ES2608403T3 - Procedimiento para controlar la orientación de una carga de grúa - Google Patents

Procedimiento para controlar la orientación de una carga de grúa Download PDF

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ES2608403T3
ES2608403T3 ES07007445.5T ES07007445T ES2608403T3 ES 2608403 T3 ES2608403 T3 ES 2608403T3 ES 07007445 T ES07007445 T ES 07007445T ES 2608403 T3 ES2608403 T3 ES 2608403T3
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Jörg Neupert
Oliver Prof. Dr.-Ing. Sawodny
Klaus Dr. Dipl.-Ing. Schneider
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    • 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
    • B66C13/08—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for depositing loads in desired attitudes or positions
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Abstract

Procedimiento para controlar la orientación de una carga de grúa, en el que un manipulador para manipular la carga está unido mediante un dispositivo rotador con un gancho suspendido de cuerdas y el ángulo de giro φL de la carga se controla mediante un dispositivo de control con ayuda del momento de inercia JL de la carga como parámetro más importante, siendo el dispositivo de control un dispositivo de control adaptivo, determinándose el momento de inercia JL de la carga durante el funcionamiento de la grúa basándose en al menos uno de los siguientes parámetros mediante medición del estado del sistema: ángulo de giro φH del gancho, ángulo de giro φL de la carga, variación φH del ángulo de giro φH del gancho y/o la variación del ángulo de giro φL de la carga, caracterizado por que se usa un giroscopio para obtener datos, mediante los que se puede determinar el ángulo de giro φH del gancho y/o el ángulo de giro φL de la carga, determinándose el momento de inercia JL con ayuda de un observador.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua
La presente invencion se refiere a un procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua, en el que un manipulador para manipular una carga esta unido mediante un dispositivo rotador con un gancho suspendido de cuerdas y el angulo de giro ^l de la carga se controla mediante un dispositivo de control usando el momento de inercia Jl de la carga como parametro mas importante.
En el documento DE 100 64 182 y el documento DE 103 24 692, cuyo contenido completo se recoge por mencion en la presente solicitud, se divulgan conceptos de control y automatizacion para gruas moviles de puerto. En estas gruas de mensula articulada el manipulador para alojar la carga la suspende de cuerdas, y un posicionamiento del manipulador para alojar contenedores provoca movimientos de pendulo. Los conceptos de control usan un control de seguimiento de trayectoria para controlar el movimiento de la carga y para evitar automaticamente el movimiento pendular, por lo que se mejora la efectividad del proceso de transbordo de mercancla en pequena velocidad.
Para sistemas de control de este tipo se conoce un procedimiento para controlar la orientacion de la carga de grua por el documento DE 100 29 579, cuyo contenido completo se recoge por mencion en la presente invencion. All! el gancho suspendido de cuerdas presenta un dispositivo rotador que contiene un accionamiento hidraulico, de modo que el manipulador para alojar contenedores se puede girar alrededor de un eje vertical. Por ello es posible cambiar la orientacion de las cargas de grua. Cuando el gruista o el control automatico da una senal para girar el manipulador y por ello la carga alrededor del eje vertical, se accionan los motores hidraulicos del dispositivo rotador y una circulacion resultante provoca un par de fuerzas. Cuando el gancho esta suspendido de cuerdas, el par de fuerzas llevarla a una oscilacion torsional del manipulador y de la carga. Para posicionar la carga en un angulo especlfico ^l se debe compensar la oscilacion torsional.
El procedimiento de control conocido usa un modelo dinamico del sistema basandose en las ecuaciones de movimiento de un modelo flsico de la grua, estando compuesto el control de oscilacion anti-torsional por un modulo de planificacion de trayectoria y un modulo de seguimiento de trayectoria. El modulo de planificacion de trayectoria calcula la trayectoria de las variables, que describen el estado del sistema, y genera una funcion de referencia. El control de seguimiento de trayectoria puede dividirse en supresion de perturbacion, regulation con una magnitud de ajuste auxiliar (denominada Feed Forward Control) y regulacion con retroalimentacion de estado (denominada State Feed back Control). Los parametros usados por el dispositivo de regulacion son la masa de la carga y sobre todo el momento de inercia de la carga.
Sin embargo, no se conoce la distribucion de masa en la carga, por ejemplo, un contenedor, y por lo tanto tampoco se conoce el momento de inercia de la carga. Por lo tanto el momento de inercia Jl de la carga debe estimarse. En el sistema de control conocido esto tiene lugar al suponer una distribution de masa homogenea en la carga y al calcular un momento de inercia estimado Jl de la carga solo a partir de la masa del contenedor y las dimensiones conocidas del contenedor.
La distribucion de carga en un contenedor, en la mayorla de los casos, es todo lo contrario a homogenea, de modo que el valor estimado de la carga Jl solo es una aproximacion muy imprecisa. Ya que el dispositivo de control usa el momento de inercia Jl de la carga como parametro para controlar la orientacion de una carga de grua, la diferencia entre el valor real del momento de inercia Jl y la estimation aproximada lleva a una imprecision en el control de la orientacion de la carga.
Por el documento DE 199 07 989 A1 se conoce un procedimiento para el control de trayectoria de gruas, as! como un dispositivo para el procedimiento exacto de trayectoria de una carga. Para la regulacion de trayectoria se recurre as! mismo al momento de inercia de la carga.
El objetivo de la presente invencion consiste por lo tanto en facilitar un procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua, que presente una mejor precision.
Este objetivo se realiza mediante un procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la revindication 1, en el que el dispositivo de control para controlar el angulo de giro ^l de la carga es un dispositivo de control adaptivo, determinandose el momento de inercia Jl de la carga durante el funcionamiento de la grua por medio de datos, que se obtienen mediante medicion del estado del sistema.
De esta manera, el momento de inercia Jl de la carga se puede determinar, lo que lleva a una mejor precision en este parametro importante, que se usa por el dispositivo de control para controlar la orientacion de una carga de grua. El dispositivo de control se adapta como parametro durante el funcionamiento de la grua usando un valor corregido del momento de inercia Jl, que durante el funcionamiento de la grua se determina por medio de los datos obtenidos mediante medicion del estado del sistema. Por lo tanto el dispositivo de control no usa un valor fijo estimado de una
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vez, sino un valor, que se ajusta con ayuda de otras informaciones obtenidas durante el funcionamiento de la grua.
En el procedimiento de acuerdo con la invencion para controlar el giro de la grua, el angulo de giro 9l de la grua se controla ventajosamente con ayuda de un control de seguimiento de trayectoria adaptivo. Esto permite un control eficaz de los movimientos de la carga de grua. Por ejemplo, se puede usar una regulacion con magnitud de ajuste auxiliar para calcular las trayectorias de las variables del sistema por medio de integracion vertical de las ecuaciones de movimiento del sistema, y una regulacion de la retroalimentacion de estado puede usar datos obtenidos mediante medicion del estado del sistema.
En el procedimiento de acuerdo con la invencion para controlar el giro de una carga de grua se usa ventajosamente un modelo dinamico del sistema para calcular datos, que describen el estado del sistema, es decir, de las trayectorias de las variables del sistema. Estos datos entonces pueden formar la base para controlar el giro de la carga de grua, permitiendo el modelo dinamico del sistema una descripcion exacta del sistema y, por lo tanto, un control preciso de la orientacion de la carga de grua.
En un perfeccionamiento del procedimiento de acuerdo con la invencion para controlar la orientacion de la carga de grua se puede cambiar la diferencia 9c entre el angulo de giro 9l de la carga y el angulo de giro 9h del gancho mediante un dispositivo rotador. Esto tiene lugar ventajosamente usando un motor hidraulico para el dispositivo rotador, de modo que mediante el dispositivo rotador se puede aplicar par de fuerzas. Esto hace posible un giro del manipulador y con ello de la carga alrededor de un eje vertical, por lo que se permite una orientacion de la carga en cualquier direccion deseada.
En un perfeccionamiento del procedimiento de acuerdo con la invencion para controlar la orientacion de la carga de grua se evitan oscilaciones torsionales mediante un dispositivo de oscilacion anti-torsional usando los datos calculados del modelo dinamico. Este dispositivo de oscilacion anti-torsional emplea los datos calculados del modelo dinamico para controlar un dispositivo rotador de tal manera que se evitan oscilaciones de la carga. Por ello el dispositivo de oscilacion anti-torsional puede generar senales de control, que contrarrestan las posibles oscilaciones de la carga predichas por el modelo dinamico. Cuando se usa un motor hidraulico para el rotador, el dispositivo de oscilacion anti-torsional puede generar senales para accionar el motor hidraulico, por lo que se aplica un par de fuerzas generado por el paso.
En un perfeccionamiento del procedimiento de acuerdo con la invencion para controlar la orientacion de la carga de grua se mide la diferencia 9c entre el angulo de giro 9l de la carga y el angulo de giro 9h del gancho mediante un sensor de valores medidos unido con el dispositivo rotador. Este sensor de valores medidos hace posible la medicion exacta de la diferencia 9c y por tanto contribuye a controlar la orientacion de la carga de grua.
En un perfeccionamiento del procedimiento de acuerdo con la invencion para controlar la orientacion de la carga de grua se miden los movimientos de un elemento cardan conducido por la cuerda, para obtener datos, por los que se pueden determinar el angulo de giro 9h del gancho y/o el angulo de giro 9l de la carga. El elemento cardan esta unido preferentemente mediante una union cardan con la cabeza de pluma de la grua y sigue los movimientos de la cuerda, por la que se conduce por roldanas. Midiendo el movimiento del elemento cardan se pueden determinar los movimientos de la cuerda. Ya que el gancho cuelga de varias cuerdas, se preven preferentemente al menos dos elementos cardan, para determinar el movimiento de al menos dos de estas cuerdas. El angulo de giro 9h del gancho suspendido de las cuerdas y/o el angulo de giro 9l de la carga pueden entonces averiguarse de los datos medidos de los movimientos de los elementos cardan.
En el procedimiento de acuerdo con la invencion para controlar la orientacion de una carga de grua se usa un giroscopio, para obtener datos, mediante los que se pueden determinar el angulo de giro 9H del gancho y/o el angulo de giro 9l de la carga. El uso de un giroscopio es una posibilidad especialmente efectiva para obtener estos datos con precision suficiente. El giroscopio se puede colocar en distintos sitios de la grua. Cuando se usan elementos cardan, el giroscopio se puede colocar en los elementos cardan, para medir sus movimientos, pero tambien es posible, colocar el giroscopio directamente en el gancho o en el manipulador.
En un perfeccionamiento del procedimiento de acuerdo con la invencion para controlar la orientacion de una carga de
grua se mide la variacion ^H del angulo de giro 9h del gancho y/o la variacion , del angulo de giro 91.de la carga mediante un giroscopio. El giroscopio se puede colocar 0 bien en el gancho 0 bien en el manipulador, pero
preferentemente en el gancho. Los giroscopios pueden medir las velocidades angulares y ^,
lo que hace posible
determinar el angulo de giro 9h del gancho y de 91. Cuando ^Hse mide por el giroscopio, 9h se puede determinar mediante integracion. El angulo de giro 9l de la carga entonces se puede calcular usando la diferencia 9c entre el angulo de giro 91. de la carga y el angulo de giro 9h del gancho medido por el sensor de valores medidos. Ya que el
valor medido de ^H por el giroscopio contiene ruido y un offset, una integracion directa llevaria a una suma de estos errores, lo que llevaria a malos resultados en cuanto a la precision. Por ello se usa ventajosamente un observador de
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perturbacion para la compensacion del offset. Esto permite una estimacion mas estable del angulo de giro de la velocidad angular ^h.
En un perfeccionamiento del procedimiento de acuerdo con la invencion para controlar la orientacion de una carga de grua el modelo dinamico del sistema se basa en ecuaciones de movimiento de un modelo flsico de al menos las cuerdas, el gancho y la carga. En un modelo flsico de este tipo el gancho y la carga, suspendidos de las cuerdas, forman un pendulo torsional, cuyas ecuaciones de movimiento se pueden determinar con ayuda por ejemplo del formalismo de Lagrange. Esto hace posible una descripcion realista del sistema y por ello una planificacion y un control de trayectoria precisos.
Ventajosamente el momento de inercia Jh del gancho y Jsp del manipulador se usan como parametros para el control del angulo de giro ^l. Tambien cuando el momento de inercia Jh del gancho y Jsp del manipulador generalmente es mas pequeno que el elemento de inercia Jl de la carga, a pesar de ello contribuyen al comportamiento de giro del sistema y deberlan tenerse en cuenta en los calculos y en el modelo flsico.
En un perfeccionamiento del procedimiento de acuerdo con la invencion para controlar la orientacion de una carga de grua durante el funcionamiento de la grua se aplica un par de fuerzas en la carga y/o en el gancho. Lo datos obtenidos mediante medicion del estado del sistema durante el accionamiento de un par de fuerzas en el gancho y/o de la carga permiten la estimacion del momento de inercia Jl de la carga, por ejemplo, utilizando un observador.
Los datos obtenidos mediante medicion del estado del sistema ventajosamente comprenden al menos la variacion de
q>H del angulo de giro q>H del gancho y/o la variacion de ^H, del angulo de giro cpi_ de la carga como reaccion al par de fuerzas aplicado en la carga y/o en el gancho. Estos datos entonces se pueden usar para la estimacion del momento de inercia Jl de la carga, por ejemplo, comparando los datos calculados por el modelo dinamico con los datos medidos.
En un perfeccionamiento del procedimiento de acuerdo con la invencion para controlar la orientacion de una carga de grua se usa un valor del momento de inercia Jlo, que solo se estima basandose en la masa y las dimensiones de la carga, como valor inicial Jl, y se determinan valores corregidos JLken un proceso iterativo, para determinar el momento de inercia Jl. De esto resulta mediante los datos, que estan rapidamente disponibles, una estimacion aproximada del valor inicial Jl" mientras que se determinan mejores estimaciones durante el funcionamiento de la grua mediante otros datos, que se obtienen midiendo el estado del sistema.
En un perfeccionamiento del procedimiento de acuerdo con la invencion para controlar la orientacion de una carga de grua se calculan los datos que describen del estado del sistema durante el funcionamiento de la grua por el modelo dinamico basado en un valorJLk-i del momento de inercia Jl, y se determina un valor corregido JLk del momento de inercia Jl mediante los datos calculador y por los datos obtenidos por la medicion del estado del sistema, para determinar el momento de inercia Jl. Esto permite una estimacion mucho mejor del momento de inercia Jl que solo el uso de la masa y de las dimensiones de la carga.
El momento de inercia Jl se determina de acuerdo con la invencion con ayuda de un observador. Este procedimiento para la estimacion del momento de inercia Jl usa datos calculados por el modelo dinamico y combina estos con datos, que se obtuvieron midiendo el estado del sistema, para estimar el parametro Jl del modelo dinamico. Ya se conocla el uso de un observador para determinar variables del sistema, como, por ejemplo, del angulo de giro ^h del gancho de la velocidad angular ^h medida por el giroscopio. Sin embargo, a este respecto se determina un parametro del modelo con ayuda de un observador, lo que lleva a un control adaptivo.
Cuando un parametro del modelo se estima por el observador, el problema se convierte en no lineal, de modo que el momento de inercia Jl ventajosamente se determina con ayuda de un observador no lineal. Existen distintas posibilidades para implementar un observador no lineal, particularmente en modelos que varlan en el tiempo, por ejemplo, un planteamiento High-Gain o un filtro de Kalman ampliado.
La ultima posibilidad ofrece un sistema muy estable para la estimacion rapida de parametros del sistema, de modo que el momento de inercia Jl ventajosamente se puede determinar con ayuda de un filtro de Kalman ampliado.
En un perfeccionamiento del procedimiento de acuerdo con la invencion para controlar la orientacion de una carga de grua se asume para la estimacion de un valor inicial Jlo del momento de inercia Jl de la carga una distribucion homogenea de la masa en la carga. Esto permite un calculo rapido, que solo necesita la masa y las dimensiones de la carga como entrada.
En un perfeccionamiento del procedimiento de acuerdo con la invencion para controlar la orientacion de una carga de grua se tiene en cuenta ruido en los datos obtenidos por medicion en la determination del momento de inercia Jl. Esto lleva a mas precision en la estimacion del momento de inercia Jl, que se sostiene en los datos medidos y por ello esta influida por ruido en las mediciones.
Ventajosamente el ruido en los datos obtenidos por las mediciones se modela por matrices de covarianza. Esto permite una descripcion cuantitativa de la influencia del ruido y puede minimizar los errores provocados por el ruido.
Estas matrices de covarianza se determinan ventajosamente de forma experimental. Sometiendo a prueba el sistema de control con distintos valores para las matrices de covarianza se pueden determinar los mejores valores para una 5 estimacion rapida y estable del momento de inercia Jl y se pueden usar para el observador.
La presente invencion abarca ademas un sistema para controlar la orientacion de una carga de grua con ayuda de un procedimiento arriba descrito. Un sistema de control de este tipo comprende un dispositivo de control para controlar el angulo de giro ^l de la carga. El dispositivo de control contiene un dispositivo de planificacion de trayectoria y un dispositivo de control de trayectoria, as! como un observador para estimar el momento de inercia Jl.
10 La presente invencion abarca ademas una grua, particularmente una grua de pluma, que comprende ademas un sistema para controlar el giro de una carga de grua con ayuda de un procedimiento anteriormente descrito. Una grua de este tipo comprende un gancho suspendido de cuerdas, un dispositivo rotador y un manipulador. Ventajosamente la grua comprende tambien un sistema anti-pendulo, que interactua con el sistema para controlar el giro de una grua. Cuando la grua es una grua de pluma, comprende una pluma, que esta pivotada alrededor de un eje horizontal y se 15 puede girar por la torre alrededor de un eje vertical. Ademas, se puede cambiar la longitud de la cuerda.
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Ahora la la figura la figura la figura la figura la figura la figura la figura la figura la figura
presente invencion se describe mas en detalle por medio de los siguientes dibujos. En ellos muestran 1a una vista lateral y una vista en planta de una grua movil de puerto,
1 b una vista lateral de una cabeza de pluma de la grua movil de puerto con un elemento cardan,
2 la estructura de control de la grua movil de puerto,
3 la estructura del control de oscilacion anti-torsional,
4 un dispositivo rotador suspendido de una cuerda con manipulador y carga,
5 la estructura de un entorno de simulacion,
6 el rendimiento determinado del otro filtro de Kalman dependiente de la matriz de probabilidad Po,
7 la determinacion de Jl con valor inicial erroneo,
8 la determinacion de Jl con valor inicial correcto.
Las gruas de pluma a menudo se usan para realizar procesos de transbordo de mercancla en puertos. Una grua movil de puerto de este tipo se muestra en la figura 1 a. La grua presenta una capacidad de carga de hasta 140 t y una longitud de cuerda de hasta 80 m. Comprende una pluma 1, que se puede pivotar hacia arriba y hacia abajo alrededor de un eje horizontal, que se forma por el eje articulado 2, con el que esta colocado en una torre 3. La torre 3 puede 30 girarse alrededor de un eje vertical, por lo que tambien la pluma 3 puede girarse con este. La torre 3 esta fijada en un
chasis 6 colocado en uno de los bordes 7. La longitud de la cuerda 8 puede cambiarse por enrollado. La carga 10 puede ser acogida por un manipulador o un spreader 20, que puede ser girado mediante un dispositivo rotador 15, que esta colocado en un gancho suspendido de la cuerda 8. La carga 10 o bien se gira por giro de la torre o por ello de la grua completa o usando un dispositivo rotador 15. En la practica amos giros deben usarse al mismo simultaneamente, 35 para adaptar la carga en la posicion deseada.
Por simplicidad aqul solo se explica el giro de una carga, que esta suspendida de una por lo demas grua fija. El concepto de control de acuerdo con la invencion se puede integrar sin problema en un concepto de control sin problema alguno para la grua completa.
Particularmente para un transbordo de contenedor se ha ampliado el control anti-pendulo ya conocido por el 40 documento DE 100 64 182 y el documento DE 103 24 692 para un concepto de control y de automatizacion para la
orientacion de contenedor basada en el modelo dinamico del sistema, para evitar una oscilacion indeseada de la carga. Este concepto de control para la orientacion de contenedor se divulga en el documento DE 100 29 579, donde el momento de inercia de la carga de grua esta estimado en base de la suposicion, que la distribucion de la masa en el contenedor es homogenea.
45 Ya que el sistema spreader/rotador puede considerarse como un robot con brazos flexibles con un comportamiento dinamico lento, se emplea un procedimiento adaptivo y basado en el modelo para el control del manipulador. Para
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mejorar el rendimiento del concepto de control, los parametros del modelo dinamico del sistema y particularmente del momento de inercia de la carga deben conocerse lo mas exacto posible. La presente invencion divulga un procedimiento de determinacion para el mejoramiento de estos conceptos de control y de automatization de una grua movil de puerto, que se describen en el documento DE 10064182, el documento DE 10324692 y el documento DE 10029579 as! como en O. Sawodny, H. Aschemann, J. Kumpel, C. Tarin, K. Schneider, Anti-Sway Control for Boom Cares, American Control Conference, Anchorage EEUU, Proc. paginas 244-249 2002; O. Sawodny, A. Hildebrandt, K. Schneider, Control Design for the Rotation of Crane Loads for Boom Cranes, International Conference on Robotics & Automation, Taipei Taiwan, Proc. paginas 2182-2187, 2003 y J. Neupert, A. Hildebrandt, O. Sawodny, K. Schneider, A Trajectory Planning Strategy for Large Serving Robots, SICE Annual Conference, Okayama Japon, Proc. paginas 2180-2185, 2005.
Debido a una distribution no homogenea poco comun de la carga en el contenedor, mediante la suposicion, que la distribution de la carga es homogenea, el momento de inercia estimad solo es una aproximacion proxima a este parametro, lo que lleva a un control inexacto de la orientation del contenedor. Por ello la presente invencion divulga un procedimiento para determinar el momento de inercia de la carga durante el funcionamiento de la grua que se basa en los datos obtenidos por la medicion del sistema. Esta manera de estimation del momento de inercia de la carga con ayuda de una prolongation de observador lleva a mejor exactitud del procedimiento de control.
Los datos, en los que se basa el calculo del momento de inercia de la carga, se pueden obtener mediante distintos procedimientos. La figura 1 muestra un elemento 35 cardan, que esta colocado en la cabeza de pluma 30 de una pluma 1 mediante union 32 y 33 cardan bajo la roldana principal 31. El elemento 35 cardan presenta roldanas 26, por la que se conduce a la cuerda 8, de modo que sigue los movimientos de la cuerda 8. La union 32 y 33 cardan permite al elemento 35 cardan moverse libremente alrededor de un eje horizontal y uno vertical, pero impiden movimientos de giro. Se pueden medir los movimientos del elemento cardan y con ello los movimientos de la cuerda. En esta realization se preven dos elementos 35 cardan, que se conducen por las dos cuerdas, en las que esta suspendido el gancho. Estos datos entonces se pueden usar para calcular la torsion de las cuerdas y el angulo ^h torsion del gancho. Para este fin el giroscopio se puede colocar en los elementos cardan. Si no se usan elementos cardan, el giroscopio tambien puede colocarse directamente en el gancho o el manipulador, para determinar el angulo de giro.
En la presente invencion se pueden usar distintos procedimientos de observador para determinar el momento de inercia de la carga durante el funcionamiento de la grua mediante los datos obtenidos por la medicion del sistema.
Empleando el metodo de los mlnimos cuadrados en los datos de entrada/salida medidos se puede estimar el parametro del sistema. El metodo estandar de los mlnimos cuadrados no es satisfactorio al estimar de parametros que cambian en el tiempo. Para la solution de este problema se puede usar un olvido exponencial de los datos viejos usados. El denominado factor de Forgetting puede elegirse de tal manera, que la matriz gain resultante mantiene una traza constante- Este planteamiento puede perfeccionarse al procedimiento del olvido adaptado gain, en el que el factor forgetting correspondiente a la norma de la matriz gain cambia constantemente.
Otro procedimiento para la determinacion de los parametros de sistemas dinamicos es el filtro de Kalman ampliado, que se usa en la realizacion de acuerdo con la invencion. Con el uso de este procedimiento existen varias ventajas, que se trataran despues.
La figura 2 muestra un concepto de control adaptivo conocido para manipulador la orientacion de la carga (del contenedor). Este concepto de control presentado en (O. Sawodny, A. Hildebrandt, K. Schneider, Control Design for the Rotation of Crane Loads for Boom Cranes, International Conference on Robotics & Automation, Taipei Taiwan, Proc. paginas 2182-2187, 2003) y tambien desvelado en el documento DE 10029579, cuyo contenido se retoma por mention en esta solicitud, se compone de un control de seguimiento de trayectoria, un observador de perturbation y una regulation con retroalimentacion de estado, para evitar oscilaciones torsionales. Para el control de la orientacion de carga se reconstruye el angulo torsional de la velocidad angular, la que se mide por un giroscopio en el gancho. El angulo entre el gancho y el contenedor se mide por un sensor de valores medidos. La orientacion de carga se obtiene por la suma de ambos angulos. Debido al hecho, de que todas las partes del concepto de control son algoritmos basados en el modelo, tienen que adaptarse a variaciones de parametros. La mayorla de los parametros pueden medirse directamente, pero la distribucion de la masa de carga en el contenedor es desconocida y con ello el momento de inercia del contenedor.
Ya que este parametro tiene una gran influencia sobre el comportamiento dinamico del oscilador torsional y con ello sobre el rendimiento del control de anti-oscilacion, debe ser determinado en llnea.
Modelo dinamico para el manipulador suspendido de la cuerda
Para el transbordo del contenedor, la grua de pluma esta equipada con un manipulador especial, el denominado spreader. El manipulador se puede girar alrededor del eje vertical mediante un dispositivo rotador que contiene un accionamiento hidraulico. Como se muestra en la figura 4, en este dispositivo esta instalado un gancho.
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El gancho esta fijado en dos cuerdas, indicando r e Is la distancia efectiva de las dos cuerdas paralelas o la longitud de cuerda. El sistema se compone de tres cuerpos ampliados. La carga (contenedor), caracterizado por el momento de inercia Jl, y la masa mi, el manipulador (spreader-contenedor) y el gancho. Jsp y Jhindican el momento de inercia del spreader y del gancho, msp y mH indican respectivamente la masa de ambos cuerpos. El angulo de giro del spreader con la carga se denomina como ^l. El segundo angulo ^h indica el angulo torsional.
Para derivar las ecuaciones de movimiento del sistema mecanico observado se usa la formulacion de Lagrange (segun L. Sciavicco, B. Siciliano, Modelling and Control of Robot Manipulators, editorial Springer, Londres, Gran Bretana, 2001).
imagen1
La funcion de Lagrange L esta definida como diferencia entre la energla cinetica T y de la energla potencial U del sistema.
imagen2
Bajo la suposicion de que ganchos, spreader y carga (contenedor) se juntan en un cuerpo ampliado con el momento de inercia total Jtotai = Jh + Jsp + Jl, la energla cinetica y potencial se obtienen tal como sigue:
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ct describe la rigidez torsional linealizada de las dos cuerdas paralelas como funcion de los parametros Mtotat = mH + msp + mi e Is, (es la constante gravitacional):
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La solucion de la ecuacion (1) con la funcion de Lagrange resultante y la coordenada generalizada q = lleva al modelo dinamico del dispositivo rotador con carga.
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La fuerza generalizada es el momento del motor hidraulico y se puede definir como
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siendo la aceleracion angular relativa entre el gancho y el spreader
imagen9
Para el procedimiento de determinacion el modelo continuo (ecuacion (5) y (6)) se transforma en modelo espacial de estado discreto con la siguiente forma:
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Las matrices del sistema, el vector de estado y el vector de entrada se obtienen:
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siendo
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y el tiempo de exploracion T.
Determinacion del parametro incierto
Para el caso de aplicacion predeterminado debe determinarse el momento de inercia del contenedor durante el funcionamiento de la grua, para ajustar el concepto de control basado en el modelo. Debido a este hecho el algoritmo 10 de determinacion para el momento de inercia debe ser iterativo, de modo que cada vez que se obtenga una medicion
exacta de datos de entrada/salida, se genera una nueva estimacion de parametro. En el pasado se discutieron algunos procedimientos de determinacion del sistema. Uno de los procedimientos para una determinacion del parametro en llnea es un filtro de Kalman ampliado.
Para la estimacion del momento de inercia desconocido del contenedor se amplla el vector de estado xk del modelo de 15 estado discreto (ecuacion (7) y (8)) por el parametro desconocido Jl (C.K. Chui, G. Chen, Kalman Filtering with
Real-Time Application, editorial Springer Berlin Heidelberg, Alemania, 3. Edicion 1999).
imagen13
Con este perfeccionamiento resulta un modelo discreto no lineal de la siguiente forma:
£*+■ +
(10)
20 siendo vk una secuencia de ruido blanco gaussiano con valor medio cero, para describir el sistema real de manera mas
precisa. El ruido del sistema se caracteriza por la siguiente matriz de covarianza
G = %V) (11)
Las funciones que valoran el vector f y g se obtienen por:
imagen14
Como se explica en la seccion 1 el angulo de giro del gancho cph no se puede medir directamente. Debe reconstruirse
5 a partir de la velocidad angularcpHgyro, que se mide mediante un giroscopio en el gancho. Ya que la serial de giroscopio esta perturbada, debe tenerse en cuenta el ruido de medida, lo que lleva a una salida del sistema que se puede modelar,
10 siendo

yk=hxk+\v, (13)

h = [0 I 0] (14)
y Wk un ruido blanco gaussiano con valor medio cero con la siguiente matriz de covarianza

S = £(w(w/) (15)
Para aplicar el filtro de Kalman en el sistema no lineal conservado, debe hacerse la linealizacion con una aproximacion 15 Taylor lineal a la estimacion del estado Xk anterior:
imagen15
siendo F la matriz jacobiana fcon los siguientes coeficientes:
imagen16
Calculando los coeficientes para i, j = la matriz jacobiana se obtiene como:
imagen17
Con el modelo linealizado y las matrices de covarianza Q y R se puede derivar el algoritmo de filtro de Kalman optimo de la siguiente forma (T. Iwasaki, T. Kataoka, Application Of An Extended Kalman Filter To Parameter Identification Of An Induction Motor, Industry Applications Society Annual Meeting, Volumen 1, paginas 248-253, 1989):
5
1a Etaoa: La prediccion de los estados [cpHk ^Hk] y del parametro Ji_k se calcula a partir de la entrada Uk y los estados estimados no perturbados xk.
imagen18
2a Etapa: Las matrices de covarianza del error de prediccion Mk+1 y de los errores de estimacion Pk+1 as! como la matriz Kalman Gain Kk+i se calculan con ayuda de lo siguiente (I es la matriz identidad):
10
imagen19
3a Etapa: La estimacion del vector de estado y del momento de inercia del contenedor se obtienen mediante correccion de los valores predichos con la diferencia ponderada entre la velocidad angular medida y predicha del gancho.
imagen20
15 El algoritmo descrito se realiza cada vez que esta disponible una nueva medicion de datos de entrada/salida (k = 1,2,...). Para inicializar el otro filtro de Kalman ampliado en ese momento, ya que se coge un contenedor, se genera el
impulso de arranque. Los estados [PhPhI observados por el observador de perturbacion en ese momento son la
A A
X J
estimacion inicial para el algoritmo de filtro. El valor inicial para el momento de inercia del contenedor L0 se puede
mantener suponiendo, que el contenedor tiene una masa distribuida uniforme. Ya que la longitud Icontenedor y la masa mL
20 del contenedor se pueden medir y el ancho es constante (bcontenedor = 2,4m), se puede calcular el momento de inercia
como a continuacion:
imagen21
imagen22
5
10
15
20
25
30
35
40
La matriz de covarianza de salida para el error de estimacion Po se usa para ajustar el algoritmo de determinacion (vease seccion 4).
Resultados
Simulacion
Para encontrar buenos elementos de la matriz de covarianza para la estimacion de errores Po, se implementa el algoritmo de determinacion en un entorno simulado. Como se muestra en la figura 5, el modelo de simulacion se
termina por la serial de medida ^c-_medido del sistema real. Ademas, una secuencia ruido bianco se anade a la serial de salida del modelo de simulacion.
Los parametros y las condiciones de salida de la simulacion son como a continuation:
J i o=0,8-JlmoAdo: JlmMo = mmgnr
*o=[0 0]/;g = 10-1°;^ = 10"6 (25)
T = 0,0255; ct =3750; JH =940kgm'
Los resultados de simulacion mostrados en la figura 6 se obtienen usando esta configuration. Las tres curvas representan los resultados obtenidos usando tres valores iniciales distintos para la matriz de covarianza de error de estimacion. Cuanto mas altos son los valores de esta matriz, mas rapido llega el momento de inercia estimado del contenedor al valor de referencia Jimodeto.
Los resultados muestran, que tambien en la simulacion existe un valor llmite superior para el valor inicial de la matriz de covarianza del error de estimacion, cuando el modelo de simulacion se termia por la senal de medida ^c_medido. Esto significa que el algoritmo de determinacion reacciona fuertemente a perturbaciones no consideradas de la entrada del sistema, cuando la matriz de covarianza de salida es Poij =2-10105y; i,j =1,2,3 (5y es el Delta Kronecker) o mayor.
Ensayos experimentales
Para valorar el rendimiento del filtro de Kalman ampliado se implementa el algoritmo en el concepto de control y de automatization de la grua de pluma, particularmente en el componente de control de oscilacion anti-torsional adaptivo, como se expone en la figura 3. Los resultados experimentales obtenidos se calculan en llnea mediante el algoritmo para el filtro de Kalman ampliado durante el funcionamiento de la grua. Los experimentos muestran que el mejor valor inicial de la matriz de covarianza es Poij =7-1025y-; i,j = 1,2,3. Este es debido a inseguridades de modelo y perturbaciones no tenidas en cuenta de las senales de entrada/salida mucho mas pequenas que en la simulacion. Sin embargo, la figura 7 muestra que la estimacion del momento de inercia de la carga se aproxima al valor de referencia de 36.000 kgm2.
El valor inicial para el momento de inercia L0 se ha elegido con 47.000 kgm2, y los parametros remanentes y las condiciones iniciales eran iguales a las de la configuracion de simulacion. Ya que el estlmulo del movimiento torsional se para en 150 segundos, existe entre el estimado Ji y el valor de referencia una variation residual. Teniendo en cuenta el comportamiento dinamico lento del sistema flexible el momento de inercia se acerca de manera rapida a los
A
valores en la zona de tolerancia al rededor del valor de referencia. Una variacion ±5% entre ^ y el valor de referencia del momento de inercia tiene un considerable efecto sobre el rendimiento del control de oscilacion anti-torsional. La
figura 8 muestra el momento de inercia de carga estimado, cuando el valor inicial es igual al valor de referencia. En este caso la masa del contenedor esta distribuida uniforme (vease ecuacion (24)).
El resultado de determinacion del parametro obtenido Ji muestra la robustez del algoritmo del filtro de Kalman ampliado, ya que fuera de la zona de tolerancia de ±5% se calcula una estimacion. La pequena variacion entre el parametro estimado y el valor de referencia estan caudadas por inseguridades de modelo.
Conclusion
La presente invention divulga una ampliation de un concepto de control y de automatizacion para la orientation de una carga de grua. Ya que este concepto es un algoritmo adaptivo basado en el modelo, los parametros del modelo
dinamico deben conocerse de la manera precisa posible. La mayorla de los parametros pueden medirse directamente, pero el momento de inercia de la carga de grua (contenedor) debe determinarse durante el funcionamiento de la grua debido a la distribucion desconocida de la masa. El procedimiento de determinacion usado, el algoritmo de filtro de Kalman ampliado, se deriva por medio del modelo dinamico del manipulador suspendido de la cuerda. Este 5 procedimiento de determinacion de parametro se integra en el control de oscilacion anti-torsional y se sometio a prueba en una grua movil de puerto LlEBHERR LHM 402. Los resultados de medicion obtenidos muestran la rapida aproximacion y la robustez de la estimation del momento de inercia desconocido de la carga de grua.

Claims (20)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua, en el que un manipulador para manipular la carga esta unido mediante un dispositivo rotador con un gancho suspendido de cuerdas y el angulo de giro de la carga se controla mediante un dispositivo de control con ayuda del momento de inercia Jl de la carga como parametro mas importante, siendo el dispositivo de control un dispositivo de control adaptivo, determinandose el momento de inercia Jl de la carga durante el funcionamiento de la grua basandose en al menos uno de los siguientes parametros mediante medicion del estado del sistema: angulo de giro q>H del gancho, angulo de giro cpi_ de la carga, variacion q>H del angulo
    CD/
    de giro q>H del gancho y/o la variacion del angulo de giro cpi_ de la carga, caracterizado por que se usa un giroscopio para obtener datos, mediante los que se puede determinar el angulo de giro del gancho y/o el angulo de giro ^l de la carga, determinandose el momento de inercia Jl con ayuda de un observador.
  2. 2. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el angulo de giro ^l de la carga se controla con ayuda de un control de seguimiento de trayectoria adaptivo.
  3. 3. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 1, caracterizado por que se usa un modelo dinamico del sistema para calcular datos que se describen por el estado del sistema.
  4. 4. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 3, caracterizado por que se evitan las oscilaciones torsionales mediante un dispositivo de oscilacion anti-torsional con ayuda de los datos calculados mediante el modelo dinamico.
  5. 5. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la diferencia ^c entre el angulo de giro ^l de la carga y el angulo de giro ^h del gancho se pueden cambiar mediante el dispositivo rotador.
  6. 6. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la diferencia ^c entre el angulo de giro ^l de la carga y el angulo de giro ^h del gancho se pueden medir mediante un sensor de valores medidos conectado con el dispositivo rotador.
  7. 7. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 1, caracterizado por que se miden los movimientos de un elemento cardan conducido por la cuerda para obtener datos, mediante los que se pueden determinar el angulo de giro ^h del gancho y/o el angulo de giro ^l de la carga.
  8. 8. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 1, caracterizado por que
    la variacion ^H del angulo de giro q>H del gancho y/o la variacion ^H del angulo de giro cpi_ de la carga se miden mediante un giroscopio.
  9. 9. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 3, caracterizado por que el modelo dinamico del sistema se basa en las ecuaciones de movimiento de un modelo flsico al menos de las cuerdas, del gancho y de la carga.
  10. 10. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 1 o 3, caracterizado por que el momento de inercia Jh del gancho y Jsp del manipulador se usan como parametros.
  11. 11. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 1, caracterizado por que durante el funcionamiento de la grua se aplica un par de fuerzas en la carga y/o en el gancho.
  12. 12. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 11, caracterizado por que los datos obtenidos mediante medicion del estado del sistema comprenden al menos la variacion q>H del angulo de
    (D, i
    giro q>H del gancho y/o la variacion ' del angulo de giro cpi_ de la carga como reaction al par de fuerzas aplicado en la carga y/o en el gancho.
  13. 13. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 1, caracterizado por que se usa un valor estimado del momento de inercia Jl0 solo basandose en la masa y de las dimensiones de la carga como valor inicial para Jl y se determinan valores corregidos JLk en un proceso iterativo, para determinar el momento de inercia Jl.
  14. 14. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 3, caracterizado por que durante el funcionamiento de la grua se calculan datos que describen el estado del sistema por el modelo dinamico basandose en un valorJL,k-1 del momento de inercia Jl y se determina un valor corregido JLk del momento de inercia Jl
    por medio de los datos calculados y de los datos obtenidos mediante medicion del estado del sistema, para determinar el momento de inercia Jl.
  15. 15. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el momento de inercia Jl se determina con ayuda de un observador no lineal.
    5 16. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 1, caracterizado por que
    el momento de inercia Jl se determina con ayuda de un filtro de Kalman ampliado.
  16. 17. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 1, caracterizado por que se asume una distribucion homogenea de la masa en la carga para una estimacion de un valor inicial Jlo del momento de inercia Jl de la carga.
    10 18. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 1, caracterizado por que
    se tiene en cuenta el ruido en los datos obtenidos mediante mediciones en la determinacion del momento de inercia Jl.
  17. 19. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 18, caracterizado por que el ruido en los datos obtenidos mediante mediciones se modela mediante matrices de covarianza.
  18. 20. Procedimiento para controlar la orientacion de una carga de grua segun la reivindicacion 19, caracterizado por 15 que las matrices de covarianza se determinan de manera experimental.
  19. 21. Sistema para controlar la orientacion de una carga de grua segun el procedimiento de una de las reivindicaciones anteriores, que comprende un dispositivo de control para controlar el angulo de giro ^l de la carga y un giroscopio para obtener datos, mediante los que se determinan el angulo de giro del gancho y/o el angulo de giro ^l de la carga, conteniendo el dispositivo de control un dispositivo de planificacion de trayectoria y un dispositivo de control de
    20 trayectoria, as! como un observador para estimar el momento de inercia Jl.
  20. 22. Grua, particularmente una grua de pluma, que comprende el sistema para controlar el giro de una carga de grua segun con la reivindicacion 21.
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