KR20080040624A - 크레인에서 위치설정을 향상시키고 케이블의 흔들림을감소시키는 데에 적용되는 다중상태 제어를 위하여 피드백및 명령이 조합된 쉐이핑 제어기 - Google Patents

크레인에서 위치설정을 향상시키고 케이블의 흔들림을감소시키는 데에 적용되는 다중상태 제어를 위하여 피드백및 명령이 조합된 쉐이핑 제어기 Download PDF

Info

Publication number
KR20080040624A
KR20080040624A KR1020077027237A KR20077027237A KR20080040624A KR 20080040624 A KR20080040624 A KR 20080040624A KR 1020077027237 A KR1020077027237 A KR 1020077027237A KR 20077027237 A KR20077027237 A KR 20077027237A KR 20080040624 A KR20080040624 A KR 20080040624A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
response
actuator command
facility
signal
control
Prior art date
Application number
KR1020077027237A
Other languages
English (en)
Inventor
칼리드 리프 소렌센
윌리엄 싱호세
스테픈 디커슨
Original Assignee
소렌슨 칼리드 리프
디컬슨 스티븐
싱호스 윌리암
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 소렌슨 칼리드 리프, 디컬슨 스티븐, 싱호스 윌리암 filed Critical 소렌슨 칼리드 리프
Publication of KR20080040624A publication Critical patent/KR20080040624A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/18—Control systems or devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/04—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B66C13/06—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads
    • B66C13/063—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads electrical
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C19/00—Cranes comprising trolleys or crabs running on fixed or movable bridges or gantries
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F7/00—Methods or arrangements for processing data by operating upon the order or content of the data handled

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control And Safety Of Cranes (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Abstract

크레인에서 위치설정과 케이블의 흔들림을 제어하는 것과 같이, 동적 시스템의 다중 상태를 제어하기 위한 알고리즘이 개시되어 있다. 예시적인 장치와 방법은 제어될 설비 및 탑재물에 결합된 제1 및 제2의 일련의 결합 피드백 루프들을 사용하여 실시될 수 있다. 제1 피드백 루프는 제1 제어 모듈을 포함한다. 이것은 원하는 시스템 상태를 나타내는 신호와 실제 시스템 상태를 나타내는 피드백 신호로부터 파생되는 에러 신호로부터 여파된 액추에이터 명령을 발생시킨다. 발생된 신호는 탑재물을 위치설정하도록 작동한다. 제2 피드백 루프는, 요란-유도 진동을 제거하기 위해, 설비(H)가 0의 출력을 갖게 하도록 작동하는 제2 액추에이터 명령을 발생시키는 제2 제어 모듈을 포함한다. 입력 쉐이핑은 움직임-유도 진동을 제거하기 위해 제1 루프에 채용될 수 있다. 제1 제어 모듈은 탑재물의 정확한 위치설정을 위해 사용되고 제2 제어 모듈은 요란-유도 진동을 제거하는 데에 사용된다. 외부의 요란이 없을 시에 설비의 반응에 대한 추정치인 모델화된 반응을 출력하는 모델 기준 루프가 채용될 수 있으며, 이것은 설비가 모델화된 응답에 따라가도록 하는 제2 액추에이터 명령을 발생시키는 데에 사용될 수 있다.
크레인, 위치설정, 케이블, 제어, 피드백 루프, 에러 신호, 액추에이터 명령

Description

크레인에서 위치설정을 향상시키고 케이블의 흔들림을 감소시키는 데에 적용되는 다중상태 제어를 위하여 피드백 및 명령이 조합된 쉐이핑 제어기 {COMBINED FEEDBACK AND COMMAND SHAPING CONTROLLER FOR MULTISTATE CONTROL WITH APPLICATION TO IMPROVING POSITIONING AND REDUCING CABLE SWAY IN CRANES}
본 발명은 일반적으로 동적 시스템의 상태를 제어하는 것에 관한 것이다. 이러한 기술을 특히 적절하게 적용한 것이 크레인의 동적 제어이다. 상세하게는, 본 발명은 크레인의 위치설정 성능을 향상시키고 탑재물의 원하지 않는 진동을 감소시키는 데에 사용될 수 있다.
크레인은 산업계에서 중대한 역할을 한다. 크레인은 전세계에 걸쳐 수천개의 하적장, 공사장, 제강 공장, 창고, 핵 발전 및 폐기 저장시설, 및 다른 산업 단지에서 사용된다. 이러한 시스템들이 전세계에서 수행하는 중요한 역할은 과대평가될 수가 없다.
크레인은 사실상 상당히 구부러지기 쉬운데, 일반적으로 외부의 요란 및 천장 지지 유닛(예를 들어, 브리지 또는 트롤리)의 움직임에 대하여 진동하는 방식으로 응답한다. 수많은 사용 중에, 이러한 진동은 불리한 결과를 유발한다. 탑재물 또는 후크의 흔들림은 작업자가 정밀하게 위치 설정하는 데에 시간이 낭비되고 비 능률적이다. 탑재물 또는 주위의 장애물이 위험하거나 부서지기 쉬운 특성이면, 진동은 또한 안전상의 위험을 유발한다.
크레인의 광범위한 사용은, 원하지 않는 진동을 제어하기 위한 필요성과 결부하여, 이러한 구조물의 제어에 관련된 대량의 조사가 이루어지게 하였다. 대체로 말해서, 엔지니어는 크레인 시스템의 3가지 측면, 즉 움직임-유도 진동, 요란-유도 진동, 및 위치설정 성능을 제어하는 노력을 해야한다. 크레인 시스템의 이러한 측면은 중요한데, 성공적으로 제어된다면 크레인 시스템의 사용 용이성, 효율성 및 안전성이 상당히 개선될 수 있기 때문이다.
크레인의 동적 응답을 제어하기 위한 다양한 기술이 개발되었다. 팽(Fang)외 다수는, 2001년 미국의 플로리다 올랜드에서 개최된 제40회 결정과 제어에 대한 IEEE 회의에서 소개한 "3-DOF 천장 크레인 시스템용의 비선형 결합 제어법(Nonlinear Coupling Control Laws for a 3-DOF Overhead Crane System)"에서, 비례-미분 형식의 제어를 통해 트롤리의 최종 위치와 케이블의 흔들림을 제어하는 것을 제안하였으며, 여기에서 케이블 각도와 트롤리의 움직임 사이의 결합이 부자연스럽게 증가된다. 김(Kim)외 다수는, 2003년에 개최된 제38회 IAS의 연례 회의인 산업 지원 회의에서 소개한 "컨테이너 크레인용의 시각-센서가 없는 신규의 반-흔들림 제어 시스템(A New Vision-Sensorless Anti-Sway Control System for Container Cranes)"에서, 케이블의 흔들림 뿐만 아니라 최종 위치 설정을 제어하기 위해 실제의 컨테이너 크레인에 폴(pole)을 설치하는 방법을 실시하였다. 무스타파(Moustafa)는, 동적 시스템, 측정 및 제어의 저널(Journal of dynamic Systems, Measurement, and Control)의 2001년 123권 139-141페이지의 "천장 크레인의 기준 궤도 트랙킹(Reference Trajectory Tracking of Overhead Cranes)"에서, 니아프토프(Lyapunov)의 안정성 분석에 근거하여 탑재물 궤도 트랙킹에 대한 비선형 제어법을 사용하였다. 마지막으로, 플리스(Fliess)외 다수는, 1991년 영국 브라이튼에서 개치된 제30회 결정과 제어에 대한 회의에서 소개한 "일반화된 상태-공간 모델을 통한 크레인 제어의 단순화된 접근법(A Simplified Approach of Crane Control Via Generalized State-Space model)"에서, 일반화된 상태의 가변 모델에 대한 선형의 피드백 제어법을 제안하였다.
이러한 피드백 제어의 구성은 크레인의 천장 지지 유닛을 정밀하게 위치설정하기에 적절하다. 그러나, 피드백과 관련된 어려움은 다중-상태의 제어에 관한 것이다. 브리지 또는 트롤리를 위치설정하는 것에 부가하여, 피드백 제어기가 케이블의 흔들림을 최소화할 때, 제어의 임무는 더욱 더 해결하기 어렵게 된다. 탑재물의 정확한 감지가 실행되는데, 이는 비용이 많이 들거나 어렵다. 탑재물의 감지가 가능하면, 제어는 케이블의 흔들림이 존재하지 않는 한 응답하지 않는다. 이렇게, 제어는 예상적인 것이 아니라 반응적인 것이다.
시간-최적 제어는 흔들림이 없는 움직임을 얻기 위한 통상의 개-루프 접근법이다. 수많은 시간-최적 제어 구성들의 단점들 중의 하나는 시스템 궤도에 대한 사전 계산의 필요성으로 인해 실시간으로 실행되지 않는다는 것이다. 구스타프손(Gustafsson)외 다수가 2002년 영국 스코틀랜드 글래스고에서 개최한 2002년 제어 적용에 관한 IEEE 국제 회의에서 제안한 "파시르 판장 터미널의 무인 크레인의 자동 제어(Automatic Control of Unmanned Cranes at the Pasir Panjang Terminal)"에 나타낸 바와 같이, 시간-최적 제어 구성이 산업용 크레인에 사용되지 않는 것으로 알려져 있다.
크레인 제어에 관한 여러 특허들이 등록되었다. 이것들은 1998년 7월 12일자로 카와시마(Kawashima)외 다수에게 허여된 미국 특허 제4,756,432호와, 1996년 6월 18일자로 오버튼(Overton)에게 허여된 미국 특허 제5,526,946호와, 2000년 4월 18일자로 하비슨(Habisohn)에게 허여된 미국 특허 제6,050,429호와, 1999년 6월 1일자로 로비넷(Robinett)외 다수에게 허여된 미국 특허 제5,908,122호와, 1991년 3월 6일자로 존스(Jones)외 다수에게 허여된 미국 특허 제4,997,095호와, 1996년 6월 25일자로 히토넌(Hytonen)에게 허여된 미국 특허 제5,529,193호와, 1992년 7월 7일자로 버쿠넌(Virkkunen)에게 허여된 미국 특허 제5,127,533호와, 2000년 8월 15일자로 하비슨(Habisohn)에게 허여된 미국 특허 제6,102,221호와, 1999년 8월 17일자로 미야노(Miyano)외 다수에게 허여된 미국 특허 제5,938,052호와, 1998년 7월 28일자로 페드마(Feddema)외 다수에게 허여된 미국 특허 제5,785,191호와, 1999년 10월 5일자로 하비슨(Habisohn)에게 허여된 미국 특허 제5,960,969호와, 1999년 10월 5일자로 오버튼(Overton)에게 허여된 미국 특허 제5,961,563호와, 1999년 6월 8일자로 월러스, 주니어(Wallace, Jr.)외 다수에게 허여된 미국 특허 제5,909,817호를 포함한다.
본 발명은 전술한 수많은 제어 구성의 단점과 한계를 처리한다. 상세하게는, 크레인에서 동시에 일어나는 실시간 위치설정, 움직임-유도 진동 억제, 요란 제거는 용이하게 실행가능하고 계산이 단순한 제어 구성에서 이루어진다.
도 1은 본 명세서에 개시된 제어기 및 제어 방법을 채용할 수 있는 예시적인 크레인을 도시한다.
도 2는 예시적인 입력 쉐이핑 처리를 도시한다.
도 3은 예시적인 입력 쉐이핑 처리 모듈을 도시하는 블록도이다.
도 4는 천장 지지 유닛의 쉐이핑된 움직임에 대한 크레인 탑재물의 무진동 응답을 도시하는 그래프이다.
도 5 및 도 6은 계단식 입력에 대한 실험적인 드라이브 및 모터의 응답을 도시하는 그래프이다.
도 7은 산업용 드라이브-모터 시스템의 비선형 모델을 도시하는 블록도이다.
도 8 및 도 9는 계단식 입력에 대한 실제의 그리고 모의실험된 드라이브 및 모터의 응답을 도시하는 그래프이다.
도 10은 탑재물의 출력 각도에 악영향을 미치는 외부 요란을 도시하는 블록도이다.
도 11 및 도 11a는 예시적인 요란 제거 제어 모듈을 도시하는 블록도이다.
도 12는 요란-유도 진동을 제거한 크레인과 탑재물의 움직임을 도시한 그래프이다.
도 13은 예시적인 위치 제어 모듈을 도시하는 블록도이다.
도 14는 2미터의 기준 명령에 대한 실제의 그리고 모의실험된 브리지 응답을 도시하는 그래프이다.
도 15 및 도 15a는 예시적으로 조합된 입력 쉐이핑, 요란 제거 및 위치설정 제어기들을 도시한다.
도 16 및 도 17은 도 15 및 도 15a에 도시된 조합 제어기들의 영향하에서 전형적인 브리지 및 탑재물의 응답을 도시하는 그래프이다.
도 18 및 도 18a는 예시적으로 일반화되어 조합된 입력 쉐이핑, 요란 제거 및 위치설정 제어기들을 도시한다.
본 발명의 다양한 특징과 이점은 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조하면 더욱 용이하게 이해될 수 있으며, 여기에서 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도면을 참조하면, 도 1은 본 명세서에 개시된 제어기 및 제어 방법을 사용하여 만들어질 수 있는 제어 구조(50)를 채용할 수 있는 예시적인 크레인(10)을 도시한다. 예시적인 크레인(10)은 가동 트롤리(12)가 부착된 천장 가동 브리지(11)를 포함하는 천장 지지 유닛(17)을 포함한다. 가동 트롤리(12)는 케이블(14)에 의해 탑재물(13)에 부착되어 있다.
향상된 제어가 없는 전형적인 크레인 설비에서, 가동 브리지(11)와 가동 트롤리(12)는 최초에 제어 펜던트(15) 또는 다른 유사한 기구로 제어된다. 제어 펜던트의 경우에, 작업자는 펜던트의 버튼을 누름으로써 크레인의 움직임을 명령한 다. 펜던트에 의해 발생된 신호는 크레인 시스템으로 전달되어 크레인의 움직임을 작동시킨다.
본 명세서에 개시된 진보적인 제어가 실행되는 크레인 설비에서, 펜던트(또는 유사한 기구)에 의해 발생된 신호는 수신되어 진보적인 제어에 의해 수정된다. 다음, 수정된 명령은 크레인 시스템으로 전달되어 크레인의 움직임을 작동시킨다.
제어기들(50)(도 15 및 도 15a)의 구체화된 제어 구조는 크레인(10)에서 동시적인, 실시간 위치설정, 움직임-유도 진동 억제, 및 요란 제거를 제공한다. 이러한 제어기들(50)의 일반적인 형태는 도 18 및 도 18a에 도시되어 있다.
제어 구조(50)의 예시적인 실시예들은 크레인 작동의 3개의 영역을, 즉 1) 탑재물(13)의 움직임-유도 진동, 2) 탑재물(13)의 정밀한 위치설정, 및 3) 탑재물(13)의 요란-유도 진동을 제어한다. 이것을 달성하는 데에 사용된 방법은 크레인 작동의 각각의 측면을 목표로 하는 다중의(3개의) 별개의 제어 모듈들(20, 30, 40)을 사용하는 것이다. 3개의 별개의 모듈들(20, 30, 40)을 도 18 또는 도 18a에 도시된 통합된 제어 구조로 조합함으로써, 통합된 구조는 별개의 모듈들(20, 30, 40)의 각각이 조합된 특성을 갖는다. 그래서, 통합된 제어 구조는 크레인이 흔들림없이 움직일 수 있도록 하고, 외부의 요란을 제거하고 또한 탑재물(13)의 위치를 정밀하게 설정한다. 3개의 제어 모듈들(20, 30, 40)은 1) 움직임-유도 진동을 방지하기 위한 입력 쉐이핑 제어 모듈(20), 2) 탑재물의 정밀한 위치설정을 제공하기 위하여 천장 지지 유닛(17)의 위치를 감지하는 위치 피드백 제어 모듈(30), 3) 요란-유도 진동을 방지하기 위하여 탑재물의 변위를 감지하는 요란 제거 피드백 제어 모듈로 구성되어 있다.
이러한 제어 구성 및 구조를 더 잘 이해하기 위하여, 입력 쉐이핑 제어 모듈(20)의 구조에 대하여 설명된다. 비선형의 드라이브 및 모터와 사용하기에 적합한 입력 쉐이퍼(20)를 설계하거나 선택하는 것을 가능하게 하는 방법론이 또한 기재된다. 이러한 방법론은 위치설정 및 요란 제거 제어 모듈들(30, 40)에 대한 설명의 다음에 이어진다. 임의의 개수의 피드백 제어 기구들이 위치설정 및 요란 제거 모듈들(30, 40)에 사용될 수 있으나, 이러한 목적을 충족시키는 2개의 피드백 구성이 설명된다. 3개의 모듈들(20, 30, 40)이 어떻게 단일의, 통합된 제어 구성으로 조합될 수 있는 지에 대한 설명이 기재되어 있다. 크레인 작업자가 제어기(50)를 상이한 작업 환경에서 사용할 수 있는 변경이 설명된다.
탑재물의 움직임 유도 진동 제어
입력 쉐이핑은 진동을 감소시키기 위한 수단으로서 문서에 의해 충분히 입증된 것이다. 이것은, 예를 들어, 엔.씨. 싱어(N. C. Singer)외 다수에 의한 MIT Ed.인 1990년 미국 특허 제4,916,635호의 "원하지 않는 동역학을 최소화하기 위한 쉐이핑 명령 입력(Shaping Command Inputs to Minimize Unwanted Dynamics)"과 더블유. 싱호세(W. Singhose)외 다수에게 1997년 6월 10일자로 허여된 미국 특허 제5,638,267호인 "물리적 시스템에서 원하지 않는 동역학을 최소화하기 위한 방법 및 장치(Method and Apparatus for minimizing Unwanted Dynamics in a Physical System)"에서 검토되었다. 도 2는 입력 쉐이핑이 크레인(10) 상에서 어떻게 실행 되는지를 나타낸다. 작업자가 펜던트 버튼을 누름으로써 최초에 발생되는 명령은 일련의 임펄스로 이루어진다. 이러한 작동의 출력은 크레인 시스템에 전달되어 크레인의 움직임을 작동시킨다. 임펄스의 진폭 및 시간이 정확하게 선택되면, 크레인의 탑재물(13)은 매우 적은 잔여 진동을 나타낼 것이다. 이러한 개-루프 방법의 블록도는 예시적인 입력 쉐이핑 제어 모듈(20)을 상세하게 예시하는 도 3에 도시되어 있다.
도 4는 도 3에 예시된 입력 쉐이핑 알고리즘에 의해 발생된 트롤리(12)의 움직임에 기인한 크레인의 탑재물(13)의 모의실험된 응답을 나타낸다. 도 4는 입력 쉐이핑 알고리즘이 사용될 때 탑재물의 잔여 진동이 0인 것을 나타낸다.
비선형 시스템에서의 입력 쉐이핑
입력 쉐이핑 제어기(20)를 설계할 때 중요하게 고려할 사항은 드라이브 및 모터(16)가 진동을 제거하기 위해 쉐이핑된 신호의 유효성이다. 시스템의 드라이브 및 모터(16)가 선형 전달 함수로서 나타낼 수 있다면, 입력 쉐이퍼(20)의 진동 억제에 대하여 불리한 효과가 없으며, 이는 입력 쉐이퍼(20)와 임의의 선형의 설비와의 호환성에 기인한 것이다. 그러나, 산업용 모터 및 드라이브(16)의 동적 특성들은 선형의 전달 함수에 의해서 근사치로서만 구해질 수 있다. 모터 및 드라이브(16)의 비선형 모델이 이러한 구성요소들의 실제 응답을 더 정확하게 나타낼 수 있는 경우가 종종 있다.
산업용 드라이브 및 모터(16)의 가장 통상적인 비선형 특성들 중의 하나는 슬루율(slew rate) 제한이다. 슬루율 제한 효과는 드라이브 및 모터(16)의 응답이 슬루율 제한 경계치를 초과하는 것을 방지한다. 실제 시스템에서 이러한 비선형 특성이 어떻게 모델화되었는지를 도 5 및 도 6의 그래프에서 나타내었다. 이러한 그래프는 10톤의 브리지 크레인의 브리지(11)를 작동시키는 데에 사용되는 산업용 드라이브-모터 시스템(16)의 응답을 나타낸다. 도 5에서, 드라이브-모터 시스템(16)은 0% 액추에이터 작용으로부터 100% 액추에이터 작용까지의 계단식 명령에 응답한다. 도 6에서, 드라이브-모터 시스템은 0% 액추에이터 작용으로부터 50% 액추에이터 작용까지의 계단식 명령에 응답한다.
이러한 응답 그래프는 경과 영역의 시작과 끝에서 경사가 없는 것을 나타내며, 또한 이 응답은 각각의 기준 신호를 최소한으로 넘어서지 않는다. 이러한 특징은 드라이브 및 모터(16)가 2차 중감쇠 시스템(heavily damped system)과 유사한 응답을 갖는다. 그러나, 도 5 및 도 6 사이에서 설정 시간의 불일치는 드라이브-모터 시스템(16)이 슬루율 제한된다는 것을 시사한다.
드라이브 및 모터(16)의 모델을 개발하기 위하여, 측정된 시스템 데이터와 유사한 모의실험된 데이터를 제공하는 단순한 2-구성요소 시스템이 구성될 수 있다. 이 모델은 도 7에 도시되어 있다.
이 모델에서 슬루율 제한기(21)는 유입되는 신호의 슬루율을 제한한다. H는 2차 중감쇠 설비(19)이다. 최적화 루틴은 2차 중감쇠 설비(19)에 대한 감쇠율 및 감쇠 특성 주파수와 슬루율 제한기(21)에 대한 슬루율 파라미터를 제공할 수 있다. 이러한 비선형 모델은 드라이브-모터 시스템(16)의 실제 응답에 더 근접한 근사치 를 제공한다. 도 8 및 도 9는 50% 및 100% 액추에이터 작용의 계단식 입력에 대한 실제 시스템의 응답과 중첩하는 비선형 모델의 응답을 도시한다.
드라이브-모터 시스템(16)에서 슬루율 제한기(21)의 효과는 입력 쉐이퍼(20)의 진동 감소 특성에 불리할 수 있다. 이러한 경우에, 슬루율 제한기(21)가 있게 되면 입력 쉐이퍼(20)에 의해 생성된 진동 흡수 신호의 효율성을 감소시킨다. 그러나, 유리한 진동 감쇠 성능이 슬루율 제한기(21)에 의해 변화되지 않는 입력 쉐이퍼(20)를 선택하거나 설계하는 것이 가능하다. 슬루율 제한 요소를 갖춘 시스템에 사용하기에 적합한 입력 쉐이퍼(20)를 선택/개발하기 위해서, 이하의 과정이 개발되었다.
1. 시스템의 슬루율 제한 파라미터를 결정한다. 슬루율 제한기(21)는 슬루율 제한 요소가 입력 신호에 응답하는 슬루율의 상한치 및 하한치를 나타내는 파라미터(S)에 의해 특정될 수 있다. 이것은 입력 신호가 슬루율 제한기(21)에 의해 얼마나 신속하게 수정될 수 있는지를 측정한다. S는 초당 퍼센트의 차원을 갖는다.
2. 진동 억제 방정식을 공식화한다. 선택된/설계된 입력 쉐이퍼(20)는 시스템의 감쇠율과 고유 주파수에 관한 억제 방정식을 만족시켜야만 한다. 이러한 억제 방정식은 예를 들어 미국 특허 제4,916,635호 및 제5,638,267호에서 입증되었다.
3. "R-값" 억제 방정식을 공식화한다. R은, 입력 쉐이퍼(210)가 기준 신호를 얼마나 신속하게 변경시키는지에 대하여, 기준 신호가 슬루율 제한기(21)에 의해 얼마나 신속하게 변경될 수 있는지에 관련된 무차원 비율이다. R은 이하의 방 정식에 의해서 S 및 원하는 입력 쉐이퍼(20)와 관련이 있다.
Figure 112007084187650-PCT00001
여기에서, Ai 및 ti는 원하는 입력 쉐이퍼(20)의 임펄스의 크기 및 시간 선정을 나타낸다.
4. 억제 방정식을 해석한다. 진동 방정식 및 R-값 방정식에 대한 해석은, 입력 쉐이퍼(20)가 진동 감쇠 특성이 슬루율 제한기(21)에 의해 영향을 받지 않게 하는 신호로 움직임-유도 진동을 제거하게 할 것이다.
요란-유도 진동 제어
탑재물(13)의 진동이 감지될 수 있다면, 요란 제어 모듈(40)(도 11)은 바람과 같은 외부의 요란에 의해 야기된 케이블의 흔들림을 제거하도록 설계될 수 있다. 이러한 형태의 요란은 탑재물 설비(18)의 케이블 각도(θp)를 변경시킨다. 이러한 이유로, 요란은 분열 각도(θd)를 포함하는 것으로 모델화될 수 있으며, 이 분열 각도(θd)는 합산 기구(22)에서 요란을 받지 않는 각도(θp)와 합산되어 시스템의 실제 케이블 각도(θa)를 발생시킨다. 이러한 종류의 요란은 도 10에 개략적으로 예시되어 있다.
본 명세서에 기재된 변위 제어기(40)는 실제의 케이블 각도(θa)를 검출하기 위해 감지 피드백을 사용한다. 이러한 정보는 변위 피드백 제어 블록(41)에 사용 되어 모터(16)에 전송되었을 때 크레인(10)이 분열 진동을 제거하도록 하는 속도 명령을 발생한다. 케이블의 흔들림을 브리지의 이동 방향으로 제어하기 위한 예시적인 제어 구조의 블록도는 도 11에 도시되어 있다. 이와 유사한 제어 구조가 트롤리의 이동 방향으로 직교하는 진동에 대하여 사용될 수 있다. 수정된 속도 신호(Vc)가 최초의 기준 속도 신호(Vr)에 더해진다. 크레인(10)이 안전 속도를 넘어 과속 운전하는 것을 방지하기 위해, 새츄레이션(saturation) 블록(23)이 과도한 기준 속도를 브리지 드라이브 및 모터(16)로 전달되기 전에 정리할 수 있다. 다른 제어 구조가 도 11a에 도시되어 있다. 이러한 변경은 드라이브 및 모터(16)와 탑재물 설비(18)에서 설비 모델(18a, 16a)이 없는 것이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 기준 속도 신호(Vr)는 변위 피드백 제어 블록(41)으로부터 파생되는 피드백 신호를 기준 속도 신호(Vr)에서 감산하는 데에 사용되는 합산 기구(22)로 입력된다. 합산 기구(22)의 출력은 선택적인 새츄레이션 블록(23)으로 입력되어 신호의 크기를 제한하고, 이 출력은 드라이브-모터(16)로 인가된다. 드라이브-모터(16)는 천장 지지 유닛을 Vb의 속도로 이동시킴으로써 이러한 명령에 응답한다. 천장 지지 유닛의 이동 및 외부의 요란에 응답하여, 탑재물 설비(18)는 θa의 케이블 각도로 응답한다.
도 11에 도시된 구성에서, 기준 속도 신호(Vr)는 드라이브 모터(16)의 모델(16a)로 입력되고, 그 출력은 탑재물 설비의 모델(18a)로 인가된다. 탑재물 설비(18)의 출력은 감산 기구(24)로 인가된다. 탑재물 설비(18)의 움직임은 동일하게 감산 기구(24)로 입력되고, 모델(16a, 18a)의 출력은 이로부터 감산되어 탑재물 설비(18)의 원하지 않는 움직임을 나타내는 에러 신호(θe)를 발생시킨다. 에러 신호는 요란 제거 제어 블록(41)에 입력되어, 수정된 속도 신호(Vc)를 발생시키고, 이는 합산 기구(22)에서 기준 속도 신호(Vr)와 합산된다.
이러한 요란 제거 제어 구조의 측면은 속도 기준 신호(Vr)에 응답하는 선택적인 설비 모델들(18a, 16a)이다. 모델들(18a, 16a)의 목적은 외부의 요란에 의해 야기되는 탑재물 진동이 천장 지지 유닛(17)(즉, 브리지(11) 및 트롤리(12))의 움직임에 의해 야기되는 탑재물 진동과 구별될 수 있게 하는 수단을 제공하는 것이다. 즉, 분열 각도(θd)가 없으면, 임의의 기준 속도(Vr)에 대한 모델들(18a, 16a)의 응답 및 실제 시스템(θa)의 응답이 거의 동일하게 되어서, 수정되는 속도 신호가 발생되지 않게 할 것이다. 그러나, 요란이 있다면, θm과 θa를 비교하여 요란 제거 제어 블록(41)이 수정된 신호를 발생하도록 할 것이다. 발생된 임의의 수정된 속도 신호는 기준 신호에 더해진 다음, 실제 드라이브 및 모터(16)로 전송된다. 이러한 방식으로, 제어기(40)는 요란-유도 진동만을 제거하고 움직임-유도 진동은 제거하지 않게 한다.
요란 제거 제어기에 대한 모든 변경들(40, 40a)은 조지아 인스티튜트 오브 테크놀로지의 매뉴펙쳐링 리서치 센터(MARC, Manufacturing Research Center)에 위치한 10톤의 브리지 크레인(10)에 대하여 실시되고 시험되었다. 도 12는 크레인(10)에서 외부의 요란을 제거하기 위해 제어기(40)를 사용하여 전형적으로 측정한 결과를 도시한다.
탑재물의 최종 위치 제어
선형 시스템 이론 및 설계(3판, 뉴욕: 1999년 옥스포드 유니버시티 프레스)에서 씨. 티. 첸(C. T. Chen)에 의해 약술된 공지의 과정에 이어, 크레인에 탑재물의 케이블 각도(θa)가 주어진다면, θa의 상태는 니아프토프의 견지에서 안정적임을 쉽게 알 수 있을 것이다.
따라서, 외부의 요란과 입력이 없으면, θa의 상태는 항상 0에 도달할 것이다. 시스템의 상태 방정식의 이러한 형식적인 처리에 의해, 명백한 현상이 강조되는데, 탑재물(13)은 항상 케이블(14)의 지지 지점의 바로 아래에 놓여지게 된다. 따라서, 천장 지지 유닛에 대한 정밀한 위치설정은 탑재물(13)의 정밀한 위치설정과 동등하다. 이러한 현상은 위치설정 제어 모듈(30)의 개발이, 연결되지 않은 탑재물-위치에 근거한 제어가 아니라 연결된 지지-유닛-위치에 근거한 제어를 사용하여 진행되게 한다.
본 명세서에 기재된 제어 모듈(30)은 탑재물(13)을 브리지 이동의 방향으로 위치설정하도록 설계된다. 유사한 제어기(30)는 탑재물을 트롤리(12)의 이동 방향에 직교하는 방향으로 위치설정하도록 설계될 수 있다.
타워 및 붐(boom) 크레인과 같이, 비직교(non-Cartesian)에 근거한 크레인의 경우에, 제어는 방사상 및 회전 움직임과 같은 각각의 관련 좌표에 적용될 수 있다.
제어는 브리지 위치에 대한 감지 정보를 사용하는 위치 제어 블록(31)의 사용을 통해 달성된다. 제어 모듈(30)의 블록도는 도 13에 도시되어 있다. 원하는 브리지의 위치는 위치 기준 신호(Pr)로서 제어 모듈(30)에 전송된다. 감지 피드백은 브리지의 위치(Pb)를 제공한다. 이러한 2개의 신호는 감산 기구(24)에서 비교되어 에러 신호(Pe)를 발생시키며, 이 신호는 위치 제어 블록(31)으로 전송된다. 에러 신호에 대한 응답에서, 위치 제어 블록(31)은 원하는 브리지 속도를 나타내는 신호를 발생시키는데, 이 신호는 크레인 모터(16)로 전송되면 크레인(10)을 원하는 위치 쪽으로 구동시킨다. 이러한 신호가 브리지(11)를 최대의 원하는 속도를 넘어 오버 드라이브하는 것을 방지하기 위해, 새츄레이션 블록(23)이 위치설정 제어 블록(31) 다음에 삽입될 수 있다. 새츄레이션 블록(23)에 의해 정리된 기준 속도(Vr)는 브리지의 드라이브 및 모터(16)로 전송되며, 여기에서, 브리지는 속도(Vb)로 응답한다. 최종적으로, 탑재물 설비(18)는 개-루프 방식으로 속도(Vp)로 브리지 속도에 응답한다.
도 14는 MARC에서 10톤의 브리지 크레인(10)을 제어 구동하여 측정한 결과를 나타낸다. 최초에 0 미터 위치에 있는 브리지(11)는 2 미터의 위치로 이동하도록 명령된다. 도 14에 도시된 바와 같이, 브리지(11)는 약 5밀리미터의 정밀도로 원하는 위치를 달성할 수 있다.
3개의 제어기들의 조합
입력 쉐이핑, 요란 제거, 및 위치설정 제어 모듈들(20, 30, 40)은 단일의 제이기(50)으로 조합되어 움직임-유도 진동과 요란-유도 진동을 제거하고 탑재물(13)의 정밀한 위치설정을 가능하게 한다. 조합된 제어 구성(50)의 블록도는 도 15에 도시되어 있다. 이러한 제어 구성(50)의 변경은 도 15a에 도시되어 있다.
제어기(50)의 모든 변경들에서, 입력 쉐이핑 모듈(20)은 위치설정 모듈(30)과 조합된다. 이러한 방식에서, 천장 지지 지점을 원하는 위치 쪽으로 구동시키고자 위치설정 제어기(30)에 의해 발생된 모든 명령은 입력 쉐이퍼(20)에 의해 수정되어 움직임-유도 진동을 방지한다. 이렇게 쉐이핑된 명령은 연속해서 모터(16) 및 탑재물 설비(18)의 모델(16a, 18a)로 전송되어 비교 각도(θm)를 제공하며, 이에 의해 요란 제거 제어기(40)는 움직임-유도 진동과 요란-유도 진동을 구별할 수 있다. 요란 제거 제어기(40)에 의해 발생된 임의의 수정된 속도 신호는 위치설정 제어 모듈(30)의 쉐이핑된 속도 신호에 더해진다. 그 결과 생성된 명령은 최종 위치설정과 요란 제거의 이중 목적을 달성한다.
조합된 제어 구성 및 제어기(50)의 각각의 변경은 MARC에서 10톤의 브리지 크레인에서 실시되고 시험되었다. 제어기(50)의 실시는 도 16 및 도 17에 측정되어 도시된 결과로 예시되어 있다. 브리지(11)의 위치는 실선으로 도시되어 있고, 탑재물(13)의 위치는 점선으로 도시되어 있다. 탑재물(13) 및 브리지(11)는, 최초에 0 미터의 위치에서 4 미터의 위치로 이동하도록 명령되었다. 조합된 위치설정 및 입력 쉐이핑 제어 모듈들(30, 20)의 쉐이핑된 속도 신호가 탑재물(13)의 움직임-유도 진동을 방지한 것을 알 수 있다. 외부의 요란이 시스템으로 유입된 후에, 요란 제거 제어 모듈(40)은 분열 진동을 제거하였다. 위치설정 제어는 탑재물(13)을 계속해서 원하는 위치로 구동시켰다.
제어와 작업자 사이의 상호 작용
상이한 크레인의 적용은 조합된 제어기(50)에 대하여 상이한 작동 모드를 요구할 수 있다. 이러한 부분은 조합된 제어기(50)가 사용되는 작동에 대하여 수동 모드, 부분 자동 모드, 및 완전 자동 모드를 설명한다.
수동 모드
정확한 위치설정 및 높은 효율성이 필요하지 않은, 울퉁불퉁한 물체를 어쩌다가 들어올리는 경우에, 수동 모드의 작동은 가장 적합한 형태의 제어일 수 있다. 수동 모드에서, 제어기(50)의 위치 기준 신호는 크레인 작업자가 제어 펜던트(15)의 방향 버튼을 누를 때 발생된다. 크레인(10)은 눌러진 펜던트 버튼에 상응하는 방향으로 이동함으로써 작업자의 버튼 누름에 응답하지만, 제어기(50)가 작업자의 모든 명령을 능동적으로 입력 쉐이핑할 뿐만 아니라 외부의 요란을 검출하여 수정하므로, 탑재물(13)의 움직임은 움직임 및 요란-유도 진동이 없게 될 것이다.
부분 자동 모드
부분 자동 제어 모드는 자동적인 위치설정 특성으로 강화된 크레인(10)의 필수적인 수동 작동이다. 이러한 작동 모드는 3 cm 보다 더 큰 위치설정 정확도를 요구하는, 방사성 물질 패키지가 촘촘한 매트릭스 형태로 규칙적으로 적층된 워싱터주의 한포드 사이트(Hanford Site)와 같은 위치에 적절할 수 있다. 탑재물(13)의 위험한 내용물로 인해, 작업자는 종종 크레인(10)을 원격으로 제어하므로, 정밀한 위치설정이 어렵고 시간이 소비된다.
부분 자동 모드는 수동 모드에서와 같이 작업자가 펜던트의 버튼을 누름으로 써 크레인(10)의 움직임이 제어되게 하며, 작업자는 크레인(10)을 의도하는 목표 지점으로 조종하고자 한다. 멀거나 방해되는 시야로 인해, 작업자는 크레인(10)을 의도하는 목적지로 정밀하게 구동시킴에 있어 어려움이 있을 수 있다. 대신에, 크레인(10)이 의도된 목표 지점에 근접하면, 머신 비젼(vision) 시스템 또는 다른 감지 기구와 같은, 크레인(10)의 센서들이 목표 지점에 대한 좌표 정보를 검출한다. 작업자는 크레인(10)이 수동 모드의 운전을 계속하거나 제어를 위한 위치 기준 신호로서 센서들로부터 모아진 좌표 정보를 사용하여서, 탑재물(13)(또는 후크)이 의도하는 목적지로 정밀하게 구동되게 한다.
즉, 부분 자동 모드는 크레인 작업자가 위치 기준 정보를 제어기로 전송하여 탑재물(13)(또는 후크)의 근사한 원하는 최종 위치를 나타내게 한다. 운송 중에, 센서들은 후크 또는 탑재물(13)의 실제 원하는 위치를 검출한다. 이러한 제어는 작업자가 발생된 기준 위치 신호를 계속해서 수동으로 사용하거나 센서들에 의해 발생된 신호로 전환하게 한다.
완전 자동 모드
완전 자동 모드에서, 제어기(50)로 전송된 위치 지점은 전적으로 센서들, 제어 컴퓨터, 프로그램가능한 로직 제어기 또는 다른 프로그램가능한 감지 기구들로부터 생긴다. 이러한 제어 모드는 상당히 반복적인 작업 또는 탑재물(13)(또는 후크)의 최종 위치가 미리 알려진 작업에 적합할 것이다. 예를 들어, 제어기(50)는 크레인(10)을 컴퓨터로 프로그램되는 원하는 위치들의 배열에 상응하는 일련의 위치들로 구동시킬 수 있다. 크레인(10)은 원하는 위치에 일단 도달하면, 프로그램 된 시간 기간 동안에 정지된 상태로 유지될 것이며(아마도 들어올리는 작업을 수행하기 위해), 이때 제어는 크레인(10)을 다음의 원하는 위치로 구동시키도록 처리할 것이다.
그래서, 이로부터, 제어기(50, 50a) 및 크레인의 탑재물(13)의 정밀한 위치설정을 허용하면서 움직임 및 요란-유도 진동을 또한 제거하는 제어 방법의 형태로 실시될 수 있는 제어 구성 및 알고리즘이 개시되었음을 알 수 있을 것이다. 제어기(50, 50a)는 수동 모드, 반-자동 모들 및 자동 모드로 작동될 수 있다. 더욱이, 제어 알고리즘은 비선형 비율 제한 효과를 나타내는 시스템에 적용될 수 있다. 이러한 성능에 기여하는 새로운 특성은 이하에서 요약한다.
다중의(3개의) 개별적인 제어 모듈들(20, 30, 40)은 전술한 방식으로 조합되되어 도 18 및 도18a에 도시되어 있으며, 독특한 제어 구조를 형성한다. 도 18 및 도 18a에 도시된 구조는 크레인(10)의 동적 응답을 제어하도록 성공적으로 실시되었다. 3개의 제어 모듈들은 1) 움직임-유도 진동의 제거를 위한 입력 쉐이핑 모듈(20), 2) 탑재물의 정밀한 위치설정을 위한 위치 피드백 제어 모듈(30), 3) 요란-유도 진동 제거를 위한 크레인의 탑재물(13)에 대한 요란 제거 피드백 제어 모듈(40)이다.
요란 제거 제어기(40)는 크레인(10)의 실제 케이블 각도를 크레인(10)의 모델로부터 얻은 각도와 비교한다. 이러한 비교는 제어기(50)가 움직임-유도 진동과 요란-유도 진동을 구별할 수 있게 하는 수단을 제공한다. 이러한 방식으로, 제어는 외부에서 유도된 진동에 근거하여 수정되는 속도 신호를 발생할 수 있다.
일반적인 제어기들
이상에서는 천장 크레인(10)의 작동을 제어하는 데에 사용하기 위해 특별히 설계된 제어기(50)를 설명하였다. 그러나, 제어기(50)는 다른 분야에 사용하기에 용이하게 적합할 수 있으며, 전술한 제어 구조는 크레인 분야에만 한정되지 않는다. 도 18 및 도 18a는 다양한 종류의 설비(G, H)를 제어하는 데에 사용될 수 있는 예시적이고 일반적인 제어기들(50)을 도시한다.
도 18 및 도 18adp 도시된 제어 구조들은 별개의 분야이며, 수많은 동적 시스템들에 사용될 수 있다. 이러한 제어 구조는 위에서 충분히 설명한 크레인 시스템의 동적 응답을 제어하기 위해 성공적으로 실시되었다. 제어 구조의 3개의 제어 모듈들은 하나의 입력 쉐이핑 모듈(입력 쉐이퍼(20))와 2개의 피드백 모듈들을 포함한다. 제어기들(50)은 연속적으로 상호 연결된 피드백 루프와 선택적인 모델 기준 루프를 채용하여 설비(H)에 대하여 피드백 제어를 실시한다. 설비 모델의 기능은 외부 요란이 없을 시에 설비(H)의 응답을 추정하는 것이다.
도 18에 도시된 제어 구조는 모델화된 설비의 응답(Zm)을 실제 설비의 응답(Za)에 비교한다. 이러한 비교는 제어 블록(B)이 외부의 요란에 의해 주로 야기되는 신호에 대하여 응답할 수 있게 하는 수단을 제공한다. 설비 모델들(G, H)이 제어 구조 내로 합쳐지면, Za는 도 18a에 예시된 바와 같이 제어 블록(B)로 직접 발생된다.
설비(G)를 작동시키는 데에 사용되는 구동 신호는 제어 블록(B)에 의해 발생 되는 수정된 신호(Xc)와 입력 쉐이퍼(20)에 의해 발생되는 쉐이핑된 신호(Xs)의 조합이다. 이러한 방식으로 구동 신호를 구성함으로써, 3개의 목적(위치설정, 요란 제거, 및 움직임-유도 진동 억게)이 달성된다. 특히, 설비(H)에 대한 움직임-유도 진동이 억제되고, 이 시스템이 기준 궤도(Rd)를 따라가고, 외부의 요란이 제거된다.
제어 블록(A)의 기능은 에러 신호(E)로부터 파생되는 액추에이터 명령(X)을 발생하는 것이다. 입력 쉐이퍼(20)는 액추에이터 명령(X)으로부터 주파수를 여파하도록 작동한다. 모델 기준 루프가 없는 경우에(도 18a), 입력 쉐이퍼(20)는 액추에이터 명령(X)으로부터 제2 피드백 루프의 폐-루프 전달 함수(CLTF, closed-loop transfer function)에서의 주요 주파수에 해당하는 주파수를 여파한다. 모델 기준 루프가 있는 경우에(도 18), 입력 쉐이퍼(20)는 액추에이터 명령(X)으로부터 설비(H)에서의 주요 주파수에 해당하는 주파수를 여파한다. 모델 기준 루프가 있는 경우에, 제어 블록(B)의 기능은 에러 신호(Ze)로부터 액추에이터 명령(Xc)을 발생하며, 이는 설비(H)가 모델화된 응답(Zm)을 따르게 한다. 모델 기준 루프가 없는 경우에, 제어 블록(B)의 기능은 설비(H)가 0의 출력을 갖도록 한다.
이 제어 구성은 수동, 반-자동, 및 자동의 작동 모드에 의한 상이한 작동 설정에 사용하기에 적합하다. 제어기(50)의 독특한 구조는 제어기의 기준 신호의 원점을 바꿈으로써 상이한 작동 모드들 사이에서의 전환을 허용한다. 수동 모드에서, 기준 신호는 작업자가 펜던트 버튼 또는 유사한 작동 기구를 누를 때 발생된다. 반-자동 모드에서, 기준 신호는 주로 작업자에 의해, 그리고 부분적으로 PC, PLC 또는 다른 자동화 요소에 의해 발생된다. 완전 자동 모드에서, 기준 신호는 전적으로 PC, PLC 또는 다른 자동화 요소를 제어함으로써 발생된다.
또한, 슬루율 제한에 대하여 비선형 현상을 나타내는 물리적 시스템(크레인 10)에 사용하기에 적합한 입력 쉐이퍼(20)의 설계/선택을 가능하게 하는 방법론이 개시되었다. 이 방법론은 "R-값" 억제 방정식의 공식화를 포함한다. "R-값" 억제 방정식에 부가하여 전형적인 진동 억제 방정식을 만족시키는 쉐이퍼는 비선형 시스템으로부터 진동을 확실하게 제거하도록 될 것이다.
제어 방법
완벽하게 하기 위해, 예를 들어, 크레인(10) 및 탑재물(13)과 같은 설비의 움직임을 제어하는 예시적인 방법은, 이하에 설명될 것이다. 다양한 예시적인 제어 방법은 이하와 같이 실시될 수 있다.
설비(G)의 원하는 상태를 나타내는 액추에이터(입력) 명령(Rd)이 발생된다. 액추에이터 명령(X)은, 설비(G)의 실제 상태를 나타내는 제1 피드백 루프에서, 원하는 상태 명령(Rd) 및 피드백 신호(Ra)로부터 파생되는 에러 신호(E)로부터 발생된다. 외부의 요란이 없는 설비(H)의 응답을 추정하는 데에 사용되는 선택적인 설비 모델 기준이 채용될 수도 있다.
선택적으로, 모델 기준 루프가 없다면, 여파된 액추에이터 명령(Xs)를 발생시키기 위해 액추에이터 명령(X)으로부터 제2 피드백 루프의 폐-루프 전달 함수(CLTF)에서의 주요 주파수에 해당하는 주파수를 여파하는 입력 쉐이퍼가 채용될 수 있다. 모델 기준 루프가 있다면, 입력 쉐이퍼는 액추에이터 명령(X)으로부터 설비(H)에서의 주요 주파수에 해당하는 주파수를 여파한다.
입력 쉐이퍼가 없고 모델 기준 루프가 없는 경우에, 액추에이터 명령(X)은, 설비(H)가 0의 출력을 갖게 하도록 구성된 제2 피드백 루프에서 발생된 액추에이터 명령(Xc)과 합산된다. 입력 쉐이퍼가 있고 모델 기준 루프가 없는 경우에, 여과된 액추에이터 명령(Xs)은, 설비가 0의 출력을 갖게 하도록 구성된 제2 피드백 루프에서 발생된 액추에이터 명령(Xc)과 합산된다. 입력 쉐이퍼가 없지만 모델 기준 루프가 있는 경우에, 액추에이터 명령(X)은, 플랜트(H)가 모델화된 응답(Zm)을 따라가도록 하는 제2 피드백 루프에서 발생된 액추에이터 명령(Xc)과 합산된다. 입력 쉐이퍼와 모델 기준 루프가 모두 있는 경우에, 여파된 액추에이터 명령(Xs)은, 설비가 모델화된 응답(Zm)을 따라가도록 하는 제2 피드백 루프에서 발생된 액추에이터 명령(Xc)과 합산된다.
이렇게, 크레인 제어기와 제어 방법이 개시되었다. 전술한 실시예들은 위에서 언급한 원리의 적용을 나타내는 수많은 특정 실시예들 중의 일부를 단지 예시적인 것임을 이해할 수 있을 것이다. 명백하게는, 본 발명의 범위를 벗어나지 않은 한 수많은 다른 장치들이 당해 분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 안출될 수 있다.

Claims (17)

  1. 제어될 설비(G, H)에 결합된 제1 및 제2의 일련의 결합 피드백 루프들을 포함하고,
    여기에서, 상기 제1 피드백 루프는 입력 액추에이터 명령과 설비(G)의 상태를 나타내는 피드백 신호로부터 파생되는 에러 신호로부터 여파된 액추에이터 명령을 발생시키기 위한 제1 제어 모듈을 포함하는데, 이렇게 여파된 액추에이터 명령은 설비(G)의 상태가 원하는 상태에 부합되게 하도록 작동하고,
    여기에서, 상기 제2 피드백 루프는, 요란-유도 진동을 방지하기 위해, 설비(H)가 0의 출력을 갖게 하도록 작동하는 제2 액추에이터 명령을 발생시키는 제2 제어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    설비의 움직임-유도 진동을 방지하기 위해, 상기 액추에이터 명령으로부터 제2 피드백 루프 폐-루프 전달 함수 또는 설비(H)에서의 주요 주파수에 해당하는 주파수를 여파하는 제1 피드백 루프에 배치된 입력 쉐이퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    외부의 요란이 없을 시에 상기 설비(H)의 응답의 추정치인 모델화된 응답을 출력하기 위한 모델 기준 루프와,
    에러 신호를 발생시키기 위해 실제 설비(H)의 응답으로부터 모델화된 응답을 감산하는 장치를 더 포함하고,
    여기에서, 상기 제2 피드백 루프는 상기 설비가 모델화된 응답을 따라가도록 작동하는 제2 액추에이터 명령을 발생하고,
    여기에서, 상기 제2 액추에이터 명령은 상기 설비가 모델화된 응답을 따라가도록 하기 위해 여파된 액추에이터 명령과 합산되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    외부의 요란이 없을 시에 상기 설비(H)의 응답의 추정치인 모델화된 응답을 출력하기 위한 모델 기준 루프와,
    에러 신호를 발생시키기 위해 실제 설비(H)의 응답으로부터 모델화된 응답을 감산하는 장치를 더 포함하고,
    여기에서, 상기 제2 피드백 루프는 상기 설비가 모델화된 응답을 따라가도록 작동하는 제2 액추에이터 명령을 발생하고,
    여기에서, 상기 제2 액추에이터 명령은 상기 설비가 모델화된 응답을 따라가도록 하기 위해 여파된 액추에이터 명령과 합산되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 설비는 케이블에 의해 크레인 구동 시스템에 결합되는 탑재물의 이동을 제어하는 크레인 구동 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 설비는 케이블에 의해 크레인 구동 시스템에 결합되는 탑재물의 이동을 제어하는 크레인 구동 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 제어 모듈은 움직임-유도 진동과 요란-유도 진동을 구별하고 외부에서 유도된 진동에 근거하여 수정되는 신호를 발생시키기 위하여 모델 기준 루프로부터 얻어진 각도와 케이블의 각도를 비교하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 장치로의 기준 신호 입력의 원점을 바꿈으로써 작동의 수동 모드, 반-자동 모드 및 자동 모드 사이에서의 전환을 허용하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    수동 모드에서, 기준 신호는 작업자가 작동 기구를 누를 때 발생되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    반-자동 모드에서, 기준 신호는 주로 작업자에 의해, 그리고 부분적으로 자동화 요소에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  11. 청구항 8에 있어서,
    완전 자동 모드에서, 기준 신호는 자동화 요소에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  12. 설비(G, H)를 포함하는 일련의 시스템의 상태를 제어하기 위한 방법으로서,
    원하는 시스템의 상태를 나타내는 최초의 액추에이터 명령을 발생시키는 단계와,
    제1 피드백 루프에서 최초의 신호와 시스템의 현재 상태를 나타내는 피드백 신호로부터 파생되는 에러 신호로부터 제1 액추에이터 명령을 발생시키는 단계와,
    제2 피드백 루프에서 시스템의 요란-유도 진동에 응답하고 설비(H)가 0의 출력을 갖게 하도록 구성된 제2 액추에이터 명령을 발생시키는 단계와,
    조합된 설비 제어 신호를 발생시키기 위해 제1 및 제2 액추에이터 명령을 조합하는 단계와,
    조합된 설비 제어 신호를 상기 설비로 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징 으로 하는 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    여파된 액추에이터 명령을 제공하기 위해 상기 제1 액추에이터 명령으로부터 설비(H)에서의 주요 주파수 또는 제2 피드백 루프의 폐-루프 전달 함수에서의 주요 주파수에 해당하는 주파수를 여파하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    외부의 요란이 없을 시에 상기 시스템의 응답의 추정치인 모델화된 응답을 출력하기 위한 모델 기준 루프를 제공하는 단계와,
    에러 신호를 발생시키기 위해 실제의 설비 응답으로부터 모델화된 응답을 감산하는 단계와,
    설비(H)가 모델화된 응답을 따라가도록 하기 위하여 상기 에러 신호를 입력으로서 사용하여 제2 액추에이터 명령을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    외부의 요란이 없을 시에 상기 시스템의 응답의 추정치인 모델화된 응답을 출력하기 위한 모델 기준 루프를 제공하는 단계와,
    에러 신호를 발생시키기 위해 실제의 설비 응답으로부터 모델화된 응답을 감산하는 단계와,
    설비(H)가 모델화된 응답을 따라가도록 하기 위하여 상기 에러 신호를 입력으로서 사용하여 제2 액추에이터 명령을 발생시키는 단계와,
    상기 제2 액추에이터 명령을 상기 설비가 상기 모델화된 응답을 따라가도록 하는 여파된 액추에이터 명령과 조합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    내부에서 제한하는 비율이 신호에 응답하는 상한 및 하한 비율 경계치를 나타내는 설비 및 탑재물의 슬루율 제한 파라미터(S)를 결정하는 단계와,
    입력 쉐이퍼가 설계되는 상기 시스템의 감쇠율과 고유 주파수에 의해 진동 억제 방정식을 한정하는 단계와,
    R이 기준 신호가 비율 제한기에 의해 얼마나 신속하게 변경되어 지에 관한 비선형 비율인 R-값 억제 방정식을 입력 쉐이퍼가 기준 신호를 얼마나 신속하게 변경하는 지에 대한 것으로 한정하는 단계와,
    진동 감쇠 특성이 비율 제한기에 의해 영향을 받지 않는 신호로 움직임-유도 진동을 제거하도록 입력 쉐이퍼를 한정하기 위해 상기 억제 방정식을 해석하는 단계에 의해 실시되는 입력 쉐이퍼에 의해 여파가 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    R은 이하의 방정식에 의해 S 및 원하는 입력 쉐이퍼에 관한 것이고,
    Figure 112007084187650-PCT00002
    여기에서, Ai 및 ti는 원하는 입력 쉐이퍼의 임펄스의 크기 및 시간 선정을 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020077027237A 2005-04-22 2006-04-19 크레인에서 위치설정을 향상시키고 케이블의 흔들림을감소시키는 데에 적용되는 다중상태 제어를 위하여 피드백및 명령이 조합된 쉐이핑 제어기 KR20080040624A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US67407105P 2005-04-22 2005-04-22
US60/674,071 2005-04-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20080040624A true KR20080040624A (ko) 2008-05-08

Family

ID=37215241

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020077027237A KR20080040624A (ko) 2005-04-22 2006-04-19 크레인에서 위치설정을 향상시키고 케이블의 흔들림을감소시키는 데에 적용되는 다중상태 제어를 위하여 피드백및 명령이 조합된 쉐이핑 제어기

Country Status (3)

Country Link
US (1) US7970521B2 (ko)
KR (1) KR20080040624A (ko)
WO (1) WO2006115912A2 (ko)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2619092C (en) * 2008-01-29 2015-05-19 Solutioninc Limited Method of and system for support of user devices roaming between routing realms by a single network server
US8235229B2 (en) * 2008-01-31 2012-08-07 Georgia Tech Research Corporation Methods and systems for double-pendulum crane control
EP2429774A2 (en) 2009-01-13 2012-03-21 Camotion, Inc. Machine tools with non-rigid robot device using inertial stiffening
CA2672642C (en) * 2009-07-17 2013-05-14 Solutioninc Limited Remote roaming controlling system, visitor based network server, and method of controlling remote roaming of user devices
WO2011133971A1 (en) * 2010-04-23 2011-10-27 Georgia Tech Research Corporation Crane control systems and methods
US8975853B2 (en) * 2010-06-08 2015-03-10 Singhose William Earl Methods and systems for improving positioning accuracy
DE102011001112A1 (de) * 2011-03-04 2012-09-06 Schneider Electric Automation Gmbh Verfahren und Steuerungseinrichtung zur schwingungsarmen Bewegung eines bewegbaren Kranelementes eines Kransystems
FR3016872B1 (fr) * 2014-01-30 2019-04-05 Manitowoc Crane Group France Procede de commande anti-ballant a assistance reglable pour le transport d’une charge suspendue
ES2959695T3 (es) 2016-11-02 2024-02-27 Doosan Bobcat North America Inc Sistema y procedimiento para definir una zona de funcionamiento de un brazo elevador
CN109384148B (zh) * 2017-08-02 2020-04-07 株式会社安川电机 振动抑制方法以及振动抑制装置
EP3653562A1 (de) * 2018-11-19 2020-05-20 B&R Industrial Automation GmbH Verfahren und schwingungsregler zum ausregeln von schwingungen eines schwingfähigen technischen systems

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6317793A (ja) * 1986-07-11 1988-01-25 株式会社日立製作所 クレ−ンの制御方式
US4916635A (en) * 1988-09-12 1990-04-10 Massachusetts Institute Of Technology Shaping command inputs to minimize unwanted dynamics
US4997095A (en) * 1989-04-20 1991-03-05 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Methods of and system for swing damping movement of suspended objects
FI86533C (fi) * 1989-06-12 1992-09-10 Kone Oy Foerfarande foer daempning av svaengningarna hos en kranlast.
US5529193A (en) * 1991-04-11 1996-06-25 Hytoenen; Kimmo Crane control method
KR100220202B1 (ko) * 1991-10-18 1999-10-01 하시모도 노부이치 크레인의 로프 흔들림 방지 제어방법 및 장치
US5526946A (en) * 1993-06-25 1996-06-18 Daniel H. Wagner Associates, Inc. Anti-sway control system for cantilever cranes
KR970003508B1 (ko) * 1994-03-25 1997-03-18 한국원자력연구소 크레인의 진동방지를 위한 속도 제어 방법
US5443566A (en) * 1994-05-23 1995-08-22 General Electric Company Electronic antisway control
US5638267A (en) * 1994-06-15 1997-06-10 Convolve, Inc. Method and apparatus for minimizing unwanted dynamics in a physical system
JP3358768B2 (ja) * 1995-04-26 2002-12-24 株式会社安川電機 クレーン等のロープ振れ止め制御方法及び装置
US5713477A (en) * 1995-10-12 1998-02-03 Wallace, Jr.; Walter J. Method and apparatus for controlling and operating a container crane or other similar cranes
US5960969A (en) * 1996-01-26 1999-10-05 Habisohn; Chris Xavier Method for damping load oscillations on a crane
US5908122A (en) * 1996-02-29 1999-06-01 Sandia Corporation Sway control method and system for rotary cranes
US5785191A (en) * 1996-05-15 1998-07-28 Sandia Corporation Operator control systems and methods for swing-free gantry-style cranes
US5725113A (en) * 1996-10-28 1998-03-10 Habisohn; Chris X. Method for deactivating swing control on a crane
US6050429A (en) * 1996-12-16 2000-04-18 Habisohn; Chris X. Method for inching a crane without load swing
US5961563A (en) * 1997-01-22 1999-10-05 Daniel H. Wagner Associates Anti-sway control for rotating boom cranes
DE10029579B4 (de) * 2000-06-15 2011-03-24 Hofer, Eberhard P., Prof. Dr. Verfahren zur Orientierung der Last in Krananlagen
US6588610B2 (en) * 2001-03-05 2003-07-08 National University Of Singapore Anti-sway control of a crane under operator's command
US7426423B2 (en) * 2003-05-30 2008-09-16 Liebherr-Werk Nenzing—GmbH Crane or excavator for handling a cable-suspended load provided with optimised motion guidance
US6866285B1 (en) * 2003-11-25 2005-03-15 Trailer hitch and draw bar system
US7150366B1 (en) * 2004-07-29 2006-12-19 Mi-Jack Products, Inc. Hanger chain anti-sway device for gantry crane

Also Published As

Publication number Publication date
WO2006115912A3 (en) 2007-11-01
US20080281464A1 (en) 2008-11-13
US7970521B2 (en) 2011-06-28
WO2006115912A2 (en) 2006-11-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20080040624A (ko) 크레인에서 위치설정을 향상시키고 케이블의 흔들림을감소시키는 데에 적용되는 다중상태 제어를 위하여 피드백및 명령이 조합된 쉐이핑 제어기
Ramli et al. Control strategies for crane systems: A comprehensive review
US5785191A (en) Operator control systems and methods for swing-free gantry-style cranes
Sorensen et al. A controller enabling precise positioning and sway reduction in bridge and gantry cranes
Sun et al. Nonlinear antiswing control of offshore cranes with unknown parameters and persistent ship-induced perturbations: Theoretical design and hardware experiments
Sun et al. A new antiswing control method for underactuated cranes with unmodeled uncertainties: Theoretical design and hardware experiments
Lee Modeling and control of a three-dimensional overhead crane
KR100876451B1 (ko) 작업자의 명령 하에서의 크레인 요동 방지 제어
Singhose et al. Input shaped control of a planar gantry crane with hoisting
US9878885B2 (en) Crane controller
US5961563A (en) Anti-sway control for rotating boom cranes
US8235229B2 (en) Methods and systems for double-pendulum crane control
Jolevski et al. Model predictive control of gantry/bridge crane with anti-sway algorithm
KR20110004776A (ko) 로드 케이블에 매달린 하물을 취급하기 위한 크레인
Agostini et al. Generating swing-suppressed maneuvers for crane systems with rate saturation
US11858786B2 (en) Systems and methods for dampening torsional oscillations of cranes
Hong et al. Input shaping and VSC of container cranes
Kim et al. Dual stage trolley control system for anti-swing control of mobile harbor crane
CN102701076A (zh) 六自由度起重吊装协作柔索并联构型装备控制装置及方法
Gustafsson et al. Automatic control of unmanned cranes at the Pasir Panjang terminal
Won et al. Comparative study of energy-based control design for overhead cranes
Zavodni et al. Actual trends in crane automation: Directions for the future
Kłosiński et al. The impact of the FLC controller’s settings on the precision of the positioning of a payload transferred by a mobile crane
Lin et al. A novel PID control parameters tuning approach for robot manipulators mounted on oscillatory bases
Khandakji et al. Parabolic angle-based anti-sway control for container cranes with limited dynamic loads

Legal Events

Date Code Title Description
N231 Notification of change of applicant
N231 Notification of change of applicant
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
NORF Unpaid initial registration fee