KR19990043916A - 퍼지제어에 의한 슬리브 야드 크레인 자동운전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 크레인 시스템의 동역학적 모델을 기본으로 하여 계산된 속도 패턴과 숙련된 운전자의 경험적 작업기술을 바탕으로 설계된 퍼지제어기에 의하여 크레인의 트롤리 위치와 와이어 로프의 흔들림 각을 퍼지제어하도록 구성한 제어부에 의해 트롤리의 주행 및 와이어로프의 호이스팅 동작을 동시에 수행시킬 수 있는 슬라브 야드 크레인 자동운전장치에 관한 것으로, 외란이 없을 때 슬라브 야드 크레인의 트롤리가 목표지점까지 최소의 시간에 와이어로프의 흔들림이 없이 이동할 수 있는 최적의 속도패턴을 모델링한 속도경로 결정모델을 추종하여 각속도 및 거리오차의 주행토크를 산출하는 토크발생기와 상기 토크발생기에서 발생되는 주행토크상태에 따라 기설정된 퍼지제어규칙에 의해 트롤리의 위치오차 및 와이어로프의 진동각을 보정제어하기 위한 토크변화량을 출력하는 퍼지제어기로 이루어진 주행제어부와, 하물 운반시 장애물에 의한 위험지역 및 현재의 와이어로프의 길이에 관한 정보를 입력받아 트롤리의 이동과 동시에 장애물을 회피할 수 있도록 와이어 로프의 길이를 변화시키기 위한 호이스팅토크를 발생하여 슬라브 야드 크레인의 와이어 로프를 퍼지제어하기 위한 와이어로프 제어부를 구비하여 이루어진다.

Description

퍼지제어에 의한 슬라브 야드 크레인 자동운전장치

본 발명은 연주공장 정정 야드에서 슬라브의 이적작업을 수행하는 천정 크레인을 무인 자동운전하는 자동제어 시스템에 관한 것으로 , 특히 크레인 시스템의 동역학적 모델을 기본으로 하여 계산된 속도패턴과 운전자의 경험을 바탕으로 설계된 퍼지제어기에 의하여 크레인의 트롤리 위치와 와이어 로프의 흔들림 각을 퍼지제어하도록 구성한 제어부에 의해 트롤리의 주행 및 와이어로프의 호이스팅 동작을 동시에 수행시킬 수 있는 슬라브 야드 크레인 자동운전장치에 관한 것이다.

일관제철소의 연주공장 슬라브 야드(일명, "정정 야드"라고 함)내에서 슬라브의 이적작업은 105톤 천정 크레인(일명 "통 크레인")에 의해서 이루어지고 있으며, 이 천정 크레인의 운전은 작업자가 탑승하여 수동운전을 하고 있다. 크레인 운전은 고소작업의 위험성과 단순한 반복작업에 따른 운전 기피현상이 있으며, 노동인력의 고령화가 진행되는 등 조업인력 확보 측면에서도 어려움이 예상되어, 이로 인한 원가상승 요인이 상존하고 있으므로, 크레인 자동운전 또는 무인운전에 대한 필요성이 강조되고 있다.

크레인 자동제어에 관한 연구는 70년대 후반부터 일본, 유럽 등지에서 시작되어 현재에 이르기 까지 활발히 진행되고 있다. 초기의 제어기술은 주로 수학적인 모델에 근거한 속도경로를 계상하는 개루프(open loop)제어에 의존하고 있는데, 이러한 방법은 시스템의 동특성 및 외란을 완전히 보상하지 못하게 되어 원하는 성능을 보장하기 어려웠다. 이를 개선하기 위해 크레인의 속도, 위치, 진동각을 궤환시키는 제어방법이 발표되었다. 이 밖에도 크레인의 와이어 로프의 진동억제를 위한 최적제어와 적응제어 등 다양한 제어방법도 연구되었다. 최근에는 제어기술이 발전하면서 지능적 제어기법인 퍼지제어가 크레인에 적용되기도 하였다.

제1도에 도시된 바와 같이 일반적으로 슬라브 야드 크레인은 야드의 천정에 설치된 레일(5) 위에 거더(2)가 설치되어 트롤리(1)를 지지하고 있으며, 트롤리(1)는 슬라브(6)를 들어 올리는 장치인 통(tong : 4)을 와이어 로프(3)로 매달고 거더(2) 위를 주행하도록 구성되어 있다. 크레인의 운전은 숙련된 작업자가 운전실(7)에 앉아서 지상 관제실의 작업지시를 받아 수동으로 운전레버를 적절하게 조작하는 수동운전을 하게 된다. 트롤리(1)는 통(4)을 와이어 로프(3)로 매달고 있으므로 트롤리(1)가 가속 및 감속을 할때 통(4)과 슬라브(6)의 질량에 의한 관성의 영향으로 와이어 로프(3)가 전후로 흔들리게 된다. 이 흔들림 현상은 바람이나 외부로 부터의 돌발적인 충격에 의해서도 발생하게 되는데, 흔들림이 없어야 슬라브(6)를 목표지점에 정확하게 내려 놓을 수가 있는 것이다. 만일 흔들림이 잔존한다면 흔들림이 사라질때까지 슬라브를 지상에 내려 놓을 수 없게 되므로, 그 시간만큼 작업시간이 지연되게 된다. 따라서, 숙련된 작업자는 크레인 운전실(7)에 앉아서 지상의 작업상황과 트롤리(1)의 이동속도, 와이어 로프(3)의 흔들림을 최소화시키고 있다. 또한, 작업자는 크레인의 조작을 주행과 호이스팅을 동시에 수행함으로써 작업을 단축시키고 있다. 이러한 조작은 운전작업자가 야드에 장애물이 놓여진 위치를 단축시키고 있다. 이러한 조작은 운전작업자가 야드에 장애물이 놓여진 위치를 육안으로 관측하여 현재의 크레인으로 부터 장애물까지의 거리를 개략적으로 판단한 후, 크레인의 주행속도와 호이스팅 속도를 감안하여 두가지 동작을 동시에 수행함으로서 가능하다. 결국, 자동운전시 중요한 사항은 와이어 로프의 잔존 흔들림을 제어하고, 주행과 호이스팅 작업을 동시에 수행한다는 점이다.

그러나, 최근에 연구되고 있는 자동운전용 크레인 제어시스템을 실기 적용하기 위해서는 위치 및 진동각의 정확한 제어 뿐만 아니라, 사람이 운전하는 수준의 짧은 시간에 작업을 수행할 수 있는 기능을 갖추고 있어야 한다. 크레인의 작업동작은 크게 두가지로 구분할 수 있는데, 트롤리가 레일 위를 이동하는 주행과, 하물을 들어 올리거나 내리는 호이스팅(hoisting)으로 구분된다. 예를 들어, 크레인이 하물을 하나의 지점에서 임의의 지점으로 운반한다고 가정할때의 작업순서는 호이스팅-업, 가속주행, 정속주행, 감속주행, 호이스팅-다운의 순으로 작업이 진행된다. 사람이 운전할 때는 통상적으로 호이스팅-업과 가속주행, 및 감속주행, 호이스팅-다운 작업을 동시에 수행하게 되므로 작업시간이 줄어들게 된다. 사람이 이러한 동시작업을 할 수 있는 것은 많은 반복작업을 통하여 크레인의 속도와 진동각등의 동특성을 익히 숙지하고 있으며, 주변상황을 시시각각 파악하면서 운전작업을 하기 때문이다.

이에 반해, 종래의 크레인 자동운전용 제어시스템은 주행과 호이스팅 작업을 구분하여 순차적으로 수행하고 있기 때문에 사람이 운전할 때보다 작업시간이 많이 소요될 수 밖에 없는 것이다. 이와 같은 원인은 크레인의 동특성을 선형시스템으로 근사화시킨 후, 제어기를 설계하였기 때문에 실제로 비선형적인 크레인의 동특성에 대하여 제어오차가 상존할 수 밖에 없어 제어의 한계성을 갖게 되며, 인간의 경험적 작업기술과 같은 정성적인 지식을 제어기로 구현할 수가 없었다.

상술한 바의 종래 제어방법에서는 크레인의 위치와 와이어 로프의 진동각을 억제하여 원하는 제어성능을 보이고 있으나, 작업시간이 사람이 운전할 때보다 많은 시간이 소요되어 전후공정을 연결하는 연주 정정 라인과 같은 공정에는 적용이 곤란한 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 감안하여 창안한 것으로서, 크레인 시스템의 동역학적 모델을 기본으로 하여 계산된 속도 패턴과 숙련된 운전자의 경험적 작업기술을 바탕으로 설계된 퍼지제어기에 의하여 크레인의 트롤리 위치와 와이어 로프의 흔들림 각을 퍼지제어하도록 구성한 제어부에 의해 트롤리의 주행 및 와이어로프의 호이스팅 동작을 동시에 수행시킬 수 있는 슬라브 야드 크레인 자동 운전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

퍼지제어에 의한 슬라브 야드 크레인 자동운전장치에 의하면 주행과 호이스팅의 동시작업이 가능하게 되어 작업시간이 사람이 운전할때와 동일한 수준으로 단축시킬 수 있으며 원하는 위치 및 진동각의 제어성능을 얻을 수 있다.

제1도는 연주공장 슬라브 야드 크레인의 개략적인 모양을 나타낸 도면,

제2도는 본 발명에 따른 슬라브 야드 크레인 시스템의 모델링을 위한 동역학적 해석도면,

제3도는 본 발명에 따른 크레인 자동운전장치의 전체적인 블럭구성도.

제4도는 본 발명에 따른 크레인의 속도경로 결정모델을 나타낸 도면,

제5도는 본 발명에 따른 주행 퍼지 제어기의 소속도 함수를 도시한 도면,

제6도는 본 발명에 따른 주행 퍼지 제어기의 제어규칙을 나타낸 도면,

제7도는 본 발명에 따른 와이어 로프 퍼지 제어기의 소속도 함수를 도시한 도면,

제8도는 본 발명에 따른 와이어 로프 퍼지 제어기의 제어규칙을 나타낸 도면,

제9도는 본 발명에 따른 위험지역을 표시한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 트롤리 2 : 거더

3 : 와이어 로프 4 : 통

5 : 레일 6 : 슬라브

7 : 운전실 8 : 차륜

9 : 슬라브 야드 크레인 10 : 주행제어부

11 : 토크 발생부 12 : 주행 퍼지 제어부

13 : 와이어 로프 제어부 14 : 와이어 로프 퍼지 제어부

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 퍼지제어에 의한 슬라브 야드 크레인 자동운전장치는 외란이 없을때 슬라브 야드 크레인의 트롤리가 목표지점까지 최소의 시간에 와이어로프의 흔들림이 없이 이동할 수 있는 최적의 속도패턴을 모델링한 속도경로 결정모델을 추종하여 각속도 및 거리오차의 주행토크를 산출하는 토크발생기와 상기 토크발생기에서 발생되는 주행토크 상태에 따라 기설정된 퍼지제어규칙에 의해 트롤리의 위치오차 및 와이어로프의 진동각을 보정제어하기 위한 토크변화량을 출력하는 퍼지제어기로 이루어진 주행제어부와, 하물 운반시 장애물에 의한 위험지역 및 현재의 와이어로프의 길이에 관한 정보를 입력받아 트롤리의 호이스팅토크를 발생하여 슬라브 야드 크레인의 와이어로프를 퍼지제어하기 위한 와이어로프 제어부를 구비하여 트롤리의 주행 및 와이어로프의 호이스팅 동작을 동시에 수행시키는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.

첨부도면의 도2는 본 발명에 따른 슬라브 야드 크레인 시스템의 모델링을 위한 동역학적 해석도면, 도3은 본 발명에 따른 크레인 자동운전장치의 전체적인 블럭구성도이며, 도4는 본 발명에 따른 크레인의 속도경로 결정모델을 나타낸 도면이고, 도5는 본 발명에 따른 주행 퍼지 제어기의 소속도 함수를 도시한 도면이며, 제6도는 본 발명에 따른 주행 퍼지 제어기의 제어규칙을 나타낸 도면, 제7도는 본 발명에 따른 와이어 로프 퍼지 제어기의 소속도 함수를 도시한 도면, 제8도는 본 발명에 따른 와이어 로프 퍼지 제어기의 제어규칙을 나타낸 도면, 제9도는 본 발명에 따른 위험지역을 표시한 도면이다.

본 발명의 제어장치는 제어대상이 되는 슬라브 야드 크레인(9)의 동역학적 모델을 기본으로 하여 퍼지제어기를 설계하게 되는데, 제2도를 참조하여 슬라브 야드 크레인의 모델링을 간략하게 설명하여 보면 다음과 같다. 제2도는 본 발명에서 다루고자 하는 슬라브 야드 크레인을 단순하게 간략화하여 모델링한 것이다. 그림에서 운반 하물의 질량 m을 통(4)과 슬라브(6)의 질량을 합한 것이다. 운반되는 하물의 무게중심 좌표(x_G,y_G)는 다음 [수식 1]로 표현된다.

[수학식 1]

라그랑즈(LAGRANGE) 방정식을 이용하여 계의 운동 방정식을 유도하기 위하여 크레인의 총 운동에너지(T)와 총 손실에너지(F), 그리고 위치에너지(V)를 각각 구한다. 각각의 에너지를 구하기 위한 수식은 아래 [수식 2]에 나타낸 바와 같다.

[수학식 2]

여기서 J는 모터의 회전관성 모멘트이고, r은 트롤리 바퀴의 반지름, N_T와 N_M은 각각 트롤리와 모터의 동력전달 치차의 잇수, D는 트롤리의 점성마찰계수, B는 모터의 회전점성 마찰계수이고, K는 하물의 마찰계수이다.

일반화된 좌표계 q=(x,1,θ)^T(여기서, T : 트랜스포스(transpose)의 라그랑즈 방정식은 다음의 [수식 3]과 같다.

[수학식 3]

x,1,θ 좌표계에서 운동 방정식을 유도한다. 즉, 라그랑즈 방정식은 qk를 각각 x,1,θ로 두고서 [수식 2]를 이용하여 [수식 3]의 각 항을 정리하여 유도하면 된다. 최종적으로 유도된 슬라브 야드 크레인의 동역학적 모델식은 다음 [수식 4]와 같으며, 제어기를 설계하는 기본 모델이 된다.

[수학식 4]

여기서, Me는 질량관성 모멘트이고, De는 점성마찰계수이다.

제3도에 도시된 제어장치를 살펴보면, 토크발생기(11)와 주행퍼지 제어기(12)로 구성된 주행제어부(10)와, 와이어 로프 퍼지 제어기(14)로 구성된 와이어 로프제어부(13)로 구성되어 있으며, 주행제어부(10)는 목표위치와 와이어 로프의 흔들림을 제어하며, 와이어 로프 제어부(13)는 장애물을 회피할 수 있게 줄길이를 제한한다. 상기 주행제어부(10)의 토크발생기(11)는 제4도에 도시된 바의 속도경로 모델을 추종하는 주행토크를 계산한다.

제4도의 속도경로 결정모델은 외란이 없을 때 크레인이 목표지점까지 최소의 시간에 와이어 로프의 흔들림이 없이 이동할 수 있는 최적의 속도패턴이다. 크레인이 최소의 시간에 목표지점까지 이동하려면 최고의 속력으로 이동하여야 하는데, 모터의 가속능력과 와이어 로프의 흔들림을 고려할때 가속시간(T)이 문제가 된다. 크레인이 정지하고 있을 때 흔들림이 없는 상태에서 가속을 시작하면 하물을 매달고 있는 와이어 로프는 고유의 주기를 가지고 흔들리게 되는데, 주기는 줄길이와 하물의 질량에 따라 변화게 되어, 고유의 주기는 상기 [수식 3]에서 유도되며, 다음의 [수식 5]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 5]

여기서, 진동각이 "0"인 상태에서 가속을 시작하여 1주기(Ta)동안 최대 속도까지 가속한다면, 최대 속도에 이르렀을 때는 다시 진동각이 "0"이 되고, 이때 정속을 유지하면 와이어 로프의 흔들림은 더 이상 없게 된다는 점에 착안하여 가속시간을 고유주기(Ta)와 일치시키면 와이어 로프의 흔들림을 정속구간에서 "0"이 되도록 제어할 수 있다. 감속시에도 위와 동일한 원리로 감속시간 (T)을 고유주기(Ta)와 일치시키면 목표지점에 정지시 와이어 로프의 흔들림은 없게 된다. 와이어 로프의 길이가 변화하면 고유주기(Ta)도 변화하게 되어 가속종료시각(t₂)과 감속종료시각(t₄)이 변하게 되므로, 제4도의 속도경로는 수정되어야 하며, 매 제어 주기마다 토크발생기(11)에서 수정 계산된다. 속도경로의 계산식은 아래의 [수식 6]과 같이 표현될 수 있다.

[수식 6]

그리고, 주행 퍼지제어기(12)는 토크발생기(11)가 제어한 결과로 발생한 위치오차와 잔류진동각을 보정해 주는 역할을 한다. 위치오차 및 잔류진동각은 외란이나 크레인의 비선형적인 동특성에 기인하게 되는데, 실 제어시 항상 발생하게 되므로 보정제어가 필요하다. 이러한 비선형적인 동 특성을 갖는 대상의 제어에는 퍼지제어가 적합하다.

제5도와 제6도는 주행 퍼지제어기(12)의 소속도 함수와 제어규칙을 보인 것이다. 제5도의 주행 퍼지제어기의 소속도 함수는 입력변수인 제5a도의 각속도와 제5b도에 보인 거리오차, 및 출력변수인 제5c도에 보인 출력토크 변화량으로 구성된다.

각각의 소속도 함수와 제어규칙은 숙련된 크레인 운전자의 운전방식을 관찰하고 크레인의 동역학적 특성을 고찰함으로써 작성된 것이다. 제6도에 보인 바의 주행 퍼지 제어기 제어규칙을 보면, 각속도와 거리오차의 반대방향으로 출력토크를 발생시키는 것을 알 수 있으며, 이것은 숙련된 운전자의 운전방식과 일치함을 알 수 있다.

제3도에 나타낸 와이어 로프 퍼지제어기(14)는 슬라브 야드 상의 위험지역에 관한 정보와 현재 상태의 와이어 로프의 길이, 및 크레인의 위치에 관한 정보를 입력받아 크레인이 이동시 동시동작으로 장애물을 회피할 수 있도록 와이어 로프의 길이를 변화시키는 제어를 수행한다. 제7도와 제8도는 와이어 로프 퍼지제어기(14)의 소속도 함수와 제어규칙을 도시한 것으로, 입력변수인 제7a도의 안전고도, 제7b도의 위치 및 출력변수인 제7c도의 출력토크로 구성된다. 각각의 소속도 함수와 제어규칙은 제9도에 정의한 위험지역과 숙련된 운전자의 운전방식의 관찰로 부터 작성된 것이다. 제9도에 보인 위험지역은 장애물이 차지하는 공간에서 일정한 거리의 안전기준거리를 둠으로써 정의된다. 제8도의 와이어 로프 퍼지제어기의 제어규칙은 다음의 3단계운전방식을 바탕으로 작성되었다. 먼저, 크레인이 위험지역에 이르기 전에는 장애물을 안전하게 넘을 수 있는 높이까지 와이어 로프를 올리는 제1단계, 크레인이 위험지역 위에 있을때 와이어 로프를 안전한 높이로 올린상태를 유지하는 제2단계, 위험지역을 벗어난 후에는 현재의 위치 및 높이에서 와이어 로프를 내릴 경우 크레인의 목표위치에 도달했을 때 통(tong)이 목표높이 까지 내려갈 수 있다고 판단되면 와이어 로프를 내리기 시작하는 제3단계 운전방식을 바탕으로 한 것이다.

이상에서 설명한 주행 제어부(10)와 와이어 로프 제어부(13)는 동시에 각각의 제어출력인 주행토크와 호이스팅 토크를 발생시키며, 각각의 제어출력은 슬라브야드 크레인(9)에 작용하게 된다. 호이스팅 토크가 슬라브 야드 크레인(9)에 인가될 때 와이어 로프의 길리가 변화하게 되어 크레인의 가속주기가 변하게 됨으로써 제어오차를 발생하게 되지만, 주행 제어부(10)의 토크발생기(11)에서는 길이변화를 고려하여 속도경로를 변경하기 때문에 전체의 제어시스템은 제어오차를 발생하지 않게 되며, 주행 퍼지제어기(12)에서 외란이나 잔존하는 오차까지도 모두 제거하게 된다.

상술한 바의 본 발명에 따르면, 크레인이 주행하면서 통(tong)이 위험지역을 피해갈 수 있도록 퍼지제어기를 이용하여 와이어 로프의 길이를 조절하게 함으로써 주행과 호이스팅이 동시에 이루어지게 되어 크레인의 운전작업 시간을 수동운전시의 작업시간 수준으로 단축할 수 있었고, 크레인 자동운전장치는 수동운전시 운전자 간의 숙련도 차이나 피로에 의해 발생하는 크레인 작업품질의 편차를 방지할 수 있는 효과가 있다. 이러한 작업시간의 단축과 작업품질의 안정화는 전후공정을 연결하는 연주 정정 라인과 같은 공정에서의 크레인 자동화의 적용을 가능하게 하고, 또한 비선형적인 동특성에서 기인하는 제어오차나 외란의 영향에 의한 오차에 대해서도 퍼지제어기가 정확히 보정하고 있으므로 크레인 자동화 실시 적용시 열악한 현장환경에 잘 적응되는 잇점이 있다.

Claims (1)

1. 외란이 없을때 슬라브 야드 크레인의 트롤리가 목표지점까지 최소의 시간에 와이어로프의 흔들림이 없이 이동할 수 있는 최적의 속도패턴을 모델링한 속도경로 결정모델을 추종하여 각속도 및 거리오차의 주행토크를 산출하는 토크발생기와 상기 토크발생기에서 발생되는 주행토크 상태에 따라 기설정된 퍼지제어규칙에 의해 트롤리의 위치오차 및 와이어로프의 진동각을 보정제어하기 위한 토크변화량을 출력하는 퍼지제어기로 이루어진 주행제어부와, 하물 운반시 장애물에 의한 위험지역 및 현재의 와이어로프의 길이에 관한 정보를 입력받아 트롤리의 이동과 동시에 장애물을 회피할 수 있도록 와이어 로프의 길이를 변화시키기 위한 호이스팅토크를 발생하여 슬라브 야드 크레인의 와이어로프를 퍼지제어하기 위한 와이어로프 제어부를 구비하여 트롤리의 주행 및 와이어로프의 호이스팅 동작을 동시에 수행시키는 것을 특징으로 하는 슬라브 야드 크레인 자동운전장치.