JPS6017510A - ロ−プ吊りクレ−ンの振れ止めフイ−ドバツク制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明はロープ吊シクレーンの振れ止めフィードバック
制御装置に係わる。

〔発明の目的〕

ロープ吊り天井クレーンの自動運転では、トロリーを目
標地点の真上で停止させ、しかもその位置で荷振れがな
いように制御しなければならない。

この種の制御に関しては多数の提案がなされてぃるが、
制御性能を高める／こめに、す”イリスター次電圧制御
の電動機を用いた方式が一般的である。

し７かし５、既存の大部分のり１／−ンでは２＊抵抗制
御の誘導電動機を用いた駆動方式（７ノツチ制御力式）
であり、これをす・イリスタ方式に改造するには多大の
費用がかかる。本発明では、既存施設の有効利用と実用
的なサイクルタイムの実現という観点から、駆動は２次
抵抗制御、制動はディスクブレーキを使用したロープ吊
りクレーンの振れ止めフィードバック制御装置を提供し
ようとするものである。もちろん、サイリスタ制御方式
に対しても適用できることはいうまでもない。

〔背景技術〕

制御方式としては、すでに予め定めた振れ止め加減速ハ
ターン通シにフィードフＡワード的ニ制御する方式と、
位置や速度等の情報をよりダイナミックに利用し２てフ
ィードバック制御がおる。

前者は自動運転前に予め設定された時間制御パターンや
距離制御パターン通シに、クレーンの加減速を制御して
目的地上での振れをなくす方式であって、この方式では
ず☆置と速度の情報が必要である。

後者は自動運転中に得られた情報をよりダイナミックに
利用し、パターンの選択、切り換え、パターンの修正、
新し、いパターンの設定等をオンラインで行うことによ
ｐ１目的地上での振れをなくす方式であって、この方式
ではクレーンの位置、速度の外に、ロープの振れ角（ま
たは振れ幅）情報、場合によってはクレーンの加速度情
報等、設定した動特性を構成する状態量の情報が必要で
ある。この方式で問題となるのは、これまで正確な振れ
角（又は振れ幅）情報が得ることができないことであり
、実用化されていない状況にあったが、最近高性能のパ
ルス式ロータリエンコーダ一方式による触れ角検出器が
現出している。

これら方式を本発明のように、誘導電動機の２次抵抗制
御を用いる観点より考察し、てみると、前者の方式では
クレーンの駆動、制御特性のばらつきのため、制御効果
がばらつき、クレーンが吊荷に引っばられる場合、自動
運転前にロープが振れている場合、さらにクレーン走行
時の左右のガタによるねじれの発生や、走行桁の傾き、
継ぎ目等によシ、クレーン走行特性がクレーンの位置や
状態によって変わシ、いわゆる外乱に弱いという弱点が
あシ、誘導電動機の２次抵抗制御を基調に前者の方式を
適用することは困難である。

これに７１　Ｌ、２次抵抗制御を用いる観点で後者の方
式を考察してみると、位置、速度、振れ角等刻々変るク
レーンの状態量を用いて、最終的に定点停止及び振れ止
め精度の誤差をなくすことができるので、２次抵抗制御
によるものにも適用できるものと考えられ、すでに若干
触れたように、正確に振れ角（振れ幅）情報を得るだめ
の検出器も現出しつつあり、その適用は十分考慮される
ところである。

本発明に先立ち、減速制御において、距離に応じた標準
的な速度パターンを決めておき、実現速度と標準速度と
の差を目標減速度（負の加速度）にフィードバックして
プＶ−キを調整するｐｉ制御方式を実施した。標準速度
パターンは、クリープ（停止精度向」二のため、比較的
長い距離微速状態とすること）を用いずに、振れ周期Ｔ
または２Ｔで減速を終了する等減速パターンとしておシ
、制御式は次の通りである。

７′＝７＋“０”−“・月−＋／（“−′・３“ｔ　−
−−−−−（＋１ν。：減速開始速度、　シ：実現速度
、バック方式を採用しているものの、振れ角に関しては
採用していないため、制御誤差が累積し、振れ１にめ誤
差は停止誤差に比べて大きくなることが判明した。ここ
で振れ止め制御における誤差の原因として、以下のよう
なことが考えられる。

■　ブレーキ装置のばらつきや偏差のため、制御量（減
速度）１１に誤差が加わる。

■　実測データとして得られる位置や速度のデータに誤
差がある。

■　外乱や減速開始時の振れも誤差の原因、となる。

以上のことから、停止精度だけでなく振れ止め精度をも
向上するためには、位置や速度だけでなく振れ角等の状
態量をノイードバックし総合的な最適解と１．゛ての制
＠１量を・決定づる必要がある。

［発明の開示１ 本発明はすでに述べたように、駆動系は誘導電動機の２
次抵抗制御、制動系はダイスでブレーキを使用すること
を目標に、フィードバック制御方式によりロープ吊りク
レーンの振れ止め制御を行おうとするものであるが、こ
の制御のだめに、位置検出器、速度検出器、加速度検出
器、振れ角（又は振れ幅）検出器、振れ角（又は振れ幅
）速度検出器、自動運転制御装置（マイクロコンピュー
タ）ほか高さ検出器、重量検出器等が準備される。なお
高さ検出器、重量検出器については、本発明の主題であ
る水平移動制御には必ずしも必要ないが、ロープの巻上
げ、巻下げ制御や障害物との接触検知等に利用され、実
用時には不可欠である。また、自動運転以外の目的で、
もこれらの検出器は利用されており、例えば高さ検出器
についてはロータリーエンコーダによる方式、重量検出
器についてはロードセルによる方式等がすでに広く使用
されている。

位置検出器としては、クレーンの走行桁・」−位置、横
行ガ・−ダー上位置を刻々表示する誘導無線による位置
識別装置がすでに広く使用されており、このような装置
を付設して用いる。

また速度検出器としては例えば速度発電機によるような
ものが使用され、振れ角（又は振れ幅）検出器としては
、前述の例えばロータリエンコーダによる方式のものが
使用される。加速度検出器や振れ角速度検出器はクレー
ン上の機器として設置された例はあまりないが、技術的
には既存の検出器を組み合せて使用可能と考えられる。

本発明は以上のような検出器よりの位置（Ｘ）、速度に
ｃ）、加速度（Ｘ）、振れ角（θ）、振れ角速度（′０
）等の状態量を一定時刻ごとにフィードバックし、その
線形結合、または線形結合＋定数項により、加速度（α
）、または減速度（β：負の加速度）を物理的、数学的
な最適解として決定して制御し、加速終了時の振れ止め
精度、および減速終了時点の定点停止精度、振れ止め精
度を最小とするロープ吊Ｄクレーンの振れ止フィードバ
ック制御装置を提供しようとするものである。

第１図に本発明の基本構成を示す。図におい−Ｃ点線内
はクレーン上の機器を示している。

ｌは速度検出器であり、２は加速度検出器、３は振れ角
検出器、４は菰れ角速度検出器、５は高さ検出器、６は
重量検出器、７は位置検出器であり、８は駆動制動装置
、９は自動運転制御装置であり、２〜５及び７の出力は
ディジルタデータとして、ｌ及び６の出力はアナログデ
ータとして自動運転制御装置９に入力される。また１０
は走行方向の位置検出用の誘導無線線路であり、１１は
クレーンの横行架台上に設けられた誘導無線線路であり
、その位置出力は位置検出器７に入力される。

なお、後述するように、」二記の検出器はすべて必要で
おるわけではなく、検出器がないために直接得られない
情報は一他の検出器によシ得られた情報から推定するこ
とができる。特に誤差の大きい検出器や誤差の不明な検
出器から直接得られる情報よりは、誤差の小さい検出器
の情報から間接的に得る方が精度の良い情報が得られる
。

次に、本発明の主眼である制御量りの最適決定方法を以
下に記述する。このために、クレーンの動特性を表わす
式をたててみると次のとおりである。

交−ν　（Ｘ：位置、シ：速度） シーβ　（β：減速度） β”−ａβ十ｂｕ−（２１（ｕ　：制御量、β：Ｕの一
次遅れの減速度、ａ、ｂ　：定数、但しＵの一次遅れを
仮定しない場合にはこの式は不用となる）Ｘ−（Ｎｊ−
Ｃ（ｊ−ｇｅ　−・−ｆ３ｔ　（０：振れ角、ｌ：ロー
プ長、Ｃ：減衰定数） 上式を離散値型に変換し、制御誤差・外乱等による誤差
項ξを加えて一般化すると次のようになる。

ここで、ｔは制御インターバルで１固定値である。例え
ば０．１秒ごとに制御を切シ換える場合にはｔ　−０，
１である。

ベクレレＸτはペルトルＸ、の転置を示す。

また、実測データとして得られる状態量をベクトルＹ、
で表わすと次のようになる。

Ｙ　−レＸｋ十η　（５） ここで、ベクトルηは実測データの誤差項である。Ｈは
定数行列でアリ、例えばｙ、−ｃｘｋ、θ、）であれば
、 となる。

制御の評価基準は次式で示される。

ＮＮ１Ｇ＋ ここでＮは、最終時刻である。■は定数行列であり、例
えば と選定すると、 Ｊ＝Ｘ品＋ν員＋ａ２　（咄」−す品）となり、最終時
刻における停止誤差と振れ止め誤差の評価として表現で
きることは明らかである。

ξ、ηの誤差特性は、実際のクレーンの駆動・制動特性
や検出器の誤差特性に合せて決定される。

この誤差物性とクレーンの制御開始時の初期状態が決ま
ると、（４）〜（６）式からカルマン・フィルりの手法
を用いて制御量Ｕの最適解は、次の形で得ることができ
る。

Ｕ、−八、Ｘ、＋「、　（７１ ここで、Δ１．［、はオフラインで予め決定できる定数
ベクトル、スカラ一定数である。

このことは、本発明の特許請求の範囲第１項を物理的数
学的に裏付けている。

即ち本発明はクレーンの位置、速度、振れ角速度等の状
態量を一定時刻ごとにフィードバックし、その線形結合
、または線形結合子定数値によシ、加速度または減速度
（負の加速度）を決定して制御し、加速度終了時点の振
れ止め精度、または減速終了時点の定点停止精度、振れ
止め精度の誤差を最小とする制御装置を提供しようとす
るものである。

なお加速時間、減速時間は任意とし、各係数、定数は予
めオフラインで処理で決定されるものである。

（７）式をよシ具体的に表現すると次のようになる。

即ち位置（Ｘ）、速度（ｉ）、加減速度（Ｘ）、振れ角
（θ）および（ミ）で示される時々刻々の状態量の線形
和は次式で表わされる。

α（β）ｍｌ　Σ　ａ＋Ｘｔ＋　ａｏ　（８）　（Ｘ、
：　状態量、ｉｌｉ７１ ：係数、ｎ：状態量の個数、ａｏ二定数）但し、（８）
式をめるためには、すべての正しい状態量が必要である
。実際には前記したように実測データに誤差があったシ
、実測できない状態量もらシ得る。

しかし、この場合においても、カルマン・フィルタの手
法によシ、次のようにすべての状態量の最適推定値Ｘｋ
を漸化式で得ることができる。

Ｘ　ｋ＋１　”　Ｌｙ　Ｘｋ＋　Ｍｋ＋１　ｙｋ＋ｌ　
＋　Ｎｙ　ｕ　ｙ　＋　％　ｔｅｌここで、Ｌｋ　ｌ　
Ｍｋ＋ｌ　Ｉ　Ｎｋ　ｌ　Ｅｋはオフラインで予め決定
できる定数である。

このことは、本発明の特許請求の範囲第２項を数学的に
裏付けている。

即ち本発明は、クレーンの状態量のうち実測できるもの
が一部分である場合、或いは実測データに誤差を含んで
いる場合、実測できた現在の状態量と過去の制御量と過
去のすべての状態量の推定値の線形結合、または線形結
合＋定数項により現在のすべての状態量を推定し、これ
を状態量として特許請求の範囲第１項の制御で用いるこ
とを特徴としている。

次に、駆動・制動特性に一定の偏差がある場合前記（４
）式における制御量１１を補正する必要が生ずる。この
ときは以ｌ：のようにして制御量Ｕを補正する。即ち、
（４）式から速度に関する式を抽出すれば、次のように
なる。

！’　ｋ＋１−　νに十Ｐβに＋ｑｕｋ４−ｒこのこと
は、ある時刻に制御量Ｕ、を出力すれば、そのときの状
態量は前記方式で分っているので、次の時刻の速度が予
測できることを示す。次の時刻になって速度が得られれ
ば予測値との差が分シ、この差がｑΔｕｋ（△Ｕ、は制
御量Ｕ、の補正量）であるとして、制御量の補正値を推
定することができ、これが特許請求の範囲第８項である
。

第２図に本発明の実施例として、減速時の振れ止め・停
止制御の概略をブロックチャー１−で示す。

本例では、初期位置（Ｘｏ）を目的地０の手前４０ｍ、
初期速度０．８ｍ／秒、標準減速度０．０８ｍ／秒２、
ロープ長６．２０６ｍ（周期Ｔ−２π／Ｔ＝５秒）、初
期振れなしの状態から、目的地までの減速制御をシミュ
レーションにより実施したものである。

１２は＋１１式を用いたＰＩ制御により、走行中にある
クレーンを標準の速度パターンにのせるための制御指示
部であり、クレーンの速度を所定の標準速度に調整する
。

この調整はいわば予備段階のものであシ、＋８でこの速
度調整が完了しているかどうか判別される。

減速調整が終了した場合には、すでに説明した制御方式
に移る。なお、制御方式をどの程度の時間行うかは任意
であるが、例えば４秒とすれば、標準パターンの減速度
β０とこの値から、速度が４．β０となったときに本制
御方式に移ることになる。

１４は各種状態量の入力を示し、１５で特許請求の範囲
＋］）、（２）に示す制御量（この場合は減速度）を決
定する。

１６は特許請求の範囲（３）を実行するための制御の補
正量ｑ△Ｕ、の計算を示し、１７は補正量を考慮した制
御の最終出力を意味する。１８は次の時刻の状態量の入
力を示し、１９で停止判定を行い、停止するまで本制御
方式による制御を繰シ返す。

第３図は、減速時における制御量の時間的変化を示す。

図で点線部は予備段階の制御量の変化でＩＪ）、実線部
は本制御方式による制御量の変化である。

第４図Ａ、Ｂは、減速開始前に初期振れが１０ｃｍあっ
た場合の例である。前例と同様に、最初予備段階のＰＩ
制御を行った後、本制御方式により制御したものである
。但し、゛初期位置は目的地０の手前２．５　ｍ　、初
期速度は１ｍ７秒、ロープ長６．２０６ｍとし、第４図
ＡはＰＩ制御後の本制御方式における速度と距離の関係
、第４図Ｂは振れ角位相の時間的変化を示す。なお、本
例では制御の一次遅れはないものとした例で、１、クレ
ーンの特性は次式で表わされる。

Ｘ−ν シーβ ｘ−１θ覇ｑ、θ 本例の場合の制御量の結果は次の通りである。

最初の１秒間 βＩ−０，７２３６Ｘ　−１，８０９Ｘ−６，３４１０
−７，４７８Ｘ１０−４０次の１秒間 β２−０．４１４５Ｘ−１，８４５Ｘ−５，５０８１１
−１５００吹の１秒間 最後の１秒間 β４−０．２４８２＞’−０，７４４５Ｘ−１４３７１
０−１，７４１０減速終了時（停止時）の停止精度、振
れ止め精度は次の通りであり、また第４図Ａ、Ｈに図示
される。

停止誤差　０．００４５ｃｍ 振れ正誤差　０．００２１ｃｍ 以上は主としてクレーンの減速、停止制御について本発
明の詳細な説明したが、クレーンのスタートよシ一定速
度に達するまでの振れ止め加速制御に適用し、振れのな
いクレーンの走行をはかることもできる。

なお、クレーンの動特式（２）〜（４）式において、制
御のむだ時間、振れの減衰は含めなかったが、これらの
特性を含めても水制御□方式の考え方を容易に適用する
ことができる。

〔作用、効果〕

本発明によれば、たとえ減速開始時にロープが振れ、′
７′、いたり、減速中に外乱の７こめに振れ角付４゛１
１の軌跡が変ったシ、夜いは実測データが不十分でろっ
／こり１．ｆも、振れ角ｊ゛−夕等をフィー　ドパツク
する（′Ｉと匠二より、停止精度、振れ１トめ精度の向
上が期待でき、しかも巻−Ｌげと走行加速との同時制御
もある程度可能となり、ザイクルタイムの大幅な削減を
計るととができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明制御装置の概略をグＶ−１ツタチャート
で示す。 第２図は本発明の制御プログラムの概略を示す。 第３図は本発明実施の説明図である。 第４図はＡ、Ｂはそれぞれ、本発明実施による速度−距
離図と振れ角−振れ角速度（位相）図である。 １・・・速度検出器、２・・・加速度検出器、８・・・
振れ角検出器、４・・・振れ角速度検出器、５・・・高
さ検出器、６・・・重量検出器、７・・・位置検出器、
８・・・駆動制動装置、９・・・自動運転制御装置、１
０、＋１・・・誘導無線線路。 ア１図 首２図　祈６目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＋ｌ）　ロープ吊りクレーンの位置、速度、加速度、ロ
   ープの振れ角、振れ角速度等の状態量を一定時刻ごとに
   フィードバックし、その線形結合または線形結合子定数
   項により、加速度または減速度を決定して前記クレーン
   の駆動系を制御し、加速終了時の振れ止め、または減少
   終了時点の定点停止および振れ止め精度の誤差を小さく
   することを特徴とするロープ吊シクレーンの振れ止めフ
   ィードバック制御装置。 （２）状態量のうち実測できるものが一部分である場合
   、或いは実測データに誤差を含んでいる場合、実測でき
   た現在の状態量と過去の制御量と過去のすべての状態量
   の推定値の線形結合、または線形結合子定数項によシ、
   現在のすべての状態量を推定し、これを状態量として制
   御で用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のロープ吊りクレーンの振れ止めフィードバック制御装
   置。 （３）　制動及び駆動装置の制御効果に一定の偏差があ
   る場合、制御効果として得られるべき速度の予測鎮と、
   実際に得られた速度の実測値との差からこの偏差を推定
   し、決定した加速度まだは減速度に加えて補正するとい
   う適応制御を行うことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のロープ吊シクレーンの振れ止めフィードバック
   制御装置。