KR102029949B1 - 케이블 포스 모드를 갖는 크레인 제어기 - Google Patents

케이블 포스 모드를 갖는 크레인 제어기 Download PDF

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리브헤르-베르크 넨징 게엠베하
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Abstract

본 발명은 케이블에 매달인 화물을 들어올리기 위한 호이스팅 기어를 포함하는 크레인을 위한 크레인 제어기에 관한 것으로, 이 크레인 제어기는 케이블 포스의 설정 지점이 얻어지도록 크레인 제어기가 호이스팅 기어를 작동시키는 케이블 포스 모드를 갖는다.

Description

케이블 포스 모드를 갖는 크레인 제어기{Crane Controller with Cable Force Mode}
본 발명은 케이블에 매달린 화물을 들기 위한 호이스팅 기어를 포함하는 크레인용 크레인 제어기에 관한 것이다.
공지된 크레인 제어기에서, 화물의 원하는 위치 또는 속도가 설정값으로 사용되는 제어 또는 조정이 사용된다. 예를 들어, 크레인 조작자는 핸드 레버를 통해 화물의 원하는 속도를 지정하는데, 이는 크레인 제어기에 대한 입력 변수로서 기능한다.
본 발명의 발명자는 호이스팅 기어의 이러한 작동이 어떤 관계에서 불리하다는 것을 발견하였다.
그러므로, 본 발명의 목적은 개선된 크레인 제어기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 청구항 제1항에 의해 이 목적이 달성된다.
본 발명은 케이블에 매달린 화물을 들어 올리기 위한 호이스팅 기어를 포함하는 크레인용 크레인 제어기에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 크레인 제어기는, 크레인 제어기가 호이스팅 기어를 작동시켜서 케이블 포스의 설정 포인트가 얻어지게 하는 케이블 포스 모드를 갖는다. 케이블에 작용하는 원하는 포스에 기초하여 호이스팅 기어를 이렇게 작동시킴으로써, 화물의 목표 위치 또는 목표 속도를 참조하여 동작하는 크레인 제어기에 비교할 때 특정 호이스팅 상황에서 이점을 가질 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 크레인 제어기의 케이블 포스 모드에 의해 화물을 내려 놓을 때 케이블이 늘어지는 것을 방지할 수 있다. 유리하게는, 이 작동은 자동적으로 실행된다.
바람직하게는, 윈치의 속도 및/또는 위치가 작동된다. 특히, 윈치의 속도 및/또는 위치는 시스템의 탄성을 고려하여 동작될 수 있어서, 케이블 포스의 설정 포인트가 얻어진다.
유리하게는, 케이블 포스 모드에서 케이블 포스가 일정 설정 포인트로 유지될 수 있다. 유리하게는, 케이블 포스 모드에서 크레인 제어기는 호이스팅 기어를 작동시켜서 케이블 포스가 특정 설정 포인트로 자동적으로 조절된다.
케이블 포스의 실제 값을 결정하는 케이블 포스 결정 유닛이 제공될 수 있다. 유리하게는, 이 작동은 케이블 포스의 실제 값과 설정 포인트 값의 비교에 기초하여 실행된다.
본 발명에 따르면, 케이블 포스 모드에서, 케이블 포스는 적어도 하나의 측정된 값의 피드백에 의해 제어될 수 있다. 유리하게는, 케이블 포스 결정 유닛은 케이블 포스 센서의 측정 신호에 기초하여 케이블 포스의 실제 값을 결정한다.
본 발명에 따르면, 케이블 포스 센서는 호이스팅 기어, 특히 호이스팅 윈치의 마운트 및/또는 케이블 풀리의 마운트에 배치될 수 있다. 예를 들어, 케이블 포스 센서는 호이스팅 윈치 베이스상에 호이스팅 윈치를 고정시키거나 윈치가 호이스팅 케이블이 유도되는 케이블 풀리를 지지하는 탭에 배치될 수 있다.
또한, 케이블 포스 결정 유닛은 측정된 값의 필트레이션 또는 모델 기반 추정을 통해 케이블 포스의 실제 값을 결정할 수 있다. 특히, 케이블의 역학 관계의 물리적 모델 뿐만 아니라 측정된 값에 기초하여 케이블 포스를 결정하는 옵저버가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 크레인 제어기는 측정된 값 및/또는 제어 신호 및/또는 사용자의 입력을 참조하여 케이블 포스의 설정 포인트를 결정하는 설정 포인트 결정 유닛을 포함할 수 있다.
예를 들어, 설정 포인트 결정 유닛은 들어 올리는 동안에 케이블에 작용하는 정적 포스를 결정할 수 있다. 특히, 케이블에 작용하는 정적 포스는 케이블 포스 모드에 선행하는 들어올리는 동작 동안에 결정될 수 있다. 특히 정적 포스는 들어 올리는 화물의 무게에 대응한다. 케이블에 작용하는 포스의 동적 부분은 예를 들어 필트레이션에 의해 제거될 수 있다.
또한, 케이블 길이는 본 발명에 따른 설정 포인트 결정 유닛에 포함될 수 있다. 특히, 길이가 긴 케이블로 들어올리는 동안에, 케이블 서스펜션 포인트에 작용하는 화물은 풀린 케이블의 길이 및 무게에도 각각 의존한다. 유리하게는, 설정 포인트 결정 유닛은 풀린 케이블의 무게를 고려한다.
특히, 들어올린 화물의 무게는, 자유롭게 매달린 화물을 사용하여 풀린 케이블의 무게가 측정된 포스의 정적 부분으로부터 유도되어, 결정될 수 있다. 유리하게는, 설정 포인트 결정 유닛은 이렇게 결정된 들어올린 화물의 무게 및 케이블 포스 모드에서 현재 풀린 케이블의 무게를 고려한다.
케이블 길이를 고려하는 설정 포인트 결정 유닛은, 케이블 포스가 화물 훅크에 배치되지 않고, 가령, 호이스팅 기어에 배치되는 센서를 통해 측정되는 경우에 특히 유리하다.
또한, 본 발명에 따른 크레인 제어기는 크레인 조작자가 케이블 포스의 설정 포인트를 변화시킬 수 있는 입력 소자를 포함할 수 있다. 이에 의해, 크레인 조작자는 케이블 포스 모드 동안에 유지될 장력을 설정할 수 있다.
유리하게는, 들어올리는 동안에 케이블 포스의 설정 포인트와 정적 포스 사이의 비율을 결정하는 대응 계수가 입력될 수 있다. 예를 들어, 크레인 조작자는 케이블 포스 모드 동안에 케이블 포스의 적어도 일부가 케이블에 이전에 작용하는 화물의 무게에 대한 소정 비율이어야 한다는 것을 지정할 수 있다.
유리하게는, 케이블 포스의 설정 포인트는 풀린 화물 케이블에 의해 발생되는 무게보다 항상 높도록 결정된다. 이에 의해, 케이블 포스 모드에서 케이블이 늘어지지 않도록 보장한다. 전술한 바와 같이, 이 목적을 위해 케이블 길이가 고려되고 풀린 케이블의 무게가 결정된다. 특히, 케이블 포스의 설정 포인트는 풀린 화물 케이블에 의해 발생되는 무게와, 특히 케이블에 이전에 작용하는 화물의 무게에 대한 비율인 포스의 합으로 구성될 수 있다.
케이블 포스 모드에서, 본 발명에 따른 크레인 제어기는 케이블의 역학 관계를 고려하는 파일롯 제어 파트와, 케이블 포스 결정 유닛에 의해 결정된 케이블 포스가 피드백되는 피드백 파트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 파일롯 제어 파트는 케이블의 진동 역학 관계를 기술하는 모델의 반전에 기초할 수 있다. 유리하게는, 이는 풀린 케이블의 무게를 고려한다. 이 작동은 피드백 파트를 통해 안정화된다.
또한, 본 발명에 따른 크레인 제어기는 상태 검출을 포함할 수 있는데, 크레인 제어기는 상태 검출을 참조하여 케이블 포스 모드로 자동적으로 전환하고/하거나 빠져 나올 수 있다. 유리하게는, 상태 검출은 화물을 내려놓고/놓거나 들어올리는 것을 검출할 수 있다. 이에 의해, 크레인 제어기는 화물을 내려놓거나 들어올리는 것을 인식하면 케이블 포스 모드로 자동적으로 전환하거나 빠져 나올 수 있다.
이와 달리, 크레인 조작자에 의해 한 방향 또는 양 방향으로의 전환도 수동적으로 실행될 수 있다.
유리하게는, 상태 인식은 현재 상태를 각각 표시할 수 있다.
유리하게는, 상태 검출은 케이블 포스를 모니터링하여, 크레인의 상태를 검출하고 특히 화물을 내려놓고 들어올리는 것을 검출한다. 유리하게는, 음의 부하 변화가 존재하고/하거나 케이블 포스의 도함수가 소정 임계값 미만으로 내려가면 화물을 내려놓는 것이 인식되며, 크레인 조작자는 입력 수단을 통해 화물을 낮출 것을 지정한다. 반대로, 양의 부하 변화가 존재하고/하거나 케이블 포스의 도함수가 소정 임계값을 초과하면 화물을 들어올리는 것이 인식되며, 크레인 조작자는 입력 수단을 통해 화물을 들어올릴 것을 지정한다.
또한, 본 발명에 따른 크레인 제어기는 리프팅 모드를 포함할 수 있는데, 이 모드에서 호이스팅 기어는 화물 위치 및/또는 화물 속도의 설정 포인트에 기초하여 및/또는 케이블 위치 및/또는 케이블 속도의 설정 포인트에 기초하여 작동된다. 리프팅 모드에서 화물 위치 및/또는 화물 속도 및/또는 케이블 위치 및/또는 케이블 속도의 실제 값을 피드백하는 제어기가 제공될 수 있다.
유리하게는, 크레인 제어기는 화물을 내려놓는 것을 검출하면 리프팅 모드로부터 케이블 포스 모드로 전환한다.
또한, 크레인 제어기 또는 크레인 조작자는 크레인 제어기가 화물을 들어올리는 것을 검출하고 가능하게는 표시하면 케이블 포스 모드로부터 리프팅 모드로 전환할 수 있다.
본 발명에 따른 크레인 제어기는, 특히 바람직하게는, 케이블 서스펜션 포인트 또는 화물 적하 포인트가 이동하는 리프트 동안에 사용될 수 있으며, 이는, 가령, 선적에 배치된 크레인에서의 상하동요 또는 화물이 선적에 배치되는 경우이다.
본 발명에 따른 케이블 포스 모드로 인해, 일정 장력이 케이블 포스 모드를 통해 케이블에서 유지되므로, 케이블 서스펜션 포인트 또는 화물 적하 포인트가 이동하더라도 케이블이 늘어나는 것을 방지할 수 있다. 케이블 및 크레인상의 일부분에 거대한 부하가 가해져서 케이블이 늘어나는 상황을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 크레인 제어기는, 호이스팅 기어를 작동시켜서 상하동요로 인한 케이블 서스펜션 포인트 및/또는 화물 적하 포인트의 이동을 적어도 부분적으로 보상하는 능동 상하동요 보상을 포함할 수 있다. 이로써 크레인의 동작 향상이 상하동요 동안에 달성될 수 있다.
유리하게는, 능동 상하동요 보상은, 상하동요로 인한 케이블 서스펜션 포인트 또는 화물 적하 포인트의 추가 움직임을 예측하는 예측에 기초하여 실행되고, 호이스팅 기어의 대응 작동에 의해 이를 적어도 부분적으로 보상한다.
능동 상하동요 보상은 본 발명에 따른 크레인 제어기의 리프팅 모드 및/또는 케이블 포스 모드에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 크레인 제어기를 갖는 크레인을 포함한다.
특히, 본 발명에 따른 크레인은 갑판 크레인이다. 갑판 크레인은 방주에 배치되는 크레인이다. 이러한 크레인에서, 케이블 서스펜션 포인트는 상하동요로 인해 움직일 수 있다.
이와 달리, 본 발명에 따른 크레인은, 예를 들어, 항만 크레인 또는 근해 크레인 또는 케이블 굴착기, 특히 이동 가능한 항만 크레인일 수 있다. 항만 크레인은 선적에 화물을 적재하거나 선적으로부터 화물을 하역하는 데에 사용된다. 본 발명에 따른 크레인은 굴착 플랫폼에 설치될 수도 있다. 선적으로의 적재 또는 하역을 위해 사용되는 이러한 크레인에서, 화물 적하 포인트는 상하동요로 인해 움직일 수 있다.
또한, 본 발명은, 케이블 서스펜션 포인트 및/또는 화물 적하 포인트가 상하동요 등으로 인한 외부적 영향에 의해 이동하는 리프팅 상황에서 본 발명에 따른 크레인 제어기를 사용하는 것을 포함한다. 그러나, 외부적 영향은 케이블 서스펜션 포인트를 이동시키는 화물을 감는 것일 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 케이블 포스 모드는 이 외부적 움직임으로 인해 케이블이 늘어나는 것을 방지할 수 있다. 케이블 서스펜션 포인트는 특히 크레인 팁일 수 있는데, 이 팁으로부터 호이스팅 케이블이 부하로 유도된다. 케이블 서스펜션 포인트가 상하동요 등으로 인해 이동하면, 이 이동은 케이블 및 화물로 전달된다. 가령, 화물 적하 포인트는 특히 선적의 방주의 적하 영역일 수 있다. 케이블 서스펜션 포인트가 화물이 내려감으로써 이동하면, 케이블이 늘어날 수 있고 화물이 들어 올려질 수 있다.
또한, 본 발명은, 화물이 내려질 때 본 발명에 따른 크레인 제어기의 용도를 포함한다. 특히, 본 발명에 따른 케이블 포스 모드는 원하는 케이블 포스의 설정 포인트가 유지되는 것을 자동적으로 보장한다. 유리하게는, 이는 본 발명에 따른 케이블 포스의 제어에 의해 실행된다.
본 발명은 케이블에 매달린 화물을 들기 위한 호이스팅 기어를 포함하는 크레인을 작동시키는 방법을 더 포함한다. 본 발명에 따르면, 호이스팅 기어는 케이블 포스의 설정 포인트에 기초하여 작동된다. 또한, 이는 크레인 제어기 및 그 용도와 관련하여 이미 전술한 장점들을 제공한다.
유리하게는, 이 방법은 본 발명에 따른 크레인 제어기 및 그 용도와 관련하여 이미 전술한 바와 같이 실행된다.
특히, 본 발명에 따른 방법은 전술한 바와 같은 크레인 제어기를 사용하여 실행될 수 있다.
유리하게는, 본 발명에 따른 크레인 제어기는 적하 동작을 검출하면 케이블 포스 모드로 자동적으로 전환한다. 유리하게는, 기준 변수의 설정 포인트 점프를 방지하기 위해, 적하 동작의 검출 시 현재 측정된 포스로부터 실제 목표 포스로의 램프 형상 전이가 실행된다.
또한, 화물을 들어 올리기 위해, 목표 포스는 초기에 화물을 들어올릴 수 있는 범위로 증가될 수 있다. 또한, 유리하게는, 목표 포스 모드로부터 리프팅 모드로의 전환은 자유롭게 매달린 화물을 사용하여 실행된다.
유리하게는, 크레인 조작자는 케이블 포스 모드로부터 리프팅 모드로 수동으로 전환시킬 수 있다. 이와 달리, 크레인 제어기에 의해 자동적으로 실행될 수도 있다.
또한, 유리하게는, 크레인 조작자가 리프팅 모드에서 화물의 이동을 지정하는 입력 장치가 또한 케이블 포스 모드 동안에 자동적으로 비활성화된다.
또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 방법을 실행하기 위한 코드를 갖는 소프트웨어를 포함한다. 소프트웨어는 머신-판독 가능한 데이터 저장 매체상에 저장될 수 있다. 유리하게는, 본 발명에 따른 크레인 제어기는 크레인 제어기에 인스톨되면 본 발명에 따른 소프트웨어에 의해 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 크레인 제어기 및 특히 케이블 포스 모드는 전자 제어 유닛에 의해 유리하게 구현된다. 특히, 제어 컴퓨터가 제공될 수 있는데, 이는 입력 소자 및/또는 센서와 연결되어 호이스팅 기어를 작동시키기 위한 작동 신호를 생성한다. 또한, 제어 컴퓨터는 디스플레이 장치와 연결될 수 있고, 이는 크레인 조작자에게 크레인 제어기의 상태에 관한 정보를 시각적으로 표시한다. 유리하게는, 본 발명에 따르면, 크레인 제어기가 케이블 포스 모드인지 리프팅 모드인지가 표시된다. 또한, 설정 포인트는 본 발명에 따라 시각화될 수 있다. 유리하게는, 제어 컴퓨터는 원하는 케이블 포스가 설정될 수 있는 입력 소자와 연결된다. 또한, 유리하게는, 제어 컴퓨터는 케이블 포스 센서와 연결된다.
실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명할 것이다.
본 발명에 의하면, 케이블 길이가 늘어나는 것을 방지하는 개선된 케이블 제어기가 제공된다.
도 1a은 본 발명에 따른 크레인이 방주에 배치된 것을 도시하고 있다.
도 1b는 상하동요 보상 및 조작자 제어를 위한 별도의 궤적 계획 수립의 구조를 도시하고 있다.
도 2는 안정된 저크를 갖는 궤적을 계획하는 4차 적분기 체인을 도시하고 있다.
도 3은 궤적 계획 수립을 위한 비등거리 불연속화를 도시하고 있는데, 시간 수평선의 시작 부분보다 시간 수평선의 끝부분이 큰 거리를 사용한다.
도 4는 속도의 예를 사용하는 시간 수평선의 끝부분에서 제한이 먼저 어떻게변하는지를 고려한 것을 도시하고 있다.
도 5는 조작자 제어의 궤적 계획 수립을 위해 사용되는 3차 적분기 체인을 도시하고 있는데 이는 저크 추가를 참조하여 동작한다.
도 6은 조작자 제어의 경로 계획 수립 구조를 도시하고 있는데, 이는 구동의 제한을 고려한다.
도 7은 관련 전환 시점을 갖는 예시적 저크 프로파일을 도시하고 있는데, 이로부터 호이스팅 기어의 위치 및/또는 속도 및/또는 가속도에 관한 궤적이 경로 계획 수립을 참조하여 계산된다.
도 8은 저크 추가를 사용하여 생성되는 속도 및 가속도 궤적의 과정을 도시하고 있다.
도 9는 능동 상하동요 보상 및 목표 포스 모드를 갖는 작동 개념의 개요를 도시하고 있는데 여기서는 일정 장력 모드라 지칭된다.
도 10은 능동 상하동요 보상을 위한 작동의 블록 회로도를 도시하고 있다.
도 11은 목표 포스 모드에 대한 작동의 블록 회로도를 도시하고 있다.
도 1a은 호이스팅 기어(5)를 작동시키는, 본 발명에 따른 크레인 제어기를 갖는 크레인(1)의 실시형태를 도시하고 있다. 호이스팅 기어(5)는 케이블(4)을 이동시키는 호이스팅 윈치를 포함한다. 본 실시형태에서, 케이블(4)은 케이블 서스펜션 포인트(2)를 지나 크레인 붐의 단부에서 편향 풀리로 연결된다. 케이블(4)을 이동시킴으로써, 케이블에 매달린 화물(3)을 들거나 내릴 수 있다.
호이스팅 기어의 위치 및/또는 속도를 측정하고 대응 신호를 크레인 제어기로 전송하는 적어도 하나의 센서가 제공될 수 있다.
또한, 케이블 포스를 측정하고 크레인 제어기에 대응 신호를 전송하는 적어도 하나의 센서가 제공될 수 있다. 이 센서는 크레인 바디의 영역, 특히 윈치(5)의 마운트 및/또는 케이블 풀리(2)의 마운트에 배치될 수 있다.
본 실시형태에서, 크레인(1)은 방주(6), 여기서는 선적에 배치된다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 방주(6)는 상하동요(heave)로 인해 대략 6 자유도로 이동한다. 이에 의해, 방주(6)에 배치되는 크레인(1) 및 케이블 서스펜션 포인트(2)도 움직인다.
본 발명에 따른 크레인 제어기는, 호이스팅 기어를 작동시켜서 상하동요로 인한 케이블 서스펜션 포인트(2)의 이동을 적어도 부분적으로 보상하는 능동 상하동요 보상을 포함할 수 있다. 특히, 상하동요로 인한 케이블 서스펜션 포인트의 수직 이동이 적어도 부분적으로 보상된다.
상하동요 보상은 센서 데이터로부터 현재 상하동요 이동을 결정하는 측정 장치를 포함할 수 있다. 측정 장치는 크레인 토대에 배치되는 센서를 포함할 수 있다. 특히, 이는 자이로스코프 및/또는 경사각 센서일 수 있다. 보다 바람직하게는, 3개의 자이로스코프 및 3개의 경사각 센서가 제공된다.
또한, 결정된 상하동요 움직임에 대한 케이블 서스펜션 포인트(2)의 추후 움직임 및 상하동요 움직임의 모델을 예측하는 예측 장치가 제공될 수 있다. 특히, 예측 장치는 케이블 서스펜션 포인트의 수직 움직임을 단독으로 예측한다. 측정 및/또는 예측 장치와 관련하여, 측정 장치의 센서 지점에서의 선적의 움직임이 케이블 서스펜션 포인트의 움직임으로 변환될 수 있다.
예측 장치 및 측정 장치는 독일 공개특허 DE 10 2008 024513 A1에 보다 상세히 설명되어 있는 것들이 유리하게 사용된다.
이와 달리, 본 발명에 따른 크레인은 방주에 배치되며 상하동요에 따라 움직이는 화물 적하 지점에 화물을 들어 올리거나 내려놓기 위해 사용되는 크레인일 수도 있다. 이 경우, 예측 장치는 화물 적하 지점의 추후 움직임을 예측해야 한다. 이는 전술한 절차와 유사한데, 측정 장치의 센서가 화물 적하 지점의 방주에 배치된다. 예를 들어, 크레인은 항만 크레인, 근해 크레인 또는 케이블 굴착기일 수 있다.
본 실시형태에서, 호이스팅 기어(5)의 호이스팅 윈치는 유압식으로 구동된다. 특히, 유압 펌프 및 유압 모터의 유압 회로가 제공되어 이를 통해 호이스팅 윈치가 구동된다. 바람직하게는, 유압 축압기가 제공될 수 있어서, 이를 통해 화물을 내려 놓을 때의 에너지가 저장되고 이 에너지는 화물을 들어올릴 때에 이용 가능하다.
이와 달리, 전기 구동이 사용될 수도 있다. 동일한 것이 에너지 축압기에 연결될 수도 있다.
이하, 본 발명의 다양한 측면이 결합하여 구현되는 본 발명의 실시형태를 설명할 것이다. 그러나, 본 명세서의 전반적인 부분에서 설명되는 바와 같이 본 발명의 실시형태를 구현하기 위해 개별적인 측면이 각각 사용될 수도 있다.
1. 기준 궤적의 계획 수립( Planning of reference trajectories)
능동 상하동요 보상의 요구되는 예측 동작을 구현하기 위해, 2 자유도 구조의 형태로 파일롯 제어 및 피드백으로 구성되는 순차적 제어가 채택된다. 파일롯 제어는 미분 파라미터화에 의해 계산되고 기준 궤적이 안정적으로 2회 미분 가능할 것을 요구한다.
계획을 위해 특정 궤적을 따라 구동되는 것으로 결정한다. 따라서, 호이스팅 기어의 제한도 고려되어야 한다. 케이블 서스펜션 포인트의 수직 위치 및/또는 속도
Figure 112013017565811-pat00001
및
Figure 112013017565811-pat00002
를 먼저 고려하는데, 이는 고정 시간 수평선을 지나 가령 독일 공개특허 DE 10 2008 024 513에 설명된 알고리즘에 의해 예측된다. 또한, 크레인 조작자가 화물을 관성 좌표계에서 이동시키는 핸드 레버 신호도 궤적 계획에 포함된다.
안전을 이유로, 능동 상하동요 보상이 고장난 경우에 핸드 레버 신호를 통해서도 윈치가 이동될 수 있어야 한다. 궤적 계획을 위한 개념을 사용하여, 도 1b에 도시된 바와 같이, 보상 움직임을 위한 기준 궤적의 계획과 핸드 레버 신호의 결과로서의 기준 궤적 사이의 구분이 이루어진다.
도면에서,
Figure 112013017565811-pat00003
,
Figure 112013017565811-pat00004
및
Figure 112013017565811-pat00005
는 보상을 위해 계획된 위치, 속도 및 가속도를 나타내고,
Figure 112013017565811-pat00006
,
Figure 112013017565811-pat00007
및
Figure 112013017565811-pat00008
는 핸드 레버 신호를 기초로 하여 계획되는 케이블의 중첩 풀기 또는 감기를 위한 위치, 속도 및 가속도를 나타낸다. 추가 실행 과정에서, 호이스팅 윈치의 이동을 위한 계획된 기준 궤적은 각각
Figure 112013017565811-pat00009
,
Figure 112013017565811-pat00010
및
Figure 112013017565811-pat00011
로 표시되는데, 이는 이들이 구동 역학의 시스템 출력을 위한 기준으로서 기능하기 때문이다.
궤적 계획이 구분됨으로써, 상하동요 보상이 스위치 오프된 상태 또는 (가령, IMU의 고장으로 인한) 상하동요 보상의 완전한 고장의 경우에, 동일한 궤적 계획 및 동일한 순차적 제어기를 사용하여 수동 조작으로 핸드 레버 제어하여 상하동요 보상이 스위치 온된 것과 동일한 조작 동작이 가능하다.
완전히 독립적인 계획에도 불구하고 속도(v max )및 가속도(a max )의 주어진 제한을 위반하지 않도록, v max 및 amax가 가중 계수(
Figure 112013017565811-pat00012
)에 의해 분할된다(도 1b와 비교). 크레인 조작자에 의해 동일한 것이 지정되어 보상을 위해 이용 가능한 전력을 개별적으로 분할하거나 화물을 이동시킨다. 따라서, 보상 이동의 최대 속도 및 가속은 (1-k l )v max 및 (1-k l )a max 이며, 케이블의 중첩 풀기 및 감기는 klvmax 및 klamax이다.
k l 의 변경은 동작 중에 수행될 수 있다. 최대 가능한 이동 속도 및 가속은 케이블 및 화물의 총 질량에 의존하므로, v max 및 amax 도 동작 중에 변경될 수 있다. 그러므로, 적용 가능한 각 값들도 마찬가지로 궤적 계획으로 넘어간다.
전력을 분할함으로써, 제어 변수 제한은 완전히 사용되지 않을 수 있지만, 크레인 조작자가 능동 상하동요 보상의 영향을 용이하고 직관적으로 조절할 수 있다.
k l = 1의 가중이 능동 상하동요 보상의 스위치 오프와 동일하므로, 스위치 온 상태의 보상과 스위치 오프 상태의 보상이 부드럽게 이행될 수 있다.
우선, 이 장의 첫 번째 부분에서 케이블 서스펜션 포인트의 수직 움직임을 보상하기 위한 기준 궤적
Figure 112013017565811-pat00013
,
Figure 112013017565811-pat00014
및
Figure 112013017565811-pat00015
의 생성을 설명한다. 여기서 핵심적인 측면은, 계획된 궤적을 사용하여, k l 로 설정된 주어진 제한으로 인해 수직 움직임이 최대한 보상된다는 것이다.
그러므로, 완전한 시간 수평선을 통해 예측된 케이블 서스펜션 포인트의 수직 위치 및 속도
Figure 112013017565811-pat00016
및
Figure 112013017565811-pat00017
에 의해, 최적 제어 문제가 공식화되고, 주기적으로 해결되는데, 여기서 Kp 는 예측된 시간 단계의 개수이다. 이어서 관련 수치적 해법 및 구현을 설명할 것이다.
이 장의 두 번째 부분에서는 화물을 이동시키기 위한 궤적
Figure 112013017565811-pat00018
,
Figure 112013017565811-pat00019
및
Figure 112013017565811-pat00020
의 계획을 설명한다. 이는 크레인 조작자(w hh )의 핸드 레버 신호로부터 직접 생성된다. 이 계산은 허용 가능한 최대 저크(jerk)의 추가에 의해 실행된다.
1.1 보상을 위한 기준 궤적( Reference trajectories for the compensation )
호이스팅 윈치의 보상 움직임을 위한 궤적 계획을 수립하는 데 있어서, 유효 구동 제한을 고려하여 케이블 서스펜션 포인트의 예측된 수직 위치 및 속도로부터 충분히 부드러운 궤적이 생성되어야 한다. 이 작업은 제한 최적화 문제로 간주되는데, 이는 각 시간 단계에서 온 라인으로 해결될 수 있다. 그러므로, 모델-예측 궤적 생성의 견지에서 모델-예측 제어 방안과 유사하게 접근한다.
최적화를 위한 기준 또는 설정 지점 값으로서, 케이블 서스펜션 포인트의 수직 위치 및 속도
Figure 112013017565811-pat00021
및
Figure 112013017565811-pat00022
가 사용되는데, 이는 Kp 개의 시간 단계를 갖는 전체 시간 수평선을 통해 시간에서 예측되며, 가령, 독일 공개특허 10 2008 024 513에 개시된 알고리즘에 의해 대응 예측 시간을 사용하여 계산된다.
k l , v max 및 amax 에 의해 유효한 제한을 고려하여, 최적 시간 시퀀스는 보상 움직임을 위해 결정될 수 있다.
그러나, 모델-예측 제어와 유사하게, 계산된 궤적의 제 1 값만이 후속 제어를 위해 사용된다. 다음 시간 단계에서, 케이블 서스펜션 포인트의 수직 위치 및 속도의 업데이트되어 보다 정확한 예측을 사용하여 최적화가 반복된다.
종래 모델-예측 제어와 비교할 때 연속적 제어를 사용하는 모델-예측 궤적 생성의 이점은, 제어 부분 및 관련 안정화가 궤적 생성과 비교할 때 높은 스캔 시간으로 계산될 수 있다는 점이다. 그러므로, 계산 집약적 최적화가 보다 느린 작업으로 이동될 수 있다.
한편, 이 관점에서, 최적화가 유효 해법을 발견하지 못한 경우에 있어서 제어와 무관하게 응급 기능이 수행될 수 있다. 이는, 이러한 응급 상황에서 제어가 의존하고 윈치를 더 작동시키는 간략화된 궤적 계획 수립으로 구성된다.
1.1.1 보상 움직임 계획 수립을 위한 시스템 모델 ( System model for planning the compensation movement )
보상 움직임을 위한 기준 궤적의 안정성 요구조건을 만족시키기 위해, 최초의 세 번째 도함수
Figure 112013017565811-pat00023
는 점프 가능한 것으로 간주될 수 있다. 그러나, 저크에서의 점프는 윈치 수명과 관련하여 보상 움직임에서 회피되어야 하며, 네 번째 도함수
Figure 112013017565811-pat00024
만이 점프 가능한 것으로 간주될 수 있다.
따라서, 저크는 적어도 안정적으로 계획되어야 하며, 도 2에 도시된 4차 적분기 체인을 참조하여 보상 움직임을 위한 궤적 생성이 실행되어야 한다. 최적화에서, 시스템 모델과 동일하게 기능하며 상태 공간에서 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013017565811-pat00025
(1.1)
여기서, 출력
Figure 112013017565811-pat00026
은 보상 움직임을 위한 계획된 궤적을 포함한다. 최적 제어 문제를 공식화하고 추후 구현과 관련하여, 이 시간 연속 모델은 먼저 격자상에서 불연속화된다.
Figure 112013017565811-pat00027
(1.2)
여기서, K p 는 케이블 서스펜션 포인트의 수직 움직임의 예측을 위한 예측 단계의 개수를 나타낸다. 불연속 시스템 시간 tk과 궤적 생성의 불연속 시간 표현을 구분하기 위해,
Figure 112013017565811-pat00028
을 사용하여 표시하는데, 여기서
Figure 112013017565811-pat00029
및
Figure 112013017565811-pat00030
는 궤적 생성을 위해 사용되는 수평선 K p 의 불연속화 간격이다.
도 3은 선택된 격자가 등거리가 아니어서 수평선상의 필요한 지지 지점의 개수가 감소되는 것을 도시하고 있다. 따라서, 최적 제어 문제의 크기가 최소가 되도록 유지하는 것이 가능하다. 수평선의 끝부분에 대한 대략적인 불연속화의 영향은 계획된 궤적에 대한 단점을 갖지 않는데, 이는 수직 위치 및 속도의 예측이 예측 수평선의 끝부분에 대해 덜 정확하기 때문이다.
이 격자에 대한 시간-불연속 시스템 표현은 분석적 해법을 참조하여 정확하게 계산될 수 있다.
Figure 112013017565811-pat00031
(1.3)
도 2의 적분기 체인에 대해
Figure 112013017565811-pat00032
(1.4)
로 이어지는데, 여기서
Figure 112013017565811-pat00033
는 각 시간 단계에 대한 불연속화 단계 너비 유효를 나타낸다.
1.1.2 최적 제어 문제의 공식화 및 해법( Formulation and solution of the optimal control problem )
최적 제어 문제를 해결함으로써 궤적이 계획될 것이며, 케이블 서스펜션 포인트의 예측된 수직 이동과 최대한 근접하는 동시에 주어진 제한을 만족한다.
이 요구조건을 만족시키기 위해, 메리트 함수는 다음과 같다.
Figure 112013017565811-pat00034
(1.5)
여기서,
Figure 112013017565811-pat00035
는 각 시간 단계에서의 유효한 기준을 표시한다. 여기서 케이블 서스펜션 포인트의 예측된 위치
Figure 112013017565811-pat00036
및 속도
Figure 112013017565811-pat00037
만이 이용 가능하므로, 관련 가속 및 저크는 0으로 설정된다. 그러나, 이 일정하지 않은 지정의 영향은 가속 및 저크 편차의 대응하는 가중만큼 작게 유지될 수 있다. 따라서:
Figure 112013017565811-pat00038
(1.6)
반정부호 대각 행렬(positively semidefinite diagonal matrix)을 통해
Figure 112013017565811-pat00039
(1.7)
기준으로부터의 편차가 메리트 함수에서 가중된다. 이 스칼라 계수 ru는 정정 노력(effort)를 평가한다. 전체 예측 수평선을 통해 ru, q w , 3 및 qw ,4는 일정하지만, q w , 1 및 qw ,2는 시간 단계
Figure 112013017565811-pat00040
에 의존하여 선택된다. 그러므로, 예측 수평선의 시작 부분에서 기준 값은 끝부분에서보다 강하게 가중될 수 있다. 따라서, 예측 시간이 증가함에 따라 낮아지는 수직 이동 예측의 정확도가 메리트 함수에서 도시될 수 있다. 가속도 및 저크에 대한 기준이 존재하지 않기 때문에, 가중치 qw ,3 및 qw ,4는 0으로부터의 편차만을 제공하고, 이러한 이유로 위치 및 속도
Figure 112013017565811-pat00041
및 속도
Figure 112013017565811-pat00042
에 대한 가중치보다 작게 선택된다.
최적 제어 문제에 대한 관련 제한은 구동의 이용 가능한 전력 및 현재 선택된 가중 계수 kl 로부터 이어진다(도 1b 와 비교). 따라서, 이는 (1.4)로부터의 시스템 모델의 상태에 적용된다.
Figure 112013017565811-pat00043
(1.8)
이고 입력에 대해
Figure 112013017565811-pat00044
(1.9)
여기서,
Figure 112013017565811-pat00045
는 수평선의 끝부분에서의 각 제한이 수평선의 시작 부분에서의 제한의 95%에 이르도록 선택되는 감소 계수를 나타낸다. 중간 시간 단계에 있어서,
Figure 112013017565811-pat00046
는 선형 보간으로부터 이어진다. 수평선을 따른 제한의 감소는 허용 가능한 해법의 존재에 관해 이 방법의 견고성을 증가시킨다.
동작에서 속도 및 가속도 제한은 변할 수 있는 반면, 저크의 제한 jmax 및 저크의 도함수
Figure 112013017565811-pat00047
는 일정하다. 호이스팅 윈치 및 전체 크레인의 유효 수명을 증가시키기 위해, 이들은 허용 가능한 최대 충격 화물을 고려하여 선택된다. 위치 상태에 대해서는 제한이 적용되지 않는다.
동작에서 전력 kl 의 가중 계수 외에 최대 속도 vmax 및 가속도 amax가 외부적으로 결정되므로, 속도 및 가속도 제한 또한 최적 제어 문제를 위해 반드시 변경된다. 이 개념은 다음과 같이 관련되는 시간에 따라 변하는 제한을 고려한다. 제한이 변경되는 즉시, 먼저 시간 단계
Figure 112013017565811-pat00048
에 대한 예측 수평선의 끝부분에서만 업데이트된 값이 고려된다. 시간이 흐름에 따라, 예측 수평선의 시작 부분으로 값이 푸쉬된다.
도 4는 속도 제한을 참조하는 이 절차를 도시하고 있다. 제한을 감소시킬 때, 허용 가능한 최대 도함수에 적합한지를 주의해야 한다. 이는, 예를 들어, 현재 가속도 제한 (1-k l )a max 에 의해 속도 제한 (1-k l )v max 이 허용될 수 있는 한 최대로 빨리 감소될 수 있음을 의미한다. 업데이트된 제한이 푸쉬되므로, 그 제한에 존재하는 초기 조건
Figure 112013017565811-pat00049
에 대한 해법이 항상 존재하며, 이는 결국 업데이트된 제한을 위반하지 않는다. 그러나, 변경된 제한이 최종적으로 수평선의 시작 부분의 계획된 궤적에 영향을 주기까지는 전체 예측 수평선을 취할 것이다.
따라서, 최적 제어 문제는 최소화될 2차 메리트 함수 (1.5), 선형 2차 최적화 문제(2차 프로그래밍 문제에 대한 QP 문제 : QP Problem for Quadratic Programming Problem)의 형태로 시스템 모델 (1.4) 및 (1.8) 및 (1.9)로부터의 부등식 제한에 의해 완전히 주어진다. 최적화가 최초로 실행될 때, 최초 조건은
Figure 112013017565811-pat00050
로 선택된다. 이어서, 최종 최적화 단계에서 시간 단계
Figure 112013017565811-pat00051
에 대해 계산된 값
Figure 112013017565811-pat00052
이 최초 조건으로서 사용된다.
각 시간 단계에서, QP 문제의 실제 해법의 계산은 QP 해결자로서 지칭되는 수치적 방법을 통해 실행된다.
최적화를 위한 계산 노력으로 인해, 보상 움직임의 궤적 계획 수립을 위한 스캔 시간은 능동 상하동요 보상의 모든 나머지 구성요소의 불연속화 시간보다 크기 때문에 다음과 같다.
Figure 112013017565811-pat00053
.
기준 궤적이 보다 빠른 속도로 제어를 위해 이용 가능하도록 보장하기 위해, 도 2의 적분기 체인의 시뮬레이션은 보다 빠른 스캔 시간
Figure 112013017565811-pat00054
으로 최적화 외부에서 실행된다. 최적화로부터 새로운 값이 이용 가능하게 되는 즉시, 상태
Figure 112013017565811-pat00055
는 시뮬레이션을 위한 초기 조건으로 사용되고, 예측 수평선
Figure 112013017565811-pat00056
의 시작 부분의 정정 변수는 상수 입력으로서 적분기 체인상에 기록된다.
1.2 화물을 이동시키는 기준 궤적( Reference trajectories for moving the load)
보상 움직임과 유사하게, 안정적으로 2회 미분 가능한 기준 궤적이 중첩 핸드 레버 제어를 위해 필요하다(도 1b 와 비교). 크레인 조작자에 의해 지정 가능한 이들 움직임과 마찬가지로, 윈치에 대해 보통 방향으로는 빠른 변화가 예상되지 않으며, 안정적으로 계획되는 가속도
Figure 112013017565811-pat00057
의 최소 요구조건도 윈치의 유효 수명에 대해 충분히 발견되었다. 따라서, 보상 움직임에 대해 계획된 기준 궤적에 대조하여, 저크에 대응하는 세 번째 도함수
Figure 112013017565811-pat00058
는 점프 가능한 것으로 이미 간주될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 이는 3차 적분기 체인의 입력으로서도 기능한다. 안정성에 관한 요구조건 외에도, 계획된 궤적은 현재 유효 속도 및 가속도 제한을 만족해야 하며, 핸드 레버 제어에 대해 klvmax 및 klamax로 발견된다.
크레인 조작자의 핸드 레버 신호
Figure 112013017565811-pat00059
는 현재 허용 가능한 최대 속도 k l v max 에 관한 상대 속도 지정으로서 해석된다. 따라서, 도 6에 따르면 핸드 레버에 의해 지정되는 목표 속도는 다음과 같다.
Figure 112013017565811-pat00060
(1.10)
알 수 있는 바와 같이, 핸드 레버에 의해 현재 지정되는 목표 속도는 핸드 레버 위치 whh, 가변 가중 계수 kl 및 현재 허용 가능한 최대 윈치 속도 vmax에 의존한다.
핸드 레버 제어를 위한 궤적 계획 수립의 작업을 다음과 같이 표시할 수 있다. 핸드 레버에 의해 지정되는 목표 속도로부터, 안정적으로 미분 가능한 속도 프로파일이 생성되어 가속도가 안정적인 과정을 가질 수 있다. 이 작업에 대한 절차로서, 소위 저크 추가가 추천할만 하다.
기본적인 아이디어는, 제 1 단계에서 허용 가능한 최대 저크 jmax가 허용 가능한 최대 가속도에 도달할 때까지 적분기 체인의 입력에 대해 작용하는 것이다. 제 2 단계에서, 속도는 일정한 가속도로 증가하며, 최종 단계에서 허용 가능한 최대 네거티브 저크가 추가되어 원하는 최종 속도가 달성된다.
그러므로, 각 단계들 사이의 전환 시간은 저크 추가 내에서 결정되어야 한다. 도 7은 스위칭 시간과 함께 속도 변화에 대한 저크의 예시적 과정을 도시하고 있다. T l ,0 은 재계획이 수립되는 시각을 지정한다. 시간 T l ,1 , T l , 2 및 T l ,3 은 각 단계들 사이의 계산된 전환 시간을 각각 지칭한다. 이 계산은 다음 단락에서 설명된다.
핸드 레버 제어에 관한 새로운 상황이 발생하는 즉시, 생성된 궤적의 재계획이 수립된다. 목표 속도
Figure 112013017565811-pat00061
또는 핸드 레버 제어 klamax에 관한 현재 유효한 최대 가속도가 변경되는 즉시 새로운 상황이 발생된다. 목표 속도는 새로운 핸드 레버 위치 whh 또는, k l 또는 vmax의 새로운 지정으로 인해 변경될 수 있다(도 6과 비교). 유사하게, k l 또는 amax에 의한 최대 유효 가속도의 변동이 가능하다.
궤적의 재계획을 수립할 때, 우선 현재 계획된 속도
Figure 112013017565811-pat00062
및 가속도를 0으로 감소시켜서 얻어지는 대응 가속도
Figure 112013017565811-pat00063
로부터 속도가 계산된다.
Figure 112013017565811-pat00064
(1.11)
여기서 최소 필요한 시간이 다음과 같이 주어진다.
Figure 112013017565811-pat00065
(1.12)
Figure 112013017565811-pat00066
는 적분기 체인의 입력을 표시한다. 즉, 추가된 저크(도 5와 비교). 현재 계획된 가속도
Figure 112013017565811-pat00067
에 의존하여, 다음이 발견된다.
Figure 112013017565811-pat00068
(1.13)
이론적으로 계산된 속도 및 원하는 목표 속도에 의존하여, 입력 과정이 표시될 수 있다.
Figure 112013017565811-pat00069
인 경우,
Figure 112013017565811-pat00070
는 원하는 값
Figure 112013017565811-pat00071
에 도달하지 못하고 가속도는 더 증가할 수 있다. 그러나,
Figure 112013017565811-pat00072
인 경우,
Figure 112013017565811-pat00073
는 너무 빠르며 가속도가 즉시 감소되어야 한다.
이들 고려사항으로부터, 저크의 다음 스위칭 시퀀스가 세 가지 단계에 대해 유도될 수 있다.
Figure 112013017565811-pat00074
(1.14)
Figure 112013017565811-pat00075
를 사용하여, 입력 신호 ul ,i 가 각 단계에 추가된다. 단계의 기간은
Figure 112013017565811-pat00076
인 것으로 발견되고, i=1,2,3이다. 따라서, 제 1 단계의 끝부분에서 계획된 속도 및 가속도는
Figure 112013017565811-pat00077
(1.15) (1.16)
이고, 제 2 단계 후에는
Figure 112013017565811-pat00078
(1.17) (1.18)
인데, 여기서 ul ,2는 0으로 가정된다. 최종적으로, 제 3 단계 후는 다음과 같다.
Figure 112013017565811-pat00079
(1.19) (1.20)
스위칭 시간 Tl ,i의 정확한 계산을 위해, 초기에는 가속도 제한이 무시되는데,
Figure 112013017565811-pat00080
이다. 이 간략화로 인해, 2개의 나머지 시간 간격의 길이는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112013017565811-pat00081
(1.21) (1.22)
여기서,
Figure 112013017565811-pat00082
는 달성된 최대 가속도를 나타낸다. (1.21) 및 (1.22)를 (1.15), (1.16) 및 (1.19)로 삽입함으로써, 시스템 등식이 얻어지며, 이는
Figure 112013017565811-pat00083
에 대해 풀이될 수 있다.
Figure 112013017565811-pat00084
를 고려하면, 다음 식이 최종적으로 얻어진다.
Figure 112013017565811-pat00085
(1.23)
Figure 112013017565811-pat00086
의 부호는 (1.21) 및 (1.22)의
Figure 112013017565811-pat00087
및
Figure 112013017565811-pat00088
가 반드시 양(positive)라는 조건에 따른다.
제 2 단계에서,
Figure 112013017565811-pat00089
및 허용 가능한 최대 가속도 klamax는 실제 최대 가속도를 얻는다.
Figure 112013017565811-pat00090
(1.24)
이를 이용하여, 실제로 발생하는 시간 간격
Figure 112013017565811-pat00091
및
Figure 112013017565811-pat00092
이 최종적으로 계산될 수 있다. 이는 (1.21) 및 (1.22)로부터 얻어지며,
Figure 112013017565811-pat00093
이다. 아직 알려지지 않은 시간 간격
Figure 112013017565811-pat00094
은 (1.21) 및 (1.22)로부터의
Figure 112013017565811-pat00095
및
Figure 112013017565811-pat00096
를 사용하여 (1.17) 및 (1.19)로부터 결정된다.
Figure 112013017565811-pat00097
(1.25)
여기서,
Figure 112013017565811-pat00098
는 (1.15)로부터 이어진다. 스위칭 시간은 시간 간격으로부터 직접 얻어질 수 있다.
Figure 112013017565811-pat00099
(1.26)
계획될 속도 및 가속도 프로파일
Figure 112013017565811-pat00100
및
Figure 112013017565811-pat00101
은 개별적인 스위칭 시간을 사용하여 분석적으로 계산될 수 있다. 스위칭 시간에 의해 빈번하게 계획되는 궤적은 완전히 횡단하지 않는 것으로 언급되어야 하는데, 이는, 스위칭 시간 Tl ,3에 도달하기 전에 새로운 상황이 발생하여, 재계획이 수립되고 새로운 스위칭 시간이 계산되어야 하기 때문이다. 전술한 바와 같이, w hh ,v max ,a max 또는 k l 의 변경에 의해 새로운 상황이 발생한다.
도 8은 본 발명에 의해 생성되는 궤적을 예시적으로 도시하고 있다. 궤적의 과정은 (1.24)로 인해 발생할 수 있는 두 경우를 포함한다. 첫 번째 경우에서, 허용 가능한 최대 가속도가 시간 t = 1s에 도달하고, 일정한 가속도를 갖는 단계가 이어진다. 두 번째 경우는 시간 t = 3.5s에서 발생한다. 여기서, 허용 가능한 최대 가속도는 핸드 레버 위치로 인해 완전히 도달하지 않는다. 그 결과는 제 1 및 제 2 스위칭 시간이 일치하고,
Figure 112013017565811-pat00102
가 적용된다. 도 5에 따르면, 관련 위치 과정은 속도 곡선의 통합에 의해 계산되며, 시스템 시작의 위치는 호이스팅 윈치로부터 현재 풀린 케이블 길이에 의해 초기화된다.
2 호이스팅 윈치에 대한 작동 개념( Actuation concept for the hoisting winch)
이론적으로, 작동은 2개의 상이한 동작 모드로 구성된다. 자유롭게 매달린 화물을 갖는 선적 움직임으로부터 수직 화물 움직임을 분리하기 위한 능동 상하동요 보상(active heave compensation) 및 해저에 화물이 적하되는 즉시 케이블이 늘어나는 것을 방지하기 위한 일정 장력 제어가 그것이다. 심해에서 들어올리는 동안, 상하동요 보상이 최초로 실행된다. 적하 동작의 검출을 기준으로, 일정한 장력 제어로의 전환이 자동적으로 실행된다. 도 9는 관련 기준 및 제어 변수를 갖는 전체 개념을 도시하고 있다.
그러나, 2개의 상이한 동작 모드의 각각은 다른 동작 모드 없이 각각 구현될 수도 있다. 또한, 후술하는 바와 같이 일정한 장력 모드는 배 위의 크레인의 사용과 무관하게 그리고 능동 상하동요 보상과 무관하게 사용될 수도 있다.
능동 상하동요 보상으로 인해, 호이스팅 윈치는, 윈치 움직임이 케이블 서스펜션 포인트
Figure 112013017565811-pat00103
의 수직 움직임을 보상하고 크레인 조작자가 관성으로 간주되는 hh 좌표계에서 핸드 레버에 의해 화물을 이동시키도록 동작되어야 한다. 이 작동이 보상 오차를 최소화하기 위해 요구되는 예측 동작을 갖는 것을 보장하기 위해, 2의 자유도의 구조의 형태로 파일롯 제어 및 안정화 부분에 의해 구현된다. 파일롯 제어는 윈치 역학 관계의 평평한 출력에 의해 미분 파라미터화로부터 계산되며, 보상 이동에 대한 음의 궤적
Figure 112013017565811-pat00104
,
Figure 112013017565811-pat00105
및
Figure 112013017565811-pat00106
외에도 화물을 이동시키기 위한 계획된 궤적
Figure 112013017565811-pat00107
,
Figure 112013017565811-pat00108
및
Figure 112013017565811-pat00109
으로부터 얻어진다(도 9와 비교). 구동 역학 관계 및 윈치 역학 관계의 시스템 출력에 대한 최종 목표 궤적은
Figure 112013017565811-pat00110
,
Figure 112013017565811-pat00111
및
Figure 112013017565811-pat00112
로 표시된다. 이들은 윈치 움직임에 대한 목표 위치, 속도 및 가속도를 나타내며, 케이블을 감고 푼다.
일정한 장력 단계 동안에, 화물에 대한 케이블 포스 Fsl 가 일정한 양으로 제어되어 케이블이 늘어지는 것을 방지한다. 그러므로, 핸드 레버는 이 동작 모드에서 작동되지 않으며, 핸드 레버 신호에 기초하여 계획되는 궤적은 더 이상 추가되지 않는다. 윈치의 작동은 파일롯 제어 및 안정화 부분을 갖는 2 자유도의 구조에 의해 실행된다.
정확한 화물 위치 zl 및 화물에 대한 케이블 포스 Fsl 는 제어를 위한 측정된 양으로서 이용 가능하지 않는데, 이는 케이블 길이가 길고 깊이가 깊어서 크레인 훅크가 센서 유닛을 갖추지 않기 때문이다. 또한, 매달린 화물의 종류 및 형상에 대한 정보가 존재하지 않는다. 그러므로, 화물 질량 ml, 질량 단위의 수력학 증가의 계수 Ca, 저항의 계수 Cd 및 침수된 체적
Figure 112013017565811-pat00113
과 같은 개별적인 화물 특정 파라미터는 일반적으로 알려져 있지 않으므로, 화물 위치의 신뢰 가능한 추정은 실제로 거의 불가능하다.
따라서, 풀린 케이블 길이 ls, 관련 속도
Figure 112013017565811-pat00114
, 케이블 서스펜션 포인트에서의 포스 Fc 가 제어를 위한 측정된 양으로서 이용 가능하다. 길이 ls는 증분 인코더를 사용하여 측정된 윈치 각
Figure 112013017565811-pat00115
및 와인딩 층 j l 에 의존하는 윈치 반경 rh(j l )으로부터 간접적으로 얻어진다. 관련 케이블 속도
Figure 112013017565811-pat00116
는 적합한 저역 통과 필터링을 사용하는 수치적 미분에 의해 계산될 수 있다. 케이블 서스펜션 포인트에 적용되는 케이블 포스 Fc는 포스 측정 핀에 의해 검출된다.
2.1 능동 상하동요 보상을 위한 작동( Actuation for the active heave compensation )
도 10은 주파수 영역의 블록 회로도를 사용하여 능동 상하동요 보상을 위한 호이스팅 윈치의 작동을 도시하고 있다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 구동 Gh(s)의 부분적 시스템으로부터 케이블 길이 및 속도
Figure 112013017565811-pat00117
및
Figure 112013017565811-pat00118
의 피드백만이 실행된다. 결과적으로, 입력 방해로서 케이블 시스템 G s ,z (s)상에서 동작하는 케이블 서스펜션 포인트
Figure 112013017565811-pat00119
의 수직 이동의 보상은 순전히 파일롯 제어로 발생하고, 케이블 및 화물 역학은 무시된다. 입력 방해 또는 윈치 움직임의 불완전한 보상으로 인해, 고유 케이블 역학이 일어나지만, 실제로 최종 화물 움직임은 수중에서 크게 감쇠되고 매우 빠르게 쇠락하는 것으로 가정될 수 있다.
보정 변수 U h (s)로부터 풀린 케이블 길이 Y h (s)로의 구동 시스템의 전달 함수는 IT1 시스템으로서 근사화될 수 있으며,
Figure 112013017565811-pat00120
(2.1)
가 얻어지고, 윈치 반경은 rh(j l )이다. 동시에 시스템 출력 Y h (s)은 평평한 출력을 나타내므로, 인버팅 파일롯 제어 F(s)는
Figure 112013017565811-pat00121
(2.2)
이고, 미분 파라미터화의 형태로 시간 영역에서 다음과 같이 기록될 수 있다.
Figure 112013017565811-pat00122
(2.3)
(2.3)은 파일롯 제어를 위한 기준 궤적이 적어도 2회 안정적으로 미분 가능해야 함을 보여준다.
안정화 Ka(s)및 윈치 시스템 G h (s)으로 구성되는 폐쇄 회로의 전달 함수는 도 10으로부터 얻어져서 다음과 같이 될 수 있다.
Figure 112013017565811-pat00123
(2.4)
보상 움직임
Figure 112013017565811-pat00124
을 무시함으로써, 기준 변수
Figure 112013017565811-pat00125
는, 일정 목표 속도
Figure 112013017565811-pat00126
가 존재하는 경우와 같이, 일정하거나 정적인 핸드 레버 변형을 갖는 램프형 신호로서 근사화될 수 있다. 이러한 기준 변수에서 정적 제어 편차를 방지하기 위해, 개방 체인 Ka(s)G h (s)은 I2 동작 [9]를 보여야 한다. 이는, 가령, 다음을 사용하여 PID 제어기에 의해 달성될 수 있다.
Figure 112013017565811-pat00127
(2.5)
따라서, 폐쇄 회로에 적용하면
Figure 112013017565811-pat00128
(2.6)
Figure 112013017565811-pat00129
의 정확한 값은 각 시간 상수 Th에 의존하여 선택된다.
2.2 적하 동작의 검출( Detection of the depositing operation)
화물이 해저에 닿는 즉시, 능동 상하동요 보상으로부터 일정 장력 제어로의 전환이 이루어진다. 이를 위해, 적하 동작의 검출이 필요하다(도 9와 비교). 동일한 후속 일정 장력 제어에 있어서, 케이블은 간단한 스프링 질량 요소로서 근사화된다. 따라서, 케이블 서스펜션 포인트에서 동작하는 포스는 다음과 같이 근사치로 계산된다.
Figure 112013017565811-pat00130
(2.7)
여기서, k c 및
Figure 112013017565811-pat00131
는 케이블의 탄성 및 스프링의 변형과 동일한 스프링 상수를 나타낸다. 후자의 경우, 다음이 적용된다.
Figure 112013017565811-pat00132
(2.8)
다음 정적 관측으로부터 동일한 스프링 상수 kc가 결정될 수 있다. 질량 mf 의 부하를 갖는 스프링에 대해, 정적인 경우에 다음이 적용된다.
Figure 112013017565811-pat00133
(2.9)
(2.8)의 변환은 다음을 얻는다.
Figure 112013017565811-pat00134
(2.10)
(2.9)와 (2.10) 사이의 계수 비교를 참조하면, 동일한 스프링 상수가 다음과 같이 기록될 수 있다.
Figure 112013017565811-pat00135
(2.11)
(2.9)에서, 정적인 경우의 스프링의 변형
Figure 112013017565811-pat00136
은 유효 화물 질량 me 및 케이블 질량의 절반
Figure 112013017565811-pat00137
에 의해 영향 받는다는 것도 알 수 있다. 이는, 스프링에서 매달린 질량 mf 은 한 지점에 집중된다는 가정으로 인한 것이다. 그러나, 케이블 질량은 케이블 길이를 따라 균일하게 분배되므로, 부하가 스프링에 모두 걸리지 않는다. 그럼에도 불구하고, 케이블의 전체 무게
Figure 112013017565811-pat00138
는 케이블 서스펜션 포인트의 포스 측정에 포함된다.
케이블 시스템의 이 근사화(approximation)를 사용하여, 해저면의 적하 동작의 검출을 위한 조건이 도출될 수 있다. 정지된 상태에서, 케이블 서스펜션 포인트에 작용하는 포스는 풀린 케이블의 무게
Figure 112013017565811-pat00139
및 화물 질량의 유효 무게 meg로 구성된다. 그러므로, 해저면상의 부하에 대해 측정된 포스 Fc의 근사값은 다음과 같다.
Figure 112013017565811-pat00140
(2.12)
이며,
Figure 112013017565811-pat00141
(2.13)
여기서,
Figure 112013017565811-pat00142
은 해저면 도달 후에 불린 케이블을 나타낸다. (2.13)으로부터, 화물 위치가 지면에 도달한 후에 일정하기 때문에
Figure 112013017565811-pat00143
는 측정된 포스의 변화에 비례한다. (2.12) 및 (2.13)을 참조하면, 검출을 위한 다음 조건이 도출될 수 있는데, 이는 동시에 만족되어야 한다.
■음의 스프링 포스의 감소가 임계값보다 작아야 한다.
Figure 112013017565811-pat00144
(2.14)
■스프링 포스의 시간 도함수가 임계값보다 작아야 한다.
Figure 112013017565811-pat00145
(2.15)
■크레인 조작자는 화물을 내려놓아야 한다. 이 조건은 핸드 레버 신호를 사용하여 계획되는 궤적을 참조하여 체크된다.
Figure 112013017565811-pat00146
(2.16)
■잘못된 침수 검출을 방지하기 위해, 최소 케이블 길이가 풀려야 한다.
Figure 112013017565811-pat00147
(2.17)
음의 스프링 포스의 감소
Figure 112013017565811-pat00148
는 각각 측정된 포스 신호 Fc에서 최종 높은 지점
Figure 112013017565811-pat00149
을 기준으로 계산된다. 측정 잡음 및 고주파수 간섭을 억제하기 위해, 포스 신호는 대응하는 저역 필터에 의해 사전 처리된다.
조건 (2.14) 및 (2.15)가 동시에 만족되어야 하므로, 동적 고유 케이블 진동의 결과로서의 잘못된 검출이 배제된다. 동적 고유 케이블 진동의 결과로서, 포스 신호 Fc가 진동하고, 이에 의해 최종 높은 지점
Figure 112013017565811-pat00150
에 대한 스프링 포스
Figure 112013017565811-pat00151
의 변화 및 스프링 포스
Figure 112013017565811-pat00152
의 시간 도함수가 시프트된 위상을 갖는다. 결과적으로, 동적 고유 케이블 진동의 경우에서 임계값
Figure 112013017565811-pat00153
및
Figure 112013017565811-pat00154
을 적합하게 선택함으로써, 두 조건은 동시에 만족될 수 없다. 이를 위해, 침수 또는 해저면 적하의 경우와 같이, 케이블 포스의 정적 부분은 떨어져야 한다. 그러나, 침수에 대한 잘못된 검출은 조건 (2.17)에 의해 방지된다.
스프링 포스의 변화를 위한 임계값은 측정된 포스 신호의 최종 높은 지점에 의존하여 다음과 같이 계산된다.
Figure 112013017565811-pat00155
(2.18)
여기서,
Figure 112013017565811-pat00156
및 최대값
Figure 112013017565811-pat00157
은 실험적으로 결정되었다. 포스 신호의 도함수에 대한 임계값
Figure 112013017565811-pat00158
은 (2.7)의 시간 도함수 및 허용 가능한 최대 핸드 레버 속도 klvmax로부터 다음과 같이 추정될 수 있다.
Figure 112013017565811-pat00159
(2.19)
2개의 파라미터
Figure 112013017565811-pat00160
및
Figure 112013017565811-pat00161
도 마찬가지로 실험적으로 결정되었다.
일정 장력 제어에서 포스 제어가 위치 제어 대신에 적용되므로, 목표 포스
Figure 112013017565811-pat00162
가 화물에 작용하는 모든 정적 포스의 합 F l , stat 에 의존하여 기준 변수로서 지정된다. 이를 위해, 알려진 케이블 질량
Figure 112013017565811-pat00163
을 고려하여 상하동요 보상의 단계에서 Fl,stat가 계산된다.
Figure 112013017565811-pat00164
(2.20)
F c , stat 는 케이블 서스펜션 포인트 Fc에서 측정된 포스의 정적 포스 성분을 지정한다. 이는 측정된 포스 신호의 대응 저역 필터링으로부터 시작된다. 필터링에서 얻어지는 그룹 지연은 문제가 되지 않으며, 정적 포스 성분만이 고려되고, 시간 지연은 주요한 영향을 주지 않는다. 화물에 작용하는 모든 정적 포스의 합으로부터, 케이블 서스펜션 포인트에 추가적으로 작용하는 케이블의 무게를 고려하여 다음과 같이 목표 포스가 도출된다.
Figure 112013017565811-pat00165
(2.21)
여기서 케이블에서의 최종 장력은
Figure 112013017565811-pat00166
를 사용하여 크레인 조작자에 의해 지정된다. 기준 변수에서의 설정 포인트 점프를 방지하기 위해, 적하 동작의 검출 후에, 검출로 현재 측정된 포스로부터 실제 목표 포스
Figure 112013017565811-pat00167
로의 램프 형상 전이가 이루어진다.
해저면으로부터 화물을 들기 위해, 크레인 조작자는 일정 장력 모드로부터 자유롭게 매달린 화물의 능동 상하동요 보상으로의 변화를 수동으로 수행한다.
2.3 일정 장력 모드를 위한 작동( Actuation for the constant tension mode)
도 11은 주파수 영역에서 블록 회로도의 일정 장력 모드의 호이스팅 윈치의 작동을 구현하는 것을 도시하고 있다. 도 10에 도시된 제어 구조와 대조를 이루어, 케이블 시스템의 출력 Fc(s),즉, 케이블 서스펜션 포인트에서 측정된 포스가 윈치 시스템의 출력 대신에 피드백된다. (2.12)에 따라, 측정된 포스 Fc(s)는 포스의 변화
Figure 112013017565811-pat00168
및 정적 무게
Figure 112013017565811-pat00169
로 이루어지는데, 도면에서 이는 M(s)로 표시된다. 실제 제어를 위해, 케이블 시스템은 스프링 질량계로서 근사화된다.
2 자유도의 구조의 파일롯 제어 F(s)는 능동 상하동요 보상에 대한 것과 동일하고 각각 (2.2) 및 (2.3)에 의해 주어진다. 그러나, 일정 장력 모드에서, 핸드 레버 신호가 추가되지 않는데, 이는 보상 움직임을 위한 음의 목표 속도 및 가속도
Figure 112013017565811-pat00170
및
Figure 112013017565811-pat00171
로만 기준 궤적이 이루어지기 때문이다. 파일롯 제어 부분은 먼저 케이블 서스펜션 포인트의 수직 이동
Figure 112013017565811-pat00172
을 보상한다. 그러나, 윈치 위치의 직접적인 안정화는 Yh(s)의 피드백에 의해 이루어지지 않는다. 이는 측정된 포스 신호의 피드백에 의해 간접적으로 이루어진다.
측정된 출력 Fc(s)은 다음과 같이 도 11로부터 얻어진다.
Figure 112013017565811-pat00173
(2.22)
2개의 전달 함수를 사용하면
Figure 112013017565811-pat00174
(2.23) (2.24)
여기서, 지면상에 놓이는 화물에 대한 케이블 시스템의 전달 함수는 (2.12)로부터 이어진다.
Figure 112013017565811-pat00175
(2.25)
(2.22)로부터 얻을 수 있는 바와 같이, 보상 오차 Ea(s)는 안정 전달 함수 GCT ,1(s)에 의해 정정되고, 윈치 위치가 간접적으로 안정화된다. 이 경우에도 마찬가지로, 제어기의 요구조건 Ks(s)은 예상된 기준 신호
Figure 112013017565811-pat00176
로부터 얻어지는데, 이는 전이 단계가 일정 목표 포스
Figure 112013017565811-pat00177
에(2.21) 의해 주어진 이후이다. 이러한 일정 기준 변수에서 정적 제어 편차를 방지하기 위해, 개방 체인 Ks(s)G h (s)G s ,F (s)은 l 동작을 보여야 한다. 윈치 Gh(s)의 전달 함수는 이러한 동작을 이미 암시적으로 가지므로, 이 요구조건은 P 피드백으로 실현될 수 있으며, 다음에 적용된다.
Figure 112013017565811-pat00178
(2.26)
3: 화물 4: 케이블
5: 호이스팅 기어

Claims (15)

  1. 케이블에 매달린 화물을 들어 올리기 위한 호이스팅 기어를 포함하는 크레인용의 크레인 제어기에 있어서,
    상기 크레인 제어기가 상기 호이스팅 기어를 작동시켜서 케이블 포스의 설정 포인트가 얻어지는 케이블 포스 모드;
    상기 케이블 포스의 설정 포인트를 결정하는 설정 포인트 결정 유닛; 및
    크레인 조작자가 상기 케이블 포스의 설정 포인트를 변화시킬 수 있는 입력 소자를 포함하고,
    상기 설정 포인트 결정 유닛은 들어올리는 동안에 상기 케이블에 작용하는 정적 포스를 결정하고, 케이블 길이가 상기 설정 포인트 결정 유닛에 포함되고, 상기 설정 포인트 결정 유닛은 풀린 케이블의 무게를 고려하며,
    상기 크레인 제어기는 들어올리는 동안에 상기 케이블 포스의 설정 포인트와 상기 정적 포스 사이의 비율을 결정하는 계수가 입력되는 것을 특징으로 하는 크레인 제어기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    시스템의 탄성을 고려함으로써 윈치의 속도 또는 위치가 작동되어, 상기 케이블 포스의 상기 설정 포인트가 얻어지는 크레인 제어기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이블 포스 모드에서, 상기 케이블 포스는 일정한 설정 포인트에서 유지될 수 있으며, 상기 케이블 포스의 실제 값을 결정하는 케이블 포스 결정 유닛이 제공되고, 상기 케이블 포스의 상기 실제값과 상기 설정 포인트 값의 비교에 근거하여, 작동이 실행되는 크레인 제어기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이블 포스 모드에서 상기 케이블 포스는 적어도 하나의 측정된 값의 피드백에 의해 제어되고, 케이블 포스 센서의 측정 신호에 기초하여 상기 케이블 포스의 실제 값을 결정하는 케이블 포스 결정 유닛이 제공되며, 상기 케이블 포스 센서는 상기 호이스팅 기어, 호이스팅 윈치의 마운트 또는 케이블 풀리의 마운트에서 배치되는 크레인 제어기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    측정된 값의 필트레이션(filtration)을 통해 또는 모델 기반 추정을 통해 상기 케이블 포스의 실제 값을 결정하는 케이블 포스 결정 유닛이 제공되는 크레인 제어기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 설정 포인트 결정 유닛은,
    측정된 값, 사용자의 제어 신호 또는 입력을 참조하여 상기 케이블 포스의 설정 포인트를 결정하는 것을 특징으로 하는 크레인 제어기.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이블 포스의 실제 값을 결정하는 케이블 포스 결정 유닛이 제공되고,
    상기 케이블 포스 모드에서 상기 크레인 제어기는 상기 케이블의 역학 관계를 고려하는 파일롯 제어 파트와, 상기 케이블 포스 결정 유닛에 의해 결정된 상기 케이블 포스가 피드백되는 피드백 파트를 포함하는 크레인 제어기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상태 검출을 포함하되,
    상기 크레인 제어기는 상기 상태 검출을 참조하여 상기 케이블 포스 모드로 자동적으로 진입하거나 상기 케이블 포스 모드로부터 빠져나오며, 상기 상태 검출은 상기 화물을 내려놓거나 들어올리는 것을 검출할 수 있는 크레인 제어기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 호이스팅 기어가 화물 위치, 화물 속도, 케이블 위치 또는 케이블 속도의 설정 포인트에 기초하여 작동되는 리프팅 모드를 포함하며,
    상기 리프팅 모드에서 상기 화물 위치, 화물 속도, 케이블 위치 또는 케이블 속도의 실제 값을 피드백하는 제어기가 제공되는 크레인 제어기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 호이스팅 기어를 작동시킴으로써 상하동요로 인한 케이블 서스펜션 포인트 또는 화물 적하 포인트의 움직임을 적어도 부분적으로 보상하는 능동 상하동요 보상(active heave compensation)을 포함하는 크레인 제어기.
  12. 제 1 항 내지 제 6 항 및 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 크레인 제어기를 갖는 크레인으로서, 갑판 크레인(deck crane), 항만 크레인(harbor crane), 근해 크레인(offshore crane), 케이블 굴착기(cable excavator) 또는 모바일 하버 크레인(mobile harbor)인 크레인.
  13. 제11항에 있어서,
    리프팅 조건 하에서,
    상기 케이블 서스펜션 포인트 또는 상기 화물 적하 포인트는 외부 포스에 의해 이동되는 것을 특징으로 하는 크레인 제어기.
  14. 케이블에 매달린 화물을 들어올리는 호이스팅 기어를 포함하는 크레인을, 제 1 항 내지 제 6 항 및 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 크레인 제어기에 의해, 작동시키는 방법으로서, 상기 호이스팅 기어는 상기 케이블 포스의 설정 포인트에 기초하여 작동되는 크레인 작동 방법.
  15. 제 14 항에 따른 크레인 작동 방법을 실행하는 코드를 포함하는 소프트웨어가 설치되어 있는, 머신-판독 가능한 데이터 저장 매체.
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