DE202023002939U1 - Device for operating a jib crane and jib crane - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung, insbesondere Steuergerät (100), zum Betreiben eines Auslegerdrehkrans (2) mithilfe einer Zustandsregelung, wobei die Zustandsregelung eine Regelung einer Bewegung einer angehängten Last (L) zumindest in einer Bewegungsrichtung bewirkt und auf einem Zustandsvektor basiert, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum:
- Erfassen von Zustandsgrößen des Zustandsvektors, der Angaben zu einer Position und einer Geschwindigkeit (x', θ') eines bewegbaren Aufhängungspunkt (AUP), an den ein Lastsystem, das ein Hubseil (HSL), eine an einem unteren Ende des Hubseils (HSL) angeordnete Lastaufnahmeeinrichtung (UF) und eine unterhalb der Lastaufnahmeeinrichtung (UF) angehängte Last (L) umfasst und Angaben zu einer Lastposition (φx, φy) und einer Lastgeschwindigkeit (φ'x, φ'y) eines Masseschwerpunkts des Lastsystems bezüglich des Aufhängungspunkts (AUP) umfasst,
- Ermitteln mindestens einer Stellgröße (u*LK, u*DW, u*HW) zur Bewegung des Aufhängungspunktes (AUP) in der zumindest einen Bewegungsrichtung basierend auf der Zustandsregelung;
- Ansteuern des Auslegerdrehkrans (2) abhängig von der mindestens einen Stellgröße (u*LK, u*DW. u*HW).
Device, in particular control device (100), for operating a jib crane (2) with the aid of a state control, wherein the state control effects a control of a movement of a suspended load (L) at least in one direction of movement and is based on a state vector, wherein the device is designed to:
- Recording state variables of the state vector, which includes information on a position and a speed (x', θ') of a movable suspension point (AUP) to which a load system comprising a hoisting rope (HSL), a load suspension device (UF) arranged at a lower end of the hoisting rope (HSL) and a load (L) suspended below the load suspension device (UF) and information on a load position (φ x , φ y ) and a load speed (φ' x , φ' y ) of a center of mass of the load system with respect to the suspension point (AUP),
- Determining at least one manipulated variable (u* LK , u* DW , u* HW ) for moving the suspension point (AUP) in the at least one direction of movement based on the state control;
- Control of the jib crane (2) depending on at least one control variable (u* LK , u* DW . u* HW ).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft Auslegerdrehkrane zum Steuern einer Bewegung einer angehängten Last und insbesondere Maßnahmen zur Vermeidung einer Pendelschwingung.The invention relates to jib cranes for controlling a movement of a suspended load and in particular to measures for preventing pendulum swing.
Technischer HintergrundTechnical background
Krane und insbesondere Auslegerdrehkrane bzw. Umschlagkrane, wie z.B. Turmdrehkrane, Mobilkrane und dergleichen, ermöglichen die Bewegung einer Last durch Anhängen der Last an ein Hubseil an einem Ausleger, Aufheben der Last, Bewegen der Last in einer im Wesentlichen horizontalen Ebene und Absetzen der Last. Die Bewegung des Auslegers wird dabei durch geeignete Antriebseinrichtungen bewirkt und das Anheben und Absetzen der Last mithilfe eines mit einem Hubseil verbundenen Hubwerks durchgeführt.Cranes, and in particular jib cranes or handling cranes, such as tower cranes, mobile cranes, and the like, enable the movement of a load by suspending the load from a hoist rope on a boom, lifting the load, moving the load in a substantially horizontal plane, and setting it down. The movement of the boom is effected by suitable drive devices, and the lifting and setting down of the load is carried out using a hoist connected to a hoist rope.
Bei Umschlagkranen kann die Zeit, die für einen Transportzyklus benötigt wird, von ausschlaggebender Rolle für den störungsfreien Betrieb sein. Während eines Transportzyklus soll dabei die unproduktive Stillstandzeit des Krans minimiert sowie die produktive Betriebszeit des Krans optimiert werden.For handling cranes, the time required for a transport cycle can be crucial for trouble-free operation. During a transport cycle, the goal is to minimize unproductive downtime and optimize the crane's productive operating time.
Beispielsweise erfolgt bei einem Turmdrehkran die Bewegung der Last durch Drehen des Auslegers und durch Verfahren einer Laufkatze entlang des Auslegers. Bei Mobildrehkranen erfolgt die Bewegung der Last durch Drehen des Auslegers und ggf. durch Auf- und Niederwippen des Auslegers um eine horizontale Wippachse. Die Antriebseinrichtungen sowie das Hubwerk werden in der Regel von einem Kranführer manuell durch Betätigen geeigneter Bedienelemente einer Kransteuerungseinheit gesteuert, wobei beim Beschleunigen und Abbremsen die angehängte Last bezüglich des Aufhängungspunktes am Ausleger ausgelenkt wird und so eine Pendelbewegung ausgelöst wird. Eine pendelnde Last kann ein Gefährdungspotential sowohl für Bauarbeiter wie auch für Baueinrichtungen darstellen. Zur Vermeidung einer solchen unerwünschten Pendelbewegung der angehängten Last sind aus dem Stand der Technik Maßnahmen zum Dämpfen der Pendelbewegung während des Kranbetriebs bekannt.For example, in a tower crane, the load is moved by rotating the boom and by moving a trolley along the boom. In mobile slewing cranes, the load is moved by rotating the boom and, if necessary, by luffing the boom up and down about a horizontal luffing axis. The drive devices and the hoist are usually controlled manually by a crane operator using suitable controls on a crane control unit. During acceleration and braking, the suspended load is deflected relative to the suspension point on the boom, thus triggering a pendulum movement. A pendulum load can pose a potential hazard to both construction workers and construction equipment. To prevent such undesirable pendulum movement of the suspended load, state-of-the-art measures for dampening the pendulum movement during crane operation are known.
So offenbart beispielsweise die Druckschrift
Aus der Druckschrift
Aus der
Zur Vermeidung der Pendelschwingung ist für die Anwendung in einem Kran bekannt, eine prädiktive Regelung der Kranbewegung vorzunehmen, um Pendelschwingungen zu unterdrücken. Siehe beispielsweise
Aus der Broschüre „
Insbesondere bei komplexen Kranstrukturen sind herkömmliche Pendeldämpfungseinrichtungen unzureichend, um eine Pendelschwingung in ausreichendem Maße zu dämpfen oder zu unterdrücken. Insbesondere sind die vielfältigen dynamischen Effekte beim Anheben, Absetzen und Bewegen der Last aufgrund von vielfältigen Verformungen der Kranstruktur nur unbefriedigend mithilfe eines physikalischen Modells modellierbar, so dass die Pendelschwingung nicht ausreichend gedämpft werden kann.Especially in complex crane structures, conventional sway damping devices are insufficient to adequately dampen or suppress sway. In particular, the diverse dynamic effects during lifting, lowering, and moving of the load due to the diverse deformations of the crane structure cannot be adequately modeled using a physical model, so the sway cannot be adequately damped.
So basieren herkömmliche Verfahren in der Regel auf einer ungefähr angenommene Lastposition, die beispielsweise anhand eines Hubseilwinkels bezüglich der Lotrechten näherungsweise, üblicherweise am Aufhängungspunkt des Hubseils am Ausleger, bestimmt wird. Jedoch kann es aufgrund von Winddruck und sonstigen dynamischen Einflüssen zu transversalen Schwingungen des Hubseils kommen, so dass der gemessene Hubseilwinkel nicht dem Winkel der Strecke zwischen Aufhängungspunkt am Ausleger und Lastschwerpunkt entspricht. Auch wird im Kranbetrieb die anzuhängende Last an einer Lastaufnahmeeinrichtung, wie z.B. an einer Unterflasche, angehängt, so dass aufgrund des nicht vernachlässigbaren Gewichts der Lastaufnahmeeinrichtung ein Doppelpendelsystem entsteht, das bei Anregung häufig eine chaotische Schwingbewegung ausführt. Diese ist mit herkömmlichen physikalischen Modellen nur schwer vorhersagbar, wodurch die Qualität einer lediglich auf dem Hubseilwinkel basierenden Pendeldämpfung erheblich beeinträchtigt ist. Zudem kann die ungenügende Vorhersagbarkeit der Pendelschwingung der Last ein Eingriff des Pendeldämpfungsalgorithmus auch dazu führen, dass sich die Pendelschwingung im ungünstigsten Fall verstärkt.Conventional methods are generally based on an assumed load position, which is determined approximately, for example, using a hoist rope angle relative to the vertical, usually at the hoist rope suspension point on the boom. However, wind pressure and other dynamic influences can lead to transverse oscillations of the hoist rope, so that the measured hoist rope angle does not correspond to the angle of the distance between the suspension point on the boom and the load center of gravity. Furthermore, in crane operation, the load to be suspended is attached to a load-handling device, such as a bottom block, so that the non-negligible weight of the load-handling device creates a double pendulum system that often executes a chaotic oscillating motion when excited. This is difficult to predict using conventional physical models, significantly impairing the quality of sway damping based solely on the hoist rope angle. In addition, the insufficient predictability of the pendulum oscillation of the load can also lead to an intervention of the pendulum damping algorithm, which in the worst case scenario can lead to an increase in the pendulum oscillation.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Auslegerdrehkrans sowie ein Auslegerdrehkran und ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, die in verbesserter Weise eine Pendelschwingung dämpft bzw. unterdrückt und weiterhin zusätzliche Betriebsarten ermöglicht, um den Transportprozess der Last sicherer, schneller und einfacher durchführbar zu machen.It is an object of the present invention to provide a method and a device for operating a jib crane as well as a jib crane and a computer program product for carrying out the method, which dampens or suppresses a pendulum oscillation in an improved manner and further enables additional operating modes in order to make the transport process of the load safer, faster and easier to carry out.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines Auslegerdrehkrans mithilfe einer Zustandsregelung gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung und einen Auslegerdrehkran gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.This object is achieved by the method for operating a jib crane using a state control according to
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Auslegerdrehkrans mithilfe einer Zustandsregelung vorgesehen, wobei die Zustandsregelung eine Regelung einer Bewegung einer angehängten Last zumindest in einer Bewegungsrichtung bewirkt, und auf einem Zustandsvektor basiert, mit folgenden Schritten:
- - Erfassen von Zustandsgrößen des Zustandsvektors, der Angaben zu einer Position und einer Geschwindigkeit eines bewegbaren Aufhängungspunkt, an den ein Lastsystem, das ein Hubseil, eine an einem unteren Ende des Hubseils angeordnete Lastaufnahmeeinrichtung und eine unterhalb der Lastaufnahmeeinrichtung angehängte Last umfasst, angehängt ist, und Angaben zu einer Lastposition und einer Lastgeschwindigkeit eines Masseschwerpunkts des Lastsystems relativ zu dem Aufhängungspunkt umfassen,
- - Ermitteln mindestens einer Stellgröße zur Bewegung des Aufhängungspunktes in der zumindest einen Bewegungsrichtung basierend auf der Zustandsregelung;
- - Betreiben des Auslegerdrehkrans abhängig von der mindestens einen Stellgröße.
- - Recording state variables of the state vector, which includes information on a position and a speed of a movable suspension point to which a load system comprising a hoisting rope, a load-handling device arranged at a lower end of the hoisting rope and a load suspended below the load-handling device is attached, and information on a load position and a load speed of a center of mass of the load system relative to the suspension point,
- - Determining at least one manipulated variable for moving the suspension point in the at least one direction of movement based on the state control;
- - Operation of the jib crane depending on at least one control variable.
Wie eingangs erwähnt, besteht ein Grundproblem beim Transport einer Last mithilfe eines Auslegerdrehkrans darin, die Pendelschwingung der angehängten Last so weit zu dämpfen oder zu unterdrücken, dass ein Anheben und Absetzen sowie das Einhängen und Aushängen der Last durch Baustellenmitarbeiter schnell und in ungefährlicher Weise möglich sind. Ziel ist es, durch Dämpfung der Pendelschwingung in jeder Lasttransportphase zu erreichen, dass keine Pendelschwingung auftritt und so das Aufheben und Absetzen der Last in einem kürzeren Zeitraum erfolgen kann.As mentioned at the beginning, a fundamental problem when transporting a load using a jib crane is dampening or suppressing the pendulum oscillation of the suspended load to such an extent that construction workers can lift and lower the load, as well as suspend and unsuspend the load, quickly and safely. The goal is to dampen the pendulum oscillation during every phase of load transport, preventing any pendulum oscillation from occurring, thus allowing the load to be lifted and lowered in a shorter time.
Das Lastsystem umfasst die angehängte Last, eine Lastaufnahmeeinrichtung, ein Hubseil einstellbarer Länge, dass die Lastaufnahmeeinrichtung an dem Aufhängungspunkt anbindet, und ein Anschlagmittel, mit dem die angehängte Last an der Lastaufnahmeeinrichtung angehängt ist. Aufgrund des massebehafteten Hubseils und der massebehafteten Lastaufnahmeeinrichtung am unteren Ende des Hubseils bildet das schwingende Lastsystem mit der angehängten Last ein Mehrfachpendelsystem, das nicht trivial modellierbar ist und in der Regel zu erratischen Pendelschwingungen bei lateralen Kraftanregungen führt. Daher ist eine genaue Bestimmung der tatsächlichen Lastposition nicht in einfacher Weise möglich.The load system comprises the suspended load, a load suspension device, a hoisting rope of adjustable length that connects the load suspension device to the suspension point, and a sling with which the suspended load is suspended from the load suspension device. Due to the massed hoisting rope and the massed load suspension device at the lower end of the hoisting rope, the The oscillating load system with the suspended load is a multiple pendulum system that is not trivial to model and typically leads to erratic pendulum oscillations when subjected to lateral force excitations. Therefore, an accurate determination of the actual load position is not easily possible.
Die tatsächliche Lastposition kann eine relative Position eines Masseschwerpunkts des gesamten Lastsystems bezüglich des Aufhängungspunktes am Ausleger angeben und kann beispielsweise als eine Angabe zu einer lateralen Lastauslenkung zu einer Lotrechten durch den Aufhängungspunkt und/oder als eine Angabe zu einem Pendelwinkel bezüglich eines Aufhängungspunkts des Lastsystems zu einer Lotrechten durch den Aufhängungspunkt in einer oder mehreren lateralen Bewegungsrichtungen bereitgestellt werden. Die Lastgeschwindigkeit kann der relativen Geschwindigkeit des Masseschwerpunkts des gesamten Lastsystems bezüglich des Aufhängungspunktes entsprechen.The actual load position may indicate a relative position of a center of mass of the entire load system with respect to the suspension point on the boom and may be provided, for example, as an indication of a lateral load deflection relative to a perpendicular through the suspension point and/or as an indication of a sway angle relative to a suspension point of the load system with respect to a perpendicular through the suspension point in one or more lateral directions of movement. The load velocity may correspond to the relative velocity of the center of mass of the entire load system with respect to the suspension point.
Gängige Pendelschwingungsdämpfungsverfahren zur Unterdrückung der Pendelschwingung schätzen die Lastposition, d.h. die Lastauslenkung bzw. den Pendelwinkel, insbesondere ausschließlich anhand eines Hubseilwinkels des Hubseils am Aufhängungspunkt des Auslegers und der Hubseillänge und die Lastgeschwindigkeit durch Ermitteln einer Ableitung des Hubseilwinkels, wodurch in der Realität jedoch keine für die Durchführung einer Zustandsregelung brauchbare Bestimmung der Lastposition und der Lastgeschwindigkeit ermöglicht wird. Eine Verwendung einer dermaßen vereinfachten Bestimmung der Lastposition führt, insbesondere bei Verwendung eines Zustandsreglers, zu einem ungenauen Regelungsverhalten und folglich zu einer unzureichenden Unterdrückung der Pendelschwingung im Kranbetrieb.Common pendulum oscillation damping methods for suppressing pendulum oscillation estimate the load position, i.e., the load deflection or oscillation angle, based exclusively on the hoist rope angle of the hoist rope at the boom suspension point and the hoist rope length, and the load speed by determining a derivative of the hoist rope angle. However, in reality, this does not allow for a useful determination of the load position and load speed for state control. Using such a simplified determination of the load position leads, especially when using a state controller, to inaccurate control behavior and consequently to inadequate suppression of pendulum oscillation during crane operation.
Diesbezüglich ist vorteilhaft, eine Regelung für eine Bewegung der Last auf eine tatsächliche bzw. eine in verbesserter Weise ermittelten Lastposition auszulegen und somit die Störwirkung des Schätzfehlers für die Lastposition zu eliminieren.In this regard, it is advantageous to design a control system for moving the load to an actual or an improved determined load position and thus to eliminate the disturbing effect of the estimation error for the load position.
Dazu kann die Lastposition des Masseschwerpunkts abhängig von einem Hubseilwinkel, der eine Winkelabweichung des an dem Aufhängungspunkt angebrachten Hubseils zur Lotrechten durch den Aufhängungspunkt angibt, von einem Lastseilwinkel, der eine Winkelabweichung eines Masseschwerpunkts bezüglich eines Anhängungspunkts an der Lastaufnahmeeinrichtung zur Lotrechten angibt, von einer Hubseillänge zwischen dem Aufhängungspunkt und einem Masseschwerpunkt der Lastaufnahmeeinrichtung, und von einer Lastseillänge, d.h. einer Länge des Anschlagmittels, zwischen dem Anhängungspunkt und dem Masseschwerpunkt der Last bestimmt werden.For this purpose, the load position of the center of gravity can be determined depending on a hoist rope angle, which indicates an angular deviation of the hoist rope attached to the suspension point from the vertical through the suspension point, on a load rope angle, which indicates an angular deviation of a center of gravity with respect to a suspension point on the load suspension device from the vertical, on a hoist rope length between the suspension point and a center of gravity of the load suspension device, and on a load rope length, i.e. a length of the lifting device, between the suspension point and the center of gravity of the load.
Eine präzisere Bestimmung der Lastposition ermöglicht die Verwendung einer Zustandsregelung für den Betrieb des Auslegerdrehkrans. Dabei eignet sich die Zustandsregelung für die Realisierung verschiedener Betriebsarten des Auslegerdrehkrans. Die Zustandsregelung basiert auf einem Zustandsvektor und liefert bei bereitgestellten Sollvorgaben jeweils eine Stellgröße für die mindestens eine Bewegungsrichtung, insbesondere jeweils eine Verstellgeschwindigkeit einer Antriebseinrichtung, wie z.B. eine Verstellgeschwindigkeit eines Katzfahrwerks eines Turmdrehkrans oder einer Verstellgeschwindigkeit eines Wippwinkels eines Auslegers eines Mobildrehkrans und/oder einer Verstellgeschwindigkeit eines Drehwerks. Die Zustandsregelung wird entsprechend zeitlich festgelegten Regelungszyklen zyklisch ausgeführt, insbesondere mit Regelungszyklusdauern von zwischen 10ms und 500ms, vorzugsweise zwischen 50 ms und 150 ms.A more precise determination of the load position is made possible by using state control for the operation of the jib crane. State control is suitable for implementing various operating modes of the jib crane. State control is based on a state vector and, given the provided target specifications, delivers a manipulated variable for at least one direction of movement, in particular an adjustment speed of a drive device, such as an adjustment speed of a trolley of a tower crane or an adjustment speed of a luffing angle of a boom of a mobile slewing crane and/or an adjustment speed of a slewing gear. State control is executed cyclically according to time-defined control cycles, in particular with control cycle durations of between 10 ms and 500 ms, preferably between 50 ms and 150 ms.
Es hat sich gezeigt, dass eine Zustandsregelung, die auf einem Steuergerät des Auslegerdrehkrans betrieben wird, mit einem Zustandsvektor vorteilhaft ist, der für eine Bewegungsrichtung zum einen die Position und die Geschwindigkeit des Aufhängungspunkts des Lastsystems und zum anderen die Lastposition, d.h. die Position des Masseschwerpunkts des Lastsystems relativ zum Aufhängungspunkt, (z.B. Lastauslenkung, Pendelwinkel) angibt.It has been shown that a state control system operated on a control unit of the jib crane is advantageous with a state vector that specifies, for a direction of movement, on the one hand, the position and speed of the suspension point of the load system and, on the other hand, the load position, i.e. the position of the center of mass of the load system relative to the suspension point (e.g. load deflection, oscillation angle).
Die Lastgeschwindigkeit, d.h. die Pendelwinkelgeschwindigkeit, ergibt sich insbesondere durch zeitliches Ableiten der Änderung der Lastposition (Lastauslenkung/ Pendelwinkel). Der Pendelwinkel gibt den Winkel der tatsächlichen Lastauslenkung, d.h. der Auslenkung des Masseschwerpunkts, bezüglich des Aufhängungspunkts am Ausleger zur Lotrechten durch den Aufhängungspunkts in mindestens einer Bewegungsrichtung, d.h. in einer radialen x-Richtung und/oder einer tangentialen y-Richtung an.The load velocity, i.e., the oscillation angle velocity, is determined by temporally differentiating the change in load position (load deflection/oscillation angle). The oscillation angle indicates the angle of the actual load deflection, i.e., the deflection of the center of mass, relative to the suspension point on the boom to the perpendicular through the suspension point in at least one direction of movement, i.e., in a radial x-direction and/or a tangential y-direction.
Die direkte Anwendung einer Zustandsregelung auf einen solchen Zustandsvektor ermöglicht das Vermeiden jeglicher Ungenauigkeiten, die sich aus elastischen Verformungen ergeben und/oder die durch Quereinflüsse auf die Last und die Lastanhängung bewirkt werden. Die Zustandsregelung kann ausgelegt sein, um z.B. bei einem Mobilkran auf das Drehwerk für die Auslegerdrehung und die Antriebseinrichtung für ein Auslegerwippen oder z.B. bei einem Turmdrehkran auf ein Drehwerk für die Auslegerdrehung und ein Katzfahrwerk für ein Verfahren einer Laufkatze sowie auf ein Hubwerk separat zu wirken, da die Dynamiken der einzelnen Bewegungssysteme sehr unterschiedlich sind. Somit kann eine Bewegung der Last in radialer Richtung durch Ansteuern der entsprechenden Antriebseinrichtung zum Wippen bzw. durch Ansteuern des Katzfahrwerks zum Bewegen der Laufkatze entsprechend einer Stellgröße angesteuert werden, während eine Bewegung in tangentialer Richtung, d. h. um die Drehachse des Auslegers, durch eine Ansteuerung des Drehwerks für eine Auslegerdrehung erreicht werden.The direct application of a state control to such a state vector makes it possible to avoid any inaccuracies resulting from elastic deformations and/or caused by transverse influences on the load and the load attachment. The state control can be designed, for example, to control the slewing gear for the boom rotation and the drive device for a boom luffing in a mobile crane or, for example, to control the slewing gear for the boom rotation and a The trolley for moving a trolley and the hoist must act separately, as the dynamics of the individual motion systems are very different. Thus, a radial movement of the load can be controlled by controlling the corresponding drive device for luffing or by controlling the trolley to move the trolley according to a control variable, while a tangential movement, i.e., around the axis of rotation of the boom, can be achieved by controlling the slewing gear for boom rotation.
Die Regelungen können entsprechend separat voneinander ausgelegt und implementiert werden. Auf diese Weise können diverse Funktionen einschließlich einer Pendeldämpfungsfunktion in verschiedenen Bewegungsrichtungen realisiert werden und die entsprechenden Zustandsregler in geeigneter Weise auf die unterschiedlichen Stelldynamiken der Antriebseinrichtungen (Drehwerk, Katzfahrwerk etc.) angepasst werden.The controls can be designed and implemented separately from one another. This allows various functions, including a sway damping function, to be implemented in different directions of motion, and the corresponding state controllers can be adapted appropriately to the different control dynamics of the drive devices (slewing gear, trolley, etc.).
Durch die Verwendung eines Zustandsreglers ist es möglich, die Trajektorien der Stellgrößen zum Ansteuern der Antriebseinrichtungen zum Bewegen angehängten Last exakt vorzugeben, so dass z.B. während der Lastbewegung ein Pendelschwingen der bewegten Last vermieden wird.By using a state controller, it is possible to precisely specify the trajectories of the manipulated variables for controlling the drive devices for moving the suspended load, so that, for example, pendulum swinging of the moving load is avoided during load movement.
Das Unterdrücken des Aufschwingens der Last in allen Phasen während des Kranbetriebs ermöglicht es, zu jedem Zeitpunkt während des Lasttransportvorgangs, d. h. eines Vorgangs des Anhängens der Last, des Anhebens der Last, des Bewegens des Last, des Absenkens der Last und des Abhängens der Last, eine Pendelschwingung zu unterdrücken und somit einen schnelleren Transportvorgang zu gewährleisten, da Wartezeiten aufgrund von Ausschwingvorgängen vermieden werden können.Suppressing the swinging of the load in all phases during crane operation makes it possible to suppress swaying at any time during the load transport process, i.e. a process of suspending the load, lifting the load, moving the load, lowering the load and unsuspending the load, and thus ensure a faster transport process, as waiting times due to swinging processes can be avoided.
Das Lastsystem bildet ein Mehrfachpendelsystem zwischen dem Aufhängungspunkt an der Laufkatze LK und dem Massenschwerpunkt der angehängten Last, bei dem weitere nicht vernachlässigbare Massen entlang der Lastaufhängung vorliegen, wie beispielsweise der Lastaufnahmeeinrichtung, das einen weiteren Scheitelpunkt einer Pendelbewegung bildet. Es wurde festgestellt, dass das Doppel- oder Mehrfachpendelsystem des Lastsystems aus Hubseil, Lastaufnahmeeinrichtung, Lastseil und angehängter Last für die Implementierung der Zustandsregelung als Einfachpendel betrachtet werden kann, wenn die Lastposition bezüglich des Aufhängungspunktes an dem Ausleger durch das Verfahren der Sensorfusion oder alternativer Verfahren in genauerer Weise bestimmt wird.The load system forms a multiple pendulum system between the suspension point on the trolley LK and the center of mass of the suspended load. This system includes other non-negligible masses along the load suspension, such as the load suspension device, which forms another vertex of a pendulum motion. It was determined that the double or multiple pendulum system of the load system, consisting of hoist rope, load suspension device, load rope, and suspended load, can be considered a single pendulum for the implementation of state control if the load position relative to the suspension point on the boom is determined more accurately using sensor fusion or alternative methods.
Grundsätzlich kann das Bestimmen der tatsächlichen Lastposition auf vielfältige Weise erfolgen. So kann beispielsweise mit einem Lokalisierungssystem, das einen Positionsvektor von einem ortsfesten Punkt und einem Punkt an der angehängten Last bestimmt, zur Bestimmung der Lastposition verwendet werden. Hierzu können beispielsweise Kamerasystem- oder Transpondersystem-gestützten Lokalisierungssysteme verwendet werden, wie beispielsweise aus
Weiterhin hat sich eine Ermittlung der relativen Lastposition durch eine Sensordatenfusion einer ersten Winkelsensoreinrichtung und einer zweiten Winkelsensoreinrichtung bewährt, die Winkelangaben erfassen und an ein Steuergerät übermittelt. Die erste Winkelsensoreinrichtung ist an dem Aufhängungspunkt des Hubseils an dem Ausleger angeordnet, um einen Hubseilwinkel in x- und/oder y-Richtung, d. h. in radialer und/oder tangentialer Richtung bezüglich der Auslegerdrehachse, zu ermitteln. Der Hubseilwinkel wird bezüglich der Lotrechten durch den Aufhängungspunkt ermittelt.Furthermore, determining the relative load position by merging sensor data from a first angle sensor device and a second angle sensor device has proven effective. These two devices capture angle information and transmit it to a control unit. The first angle sensor device is arranged at the suspension point of the hoist rope on the boom to determine a hoist rope angle in the x- and/or y-direction, i.e., in the radial and/or tangential direction relative to the boom rotation axis. The hoist rope angle is determined relative to the perpendicular through the suspension point.
Da der Hubseilwinkel des Hubseils bezüglich der Lotrechten bestimmt werden muss, kann vorzugsweise eine Kompensation des gemessenen Auslegerwinkels am Aufhängungspunkt des Hubseils vorgesehen sein. Hierbei kann eine Drehwinkeldifferenz zu dem Drehwinkel um den Auslegerdrehpunkt aufgrund einer elastischen Verbiegung des Auslegers z.B. mithilfe eines an sich bekannten physikalischen Modells oder durch eine Messung berücksichtigt werden. Auch kann der Wippwinkel (in vertikaler Richtung) und eine Wippwinkeldifferenz (Neigungswinkel) des Auslegers in der Vertikalen aufgrund einer elastischen Verbiegung des Auslegers z.B. mithilfe eines an sich bekannten physikalischen Modells oder durch eine Messung berücksichtigt werden.Since the hoist rope angle of the hoist rope must be determined relative to the vertical, compensation of the measured boom angle at the hoist rope suspension point can preferably be provided. This can take into account a rotation angle difference from the rotation angle around the boom pivot point due to elastic bending of the boom, e.g., using a known physical model or through a measurement. The luffing angle (in the vertical direction) and a luffing angle difference (tilt angle) of the boom in the vertical direction due to elastic bending of the boom can also be taken into account, e.g., using a known physical model or through a measurement.
Mithilfe der zweiten Winkelsensoreinrichtung z.B. an der an dem Hubseil angehängten Lastaufnahmeeinrichtung kann ein Lastseilwinkel der angehängten Last bezüglich der Lotrechten durch einen Anhängungspunkt der Last an der Lastaufnahmeeinrichtung in der x- und/oder y-Richtung bestimmt werden. Durch Fusionieren des Hubseilwinkels und des Lastseilwinkels (jeweils in gleichen Richtungen) kann bei Kenntnis der Hubseillänge, d. h. der Abstand zwischen dem Aufhängungspunkt an dem Ausleger und dem Massenschwerpunkt der Lastaufnahmeeinrichtung, und bei Kenntnis oder Vorgabe der Länge des Anschlagmittels bzw. des Lastseils, mit dem die Last an der Lastaufnahmeeinrichtung angehängt ist, die relative Lastposition, d.h. die laterale Lastauslenkung des Masseschwerpunkts des Lastsystems zur Lotrechten durch den Aufhängungspunkt oder der Pendelwinkel des Masseschwerpunkts des Lastsystems in Bezug zu der Lotrechten durch den Aufhängungspunkt an dem Ausleger bestimmt werden. Die Ermittlung der Lastposition kann durch die Anwendung an sich bekannter trigonometrischer Funktionen oder durch eine Näherung aufgrund der relativ geringen Hubseilwinkeln und Lastseilwinkeln von jeweils < 5° anhand einer linearen Funktion erfolgen.Using the second angle sensor device, e.g. on the load suspension device attached to the hoist rope, a load rope angle of the suspended load with respect to the vertical through a suspension point of the load on the load suspension device can be determined in the x- and/or y-direction. By fusing the hoist rope angle and the load rope angle (each in the same direction), with knowledge of the hoist rope length, ie the distance between the suspension point on the boom and the center of mass of the load suspension device, and with knowledge or specification of the length of the sling or the load rope with which the load is suspended from the load-handling device, the relative load position, i.e. the lateral load deflection of the load system's center of mass relative to the vertical through the suspension point or the pendulum angle of the load system's center of mass relative to the vertical through the suspension point on the boom, can be determined. The load position can be determined by applying trigonometric functions known per se or by an approximation based on a linear function due to the relatively small hoist rope angles and load rope angles of < 5° each.
Der Auslegerdrehkran kann dann basierend auf dem so angenommenen virtuellen Einfachpendelsystem mithilfe des Zustandsreglers ohne Berücksichtigung der elastischen Verformung von Kranstrukturen aufgrund von Torsions- und Biegemomenten betrieben werden, so dass die Implementierung der entsprechenden Zustandsregelung in einfacherer Weise möglich ist.The jib crane can then be operated based on the assumed virtual single pendulum system using the state controller without considering the elastic deformation of crane structures due to torsional and bending moments, so that the implementation of the corresponding state control is possible in a simpler way.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zustandsregelung implementiert ist, indem bei einer Änderung eines Kranzustands, insbesondere bei einer Änderung einer Hubseillänge, und insbesondere abhängig von einer Masse der angehängten Last und/oder einer radialen Position des Aufhängungspunkts, eine Parametrierung einer Zustandsraumbeschreibung im Zustandsraum aktualisiert wird und durch ein Verfahren der Polvorgabe oder ein auf der LQ-Methode basierendes Verfahren eine Linearkombination der Regelabweichungen der Zustandsgrößen ermittelt wird, die zur Berechnung der mindestens einen Stellgröße zur Bewegung des Aufhängungspunktes verwendet wird.It can be provided that the state control is implemented in that, when a crane state changes, in particular when a hoist rope length changes, and in particular depending on a mass of the suspended load and/or a radial position of the suspension point, a parameterization of a state space description is updated in the state space and a linear combination of the control deviations of the state variables is determined by a pole specification method or a method based on the LQ method, which is used to calculate the at least one manipulated variable for moving the suspension point.
So entspricht eine Zustandsraumdarstellung für eine Bewegungsrichtung in radialer Richtung (x-Richtung)
Eine beispielhafte Parametrierung der System-Matrix ALK und des Eingangsvektors bLK ist wie folgt:
Und beispielsweise:
Hier ändert sich die Parametrisierung der System-Matrix ALK und des Eingangsvektors bLK bei jeder Änderung der Pendellänge I.Here, the parameterization of the system matrix A LK and the input vector b LK changes with each change of the pendulum length I.
Durch Anwenden eines Polvorgabeverfahrens oder einer LQ-Methode kann sich für eine aktualisierte System-Matrix ALK ein x-Richtung bezogener Regelungsvektor Kx= [K1, K2, K3, K4]T für eine Regelungsgleichung ergeben, die auf die Bewegung des Aufhängungspunkts angewendet wird:
Das Polvorgabeverfahren und die LQ-Methode sind aus dem Stand der Technik weithin bekannt, wie z.B. aus
Weiterhin kann eine Zustandsraumdarstellung für eine Bewegungsrichtung in tangentialer Richtung (y-Richtung bzw. θ-Richtung) entsprechen
Eine beispielhafte Parametrierung der System-Matrix ADW und des Eingang-Vektors bDW ist wie folgt:
Und beispielsweise:
Durch Anwenden des Polvorgabeverfahrens oder der LQ-Methode kann sich ein y-Richtung bezogener Regelungsvektor Ky= [K5, K6, K7, K8]T für eine Regelungsgleichung ergeben, die auf die Bewegung des Aufhängungspunkts angewendet wird:
Auch ist es dadurch möglich, die Zustandsregelung an verschiedene Krankonfigurationen in einfacher Weise durch Auswahl einer überschaubaren Anzahl von Regelungsparameter anzupassen. Die Zustandsregelung kann auf einem Zustandsvektor Z basieren, der die Lastposition und die Lastgeschwindigkeit (relativ zu dem Aufhängungspunkt), d.h. eine Lastauslenkung und eine Lastauslenkungsgeschwindigkeit und/oder den Pendelwinkel und die Pendelwinkelgeschwindigkeit in einer oder zwei lateralen Bewegungsrichtungen umfasst. Der Zustandsvektor Z kann weiterhin eine Angabe zur aktuellen Stellposition und Verstellgeschwindigkeit des betreffenden Stellelements, d.h. des Auslegers, der Laufkatze und dergleichen, in der betreffenden x- oder y-Richtung umfassen. Die aktuelle Verstellgeschwindigkeit in x-Richtung entspricht oder ist abhängig von beispielsweise einer Wippgeschwindigkeit des Auslegers bei einem Mobilkran oder einer Laufkatzgeschwindigkeit bei einem Turmdrehkran und in y-Richtung einer Drehwinkelgeschwindigkeit des Auslegers. Entsprechend entspricht z.B. die Stellposition dem Wippwinkel bzw. der Position der Laufkatze am Ausleger für die x-Richtung und dem Drehwinkel für die y-Richtung.This also makes it possible to easily adapt the state control to different crane configurations by selecting a manageable number of control parameters. The state control can be based on a state vector Z, which includes the load position and the load speed (relative to the suspension point), i.e., a load deflection and a load deflection speed and/or the oscillation angle and the oscillation angular speed in one or two lateral directions of movement. The state vector Z can further include information on the current setting position and adjustment speed of the relevant control element, i.e., the boom, the trolley, and the like, in the relevant x- or y-direction. The current adjustment speed in the x-direction corresponds to or is dependent on, for example, a luffing speed of the boom in a mobile crane or a trolley speed in a tower crane, and in the y-direction, a rotation angular speed of the boom. Accordingly, for example, the setting position corresponds to the luffing angle or the position of the trolley on the boom for the x-direction and the rotation angle for the y-direction.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zustandsregelung betrieben wird, um eine Pendeldämpfungsfunktion zu realisieren, wenn insbesondere ein manueller oder automatisierter Kranbetrieb eine Geschwindigkeit des Aufhängungspunkts für zumindest eine der Bewegungsrichtungen vorgibt, wobei zur Pendelschwingungsdämpfung eine Sollvorgabe der Angabe zu der Lastposition und der Lastgeschwindigkeit des Masseschwerpunkts des Lastsystems von jeweils Null vorgegeben wird, die Sollvorgabe für die Geschwindigkeit des Aufhängungspunkts Null und die Sollvorgabe für eine Position des Aufhängungspunkts als eine abhängig von der vorgegebenen Geschwindigkeit des Aufhängungspunkts bestimmten Position vorgegeben wird.It can be provided that the state control is operated in order to implement a sway damping function, in particular when a manual or automated crane operation specifies a speed of the suspension point for at least one of the directions of movement, wherein for the purpose of sway damping a target specification of the information on the load position and the load speed of the center of mass of the load system is specified as zero, the target specification for the speed of the suspension point is specified as zero and the target specification for a position of the suspension point is specified as a position determined depending on the specified speed of the suspension point.
Eine Pendeldämpfung erfolgt bei aktiver Zustandsregelung durch Vorgabe einer Lastposition und einer Lastgeschwindigkeit von φxsoll, φysoll = 0, φ'xsoll, φ'ysoll, d.h. durch Vorgabe einer Lastauslenkung von 0 und einer Lastauslenkungsgeschwindigkeit von 0 und/oder durch Vorgabe eines Pendelwinkels von 0 und einer Pendelwinkelgeschwindigkeit von 0. D.h. es ist Regelungsziel, dass keine Relativbewegung des Masseschwerpunkts des Lastsystems zum Aufhängungspunkt stattfindet und der Masseschwerpunkts exakt lotrecht unter dem Aufhängungspunkt ist.With active state control, sway damping is achieved by specifying a load position and a load speed of φ xsoll , φ ysoll = 0, φ' xsoll , φ' ysoll , i.e. by specifying a load deflection of 0 and a load deflection speed of 0 and/or by specifying a sway angle of 0 and a sway angular speed of 0. This means that the control objective is that there is no relative movement of the center of mass of the load system to the suspension point and that the center of mass is exactly perpendicular below the suspension point.
Die Sollvorgabe x'soll, θ'soll für die Geschwindigkeit des Aufhängungspunkts einer manuell oder automatisiert vorgegebenen Sollgröße entspricht Null während die Sollvorgabe der Position des Aufhängungspunkts abhängig von der durch den Kranbetrieb vorgegebenen Geschwindigkeit des Aufhängungspunkts bestimmt wird. So kann die Sollposition des Aufhängungspunktes sich durch zeitliche Akkumulation von Streckeninkrementen ergeben, die jeweils dem Produkt der durch den Kranbetrieb vorgegebenen Sollvorgabe der Geschwindigkeit mit der Regelungszyklusdauer entspricht, um ein Überschwingen bei Erreichen der Endposition zu vermeiden. So kann beispielsweise bei einer Bedienung durch den Kranführer eine Bewegungsgeschwindigkeit des Wippens des Auslegers oder der Laufkatze in x- und/oder durch Drehung des Auslegers in y-Richtung vorgegeben werden, um die Last entsprechend dem Bedienungswunsch zu bewegen.The target value x' target , θ' target for the speed of the suspension point corresponds to a manually or automatically specified target value and is equal to zero, while the target value for the position of the suspension point is determined depending on the speed of the suspension point specified by the crane operation. The target position of the suspension point can thus be determined by the temporal accumulation of distance increments, each of which corresponds to the product of the target speed specified by the crane operation and the control cycle duration, in order to avoid overshoot when the end position is reached. For example, when operated by the crane operator, a movement speed of the luffing of the boom or trolley in the x-direction and/or by rotating the boom in the y-direction can be specified in order to move the load according to the operator's wishes.
Die Sollvorgabe kann durch Eingabe mit einem Joystick oder dergleichen vorgenommen werden und entspricht einer gewünschten Verstellgeschwindigkeit einer entsprechenden Antriebseinrichtung, insbesondere in Form einer Drehzahl eines Motors der Antriebseinrichtung in Form eines Drehwerks und/oder eines Katzfahrwerks und dergleichen. Die Sollvorgabe der Geschwindigkeit kann über die Regelung indirekt die Stellgrößen zur Bewegung des Aufhängungspunkts oder entsprechend einer mechanischen Kopplung durch eine Über- oder Untersetzung gemäß einer vorgegebenen (für die Krankonfiguration bekannten) Kopplungsfunktion die Stellgrößen für die Geschwindigkeit des Aufhängungspunktes vorgeben.The target specification can be made by input using a joystick or the like and corresponds to a desired adjustment speed of a corresponding drive device, in particular in the form of a motor speed of the drive device in the form of a slewing gear and/or a trolley, etc. The target specification of the speed can indirectly specify the control variables for the movement of the suspension point via the control system or, according to a mechanical coupling, by means of a step-up or step-down gear according to a predefined coupling function (known for the crane configuration).
Durch Vorgabe von Sollzuständen können verschiedene Betriebsfunktionen realisiert werden. Bei der Pendeldämpfungsfunktion im laufenden Kranbetrieb wird die vom Kranführer vorgegebene Verstellgeschwindigkeit (x- und/oder y-Richtung) zu einer Sollvorgabe für die Position des Aufhängungspunkts in x- bzw. y-Richtung xsoll, θsoll abhängig von der Regelungszyklusdauer zyklisch akkumuliert während in diesem Fall keine Sollvorgabe für die Geschwindigkeit des Aufhängungspunkts x'soll, θ'soll angenommen wird.By specifying target states, various operating functions can be implemented. In the sway damping function during ongoing crane operation, the adjustment speed (x and/or y direction) specified by the crane operator is cyclically accumulated to a target value for the position of the suspension point in the x and/or y directions x target , θ target depending on the control cycle duration. In this case, no target value is assumed for the speed of the suspension point x' target , θ' target .
Die Pendeldämpfungsfunktion ist während des Kranbetriebs aktiv. Der Kranbetrieb zeichnet sich dadurch aus, dass eine der Sollvorgaben ungleich null ist, oder dass ein Bedienelement zur Bewegung des Krans betätigt wird. Die Pendeldämpfungsfunktion kann aktiv bleiben, solange eine vorbestimmte Nachlaufzeitdauer nach Wegfall der Bedienung eines Bedienelements noch nicht verstrichen ist.The sway control function is active during crane operation. Crane operation is characterized by one of the target values being other than zero, or by a control element being operated to move the crane. The sway control function can remain active as long as a predetermined follow-up time has not yet elapsed after a control element is no longer operated.
Die Implementierung der Zustandsregelung ermöglicht die Implementierung weiterer Komfortfunktionen für die Bedienung des Auslegerdrehkrans.The implementation of the state control enables the implementation of additional comfort functions for the operation of the jib crane.
Wie oben beschrieben, wird die Regelung nur während des aktiven Kranbetriebs ausgeführt und endet eine vorbestimmte Nachlaufzeit nach Wegfall der Bedienung oder nach Beenden einer automatischen Steuerung einer Kranbewegung. Jedoch kann es vorkommen, dass nach dem Beenden des Kranbetriebs und nach dem Deaktivieren der Zustandsregelung eine Restpendelschwingung verbleibt, beispielsweise aufgrund von Störeinflüssen oder dergleichen. Diesbezüglich kann durch aktives Betätigen des ersten Bedienelements durch einen Kranführer oder durch einen sonstigen Baustellenmitarbeiter, der mit der Kransteuereinheit in entsprechender Kommunikationsverbindung steht, die Pendeldämpfungsfunktion auch bei stillstehendem Auslegerdrehkran für eine vorbestimmte Zeitdauer aktiviert werden, wobei die Sollzustandsgröße der Lastposition und der Lastgeschwindigkeit, d.h. des Pendelwinkels und der Pendelwinkelgeschwindigkeit bzw. der Lastauslenkung und der Lastauslenkungsgeschwindigkeit auf null gesetzt werden. Nach der Betätigung des ersten Bedienelements bleibt die Zustandsregelung für eine vorbestimmte Nachlaufzeitdauer von zwischen 5 und 20 s aktiv oder so lange aktiv, bis die Lastposition und die Lastgeschwindigkeit für eine bestimmten Zeitdauer von z.B. zwischen 1s und 5s keine Lastbewegung angibt oder eine Lastbewegung von weniger als ein vorgegebener Schwellenwert angibt.As described above, the control is only executed during active crane operation and ends after a predetermined run-on time after the operator is no longer in control or after the automatic control of a crane movement has ended. However, it may happen that a residual sway remains after the crane operation has ended and after the state control has been deactivated, for example due to interference or the like. In this regard, by actively actuating the first control element by a crane operator or by another construction site employee who has an appropriate communication link with the crane control unit, the sway damping function can be activated for a predetermined period of time even when the jib crane is stationary, whereby the target state variables of the load position and the load speed, i.e., the sway angle and the sway angular speed or the load deflection and the load deflection speed, are set to zero. After actuation of the first control element, the state control remains active for a predetermined follow-up time of between 5 and 20 s or until the load position and the load speed indicate no load movement for a certain period of time, e.g. between 1 s and 5 s, or indicate a load movement of less than a predetermined threshold value.
Weiterhin kann nach Betätigen des entsprechenden ersten Bedienelements in an sich bekannter Weise eine Scheitelposition der Pendelschwingung ermittelt werden und als Sollposition festgelegt werden. Zudem kann die Nachlaufzeit der aktiven Zustandsregelung entsprechend der Schwingungsperiodendauer festgelegt werden, wobei die Nachlaufzeit entsprechend der halben Periodendauer festgelegt werden kann.Furthermore, after actuating the corresponding first control element, a peak position of the pendulum oscillation can be determined in a conventional manner and set as the target position. Furthermore, the follow-up time of the active state control can be set according to the oscillation period, whereby the follow-up time can be set according to half the period.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zustandsregelung betrieben wird oder betreibbar ist, um eine Störgrößenausgleichsfunktion zu realisieren, wobei der Störgrößenausgleichsfunktion kontinuierlich eine Sollvorgabe der Angabe zu der Position des Aufhängungspunkts, die abhängig von einer gespeicherten absoluten Position der Last bestimmt wird, und eine Sollvorgabe der Geschwindigkeit des Aufhängungspunkts von Null vorgegeben werden und die Lastposition und die Lastgeschwindigkeit des Masseschwerpunkts des Lastsystems unberücksichtigt bleiben, insbesondere indem die entsprechenden Regelabweichungen der Lastposition und der Lastgeschwindigkeit des Masseschwerpunkts des Lastsystems während der aktivierten Störgrößenausgleichsfunktion auf null gesetzt werden, wobei insbesondere die Sollvorgabe der Angabe zu der Position des Aufhängungspunktes basierend auf der aktuellen Lastposition des Masseschwerpunkts, einer Pendellänge des Lastsystems und der aktuellen Position des Aufhängungspunktes bestimmt wird.It can be provided that the state control is operated or operable to implement a disturbance compensation function, wherein the disturbance compensation function is continuously provided with a target specification of the information on the position of the suspension point, which is determined as a function of a stored absolute position of the load, and a target specification of the speed of the suspension point of zero, and the load position and the load speed of the center of mass of the load system are disregarded, in particular by setting the corresponding control deviations of the load position and the load speed of the center of mass of the load system to zero while the disturbance compensation function is activated, wherein in particular the target specification of the information on the position of the suspension point is determined based on the current load position of the center of mass, a pendulum length of the load system and the current position of the suspension point.
Als eine weitere alternative oder zusätzliche Betriebsfunktion kann somit eine Störgrößenausgleichsfunktion vorgesehen werden. Dabei kann bei Aktivieren der Störgrößenausgleichsfunktion z.B. durch Betätigen eines zweiten Bedienelement, die aktuelle absolute Position der Last als Soll-Position vorgegeben oder gespeichert werden. Die aktuelle absolute Position der Last ergibt sich dabei als eine zum Aktivierungszeitpunkt der Störgrößenausgleichsfunktion vorliegende Position des Aufhängungspunkt am Ausleger und der vorliegenden Lastposition in Form einer Auslenkung zur Lotrechten durch Addition in einer oder beiden lateralen Richtungen, wobei die absolute Position der Last mithilfe der Lastauslenkung oder des Pendelwinkels z.B. durch Anwenden trigonometrischer Funktionen berechnet wird. Die Regelung erfolgt dann entsprechend der zyklisch an die jeweilige Lastposition des Masseschwerpunkts des Lastsystems und entsprechenden Lastgeschwindigkeit angepassten Sollvorgaben für eine absolute Position des Aufhängungspunktes. Dabei bleiben die Lastposition und die Lastgeschwindigkeit bei der Regelung unberücksichtigt, insbesondere indem die entsprechende Regelabweichung oder das zugehörige Element (Faktor) des Regelungsvektors K während der aktivierten Störgrößenausgleichsfunktion auf null gesetzt werden.A disturbance compensation function can therefore be provided as a further alternative or additional operating function. When the disturbance compensation function is activated, e.g. by operating a second control element, the current absolute position of the load can be specified or saved as a target position. The current absolute position of the load is determined as the position of the suspension point on the boom at the time the disturbance compensation function is activated and the current load position in the form of a deflection from the vertical by adding them in one or both lateral directions, whereby the absolute position of the load is calculated using the load deflection or the pendulum angle, e.g. by applying trigonometric functions. Control then takes place according to the target specifications for an absolute position of the suspension point, which are cyclically adapted to the respective load position of the center of mass of the load system and the corresponding load speed. The load position and the load speed are not taken into account in the control, in particular by setting the corresponding control deviation or the associated element (factor) of the control vector K to zero during the activated disturbance compensation function.
Die Störgrößenausgleichsfunktion kann manuell aktiviert und deaktiviert werden. Die Störgrößenausgleichsfunktion kann sich automatisch abschalten, wenn ein aktiver Kranbetrieb angefordert wird, da dann das aktive Pendeldämpfungsverfahren aktiviert wird und keine gespeicherte absolute Position des Masseschwerpunkts des Lastsystems mehr gehalten werden soll.The disturbance compensation function can be manually activated and deactivated. The disturbance compensation function can be automatically deactivated when active crane operation is requested, as the active sway control procedure is then activated and a stored absolute position of the load system's center of mass is no longer to be maintained.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zustandsregelung betrieben wird oder betreibbar ist, um eine Positionierfunktion auszuführen, wobei der Zustandsregelung als Sollvorgaben die Angabe zu der relativen Position und der relativen Geschwindigkeit des Masseschwerpunkts des Lastsystems von Null vorgegeben werden und die Position und die Geschwindigkeit des Aufhängungspunkts unberücksichtigt bleiben, insbesondere indem die entsprechenden Regelabweichungen während der aktivierten Positionierfunktion oder das zugehörige Element (Faktor) des Regelungsvektors K auf null gesetzt werden.It can be provided that the state control is operated or operable to carry out a positioning function, wherein the state control is given the information on the relative position and the relative speed of the center of mass of the load system as target specifications of zero and the position and the speed of the suspension point are disregarded, in particular by setting the corresponding control deviations during the activated positioning function or the associated element (factor) of the control vector K to zero.
Gemäß der Positionierfunktion kann bei Betätigung eines geeigneten dritten Bedienelements, insbesondere durch einen Baustellenmitarbeiter, der über ein mobiles Bediengerät mit dem Steuergerät des Auslegerdrehkrans in Verbindung steht, eine Regelung auf die Lastposition und Lastgeschwindigkeit des Masseschwerpunkts des Lastsystems aktiviert werden, wobei keine Regelung auf eine Position des Aufhängungspunkts vorgenommen wird. Somit wird nur auf die Lastposition (Lastauslenkung bzw. den Pendelwinkel) bzw. die Lastgeschwindigkeit (Lastauslenkungsgeschwindigkeit bzw. die Pendelwinkelgeschwindigkeit) von jeweils Null geregelt. Während das dritte Bedienelement, das vorzugsweise als Tastelement ausgebildet ist, aktiv gehalten wird, kann die Last oder die Lastaufnahmeeinrichtung manuell bewegt werden. Durch Ausüben einer seitlichen Kraft auf die Lastaufnahmeeinrichtung oder die Last führt die aktive Positionierfunktion dazu, dass die Lastaufnahmeeinrichtung seitlich verschoben wird, da die aktive Zustandsregelung versucht, den/die durch die seitliche Kraft von null abweichende Lastposition (Lastauslenkung bzw. Pendelwinkel) zurück auf die Sollvorgabe von null zu regeln. Dadurch werden die entsprechenden Antriebseinrichtungen so bewegt, dass die Ausgleichsbewegung in Richtung der auf die Lastaufnahmeeinrichtung ausgeübten Kraft erfolgt. Nach dem Deaktivieren bzw. Loslassen des dritten Bedienelements kann die oben beschriebene Pendeldämpfungsregelung für eine vorgegebene Zeitdauer von beispielsweise zwischen 5 und 20 s aktiviert werden, um verbleibende Restschwingungen zu reduzieren.According to the positioning function, upon actuation of a suitable third control element, in particular by a construction site employee who is connected to the control unit of the jib crane via a mobile control device, a control of the load position and load speed of the center of gravity of the load system can be activated, whereby no control is carried out for the position of the suspension point. Thus, only the load position (load deflection or the pendulum angle) and the load speed (load deflection speed or the pendulum angle speed), each of which is zero, are controlled. While the third control element, which is preferably designed as a touch element, is kept active, the load or the load handling device can be moved manually. By exerting a lateral force on the load handling device or the load, the active positioning function causes the load handling device to be displaced laterally, since the active state control attempts to control the load position (load deflection or pendulum angle), which deviates from zero due to the lateral force, back to the target value of zero. This moves the corresponding drive devices so that the compensating movement occurs in the direction of the force exerted on the load-handling device. After deactivating or releasing the third control element, the sway damping control described above can be activated for a specified period of time, for example, between 5 and 20 seconds, to reduce any remaining residual vibrations.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zustandsregelung betrieben wird oder betreibbar ist, um eine Lastanhebefunktion zu realisieren, wenn eine Last angehoben werden soll, wobei die Angabe zu der Lastposition ermittelt wird, wenn eine Hubkraft auf das Hubseil einen vorgegebenen Hubkraftschwellenwert übersteigt und die Last noch nicht abgehoben ist, wobei die Zustandsregelung mit Sollvorgaben für die Lastposition und die Lastgeschwindigkeit und einer Geschwindigkeit des Aufhängungspunkts von Null durchgeführt wird, wobei die Regelabweichung zur Position des Aufhängungspunkts unberücksichtigt bleibt, insbesondere indem die entsprechenden Regelabweichungen oder das zugehörige Element (Faktor) des Regelungsvektors K während der aktivierten Lastanhebefunktion auf null gesetzt werden.It can be provided that the state control is operated or operable to implement a load lifting function when a load is to be lifted, wherein the information on the load position is determined when a lifting force on the hoisting rope exceeds a predetermined lifting force threshold value and the load has not yet been lifted, wherein the state control is carried out with target specifications for the load position and the load speed and a speed of the suspension point of zero, wherein the control deviation for the position of the suspension point is not taken into account, in particular by setting the corresponding control deviations or the associated element (factor) of the control vector K to zero during the activated load lifting function.
Insbesondere kann die Lastanhebefunktion bei einem Anheben der angehängten Last im laufenden Kranbetrieb aktiviert werden. In der Praxis tritt in der Regel der Fall auf, dass beim Anhängen der Last der Massenschwerpunkt und der Aufhängungspunkt des Hubseils nicht exakt lotrecht sind. Beim Anheben der Last würde nun aufgrund einer relativen Position des Masseschwerpunkts des Lastsystems von ungleich null eine ggfs. erhebliche Pendelbewegung auftreten. Daher ist vorgesehen, dass vor dem Anheben der Last zunächst das Hubseil so angezogen wird, dass dieses gespannt ist. Das Spannen des Hubseils kann durch Überwachen eines Anstiegs einer Kraft auf das Hubseil bei einem Anziehvorgang festgestellt werden. Die aktive Zustandsregelung im Zustand einer noch nicht angehobenen Last führt nun dazu, dass die von Null abweichende Lastposition (der ausgelenkte Pendelwinkel bzw. die festgestellte Lastauslenkung) ausgeglichen wird und die Regelabweichung bezüglich des Pendelwinkels/ Lastauslenkung null wird. Dadurch wird der Aufhängungspunkt an dem Ausleger exakt über dem Massenschwerpunkt des Lastsystems positioniert, und, wenn dies erreicht ist, kann die Last angehoben werden, ohne dass eine Pendelschwingung auftritt. Insbesondere ist hierzu vorgesehen, dass das Anheben der Last verzögert wird, bis der Pendelwinkel auf null geregelt ist.In particular, the load lifting function can be activated when the suspended load is lifted during ongoing crane operation. In practice, it is common for the center of mass and the suspension point of the hoist rope to be not exactly vertical when the load is suspended. When the load is lifted, a significant pendulum movement would occur due to a relative position of the center of mass of the load system that is not equal to zero. Therefore, before the load is lifted, the hoist rope is first tightened until it is taut. Tension in the hoist rope can be detected by monitoring an increase in force on the hoist rope during a tightening process. Active state control when the load has not yet been lifted now results in the load position deviating from zero (the deflected pendulum angle or the detected load deflection) being compensated for and the control deviation regarding the pendulum angle/load deflection becoming zero. This positions the suspension point on the boom exactly above the center of mass of the load system, and when this is achieved, the load can be lifted without any pendulum swing occurring. Specifically, the lifting of the load is delayed until the pendulum angle is controlled to zero.
Weiterhin kann die Zustandsregelung betrieben werden oder betreibbar sein, um eine Positionsanfahrfunktion zu realisieren, bei der eine gespeicherte absolute Position der Last angefahren wird und die Last dort zum Stillstand gebracht wird, wobei entsprechend einem Nutzerwunsch eine absolute Position der Last gespeichert wird, wobei die Zustandsregelung mit einer Sollvorgabe für die Position des Aufhängungspunkts, die der gespeicherten Position entspricht, einer Sollvorgabe für die Geschwindigkeit des Aufhängungspunkts von Null, einer Sollvorgabe für die Position und die Geschwindigkeit des Masseschwerpunkts von Null durchgeführt wird, sobald sich die Position des Aufhängungspunkts im laufenden Kranbetrieb der gespeicherten Position des Aufhängungspunkts insbesondere unter einen vorgegebenen Schwellenabstand angenähert hat.Furthermore, the state control can be operated or operable to implement a position approach function, in which a stored absolute position of the load is approached and the load is brought to a standstill there, wherein an absolute position of the load is stored according to a user request, wherein the state control is carried out with a target specification for the position of the suspension point that corresponds to the stored position, a target specification for the speed of the suspension point of zero, a target specification for the position and the speed of the center of mass of zero, as soon as the position of the suspension point changes during ongoing crane operation of the stored position of the suspension point, in particular below a predetermined threshold distance.
Gemäß der Positionsanfahrfunktion, die durch Betätigen eines vierten Bedienelement aktiviert wird, kann eine bestimmte Position in einer oder mehreren Bewegungsrichtungen, d. h. in x- und/oder y-Richtung, angefahren werden. Dabei wird die Kranbedienung aktiviert und die Lastbewegung entsprechend der Kranbedienung vorgenommen. Nähert sich die aktuelle Position der gespeicherten Position, wird die Last an der gespeicherten Position angehalten und die Funktion anschließend deaktiviert. So kann nach dem Anhalten der Last an der gespeicherten Lastposition die Last weiter in beliebiger Richtung bewegt werden. Sobald der Schwellenabstand wieder überschritten wird, kann die Positionsanfahrfunktion wieder aktiviert werden.According to the position approach function, which is activated by operating a fourth control element, a specific position can be approached in one or more directions of movement, i.e., in the x and/or y directions. This activates the crane control, and the load is moved according to the crane control. If the current position approaches the stored position, the load is stopped at the stored position and the function is then deactivated. This allows the load to continue moving in any direction after stopping at the stored load position. As soon as the threshold distance is exceeded again, the position approach function can be reactivated.
Die Positionsanfahrfunktion basiert auf der Zustandsregelung für die x-Richtung und/oder die y-Richtung, indem der Abstand der Position des Aufhängungspunkts zu der gespeicherten Position des Aufhängungspunkts überwacht wird. Unterschreitet der Abstand einen vorgegebenen Schwellenwert, so wird die manuell oder automatisiert vorgegebene Sollvorgabe der Geschwindigkeit des Aufhängungspunkts auf Null gesetzt und die gespeicherte Lastposition als Sollvorgabe eingestellt. Die Lastposition (Pendelwinkel bzw. die Lastauslenkung) und die Lastgeschwindigkeit (die Pendelwinkelgeschwindigkeit bzw. die Lastrelativgeschwindigkeit) werden dann ebenfalls auf Null gesetzt. Somit wird durch das Speichern der Position des Aufhängungspunkts eine Grenze gesetzt, die im laufenden Kranbetrieb nicht überschritten werden kann, ohne dass die Last zunächst an der betreffenden Position bzw. Grenze angehalten wird. Durch Deaktivieren der Positionsanfahrfunktion kann die gespeicherte Position gelöscht werden.The position approach function is based on state control for the x-direction and/or the y-direction by monitoring the distance between the suspension point position and the stored suspension point position. If the distance falls below a specified threshold, the manually or automatically specified target speed of the suspension point is set to zero and the stored load position is used as the target. The load position (oscillation angle or load deflection) and the load speed (oscillation angular speed or relative load speed) are then also set to zero. Thus, by saving the suspension point position, a limit is set that cannot be exceeded during ongoing crane operation without first stopping the load at the relevant position or limit. The stored position can be deleted by deactivating the position approach function.
Gemäß einer Korridorfunktion kann eine Bewegungstrajektorie als Abfolge von Soll-Lastpositionen vorgegeben werden, entlang der die Bewegung der angehängten Last gesteuert wird oder steuerbar ist. Beispielsweise kann die Bewegungstrajektorie anhand einer toleranzbehafteten Trajektorie von Lastpositionen vorgegeben werden, z. B. als Bereich von absoluten Lastpositionen, in der eine Bewegung der Last zulässig ist. Erreicht die Last eine absolute Position einer Grenze des vorgegebenen Bewegungsbereiches, so wird die Bewegung der Last gestoppt und die Last an der Grenze des Bewegungsbereiches entlanggeführt, so dass die Last an einem Grenzbereich entlang verfährt. Auf diese Weise können verbotene Bereiche umfahren werden, wenn auf dem direkten Verfahrweg zwischen Startposition und Zielposition ein verbotener Bereich liegt.According to a corridor function, a movement trajectory can be specified as a sequence of target load positions along which the movement of the suspended load is controlled or controllable. For example, the movement trajectory can be specified based on a tolerance-based trajectory of load positions, e.g., as a range of absolute load positions within which movement of the load is permitted. If the load reaches an absolute position at the limit of the specified movement range, the movement of the load is stopped and the load is guided along the limit of the movement range, so that the load moves along a boundary area. In this way, prohibited areas can be avoided if a prohibited area lies on the direct travel path between the start position and the target position.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann eine Vorrichtung, insbesondere Steuergerät, zum Betreiben eines Auslegerdrehkrans mithilfe einer Zustandsregelung vorgesehen sein, wobei die Zustandsregelung eine Regelung einer Bewegung einer angehängten Last zumindest in einer Bewegungsrichtung bewirkt, und auf einem Zustandsvektor basiert, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum:
- - Erfassen von Zustandsgrößen des Zustandsvektors, der Angaben zu einer Position und einer Geschwindigkeit eines bewegbaren Aufhängungspunkt, an den ein Lastsystem, das ein Hubseil, eine an einem unteren Ende des Hubseils angeordnete Lastaufnahmeeinrichtung und eine unterhalb der Lastaufnahmeeinrichtung angehängte Last umfasst, angehängt ist, und Angaben zu einer Lastposition und einer Lastgeschwindigkeit eines Masseschwerpunkts des Lastsystems bezüglich des Aufhängungspunkts umfassen,
- - Ermitteln mindestens einer Stellgröße zur Bewegung des Aufhängungspunktes in der zumindest einen Bewegungsrichtung basierend auf der Zustandsregelung;
- - Ansteuern des Auslegerdrehkrans abhängig von der mindestens einen Stellgröße.
- - Recording state variables of the state vector, which includes information on a position and a speed of a movable suspension point to which a load system comprising a hoist rope, a load-handling device arranged at a lower end of the hoist rope and a load suspended below the load-handling device is attached, and information on a load position and a load speed of a center of mass of the load system with respect to the suspension point,
- - Determining at least one manipulated variable for moving the suspension point in the at least one direction of movement based on the state control;
- - Control of the jib crane depending on at least one control variable.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das erfindungsgemäße Verfahren mittels eines Steuergeräts auf dem Auslegerdrehkran umgesetzt werden, wobei in dem Steuergerät ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des Verfahrens zur Anwendung kommt, anhand dessen das Steuergerät Befehle zur Ausführung der einzelnen Verfahrensschritte erhält, mittels derer die vorgenannten vorteilhaften technischen Wirkungen erzielt werden, um die zuvor beschriebenen Funktionen auf dem Auslegerdrehkran zu ermöglichen.According to a further aspect, the method according to the invention can be implemented by means of a control unit on the jib crane, wherein a computer program product is used in the control unit to carry out the method, on the basis of which computer program product the control unit receives commands to carry out the individual method steps, by means of which the aforementioned advantageous technical effects are achieved in order to enable the previously described functions on the jib crane.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Auslegerdrehkran vorgesehen, umfassend eine oder mehrere Antriebseinrichtungen zum Bewegen eines Aufhängungspunktes für ein Lastsystem und die obige Vorrichtung, wobei der Auslegerdrehkran durch Ansteuern der einen oder der mehreren Antriebseinrichtungen angesteuert wird.According to a further aspect, a jib crane is provided, comprising one or more drive devices for moving a suspension point for a load system and the above device, wherein the jib crane is controlled by controlling the one or more drive devices.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend in Verbindung mit den folgenden Figuren ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Turmdrehkrans; -
2 und3 Darstellungen des Lastsystems als Mehrfach- bzw. Einfachpendel; -
4 eine schematische Darstellung des Steuergeräts zum Betreiben des Turmdrehkrans der1 ; -
5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Pendeldämpfungsfunktion; -
6 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Störgrößenausgleichsfunktion; -
7 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Positionierfunktion; -
8 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Lastabhebefunktion; -
9 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Positionsanfahrfunktion.
-
1 a schematic representation of a tower crane; -
2 and3 Representations of the load system as a multiple or single pendulum; -
4 a schematic representation of the control unit for operating the tower crane of the1 ; -
5 a flow chart illustrating a pendulum damping function; -
6 a flowchart illustrating a disturbance compensation function; -
7 a flowchart illustrating a positioning function; -
8 a flowchart illustrating a load lifting function; -
9 a flowchart illustrating a position approach function.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Der Turmdrehkran 2 umfasst ein an der Drehachse angeordnetes Drehwerk DW zum Drehen zumindest des Katzauslegers KA um die Hochachse H. Der Turmdrehkran 2 umfasst eine beispielsweise als Drehwinkelsensor ausgebildete Drehwinkelsensoreinrichtung 510 zur Ermittlung eines Drehwinkels θ_u des Katzauslegers KA um die Hochachse H in einer xy-Ebene. Die xy-Ebene ist allgemein als eine tangentiale y-Richtung und eine radiale x-Richtung bestimmt.The
Eine entlang des Katzauslegers KA verfahrbare Laufkatze LK umfasst eine erste und eine zweite Umlenkrolle 202, 204 zum Umlenken eines Hubseils HSL in Richtung einer Lastaufnahmeeinrichtung UF, welche als Unterflasche oder Hakenflasche ausgebildet sein kann. Die Lastaufnahmeeinrichtung UF umfasst wenigstens eine Umlenkrolle 302 für das Hubseil HSL, kann aber auch eine Mehrzahl von Umlenkrollen für das Hubseil HSL umfassen.A trolley LK, which can be moved along the trolley boom KA, comprises a first and a
Das Hubseil HSL ist ausgehend von einem Hubwerk HW zum Auf- und Abrollen des Hubseils HSL über die erste Umlenkrolle 202 der Laufkatze LK, die eine Umlenkrolle 302 der Lastaufnahmeeinrichtung UF und die zweite Umlenkrolle 204 der Laufkatze LK geführt. Das Hubseil HSL ist an einem distalen Abschnitt 4 des Katzauslegers KA befestigt.The hoist rope HSL is guided from a hoisting gear HW for winding and unwinding the hoist rope HSL over the
Das Hubwerk HW kann in an sich bekannterweise eine Bremse, einen Elektromotor, ein Getriebe und eine Seilwinde umfassen. Auf die Seilwinde des Hubwerks HW wird das Hubseil HSL aufgerollt, um die Last L anzuheben, und es wird abgerollt, um die Last L abzusenken. Das Hubseil HSL ist beispielsweise ausgehend von dem Hubwerk über zwei bei oder nahe der Hochachse H angeordnete Umlenkrollen 20 und 22 bis zu der Umlenkrolle 202 der Laufkatze LK geführt.The hoisting gear HW can, as is known per se, comprise a brake, an electric motor, a gearbox, and a cable winch. The hoisting rope HSL is wound onto the cable winch of the hoisting gear HW to raise the load L, and it is unwound to lower the load L. The hoisting rope HSL is guided, for example, from the hoisting gear via two deflection pulleys 20 and 22 arranged at or near the vertical axis H to the
Eine Hubseillänge I1 wird mittels eines Hubseillängensensors 610, beispielsweise in Form eines Drehwinkelsensors, der Umdrehungen des Hubwerks HW zählt, ermittelt. Beispielsweise kann über die Erfassung der Drehposition des Hubwerks HW auf den Abstand zwischen der Lastaufnahmeeinrichtung UF und der Laufkatze LK und den Aufhängungspunkt AUP geschlossen werden, der als Hubseillänge I1 angenommen wird.A hoist rope length I 1 is determined using a hoist
Eine Massesensoreinrichtung 620 ist gemäß
Eine an der Laufkatze LK angeordnete erste Winkelsensoreinrichtung 210 ist zur Ermittlung eines jeweiligen Hubseilwinkels φ1y, φ1x (in y-Richtung und in x-Richtung) eines oder mehreren zwischen der Laufkatze LK und der Lastaufnahmeeinrichtung UF befindlichen Abschnitten HSL#1, HSL#2 des Hubseils HSL zum durch den Aufhängungspunkt AUP verlaufenden Lot eingerichtet. Die erste Winkelsensoreinrichtung 210 kann beispielsweise ein Abstandsmesssystem (Optisch oder Ultraschallbasiert) aufweisen, das von dem Hubseilwinkel abhängige Abstände zwischen der erste Winkelsensoreinrichtung 210 und einem Abschnitt des Hubseils HSL misst und daraus den Hubseilwinkels φ1y, φ1x (in y-Richtung und in x-Richtung) ableitet. Auch andere an sich bekannte Messverfahren zur Ermittlung des Hubseilwinkels φ1y, φ1x sind anwendbar. Der Hubseilwinkel φ1y, φ1x (in y-Richtung und in x-Richtung) entspricht einem Winkel der Strecke zwischen dem Aufhängungspunkt AUP und einem Masseschwerpunkt der Lastaufnahmeeinrichtung UF zur Lotrechten durch den Aufhängungspunkt AUP. Die erste Winkelsensoreinrichtung 210 steht mit einem Steuergerät 100 in Verbindung, um dort eine Angabe zu dem jeweiligen Hubseilwinkels φ1y, φ1x bereitzustellen.A first
Eine an der Lastaufnahmeeinrichtung UF angeordnete beispielsweise als Gyroskop ausgebildete zweite Winkelsensoreinrichtung 310 ist zur Ermittlung eines Lastseilwinkels φ2x, φ2y in x-Richtung bzw. y-Richtung zum durch den Anhängungspunkt ANP der Last L an die Lastaufnahmeeinrichtung UF verlaufenden Lot eingerichtet. Der Lastseilwinkels φ2x, φ2y gibt den Winkel zwischen der Strecke zwischen dem Anhängungspunkt ANP und dem Massenschwerpunkt der angehängten Last und der Lotrechten durch den Anhängungspunkt ANP in x-Richtung bzw. y-Richtung an. Die zweite Winkelsensoreinrichtung 310 steht mit dem Steuergerät in Kommunikationsverbindung.A second
Eine Lastseillänge I2 des Lastseils LSL bzw. , bei einem sonstigen Anschlagmittel, eine Entfernung zwischen der Lastaufnahmeeinrichtung UF und einem Masseschwerpunkt der Last L ist beispielsweise voreingestellt oder von einem Benutzer bestimmbar. Diese kann alternativ auch mit einer geeigneten Messeinrichtung erfasst werden.For example, a load rope length I 2 of the load rope LSL or, in the case of other lifting gear, a distance between the load suspension device UF and the center of mass of the load L is preset or can be determined by a user. Alternatively, this can also be measured using a suitable measuring device.
Ein zum Katzausleger KA feststehend angeordnetes Katzfahrwerk KW ist mittels eines Katzseils KSL mit der Laufkatze LK zu deren Bewegung entlang des Katzauslegers KA verbunden ist. Das Katzfahrwerk KW umfasst eine Bremse, einen Elektromotor, ein Getriebe und eine Doppelseilwinde, wobei die Doppelseilwinde zwei über eine gemeinsame Achse verbundene Abschnitte umfasst, welche bei einer Rotation der Doppelseilwinde in eine Drehrichtung einen Teil das Katzseils KSL aufrollt, den anderen Teil abrollt und so die Laufkatze LK bewegt.A trolley KW, fixed to the trolley jib KA, is connected to the trolley LK by a trolley cable KSL for its movement along the trolley jib KA. The trolley KW comprises a brake, an electric motor, a gearbox, and a double cable winch. The double cable winch comprises two sections connected by a common axle. When the double cable winch rotates in one direction, the axle winds up one part of the trolley cable KSL and unwinds the other part, thus moving the trolley LK.
Feststehend zu dem Gestell 402 ist eine Positionssensoreinrichtung 420, beispielsweise ein Drehwinkelsensor, der die Umdrehungen des Katzfahrwerks KW zählt, angeordnet, welche ein Sensorsignal erzeugt, das die Position x der Laufkatze LK angibt. Die Position x der Laufkatze LK entspricht der Position des Aufhängungspunkts AUP.A
Eine Winkeldifferenzsensoreinrichtung 410 ist zur Ermittlung einer Drehwinkeldifferenz Δθ zwischen dem Drehwinkel θ_u des Katzauslegers KA um die Hochachse H und einem aktuellen Drehwinkel θ der Position der Laufkatze LK um die Hochachse H eingerichtet. Die Winkeldifferenzsensoreinrichtung 410 zur Ermittlung der Drehwinkeldifferenz Δθ ist feststehend zum Katzausleger KA, insbesondere an dem Katzausleger KA oder an einem Gestell 402 des Katzfahrwerks KW, angeordnet. Die Winkeldifferenzsensoreinrichtung 410 kann beispielsweise ausgebildet sein, um z.B. mittels Ultraschallmesstechnik einen lateralen Abstand zwischen der Winkeldifferenzsensoreinrichtung 410 und einem Abschnitt KSL#1 des Katzseils KSL zu bestimmen, welcher sich zwischen einer proximalen zum Katzausleger KA feststehenden Umlenkrolle 6 und der Laufkatze LK befindet. Eine distal zum Katzausleger KA angeordnete Umlenkrolle 8 lenkt das Katzseil KSL vom Katzfahrwerk KW zur Laufkatze LK um. Die Drehwinkeldifferenz Δθ kann dann entweder in der Winkeldifferenzsensoreinrichtung 410 oder in dem Steuergerät 100 in Abhängigkeit von dem den Abstand repräsentierenden Sensorsignal ermittelt werden. Auch andere an sich bekannte Möglichkeiten zur Bestimmung der Drehwinkeldifferenz Δθ sind anwendbar. Die Winkeldifferenzsensoreinrichtung 410 dient dazu, den aufgrund elastischer Verformung des Katzauslegers KA abweichenden Drehwinkel θ_u des Katzauslegers KA vom tatsächlichen Drehwinkel θ der Laufkatze LK bzw. eines Aufhängungspunkt AUP des Lastsystems zu ermitteln.An angle
Das Katzfahrwerk KW umfasst das Gestell 402 und eine zum Gestell 402 feststehend angeordnete Antriebseinheit zum Auf- und Abrollen eines Katzseils KSL. Die zum Gestell 402 feststehend angeordnete Winkeldifferenzsensoreinrichtung 410 ist zur Ermittlung der Drehwinkeldifferenz Δθ zwischen einem Drehwinkel θ_u des Katzauslegers KA um eine Hochachse H eines Turms T des Turmdrehkrans 2 und einem aktuellen Drehwinkel θ der Laufkatze LK bzw. des Aufhängungspunkts AUP um die Hochachse H eingerichtet.The trolley KW comprises the
Eine weitere an der Laufkatze LK, insbesondere zu deren Fahrgestell feststehend angeordnete, beispielsweise als Gyroskop ausgebildete Neigungssensoreinrichtung 220 dient zur Ermittlung eines Neigungswinkels Δφ (Wippwinkeldifferenz) der Laufkatze LK zu einer Horizontalen. Die Neigungssensoreinrichtung 220 ermittelt ein Sensorsignal, welches eine Neigung der Laufkatze LK zu einer Horizontalen, insbesondere einen in einer xh-Ebene, welche von Hochachse h und Längsachse x des Katzauslegers KA aufgespannt wird, liegenden Neigungswinkel zu einer Horizontalebene, charakterisiert. Das Steuergerät 100 kann für die Berechnung des aktuellen Hubseilwinkels φ1x in x-Richtung den Neigungswinkel Δφ als Korrektur berücksichtigen, um den Hubseilwinkel φ1x zur Lotrechten durch den Aufhängungspunkt AUP zu bestimmen. Dies ist notwendig, da in der Regel die erste Winkelsensoreinrichtung 210 sich mit der Laufkatze LK neigt und diesen Winkelfehler bei der Messung des Hubseilwinkels φ1x nicht erkennt.Another
Das Steuergerät 100 ist als herkömmliche Datenverarbeitungsvorrichtung ausgebildet und führt ein Verfahren aus, um das Drehwerk DW, das Hubwerk HW und das Katzfahrwerk KW in Abhängigkeit von allen oder einem Teil der folgenden Größen zu betreiben: dem Drehwinkel θ_u, der Drehwinkeldifferenz Δθ, dem Hubseilwinkel φ1x, φ1y, dem Lastseilwinkel φ2y, φ2x der Hubseillänge I1, der Lastseillänge I2, der Masse der angehängten Last, der Position x des Katzfahrwerks und dem Neigungswinkel Δφ zu betreiben.The
Zur Ansteuerung des Drehwerks DW, des Hubwerks HW und des Katzfahrwerks KW werden den darin vorgesehenen Motoren Stelldrehzahlen u*DW, u*HW, u*KW als Stellgrößen vorgegeben. In anderen Ausführungsformen kann die Ansteuerung auch durch eine Drehmomentenvorgabe erfolgen.To control the slewing gear DW, the hoisting gear HW, and the trolley KW, the motors provided therein are given control speeds u* DW , u* HW , u* KW as control variables. In other embodiments, control can also be achieved by specifying a torque.
Das an der Laufkatze LK aufgehängte Hubseil HSL, die Lastaufnahmeeinrichtung UF, das Lastseil LSL und die Last L bilden ein Lastsystem. Das Lastsystem stellt ein Mehrfachpendel dar, dessen Aufhängungspunkt AUP zwischen zwei Abschnitten HSL#1, HSL#2 des Hubseils HSL angenommen wird. Das Mehrfachpendel wird in den nachfolgenden
Für den Kranbetrieb ist eine Bedieneinheit 900 vorgesehen. Die Bedieneinheit 900 ist beispielsweise als ein Steuerpult im Kranführerstand und/oder als eine Funkfernbedienung, die mit dem Steuergerät 100 in Kommunikationsverbindung steht, ausgebildet. Mittels z.B. eines Joysticks 910 der Bedieneinheit 900 können implizit Sollgrößen Ssoll an die Steuerungseinheit 100 übermittelt werden, die eine Bewegungsgeschwindigkeit in x-Richtung und/oder in y-Richtung angeben. Weiterhin kann ein Anheben oder Absetzen der Last mithilfe des Hubwerks HW von dem Benutzer in Form einer Sollgröße vorgegeben werden. Die Sollgrößen umfassen u*LKsoll, u*DWsoll, und/oder u*HWsoll, und können Stelldrehzahlen für die Motoren des Katzfahrwerks KW, des Drehwerks DW und/oder des Hubwerks HW vorgeben und in entsprechende Bewegungen des Aufhängungspunkts AUP und einer Änderung der Hubseillänge I1 entsprechend der mechanischen Auslegung in an sich bekannter Weise umgerechnet werden, um Sollvorgaben x'soll, θ'soll, und/oder I'soll zu erhalten. Die Sollvorgaben können auch direkt als x'soll, θ'soll, und/oder I'soll vorgegeben werden.An
Aufgrund der angenommenen deutlich höheren Masse der Last L im Vergleich zur Masse der Lastaufnahmeeinrichtung UF entspricht als Annahme die Neigung der Lastaufnahmeeinrichtung UF der Auslenkung der angehängten Last und damit φ2, d.h. φ2x für die x-Richtung und φ2y für die y-Richtung.Due to the assumed significantly higher mass of the load L compared to the mass of the load handling device UF, the inclination of the load handling device UF corresponds to the deflection of the attached load and thus φ 2 , i.e. φ 2x for the x-direction and φ 2y for the y-direction.
Der Pendelwinkel φx, φy in x- und y-Richtung kann mit Bezug auf
In einer exakten Berechnung ergibt sich die Länge I des Doppelpendels
Und die Pendelwinkel φx, φy in x-Richtung bzw. y-Richtung zu
Diese Berechnung kann durch Annäherung in Form einer Sensorfusion vereinfacht werden mit
Dem Steuergerät 100 werden zumindest die obigen Sensorgrößen und Sollgrößen Ssoll zugeführt, um die Stell-Drehzahlen u*LK, u*DW, u*HW gemäß einer Zustandsregelung 120 zu ermitteln. Die Sollgrößen können eine Soll-Drehzahl u*KWsoll oder ein Solldrehmoment für das Katzfahrwerk KW, eine Soll-Drehzahl u*DWsoll oder ein Solldrehmoment für das Drehwerk DW und eine Soll-Drehzahl u*HWsoll oder ein Solldrehmoment für das Hubwerk HW umfassen.At least the above sensor variables and target variables S target are supplied to the
Weitergehend ist ein Funktionsblock 130 vorgesehen, der den Betrieb der Zustandsregelung 120 steuert, insbesondere abhängig von einer Bedienung der Bedieneinheit 900, so dass verschiedene Betriebsfunktionen realisiert werden können.Furthermore, a
In einem Drehwinkelberechnungsblock 140 werden der Drehwinkel θ, der durch die Drehwinkelsensoreinrichtung 510 bestimmt wird, und die Drehwinkeldifferenz Δθ, die durch die Winkeldifferenzsensoreinrichtung 410 gemessen wird, addiert und ein korrigierter Drehwinkel θ für einen tatsächlichen Drehwinkel des Katzauslegers KA um die Hochachse H bereitgestellt.In a rotation
Mithilfe geeigneter Ableitungsblöcke 150, 160, 170, 190 können die zeitlichen Ableitungen für die Pendelwinkel φx, φy, den korrigierten Drehwinkel θ und die Geschwindigkeit x' des Aufhängungspunktes AUP als φ'x, φ'y, θ' und x' gebildet werden.Using suitable
Weiterhin wird Position x der Laufkatze LK (als Position des Aufhängungspunktes AUP) von der Positionssensoreinrichtung 420 der Zustandsregelung bereitgestellt. Mithilfe des Ableitungsblocks 190 kann als zeitliche Ableitung eine Laufkatzgeschwindigkeit x' (als Geschwindigkeit des Aufhängungspunktes AUP) der Zustandsregelung 120 bereitgestellt werden. Alternativ kann die Laufkatzgeschwindigkeit x' direkt aus dem Steuergerät 900 ausgelesen werden, weil sie dort bei bekannter (gemessener) Motordrehzahl und bekanntem Übersetzungsverhältnis sehr genau vorliegt.Furthermore, the position x of the trolley LK (as the position of the suspension point AUP) is provided to the state controller by the
Ein Regelungsparameterblock 180 ist vorgesehen, um abhängig von einer Masse m des Lastsystems, die von der Massesensoreinrichtung 620 gemessen wird, abhängig von einer Position x der Laufkatze LK (bzw. des Aufhängungspunktes), die von der Positionssensoreinrichtung 420 gemessen wird, und von einer Hubseillänge I1 oder gesamten Pendellänge I des Mehrfachpendels Regelungsparameter in Form eines Regelungsvektors Kx=[K1, K2, K3, K4]T, Ky=[K5, K6, K7, K8]T für die jeweilige Bewegungsrichtung (x- und/oder y-Richtung) aus der von der Masse m, der Pendellänge I und ggfs. der Position x der Laufkatze LK (bzw. des Aufhängungspunktes) abhängige und stets aktualisierte System-Matrix A und dem Eingangsvektor b zu ermitteln. Die Regelungsparameter K werden der Zustandsregelung 120 bereitgestellt.A
Die System-Matrix A und der Eingangsvektor b wird bei einer Änderung mindestens einer der Größen Masse m, der Pendellänge I und der Position x der Laufkatze LK (bzw. des Aufhängungspunktes) insbesondere um mehr als einen vorgegeben absoluten oder relativen Abweichungswert (von z.B. 2%) entsprechend einem an sich bekannten Bestimmungsverfahren für Zustandsraumparameter aktualisiert. Mit der System-Matrix A und dem Eingangsvektors b führt der Regelungsparameterblock 180 ein an sich bekanntes Polvorgabeverfahren oder ein auf einer an sich bekannten LQ-Methode basierenden Verfahren aus, um basierend auf der Zustandsraumbeschreibung den jeweiligen Regelungsvektor Kx, Ky zu bestimmen.The system matrix A and the input vector b are updated in the event of a change in at least one of the variables mass m, pendulum length I, and position x of the trolley LK (or the suspension point), in particular by more than a predetermined absolute or relative deviation value (e.g., 2%) according to a known determination method for state-space parameters. Using the system matrix A and the input vector b, the
Die Zustandsregelung 120 kann mithilfe einer Zustandsraumdarstellung beschrieben werden. Bei der Zustandsraum-Darstellung werden lineare Systeme n-ter Ordnung in n Teilsysteme erster Ordnung zerlegt, um die eine einfache Regelungsparametrisierung zu ermöglichen. Die Zustandsregelungen für das Katzfahrwerk KW und das Drehwerk DW können separat betrachtet werden.The
Bei der Zustandsregelung für das Katzfahrwerk KW werden als Zustandsgrößen der Pendelwinkel φx in x-Richtung, dessen Pendelwinkelgeschwindigkeit φ'x, die Position x der Laufkatze und die Geschwindigkeit x' der Laufkatze LK berücksichtigt.In the state control for the trolley KW, the pendulum angle φ x in the x-direction, its pendulum angular speed φ' x , the position x of the trolley and the speed x' of the trolley LK are taken into account as state variables.
Die Aufgabe der Zustandsregelung besteht darin, aus den Zustandsgrößen des Zustandsgrößenvektors Z und den vorgegebenen Sollgrößen Ssoll = u*KWsoll, u*DWsoll , u*HW bzw. ggfs. nach entsprechender Umrechung x'soll, θ'soll, I'soll die Stellgrößen u*LK, u*DW, u*HW zu errechnen. Dabei werden die Regelungsabweichungen der Zustandsgrößen mit den jeweils aktualisierten Regelungsparametern aus den Regelungsvektoren Kx, Ky multipliziert. Die Summe dieser Produkte ist dann die jeweilige gesuchte Stellgröße.The task of state control is to calculate the manipulated variables u* LK , u* DW , u* HW from the state variables of the state variable vector Z and the specified target variables Ssoll = u* KWsoll , u* DWsoll , u* HW or, if necessary, after appropriate conversion x ' soll , θ ' soll , I' soll . The control deviations of the state variables are multiplied by the respectively updated control parameters from the control vectors Kx, Ky. The sum of these products is then the respective desired manipulated variable.
Die Zustandsraumdarstellung für das Lauffahrwerk LK lautet:
Mit a1, a2, a3, b1, b2 Systemparameter für die Regelung, die in an sich bekannter Weise, z.B. durch physikalische Modellierung oder empirisch bestimmt werden können. Durch entsprechende Anwendung des Polvorgabeverfahren oder der LQ-Methode kann der Regelungsvektor K bestimmt werden, so dass sich als Berechnungsvorschrift für die zyklische Berechnung der Stellgröße u*LK ergibt:
Im Normalbetrieb mit einer aktiven Pendeldämpfung wird durch die Bedieneinheit 900, insbesondere einen Joystick oder dergleichen, die gewünschte Geschwindigkeit u*LKsoll der Laufkatze (d.h. des Aufhängungspunkts AUP) im Bereich von -100 bis 100% einer vorgegebenen Nenngeschwindigkeit vorgegeben. Diese wird entsprechend der mechanischen Kopplung zur Laufkatze bzw. des Aufhängungspunkts AUP in die Geschwindigkeit x' der Laufkatze bzw. des Aufhängungspunkts AUP umgerechnet.During normal operation with active sway damping, the desired speed u* LKsoll of the trolley (i.e., of the suspension point AUP) is set by the
Bei der Zustandsregelung für das Drehwerk DW werden als Zustandsgrößen der Pendelwinkel φy in y-Richtung, dessen Pendelwinkelgeschwindigkeit φ'y, der Drehwinkel θ des Katzauslegers und die Drehwinkelgeschwindigkeit θ' des Katzauslegers berücksichtigt.In the state control for the slewing gear DW, the pendulum angle φ y in the y-direction, its pendulum angular velocity φ' y , the rotation angle θ of the trolley boom and the rotation angular velocity θ' of the trolley boom are taken into account as state variables.
Die Zustandsraumdarstellung für das Drehwerk DW lautet:
Mit a4, a5, a6, b3, b4 Regelungsparameter für die Regelung, die in an sich bekannter Weise, z.B. durch physikalische Modellierung oder empirisch bestimmt werden können. Durch entsprechende Anwendung des Polvorgabeverfahren oder der LQ-Methode kann der Regelungsvektor Ky= [K5, K6, K7, K8]T bestimmt werden, so dass sich als Berechnungsvorschrift für die zyklische Berechnung der Stellgröße u*DW ergibt:
Im Normalbetrieb mit einer aktiven Pendeldämpfung wird durch die Bedieneinheit 900, insbesondere einen Joystick oder dergleichen, die gewünschte Drehgeschwindigkeit u*DWsoll des Drehwerks im Bereich von -100 bis 100% einer vorgegebenen Nenngeschwindigkeit vorgegeben. Diese wird entsprechend der mechanischen Kopplung zur Laufkatze bzw. des Aufhängungspunkts AUP in die Drehwinkelgeschwindigkeit θ' des Katzauslegers bzw. eine Winkelgeschwindigkeit des Aufhängungspunkts AUP umgerechnet.In normal operation with active sway damping, the desired rotation speed u* DWsoll of the slewing gear is set by the
Der Zustandsregler kann das Hubwerk HW ebenfalls umfassen und als Zustandsgröße die gesamte Pendellänge I und die Pendellängengeschwindigkeit I' umfassen. Das Regelungsmodell kann entsprechend folgende Struktur aufweisen:
Die Zustandsregelung nutzt die Sollgrößen u*DWsoll, u*LKsoll und u*HWsoll als Sollvorgaben. Die entsprechenden Sollvorgaben für die Regelung entsprechen dann den umgerechneten θ'soll, x'soll und I'soll, die sich aus der Umrechnung der den Sollgrößen u*DWsoll, u*LKsoll und u*HWsoll (Sollvorgaben) entsprechenden Drehzahlen der Antriebseinrichtungen DW, LW, HW in die entsprechenden Bewegungsgeschwindigkeiten des Drehwerks und des Katzfahrwerks KW in lateralen Richtungen (x, y) und der Last in vertikaler Richtung (h) ergeben.The state control uses the setpoint variables u* DWsoll , u* LKsoll, and u* HWsoll as setpoint specifications. The corresponding setpoint specifications for the control then correspond to the converted θ' soll , x' soll , and I' soll , which result from converting the speeds of the drive devices DW, LW, and HW corresponding to the setpoint variables u* DWsoll , u* LKsoll , and u* HWsoll (setpoint specifications) into the corresponding movement speeds of the slewing gear and the trolley KW in lateral directions (x, y) and of the load in the vertical direction (h).
Die Regelung kann einer Regelungszyklusdauer von zwischen 10ms bis 500ms folgen. Die Regelung kann einen Beobachter aufweisen, der die Zustandsgrößen im Voraus für den jeweils nächsten Zeitschritt berechnet. Beobachterstrukturen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden hierin nicht näher erläutert.The control system can follow a control cycle duration of between 10 ms and 500 ms. The control system can include an observer that calculates the state variables in advance for the next time step. Observer structures are known from the state of the art and will not be discussed in detail here.
Im Gegensatz zu einem konventionellen Regelungssystem wird anhand der vorhandenen Zustandsgrößen eine optimale Trajektorie der Stellgrößen u*LK, u*DW, u*HW (unter Neutralisierung einer zur Pendelbewegung führenden Aufschwingung) der Last berechnet, sodass es zur keiner durch den Kranführer oder durch die Kranoperation herbeigeführten starken Pendelbewegung kommen kann. Eine nachträgliche Dämpfung des schwingenden Pendelsystems ist somit nicht erforderlich. Nach der Aktivierung der Zustandsregelung zur Durchführung einer Pendeldämpfungsfunktion durch eine entsprechende Sollvorgabe Ssoll nach Abheben der Last werden die Sollgrößen in die entsprechenden Sollvorgaben θ'soll, x'soll und I'soll entsprechend der jeweiligen mechanischen Kopplung zwischen dem Katzfahrwerk KW, dem Drehwerk DW und dem Hubwerk HW zu der Laufkatze LK, dem Katzausleger KA und der Lastaufnahmeeinrichtung UF umgerechnet und in der Regelung berücksichtigt:
- Für die x-Richtung:
- Für die y-Richtung:
mit t dem aktuellen Zeitschritt der Regelung und x(t), x'(t), φx(t), φ'x(t), θ(t), θ'(t), φy(t), φ'y(t) den aktuellen gemessenen und ermittelten Zustandsgrößen.
- For the x-direction:
- For the y-direction:
with t the current time step of the control and x(t), x'(t), φ x (t), φ' x (t), θ(t), θ'(t), φ y (t), φ' y (t) the current measured and determined state variables.
Für die Pendeldämpfungsfunktion während des Kranbetriebs gilt:
Die Funktionen zur Ermittlung der Sollposition des Aufhängungspunkts entsprechen
Mit Δt der Regelungszyklusdauer von z.B. zwischen 10ms und 100ms. Ferner können die Funktionen f() und g() noch Rampenfunktionen für die Geschwindigkeiten berücksichtigen, um Änderungsraten der Vorgabegrößen zu limitieren.Where Δt is the control cycle duration, e.g., between 10 ms and 100 ms. Furthermore, the functions f() and g() can also consider ramp functions for the speeds to limit the rates of change of the specified variables.
Das gesamte Regelungssystem kann durch den obigen Zustandsregler beschrieben werden. Der Zustandsregler ist jederzeit beim Betrieb des Turmdrehkrans aktiv und bleibt für eine vorgegebene Nachlaufzeit nach dem Beenden einer Bedienvorgabe aktiv, um etwaiges Nachschwingen zu unterbinden.The entire control system can be described by the above-mentioned state controller. The state controller is active at all times during tower crane operation and remains active for a specified overrun time after the end of an operating command to prevent any post-oscillation.
Die Regelung kann alternativ auch nur auf eine oder zwei der Bewegungskomponenten, d. h. der Bewegung der Laufkatze (d.h. x-Bewegung des Aufhängungspunkts AUP) (x-Richtung), der Drehbewegung des Katzauslegers (d.h. y-Bewegung des Aufhängungspunkts AUP) (y-Richtung) oder der Bewegung des Hubwerks (h-Richtung) erfolgen. Entsprechend verringern sich dabei die betrachteten Zustände der Zustandsregelung 120 um die betreffenden Größen.Alternatively, the control can also be applied to only one or two of the motion components, i.e., the movement of the trolley (i.e., x-movement of the suspension point AUP) (x-direction), the rotational movement of the trolley boom (i.e., y-movement of the suspension point AUP) (y-direction), or the movement of the hoist (h-direction). Accordingly, the considered states of the
Zur Nutzung der Pendeldämpfungsfunktion, die durch die Zustandsregelung erreicht wird, können weitere zusätzliche Funktionen zum Betreiben des Turmdrehkrans implementiert werden.To utilize the sway damping function achieved by the state control, further additional functions for operating the tower crane can be implemented.
Dazu kann beispielsweise ein erstes Bedienelement 920 an der Bedieneinheit 900 vorgesehen sein, mit dem der Benutzer vorhandene Last- oder Restpendelschwingungen gemäß einer Pendeldämpfungsfunktion dämpfen kann, die nach einem Lasttransportvorgang auftreten. Diese Pendeldämpfungsfunktion entspricht der herkömmlichen oben beschriebenen Pendeldämpfungsfunktion, die bei Betätigen des ersten Bedienelements 920, das beispielsweise als Tastschalter ausgebildet sein kann, aktiviert wird und während einer Nachlaufzeit von z.B. zwischen 5 und 30 s, vorzugsweise zwischen 5 und 15 s, insbesondere von 10 s, nach Ende der Betätigung des ersten Bedienelements 920 aktiv bleibt. Die Nachlaufzeit kann fest vorgegeben werden oder von einer aktuellen Pendellänge I abhängen. So kann die jeweilige Nachlaufzeit variabel durch eine Funktion oder eine Look-up-Tabelle abhängig von der Pendellänge I vorgegeben sein.For this purpose, for example, a
Durch das Vorsehen der Funktion des ersten Bedienelements 920 hat der Kranführer des Turmdrehkrans die Möglichkeit, ein bei inaktivem Kranbetrieb, d. h. es findet keine aktive Transportbewegung statt, z.B. eine aufgrund einer kurzzeitigen plötzlichen Krafteinwirkung auf das Lastsystem auftretende Pendelschwingung zu reduzieren.By providing the function of the
Weiterhin kann zusätzlich beim Betätigen des ersten Bedienelements 920 kann dazu zunächst eine Sollposition der Last bestimmt werden, die als zusätzliche Sollvorgabe für die Regelung verwendet wird. In der Regel entspricht die Position der Last L der Position x der Laufkatze (d.h. des Aufhängungspunkts AUP) und dem aktuellen Drehwinkel θ des Auslegers. Diese Angaben werden dann als Sollvorgaben xstore, θstore gespeichert und neben den Sollvorgaben θ'soll=0, x'soll=0 und I'soll=0 (keine Ansteuerung zum Kranbetrieb) zur Pendeldämpfung angenommen und die Zustandsregelung entsprechend durchgeführt. Für die Sollvorgaben in der obigen Regelungsvorschrift gilt dann:
In Schritt S1 wird überprüft, ob die Pendeldämpfungsfunktion bei inaktivem Kranbetrieb aktiviert ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit S1 fortgesetzt.In step S1, a check is made to determine whether the sway control function is activated during inactive crane operation. If this is the case (alternative: Yes), the process continues with step S2. Otherwise (alternative: No), the process continues with step S1.
In Schritt S2 wird die Position x, θ der Laufkatze LK (d.h. des Aufhängungspunkts AUP) als xstore, θstore zwischengespeichert und für die nachfolgende Regelung als Sollgröße angenommen.In step S2, the position x, θ of the trolley LK (i.e., the suspension point AUP) is temporarily stored as x store , θ store and adopted as the target value for the subsequent control.
In Schritt S3 wird die Zustandsregelung ausgeführt, wobei die Sollvorgaben xsoll = xstore, θsoll = θstore, Isoll neben den Sollvorgaben θ'soll=0, x'soll=0 und I'soll=0 zur Pendeldämpfung angenommen und die Zustandsregelung entsprechend durchgeführt.In step S3, the state control is carried out, whereby the target values x soll = x store , θ soll = θ store , I soll are assumed in addition to the target values θ' soll =0, x' soll =0 and I' soll =0 for sway damping and the state control is carried out accordingly.
In Schritt S4 wird überprüft, ob die Pendeldämpfungsfunktion beendet ist und eine Nachlaufzeit verstrichen ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), wird das Verfahren beendet, andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S3 zurückgesprungen und die Zustandsregelung fortgesetzt.In step S4, a check is made to determine whether the sway control function has ended and a follow-up time has elapsed. If this is the case (alternative: Yes), the process is terminated; otherwise (alternative: No), the system returns to step S3 and continues the state control.
Mithilfe einer Funktionserweiterung, die durch ein zweites Bedienelement 930 aktiviert oder deaktiviert werden kann, kann eine Störgrößenausgleichsfunktion vorgesehen werden. Die Störgrößenausgleichsfunktion kann beispielsweise Fremdeinwirkungen auf das Lastsystem, wie beispielsweise durch Winddruck, Schwingungen des Untergrunds berücksichtigen und die aktuelle Position der Last L trotz dem Vorliegen von (andauernden) Störeinflüssen halten. Wird die Funktion durch Betätigen des zweiten Bedienelements 930 aktiviert, so bleibt diese aktiv, bis diese durch entsprechendes Betätigen des zweiten Bedienelement 930 beendet wird. Die Störgrößenausgleichsfunktion ist weiterhin nur so lange aktiv, wie der Kran nicht aktiv betrieben wird, d.h. die Last nicht durch externe Sollvorgaben bewegt wird.A disturbance compensation function can be provided using a functional extension that can be activated or deactivated by a
In
In Schritt S11 wird überprüft, ob die Störgrößenausgleichsfunktion bei inaktivem Kranbetrieb aktiviert ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S12 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit S11 fortgesetzt.In step S11, a check is made to determine whether the disturbance compensation function is activated during inactive crane operation. If this is the case (alternative: Yes), the process continues with step S12. Otherwise (alternative: No), the process continues with step S11.
In Schritt S12 wird als Sollvorgabe die aktuelle absolute Lastposition pxsoll, pysoll gespeichert. Die aktuelle, zu speichernde absolute Lastposition pxsoll, pysoll kann sich ergeben als
In Schritt S13 wird die Zustandsregelung aktiviert, wobei der Zustandsregelung entsprechend den Regelungszyklen variierende Sollvorgaben für die Position xsoll der Laufkatze und den Drehwinkel θsoll vorgegeben werden. Die Pendellänge Isoll bleibt unverändert.In step S13, the state control is activated, with varying target values for the trolley position x target and the rotation angle θ target being specified to the state control according to the control cycles. The pendulum length I target remains unchanged.
Für die Beibehaltung der absoluten Position pxsoll, pysoll der Last gilt dann:
Diese Werte werden kontinuierlich ermittelt, d.h. zu jedem Regelungszyklus neu berechnet, da bei variierendem Störeinfluss sich die Pendelwinkel φx, φy und Pendelwinkelgeschwindigkeiten φ'x, φ'y ständig ändern können.These values are determined continuously, ie recalculated for each control cycle, since the pendulum angles φ x , φ y and pendulum angular velocities φ' x , φ' y can change continuously with varying disturbance influences.
Die Sollvorgaben der Zustandsgrößen sind dann während der aktiven Störgrößenausgleichsfunktion
Die als unbestimmt gekennzeichneten Zustandsgrößen φx, φ'x, φy, φ'y bleiben bei der Regelung unberücksichtigt, indem die entsprechende Regelabweichung oder das zugehörige Element (Faktor) des Regelungsvektors K während der aktivierten Störgrößenausgleichsfunktion auf null gesetzt werden.The state variables φ x , φ' x , φ y , φ' y marked as indeterminate are not taken into account in the control by setting the corresponding control deviation or the associated element (factor) of the control vector K to zero during the activated disturbance compensation function.
In Schritt S14 wird überprüft, ob die Störgrößenausgleichsfunktion beendet ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), wird das Verfahren beendet, andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S13 zurückgesprungen und die Zustandsregelung fortgesetzt.In step S14, a check is made to determine whether the disturbance compensation function has been completed. If this is the case (alternative: Yes), the process is terminated; otherwise (alternative: No), the system returns to step S13 and continues the state control.
Die Störgrößenausgleichsfunktion kann durch entsprechendes Betätigen des zweiten Bedienelements 930 oder durch Joystickbedienung zum Einleiten eines Lasttransports deaktiviert werden.The disturbance compensation function can be deactivated by actuating the
Durch die Betätigung eines dritten Bedienelements 940 (z.B. in Form eines Tastschalters) kann eine Positionierfunktion aktiviert werden. Die Positionierfunktion bleibt aktiv, solange das dritte Bedienelement 940 betätigt ist, und ist während einer vorbestimmten Nachlaufzeit beispielsweise zwischen 5 und 30 s, vorzugsweise zwischen 5 und 15 s, zum Beispiel 10 s, aktiv. Die Positionierfunktion sieht vor, die Last durch manuelles Drücken und Ziehen im Absetzbereich zu bewegen und so hochgenau an die richtige gewünschte Lastposition zu dirigieren.By actuating a third control element 940 (e.g., in the form of a pushbutton switch), a positioning function can be activated. The positioning function remains active as long as the
In
In Schritt S21 wird überprüft, ob die Positionierfunktion bei inaktivem Kranbetrieb aktiviert ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S22 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit S21 fortgesetzt.In step S21, a check is made to determine whether the positioning function is activated during inactive crane operation. If this is the case (alternative: Yes), the process continues with step S22. Otherwise (alternative: No), the process continues with step S21.
In Schritt S22 wird der Zustandsregler aktiviert, es bleiben jedoch die Sollvorgaben der Positionen x, θ und Geschwindigkeit x', θ' der Laufkatze LK und des Drehwerks DW unberücksichtigt, wobei die Sollvorgaben wie folgt angenommen werden:
Die als unbestimmt gekennzeichneten Zustandsgrößen xsoll, x'soll, θsoll, θ'soll bleiben bei der Regelung unberücksichtigt, indem die entsprechende Regelabweichung oder das zugehörige Element (Faktor) des Regelungsvektors K während der aktivierten Störgrößenausgleichsfunktion auf null gesetzt werden.The state variables x soll , x' soll , θ soll , θ' soll marked as indeterminate are not taken into account in the control by setting the corresponding control deviation or the associated element (factor) of the control vector K to zero while the disturbance compensation function is activated.
In Schritt S23 wird überprüft, ob die Positionierfunktion beendet ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), wird das Verfahren beendet, andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S22 zurückgesprungen und die Zustandsregelung fortgesetzt.In step S23, a check is made to determine whether the positioning function has been completed. If this is the case (alternative: Yes), the process is terminated; otherwise (alternative: No), the system returns to step S22 and continues the state control.
Das dritte Bedienelement 940 muss während der Positionierung permanent betätigt werden, um unkontrollierte Bewegungen der Last L zu vermeiden. Der beim Ziehen der Last L bzw. der Lastaufnahmeeinrichtung UF entstehende von Null abweichende Pendelwinkel φx, φy zwingt die Zustandsregelung zur Ausgleichsbewegung in die Zugrichtung, so dass die Last entsprechend des Zugs in die entsprechende Richtung bewegt wird. Sobald die Zugkraft wegfällt, positioniert sich die Laufkatze LK exakt über der Last L und fixiert somit die neue Lastposition.The
Weiterhin kann eine dauerhaft aktive oder mithilfe eines vierten Bedienelements 950 aktivierbare Lastanhebefunktion realisiert sein, die beim Abheben der Last eine zusätzliche Sicherheit gewährleistet. Befindet sich die Laufkatze LK, d. h. der Aufhängungspunkt AUP des Hubseils, nicht exakt lotrecht über dem Masseschwerpunkt, kann es beim Abheben der Last zu einer sofortigen Pendelschwingung führen, die von dem lateralen Versatz des Aufhängungspunkts AUP zum Masseschwerpunkt abhängt. Dies ist in der Praxis fast immer der Fall, da der Kranführer in der Regel die Lastaufnahmeeinrichtung UF nicht exakt über dem Lastschwerpunkt positionieren kann.Furthermore, a load lifting function can be implemented that is permanently active or can be activated using a
Durch Nutzung der oben beschriebenen Zustandsregelung kann beim Anziehen der Lastaufnahmeeinrichtung UF der Aufhängungspunkt AUP exakt über dem Masseschwerpunkt positioniert werden, bevor die Last L abgehoben wird.By using the state control described above, the suspension point AUP can be positioned exactly above the center of gravity when tightening the load handling device UF before the load L is lifted.
Die Lastanhebefunktion wird anhand des Flussdiagramms der
In Schritt S31 wird das Hubwerk HW zum Abheben der Last entsprechend der Vorgabe durch den Kranführer z.B. mithilfe eines vierten Bedienelements 950 aktiviert.In step S31, the hoist HW is activated to lift the load according to the instructions of the crane operator, e.g. using a
In Schritt S32 wird überprüft, ob die Lastabhebefunktion aktiviert ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S33 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Sprung zu Schritt S36 beendet.In step S32, a check is made to determine whether the load lifting function is activated. If so (alternative: Yes), the process continues with step S33. Otherwise (alternative: No), the process terminates with a jump to step S36.
In Schritt S33 wird die Hubkraft mithilfe der Massesensoreinrichtung 620 überwacht. Überschreitet die Hubkraft einen vorbestimmten Schwellenhubkraftwert, der durch die Gewichtskräfte der Lastaufnahmeeinrichtung UF, des Hubseils HSL und des Lastseils LSL bestimmt sein kann, kann davon ausgegangen werden, dass das Hubseil HSL gespannt ist und der gemessene Pendelwinkel φx, φy den Versatz des Masseschwerpunkts zum Aufhängungspunkt AUP an der Laufkatze LK angibt. In diesem Fall (Alternative: Ja) wird das Verfahren mit Schritt S34 fortgesetzt, andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S33 zurückgesprungen und weiter auf das Erreichen des Schwellenhubkraftwerts gewartet.In step S33, the lifting force is monitored using the
Nun wird in Schritt S54 die Zustandsregelung gestartet, indem als Sollvorgaben vorgegeben werden:
Die als unbestimmt gekennzeichneten Zustandsgrößen bleiben bei der Regelung unberücksichtigt, indem die entsprechende Regelabweichung oder das zugehörige Element (Faktor) des Regelungsvektors K während der aktivierten Störgrößenausgleichsfunktion auf null gesetzt werden.The state variables marked as indeterminate are ignored in the control by setting the corresponding control deviation or the associated element (factor) of the control vector K to zero while the disturbance compensation function is activated.
In Schritt S35 wird überprüft, ob die Sollvorgabe der Pendelwinkel φxsoll = 0, φysoll = 0 und die Pendelwinkelgeschwindigkeit φ'xsoll = 0, φ'ysoll = 0 erreicht worden ist d.h. alle entsprechenden Regelabweichungen liegen unter einem vorgegebenen Schwellenwert von z.B. weniger als 0,3° des entsprechenden Pendelwinkels. Dieser Schwellenwert kann generell abhängig von der Hubseillänge sein, z.B. 0,1°, z.B. bei Hubseillängen von mehr als 20m und 0,2 -0,3° bei Hubseillängen I1 von weniger als 20m. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), wird das Verfahren mit Schritt S36 fortgesetzt. Andernfalls wird die Zustandsregelung des Schritts S34 weiter fortgesetzt.In step S35, a check is made as to whether the target specification of the pendulum angle φ xsoll = 0, φ ysoll = 0 and the pendulum angular velocity φ' xsoll = 0, φ' ysoll = 0 has been achieved, i.e. all corresponding control deviations are below a predetermined threshold value of, for example, less than 0.3° of the corresponding pendulum angle. This threshold value can generally be dependent on the hoist rope length, e.g. 0.1°, for hoist rope lengths of more than 20m, and 0.2 - 0.3° for hoist rope lengths I 1 of less than 20m. If this is the case (alternative: yes), the method continues with step S36. Otherwise, the state control of step S34 continues.
Bevor die Hubkraft weiter über den Punkt des tatsächlichen Abhebens der Last erhöht wird, wird somit die Zustandsregelung weiter ausgeführt. Dies ermöglicht die genaue Positionierung der Laufkatze LK über dem Lastschwerpunkt, so dass die Last ohne Anfangspendelschwingung, d.h. lotrecht abgehoben werden kann.Before the lifting force is further increased beyond the point at which the load is actually lifted, the state control is further executed. This enables the precise positioning of the trolley LK over the load center of gravity, so that the load can be lifted vertically, i.e., without initial pendulum oscillation.
Das Abheben der Last erfolgt dann in Schritt S36.The load is then lifted in step S36.
Ferner kann mithilfe eines fünften Bedienelements 960 eine Positionsanfahrfunktion realisiert werden. Die Positionsanfahrfunktion dient dazu, dass bei Annähern an eine gespeicherte Position die gespeicherte Position angefahren wird und dort die Last L pendelschwingungsfrei angehalten wird. Erst nach dem Anhalten an der gespeicherten Position wird die Positionsanfahrfunktion wieder deaktiviert und die Last kann in eine beliebige Richtung entsprechend der Bedienung des Kranführers bewegt werden.Furthermore, a position approach function can be implemented using a
In Schritt S41 wird überprüft, ob eine Positionsanfahrfunktion aktiviert worden ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), z.B. bei Betätigen des fünften Bedienelements 960, kann in Schritt S42 eine aktuelle absolute Position px = x + sin(φx) · l,
Wird eine absolute Lastposition entsprechend der Positionsanfahrfunktion gespeichert, so kann der Kran in Schritt S43 in herkömmlicher Weise betrieben werden.If an absolute load position is stored according to the position approach function, the crane can be operated in the conventional manner in step S43.
Es wird in Schritt S44 überprüft, ob sich die aktuelle absolute Position der Last L bzw. die Position des Aufhängungspunktes AUP der gespeicherten Position nähert, was durch eine kontinuierlich durchgeführte Abfrage bestimmt wird. Wird dies festgestellt (Alternative: Ja), so wird in Schritt S45 die gespeicherte Position xsoll = px, θsoll = py als Sollposition für die Last und angenommen die Zustandsregelung entsprechend ausgeführt. Dabei bleibt die weitere Bedienung des Kranführers (oder einer automatisierten Kransteuerung) für die weitere Sollvorgabe unbeachtlich. Es werden nach Feststellung der Annäherung an die gespeicherte Position lediglich die Positionen x, θ als Sollvorgabe vorgegeben, so dass der Zustandsregler eine reine Positionsregelung betreibt. Die Sollvorgaben entsprechen dann:
Die als unbestimmt gekennzeichneten Zustandsgrößen bleiben bei der Regelung unberücksichtigt, indem die entsprechende Regelabweichung oder das zugehörige Element (Faktor) des Regelungsvektors K während der aktivierten Positionsanfahrfunktion auf null gesetzt werden.The state variables marked as indeterminate are not taken into account in the control by setting the corresponding control deviation or the associated element (factor) of the control vector K to zero during the activated position approach function.
Wird in Schritt S46 das Erreichen der gespeicherten Position festgestellt (Alternative: Ja), so wird die Zustandsregelung zunächst in Schritt S47 beendet. Andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Schritt S45 fortgesetzt.If the stored position is determined to have been reached in step S46 (alternative: Yes), the state control is initially terminated in step S47. Otherwise (alternative: No), the method continues with step S45.
Wird durch das Aktivieren des Kranbetriebs die angefahrene Position wieder verlassen, aktiviert sich die Positionsanfahrfunktion erneut und setzt das Verfahren mit Schritt S43 fort.If the approached position is left again by activating the crane operation, the position approach function is activated again and the process continues with step S43.
Es kann vorgesehen sein, dass durch das erneute Betätigen des fünften Bedienelements 960 die gespeicherte Lastposition vergessen wird.It can be provided that the stored load position is forgotten by pressing the
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10 2009 032 270 A1 [0005]DE 10 2009 032 270 A1 [0005]
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EP 1 652 810 B1 [0007] - DE 10 2020 120 699 A1 [0030]DE 10 2020 120 699 A1 [0030]
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- Holger Lutz, Wolfgang Wendt „Taschenbuch der Regelungstechnik“, Europa-Lehrmittel, 2021, ISBN 9783808558706 [0041]Holger Lutz, Wolfgang Wendt “Pocketbook of Control Engineering”, Europa-Lehrmittel, 2021, ISBN 9783808558706 [0041]
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- 2023-01-25 DE DE202023002939.2U patent/DE202023002939U1/en active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |