KR20060021866A

KR20060021866A - 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인또는 굴착기

Info

Publication number: KR20060021866A
Application number: KR1020057022584A
Authority: KR
Inventors: 클라우스 슈네이더; 올리버 사우드니; 에카르드 아놀드
Original assignee: 리브헤르-베르크 넨징 게엠베하
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2006-03-08
Also published as: ES2293271T3; DE502004005274D1; WO2004106215A1; US7426423B2; DE10324692A1; US20060074517A1; JP4795228B2; JP2006525928A; EP1628902A1; EP1628902B1

Abstract

본 발명은 현수 하물(3)을 운반처리(handling)하기 위한 크레인 또는 굴착기에 관한 것으로서, 상기 크레인과 굴착기를 회전시키기 위한 회전시스템, 크레인 아암(5)을 들어올리거나 기울이기 위한 로커시스템(rocker system) 및 구동시스템을 구비하여 현수 하물(3)을 권상(lifting) 또는 권하(lowering)하는 리프팅시스템(lifting system)을 포함한다. 본 발명에 의하면, 연속 제어 시스템(31)의 출력값이 크레인 또는 굴착기의 위치 또는 속도를 조절하기 위한 입력값으로 직/간접적으로 사용되며, 이 연속 제어 시스템(31)내에서 생성되는 이러한 제어 유도 값(control guiding value)은 현수하물의 흔들림(pendulum swing)이 최소화 되도록 제어된다.

현수하물, 크레인, 권상, 권하, 피드백, 피드포워드, 추적제어 시스템

Description

최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기{Crane or Excavator for Handling a Cable-suspended Load Provided with Optimised Motion Guidance}

본 발명은 (청구범위 제1항의 일반적 용어와 일치하는) 케이블에 의해 이동되는 현수 하물(荷物, suspended load)의 운반 처리를 위한 크레인(crane) 또는 굴착기(excavator)에 관한 것으로서,

본 발명에 의하면, 케이블에 매달린 현수 하물을 3차원의 자유도로 이동시킬 수 있는 크레인 및 굴착기의 제어를 위한 설정점(set point)의 생성이 개시된다.

이러한 크레인 또는 굴착기는 회동 메카니즘(turning mechanism)을 구비하는데, 이 회동 메카니즘은 샤시(chassis)에 장착가능하고 크레인 또는 굴착기의 회동동작을 가능하게 한다. 또한 연장 암(extension arm) 또는 회동 메카니즘을 세우거나 기울이기 위한 메카니즘(mechanism)이 제공될 수 있다. 이 크레인 또는 굴착기는 또한 케이블에 매달린 하물을 권상(lifting) 또는 권하(lowering)하기 위한 호이스트 기어(hoisting gear)를 구비할 수 있다. 이러한 형태의 크레인 또는 굴착기는 다양한 디자인으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 항구에서의 이동식 크레인(harbor mobile cranes), 선박 크레인(ship cranes), 해안용 크레인(offshore crane), 크롤러 장착 크레인(crawler mounted cranes) 또는 케이블 작동 굴착기(cable-operated excavators) 등이 있다.

하물을 처리하면서 하물의 진동이 시작되는데, 이러한 하물은 크레인 또는 굴착기의 케이블에 의해 이동된다. 이 진동은 크레인 또는 굴착기 자체의 이동때문에 생기며, 과거에는 이러한 하물 크레인의 진동을 줄이거나 생략하기 위한 노력이 이루어져 왔다.

WO 02/32805 A1에 의하면, 크레인 또는 굴착기용 하물의 진동 감쇄를 위한 컴퓨터 제어 시스템이 개시되는데, 여기서는 하물 케이블(load cable)에 의해 하물을 이동시킨다. 이러한 시스템은 트랙 플래닝 모듈(track planning module), 구심력 보상 장치 및 회전메카니즘(turning mechanism)를 위한 적어도 하나의 축 제어기, 시소 메카니즘(seesaw mechanism)를 위한 하나의 축 제어기, 그리고 호이스트 기어(hoisting gear)를 위한 하나의 축 제어기를 포함한다. 위 트랙 플래닝 모듈은 시스템의 운동학적 한계(kinematical limitations)만을 고려하고 있으며, 동역학적인 거동은 단지 제어시스템의 설계과정에서만 고려하고 있다.

본 발명의 목적은 케이블에 의해 이송되는 하물의 동작 제어를 더욱 최적화하는 것으로서, 전술한 문제를 해결하기 위하여 이러한 서열(category)에 포함되는 크레인 또는 굴착기는 최소의 진동 진폭을 구비하여 최적의 동작이 가능한 방법을 이용하여 제어시스템을 위한 설정점(set point)을 생성하는 제어시스템을 구비한다. 또한, 하물(load)의 이동 경로 예측 및 충돌 방지 전략이 수행될 수 있다.

본 발명의 이로운 다자인은 독립항과 종속항의 결과이다.

특히, 최적 제어 경로(control trajectories)는 본 발명의 경로(track) 제어를 위하여 즉시 실시간으로 계산되고 갱신되는 장점이 있는데, 참조 경로 선형화 모델(reference trajectories linearized model)에 기초하는 제어 경로가 생성될 수 있으며, 최적 제어 경로에 기초한 이 모델은 비선형 모델 접근법(non-linear model approach)에 선택적으로 기초할 수 있다.

최적 제어 경로에 기초한 이 모델은 모든 상태 변수로부터의 피드백(feedback)을 이용하여 계산될 수 있다.

최적 제어 경로에 기초한 이 모델은 적어도 하나의 측정되는 변수 및 다른 실제 변수의 예측값(estimate)의 피드백을 이용하여 계산될 수 있다.

모델에 기초한 최적 제어 경로는, 또한 적어도 하나의 측정 변수의 피드백의 이용 및 모델에 기초한 이전의 제어 시스템에 의한 나머지 실제 변수들의 트래킹(tracking)에 의해 선택적으로 계산될 수 있다.

위 추적 제어는 전자동 또는 반자동으로 수행될 수 있다.

하물 진동의 완충을 위한 제어시스템과 함께 본 발명은, 구동하는 동안 더 작은 진동 진폭과 감소된 잔여 진동을 갖는 최적의 거동 상태를 구현할 수 있고, 크레인에 필요한 센서 기술이 제어 시스템 없이도 감소될 수 있으며, 미리 결정되는 시작 및 도착 지점을 이용하여 전자동 동작이 수행될 수 있고, 후술될 반자동이라 불려지는 수동 레버를 이용한 작동 또한 가능하다.

본 발명의 설정점 함수(set point function)는, WO 02/32805 A1과는 대조적으로, 즉시 다음의 방법으로 생성된다. 우선, 크레인의 동적 거동이 제어 시스템이 켜지지 전에 고려되는데, 이것은 이 제어시스템이 모델과 변화하는 편차를 보상하는 함수만을 구비함을 의미한다. 그 결과 더 좋은 구동 수행능력이 가능해진다. 크레인은 이 최적화된 제어 함수만으로 동작될 수 있으며, 위치의 정확도과 잔여진동이 허용될 수 있는 범위내에서 이 제어시스템이 완전히 생략될 수 있다. 그러나 그 거동은 이 제어 시스템를 구비하여 동작하는 경우와 비교하면 최적화되진 못한다 왜냐하면, 이 모델은 실제 조건들과 정확하게 일치하지 못하기 때문이다.

처리과정은 2개의 작동모드를 구비한다. 하나는 수동 레버 동작으로 이 모드는 조작자가 수동 레버의 조작(deflection)을 이용하여 목표 속력을 미리 정할 수 있다. 또하나는 전자동 모드로서, 예정된 시작 및 도착 지점을 갖고 수행된다.

최적화된 제어 함수 계산은 자체적으로 또는 하물 진동의 완충을 위한 제어 시스템과의 조합으로도 작동될 수 있다.

본 발명의 다른 상세 설명 및 장점들은 도면에 도시되는 실시예 내에서 설명된다. 본 발명은 항만의 이동식 크레인(harbor mobile crane)을 예로 들어 서술될 것인데, 이는 전술한 바와 같이, 크레인 또는 굴착기의 전형적인 대표 실시예가 될 것이다.

발명의 요약

본 발명은 하물(荷物, load)을 이송하는 크레인 또는 굴착기에 관한 것으로서, 상기 하물은 크레인 또는 굴착기의 회전을 위한 회동 메카니즘(turning mechanism), 구동시스템을 갖는 케이블에 의해 이송되는 하물의 권상(lifting) 또는 권하(lowering)용 호이스트 기어(hoisting gear) 및 연장암(extension arm)의 경사 또는 세움(erection)을 위한 시소 메카니즘(seesaw mechanism)을 구비한 하중 케이블(load cable)에 의해 이송되되,

추적 제어 시스템(track control system, 31)은 그 시작 지점(u_outD, u_outA, u_outL, u_outR)이 직접 또는 간접적으로 상기 크레인(41) 또는 굴착기의 위치 또는 속도를 위한 입력값으로서 상기 제어 시스템에 입력되는 한편, 이 추적 제어의 상기 제어 시스템(31)을 위한 설정점들은 상기 하물의 이동이 최소 진동 진폭을 갖도록 생성되는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 최적 운동 유도 모델을 구비한 현수 하물(荷物) 이송용 크레인 또는 굴착기를 개시한다.

발명의 상세한 설명

도 1은 항만의 이동식 크레인(habor mobile crane)의 주요 기계적 구조를 보인 것으로서, 이 항만의 이동식 크레인은 샤시(1)에 대부분 장착되어 있다. 시소메카니즘(7)의 유압 실린더(hydraulic cylinder)를 구비한 연장 암(5)은 작업 공간 내부의 하물(3)을 배치하기 위해

_A의 각도로 기울어질 수 있다. 케이블 길이 l_s 는 호이스트 기어(hoisting gear)를 사용하여 변화될 수 있다. 타워(11)는

_D의 각도로 수직축 둘레에서 연장암의 회전이 가능하도록 형성된다. 상기 하물은 이 하물의 회전식 스위블 메카니즘(swivel mechanism, 9)를 이용하여 총합

_rot의 각도로 회전될 수 있다.

도 2는 최적 운동 유도(optimized movement guidance)를 위한 모듈을 갖는 추적 제어(31)를 구비한 유압 제어 시스템(hydraulic control system)의 공동제작품(collaboration)을 나타낸다. 이 항만의 이동식 크레인은 일반적으로 유압 구동 시스템(21)을 구비하고, 연소 엔진(23)은 전달상자(transfer box)를 통해 유압제어회로를 공급한다. 이 유압제어회로는 비례 밸브에 의해 제어되는 가변펌프(variable displacement pump, 25) 및 작동 엔진으로 작용하는 모터(27) 또는 실린더(29)로 구성된다. 하물 압력(load pressure) 의존 전달경로 Q_FD, Q_FA, Q_FL, Q_FR 에 비례밸브(proportional valves)를 이용하여 미리 설정된다. 이 비례 밸브들은 u_StD, u_StA, u_StL, u_StR 의 신호에 의해 제어될 것이다. 상기 유압 제어 시스템은 일반적으로 기본적인(underlying) 전달경로 제어시스템에 의해 지원된다. 중요한 사실은, 제어 전압 u_StD, u_StA, u_StL, u_StR이 적절한 유압 회로 내에 기본적인 전달 경로 제어시스템에 의한 비례값으로 비례 전달 경로 Q_FD, Q_FA, Q_FL, Q_FR 속으로 시행된다는 점이다.

추적 제어(track control) 시스템의 구조는 도 3 및 도 4에 나타내었다. 도 3은 최적 운동 유도용 모듈 및 하물 진도 완충용 제어 시스템을 구비한 추적 제어 시스템(track control system, 31)을 나타내고 있으며, 도 4는 하물 진도 완충용 제어 시스템을 구비하지 않고 최적 운동 유도용 모듈을 구비한 추적 제어 시스템(31)을 나타내고 있다. 이 하물 진동 완충장치는 예를 들면, PCT/EP01/12080을 따라 제작되는 형태로 설계될 수 있는데, 위 내용은 본 발명에도 포함될 수 있다.

중요한 것은 비례 밸브의 제어 전압에 대한 시간 함수는 수동 레버로부터 직접 유도되는 것이 아니라, 하물의 진동이 전혀 발생하지 않거나 거의 발생하지 않으면서 이 하물이 작업공간 내에서 바람직한 트랙(track)을 따를 수 있는 방법으로 이 추적 제어 시스템(31)내에서 계산되어 진다는 사실이 이해되어져야 한다는 것이다. 이러한 사실은 본 시스템에 대한 기구학적인(kinematic) 서술과 동역학적인(dynamic) 서술의 합이 상기 최적 제어 변수의 계산을 위하여 포함될 수 있다는 것을 의미한다.

상기 모듈 37의 입력변수는 시작점과 도달점으로 구성되는 가장 간단한 형태로, 상기 하물의 위치 및 방위(orientation)를 위한 설정점 행렬(set point matrix)이다. 이 위치는 보통 크레인을 회전시키는 극좌표(

_LD,r_LA,l)에 의해 기술된다. 또한, 다른 각도값(angle value)이 추가될 수 있는데(상기 케이블에 평행한 수직축 둘레의 회전각

_L) 이는, 공간상에서 컨테이너와 같은 연장되는 물건(extended body)의 위치를 기술할 수 없기 때문이고, 목표변수인

_LDZiel, r_LAZiel, l_Ziel,

_Lziel 는 벡터

_Ziel.로 합쳐진다.

모듈 39 의 입력 변수들은 이 크레인의 제어를 위해 수동 레버(34)의 실제 위치가 된다. 이 수동 레버의 회동각(deflection)은 특정 이동 방향으로의 하물의 원하는 목표 속도에 대응된다. 이 목표속도인

_LDZiel,

_LAZiel, l_Ziel,

_Lziel 는 목표 속도 벡터인

로 합쳐진다.

전자동 동작의 최적 움직임 제어를 위한 모듈의 경우에, 동적 거동의 기술 및 선택된 제한조건(constraints) 및 부가조건(side condition)에 대한 축적된 모델에 대한 정보가, 상기 최적 제어 문제를 해결하기 위하여 사용될 수 있다.

이 경우에 초기값(starting value)은 시간 함수인 u_out,_D, u_out,_A, u_out,_l, u_out,_R로서, 기본적인 하물(荷物, load) 진동 완충 제어 시스템(36) 또는 크레인의 기본적인 위치 또는 속도 제어 시스템(41)을 위한 동일한 시간 입력 값으로 이루어진다. 만약 식 37의 형성이 순서대로 수행된다면, 기본적인 제어 시스템이 없는 상기 크레인의 직접제어(41) 또한 가능하다. 이 방법은 최적 제어 문제 내의 최대 허용 속도의 부가 조건(side condition)을 변화하기 위해 전자동 동작이 수행되는 동안 상기 수동 레버값(hand lever value)을 사용한다. 이로써, 사용자는 전자동 동작에서도 속도의 전자동 개발에 영향을 줄 수 있는 기회를 갖게된다. 그 변화가 고려되며 상기 알고리즘의 다음 계산 싸이클동안 즉시 실행된다.

반자동 작동(39)동안 최적 운동 제어를 위한 모듈은 그러나, 제한조건들 및 부가조건들에 더하여, 현재의 시스템 상태의 추가적인 정보로서, 상기 수동 레버 위치에 따른 하물의 요구 속도에 대한 정보를 필요로 한다. 이것은 반자동 작동모드 동안에 모듈 39 로 상기 크레인의 측정값 및 하물 위치값들이 반드시 연속적으로 입력되어야 함을 의미한다. 이 값들은 상세하게는: 기계적 회전각도(turning mechanism angle

_D, 기계적 시소각도(seesaw mechanism angle

_A, 케이블(cable) 길이 l_s , 그리고 상대적 하물 후크(load hook) 위치 c 로 표시되며, 하물 위치에 대한 각도는: 접선 케이블 각도

_St, 반경 케이블 각도

_Sr, 그리고 하물의 절대 회전각(rotation angle)

_L 로 나타내었다.

특히, 마지막에 언급된 케이블 각도 및 하물의 절대 회전각에 대한 측정값들은 매우 복잡한 과정을 통해서만 측정할 수 있다. 이러한 수치는 그럼에도 불구하고, 하물 진동 완충 시스템의 구현(realization)을 위해 절대적으로 요구되는 값으로서, 불안정 성분(disturbances)을 보상해주며, 바람과 같은 불안정 요소들의 영향에서도 잔여(residual) 진동이 거의 없는 매우 높은 정밀도의 위치값을 보장한다. 이러한 모든 수치 값들을 도 3에 나타내었다.

그러나, 만약 그 처리과정이 케이블 각도 측정 및 절대 회전 각도 측정용 센서가 없는 시스템에서 사용된다면, 이러한 수치들은 반자동 동작 모드 동안 최적 운동 가이드 시스템을 위해 재구성 되어져야 하며, 이러한 처리과정은 관찰 구조뿐만 아니라 예측 과정들(43)을 통해 얻어질 수 있다. 이 처리과정에는 빠진(missing) 실제 값들을 예측하고 피드백(feedback)으로 재입력하기 위해서 저장된 동역학적 모델(dynamic model)내의 제어 함수 u_out,_D, u_out,_A, u_out,_l, u_out,_R및 상기 크레인 위치의 측정값들이 사용될 수 있다.(도 4참조)

상기 최적 운동 가이드 시스템을 위한 기초는 동역학적 최적화 처리과정이며, 이는 미분 식 모델 내에서 서술되는 상기 크레인의 동역학적 거동이 요구된다. 라그랑제 공식(Lagrange formalism) 또는 뉴튼 오일러(Newton-Euler) 방법이 이 모델 식의 미분을 얻기위해 사용될 수 있다.

다음에 몇가지 다양한 모델 변수들을 나타낸다. 각 모델 변수들의 정의는 도 5 및 도 6 상에 나타낸다. 도 5는 회전 운동에 대한 모델 변수들을 나타내고, 도 6은 반경방향 운동에대한 모델 변수들을 나타낸다.

첫번째 도 5를 자세히 설명한다. 중요한 점은 도시한 바와 같이, 회전 방향에서의 하물 위치

_LD 및 상기 크레인의 타워의 회전 위치

_D 사이의 연결구조가 매우 중요하다. 이 하물의 회전 위치는 상기 진동 각도에 의해 정정되고, 다음과 같이 계산된다.

l_s는 하물 중심을 향하는 연장 암으로부터 결정되는 케이블 길이이고,

_A는 상기 시소 메카니즘(seesaw mechanism)의 현재 세움각도이며, l_A는 이 연장 암의 길이이며,

_St는 접선방향의 현재 케이블 각도이다(각도

_St가 작으므로 sin

_St는

_St와 거의 같다.)

회전방향의 하물 이동을 위한 동적 시스템은 다음의 미분식에 의해 서술될 수 있다.

<기호설명>

m_L 하물의 질량

l_S 케이블 길이

m_A 연장 암의 질량

J_AZ 수직축을 중심으로 회전하는 동안의 중력 중심(center of gravity)에 대한 연장 암의 관성 질량 모멘트(mass moment of inertia)

l_A 연장 암의 길이

s_A 연장 암의 중력 중심 길이(center of gravity distance)

J_T 타워의 관성 질량 모멘트

b_D 운동시의 마찰 댐핑(viscose damping in the actuation)

M_MD 운동 모멘트(actuation moment)

M_RD 마찰 모멘트(friction moment)

식(2)는 하물 진동으로부터의 피드백을 고려하는 연장암을 구비한 크레인 타워에 대한 운동 식을 필수적으로 나타내고, 식(3)은 각도

_St를 중심으로 하물이 진동하는 것을 나타내는 운동식으로서 이 하물 진동의 시작은 상기 타워의 상기 각 가속(angle acceleration) 때문이거나 외부의 불안정(disturbances)에 의한 상기 타워의 회전때문이며, 이 식은 이 미분 식의 시작 조건들에 의해 서술된다.

유체역학적 거동(hydraulic actuation)은 다음 식에 의해 나타낼 수 있다.

i_D는 상기 타워의 회전 속력과 모터 회전 사이의 전달비(transfer ratio)이며, V는 유압 모터(hydraulic motor)의 소모 체적이며, Δp_D는 유압모터의 압력 강하, β는 오일의 압축성계수(compressibility), Q_FD는 회전을 위한 유압 회로 내부의 전달 흐름(delivery stream)이고 K_PD는 비례상수로서, 이는 상기 전달 흐름과 비례 밸브의 제어 전압 사이의 연결을 나타낸다. 기본적인 전달 흐흠 제어 시스템의 동역학적 효과는 무시될 수 있다.

상기 운동 장치(actuation equipment)의 전달 거동은 식(4)를 사용하는 대신에 1차 또는 고차(high order)의 지연요소(delay element)로서 대략적인 연결(approximated connection)에 의해 선택적으로 서술될 수 있으며, 1차 지연요소를 이용한 개략적인 식을 다음에 나타내었다.

또는 시간영역에서

이것은 식(6) 및 (3)을 이용하여 즉, 식(2)가 요구되지 않으며, 적절한 모델의 구성을 가능하게 한다.

T_DAntr 은 측정값으로부터 유도된 동작의 시간 지연 거동을 서술하기 위한 대략적인 시상수(time constant)이며, K_PDAntr은 제어 전압과 정적인 경우(stationary case)의 결과 속력 사이의 결과 증폭값이다.

동적특성(actuation dynamic)에 대해 무시할 만한 시상수가 존재한다면, 속력과 상기 비례밸브의 제어전압 사이의 비례를 가정할 수 있으며,

식(7) 및 (3)을 이용하여 적절한 모델구현이 또한 가능하다.

도 6에 나타낸 반경방향 운동에 대한 운동 식은 식(2) 및 (3)과 유사하게 세워질 수 있으며, 그 모델 변수에 대한 정의에 대한 설명이 도 6에 나타나 있다. 연장암의 세움각 위치

_A 및 반경방향 하물위치 r_LA 사이에 나타낸 연결은 반드시 필요하다.

이러한 동역학 시스템은 뉴튼-오일러 과정을 이용하여 다음의 미분 식으로 서술될 수 있다.

<기호설명>

m_L 하물(荷物)의 질량

l_S 케이블 길이

m_A 연장암의 질량

J_AY 운동막대(actuation strand)를 포함하는 수평축을 중심으로 회전하는 동안의 중력 중심(center of gravity)에 대한 관성 질량 모멘트(mass moment of inertia)

l_A 연장 암의 길이

s_A 연장 암의 중력 중심 길이(center of gravity distance)

b_A 운동시의 마찰 댐핑(viscose damping in the actuation)

M_MA 운동 모멘트(actuation moment)

M_RA 마찰 모멘트(friction moment)

식(9)는 주로 운동 유압 실린더(actuating hydraulic cylinder)를 구비한 연장암의 운동식을 나타내는데, 상기 하물 진동의 피드백이 고려되었으며, 상기 연장암의 중력 부분(gravity part) 및 구동시의 점성 마찰(viscose friction) 또한 고려되었다. 식 10은 하물 진동

_SR 을 나타내는 운동방정식이다. 이 진동의 시작은 상기 연장 암의 각가속을 통하거나 외부의 불안정에 의해 상기 연장암이 세워지거나 기울어 짐으로써 시작되며, 이러한 미분방정식에 대한 초기조건에 의해 나타낼 수 있다. 회전 메카니즘(mechanism)를 구비한 리드(lead)가 회전하는 동안 상기 하물에 미치는 구심력의 영향은 상기 미분 식의 오른편의 표현에 의해 서술된다. 회전메카니즘 및 시소메카니즘 사이의 링크를 나타내고 있기 때문에, 회전 크레인에 대한 전형적인 문제를 나타낸다고 할 수 있는데, 이러한 문제는 2차의 회전 속력 의존성(quadratic rotational speed dependency)을 갖는 상기 회전 메카니즘 운동이 반경방향의 각도 증폭을 유발시키게 하는 식의 방식으로 나타내어 질 수 있다.

유압 동작은 다음식으로 서술될 수 있다.

F_Zyl 는 피스톤 로드(piston rod)에 미치는 유압 실린더의 힘, p_Zyl은 실린더 내부의 압력(피스톤 또는 링측에서의 운동 방향에 따라 달라진다.), A_Zyl 은 상기 실린더의 단면 면적(상기 피스톤 또는 링측에서의 운동방향에 의존한다.), β 는 오일 압축성 계수, V_Zyl 은 실린더 체적, Q_FA는 상기 시소메카니즘에 대한 유압 회로내의 전달 흐름(delivery stream) 및 K_PA는 비례 상수로서, 상기 비례밸브의 제어 전압 및 전달 흐름 사이의 연결을 보여준다. 기본 전달 흐름 제어 시스템의 동역학적 효과는 무시된다. 전체 유압 실린더 체적의 50%는 오일 압축의 계산을 위한 해당 실린더 체적으로 사용될 수 있다. z_Zyl 와

_Zyl 는 상기 실린더 로드(rod)의 위치 와 속력을 나타내며, 세움 기구학(erection kinematics)에 의존하는 기하학적 파라미터인 d_b 및

_P와 같은 것을 그 예로 들 수 있다.

시소 메카니즘(seesaw mechanism)의 세움 기구학(erection kinematics)은 도 7에 나타내었다. 이 유압 실린더는 예를 들면, 상기 크레인 타워에서 상기 연장암의 회전 중심 위에 고정된다. 이 지점과 상기 연장 암의 회전 중심사이의 거리 d_a는 설계 자료로부터 발견될 수 있다. 상기 유압 실린더 피스톤 로드(rod)는 상기 연장 암과 d_b의 거리를 두고 연결되어 있다. 상기 정정각(correction angle)

₀는 상기 연장암 또는 상기 타워 축의 고정 지점들의 차이(deviation)를 고려한 것이고 설계자료로부터 얻어질 수 있다. 이러한 과정을 통하여, 세움각(erection angle)

_A 와 유압 실린더 위치 z_Zyl 사이의 보정방법(correlation)이 다음과 같이 도출된다.

세움각

_A는 유일한 측정값이기 때문에, 피스톤 로드 속력

_Zyl 과 세움 속력

_A 사이의 의존성 및 식(12)의 역관계 또한 중요하다.

투영각(projection angle)

_P의 계산 또한 상기 연장 암(extension arm)에 대한 유효 모멘트의 계산을 위해 요구된다.

상기 운동역학에는 근사법이 적용되며, 유압 방정식 (1)에 대한 대체요소(alternative)로서 1차(1st order)의 지연요소(delay element)와 같은 근사 관계(approxiamte relationship)를 포함한다.

그 결과 예를 들어 다음식이 유도된다.

또는 시간영역에서는 다음식이 유도된다.

이러한 과정으로부터 식(9)이 요구됨이 없이, 식(17), (14)의 도움으로 적절한 모델의 서술이 가능하다는 것을 알 수 있다. T_AAntr 은 측정값으로부터 유도된 상기 동작(actuation)의 지연 거동(delay behavior)의 서술에 대한 대략적인 시상수이다. K_PAAntr 은 제어전압 및 정적인 경우의 결과적인 속력 사이의 결과적인 증폭값이다.

동역학적 구동특성(actuation dynamic)에 대한 시상수를 무시할 수 있다면, 속력과 상기 비례밸브의 제어전압 사이의 비례를 가정할 수 있다.

식(18), (10) 및 (14)를 이용하여 여기서는 적절한 모델의 서술이 이루어질 수 있다.

마지막 운동 방향은 하물의 회전 메카니즘(load swivel mechanism)에 의한 하물 후크에 걸린 하물(荷物)의 회전이다. 이 제어 시스템의 서술은 독일 특허번호 DE 100 29 579(06/15/2000)의 결과이며, 그 내용에 대한 참조가 여기서 상세하게 이루어진다. 하중의 회전은 케이블에 매달린 하중 후크 및 하물 접촉을 통한 하중의 회전식 메카니즘에 의해 수행될 수 있다. 갑작스런 비틀림(torsion) 진동이 제한됨으로써, 대부분의 경우에 회전 비례적이지 않은 하중의 위치 정밀 픽업(pick-up), 좁은 통로를 통한 이동 및 하물의 착륙이 가능하다. 이러한 움직임은, 도 3에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 외적 운동 가이드를 위한 모듈로서 일체화될 수 있다. 특별한 장점으로서 상기 하물은 이제, 픽업된 후 이동되는 동안 하중 회전식 메카니즘을 통해 원하는 회동 위치(turning position)로 돌아오도록 구동될 수 있다. 펌프 및 모터들은 이 경우에 동기 제어(controlled synchronously)되고, 이 방식에 의하면, 회전각의 사용없이 방위(the orientation)를 알 수 있다.

그 결과 다음의 운동 식이 유도되는데, 변수의 정의는 독일 특허출원 DE 100 29 579(06/15/2000)과 일치하며, 선형화(linearization)는 수행되지 않는다.

이 운동식을 통하여 우리는, 상기 하물 회동식 메카니즘의 작동 운동의 서술을 위하는 동시에, 기능을 개선하여 상기 회전 운동에도 포함될 수 있는 미분 식을 성립시켰다. 자세한 서술은 여기서는 생략한다.

상기 크레인의 하물 진동의 시스템 동역학에 비하여 상기 호이스트 기어(hoist gear)의 움직임은 빠르기 때문에 이 호이스트 기어의 운동특성은 무시될 수 있다. 상기 호이스트 기어 운동의 서술을 위한 동역학 식은 그럼에도, 상기 하물 회동 메카니즘을 위해 필요하다면 언제든지 추가될 수 있다.

상기 시스템 거동의 서술을 위한 나머지 식은 이제 이시도리(Isidori, 비선형 제어 시스템즈(Nonlinear Control Systems) 스프링거 버라그(Springer Verlag 1995)와 일치하는 비선형 상태 공간의 서술로 변환된다. 이는 식 (2), (3), (9), (10), (14), (15)에 대한 한 예로서 수행될 수 있다. 다음 예는 수직축 및 호이스트 기어 축 둘레의 하물의 회전축을 포함하지 않는다. 그러나 이 모델의 서술에 이를 포함하기가 어려운 것은 아니다. 상기 예는 자동 하중 회동 메카니즘(automatic load swivel mechanism)가 없는 크레인을 즉시 가정하고, 상기 호이스트 기어는 안전을 이유로 상기 크레인의 운전자에 의해 수동적으로 조정될 수 있다. 그 결과 상벡터는 식21), 제어변수는 식(22),초기값은 식(23)과 같다.

벡터인 a ( x ), b ( x ), c ( x ) 는 식(2) 내지(4) 및 식(8) 내지 (15)의 변환의 결과이다.

상태 x 가 완전하게 벡터로 얻어지는 한도 내에서, 하중 진동의 완충을 무시하지 않고 최적 운동 가이드를 위한 모듈을 조작하는 과정에 문제의 핵심이 있는데, 이 경우에는 그럼에도 불구하고 진동각 측정 센서는 설치되지 않는다. 즉, 상기 진동각의 값들인

_St,

_Sr,

_Sr는 상기 제어값 u_StD, u_StA 및 측정값

_D,

_A,

_A, P_Zyl 로부터 재구성 되어야 한다는 것을 의미한다. 식 20 내지 23의 비선형 모델식은 이러한 목적을 위해 선형화되며 파라미터 적용 상태 관찰자(parameter adaptive status observer, 도4, 블럭43 참조)가 설계될 것이다. 상기 모델 식에 기초한 상기 케이블의 각도 값 및 상기 입력값의 알려진 경향(trends) 및 측정가능한 상태 변수의 상태 피드백(status feedback)이 감소한 정확도 요구조건을 위해 사용될 수 있다.

상기 입력 신호(제어신호)인 u_StD(t), u_StA(t)에 대한 목표 경향은 최적 제어 문제의 해답에 의해 결정되는데, 동역학적 최적화의 해답에 의한다는 것을 의미한다. 상기 하중 진동의 바람직한 감소는 시간 함수에 의해 얻어진다. 상기 최적 제어 문제의 제한조건 및 경로 한계(trajectory limitation)는 추적 자료(the track data), 크레인 시스템의 기술적 제한(예를 들어, 제한 구동력, 동역학적 하중 모멘트에 관련된 제한조건, 크레인의 기울어짐을 방지하기 위한 제한조건 등) 및 하물의 운동에 대한 늘어나는 요구사항들에 의해 생성된다. 예를 들어 최초로 다음의 과정을 통해서 계산된 제어 함수가 적용(switched on)된 후에 상기 하물이 필요로 하는 상기 추적 경로(track passage)를 정확하게 예측하는 것이 가능해진다. 그 결과, 종래에 불가능했던 자동화 기회(automation opportunities)를 제공할 수 있다. 이와 같은 최적 제어 문제들의 공식화가, 수동 레버 작동 및 하물 트랙(load track)의 미리 계산된 시작점 및 도착점을 구비한 시스템의 전자동 작동에 대하여 다음 예에 나타난다.

예정된 시작지점에서부터 도착지점까지의 전자동 작동의 경우에 전체적인 거동이 관찰될 수 있다. 상기 하물의 진동각은 상기 최적 제어 문제의 목표 범함수(functional) 내에서 2차원적(quadratically)으로 설정(rated)된다. 목표 범함수의 최소화는 그러므로 감소된 하중진동을 갖는 거동을 가져다준다. 상기 하물 진동 각속도의 추가적인 평가(valuation)는 최적 수평선(optimization horizon)의 말단에 대해 증가하며 시간에 따라 변화하는 패널티 항(penalty term)을 구비한 결과 이 최적 수평선의 말단에서의 상기 하물의 움직임을 안정화 시킨다. 상기 제어 변수들의 진폭에 대한 2차원적 평가를 하는 정규 항(regulation term)이 이 문제의 수치 조건에 영향을 줄 수 있다.

<기호 설명>

t₀ 예정된 시작 시간

t_f 예정된 종료 시간

ρ(t) 시간 변화 패널티 계수(time varient penalty coefficient)

ρ_u(u_StD, u_StA) 정규항(regulation term, 제어 변수의 2차원 평가)

예정된 시작 및 도달 지점 사이의 완벽한 해답은 수동 레버 작동시에는 관찰될 수 없으나, 최적 제어 문제는 이동하는 시간 창 [

₀,

_f]를 갖는 동적인 사건에서 관찰될 수 있다. 최적 수평선의 시작시간

₀는 현재 시간이고, 상기 크레인 시스템의 동적 거동은 상기 최적 제어 문제의 예정된 수평선

_f내에서 관찰될 수 있다. 이 시간 수평선은 위 처리과정의 필수불가결한 회전 파라미터(turning parameter)이고 상기 하물의 진동 동작의 진동 주기의 진동수에 의해서 하향으로 제한된다.

상기 목표 속도에 대한 실제 하물의 속도 편차, 이것은 수동 레버 위치에 의해 예정된다,는 상기 하물의 진동의 목표 감소량에 더하여 상기 최적 제어 문제의 목표 (functional) 내에서 고려될 필요가 있다.

<기호 설명>

₀ 최적 수평선의 예정된 시작 시간

_f예정 시간 프레임의 예정된 종료 시간

ρ_LD 하물의 회전 각속도의 편차에 대한 평가 계수

_LD _, _soll 수동 레버 위치에 의해 예정된 하물의 회전 각속도

ρ_LA 하물의 반경방향 속도의 편차에 대한 평가 계수

_LA _, _soll 수동 레버 위치에 의해 예정된 하물의 반경방향 속도

전자동 작동을 위한 예정 시작 지점 및 도착 지점은, 상기 최적 제어 문제에 대한 제한조건, 좌표축 및 시작 위치와 도착위치 내 휴식 위치의 요구조건으로부터 도출된다.

<기호 설명>

Ф_D,0 시작점 회전 메카니즘 각도

Ф_D,f 종점 회전 메카니즘 각도

r_LA _,0 시작점 하중 위치(start point load position)

r_LA _,f 종점 하중 위치(end point load position)

실린더 압력에 대한 제한조건은, 식(11)과 같이 시작 및 도착점에서의 정상 값(stationary value)으로부터 도출된다.

상기 수동 레버 동작은 그러나, 움직임이 상기 휴식위치(rest position)에서 출발해서는 안되며, 그리고 일반적으로 휴식 위치에서 끝나서도 안된다는 제한조건을 고려해야만 한다. 최적 수평선의 시작시간

₀에서의 제한조건은, 현재 시스템 상태변수 x(t₀)로부터 도출되는데, 이 상태변수는 측정되거나 제어값 u_StD, u_StA 및 측정값

_D,

A,

A, p_Zyl을 이용한 모델로부터의 파라미터 적응 상태 관찰자(parameter adaptive status observer)에 의해 재구성된다.

상기 최적 수평선

_f 의 말단에서의 제한조건은 없다.

다수의 제한조건들은 상기 작동 모드에 의존하고 상기 최적 제어 문제에 포함되어야 하는 상기 크레인 시스템의 기술적 파라미터(technical parameter)로부터 도출된다. 예를 들어 구동 전력이 제한되면, 이 제한조건은 유압 구동에서의 최대 전달 흐름을 통하여 서술될 수 있으며, 상기 제어 변수들에 대한 진폭 제한을 통하여 최적 제어 문제에 포함될 수 있다.

상기 제어 변수들의 변화 속도는 갑작스런 하중 변화에 기인한 상기 시스템에 대한 과도한 요구조건들을 피하기 위해 제한되며, 이러한 갑작스런 변화의 결과는 전술한 바와 같은 단순화된 동적 모델에 포함되지 않는다. 이러한 조건은 상기의 공학적 요구조건을 한정적으로 제한한다.

또한, 상기 제어 변수들은 시간 함수로서 연속적이어야 하며, 시간에 대한 연속적인 1차 미분(continuous first derivations)을 구비해야 한다.

상기 세움각(erection angle)은 상기 크레인의 설계에 따라 제한될 수 있다.

StD,max 제어 함수 회전 메카니즘의 최대값

StD,max 제어 함수 회전 메카니즘의 최대 변화 속도

StA,max 제어 함수 시소(seesaw) 메카니즘의 최대값

StA,max 제어 함수 시소(seesaw) 메카니즘의 최대 변화 속도

Ф_A, _min 최소 세움각

Ф_A, _max 최대 세움각

추가적인 제한조건은 상기 하중의 움직임에대한 연장되는 요구조건들로부터 도출된다. 만약, 시작점에서 도착점 까지의 상기 하물의 전체 거동이 분석된다면, 상기 회전 각의 단조(monotone) 변화는 전자동 작동을 위하여 요구될 수 있다.

추적경로(track passage)는 상기 최적 제어 시스템의 계산내에 포함될 수 있는데, 이 추적경로는 수동 레버 동작에서 뿐만 아니라 전자동 모드에서도 유효하다. 또한, 식의 제한조건의 도움으로 허용 가능한 하물 위치의 분석적인(analytical) 서술을 통해 시행(implement)될 수 있다.

가능한 영역 내의 추적 과정은, 이 추적 경로의 경우, 식에서의 이 추적경로의 도움을 받아 강제되는데, 이 허용 영역의 한계는, 상기 하물의 움직임을 제한하고 가상벽(virtual walls)을 대표한다.

만약 상기의 이동 경로가 시작점 및 도착점 뿐만아니라, 예정된 순서로 이동되어야 할 다른 지점을 갖는다면 제한조건을 통하여 상기 최적 제어 문제에 포함되어야 한다.

t_i 예정된 추적 지점(track point) i 가 도달했을때의 자유점(free point)

Ф_D,i예정된 추적 지점 i 의 회전 각 좌표

r_LA _,i예정된 추적 지점 i의 반경방향 위치

본 발명에 의한 청구범위는 상기 최적 제어 시스템의 수치해석적 계산(numerical calculation)을 위한 일정한 방법에 의존하지 않는다. 본 발명에 의한 청구범위는 특히 전술한 최적 제어 문제들의 근사 해답(approximation solution)도 포함함으로써, 실시간 적용시에 감소된 계산 요구를 달성하기 위해 최대는 아니지만 충분한 정확도를 갖는 해답만을 계산하게 된다. 다수의 전술한 어려운 제한(제한조건들 또는 추적 식 한계)는 추가적으로 상기 목표 functional 내의 한계 침범의 평가를 통한 부드러운 제한으로서 수치적으로 다루어질 수 있다.

그럼에도 불구하고, 다단계 제어 파라미터화를 통한 수치적 해답을 일례로 다음에 설명한다.

상기 최적 수평선(the optimization horizon)은, 상기 최적 제어 문제를 근사적으로 해결하기 위한 개별적인 단계 내에서 다루어 진다.

부분 구간[t^k, t^k ⁺¹]의 길이는 상기 문제의 동역학에 적용될 수 있는데, 이 구간이 많을수록 일반적으로 근사해석의 결과가 개선될 수 있으며 그 대신 더 많은 계산 작업이 요구된다.

이러한 각각 부분 구간은 고정된 수의 파라미터 u_k(제어 파라미터)를 구비한 접근함수 U_k를 통한 제어변수의 시간 응답에 의해 근사적으로 얻어진다.

이 동적 모델의 상태 미분 식은 이제 수치적으로 적분(integrated numerically)되며, 목표 범함수(target functional)가 분석될 수 있다. 근사 시간 응답(approximated time response)이 이 경우에는 상기 제어 변수들을 대신하여 사용되며, 그 결과는 제어 파라미터 u_k(이 때 k=0,...,K-1)의 함수인 목표 범함수가 된다. 제한조건 및 경로 궤적의 한계(trajectory limitation) 역시 상기 제어 파라미터의 함수로서 나타내어 진다.

상기 최적 제어 문제는 따라서 상기 제어 파라미터 내의 비선형 최적 문제에 의해 근사해석되며, 상기 목표에 대한 함수 계산 및 상기 비선형 최적 문제의 제한 분석(limitation analysis)은 각각의 경우에 대하여 식 34 와 일치하는 근사 접근법(approximation approach)을 고려하여 상기 동역학 모델의 수치 적분을 요구한다.

이러한 한계 비선형 최적화 문제는 이제 수치적으로 해결될 수 있고, 순차 2차원 프로그래밍(sequential quadratic programming, SQP)의 일반적 처리과정이 사용되며, 이러한 과정을 통해 다수의 선형 2차원 근사법을 구비하는 비선형 문제를 해결할 수 있다.

상기 수치 해법의 효율은 만약 구간 k의 제어 파라미터들에 더하여 또한 각 구간의 시작 상태(start status)변수인 다음의 x^k 가 상기 비선형 최적 문제의 변수로서 사용된다면 더욱 증가될 수 있다.

상기 근사된 상태 궤적(status trajectories)은 적절한 식의 제한에 의해 보호되어야 하며 이를 위해선 비선형 최적 문제의 차원이 증가 될 수 있다. 주요 단순화는 그럼에도 불구하고 상기 문제 변수들의 결합에 의해 얻어지며 추가적으로 상기 비선형 최적 문제의 강력한 구조(structuring)가 얻어질 수 있다. 상기 문제의 구조는 이 해법의 알고리즘 내에서 장점을 갖는 것으로 가정한다면 전술한 단순화는 해답을 얻기 위한 요구조건들을 감소시킬 수 있다.

상기 최적 제어 문제를 해결하기 위한 계산작업의 추가적인 중요한 감소는 이 시스템 식의 선형화 덕분에 근사적으로 얻어진다. 이 접근법은 초기에 비선형 상태 미분 식들 및 산술 시작 식(20)들을 상기 상태 미분방적식과 대응되는 초기에 임의로 예정된 시스템 궤적(x_ref(t), u_ref(t))을 이용하여 선형화 시킬수 있다.

상기 값 Δx, Δu, Δy는 특정 변수의 참조 곡선으로부터의 편차이며,

시간 변수 행렬인 A(t), B(t), C(t)는 자코비안 행렬들(Jacobin matrices)의 결과이다.

상기 최적 제어의 과제는 이제 변수 Δx, Δu로 공식화되며, 그 결과 제한된 선형 2차 최적 제어 문제로 되었다. 상태 미분 식은 각 부분 구간[t^k,t^k ⁺¹]에 대하여 관련된 운동 식을 통하여 해석적으로 해결되며 시작 함수 U^k 가 올바르게 선택된다면 상기의 복잡한 수치 적분이 생략될 수 있다.

상기 최적 제어의 과제는 그러므로 선형식을 구비하고 식의 제한조건들은 customized 표준 처리과정에 의해 수치적으로 해결될 수 있는 유한 차원의 2차 최적 문제에 의해 근사화될 수 있다. 그 결과 전술한 비선형 최적 문제를 해결하는 것보다 수치적 복잡성(numeric complexity)이 훨씬 적어질 수 있다.

전술한 선형화 해법은 특히 상기 최적 제어 문제의 근사 해법에 대해 수동 레버 작동모드(시간창 [

₀,

_f])동안 적용될 수 있는데, 선형화에 따른 비정확성은 영향이 거의 없으며, 상기 최적 제어 및 이전의 시간 구간(the previous time step)에서 계산된 상태 과정(status course) 덕분에 적절한 참조 궤적(reference trajectories)이 얻어질 수 있다.

상기 최적 제어 문제의 해법은 상기 동역학 모델의 상태값 뿐만아니라 상기 제어값들의 최적의 시간 응답이 되며, 이 값들은 제어 변수 및 기초적인(underlying) 제어가 가능한 동작을 위한 설정점(set point)으로서 입력된다.

이러한 목표 함수들은 상기 크레인의 동역학적 거동을 고려하고 있으며 그 결과, 이 제어 시스템은 단지 교란값(disturbance value) 및 모델 편차에 대하여 보상해야 한다.

상기 제어 변수들의 최적 응답값은 그러나 기초적인 제어 시스템 없이 작동을 위해 제어 변수로서 직접 입력된다.

상기 최적 제어 문제의 해답은, 충돌 방지를 위한 연장된 측정값을 위해 사용될 수 있는 상기 진동 하물의 예정 트랙(track)을 추가적으로 제공(deliver)한다.

도 8은 전자동 작동모드에서의 최적화된 제어 변수들의 계산을 위한 흐름도(flow diagram)를 나타낸다. 이것은 도 3의 모듈 37을 대체한다. 상기 최적 제어 문제는, 설정점 행렬(set point matrix)에 의해 정의되는 상기 하중의 거동의 시작 및 도착 지점들을 구비하여 출발하는 허용 가능한 범위 및 상기 기술적 파라미터(technical parameter)들의 사양(specification)들을 포함하여 정의된다. 상기 최적 제어 문제의 수치 해답은 상기 제어 및 상태값들의 최적 시간 반응값을 제공하며, 이러한 값들은 하중 진동의 완충을 위한 기초적인 제어 시스템을 위한 설정점 값들 및 제어값으로서 입력된다. 기초적인 제어 시스템이 없는 실행(realization)과 유압 시스템에 대한 최적 제어 함수의 직접적 입력(plug in)을 구비한 ㅅ시실싫실행(realization)이 선택적으로 시행될 수 있다.

도 9는 수동 레버 작동모드에 대한 최적 제어 시스템의 계산과 상태설계(status design) 사이의 협동(corporation)을 나타낸다. 동역학적 크레인 모델의 상태는, 얻어지는 측정값을 이용함으로써 추적 된다. 시간 응답들은 최저 제어 문제를 해결함으로써 계산될 수 있는데, 감소된 하중의 진동 내에서, 수동 레버에 의해 발생된 설정점을 향하여 상기 하물의 속도를 이동시킨다.

계산된 최적 제어 시스템은 전체 시간 수평선[t_o, t_f]을 가로질러 구현되지 않을 것이나 연속적으로 현재의 시스템 상태 및 현재의 설정점들에 맞춰질 것이다. 이렇게 맞춰지는 진동수는 사기 최적 제어 변수들의 요구되는 계산 시간에 의해 결정된다.

도 10은 전자동 작동모드에서의 제어 값들의 최적 시간 반응에 대한 대표 결과를 나타낸다. 30초의 시간축이 예정되며 이 제어 함수들은 연속의 1차원 미분를 구비한 시간함수이다.

도 11은 모사된(simulated) 수동 레버 작동모드에 대한 제어 값들 및 제어 요소(factor)들의 대표적인 시간 응답값들을 나타낸다. 하물 속도(수동 레버 예정)에 대한 설정값들은 시간상 사각 임펄스(time phased rectangular impulse)의 형태로 변화된다. 상기 최적 제어 시스템의 업데이트는 0.2초의 주기를 갖는 진동수로 이루어진다.

도 1은 항만의 이동식 크레인(harbor mobile crane)의 주요 기계적 구조.

도 2는 최적 이동경로의 유도용 모듈(module) 및 추적 제어(track control)를 구비한 유압 제어 시스템의 협동으로 구성된 크레인의 제어 함수.

도 3은 하물 진동의 완충용 제어 시스템 및 최적화된 움직임 유도용 모듈을 구비한 추적 제어 시스템의 구조.

도 4는 최적화된 움직임 유도용 모듈을 구비한 추적 제어 시스템(track control system)의 구조로 이루어진 하물 진동의 완충용 제어 시스템이 없는 제어함수.

도 5는 회전 메카니즘의 기계적 설계 및 모델 변수의 정의.

도 6은 시소 메카니즘의 기계적 설계 및 모델 변수의 정의.

도 7은 시소 메카니즘(seesaw mechanism)을 세우는 운동학적 구조(erection kinematics).

도 8은 전자동 작동 동안의 최적 제어 변수를 계산하기 위한 흐름도(flow chart).

도 9는 반자동 작동 동안의 최적 제어 변수를 계산하기 위한 흐름도(flow chart).

도 10은 전자동 작동을 위한 세트 포인트 생성 예.

도 11은 수동 레버 작동에서의 제어 변수의 시간선(time line)의 예.

Claims

상기 하물을 크레인 또는 굴착기의 회전을 위한 회동 메카니즘(turning mechanism)과, 구동시스템을 갖는 케이블에 의해 이송되는 하물의 권상(lifting) 또는 권하(lowering)용 호이스트 기어(hoisting gear) 및 연장암(extension arm)의 경사 또는 세움(erection)을 위한 시소 메카니즘(seesaw mechanism)을 구비한 하중 케이블(load cable)에 의해 이송하는 하물 운반용 크레인 또는 굴착기로서,

추적 제어 시스템(track control system, 31)은 그 시작 지점(u_outD, u_outA, u_outL, u_outR)이 직접 또는 간접적으로 크레인(41) 또는 굴착기의 위치 또는 속도를 위한 입력값으로서 상기 제어 시스템에 입력되는 한편, 이 추적 제어의 상기 제어 시스템(31)을 위한 설정점들(set points)은 상기 하물의 이동이 최소 진동 진폭을 갖도록 생성되는 것을 특징으로 하는, 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제1항에 있어서,

상기 추적 제어 시스템(31) 내의 모델에 기초한 최적 제어 경로(optimal control trajectory)는 실시간으로 계산되고 갱신(update)되는 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제2항에 있어서,

상기 모델에 기초한 최적 제어 경로는, 참조 경로에 의해 선형화되는 모델에 기초하는 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제2항에 있어서,

상기 모델에 기초한 최적 제어 경로는, 비선형 모델 접근법(non-linear model approach)에 기초하는 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 모델에 기초한 최적 제어 경로는, 모든 상태값들의 피드백(feedback of all status values)에 기초한 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 모델에 기초한 최적 제어 경로는, 적어도 하나의 측정 변수 및 나머지 상태값들의 예측값들의 피드백에 기초한 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 모델에 기초한 최적 제어 경로는, 적어도 하나의 측정 변수의 피드백 및 모델에 기초한 피드포워드 제어(feed-forward control)에 의한 나머지 상태값들의 설정점 트래킹(tracking)에 기초한 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 추적 제어 시스템(31)은, 전자동 또는 반자동으로 실행될 수 있는 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 하물의 위치 및 방향(position and orientation)을 위한 설정점 행렬(35)는 상기 추적 제어 시스템(31)에 입력값으로서 입력될 수 있는 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 설정점 행렬(35)은 시작 및 도착점으로 구성되는 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 하물의 요구되는 도착 속도는, 반자동 작동모드의 경우 수동 레버(34)의 위치에 의해 상기 추적 제어 시스템(31)으로 입력되는 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제11항에 있어서,

크레인 및 하물의 위치에 대한 측정값은, 센서를 통하여 측정될 수 있으며, 반자동 작동 모드의 경우에 상기 추적 제어 시스템(31) 내로 입력될 수 있는 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제11항에 있어서,

크레인 및 하중의 위치는, 모델에 기초한 예측 과정(43)을 위한 모듈(module) 내에서 예측될 수 있으며, 상기 추적 제어 시스템(31) 내로 입력될 수 있는 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

출력값들인 u_outD, u_outA, u_outL 및 u_outR 는, 하중 진동 완충 시스템을 구비한 기 초적인(underlying) 제어 시스템 내로 우선적으로 입력되는 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제14항에 있어서,

상기 하중 진동 완충 시스템은, 적어도 하나의 트랙 플래닝 모듈(track planning module), 하나의 구심력 보상 장치, 상기 회동 메카니즘을 위한 하나의 축 제어기, 상기 시소 메카니즘을 위한 하나의 축 제어기, 상기 호이스트 기어를 위한 하나의 축 제어기 및 상기 회동 메카니즘을 위한 하나의 축 제어기를 구비하는 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 하물의 이동이 상기 추적 제어 시스템(31)에 의한 방식으로 특정됨으로써 예정된 자유 영역(pre-determined free areas)이 상기 진동하는 하물에 의해 남겨질 수 없다는 것을 특징으로 하는 최적으로 운동 유도되는 현수 하물(荷物) 운반용 크레인 또는 굴착기.