KR960006838B1 - 무인천정크레인의 앤티스윙 자동제어 시스템 - Google Patents

무인천정크레인의 앤티스윙 자동제어 시스템 Download PDF

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Abstract

내용 없음

Description

무인천정크레인의 앤티스윙 자동제어 시스템(ANTI -SWING AUTOMATIC CONTROL SYSTEM)
제 1 도는 일반적인 천정크레인의 외형과 운전상태의 개략도,
제 2 도는 천정크레인의 작업동작도,
제 3 도는 본 발명에 따른 천정크레인의 모델링 도면,
제 4 도는 본 발명의 속도 패턴 발생기의 블럭선도,
제 5 도는 본 발명의 전체적인 제어 시스템의 블럭선도,
제 6 도는 본 발명에 따른 시스템에서 최적의 속도 패턴을 구현시킨 도면,
제 7 도는 본 발명중 퍼지 논리 조절기의 블럭 선도,
제 8 도는 본 발명의 퍼지화 인터페이스창치에서 싱글톤 방법에 의한 퍼지화 도면,
제 9 도는 비퍼지화 인터페이스의 입력에 대한 제어 출력값의 그래프,
제10도는 본 발명의 전체 구성도,
제11도는 본 발명에 따른 천정크레인이 설치된 구성도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 속도 패턴 발생기 20 : 비교기,
30 : 크레인 모터 40 : 퍼지논리 조절기,
50 : 비교기 60 : 조절기,
70 : 크레인 운동
본 발명은 천정크레인을 사용하여 물체를 이송시킬때에 로프에 매달린 이송물체의 흔들림을 방지(ANTI-SWING)하기 위하여 척절한 속도패턴을 산출하고 제어하는 무인천정 크레인의 앤티스윙 자동제어 시스템에 관한 것이다.
최근들어 공장이나 현장에서 자동화를 실현하기 위한 많은 노력으로 공정의 자동화가 이루어지고 있는데, 이중 운송수단인 천정크레인은 로프를 이용하여 중량의 물체를 지점간에 이송시키게 되며 그 외형과 운전상태는 제1도와 같다.
이러한 천정크레인의 작업동작은 제2도와 같아서, A구간에서 운반물체를 집는 픽킹(PICKING), 적정높이까지 들어올리는 호이스팅(HOISTING), 목적위치까지 이송시키는 트레블링(TRAVELLING), E구간에서 원하는 위치에 내려놓는 로워링(LOWERING) 및 안착시키는 플레이싱(PLACING)으로 구분하며, 특히, 트레블링에서는 작업구간인 B, C, D의 이송구간이 가속·정속·감속·정지·보정구간으로 나뉘어진다.
따라서, 일반적인 천정크레인을 사용하여 물체를 이송시킬 때에 가장 문제가 되는 것은 지정위치에 정지시켰을 때 로프에 매달린 물체의 진동(SWING)이다.
즉, 물체의 진동으로 인하여 정확한 위치에 물체를 내려놓기 어려우며, 작업자는 자신의 숙련된 기술과 경험으로 크레인을 조종하여 물체의 진동을 감쇠시키게 되므로 작업시간의 지연은 물론, 무인화가 아니면 정확한 제어가 곤란하여 작업시간 지연과 위험이 따르는 단점이 있었다.
본 발명은 상기한 천정크레인의 작업 한계를 극복한 무인천정 크레인의 앤티스윙 자동제어 시스템을 개발한 것으로, 이를 위해 천정크레인의 속도 패턴에 따라 최적의 속도 패턴을 산출, 퍼지 제어원리로 제어하는속도 패턴 발생기 및 퍼지논리 조절기를 개발하고, 이에 수반되는 하드웨어와 소프트웨어를 구성하여 천정크레인의 진동을 거의 발생시키지 않는 앤티스윙 자동제어 시스템을 개발하였다.
이하에는 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구성과 작동 및 효과에 대해 도면과 더불어 상세히 설명한다.
제3도는 천정크레인의 모델링 도면으로, 천정크레인의 운동을 라그랑쥐(LAGRANGE)의 운동방식에 의해 모델링하면 ①식이 된다.
L=W-P ………………………………………………………………①
여기서, W=시스템의 운동에너지,
P=시스템의 위치 에너지이다.
또한
………………………………………………………………②
여기서, θ : 진동각도.
: 진동 각 가속도,
a : 트롤리의 수평가속도,
g : 중력가속도,
ι : 로프의 길이이다.
따라서, 시스템 모델은
여기서,: 트롤리의 속도,
θ : 각도
ι : 로프의 길이
g : 중력 가속도이다.
따라서, 천정크레인의 진동은 크레인의 가속도에 영향을 받음을 알 수 있고, 결국 크레인의 속도를 제어함으로써 진동을 최소화시키면서 목표위치까지 이동시킬 수 있는 것이다.
제4도는 속도 패턴 발생기의 블럭선도이며, 천정크레인을 이용하여 물체를 한 지점에서 목표 위치까지 이동시킬 때 이 속도패턴 발생기에서 정해진 속도패턴에 따라 이송시키게 된다.
이때 사용되는 속도패턴을 생성하는 속도 패턴 발생기(l0)는 천정크레인의 최고 가속도(Amax), 최고속도(Vmax), 진동하는 물체의 주기(T), 그리고 원하는 이동 위치(Pd)를 감안하여 적합한 속도패턴을 구성하고, 그 속도 프로파일에 의해 크레인의 모터를 제어하는 구조이다.
비교기(20)에서는 실제 크레인 모터(30)의 피드백(feed back)된 위치 신호와 속도 패턴 발생기(10)에서 출력되는 위치를 비교하여 크레인 모터를 제어한다.
또한, 정속구간 및 도착후(무진동 구간)에서의 진동을 보정하기 위하여 퍼지 논리 조절기를 적용시킨 전체적인 제어 시스템의 블럭선도가 제5도에 도시되어 있다.
즉, 한 지점에서 목포위치까지 이동될때, 정해진 속도패턴에 의해 계산되어지는 위치 데이터를 발생시키는 속도패턴 발생기(10)와, 크레인운동(70)으로부터 진동각도(θ), 진동각속도신호를 감지하여 퍼지규칙(402)에 근거한 제어 알고리즘을 이용하여 진동을 보정해주는 퍼지논리 조절기(40), 상기 속도패턴발생기(10)의 출력에서 상기 퍼지논리조절기(40)의 출력과 크레인 모터(30)의 위치(P)신호를 비교하는 비교기(50), 조절기(60), 크레인 모터(30) 및, 크레인동력학(70)으로 구성된다.
제6도는 천정크레인의 운전 구간에서 B, C, D의 이송구간을 가속·최고속(정속)·감속으로 구분했을때 본 발명에 따른 시스템에서 최적의 속도 패턴을 구현시킨 도면으로, 가속구간(B)에서 트롤리(TROLLEY)가 최고속도가 될때 진동각도(θ)를 0o로 되게하면 정소구간(C) 동안 각속도가 0이기 때문에 진동각도(θ)가0 o 를 유지한다.
감속은 역과정이므로 대칭이 된다.
제 7 도는 퍼지논리 조절기의 블럭선도로써, 퍼지화 인터페이스(401, FUZZI FICATION INTERFACE),퍼지 추론기관(FUZZY INFERENCE ENGINE), 비퍼지화 인터페이스(403, DEFUZZIFICATION INTERFACE) 및 퍼지규칙(402, FUZZ Y RULE)으로 구성되어 있다.
여기서, 퍼지화 인터페이스장치(401)는 크리스프(CRISP)한 입력값을 측정하여 퍼지한 값(FUZZY VALUE)으로 변환시켜 주는 장치이며, 제8도와 같이 싱글톤(SINGLETON)방법에 의해 퍼지화 하고, 약자 NB는 NEGATIVE BIG, NM은 NEGATIVE MEDIUM, NS는 NEGATIVE SMALL, ZE는 ZERO, PS는 POSITIVE SMALL, PM은 POSITIVE MEDIUM, PB는 POSITIVE BIG을 나타낸다.
또한, 퍼지 추론장치는 퍼지규칙을 이용하여 퍼지 입력에 대한 퍼지 출력을 추론해내는 장치로써, 임플리케이션(IMPLICATION)을 근거로 하여 적절한 값을 산출하게 된다.
비퍼지화 인터페이스(403)는 퍼지한 출력값을 크리스프한 출력값으로 변환시킨다.
예컨대, 72개의 시케일 맵핑(Scale mapping)인 경우 무게중심법(Ceuter of Gravity Method)을 이용하여 실제 제어값을 산출하면,
………………………………………………………………③
단, uo는 크리스프한 제어 출력값이고μ(U j )는U j 멤버쉽 값으로 제9도와 같이 입력에 대한 제어 출력 값의 그래프를 나타내게 되는바, (표 1)을 보는 법은 예컨대 θ가 ZE이고,가 PM이라면 각도가 점차0 o 에서 ＋쪽으로 변할때이므로 제어출력을 PM으로 내보내 스윙을 억제하는 효과를 나타낸다.
여기서, 퍼지규칙(402)은 IF-THEN 룰을 사용한 것으로, 각속도가 NB이고 각도가 ZE이면, 트롤리의 가속도를 NB로 하고, 각속도가 NM이고 각도가 ZE이면, 트롤리의 가속도를 NM로 하며, 각속도가 NS이고 각도가 ZE이면, 트롤리의 가속도를 NS로 하고, 각속도가 ZE이고 각도가 ZE이면, 트롤리의 가속도를 ZE로 하며, 각속도가 PS이고 각도가 ZE이면, 토롤리의 가속도를 PS로 하고, 각속도가 PM이고 각도가 ZE이면, 트롤리의 가속도를 PM로 하며, 각속도가 PB이고 각도가 ZE이면, 트롤리의 가속도를 PB로 한것이고, 퍼지규칙(402)는 표(1)로 제작하여서 본 발명에서 사용되는 규칙이 정해지게 된다.
[표 1]
제10도는 본 발명의 전체 구성도로, 메인컴퓨터(MAIN COMPUTER, 100)는 일반적인 컴퓨터 기능을 갖고 제4도에 도시된 속도패턴 발생기(10) 또는 제5도에 도시된 속도패턴 발생기(10)와 퍼지논리 조절기(40)등이 설치되어 제11도에 도시된 천정크레인(200)을 사용하여 물체를 이송할 때 로프에 매달린 이숭물의 혼들림을 방지할 수 있도록 속도 패턴의 산출, 상기 퍼지논리 조절기(40)를 이용하여 앤티스윙제어를 기할수 있다.
상기 메인컴퓨터(100)에는 입출력신호를 제어 및 통제하는 CPU(101), 통신카드(102), D/A 콘버터 및 카운터(COUNTER, 103) 그리고 A/D 콘버터(104)등이 접속된다.
또한, 상기 통신카드(102)에는 외부잡음에 강한 RS-422 통신방식을 통해 거리측정장치(105)가 접속되는데, 이 거리측정장치(105)는, 제11도에 도시된 바와같이, 레이저 주행거리 측정장치(20), 횡행거리 측정장치(22)로 구성되어 크레인의 절대위치를 실시간으로 측정하게 된다.
따라서, 상기 거리측정장치에서 크레인의 주행 및 횡행위치를 감지한 다음 통신카드(l02)를 통해 메인컴퓨터로 전송되고 전술한 바와같이 속도패턴 발생기(1) 또는 속도패턴 발생기(10)와 퍼지논리 조절기(40)가 작동되어 크레인의 속도를 제어함으로서 진동을 최소화하여 목표위치까지 이동시킬 수 있다.
한편, 상기 메인컴퓨터(100)에는 상기 속도패턴 발생기(10) 또는 속도패턴 발생기(10)와 퍼지논리 조절기(40)에 의해 크레인 모터(30)를 적절히 제어하여 물체를 이송할때 로프에 매달린 이송물의 혼들림을 방지하게 되는데, 이는 입출력 포트부(103)의 D/A 콘버터(103a)를 통해 모터 콘트롤러(106)로 공급되어 주행모터, 횡행모터 및 권산/하 모터인 AC 모터(107)를 작동시키게 된다.
상기 크레인 모터(30)의 AC 모터(107)가 구동됨에 따라 인크리멘랄 엔코더(108)를 통해 펄스가 발생되어 카운터(103b)가 구동됨에 따라 레일상의 휠 회전수를 계수하게 된다.
제11도에 도시된 천정크레인(200)이 Y축으로 물체를 이송할 경우에 로프에 매달린 이송물의 혼들리는 각도를 각도 측정기(109)에서 측정한 다음 A/D 콘버터(104)를 통해 메인컴퓨터(100)로 공급됨으로, 상기 메인컴퓨터(100)에서는 전술한 바와같이 D/A 콘버터(103a)와 모터 콘트롤러(106)를 통해 크레인 모터(30)의 AC 모터(107)를 제어하여 목포위치에서 진동과 위치오차를 일정 오차이내로 보정할 수 있게 된다.

Claims (12)

  1. 한지점에서 목표위치까지 이동될때 정해진 속도패턴에 의해 계산되어지는 위치데이터를 발생시키는 속도패턴 발생기(10)와, 이 속도패턴 발생기(10)의 출력데이터와 크레인 모터(30)의 실제 출력을 비교하는 비교기(50)와, 속도패턴에 의해 상기 크레인 모터(30)를 제어하는 조절기(60) 및 크레인 모터(30)로 구성된 것올 특징으로 하는 무인천정 크레인의 앤티스윙 자동제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 속도패턴이 천정크레인의 최고 가속도(Amax), 최고속도(Vmax), 진동하는 물체의 주기(T) 및 원하는 이동위치(Pd)를 이용한 것을 특징으로 하는 무인천정 크레인의 인태스윙 자동제어 시스템
  3. 제 l 항에 있어서, 상기 크레인 모터(30)가 AC 모터와 엔코더로 구성된 것을 특징으로 하는 무인천정 크레인의 앤티스윙 자동제어 시스템.
  4. 한 지점에서 목표위치까지 이동될때 정해진 속도패턴에 의해 계산되어지는 위치데이타를 발생시키는 속도패턴 발생기(10)와, 크레인운동(70)으로부터 진동각도(θ)와, 진동각속도(θ)신호를 감지하여 퍼지규칙(402)에 근거한 제어 알고리즘을 이용하여 진동을 보정해 주는 퍼지논리 조절기(40), 상기 속도패턴 발생기(10)의 출력에서 상기 퍼지논리 조절기(40)의 출력과 크레인 모터(30)의 위치(P)신호를 비교하는 비교기(50), 조절기(60), 크레인 모터(30) 및, 크레인운동(70)으로 구성된 것을 특징으로 하는 무인천정 크레인의 앤티스윙 자동제어 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 속도패턴이 천정크레인의 최고 가속도(Amax), 최고속도(Vmax), 진동하는물체의 주기(T) 및 원하는 이동위치(Pd)를 이용한 것을 특징으로 하는 무인천정 크레인의 앤티스윙 자동제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 속도패턴은 가속구간(B)에서 트롤리가 최고속도(Vmax)가 될때 진동각도(θ)가 0도가 되면 정속구간(C)동안 각속도가 0이기 때문에 진동각도(θ)가 0도를 유지하도록 된 것을 특징으로 하는 무인천정 크레인의 앤티스윙 자동제어 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 퍼지논리 조절기(40)는 크리스프한 입력값(y)을 측정하여 퍼지한 값으로 변환하는 퍼지화 인터페이스(401)과, 진동강도(θ)의 폭을 최소로 하기 위해 만들어지는 퍼지규칙(402) 및, 이 퍼지규칙(402)에 의한 퍼지한 제어 출력값을 실제 제어하기 위한 크리스프한 제어 출력값으로 변환하는 비퍼지화 인터페이스(403)로 구성된 것을 특징으로 하는 무인천정 크레인의 앤티스윙 자동제어 시스템.
  8. 제 4 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 퍼지규칙(402)은 각속도가 NB이고 각도가 ZE이면, 트롤리의 가속도를 NB로 하고, 각속도가 NM이고 각도가 ZE이면, 트롤리의 가속도를 NM로 하며, 각속도가 NS이고 각도가 ZE이면, 트롤리의 가속도를 NS로 하고, 각속도가 ZE이고 각도가 ZE이면, 트롤리의 가속도를 ZE로 하며, 각속도가 PS이고 각도가 ZE이면, 트롤리의 가속도를 PS로 하고, 각속도가 PM이고 각도가 ZE이면, 트롤리의 가속도를 PM로 하며, 각속도가 PB이고 각도가 ZE이면, 트롤리의 가속도를 PB로 한 것이고, 여기서, NB는 NEGATIVE BIG, NM은 NEGATIVE MEDIUM, NS는 NEGATIVE SMALL, ZE는 ZERO, PS는 POSITIVE SMALL, PM은 POSITIVE MEDIUM, PB는 POSITIVE BIG을 나타내는것을 특징으로 하는 무인천정 크레인의 앤티스윙 자동제어 시스템.
  9. 일반적인 컴퓨터 기능을 가지면서 속도패턴 발생기(1) 또는 속도패턴 발생기(10)와 퍼지논리 조절기(40)가 설치되어 있는 메인컴퓨터(100)와, 입출력 신호를 제어 및 통제하는 CPU(101), 통신카드(102)를 거친 레이저 거리측정장치(105), D/A 콘버터 및 카운터(COUNTER, 103)와 모터 콘트롤러(106)를 거친크레인 모터(30), A/D 콘버터(104)를 거친 각도측정기(109)등이 구성된 것을 특징으로 하는 무인천정 크레인의 앤티스욍 자동제어 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 거리측정장치(105)가 레이저 주행거리 측정장치, 레이저 횡행거리 측정장치(22)로 된 것을 특징으로 하는 무인천정 크레인의 앤티스욍 자동제어 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 입출력 포트부(103)가 제어량을 출력하는 D/A 콘버터(103a)와 레일상의 휠회전수를 계수하는 카운더(103b)로 구성되고, 상기 크레인 모터(30)가 AC 모터(107)와 엔코더(108)로 구성된 것을 특징으로 하는 무인천정크레인의 앤티스윙 자동제어 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 AC 모터(107)가 주행모터, 횡행모터 및 권상/하 모터인 것을 특징으로 하는 무인천정크레인의 앤티스욍 자동제어 시스템.
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