털 제어신호를 아날로그 구동신호로 출력하는 디지털/아날로그 변환부와, 상기 디지털/아날로그 변환부로부터 출력된 아날로그 구동신호를 바탕으로 상기 구동부의 모터 동작을 제어하는 인버터부를 포함함으로써, 멀티모드 크레인 시스템에서 발생하는 잔류진동을 효과적으로 제거함과 아울러 멀티모드 크레인 시스템의 성능을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

크레인의 제어장치{APPARATUS FOR CONTROLLING A CRANE}

본 발명은 크레인의 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템에 입력되는 기준입력명령에 서로 다른 지연시간을 갖으며 복수개의 진동모드의 개수보다 하나 많은 임펄스로 이루어진 진동제거명령을 생성함으로써, 멀티모드 크레인 시스템에서 발생하는 잔류진동을 효과적으로 제거함과 아울러 멀티모드 크레인 시스템의 성능을 보다 향상시킬 수 있도록 한 크레인의 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 입력성형 제어장치는 한 개의 진동모드를 가지는 시스템의 잔류진동을 제거하기 위해 사용되며, 이를 위해 한 개의 진동모드에 대한 역상의 진동을 발생시켜 잔류진동을 제거한다.

한편, 산업현장에서 사용되고 있는 이송장치는 크레인, 반송기 그리고 서보 시스템을 이용하는 직교 로봇과 다관절 로봇 등을 포함하여 다양한 형태로 존재하고 있다.

이와 같은 시스템의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 것이 시스템의 과도상태에서 나타나는 진동이라 할 수 있다. 특히, 이송장치의 특성상 목표지점에서 나타나는 잔류진동(Residual Vibration)은 시스템의 성능에 직접적으로 영향을 미치는 요인이 된다.

산업현장에서 널리 사용되고 있는 크레인에서 발생하는 진동은 적어도 하나 이상의 진동모드(Vibration Mode)를 가지고 있다. 그리고, 일반적으로 첫 번째 진동모드가 두 번째 이상의 진동모드에 비해 진동주기가 느리고 진동진폭이 커 상대적으로 시스템의 성능에 미치는 영향이 크다고 할 수 있다.

많은 시스템의 경우 두 번째 이상의 진동모드의 진동주파수가 첫 번째 진동주파수 보다 많이 큰 관계로 무시하는 경우가 많다. 하지만, 서로 다른 무게를 가지는 두 개의 질량체가 있는 크레인 또는 정밀 위치결정작업을 하는 이송장치의 경우에는 두 번째의 진동이 시스템의 성능에 영향을 미치는 경우가 많이 있다.

시스템의 특성에 따라 여러 개의 진동모드를 고려해야만 하는 경우가 많이 존재하게 된다. 본 발명은 이와 같이 산업현장에서 널리 사용되고 있는 크레인의 멀티모드 진동을 효과적으로 제거함으로써 진동으로 인해 저하된 시스템의 성능을 향상시키고 크레인과 같은 고 위험 장치로부터 안전한 제어 시스템을 목적으로 하고 있다.

도 1 및 도 2는 일반적인 멀티모드 크레인 시스템을 나타내는 도면으로서, 멀티모드 크레인 시스템에서 시스템의 성능에 영향을 미치는 진동모드는 적어도 두개 이상이다. 이와 같은 크레인 시스템에 진동 특성을 개선하기 위해서는 반드시 크레인 시스템의 특성에 영향을 미치는 두개 이상의 진동모드를 고려해서 진동 제거를 하여야 한다. 따라서, 멀티모드 크레인 시스템에 존재하는 모든 진동모드에서 발생하는 잔류진동을 제거하는 방법이 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 복수개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템에 입력되는 기준입력명령에 서로 다른 지연시간을 갖으며 복수개의 진동모드의 개수보다 하나 많은 임펄스로 이루어진 진동제거명령을 생성함으로써, 멀티모드 크레인 시스템에서 발생하는 잔류진동을 효과적으로 제거함과 아울러 멀티모드 크레인 시스템의 성능을 보다 향상시킬 수 있도록 한 크레인의 제어장치를 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 대형구조물에 활주가능하게 설치되는 구동부와, 상기 구동부에 설치되어 대상물을 이동하는 호이스트를 포함하는 크레인에 설치되며, 대상물의 이동 또는 정지에 따른 진동을 감쇠하기 위한 크레인의 제어장치로서, 크레인의 움직임을 조작하기 위한 기준입력명령을 입력하는 입력부; 크레인에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위한 파라미터 값들을 입력받는 설정부; 상기 설정부로부터 입력받은 파라미터 값들을 바탕으로 진동제거명령을 생성하고, 상기 입력부에 입력되는 기준입력명령에 진동제거명령을 추가하여 크레인에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위한 디지털 제어신호를 출력하는 제어부; 상기 제어부로부터 출력된 디지털 제어신호를 아날로그 구동신호로 출력하는 디지털/아날로그 변환부; 및 상기 디지털/아날로그 변환부로부터 출력된 아날로그 구동신호를 바탕으로 상기 구동부의 모터 동작을 제어하는 인버터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 크레인의 제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 측면은, 대형구조물에 활주가능하게 설치되는 구동부와, 상기 구동부에 설치되어 대상물을 이동하는 호이스트를 포함하는 크레인에 설치되며, 대상물의 이동 또는 정지에 따른 진동을 감쇠하기 위한 크레인의 제어장치로서, 크레인의 움직임을 조작하기 위한 기준입력명령을 입력하는 입력부; 크레인에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위한 파라미터 값들을 입력받는 설정부; 상기 설정부로부터 입력된 파라미터 값들을 바탕으로 진동제거명령을 생성하고, 상기 입력부에 입력되는 기준입력명령에 진동제거명령을 추가하여 크레인에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위한 직류전원의 제어신호를 출력하는 제어부; 상기 제어부로부터 출력된 직류전원의 제어신호를 교류전원의 구동신호로 변환하여 출력하는 직류/교류 변환부; 및 상기 직류/교류 변환부로부터 출력된 교류전원의 구동신호를 바탕으로 상기 구동부의 모터 동작을 제어하는 모터구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 크레인의 제어장치를 제공하는 것이다.

여기서, 외부의 교류전원을 직류전원으로 변환하여 상기 제어부에 동작전원을 공급하기 위한 전원공급부가 더 포함됨이 바람직하다.

바람직하게, 크레인에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위한 파라미터 값들을 외부 단말기를 통해 유선 또는 무선으로 상기 설정부에 입력되도록 통신 인터페이스부가 더 포함될 수 있다.

바람직하게, 상기 진동제거명령은 대상 크레인에 대한 진동모드의 고유 진동값(s_k)을 이용하여 서로 다른 지연시간을 갖으며, 대상 크레인에 대한 진동모드의 개수(n)보다 '1'만큼 많은 임펄스를 발생하되, 상기 임펄스의 지연시간(t_k, k=1,2,...,n+1) 및 크기(A_k)는, 상기 진동제거명령{i_n(t)}을 서로 다른 지연시간을 갖는 (n+1)개 임펄스들의 조합으로 이루어진 식(a){

}로 정의하고, 상기 정의된 식(a)의 첫 번째 임펄스의 작용시간(t₁)을 '0'으로 둔 상태에서 라플라스 변환하여 식(b){

}를 획득하며, 상기 획득된 식(b)을 이용하여 대상 크레인에 대한 진동모드에 의해 구성되는 고유 진동값(s_k)을 상쇄하기 위하여 대상 크레인의 고유 진동값(s_k)을 영점으로 가지도록 식(c){I_n(s_k)=0, k=1,2,...,n}을 정의하며, 상기 획득된 식(b)을 이용하여 상기 진동제거명령에 의해 변경된 상기 기준입력명령의 최종값 크기에 변화가 없도록 임펄스들 크기의 합을 '1'로 제한하는 식(d){I_n(0)=A₁+A₂+...+A_n=1}을 정의하며, 상기 정의된 식(c) 및 식(d)을 이용하여 복소 비선형행렬 방정식{식(e)}을 획득한 후,

- 식(e)

상기 획득된 식(e)을 반복계산에 근거한 수치해석 방법을 이용하여 임펄스의 지연시간(t_k) 및 크기(A_k)의 해들을 획득하며, 대상 크레인의 가속시간 또는 민감도에 따라 상기 획득된 임펄스의 지연시간(t_k) 및 크기(A_k)의 해들 중 적어도 어느 하나를 적용할 수 있다.

바람직하게, 대상 크레인에 대한 진동모드의 고유 진동값(s_k)은 하기의 식(c-1)에 의해 정의될 수 있다.

- 식(c-1)

여기서,

는 k번째 진동모드의 감쇠비와 고유진동수이며,

는 k번째 감쇠 고유진동수로서

로 정의된다.

바람직하게, 상기 임펄스의 지연시간(t_k) 및 크기(A_k)의 해들을 획득하는 것은, 오차에 대한 절대값(Norm)을 정의하고, 그 절대값이 '0'이 되도록 하는 하기의 식(f)으로 이루어질 수 있다.

- 식(f)

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 크레인의 제어장치에 따르면, 복수개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템에 입력되는 기준입력 명령에 서로 다른 지연시간을 갖으며 복수개의 진동모드의 개수보다 하나 많은 임펄스로 이루어진 진동제거명령을 생성함으로써, 멀티모드 크레인 시스템에서 발생하는 잔류진동을 효과적으로 제거함과 아울러 멀티모드 크레인 시스템의 성능을 보다 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1 및 도 2는 일반적인 멀티모드 크레인 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 크레인의 제어장치를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이다.
도 4는 2개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템의 두 번째 진동모드의 주파수 변경에 따른 진동제거명령의 임펄스 지연시간 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 2개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템의 두 번째 진동모드의 주파수 변경에 따른 진동제거명령의 임펄스 크기 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 2개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템에 적용하기 위한 진동제거명령을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 진동제거명령과 기존의 진동제거명령을 2개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템에 적용하여 민감도 곡선을 비교하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 진동제거명령과 기존의 진동제거명령을 2개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템에 적용하여 멀티모드 크레인 시스템의 진동응답을 비교하기 위한 그래프이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 크레인의 제어장치를 설명하기 위한 전체적인 블록 구성도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 크레인의 제어장치는, 대형구조물에 활주가능하게 설치되는 구동부(110)와, 구동부(110)에 설치되어 대상물(10)을 이동하는 호이스트(120)를 포함하는 크레인(100)에 설치되어, 대상물(10)의 이동 또는 정지에 따른 진동을 감쇠하기 위한 제어장치로서, 크게 입력부(200), 설정부(300), 제어부(400), 디지털/아날로그 변환부(Digital Analog Converter, DAC)(500), 인버터부(Inverter)(600) 및 전원공급부(700) 등을 포함하여 이루어진다.

여기서, 크레인(100)은 공장과 같은 대형구조물에 설치되어 있으며, 상기 대형구조물의 천정부에는 구동부(110)가 활주가능하게 장착된다. 이때, 구동부(110)는 상기 대형구조물의 천정부의 일정 구간에 설치된 지지부재에 의해 지지되어 있으며, 상기 대형구조물의 평면에서 보았을 때 X축 및/또는 Y축 방향으로 활주가능하게 설치됨이 바람직하다(예컨대, 국내특허공개 제2003-75616호, 국내특허공개 제2010-4660호, 국내특허공개 제2005-51941호 참조).

또한, 상기 지지부재는 I빔 형태의 레일(20)로 이루어지거나, 벨트 등으로 이루어질 수 있다. 이때, 구동부(110)는 내부에 롤러 등이 설치되어 레일(20) 또는 벨트를 따라 이동하게 된다.

한편, 상기 지지부재는 래크의 형태 또는 롤러로 이루어질 수 있으며, 구동부(110)에는 상기 래크 또는 롤러에 결합하기 위한 피니언 기어 또는 I빔 형태의 레일(20)을 포함하는 것도 가능하다. 또한, 구동부(110)에는 예컨대, 인덕션 모터, 인버터 모터 또는 서버 모터 등을 포함하여 임의의 입력값에 의해 작동을 제어할 수 있다.

다른 한편, 구동부(110)의 하부에는 대상물(10)을 이동하기 위해 대상물(10)을 고정하는 호이스트(120)가 설치된다. 이를 위해 호이스트(120)는 구동부(110)의 하측에 고정 설치되는 모터(121)를 포함한다.

또한, 모터(121)는 체인(122) 또는 로프가 연결되며, 모터(121)의 작동에 의해 체인(122) 또는 로프가 감기거나 풀리면서 그 길이의 조절이 가능하다. 또한, 체인(122) 또는 로프의 단부에는 대상물(10)을 걸거나 고정할 수 있는 고정부(123)가 설치되며, 고정부(123)는 대상물(10)을 걸 수 있도록 단부에 후크(124)가 설치될 수 있다.

한편, 멀티모드 크레인 시스템의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 구동부(110)에 주 호이스트(120a)와 보조 호이스트(120b)가 함께 구비될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 호이스트(120)에 구비된 후크(124)에 바로 대상물(10)을 걸지 않고 대상물(10)이 고정된 다른 체인(122) 또는 로프가 걸리도록 구비될 수도 있다.

그리고, 크레인(100)에는 구동부(110)와 호이스트(120)의 작동을 조작하기 위한 오퍼레이션 박스(Operation box) 즉, 입력부(200)가 구비되어 있다. 즉, 입력부(200)는 크레인(100)의 움직임을 조작하기 위한 기준입력명령을 입력하는 기능을 수행한다.

이러한 입력부(200)는 사용자의 입력에 따라 구동부(110) 또는 호이스트(120)의 모터(121)에 작동신호를 발생하다. 이를 위해, 입력부(200)에는 사용자의 입력을 전달하기 위한 상/하/좌/우 이동을 위한 조작부(210)가 구비될 수 있다.

즉, 작업자는 이동 대상물(10)을 이동시키기 위하여 펜던트 스위치 또는 리모트 콘트롤러 등의 입력부(200)에 구비된 조작부(210)를 조작한다. 입력부(200)의 조작부(210)의 조작방법으로 크레인을 남북방향, 동서방향 및 상하방향의 순서대로 조작할 수 있다.

따라서, 입력부(200)의 좌/우 조작시 구동부(110)가 레일(20)을 따라 X축 또는 Y축 방향으로 전진 또는 후진(동/서/남/북) 이동하여 호이스트(120)의 위치를 이동시킨다. 또한, 입력부(200)의 상/하 조작시 호이스트(120)의 모터(121)가 작동하여 체인(122) 또는 로프를 감거나 풀어 호이스트(120)의 길이를 조절하게 된다.

한편, 입력부(200)는 제어부(400) 또는 호이스트(120)의 모터(121)와 소정의 케이블(220)을 통해 유선으로 연결되거나, 무선통신 예컨대, 블루투스(BLUETOOTH) 통신, RF(Radio Frequency) 통신 또는 IR(Infrared light Ray) 통신, 무선네트워크통신 중 어느 하나의 무선통신규약으로 연결될 수 있다.

이때, 상기 무선네트워크통신은 IEEE802.11a/b/g와 같은 무선통신규약에 따른 신호처리나, IEEE802.15.4b의 일례인 지그비(ZigBee)와 같은 통신 규약에 따른 신호처리가 바람직하다. 또한, 상기 무선통신은 예시된 예외에도 론웍스(lonworks), 모드버스(modbus), 이더넷(ethernet), RS-232c, RS-485 등과 같은 무선통신방식에 의해 신호가 전달되는 것도 가능하다.

이를 위해 상기 무선네트워크통신은 제어부(400)와 입력부(200)에 각각 무선네트워크신호를 발신하는 전송모뎀장치(미도시)와, 수신모뎀장치(미도시)가 설치됨이 바람직하다. 이와 같이, 제어부(400)와 입력부(200)는 근거리에 위치한 모뎀장치 사이에 무선통신으로 연결될 수 있으며, 인터넷(Internet)과 같이 광역화된 네트워크를 통해 원격지에서 조작 및 제어신호를 송/수신하는 것도 가능하다.

설정부(300)는 인버터 제어를 위한 다수의 파라미터 값을 입력받거나, 크레인(100)에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위한 파라미터 값들(예컨대, 해당 시스템의 고유 진동값, 감쇠비, 호이스트의 길이 등)을 입력받는 기능을 수행한다.

이와 같이 설정부(300)를 통해 입력받은 파라미터 값들은 별도로 마련된 메모리(Memory)에 저장됨이 바람직하며, 상기 메모리는 크레인의 진동제거를 위해 계산된 정보와 제어에 관련된 모든 정보를 저장하는 기능을 수행할 수도 있다.

제어부(400)는 통상의 마이크로프로세서(Micro-Processor) 또는 마이크로 컴퓨터(Micro-Computer) 등으로 구현될 수 있으며, 설정부(300)로부터 입력받은 파라미터 값들을 바탕으로 진동제거명령을 생성하고, 입력부(200)에 입력되는 기준입력명령에 진동제거명령을 추가하여 크레인(100)에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위한 디지털 제어신호를 출력하는 기능을 수행한다.

디지털/아날로그 변환부(500)는 제어부(400)로부터 출력된 디지털 제어신호를 아날로그 구동신호(예컨대, 아날로그 전압신호 또는 전류신호)로 출력하는 기능을 수행한다.

즉, 디지털/아날로그 변환부(500)에서는 제어부(400)로부터 출력된 디지털 제어신호를 아날로그 전압신호로 변환하고, 약 5V 레벨의 전압 또는 증폭기에 의한 약 10V 레벨의 전압을 선택하여 출력한다.

인버터부(600)는 디지털/아날로그 변환부(500)로부터 출력된 아날로그 구동신호를 바탕으로 구동부(110)에 구비된 모터(미도시)의 동작을 제어하는 기능을 수행한다.

즉, 인버터부(600)에서는 모터 구동을 위한 주파수 변환 방식 중 아날로그 전압에 의한 주파수 변환 방식을 이용하는 것으로서, 입력되는 아날로그 전압에 대한 주파수 범위를 설정하면 전압의 수치에 따라 설정된 범위 내에서 주파수가 출력되어 모터의 속도와 가속, 감속을 조절할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 적용된 인버터부(600)는 아날로그 방식으로 구현됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 디지털 방식의 인버터부로 구현될 수도 있다. 즉, 디지털 방식의 인버터부를 구현할 경우, 디지털/아날로그 변환부(500)를 생략하고 바로 제어부(400)로부터 출력된 디지털 제어신호(예컨대, 주행방향, 속도, 가감속 신호 등)를 디지털 방식의 인버터부에 출력하여 구동부(110)의 모터를 제어할 수도 있다.

전원공급부(700)는 외부의 교류전원(예컨대, AC 110V 또는 220V)을 직류전원으로 변환하여 제어부(400)를 비롯한 각 부의 동작전원을 공급하는 기능을 수행한다. 이러한 전원공급부(700)로 인해 기존에 교류전압과 직류전압을 분리하기 위한 릴레이와 같은 별도의 장치가 필요하지 않아 비용을 효과적으로 절감할 수 있다.

추가적으로, 크레인(100)에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위한 파라미터 값들을 외부 단말기(예컨대, PDA, 스마트폰, 노트북, 개인용 PC 등)를 통해 유선 또는 무선으로 설정부(300)에 입력되도록 통신 인터페이스부(800)가 더 포함될 수 있다.

더욱이, 크레인(100)의 현재 동작상태를 비롯한 설정부(300)에 입력되는 파라미터 값들을 작업자가 시각적으로 용이하게 볼 수 있도록 제어부(400)의 제어에 따라 모니터를 통해 표시해주는 디스플레이부(900)가 더 포함될 수도 있다.

한편, 전술한 본 발명의 일 실시예에서는 구동부(110)에 구비된 모터의 구동방식을 3상 전압의 주파수를 변화시켜 모터의 속도와 가감속을 조정하는 인버터 방식을 구현하였지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, 전자접촉기(Magnet Contact, M/C)의 온/오프 동작에 의해 구동부(110)에 구비된 모터의 3상 전압을 인가/해제하는 기계적인 온/오프 방식으로 구현할 수도 있다.

즉, 상기의 기계적인 온/오프 방식에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(400)에서는 설정부(300)로부터 입력된 복수의 진동모드에 대한 파라미터 값들을 바탕으로 진동제거명령을 생성하고, 입력부(200)에 입력되는 기준입력명령에 진동제거명령을 추가하여 크레인(100)에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위한 직류전원의 제어신호를 출력한다.

이후에, 제어부(400)로부터 출력된 직류전원의 제어신호를 교류전원의 구동신호로 변환하여 출력하는 직류/교류 변환부(DC/AC Inverter)(550)와, 직류/교류 변환부(550)로부터 출력된 교류전원의 구동신호를 바탕으로 구동부(110)에 구비된 모터의 동작을 제어하는 모터구동부(예컨대, 전자접촉기(M/C) 등)(650)를 거치게 된다.

특히, 본 발명에서 가장 중요한 부분인 멀티모드 진동제거명령을 생성하는 제어부(400)에서는 시스템의 멀티모드 진동을 효과적으로 제거하기 위한 최초명령(즉, 기준입력명령)에 대한 수정명령을 생성하는 부분으로써 앞으로 전개될 알고리즘을 바탕으로 하고 있다.

한편, 구동계를 가지는 모든 시스템에서 구조물의 동적 유연성으로 인해 동작 및 정지시에 원하지 않는 잔류진동(Residual Vibration)이 발생하게 된다. 이 같은 잔류진동은 원하는 경로로 시스템을 이동하기 어렵게 만들뿐만 아니라, 고속 위치결정 작업 시 목표지점에서의 동작 완료시간을 지연시킴으로써 다음 동작으로의 전환을 느리게 한다. 이런 이유로 잔류진동은 시스템의 성능을 저하시키는 직접적인 요인 중의 하나가 되고 있다.

실제 시스템에서는 여러 개의 진동모드를 가지는 경우가 많이 있다. 하지만 대체로 가장 낮은 고유진동수를 갖는 한 개의 진동모드가 시스템의 성능에 가장 큰 영향을 미치므로, 많은 경우 성능에 가장 큰 영향을 많이 미치는 한 개의 진동모드를 제어함으로써 만족할 만한 결과를 얻을 수 있다. 하지만, 시스템의 구조 및 운동 특성에 따라 시스템의 성능에 영향을 미치는 진동모드가 두 개 이상인 멀티모드를 고려해야만 하는 경우가 많이 존재한다.

이하에는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티모드 크레인 시스템에서 잔류진동을 제거하는 제어부(400)의 기능에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

즉, 본 발명의 제어부(400)는 복수개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템에 입력되는 기준입력명령에 진동제거명령을 추가하여 멀티모드 크레인 시스템에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위한 것으로서, 상기 진동제거명령은 기설정된 각 진동모드의 고유 진동값(s_k)을 이용하여 서로 다른 지연시간을 갖으며, 복수개의 진동모드의 개수(n)보다 '1'만큼 많은 임펄스를 발생한다.

특히, 본 발명은 임펄스의 개수와 상승시간을 줄이면서 멀티모드 크레인 시스템의 잔류진동을 효과적으로 제거할 수 있는 새로운 멀티모드 진동제거명령을 제안하는 것이 목적이다. 본 발명에서 제안하는 새로운 진동제거명령의 임펄스 개수는 복수개의 진동모드의 개수(n, n은 2이상)보다 하나 많은 (n+1)개이다. 여기에서 n은 고려대상이 되는 진동모드의 개수이다.

먼저, 본 발명에서 제안한 멀티모드 크레인 시스템에 대한 진동제거명령은 하기의 수학식 1과 같이 n+1개 임펄스들의 조합으로 나타낼 수 있다.

여기서, A_k,k=1,2,...,n+1는 k번째 임펄스 크기(Impulse Amplitude)이며, t_k,k=1,2,...,n+1는 k번째 임펄스의 시간(Time Location)이다. 그리고, t_k<t_k+1, k=1,2,...,n의 관계가 성립하여야 하며, 첫 번째 임펄스의 작용시간(t₁)을 0으로 두면 편리하다.

상기의 수학식 1을 라플라스 변환(Laplace Transform)을 하여 다시 정리하면 하기의 수학식 2와 같다.

한편, 주어진 멀티모드 크레인 시스템의 전달함수 G(s), 기준입력명령을 U(s)라 하면, 상기의 수학식 2와 같이 주어진 입력성형기 즉, 제어부(400)가 있을 경우 멀티모드 크레인 시스템의 응답은 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

만약, I_n(s)의 영점이 전달함수 G(s)의 극점과 일치한다면 멀티모드 크레인 시스템의 응답에서 오실레이션(Oscillation)은 없어지게 된다. 대상 멀티모드 크레인 시스템이 안정하고, 저감쇠(Under-damped)이면 입력성형을 적용하기 위한 각 진동모드의 극점(또는 고유치)(이하, "고유 진동값"이라 칭함)은 하기의 수학식 4와 같이 정의할 수 있다.

여기서,

는 k번째 진동모드의 감쇠비와 고유진동수이며,

는 k번째 감쇠 고유진동수(Damped Natural Frequency)로서

와 같이 정의된다. 또한, 각 고유 진동값의 공액복소수(Complex Conjugate)들도 시스템의 고유 진동값이 된다.

멀티모드 크레인 시스템의 잔류진동을 제거하기 위해 본 발명에 적용된 진동제거명령은 기준입력명령을 수정하는 것으로 다른 진동모드에 대한 진동을 가진 시키지는 않는다. 진동제거명령이 제어대상 진동모드들에 의해 구성되는 극점을 상쇄하기 위해서는 대상 고유 진동값을 영점으로 가져야 한다. 즉, 하기의 수학식 5와 같은 식을 만족하여야 한다.

상기의 수학식 5는 모두 복소변수 비선형방정식(Complex-value Nonlinear Equation)으로써 총 2n개의 실변수 비선형방정식(Real-value Nonlinear Equation)에 대응된다.

그런데, 구해야 할 미지수의 개수는 2n+1이므로 해를 구하기 위한 식이 하나가 더 필요하다. 마지막으로 입력성형기 즉, 제어부(400)에 의해 변경된 입력의 최종값 크기에 변화가 없도록 임펄스 크기의 합을 '1'로 두는 하기의 수학식 6과 같은 제한식을 도입한다.

결국 상기의 수학식 5와 수학식 6으로부터 하기의 수학식 7과 같은 식을 얻을 수 있다.

상기의 수학식 7은 t_k,k=1,2,...,n+1, A_k,k=1,2,...,n+1 의 미지 수로 이루어진 복소 비선형행렬방정식(Complex Nonlinear Matrix Equation)이다. 따라서, 상기의 수학식 7로 주어지는 비선형행렬방정식을 풀면 멀티모드에 대한 새로운 입력성형기 즉, 제어부(400)의 설계가 가능하다.

상기의 수학식 7에는 미지변수가 행렬내부에 있게 되므로 직접적인 계산에 의해 해를 구할 수 없으며 반복계산에 근거한 수치해석적 해법을 이용해야 한다. 예컨대, 상기의 수학식 7의 해를 구하는 한 방법으로 다음과 같이 오차에 대한 절대값(Norm)을 정의하고 그 절대값이 '0'이 되도록 하는 해를 찾는 방법이 바람직하다. 즉, 하기의 수학식 8과 같이 복소수 비선형행렬식은 주어진 초기값에 따라 수학식 8을 만족하는 수많은 해를 구할 수 있다.

본 발명에서는 상기의 수학식 8로 정의된 절대값이 '0'이 되는 비선형방정식으로부터 해를 구할 수 있다.

이하에는 상기와 같이 설명한 멀티모드 진동제거명령의 가장 간단한 예인 2개의 진동모드를 고려한 경우를 통해 제안된 본 발명의 잔류진동 제거의 특성에 대해 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 진동모드가 2개인 경우 하기의 수학식 1로부터 하기의 수학식 9와 같이 표현된다.

다음으로, 상기의 수학식 9를 라플라스 변환하면 하기의 수학식 10과 같다.

2개의 진동모드가 각각 s₁,s₂는 고유 진동값(또는 고유치)으로 표현된다고 가정하고, 편의상 첫 번째 임펄스의 작용시간(t₁)을 '0'이라 하여 t₁=0으로 두면, 진동제거명령을 설계하기 위해 상기의 수학식 10을 이용하여 하기의 수학식 11과 같은 관계식을 얻을 수 있다.

진동제거명령에 대한 임펄스들의 크기 제한 조건을 하기의 수학식 12와 같이 두기로 한다.

따라서, 상기의 수학식 11 및 수학식 12를 만족하는 하기의 수학식 13을 통해 미지수 t₂,t₃ 및 A₁,A₂,A₃ 를 구하면 2개의 진동모드를 가지는 멀티모드 진동제거명령을 얻을 수 있다.

도 4는 2개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템의 두 번째 진동모드의 주파수 변경에 따른 진동제거명령의 임펄스 지연시간 변화를 나타내는 그래프이고, 도 5는 2개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템의 두 번째 진동모드의 주파수 변경에 따른 진동제거명령의 임펄스 크기 변화를 나타내는 그래프이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기의 수학식 13으로 주어진 조건식을 이용하여 전술한 도 1 및 도 2와 같은 2개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템에 대해 계산된 멀티모드 진동제거명령을 나타낸 것이다.

여기서, 첫 번째 진동모드는 1Hz로 고정하였고, 두 번째 진동모드의 주파수를 변경하여 그 변화를 관찰하였다. 도 4에 도시된 바와 같이, 2개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템에 대해 두 번째 진동 주파수의 변화에 따라 여러 개의 진동제거명령이 존재함을 알 수 있다.

한편, 도 5는 도 4에서 확인된 입력 임펄스의 지연시간(또는 지속시간) 계산결과로부터 그 값이 가장 작은 한계선을 따라 임펄스 크기의 변화를 계산하여 나타낸 것이다.

도 6은 2개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템에 적용하기 위한 진동제거명령을 나타내는 도면으로서, 도 4 및 도 5의 결과를 바탕으로 실제로 설계된 진동제거명령들의 예를 보여주고 있다.

그리고, 계산된 서로 다른 진동제거명령간의 비교를 위해 여기에서 도 4에 도시된 바와 같이, 고유주파수 1Hz, 4Hz에서 계산된 3개의 진동제거명령을 검토하였으며, 그 지연시간은 각각 0.4s, 0.6s 그리고 0.8s 이다.

본 발명에서 제안하는 새로운 멀티모드 진동제거명령은 도 6에 도시된 바와 같이 3개의 임펄스를 가지고 있다. 본 발명에서 제한 방법으로 동일한 조건의 멀티모드 진동제거명령을 설계할 경우 고전적인 방법으로 설계된 멀티모드 진동제거명령보다 지연시간이 짧은 멀티모드 진동제거명령을 설계할 수 있다.

이와 같은 결과를 바탕으로 멀티모드 시스템의 성능에 많은 영향을 미치는 잔류진동을 제거하기 위해 고전적인 방법을 사용함으로써 발생할 수 있는 시스템의 상승시간 지연을 줄일 수 있다.

또한, 멀티모드 크레인 시스템의 특성에 맞게 상승시간을 조절할 수 있는 멀티모드 진동제거명령을 설계할 수 있음을 알 수 있다. 2개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템에 대해 본 발명에서 제안하는 새로운 멀티모드 진동제거명령 생성 방식을 이용할 경우 3개의 서로 다른 지연시간을 가지는 진동제거명령을 생성할 수 있다.

한편, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 지연시간이 최소인 진동제거명령(Short Duration)의 두 번째 임펄스는 음의 값을 가지는 반면, 나머지 진동제거명령의 모든 임펄스는 양의 값을 가진다.

그리고, 최소 지연시간을 갖는 진동제거명령과 최장 지연시간을 갖는(Long Duration) 진동제거명령에서는 임펄스간 시간간격(Time Spacing)이 균일한 특성을 보이고 있지만, 중간 지연시간(Medium Duration)을 갖는 진동제거명령은 시간간격에 차이가 나는 독특한 결과를 보여주고 있다.

한편, 멀티모드 진동제거명령을 설계함에 있어 가장 중요한 부분이 설계된 진동제거명령에 대한 강건성 평가이다.

도 7은 본 발명의 진동제거명령과 기존의 진동제거명령을 2개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템에 적용하여 민감도 곡선을 비교하기 위한 그래프로서, 2개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템에 대한 본 발명에서 제안한 새로운 멀티모드 진동제거명령과 고전적인 멀티모드 진동제거명령 설계 방법 중 고전적인 방법에 대한 민감도 곡선(Sensitivity Curve)을 보여주고 있다. 지연시간이 최소인 진동제거명령과 최장인 진동제거명령 그리고 기존의 고전적인 방법의 민감도 곡선을 동시에 비교해서 보여주고 있다.

여기서, 상기 민감도는 설계한 진동제거명령을 적용했을 때 모델 오차에 의해 발생하는 진동의 크기는 고전적인 방법을 적용하지 않았을 때에 대해 상대적으로 비교한 결과로 그 값이 클수록 좋지 않은 특성이라고 볼 수 있다.

도 7의 가로축은 진동주파수(Frequency)를, 세로축은 상대적 진동크기(Amplitude)를 나타낸 것이다. 잔류진동 제거를 위해 사용된 서로 다른 3가지의 멀티모드 진동제거명령 모두 2개의 진동모드인 1Hz와 4Hz에서 진동의 크기가 '0'이므로 2개의 진동이 완전히 제거됨을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 멀티모드 진동제거명령 중 최소 지연시간을 갖는 진동제거명령의 민감도가 특히 높게 나타나고 있다. 민감도가 높다는 것은 모델링 오차가 있을 경우 잔류진동이 커질 수 있음을 의미하는 것으로 바람직하지 않은 특성이다.

반면에, 지연시간이 긴 진동제거명령의 경우 민감도 관점에서 상대적으로 우수한 특성을 보이고 있음을 확인할 수 있다. 일반적으로 진동제거명령의 지연시간을 줄이게 되면 민감도가 커지는 경향을 보이게 되므로 적용하고자 하는 문제에 따라 적절한 진동제거명령을 선택할 필요가 있다. 즉, 기설정된 멀티모드 크레인 시스템의 가속시간 또는 민감도에 따라 상기 획득된 임펄스의 지연시간 및 크기의 해들 중 적어도 어느 하나를 결정할 수 있다.

도 8은 본 발명의 진동제거명령과 기존의 진동제거명령을 2개의 진동모드를 갖는 멀티모드 크레인 시스템에 적용하여 멀티모드 크레인 시스템의 진동응답을 비교하기 위한 그래프로서, 본 발명에서 제안하는 새로운 멀티모드 진동제거명령과 기존 연구의 멀티모드 진동제거명령들에 대한 진동응답을 비교하여 나타낸 것이다.

도 8을 참조하며, 본 발명의 새로운 진동제거명령은 임펄스의 시간간격이 짧은 것과 긴 것이다. 잔류진동 제거의 효과는 모두 동일하지만 적용된 방법에 따라 상승시간이 크게 차이가 나는 것을 볼 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 멀티모드 진동제거명령 설계 방법의 가장 큰 장점은 진동제거명령의 지연시간을 임의의 조절할 수 있다는 것이다. 기본적으로 본 발명에서 제안하는 멀티모드 진동제거명령은 고전적인 멀티모드 진동제거명령 보다 짧은 지연시간을 가지고 있다.

하지만, 지연시간이 짧아지는 만큼 진동제거명령의 강건성은 나빠지게 된다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 진동제거명령 설계 방법을 이용할 경우 멀티모드 크레인 시스템의 특성을 고려하여 진동제거명령을 설계할 수 있다.

전술한 본 발명에 따른 크레인의 제어장치에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

100 : 크레인, 200 : 입력부,
300 : 설정부, 400 : 제어부,
500 : 디지털/아날로그 변환부, 550 : 직류/교류 변환부,
600 : 인버터부, 650 : 모터구동부,
700 : 전원공급부, 800 : 통신 인터페이스부,
900 : 디스플레이부

Claims (7)

1. 대형구조물에 활주가능하게 설치되는 구동부와, 상기 구동부에 설치되어 대상물을 이동하는 호이스트를 포함하는 크레인에 설치되며, 대상물의 이동 또는 정지에 따른 진동을 감쇠하기 위한 크레인의 제어장치로서,
   크레인의 움직임을 조작하기 위한 기준입력명령을 입력하는 입력부;
   크레인에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위하여 복수의 진동모드에 관한 파라미터 값들을 입력받는 설정부;
   상기 설정부로부터 입력받은 복수의 진동모드에 관한 파라미터 값들을 바탕으로 진동제거명령을 생성하고, 상기 입력부에 입력되는 기준입력명령에 진동제거명령을 추가하여 크레인에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위한 디지털 제어신호를 출력하는 제어부;
   상기 제어부로부터 출력된 디지털 제어신호를 아날로그 구동신호로 출력하는 디지털/아날로그 변환부;
   상기 디지털/아날로그 변환부로부터 출력된 아날로그 구동신호를 바탕으로 상기 구동부의 모터 동작을 제어하는 인버터부; 및
   상기 크레인에서 발생하는 잔류진동을 제거하기 위한 파라미터 값들을 외부 단말기를 통해 유선 또는 무선으로 상기 설정부에 입력되도록 통신 인터페이스부를 포함하되,
   상기 제어부는 입력된 대상 크레인에 대한 복수개의 진동모드의 고유 진동값(s_k)을 이용하여 진동제거명령을 생성하되,
   상기 진동제거명령은, 서로 다른 지연시간을 갖는 대상 크레인에 대한 복수개의 진동모드의 개수(n, n은 2이상)보다 '1'만큼 많은 임펄스로 이루어지며,
   상기 임펄스의 지연시간(t_k, k=1,2,...,n+1) 및 크기(A_k)는,
   상기 진동제거명령{i_n(t)}을 서로 다른 지연시간을 갖는 (n+1)개 임펄스들의 조합으로 이루어진 식(a){

   

   }로 정의하고, 상기 정의된 식(a)의 첫 번째 임펄스의 작용시간(t₁)을 '0'으로 둔 상태에서 라플라스 변환하여 식(b){

   

   }를 획득하며, 상기 획득된 식(b)을 이용하여 대상 크레인에 대한 진동모드에 의해 구성되는 고유 진동값(s_k)을 상쇄하기 위하여 대상 크레인의 고유 진동값(s_k)을 영점으로 가지도록 식(c){I_n(s_k)=0, k=1,2,...,n}을 정의하며, 상기 획득된 식(b)을 이용하여 상기 진동제거명령에 의해 변경된 상기 기준입력명령의 최종값 크기에 변화가 없도록 임펄스들 크기의 합을 '1'로 제한하는 식(d){I_n(0)=A₁+A₂+...+A_n=1}을 정의하며, 상기 정의된 식(c) 및 식(d)을 이용하여 복소 비선형행렬 방정식{식(e)}을 획득한 후,
   

   

   - 식(e)
   상기 획득된 식(e)을 반복계산에 근거한 수치해석 방법을 이용하여 임펄스의 지연시간(t_k) 및 크기(A_k)의 해들을 획득하며, 대상 크레인의 가속시간 또는 민감도에 따라 상기 획득된 임펄스의 지연시간(t_k) 및 크기(A_k)의 해들 중 적어도 어느 하나를 적용하며,
   대상 크레인에 대한 복수개의 진동모드의 고유 진동값(s_k)은 하기의 식(c-1)에 의해 정의되며,
   

   

   - 식(c-1)
   ( 여기서,

   

   는 k번째 진동모드의 감쇠비와 고유진동수이며,

   

   는 k번째 감쇠 고유진동수로서

   

   로 정의됨)
   상기 임펄스의 지연시간(t_k) 및 크기(A_k)의 해들을 획득하는 것은, 오차에 대한 절대값(Norm)을 정의하고, 그 절대값이 '0'이 되도록 하는 하기의 식(f)로 이루어지는,
   

   

   - 식(f))
   크레인의 제어장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

Images