KR20180130461A - 리프팅 장치의 하중-조작 요소의 회전 요동을 댐핑하기 위한 방법 - Google Patents

리프팅 장치의 하중-조작 요소의 회전 요동을 댐핑하기 위한 방법 Download PDF

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마틴 슈타우덱커
제이. 토마스 프라우셔
랄프 스콧?크
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비＆알 인더스트리얼 오토메이션 게엠베하
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Abstract

본 발명은 리프팅 장치(1)의 하중-조작 요소(7)의 회전 요동을 댐핑하기 위한 방법에 관한 것으로서, 하나 이상의 컨트롤러 매개변수는 리프팅 높이(lH)의 함수로서 하중-조작 요소(7)의 회전 요동 모델에 의해 결정되며, 임의의 리프팅 높이(lH)에서 하중-조작 요소(7)의 회전 요동의 댐핑을 위하여, 하나 이상의 컨트롤러 매개변수는 상기 리프팅 높이(lH)에 맞춰진다.

Description

리프팅 장치의 하중-조작 요소의 회전 요동을 댐핑하기 위한 방법{METHOD FOR DAMPING ROTATIONAL OSCILLATIONS OF A LOAD-HANDLING ELEMENT OF A LIFTING DEVICE}
본 발명은 하나 이상의 컨트롤러 매개변수를 가진 댐핑 컨트롤러에 의해 리프팅 장치의 하중-조작 요소의 수직축 주위로의 회전 요동을 댐핑하기 위한 방법에 관한 것으로서, 하중-조작 요소는 3개 이상의 고정 요소에 의해 리프팅 장치의 서스펜션 요소에 연결되며, 서스펜션 요소와 하중-조작 요소 사이의 하나 이상의 고정 요소의 길이는 하나 이상의 고정 요소에 작동하는 액츄에이터로 댐핑 컨트롤러에 의해 조절된다.
리프팅 장치, 특히 크레인이 다양한 실시예들에 제공되며 다양한 적용 분야에서 사용된다. 예를 들어, 지면 위아래의 건설에서 주로 사용되는 타워 크레인이 있으며, 예컨대, 윈드 터빈(wind turbine)을 조립하기 위한 모바일 크레인(mobile crane)이 있다. 브릿지 크레인(bridge crane)이 사용되며, 예를 들어, 공장 빌딩에서 인도어 크레인(indoor crane)이 사용되며, 예를 들어, 항만에서 선박으로부터 레일 또는 트럭으로 환적하거나 또는 환적을 위한 화물 스테이션에서 레일로부터 트럭으로 환적하기 위해 물품의 다수연계(intermodal) 환적(transshipment)을 위한 환적 설비에서 선박 컨테이너를 조작하기 위한 갠트리 크레인이 사용된다. 이러한 물품들은 주로 수송을 위해, 3개의 수송 모드, 즉 도로, 철도, 및 해상 수송에 적합한 표준 컨테이너 즉 "ISO 컨테이너"에 보관된다. 갠트리 크레인의 작동 모드 및 구조는 잘 알려져 있으며, 예를 들어, "선박으로부터 해안가 크레인"에 대해 설명하고 이는 US 2007/0289931 A1호에 기술되어 있다. 이러한 크레인은 상부에 붐이 배열된 지지 구조물 또는 갠트리를 가진다. 휠(wheel)에 의해, 갠트리는 트랙 상에서 이동 가능하게 배열되며(movably arranged), 예를 들어, 한 방향으로 이동될 수 있다. 붐은 갠트리에 고정 연결되며, 트롤리(trolley)가 붐에 배열된다. 트롤리는 붐을 따라 이동될 수 있다. 화물, 가령, ISO 컨테이너를 들어올리기 위하여, 트롤리는 4개의 케이블(cable)로 하중-조작 요소, 즉 "스프레더(spreader)"에 연결된다. 스프레더는, 컨테이너를 들어올리고 조작하기 위하여, 케이블 윈치(cable winch)에 의해, 여기서는, 각각 2개의 케이블에 대해 2개의 케이블 윈치에 의해 들어올려 지거나 또는 내려갈 수 있다. 스프레더는 다양한 크기의 컨테이너에 꼭 맞을 수 있다(adapted).
물류 공정의 경제적 비용을 절감하기 위하여, 물품의 매우 신속한 환적이 요구되는데, 예를 들어, 화물 선박에 짐을 싣고 짐을 내리는데 매우 신속한 공정이 필요하고, 그에 상응하게, 하중-조작 요소와 갠트리 크레인을 이동시키기 위해 신속한 공정이 요구된다. 하지만, 이러한 신속한 이동 공정은 하중-조작 요소의 바람직하지 못한 요동(oscillation)을 발생시킬 수 있으며, 그에 따라 컨테이너가 목표 위치에 정확하게 배열될 수 없기 때문에, 조작 공정을 지연시킬 수 있다. 특히, 하중-조작 요소의 회전 요동, 즉 수직축 주위로의 요동은 불안한데(disturbing), 그 이유는 이러한 요동이 종래의 크레인으로는 크레인 운영자(crane operator)에 의해 상쇄되기가(compensate) 어렵기 때문이다. 또한, 이러한 회전 요동은 예를 들어, 바람의 영향 또는 컨테이너에 불균일한 하중(uneven load) 분포를 야기하거나 이들로 인해 더 악화될 수도 있다.
US 2007/0289931 A1호는 수직축 주위로의(비스듬(skew)) 요동 문제에 대해 기술하고 있지만, 만족스러운 해결책을 제시하지 못한다. 목표 위치로부터 하중-조작 요소의 편차(deviation)를 측정하고 트롤리로부터 하중-조작 요소의 거리를 측정하기 위하여, 광 요소(light element)들로 구성된 표적 물체(target object)가 하중-조작 요소에 제공되며 그에 상응하는 CCD 카메라가 트롤리에 제공된다. 따라서, 수직축 주위로의 각 편차(angular deviation(비스듬), 종축(리스트(list)), 및 횡단축(트림)이 결정될 수 있다. 이러한 편차를 상쇄하기 위하여, 각각의 고정 케이블(holding cable)에 대해 액츄에이터가 제공되며, 이러한 액츄에이터에 의해 고정 케이블의 길이가 변경될 수 있다. 액츄에이터는, 개별 고정 케이블이 짧아지거나 길어지고 그에 상응하는 에러도 상쇄되도록, 편차(트림, 리스트, 또는 비스듬)에 따라, 상이한 방법들로 제어된다. 이 경우, 단점은, 상기 방법이 회전 요동의 동력학(dynamics)은 고려하지 않은 채 각 에러(angular error)를 상쇄하는 공정에 불과하다는 점이다. 따라서, 상기 방법에 의해서는, 회전 요동은 상쇄될 수 없다.
DE 102010054502 A1호는 하중-조작 요소의 회전 요동을 상쇄하기 위해 고정 케이블과 하중-조작 요소 사이에 슬루잉 유닛(slewing unit)을 배열하는 방법을 제안하고 있다. 하지만, 이 방법은 매우 복잡하고 값비싸며, 슬루잉 유닛의 무게로 인해 페이로드 용량(payload capacity)이 감소되는 단점을 가진다.
문헌, Quang Hieu Ngo 등 2009, Skew Control of a quay container crane, in: Journal of Mechanical Science and Technology 23, 2009에서, 갠트리 크레인의 하중-조작 요소의 회전 요동을 상쇄하기 위한 컨트롤 방법이 제안된다. 이 경우, US 2007/0289931 A1호와 비슷하게, 케이블 길이를 변경시키기 위해 각각의 고정 케이블 상에 액츄에이터가 배열되고 광 요소가 하중-조작 요소에 배열되며, 상기 광 요소는 하중-조작 요소의 각 편차(angular deviation)를 측정하기 위해 트롤리에 배열된 CCD 카메라와 상호작동된다(interact). 하중-조작 요소의 회전 요동을 댐핑하기 위하여, 수학적 모델(mathematical model) 및 "입력-성형(input-shaping)" 컨트롤 방법이 사용된다. 상기 입력-성형 방법은 하중-조작 요소의 회전각도(angle of rotation)가 조절될 수 있게 하는 피드-포워드 컨트롤(feed-forward control) 타입의 방법이다. 이 방법으로는, 기존의 회전 요동을 댐핑할 수 없다. 또한, 입력-성형 방법에 사용되는 수학적 모델은 매우 정확해야만 하는데, 그 이유는 매개변수 편차(parameter deviation)를 상쇄할 수 없기 때문이다.
따라서, 본 발명에 의해 제기된 문제는 종래 기술의 단점을 해결하기 위한 것이다. 특히, 리프팅 장치(lifting device)의 하중-조작 요소(load-handling element)의 회전 요동(rotational oscillation)을 댐핑하기 위한 방법(damping method)을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 문제는, 하나 이상의 컨트롤러 매개변수(controller parameter)가 리프팅 높이(lifting height)의 함수(function)로서 하중-조작 요소의 회전 요동 모델(rotational oscillation model)에 의해 결정되며(determined), 임의의 리프팅 높이에서 하중-조작 요소의 회전 요동의 댐핑을 위하여, 하나 이상의 컨트롤러 매개변수가 상기 리프팅 높이에 맞춰짐(adapted)으로써, 해결된다. 이러한 간단한 방법으로 인해, 댐핑 컨트롤러의 하나 이상의 컨트롤러 매개변수를 수동으로 결정할 필요 없이도, 임의의 리프팅 높이에서, 하중-조작 요소의 회전 요동을 댐핑할 수 있게 된다. 그에 따라, 리프팅 장치의 작동 또는 하중(load)을 정확하게 배열하고 신속하게 이동시키는 과정이 현저하게 단순해져서, 시간을 절약할 수 있고, 그에 따라 생산성이 향상될 수 있다.
하중-조작 요소는 하중-조작 요소의 특정 리프팅 높이에서 여기되어(excited) 회전 요동을 발생하며, 적어도, 실제 액츄에이터 위치와 수직축 주위로의 하중-조작 요소의 실제 회전각도(angle of rotation)가 감지되어(sensed), 주어진 리프팅 높이에서 하중-조작 요소의 회전 요동 모델의 모델 매개변수(model parameter)들이 식별 방법(identification method)에 의해 식별된다. 따라서, 선택된 회전 요동의 미지수의(unknown) 모델 매개변수들은 적절한 식별 방법에 의해 결정될 수 있으며, 하중-조작 요소의 미지수의 요동 거동(oscillation behavior)이 결정되어 회전 요동을 댐핑하도록 사용될 수 있다.
바람직하게는, 하나 이상의 액츄에이터는 유압 또는 전기 작동식으로서, 표준 구성요소(standard component), 가령, 유압 실린더 또는 전기 모터 및 적절한 에너지 공급 시스템이 사용될 수 있다.
4개 이상의 고정 요소(holding element)가 하중-조작 요소와 서스펜션 요소(suspension element) 사이에 제공되면, 더 큰 하중이 조작될 수 있다.
2개 이상의 액츄에이터가 제공되며, 특히, 한 고정 요소마다 한 액츄에이터가 제공되는 것이 바람직하다. 그에 따라, 회전 요동을 댐핑하기 위한 방법을 중복적으로 구현할 수 있으며(redundancy), 안정성(reliability)이 증가되고, 작은 관성을 가진 소형 액츄에이터가 사용되어, 댐핑 컨트롤(damping control)의 응답 시간(response time)이 줄어들고, 컨트롤 성능이 향상될 수 있다.
리프팅 높이는, 하중-조작 요소 또는 서스펜션 요소에 배열된 카메라 시스템에 의해 혹은 리프팅 장치의 리프팅 드라이브(lifting drive)에 의해 측정되는 것이 바람직하다. 그에 따라, 리프팅 높이는 매우 정확하고 간단하게 감지될 수 있다.
하중-조작 요소의 회전각도는 하중-조작 요소 또는 서스펜션 요소에 배열된 카메라 시스템에 의해 측정되는 것이 바람직하다. 이러한 간단한 기술을 사용하여, 하중-조작 요소의 회전각도는 매우 정확하게 결정될 수 있다. 또한, 카메라 시스템은 상대적으로 간단하여 기존의 리프팅 장치에 용이하게 장착할 수 있다(retrofit).
한 바람직한 실시예에 따르면, 회전 요동 모델은, 3개 이상의 모델 매개변수, 특히, 동력학적 매개변수(δ), 댐핑 매개변수(ξ), 및 시스템 게인(gain) 매개변수(iβ)를 가진 2계 미분방정식(second-order differential equation)이다. 2계 미분방정식에 의해 회전 요동 시스템의 수학적 모델링을 이용하면, 실제 회전 요동을 간단하지만 정확하게 표시할 수 있다(representation).
식별 방법은 수학적 방법, 특히, 온라인 최소제곱법(online least-square method)인 것이 바람직하다. 상기 일반적인 수학적 모델을 이용하면, 모델 매개변수들은 간단하면서도 정확하게 결정될 수 있다.
댐핑 컨트롤러로서, 5개의 컨트롤러 매개변수(Kl, K1, K2, KFF, KP)를 가진 상태 컨트롤러(state controller)가 사용되는 것이 바람직하다. 그에 따라, 우수한 컨트롤 성능을 가진 신속하면서도 안정적인 댐핑 컨트롤러가 형성된다. 일체형 피드-포워드 컨트롤(컨트롤러 매개변수 KFF)에 의해, 유도 거동(guidance behavior)이 개선될 수 있으며, 적분기(integrator)(컨트롤러 매개변수 Kl)에 의해, 균일한 정확성이 구현되거나 모델 불확실성(model uncertainty)이 상쇄될 수 있다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르면, 하중-조작 요소의 목표 회전각도(desired angle of rotation)는 댐핑 컨트롤러에 특정되며(specified), 댐핑 컨트롤러는 목표 회전각도를 특정 각도 범위, 특히, -10°≤βsoll≤+10° 사이의 각도 범위에서 구현한다. 그에 따라, 하중-조작 요소의 목표 회전이 구현될 수 있으며, 하중, 가령, 컨테이너는, 정확하게 정렬되지(aligned) 않은 표적(target), 가령, 비스듬하게 정차된 트럭에 균일하게 위치될 수 있다.
감김-방지 보호장치(anti-windup protection)가 댐핑 컨트롤러에 일체형으로 구성되며(integrated), 하나 이상의 액츄에이터의 액츄에이터 한계값(actuator limit), 특히, 액츄에이터(11)의 최대/최소 허용가능한 액츄에이터 위치(szul), 최대/최소 허용가능한 액츄에이터 속도(vzul), 및 최대/최소 허용가능한 액츄에이터 가속도(azul)가 댐핑 컨트롤러에 특정되는 것이 바람직하다. 상기 "감김-방지 보호장치"에 의해, 댐핑 컨트롤러의 비안정화(destabilization)를 야기할 수 있는, 하나 이상의 액츄에이터의 허용 가능하지 않은 높은 조작 변수(manipulated variable)가 방지될 수 있다.
본 발명은, 제한하는 것이 아니라 단지 예로서, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보여주는, 도 1 내지 4를 참조하여 하기에서 보다 상세하게 설명된다. 도면에서:
도 1은 컨테이너 크레인을 포함하는 리프팅 장치의 기본 구조,
도 2a 및 2b는 회전 요동을 보여주기 위해 하중을 포함하는 하중-조작 요소,
도 3은 개략적으로 예시된 리프팅 장치의 일부분,
도 4는 댐핑 컨트롤러의 컨트롤러 구조,
도 5는 상태 예측 유닛.
도 1은 개략적으로 예시된 컨테이너 크레인(2)을 포함하는 리프팅 장치(1)의 한 예로서, 예를 들어, 항만에서 선박에 짐을 싣고 내리기 위해 사용된다. 컨테이너 크레인(2)은 일반적으로 지면에 고정 배열되거나 또는 이동 가능하게 배열된 지지 구조물(3)을 가진다. 이동 가능하게 배열된 지지 구조물의 경우, 상기 지지 구조물(3)은 가령, 예를 들어, 도 1에 개략적으로 도시된 Y 방향으로 이동하기 위해 레일 상에 배열될 수 있다. Y 방향으로의 자유도로 인해, 컨테이너 크레인(2)는 위치에 대해 유연하게 사용될 수 있다. 지지 구조물(3)은 지지 구조물(3)에 고정 연결된 붐(4)을 가진다. 일반적으로 서스펜션 요소(5)가 붐(4) 위에 배열되는데, 서스펜션 요소(5)는 붐(4)의 종방향으로, 즉 도시된 예에서는 X 방향으로 이동될 수 있다. 예를 들어, 서스펜션 요소(5)가 롤러에 의해 가이드에 장착될 수 있다. 서스펜션 요소(5)는 하중(8)을 들어올리기 위해 고정 요소(6)들에 의해 하중-조작 요소(7)에 연결된다. 컨테이너 크레인(2)의 경우, 하중(8)은 일반적인 컨테이너(9)로서, 대부분의 경우, 20, 40 또는 45 피트의 길이와 8 피트의 폭을 가진 ISO 컨테이너이다. 하지만, 나란하게 배열된 2개의 컨테이너(9)를 동시에 들어올리기에 적합한 하중-조작 요소(7)가 제공된다(듀얼 스프레더(dual spreader)). 본 발명에 따른 댐핑 방법을 위하여, 하중-조작 요소(7)의 타입과 디자인은 큰 상관이 없으며, 하중-조작 요소(7)의 임의의 실시예들이 사용될 수 있다. 고정 요소(6)들은 일반적으로 케이블(cable)로 구성되는데, 대부분의 경우, 4개의 고정 요소(6)들이 서스펜션 요소(5)에 배열되며, 그보다 더 많거나 적은 고정 요소(6)들도 제공될 수 있지만 최소한 3개 이상의 고정 요소(6)들이 제공되어야 한다. 하중(8), 가령, 컨테이너(9)를 들어올리기 위하여, 하중-조작 요소(7)와 서스펜션 요소(5) 사이의 리프팅 높이(lH)는, 리프팅 드라이브(10)(도 3 참조)에 의해 예를 들어, 도 1에 도시된 것과 같이 Z 방향으로 조절될 수 있다. 고정 요소(6)들이 케이블로서 구성되면, 리프팅 높이(lH)는 일반적으로 도 3에 개략적으로 도시된 것과 같이 하나 이상의 케이블 윈치(10a, 10b)에 의해 조절된다. 하중(8) 또는 컨테이너(9)를 조작하기(manipulate) 위하여, 리프팅 장치(1) 또는 컨테이너 크레인(2)은 3개의 축방향으로 이동될 수 있다. 신속한 이동 절차, 컨테이너(9) 내의 불균일한 하중, 또는 바람의 영향 때문에, 고정 요소(6)들에 배열된 하중-조작 요소(7) 및 하중-조작 요소(7)에 배열된 컨테이너(9)는, 도 2a 및 2b에 도시된 것과 같이, 여기되어(excited) 요동칠 수 있다.
도 2a는 4개의 고정 요소(6)들에 의해 하중(8)을 포함하는 하중-조작 요소(7)가 배열되는 서스펜션 요소(5)를 개략적으로 도시한다. 좌표계는 하중-조작 요소(7)의 자유도를 보여준다. 직선의 2중 화살표는 하중-조작 요소(7)의 가능한 이동 방향을 보여주는데, 도시된 예에서, Y 방향으로의 이동은 전체 리프팅 장치(1)의 이동에 의해 발생되며, X 방향으로의 이동은 붐(4) 상에서의 서스펜션 요소(5)의 이동에 의해 발생되고(리프팅 장치(1)와 붐(4)은 도 2a에는 도시되지 않음), Z 방향으로의 이동은 리프팅 드라이브(10)(도시되지 않음)와 고정 요소(6)들에 의해 리프팅 높이(lH)를 변경시킴으로써 발생된다. 곡선의 2중 화살표는 하중-조작 요소(7)가 각각의 축 주위로 회전할 수 있는 것을 보여준다. X축 또는 Y축 주위로의 회전은 리프팅 장치(1) 또는 컨테이너 크레인(2)의 사용자에 의해 상대적으로 용이하게 수행될 수 있어서, 여기서는 상세하게 기술되지 않는다. 도 2b에 도시된 것과 같이, Z축 주위로의 회전(즉 수직축 주위로의 회전)은 매우 복잡한데, 이는, 위에서 언급한 것과 같이, 특히, Z축 주위로의 하중-조작 요소(7)의 회전 요동이 하중(7)을 특정 위치에, 예를 들어, 레일 카(rail car) 또는 트랙(track)의 카고 베드(cargo bed)에 배열하는 것을 지연시킬 수 있기 때문이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 수직축 주위로의 하중-조작 요소(7)의 이러한 회전 요동이 간단하고 신속하게 댐핑될 수 있는 방법에 제공되는데, 그에 따라, 하중(8)이 상부에 배열된 하중-조작 요소(7)의 신속한 이동 공정이 수행될 수 있어서, 물품 조작(goods manipulation)의 효율성이 증가할 수 있다. 상기 방법에 대한 상세한 설명은 도 3 및 4를 참조하여 밑에 기술된다.
물론, 도 1 내지 3에 따른 컨테이너 크레인(2)으로서 리프팅 장치(1)의 기술된 실시예는 단지 한 예로서만 제공된다는 사실을 이해해야 한다. 리프팅 장치(1)는, 예를 들어, 인도어 크레인(indoor crane), 회전 타워 크레인 또는 모바일 크레인과 같이, 본 발명에 따른 방법을 적용하기 위한 그 밖의 다른 방법으로서 구성될 수 있다. 중요한 것은, 리프팅 장치(1)의 기본적인 기능이며 리프팅 장치(1)는, 밑에서 기술되는 것과 같이, 본 발명에 따른 댐핑 방법을 수행하기 위한 핵심적인 구성요소들을 가진다는 점이다.
리프팅 장치(1)의 핵심적인 구성요소들은 도 3에 도시되는데, 이 경우, 컨테이너 크레인(2)의 구성요소들이 도시된다. 본 발명에서 핵심적인 부분들이 도시된다. 이러한 크레인의 작동 모드와 구조는 이미 기술하였으며, 잘 알려진 공지 기술이기 때문에, 더 이상 상세하게 설명할 필요가 없다. 본 발명의 한 바람직한 실시예에 따르면, 4개의 고정 요소(6a, 6b, 6c, 6d)들은 예컨대, 고강도 케이블, 보다 바람직하게는 강철 케이블로 구성될 수 있으며 하중-조작 요소(7)와 서스펜션 요소(5)(도 3에서는 점선으로 개략적으로 도시됨) 사이에 배열된다. 하중-조작 요소(7)를 Z 방향으로 올리고 내리기 위하여 즉 리프팅 높이(lH)를 조절하기 위하여, 리프팅 드라이브(10)가 제공된다. 도 3에 따른 예에서, 리프팅 드라이브(10)는 케이블 윈치(10a 및 10b)에 의해 형성되는데, 2개의 고정 요소(6a, 6c 및 6b, 6d)들은 각각의 케이블 윈치(10a, 10b) 상에 감겨 있다. 물론, 그 밖의 다른 형태의 리프팅 드라이브도 고려할 수 있다. 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위하여, 고정 요소(6)의 길이를 변경시키기 위하여 하나 이상의 고정 요소(6a, 6b, 6c, 6d) 위에 하나 이상의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)가 제공된다. 하지만, 각각의 고정 요소(6a, 6b, 6c, 6d) 위에 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)가 제공되는 것이 바람직하다. 도 3에서 볼 수 있듯이, 각각, 하나의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)를 가진 4개의 고정 요소(6a, 6b, 6c, 6d)가 리프팅 장치(1) 상에 배열되는 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 것과 같이, 리프팅 드라이브(10)의 경우, 고정 요소(6a, 6b, 6c, 6d)들은 하중-조작 요소(7) 위에 배열된 편향 롤러(deflecting roller)에 의해 안내된다(guided). 각각의 고정 요소(6a, 6b, 6c, 6d)의 자유 단부는 정지된 고정 지점(holding point), 예컨대, 서스펜션 요소(5)에 고정된다. 상기 실시예에서, 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)가 정지된 고정 지점, 예컨대, 서스펜션 요소(5)에 고정되고, 고정 요소(6a, 6b, 6c, 6d)들의 자유 단부는 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)에 고정되는 것이 바람직하다. 그 결과, 고정 요소(6a, 6b, 6c, 6d)의 길이는 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)의 조절에 의해 조절될 수 있으며, 하중-조작 요소(7)와 서스펜션 요소(5) 사이의 거리도 조절된다.
액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)는 하중-조작 요소(7)와 서스펜션 요소(5) 사이의 상응하는 고정 요소(6a, 6b, 6c, 6d)의 길이를 변경시키기 위해 댐핑 컨트롤러(12)에 의해 제어될 수 있는데, 이 경우, 하나 이상의 목표 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d) 위치(ssoll) 또는 하나의 목표 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d) 속도(vsoll)가 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)에 특정될 수 있다. 댐핑 조절을 위해, 하나 이상의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)의 적어도 실제 액츄에이터 위치(sist)는 댐핑 컨트롤러(12)(도 3에는 댐핑 컨트롤러(12)가 도시되지 않음)에 의해 캡쳐될 수 있다(captured). 예를 들어, 댐핑 컨트롤러(12)는 하드웨어 및/또는 소프트웨어 형태의 개별 구성요소들로 구성될 수 있거나 기존의 크레인 컨트롤 시스템에 구현될 수 있다. 밑에서 상세하게 기술되는 것과 같이, 하나 이상의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)는 액츄에이터 속도 및/또는 액츄에이터 위치를 변경함으로써, 하중-조작 요소(7)가 여기되어 회전 요동 하도록(도 3에서 이중 화살표로 표시됨) 댐핑 컨트롤러(12)에 의해 제어될 수 있거나, 혹은 하나 이상의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)는 하중-조작 요소(7)의 회전 요동이 댐핑되도록 제어될 수 있다.
상기 실시예에서, 바람직하게는, 회전 요동을 자극하거나(stimulate) 댐핑하기 위해, 하중-조작 요소(7)와 서스펜션 요소(5) 사이의 대각선으로 맞은편에 있는 2개의 고정 요소(6a, 6b)의 길이는 상응하는 액츄에이터(11a, 11b)에 의해 증가되고, 대각선으로 맞은편에 있는 다른 2개의 고정 요소(6c, 6d)의 길이는 상응하는 액츄에이터(11c, 11d)에 의해 감소되거나, 그 반대일 수도 있다. 하지만, 예를 들어, 하중-조작 요소(7)와 서스펜션 요소(5) 사이에 3개의 고정 요소(6)만 배열되고 오직 하나의 액츄에이터(11)는 상기 3개의 고정 요소(6) 중 하나의 길이를 변경시키기 위해 배열될 수도 있다. 하중-조작 요소(7)의 수직축 주위로의 회전 요동, 가령, 도 3에서 Z축 주위로의 회전 요동이 자극되거나 댐핑될 수 있도록, 하중-조작 요소(7)와 서스펜션 요소(5) 사이에서 하나 이상의 고정 요소(6a, 6b, 6c, 6d)의 길이가 하나 이상의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)에 의해 변경될 수 있는 것이 중요하다.
액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)는 임의의 방법으로 구현될 수 있는데, 바람직하게는 길이 조절이 사용될 수 있는 유압 또는 전기식 액츄에이터 실시예가 구현될 수 있다. 도 3에 도시된 것과 같이, 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)가 유압 실린더 형태로 사용되면, 예를 들어, 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)를 작동시키기 위한 에너지는 기존의 유압 시스템으로부터 끌어낼 수 있다. 하지만, 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)는 케이블 윈치로서 구현될 수 있으며 전기적으로 제어될 수 있는데, 작동 에너지(actuating energy)는 기존의 전력망(power grid)으로부터 끌어낼 수 있다. 하중-조작 요소(7)와 서스펜션 요소(5) 사이에서 고정 요소(6)의 길이를 변경시키기에 적합한 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)의 그 밖의 실시예들도 고려할 수 있다. 특히, 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)는, 하중(8)을 올리고 내리는 동안, 예측되는 힘(expected force)을 제어해야 한다. 특정 하중 하에서 고정 요소(6a, 6b, 6c, 6d)의 필요한 길이 변화를 구현하기 위하여, 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)는 예를 들어 추가적인 속도-변경 기어세트(gearset)를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 댐핑 방법을 수행하기 위하여, Z축(또는 수직축) 주위로의 하중-조작 요소(7)의 적어도 실제 회전각도(βist)가 감지될 수 있는데, 예를 들어, 카메라 시스템 형태의 측정 장치(14)가 제공될 수 있으며, 카메라(14a)가 서스펜션 요소(5) 상에 배열되고 카메라(14a)와 상호 작동하는(interact) 측정 요소(14b)가 하중-조작 요소(7) 상에 배열되거나, 혹은 그 반대일 수도 있다. 하지만, 실제 회전각도(βist)는 또 다른 방법으로 측정될 수 있는데, 가령, 예컨대, 자이로 센서(gyro sensor)에 의해 측정될 수 있다. 중요한 것은, 실제 회전각도(βist)를 위한 측정 신호(measurement signal)도 사용 가능하며, 상기 측정 신호는 댐핑 컨트롤러(12)에 공급될 수 있다는 점이다. 또한, 하중-조작 요소(7)와 서스펜션 요소(5) 사이의 리프팅 높이(lH)도 감지될 수 있는데, 예를 들어, 리프팅 높이(lH)는 리프팅 드라이브(10)에 의해 예를 들어 케이블 윈치(10a, 10b)의 위치 신호 형태로 감지될 수 있으며, 상기 위치 신호는 크레인 컨트롤 시스템에서 사용 가능하다. 리프팅 높이(lH)는 크레인 컨트롤 시스템으로부터 얻어질 수 있다. 하지만, 리프팅 높이(lH)는, 측정 장치(14)에 의해, 예를 들어, 실제 회전각도(βist)와 리프팅 높이(lH)를 감지할 수 있는 카메라 시스템에 의해 감지될 수 있다. 이러한 측정 장치(14)는 종래 기술에 알려져 있으며 따라서 여기서는 상세하게 논의되지 않는다.
도 4에는, 댐핑 방법의 개별 단계들이 기술된다.
도 4는 본 발명에 따른 컨트롤 구조물의 가능한 한 실시예의 블록 다이어그램을 도시한 도면으로서, 상기 컨트롤 구조물은, 개별 구성요소로서 구현될 수 있거나 바람직하게는 리프팅 장치(1)의 컨트롤 시스템 내에 구현될 수 있는 댐핑 컨트롤러(12), 및 댐핑 컨트롤러(12)에 의해 제어되는 컨트롤 시스템(15)을 포함한다. 상기 도시된 실시예에서, 댐핑 컨트롤러(12)는 상태 컨트롤러(13)로서 구현된다. 하지만, 기본적으로, 그 밖의 임의의 적절한 컨트롤러도 사용될 수 있다. 컨트롤 시스템(15)은 도 3에 기술된 시스템이다. 댐핑 컨트롤러(12)의 설정 지점(setpoint)은 하중-조작 요소(7)의 목표 회전각도(βsoll)이며 조작 변수(manipulated variable)는 하나 이상의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)의 목표 액츄에이터 위치(ssoll)이다. 대안으로, 조작 변수로서, 목표 액츄에이터 위치(ssoll) 대신에 목표 액츄에이터 속도(vsoll)가 사용될 수 있다. 이미 기술한 것과 같이, 실제 회전각도(βist)는 측정 장치(14), 예를 들어, 카메라 시스템에 의해 감지될 수 있다. 피드백(feedback)으로서, 적어도, 하중-조작 요소(7)의 감지된 실제 회전각도(βist)가 댐핑 컨트롤러(12)에 공급된다(그리고, 조작 변수로서 목표 액츄에이터 속도(vsoll)와 감지된 실제 액츄에이터 위치(sist)가 사용되는 경우). 실제 각속도(β'ist)를 추가로 감지하고 이를 댐핑 컨트롤러(12)에 공급하는 것도 고려해 볼 수 있으며, 여기서, 댐핑 제어가 추가로 향상될 수 있다. 몰론, 실제 각속도(β'ist) 또는 실제 각가속도(β"ist)는 필요 시에, 감지된 실제 회전각도(βist)로부터 유도될 수 있는데, 예를 들어, 시간에 대해 미분(derivation)함으로써, 유도될 수 있다.
요구 실제값(required actual value), 특히, 실제 회전각도(βist) 및 시간에 대한 그 도함수(derivative)들은 직접 측정될 수 있거나, 혹은, 적어도 부분적으로, 관측자(observer)에서 추정될 수 있다(estimated). 실제값, 가령, 관측자에 의해 추정된 실제 회전각도(βist)를 사용하는 데 관한 이점은 측정 장치(14)의 측정값들의 임의의 측정 소음(measurement noise)이 방지될 수 있으며, 이러한 측정 소음은 댐핑 컨트롤을 위해 바람직하지 못하다는 사실이다. 이것이 바로, 도 3에 따른 한 바람직한 실시예에서, 실제 회전각도(βist)는 측정 장치(14)에 의해 측정되지만, 그럼에도 불구하고, 추정된 실제 회전각도(β^ist)가 댐핑 컨트롤을 위해 사용(추정된 실제 각속도(β^'ist)도 사용될 수 있음, 도 5 참조)되는 이유이다. 이 경우, 임의의 적절하고 잘 알려져 있는 관측자, 가령, 요구 실제값의 추정값들을 결정하는 칼만 필터(Kalman filter)도 사용될 수 있다. 밑에서, 추정값(estimated value)들은 필요 시에 마크(^)로 표시된다.
하지만, 컨트롤러 구조는 본 발명에 따른 댐핑 방법을 위한 2차적인 것이며, 기본적으로는, 임의의 적절한 컨트롤러도 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 그 뒤, 요구 실제값들은, 구현하려는 목적에 따라, 측정값 또는 추정값들로서 댐핑 컨트롤러(12)에 공급된다.
댐핑 컨트롤러(12)는 하나 이상의 컨트롤러 매개변수(controller parameter), 바람직하게는 5개의 컨트롤러 매개변수를 가진다. 하나 이상의 컨트롤러 매개변수에 의해, 컨트롤 특성들은, 예를 들어, 응답 거동(response behavior), 동력학(dynamics), 오버슈팅(overshoot), 댐핑 등을 설정할 수 있으며, 이들 중 하나는 각각의 컨트롤러 매개변수에 의해 조절될 수 있다. 몇몇 특성들이 영향을 받으면, 상응하는 개수의 컨트롤러 매개변수들이 필요하다. 따라서, 컨트롤 시스템의 시스템 거동은 조정될 수 있다(adaptive).
적절한 댐핑 컨트롤러(12)를 디자인하기 위하여, 컨트롤 시스템 즉 기술적 시스템이 제어될 수 있으며(예컨대, 도 3에 도시된 것과 같이), 우선, 모델링되어야 한다(modeled). 이 경우, Z축 주위로의 하중-조작 요소(7)의 회전 요동 거동은 회전 요동 모델(rotational oscillation model), 예를 들어, δβ"+ξβ'+β=iβs 형태의 2계 미분방정식에 의해 모델링된다. 이러한 회전 요동 모델의 3개 모델 매개변수는 동력학적 매개변수(δ), 댐핑 매개변수(ξ), 및 시스템 게인 매개변수(iβ)이며, 이들은 예를 들어,
Figure pat00001
및
Figure pat00002
로 정의되며, 여기서, Jβ는 하중(8)과 함께 하중-조작 요소(7)의 질량 관성모멘트, cβ는 스프링 상수, 그리고, dβ는 요동 시스템의 댐핑 상수이다. 스프링 상수 cβ는 리프팅 높이(lH)에 따라 모델링된다.
이러한 회전 요동 모델은 단지 한 예로서 이해하면 된다. 실제 회전 요동을 모델링하거나 근사화할 수 있는 그 밖의 회전 요동 모델도 사용될 수 있다.
회전 요동 모델의 모델 매개변수, 가령, 예를 들어, δ, ξ, 및 iβ는 제공될 수 있지만 일반적으로는 미지수이다. 따라서, 모델 매개변수는 제1 단계에서 식별 방법(identification method)에 의해 식별될 수 있다. 이러한 식별 방법들은 Isermann, R.: Identifikation dynamischer Systeme, 2판, Springer-Verlag, 1992 또는 Ljung, L.: System Identification: Theory for the User, 2판, Prentice Hall, 2009과 같은 문헌에 잘 알려져 있으며, 따라서, 여기서는 논의되지 않는다. 식별 방법들에 공통적인 것은, 식별되어야 하는 시스템이 입력 함수(예컨대, 스텝 함수)로 여기되며(excited), 출력 변수(output variable)는 감지되고 모델의 출력 변수와 비교된다는 것이다. 그 뒤, 모델 매개변수는 모델에 의해 계산된 출력 변수와 측정 출력 변수 간의 에러(error)를 최소화시키기 위해 변경된다. 필요한 식별을 위해, 댐핑 컨트롤러(12)는 상부에 배열된 하중(8)으로 하중-조작 요소(7)를 여기시켜 특정 리프팅 높이(lH)에서 Z축 주위로 회전 요동할 수 있도록 사용될 수 있다. 이를 위하여, 개별 여기 컨트롤러, 예를 들어, 뱅-뱅 컨트롤러(bang-bang controller) 형태의 컨트롤러가 댐핑 컨트롤러(12) 내에 구현될 수 있다. 뱅-뱅 컨트롤러에 의해, 하나 이상의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d))는, 예를 들어, 하중-조작 요소(7)의 실제 회전각도(βist)에 따른 최대 가능 목표 액츄에이터 속도(vsoll)로 제어된다. 이는, 예를 들어, 하나 이상의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d))는 하중-조작 요소(7)의 회전각도(βist)≥0°에서 최대 가능 음의(negative) 액츄에이터 속도(v)로 제어되며, 하나 이상의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d))는 하중-조작 요소(7)의 회전각도(βist)≤0°에서 최대 가능 양의(positive) 액츄에이터 속도(v)로 제어되는 것을 의미한다. 도 3에 따른 리프팅 장치(1)의 한 실시예에서, 4개의 고정 요소(6a, 6b, 6c, 6d)와 4개의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)는 서로 상호작동하며, 여기(excitation)는 반대로 발생하는 것이 바람직한데, 예를 들어, 액츄에이터(11a, 11b)는 최대 가능 양의 액츄에이터 속도(v)로 제어되고, 액츄에이터(11c, 11d)는 최대 가능 음의 액츄에이터 속도(v)로 제어되거나, 혹은 그 반대일 수 있다. 회전 요동의 여기는 하중-조작 요소(7)의 임의의 고정된 리프팅 높이(lH)에서 발생될 수 있다. 하중-조작 요소(7)의 자극된(stimulated) 회전 요동으로부터, 댐핑 컨트롤러(12)는, 식별 방법에 의해 하나 이상의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)의 감지된 실제 액츄에이터 위치(sist)와 하중-조작 요소(7)의 감지된 실제 회전각도(βist)에 따라 특정 리프팅 높이(lH)에서 구현된 회전 요동 모델의 모델 매개변수를 결정한다. 상기 회전 요동 모델의 경우, 동력학적 매개변수(δ) 및 댐핑 매개변수(ξ)가 먼저 결정되고, 그 후에, 시스템 게인 매개변수(iβ)가 하나 이상의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)의 정지상태(standstill)에서 결정되는 것이 바람직하다(실제 액츄에이터 속도(vist)=0). 본 발명의 한 실시예에 따르면, 모델 매개변수를 식별하기 위하여, 식별 방법으로서, 수학적 온라인 최소제곱법(mathematical online least-square method)이 사용되지만, 그 밖의 방법들, 가령, 오프라인(offline) 최소제곱법 또는 최적화-기반 방법(optimization-based method)도 고려해 볼 수 있다.
알려져 있는(이미 알려져 있거나 또는 식별된) 모델 매개변수를 이용하면, 댐핑 컨트롤러(12)는 회전 요동 모델로 디자인될 수 있다. 이를 위하여, 적절한 컨트롤러, 가령, PID 컨트롤러 또는 상태 컨트롤러가 선택된다. 각각의 컨트롤러는 다수의 컨트롤러 매개변수(Kk, 여기서 k≥1)를 가지는데, 이 컨트롤러 매개변수는 목표 컨트롤 거동 결과를 구현하도록 컨트롤러 디자인 방법에 의해 설정되어야 한다. 이러한 컨트롤러 디자인 방법도 잘 알려져 있으며 그에 따라 여기서는 기술되지 않는다. 주파수 응답 방법(frequency response method), 루트-로커스 방법(root-locus method), 극 배치(pole placement)에 의한 컨트롤러 디자인, 및 리카티 방법(Riccati method)은 예로서 언급되며, 그 외에도 많은 다른 방법들이 존재한다. 하지만, 특정 컨트롤러 구조 또는 특정 컨트롤러 디자인 방법도 본 발명에서는 중요한 것이 아니다. 본 발명을 위한 목표로서, 목표 컨트롤 거동도 선택될 수 있으며, 안정성 기준(stability criteria) 및 그 밖의 경계 조건들도 고려해야 한다. 본 발명을 위해서, 컨트롤러 매개변수들은 리프팅 높이(lH)에 따라 정의되는 것이 중요하다. 이 또한 매우 다양한 방법들로 구현될 수 있다.
상이한 리프팅 높이(lH)를 위해 모델 매개변수를 식별하고 각각의 상이한 리프팅 높이(lH)를 위해 컨트롤러 매개변수(Kk)를 결정하는 것도 고려해 볼 수 있다. 이러한 방법으로, 리프팅 높이(lH)에 따른 컨트롤러 매개변수(Kk)의 특성 곡선(characteristic curve) 또는 리프팅 높이(lH) 및 그 밖의 변수, 가령, 질량 관성모멘트(Jβ)에 따른 특성 맵(characteristic map)도 형성될 수 있다. 이는 매우 복잡하고 비실용적일 수 있다. 따라서, 댐핑 컨트롤러(12)의 컨트롤러 매개변수(Kk)는, 적어도 리프팅 높이(lH) 및 선택적으로는 그 밖의 모델 매개변수의 함수로서, 공식에 의한 관계식으로서 특정되는 것이 바람직하며, 따라서, 예를 들어, Kk　=　f(lH) 또는 Kk　=　f(lH, …)이다. 따라서, 컨트롤러 매개변수(Kk)는 오직 한 리프팅 높이(lH)를 위해 정의되어야 하고 간단한 방법으로 그 밖의 리프팅 높이(lH)로 변환될 수 있어야 한다. 하지만, 공식에 의한 관계식으로부터 오프라인의 상이한 리프팅 높이(lH)를 위한 컨트롤러 매개변수(Kk)를 계산하고 그로부터 특성 곡선 또는 특성 맵을 생성할 수 있으며 그 다음에 사용할 수도 있다.
댐핑 컨트롤을 위하여, 컨트롤러 매개변수(Kk)는, 예를 들어, 계산에 의해 또는 특성 맵에서 읽은 값으로부터, 컨트롤의 각각의 시간 증분(time increment)에서 현재의 리프팅 높이(lH)로 맞춰질 수 있다(adapted). 그 뒤, 댐핑 컨트롤러(12)는 상기 맞춰진 컨트롤러 매개변수(Kk)를 사용하여 조작 변수를 결정할 수 있으며, 이 조작 변수는 하나 이상의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)에 의해 설정된다. 컨트롤러 매개변수(Kk)는 하중-조작 요소(7)의 회전 요동이 임의의 리프팅 높이(lH)에서 최적으로 댐핑될 수 있도록 현재의 리프팅 높이(lH)에 맞춰진다.
특히, 하중-조작 요소(7)를 가진 리프팅 장치(1)의 경우, 상이한 하중(8), 가령, 예컨대, 상이한 크기를 가진 컨테이너를 위해 상이한 하중-조작 요소(7) 또는 크기가 조절될 수 있는 하중-조작 요소(7)를 사용하는 것이 일반적이다. 이는, 질량 관성모멘트(Jβ)에 직접 영향을 미친다. 따라서, 상기 절차는 상이한 하중-조작 요소(7)에 대해 수행될 수 있다. 상이한 컨트롤러 매개변수(Kk)는 상이한 하중-조작 요소(7)를 위해 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 특정 실시예로 밑에 설명된다. 위에 기술한 것과 같이, δβ"+ξβ'+β=iβs 형태의 회전 요동 모델이 사용된다. 위에 기술된 것과 같이, 특정 리프팅 높이(lH)를 위해, 회전 요동 모델의 모델 매개변수, 가령, 예컨대, δ, ξ 및 iβ가 식별된다. 댐핑 컨트롤러(12)를 위한 컨트롤러 구조로서, 도 4에 도시된 것과 같이, 상태 컨트롤러(13)가 사용되는데, 이는 상태 컨트롤러의 우수한 컨트롤 성능(control performance) 때문이다. 컨트롤러 매개변수로서 5개의 매개변수(Kl, Kp, K1, K2, KFF)가 제공된다. 상태 컨트롤러(13)의 디자인을 위하여, 컨트롤 되어야 하는 시스템은, 예를 들어, 다음과 같이, 컨트롤 시스템(15)으로서 회전 요동 모델에 의해 제공된 상태 공간(state space)이 된다.
Figure pat00003
시스템 상태로서, 액츄에이터 위치(s), 회전각도(β), 각속도(β'), 및 목표 회전각도(βsoll)와 실제 회전각도(βist) 사이의 편차(eβ)가 사용된다. 컨트롤러 매개변수(Kk)는 리프팅 높이(lH)의 함수로서 정의되며, 다음과 같이 모델 매개변수
Figure pat00004
및
Figure pat00005
에서 찾아볼 수 있다. d0는 폐회로 컨트롤 루프의 댐핑 상수이며 즉 거의 댐핑되지 않은 시스템(nearly undamped system)이 댐핑 컨트롤러(12)에 의해 댐핑 시스템으로 변환된다(converted). 매개변수(ωi)는 동력학적 특성을 결정하며 컨트롤 루프의 응답 거동은 식별되어야 하는 회전 요동 모델의 시스템 성질에 연결된다(지수 i≥0은 댐핑 컨트롤러의 매개변수 개수를 나타내는 것으로서, 상기 예에서는, 매개변수(ω0, ω1, ω2)가 있다). 댐핑 상수(d0)와 매개변수(ω1)는 사전-매개변수화되거나(pre-parameterized) 혹은 사전결정되는 것이 바람직하지만, 필요 시에 사용자에 의해 변형될 수도 있다(adapted).
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
댐핑 컨트롤러(12)에서, 상태 컨트롤러(13)의 컨트롤러 매개변수는 현재의 리프팅 높이(lH)에 의해 계산되며 컨트롤의 각각의 시간 증분마다 컨트롤의 기본으로 사용된다. 따라서, 하중-조작 요소(7)의 회전 요동은 리프팅 공정 동안 효율적으로 댐핑될 수 있는데, 이는 댐핑 컨트롤러(12)가 자동으로 현재 리프팅 높이(lH)로 맞춰지기 때문이다.
컨트롤의 조작 변수로서, 댐핑 컨트롤러(12)는 하나 이상의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)를 위한 액츄에이터 속도(vsoll) 또는 설정되어야 하는 액츄에이터 위치(ssoll)를 결정하고 인터페이스(16)에서 이들을 출력할 수 있다. 이를 위하여, 댐핑 컨트롤러(12)는, 인터페이스(17)를 통해, 하중-조작 요소(7)의 실제 회전각도(βist) 및 하나 이상의 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)의 실제 위치(sist)와 같은 요구 실제값을 수용한다. 시간에 대한 실제 회전각도(βist)의 도함수는 댐핑 컨트롤러(12)에서 결정되거나 측정될 수 있다.
대안으로, 하드웨어 및/또는 소프트웨어 형태의 상태 추정 유닛(20)(도 5)이 제공될 수 있는데, 이는 댐핑 컨트롤러(12)의 요구 입력 변수들을 위한 추정값들을 결정하며, 여기서는, 예를 들어, 측정된 실제값, 가령, 예컨대, 하중-조작 요소(7)의 실제 회전각도(βist)로부터 추정 실제 회전각도(β^ist) 및 추정 실제 각속도(β^'ist)를 결정할 수 있다. 이러한 상태 추정 유닛(20)은 예를 들어 잘 알려져 이는 칼만 필터로서 구현될 수 있다. 또한, 이를 위해 상태 추정 유닛(20)에서 회전 요동 모델이 사용될 수도 있다.
하중-조작 요소(7)의 목표 회전각도(βsoll)가 댐핑 컨트롤러(12)에 특정되며 댐핑 컨트롤러(12)에 의해 얻어진다. 일반적으로, 목표 회전각도(βsoll)는 0으로 특정되고, 그에 따라 정의된 제로(0) 위치에 대한 회전 요동이 반대로 작동된다(counteracted). 하지만, 그로부터 유도된 목표 회전각도(βsoll)가 특정될 수 있으며, 하중-조작 요소(7)는 댐핑 컨트롤러(12)에 의해 리프팅 장치(1)에 무관하게 상기 각도로 제어되며 상기 각도 주위로 회전 요동은 댐핑된다. 예를 들어, 하중(8), 가령, 컨테이너(9)는 특정 각도 범위로 회전될 수 있으며 예를 들어 부정확하게 위치된 트럭(truck)의 카고 베드(cargo bed)에 적재된다(loaded). 이를 위하여, 하중-조작 요소(7)가 수직축 주위로 회전하기 위해 추가적인 장치는 필요 없다. 리프팅 장치(1)와 리프팅 장치의 구성요소들의 크기 및 디자인에 따라, 하중-조작 요소(7)의 회전각도(β)가 댐핑 컨트롤러(12)에 의해, 예를 들어, ±10°의 범위에 설정될 수 있다.
한 바람직한 실시예에 따르면, 감김-방지 보호장치(anti-windup protection)가 댐핑 컨트롤러(12)에 일체형으로 구성되는데(integrated), 하나 이상의 액츄에이터(11)의 액츄에이터 한계값(actuator limit), 보다 구체적으로는, 액츄에이터(11)의 최대/최소 허용가능한 액츄에이터 위치(szul), 최대/최소 허용가능한 액츄에이터 속도(vzul), 및 최대/최소 허용가능한 액츄에이터 가속도(azul)가 댐핑 컨트롤러(12)에 특정된다. 상기 일체형으로 구성된 감김-방지 보호장치에 의해, 댐핑 컨트롤러(12)는 리프팅 장치(1)의 하나 이상의 사용가능한 액츄에이터(11)의 디자인에 꼭 맞을 수 있다(adapted). 하중-조작 요소(7)의 회전 요동을 댐핑하기 위하여, 댐핑 컨트롤러(12)는 하나 이상의 액츄에이터(11)의 조작 변수, 가령, 목표 액츄에이터 속도(vsoll)를 계산한다. 상기 목표 액츄에이터 속도(vsoll)가 최대 허용가능한 액츄에이터 한계값, 가령, 액츄에이터 속도(vzul)를 초과하면, 목표 액츄에이터 속도(vsoll)는 상기 최대 허용가능한 액츄에이터 속도(vzul)에 제한된다. 액츄에이터 한계값 또는 감김-방지 보호장치 없이도, 예를 들어, 댐핑 컨트롤러(12)는 과도하게 높은 목표 액츄에이터 속도(vsoll)를 계산할 수 있는데, 이렇게 과도하게 높은 목표 액츄에이터 속도(vsoll)는 그 디자인으로 인해 하나 이상의 액츄에이터(11)가 따라갈 수 없다. 이에 따라 컨트롤 에러(control error)가 발생될 수 있으며, 댐핑 컨트롤러(12), 특히, 댐핑 컨트롤러(12)에 일체형으로 구성된 적분기(integrator)는, 조작 변수, 예컨대, 목표 액츄에이터 속도(vsoll)가 추가로 증가된다는 점에서, 상기 컨트롤 에러를 상쇄하려 할 것이다(compensate). 댐핑 컨트롤러(12)의 비안정화(destabilization)를 야기시킬 수 있는, 이러한 댐핑 컨트롤러(12) 또는 특히, 댐핑 컨트롤러(12)에 일체형으로 구성된 적분기(integrator)는 일체형으로 구성된 감김-방지 보호장치에 의해 안정적으로 방지될 수 있다. 뿐만 아니라, 목표 액츄에이터 속도(vsoll)로부터, 목표 액츄에이터 가속도(asoll)가 계산될 수 있으며 상응하는 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d))의 최대/최소 허용가능한 액츄에이터 가속도(azul)와 비교될 수 있다. 상기 최대/최소 허용가능한 액츄에이터 가속도(azul)가 초과되면, 목표 액츄에이터 속도(vsoll)의 한계를 고려할 수 있다. 따라서, 댐핑 컨트롤러에서, 액츄에이터(11a, 11b, 11c, 11d)의 상이한 크기 및 실시예가 고려될 수 있으며, 본 방법은 매우 다양한 리프팅 장치(1)에 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 하나 이상의 컨트롤러 매개변수를 가진 댐핑 컨트롤러(12)에 의해 리프팅 장치(1)의 하중-조작 요소(7)의 수직축 주위로의 회전 요동을 댐핑하기 위한 방법으로서, 하중-조작 요소(7)는 3개 이상의 고정 요소(6)에 의해 리프팅 장치(1)의 서스펜션 요소(5)에 연결되며, 서스펜션 요소(5)와 하중-조작 요소(7) 사이의 하나 이상의 고정 요소(6)의 길이는 하나 이상의 고정 요소(6)에 작동하는 액츄에이터(11)로 댐핑 컨트롤러(12)에 의해 조절되는, 회전 요동 댐핑 방법에 있어서,
    하나 이상의 컨트롤러 매개변수는 리프팅 높이(lH)의 함수로서 하중-조작 요소(7)의 회전 요동 모델에 의해 결정되며,
    임의의 리프팅 높이(lH)에서 하중-조작 요소(7)의 회전 요동의 댐핑을 위하여, 하나 이상의 컨트롤러 매개변수는 상기 리프팅 높이(lH)에 맞춰지는 것을 특징으로 하는 회전 요동 댐핑 방법.
  2. 제1항에 있어서, 하중-조작 요소(7)는 하중-조작 요소(7)의 특정 리프팅 높이(lH)에서 여기되어 회전 요동을 발생하며, 이와 동시에, 적어도, 실제 액츄에이터 위치(sist)와 수직축 주위로의 하중-조작 요소(7)의 실제 회전각도(βist)가 감지되어, 주어진 리프팅 높이(lH)에서 하중-조작 요소(7)의 회전 요동 모델의 모델 매개변수들이 식별 방법에 의해 식별되는 것을 특징으로 하는 회전 요동 댐핑 방법.
  3. 제1항에 있어서, 하나 이상의 액츄에이터(11)는 유압 또는 전기 작동식인 것을 특징으로 하는 회전 요동 댐핑 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 4개 이상의 고정 요소(6)가 하중-조작 요소(7)와 서스펜션 요소(5) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 회전 요동 댐핑 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 액츄에이터(11)가 제공되며, 특히, 한 고정 요소(6)마다 한 액츄에이터(11)가 제공되는 것을 특징으로 하는 회전 요동 댐핑 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 리프팅 높이(lH)는, 하중-조작 요소(7) 또는 서스펜션 요소(5)에 배열된 카메라 시스템(14)에 의해 혹은 리프팅 장치(1)의 리프팅 드라이브(10)에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 회전 요동 댐핑 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 하중-조작 요소(7)의 실제 회전각도(βist)는 하중-조작 요소(7) 또는 서스펜션 요소(5)에 배열된 측정 장치(14)에 의해 측정되며, 바람직하게는 자이로 센서 또는 카메라 시스템에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 회전 요동 댐핑 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 회전 요동 모델은, 3개 이상의 모델 매개변수, 특히, 동력학적 매개변수(δ), 댐핑 매개변수(ξ), 및 시스템 게인 매개변수(iβ)를 가진 2계 미분방정식인 것을 특징으로 하는 회전 요동 댐핑 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 식별 방법은 수학적 방법, 특히, 온라인 최소제곱법인 것을 특징으로 하는 회전 요동 댐핑 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 댐핑 컨트롤러(12)는 바람직하게는 5개의 컨트롤러 매개변수(Kl, K1, K2, KFF, KP)를 가진 상태 컨트롤러인 것을 특징으로 하는 회전 요동 댐핑 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 하중-조작 요소(7)의 목표 회전각도(βsoll)는 댐핑 컨트롤러(12)에 특정되며, 댐핑 컨트롤러(12)는 하중-조작 요소(7)의 목표 회전각도(βsoll)를 특정 각도 범위, 특히, -10°≤βsoll≤+10° 사이의 각도 범위에서 구현하는 것을 특징으로 하는 회전 요동 댐핑 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 감김-방지 보호장치가 댐핑 컨트롤러(12)에 일체형으로 구성되며, 하나 이상의 액츄에이터(11)의 액츄에이터 한계값(actuator limit), 특히, 액츄에이터(11)의 최대 허용가능한 액츄에이터 위치(szul), 최대 허용가능한 액츄에이터 속도(vzul), 및 최대 허용가능한 액츄에이터 가속도(azul)가 댐핑 컨트롤러(12)에 특정되는 것을 특징으로 하는 회전 요동 댐핑 방법.
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