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EP3409636A1 - Method for damping torsional vibrations of a load-bearing element of a lifting device - Google Patents

Method for damping torsional vibrations of a load-bearing element of a lifting device Download PDF

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Publication number
EP3409636A1
EP3409636A1 EP18172846.0A EP18172846A EP3409636A1 EP 3409636 A1 EP3409636 A1 EP 3409636A1 EP 18172846 A EP18172846 A EP 18172846A EP 3409636 A1 EP3409636 A1 EP 3409636A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
load
actuator
controller
damping
receiving element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP18172846.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP3409636B1 (en
Inventor
Martin Staudecker
Thomas J. Frauscher
Ralf Skotschek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
B&R Industrial Automation GmbH
Original Assignee
B&R Industrial Automation GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by B&R Industrial Automation GmbH filed Critical B&R Industrial Automation GmbH
Publication of EP3409636A1 publication Critical patent/EP3409636A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP3409636B1 publication Critical patent/EP3409636B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B66C13/18Control systems or devices
    • B66C13/46Position indicators for suspended loads or for crane elements

Definitions

  • the subject invention relates to a method for damping a torsional vibration about a vertical axis of a load-receiving element of a lifting device with a damping controller with at least one controller parameter, wherein the load-receiving element is connected to at least three holding elements with a support member of the lifting device and the length of at least one holding element between the load-receiving element and the support element an actuator acting on the at least one holding element is adjusted by the damping controller.
  • Hoisting devices in particular cranes, are available in many different embodiments and are used in many different fields of application.
  • tower cranes which are mainly used for civil engineering
  • mobile cranes eg for the installation of wind turbines.
  • Bridge cranes are used, for example, as overhead cranes in factory halls and gantry cranes eg for the manipulation of transport containers at transhipment locations for intermodal cargo handling, such as in ports for handling ships on the railroad or truck or on freight yards for handling from the railroad to the truck or vice versa
  • the goods are stored for transport in standardized containers, so-called ISO containers, which are equally suitable for transport in the three modes of transport road, rail, water.
  • the structure and operation of a gantry crane is well known and is eg in the US 2007/0289931 A1 described using a "ship-to-shore crane".
  • the crane has a supporting structure or a portal on which a boom is arranged.
  • the portal with wheels for example, is arranged movably on a track and can be moved in one direction.
  • the boom is firmly connected to the portal and the boom in turn a movable along the boom trolley is arranged.
  • the trolley is connected by means of four cables with a load-receiving element, a so-called spreader.
  • the spreader can be raised or lowered by means of winches, here by means of two winches for two ropes.
  • the spreader can also be adapted to different sized containers.
  • a very rapid cargo handling is required, ie, for example, very fast loading and unloading operations of cargo ships and correspondingly fast movement of the load-bearing elements and the gantry cranes as a whole.
  • rapid movement processes can lead to build up unwanted vibrations of the load-bearing element, which in turn delay the manipulation process, since the container is not precise on the intended Place can be placed.
  • torsional vibrations of the load-bearing element that is to say vibrations about the vertical axis, are disturbing, since they are difficult to compensate for with conventional cranes by the crane operator.
  • Such torsional vibrations can additionally be caused or even intensified by, for example, uneven loading of the container or by wind influences.
  • the US 2007/0289931 A1 mentions, among other things, the problem of oscillations around the vertical axis (skew), but does not propose a satisfactory solution.
  • a target object consisting of light-emitting elements is provided on the load-receiving element and a corresponding CCD camera is provided on the trolley.
  • Angle deviations around the vertical axis (skew), the longitudinal axis (list) and the transverse axis (trim) can thus be determined.
  • an actuator is provided per tether, with which the length of the tether can be changed.
  • the actuators are controlled in different ways, so that the individual tethers are shortened or lengthened and the corresponding error is compensated.
  • the disadvantage here is that the method proposes only a compensation of angular errors, without taking into account the dynamics of a torsional vibration. Thus, no torsional vibrations can be compensated.
  • the DE 102010054502 A1 proposes to compensate for torsional vibrations of the load-receiving element to arrange a slewing gear between the load-bearing element and tethers.
  • this is very complex and therefore expensive, in addition, the payload is reduced by the weight of the slewing gear.
  • the input-shaping process is a type of feedforward control with which it is possible to adjust the angle of rotation of the load-bearing element. A damping of an existing torsional vibration is therefore not possible.
  • Another disadvantage is that the mathematical model used in the input-shaping method must be very accurate, since there is no way to compensate for parameter deviations.
  • the object is achieved in that the at least one controller parameter is determined on the basis of a torsional vibration model of the load-bearing element as a function of the lifting height and that for damping the torsional vibration of the load-receiving element at any stroke height, the at least one controller parameter is adapted to this lifting height.
  • This simple method makes it possible to damp a torsional vibration of a load-bearing element at any lifting height without having to manually set the control parameter or parameters of the damping controller.
  • the operation of the lifting device or a rapid movement and accurate positioning of a load is considerably simplified, which leads to a time savings and thus to an increase in productivity.
  • the load-bearing element is excited to a torsional vibration at a certain lifting height of the load-receiving element, wherein at least one actual rotation angle of the load-receiving element about the vertical axis and an actual actuator position are detected and thus model parameters of the torsional vibration model of the load-bearing element at the given lifting height are identified by an identification method.
  • unknown model parameters of a selected torsional vibration model can be determined by means of a suitable identification method, whereby an unknown vibration behavior of the load-bearing element can be determined and used to dampen the torsional vibration.
  • the at least one actuator is actuated hydraulically or electrically, whereby standard components such as e.g. Hydraulic cylinders or electric motors can be used and an existing power supply system can be used.
  • standard components such as e.g. Hydraulic cylinders or electric motors can be used and an existing power supply system can be used.
  • At least two actuators are provided, in particular an actuator per holding element.
  • a redundancy of the torsional vibration damping can be realized, whereby the reliability can be increased.
  • smaller actuators of lesser inertia can be used, whereby the response time of the damping control can be lowered and the control quality can be increased.
  • the lifting height is measured by means of a camera system arranged on the carrying element or on the load receiving element or by means of a lifting drive of the lifting device.
  • the angle of rotation of the load-bearing element is preferably measured by means of a camera system arranged on the support element or on the load-receiving element. With this simple method, the angle of rotation of the load-bearing element can be determined very accurately.
  • a camera system is also relatively easy to retrofit to an existing lifting device.
  • the torsional vibration model is a differential equation of the second order with at least three model parameters, in particular with a dynamics parameter ⁇ , a damping parameter ⁇ and a path gain parameter i ⁇ .
  • the identification method is a mathematical method, in particular an online least-square method.
  • model parameters can be determined easily and with sufficient accuracy.
  • a state controller with preferably five controller parameters K I , K 1 , K 2 , K FF , K P is used as a damping controller.
  • an integrated feedforward control controller parameter K FF
  • the leadership behavior can be improved and by an integrator (controller parameter K I ) to achieve stationary accuracy or model uncertainties can be compensated.
  • a desired rotational angle of the load-receiving element is specified to the damping controller and the damping controller adjusts this desired rotational angle in a predetermined angular range, in particular in an angular range of -10 ° ⁇ ⁇ soll ⁇ + 10 °.
  • a desired rotation of the load-receiving element can be achieved whereby loads such as containers can also be positioned on targets that are not precisely aligned, such as, for example, inclined trucks.
  • an anti-wind-up protection is integrated in the damping controller, wherein the damping controller actuator limitations of the at least one actuator are specified, in particular a maximum / minimum permissible actuator position s zul , a maximum / minimum allowable actuator speed v zul and a maximum / minimum allowable actuator acceleration a zul of the actuator.
  • Fig.1 shows a lifting device 1 by way of example with reference to a schematic container crane 2, which is used for example for loading and unloading of ships in a port.
  • a container crane 2 has a supporting structure 3, which is either fixed or movable on the ground.
  • the supporting structure 3 can for example be arranged movably on rails in the Y-direction, as shown schematically in FIG Fig.1 is shown. By this degree of freedom in the Y direction of the container crane 2 is used locally flexible.
  • the supporting structure 3 has a boom 4 which is fixedly connected to the supporting structure 3.
  • a support member 5 is usually arranged, which is movable in the longitudinal direction of the arm 4, that is in the illustrated example in the X direction, for example, a support member 5 may be mounted by means of rollers in guides.
  • the support element 5 is usually connected by means of holding elements 6 with a load-receiving element 7 for receiving a load 8.
  • the load 8 is usually a container 9, in most cases an ISO container having a length of 20, 40 or 45 feet and a width of 8 feet. But there are also load-bearing elements 7, which are suitable to simultaneously accommodate two containers 9 side by side (so-called dual spreader).
  • the type and design of the load-bearing element 7 is not further relevant; any desired embodiments of the load-bearing element 7 can be used.
  • the holding elements 6 are usually designed as ropes, four retaining elements 6 are arranged on the support member 5 in most cases, but it can also be more or less holding elements 6 may be provided, but at least three holding elements 6.
  • a load 8 such as a Containers 9
  • the lifting height I H is usually adjusted by means of one or more winches 10a, 10b as shown schematically in FIG Figure 3 is shown.
  • the lifting device 1 or the container crane 2 can thus be moved in the direction of three axes. Due to rapid movements, uneven loading of the container 9 or wind influences, it may happen that on the holding elements 6 arranged load-receiving element 7 is excited with the container 9 arranged thereon to vibrate, as described below with reference to FIG 2a and 2b is shown.
  • 2a schematically shows a support member 5, on which a load-receiving element 7 incl.
  • Load 8 is arranged by means of four retaining elements 6.
  • the coordinate system shows the degrees of freedom of the load-receiving element 7.
  • the straight double arrows symbolize the possible directions of movement of the load-bearing element 7, wherein the movement in the Y-direction in the example shown by a movement of the entire lifting device 1, the movement in the X direction by movement of the support member. 5 on the boom 4 (lifting device 1 and boom 4 in Fig.1 a not shown) and the movement in the Z direction by changing the lifting height I H by means of the holding elements 6 and a lifting drive 10 (not shown).
  • the curved double arrows symbolize the possible rotations of the load-bearing element 7 about the respective axis.
  • Twists about the X-axis and the Y-axis can be relatively easily compensated by the user of the lifting device 1 and the container crane 2 and are not described in more detail here.
  • a twist around the Z-axis ie around the vertical axis
  • it is very disturbing, since, in particular, a torsional vibration of the load-bearing element 7 around the Z-axis would make it difficult or delay the positioning of a load 8 at a specific location, such as on the loading area of a truck or railway wagon.
  • a method is provided with which such a torsional vibration of a load-bearing element 7 around the vertical axis can be easily and quickly damped, so that rapid movement of the load-receiving element 7 with load 8 arranged thereon are made possible, which should contribute to an increase in efficiency of goods manipulation.
  • a detailed description of the method is described below with reference to Figure 3 and Figure 4 described.
  • the described embodiment of the lifting device 1 as a container crane 2 according to the Fig.1-Fig.3 only to be understood as an example.
  • the lifting device 1 may also be designed differently for the application of the method according to the invention, for example as a hall crane, tower crane, mobile crane, etc. Important is only the basic function of the lifting device 1 and that the lifting device 1 has the essential components for carrying out the damping method according to the invention, as described below.
  • Fig. 3 the essential components of a lifting device 1 are shown, here on the basis of the components of a container crane 2.
  • the essential parts of the invention are shown.
  • the structure and operation of such cranes have been described, are well known and therefore need not be specified.
  • According to a preferred embodiment of the invention are between support member 5 (in Figure 3 shown schematically by dashed lines) and load receiving element 7 four holding elements 6a, 6b, 6c, 6d arranged, for example, as high-strength ropes, in particular as steel cables, may be formed.
  • a lifting drive 10 is provided for lifting and lowering of the load-receiving element 7 in the Z direction, ie for adjusting the lifting height I H .
  • the lifting drive 10 is performed by winches 10a and 10b, wherein on each winch 10a, 10b two holding elements 6a, 6c and 6b, 6d are wound.
  • at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d for changing the length of the holding element 6 is provided on at least one holding element 6a, 6b, 6c, 6d.
  • an actuator 11a, 11b, 11c, 11d is provided on each holding element 6a, 6b, 6c, 6d.
  • four retaining elements 6a, 6b, 6c, 6d, each with an actuator 11a, 11b, 11c, 11d are arranged on the lifting device 1.
  • a linear actuator 10 as in Figure 3
  • the holding elements 6a, 6b, 6c, 6d are shown guided over deflecting rollers, which are arranged on the load-receiving element 7.
  • the respective free end of the holding elements 6a, 6b, 6c, 6d is fixed to a stationary holding point, for example on the support element 5.
  • An actuator 11a, 11b, 11c, 11d in this embodiment is preferably fixed to a stationary holding point, for example on the support element 5, and the free end of the holding elements 6a, 6b, 6c, 6d on the actuator 11a, 11b, 11c, 11d.
  • This can be adjusted by adjusting the actuator 11a, 11b, 11c, 11d, the length of a holding element 6a, 6b, 6c, 6d, whereby the distance between the support member 5 and the load-receiving element 7 is adjusted.
  • An actuator 11a, 11b, 11c, 11d can be controlled by a damping controller 12 for changing the length of the corresponding holding element 6a, 6b, 6c, 6d between the carrying element 5 and the load receiving element 7, preferably the actuator 11a, 11b, 11c, 11d at least one desired actuator position s soll or a desired actuator speed v soll should be specified. At least one actual actuator position s ist of the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d can be detected by the damping controller 12 for the damping control 12 (damping controller 12 in FIG Figure 3 not shown).
  • the damping controller 12 may be embodied, for example, as a separate component in the form of hardware and / or software, or else implemented in an existing crane control system.
  • the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d be controlled by the damping controller 12 so that by changing the actuator position and / or actuator speed on the one hand the load receiving element 7 is excited to a torsional vibration (as in Figure 3 symbolized by the double arrow) or on the other hand be controlled so that a torsional vibration of the load-bearing member 7 is attenuated.
  • the lengths of two diagonally opposite holding elements 6a, 6b between support element 5 and load receiving element 7 by means of the corresponding actuators 11a, 11b are preferably increased to excite or for damping a torsional vibration and the lengths of the two other diagonally opposite holding elements 6c, 6d reduced by means of the corresponding actuators 11c, 11d or vice versa.
  • the corresponding actuators 11c, 11d are preferably increased to excite or for damping a torsional vibration and the lengths of the two other diagonally opposite holding elements 6c, 6d reduced by means of the corresponding actuators 11c, 11d or vice versa.
  • only three holding elements 6 between support element 5 and load receiving element 7 could be arranged and only one actuator 11 for changing the length of one of the three holding elements 6.
  • the length of at least one retaining element 6a, 6b, 6c, 6d between support member 5 and load-receiving element 7 is variable, so that a torsional vibration of the load-bearing member 7 about the vertical axis, in Figure 3 around the Z-axis, can be excited or damped.
  • An actuator 11a, 11b, 11c, 11d may be arbitrary, preferably a hydraulic or electrical embodiment is used, which allows a longitudinal adjustment. If, as in Figure 3 shown, actuators 11a, 11b, 11c, 11d are used in the form of hydraulic cylinders, for example, the energy for actuating the actuators 11a, 11b, 11c, 11d can be obtained from an existing hydraulic system. An actuator 11a, 11b, 11c, 11d, however, can also be designed, for example, as a cable winch and electrically controlled, wherein the actuating energy can be obtained from an existing power supply.
  • an actuator 11a, 11b, 11c, 11d is also conceivable which are suitable for changing the length of a holding element 6 between the carrying element 5 and the load receiving element 7.
  • an actuator 11a, 11b, 11c, 11d must control the expected forces during the lifting and lowering of a load 8.
  • an actuator 11a, 11b, 11c, 11d may, for example, also have an additional transmission gear.
  • a measuring device 14 may be provided in the form of a camera system, wherein the support element 5 a Camera 14a and the load receiving element 7, a cooperating with the camera 14a measuring element 14b is arranged, or vice versa.
  • the actual rotational angle ⁇ is important by means of a gyro-sensor, that a measuring signal for the actual rotational angle ⁇ is present, which can be fed to the attenuator 12th
  • the lifting height I H between the support member 5 and the load-receiving element. 7 can be detected.
  • the lifting height I H can be detected via the lifting drive 10, for example in the form of a position signal of a cable winch 10a, 10b available in the crane control.
  • the lifting height I H could also be obtained from the crane control.
  • the lifting height I H can also be detected by means of the measuring device 14, for example, but can detect, for example, by means of a camera system which is ⁇ both the lifting height H I and the actual rotational angle.
  • Such measuring devices 14 are known in the prior art, which is why will not be discussed in detail here.
  • FIG 4 shows a block diagram of a possible embodiment of the control structure according to the invention with a damping controller 12, which can be implemented as already explained either as a separate component or preferably in the control of the lifting device 1, and a controlled system 15, which is controlled by the damping controller 12.
  • the damping controller 12 is designed as a state controller 13 in the embodiment shown. But it is basically any other suitable controller used.
  • the controlled system 15 provides the basis Figure 3
  • the reference variable of the damping controller 12 is a desired rotational angle ⁇ soll of the load-bearing element 7 and the manipulated variable is preferably a desired actuator position s soll of the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d.
  • the actual rotational angle ⁇ can be with a measuring device 14, for example, detected by means of a camera system as already described. As feedback, at least the detected actual rotational angle ⁇ ist of the load receiving element 7 is supplied to the damping controller 12 (and in the case of the use of the nominal actuator speed v soll as the manipulated variable also the detected actual actuator position s is ). It would also be conceivable, in addition, an actual angular velocity is ⁇ and fed into the variable attenuator 12, whereby the damping control could be further improved. From the detected actual rotation angle ⁇ is, of course, can be used when needed, an actual angular velocity is ⁇ or an actual angular acceleration ⁇ is derived, for example by derivation with respect to time.
  • the actual variables required can either be measured directly or can be estimated, at least partially, also in an observer.
  • An advantage of the use of the estimated means of an observer actual values such as an actual turning angle is ⁇ is that wherein A possibly existing and undesirable for the damping control measurement noise of measured values of a measuring device can be avoided fourteenth That's the Main reason why in a preferred embodiment according to Fig. 3 the actual rotational angle ⁇ is measured with a measuring device 14, but an estimated actual rotational angle ⁇ is nevertheless used for the damping control (in addition, an estimated actual angular velocity ⁇ ist could also be used; Fig. 5 ).
  • any suitable and well-known observers such as a Kalman filter, can be used, which determines estimated values of the required actual variables. In the following, estimated values are marked with ⁇ if necessary.
  • controller structure for the damping method according to the invention is secondary and in principle any suitable controller could be used.
  • the required actual variables can then be supplied as measured values or estimated values to the damping controller 12.
  • the damping controller 12 has at least one controller parameter, preferably five controller parameters.
  • the characteristic of the regulation can be adjusted, e.g. Responsiveness, dynamics, overshoot, damping, etc., whereby one of the properties can be adjusted by means of a controller parameter. If several properties are to be influenced, a corresponding number of controller parameters is required. As a result, the system behavior of the controlled system can be adapted.
  • the torsional vibration behavior of the load-bearing element 7 is mapped around the Z-axis with a torsional vibration model, for example with a 2nd-order differential equation in the mold
  • the spring constant c ⁇ is modeled depending on the lifting height I H.
  • this torsional vibration model is to be understood as exemplary only and other torsional vibration models could be used which are able to approximate the real torsional vibration.
  • the model parameters of the torsional vibration model may be known, but are generally unknown. Therefore, in a first step, the model parameters can be identified with an identification method.
  • identification methods are well known, for example from Isermann, R.Identtechnisch dynamic systems, 2nd edition, Springer-Verlag, 1992 or Ljung, L .: System Identification: Theory for the User, 2nd edition, Prentice Hall, 2009, so here will not be discussed further.
  • Common to the identification methods is that the system to be identified is excited with an input function (eg a jump function) and the output variable is detected and compared with an output variable of the model. The model parameters are then varied to minimize the error between the measured output and the output calculated with the model.
  • the damping controller 12 may be used to excite the load-receiving element 7 arranged thereon load 8 in a certain lifting height I H to a torsional vibration about the Z-axis.
  • a separate excitation controller may be implemented in the attenuation controller 12, for example in the form of a two-point controller. With the two-position controller, the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d is actuated, for example, as a function of the actual rotational angle ⁇ ist of the load receiving element 7 with the maximum possible nominal actuator speed v soll .
  • the excitation advantageously takes place counteracting, for example by activating the actuators 11a, 11b with the maximum possible positive actuator speed v and the actuators 11c, 11d be driven with the maximum possible negative actuator speed v or vice versa.
  • the excitation of the torsional vibration can take place in any but fixed lifting height I H of the load-receiving element 7.
  • the model parameters of the implemented torsional vibration model the predetermined lifting height I H.
  • an identification method For example, according to one embodiment of the invention, a mathematical online least-square method is used for identifying the model parameters, but it would also be conceivable to use other methods, for example offline least-squares methods or optimization-based methods.
  • a damping controller 12 can now be designed for the torsional vibration model.
  • a suitable controller structure is selected, for example a PID controller or a state controller.
  • each controller structure has a number of controller parameters K k , k ⁇ 1, which must be adjusted by means of a controller design method so that a desired control behavior results.
  • controller design methods are also well known and therefore will not be described in detail. Examples include the frequency characteristic method, the root locus method, the controller design by Polvorgabe and the Riccati method, which of course there are a wealth of other methods.
  • the desired control behavior of course, taking into account stability criteria and other boundary conditions, can be chosen substantially arbitrarily for the invention.
  • the controller parameters are determined depending on the lifting height I H. This can also be done in various ways.
  • controller parameters K k must be set only for a lifting height I H and can then be easily converted to other heights I H. From the formulaic relationship, however, the controller parameters K k for different lifting heights I H can also be calculated offline and from this a characteristic curve or a characteristic field can be created, which is then used in a further sequence.
  • the controller parameters K k in each time step of the control adapted to the current lifting height I H , for example by reading from a map or by calculation.
  • the damping controller 12 determines with the adjusted controller parameters K k the manipulated variable which is set with the at least one actuator 11 a, 11 b, 11 c, 11 d in the respective time step.
  • the controller parameters K k are thus at the current Lifting height I H adapted to damp torsional vibrations of the load-bearing element 7 at any stroke height I H optimally
  • the inventive method will be explained below with reference to a concrete embodiment. It is from a torsional vibration model in the form as described above.
  • the model parameters of the torsional vibration model eg ⁇ , ⁇ and i ⁇ can be identified as described for a specific lifting height I H.
  • a state controller 13 is used because of its high control quality or control performance, as in Fig. 4 shown.
  • five parameters K I , K P , K 1 , K 2 , K FF are provided as controller parameters K k .
  • the actuator position s, the rotation angle ⁇ , the angular velocity and a deviation e ⁇ between target rotation angle ⁇ soll and actual rotation angle ⁇ is used.
  • d 0 is a damping constant of the closed loop, ie the almost undamped system is converted by means of the damping controller 12 in a muted.
  • the parameters ⁇ i determine the dynamics and the response behavior of the control loop and are bound to the system properties of the torsional vibration model to be identified (the index i ⁇ 0 stands for the number of parameters of the damping controller, in the example given these are the parameters ⁇ 0 , ⁇ 1 , ⁇ 2 ).
  • the damping constant d 0 and the parameters ⁇ i are preferred pre-parameterized or predetermined, but can be adapted by the user if required.
  • K p 2 d 0 ⁇ 0 + ⁇ 1 + ⁇ 2
  • K 1 1 i ⁇ K P 2 d 0 ⁇ 0 ⁇ 1 ⁇ 2 - ⁇ 1 + ⁇ 2 ⁇ 0 2 ⁇ -
  • the controller parameters of the state controller 13 are then calculated on the basis of the current lifting height I H in each time step of the control and based on the control. So that the torsional vibration of the load receiving element 7 can be effectively damped during a lifting operation, because the SAS 12 automatically to the current lift height I H adapts.
  • the damping controller 12 can determine an actuator position s soll to be set or an actuator speed v soll for the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d and output it at an interface 16. To this end receives the damping controller 12 via an interface 17, the required actual values, for example the actual position s of the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d and the actual rotational angle ⁇ of the load receiving element 7. The time derivative of the actual rotational angle ⁇ is can be detected in the attenuator 12 or is also measured.
  • a state estimator 20 (FIG. Figure 5 ), Be provided in the form of hardware and / or software that ⁇ is the load receiving member 7 from measured actual values, for example of the actual rotation angle determined estimated values of the required input of the variable attenuator 12, here for example-an estimated actual rotational angle ⁇ is and an estimated actual angular velocity
  • the state estimator 20 may be implemented, for example, as a well-known Kalman filter.
  • the torsional vibration model can also be used in the state estimation unit 20 for this purpose.
  • a load 8 such as a container 9 are rotated in a predetermined angular range and thereby eg unloaded on a loading area of an inaccurately positioned truck.
  • a rotational angle ⁇ of the load-receiving element 7 in a range of, for example ⁇ 10 °.
  • an anti-wind-up protection is integrated in the damping controller (12), the damping controller 12 being given actuator limitations of the at least one actuator 11, in particular a maximum / minimum allowable actuator position s zul , a maximum / minimum allowable actuator speed v zul and a maximum / minimum allowable actuator acceleration a zul of the actuator 11.
  • This integrated anti-wind-up protection of the damping controller 12 can be adapted to the type of or the available actuators 11 of the lifting device 1.
  • the damping controller 12 calculates, as described, a manipulated variable of the at least one actuator 11, for example the desired actuator speed v soll .
  • this desired actuator speed v soll exceeds a maximum permissible actuator limit, for example the actuator speed v zul
  • the setpoint actuator speed v soll is limited to this maximum permissible actuator speed v zul .
  • the damping controller 12 calculates too high a nominal actuator speed v soll that the at least one actuator 11 could not follow because of its design. This would lead to a control error and the damping controller 12, in particular the integrated in the damping controller 12 integrator would try to compensate for this control error by the manipulated variable, for example, the target actuator speed v soll , would be further increased.
  • the target actuator speed v soll can also be used to calculate a desired actuator acceleration a soll and to compare it with a maximum / minimum allowable actuator acceleration a zul of the corresponding actuator 11a, 11b, 11c, 11d. If this maximum / minimum allowable actuator acceleration a zul is exceeded, this can also be taken into account with a limitation of the desired actuator speed v soll .
  • This allows different embodiments and sizes of Actuators 11a, 11b, 11c, 11d are taken into account in the damping controller, whereby the method is very flexible applicable to a variety of lifting devices 1.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Dämpfen von Drehschwingungen eines Lastaufnahmeelements (7) einer Hebeeinrichtung (1) geschaffen, wobei zumindest ein Reglerparameter anhand eines Drehschwingungsmodells des Lastaufnahmeelements (7) als Funktion der Hubhöhe (IH) ermittelt wird und wobei zur Dämpfung der Drehschwingung des Lastaufnahmeelements (7) in einer beliebigen Hubhöhe (IH) der zumindest eine Reglerparameter an diese Hubhöhe (IH) adaptiert wird.

Figure imgaf001
A method is provided for damping torsional vibrations of a load-bearing element (7) of a lifting device (1), wherein at least one controller parameter is determined on the basis of a torsional vibration model of the load-bearing element (7) as a function of the lifting height (I H ) and wherein for damping the torsional vibration of the load-bearing element (7) at any stroke height (I H ) of the at least one controller parameters to this lifting height (I H ) is adapted.
Figure imgaf001

Description

Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dämpfen einer Drehschwingung um eine Hochachse eines Lastaufnahmeelements einer Hebeeinrichtung mit einem Dämpfungsregler mit zumindest einem Reglerparameter, wobei das Lastaufnahmeelement mit zumindest drei Halteelementen mit einem Tragelement der Hebeeinrichtung verbunden wird und die Länge zumindest eines Halteelements zwischen Lastaufnahmeelement und Tragelement mit einem auf das zumindest eine Halteelement wirkenden Aktuator durch den Dämpfungsregler verstellt wird.The subject invention relates to a method for damping a torsional vibration about a vertical axis of a load-receiving element of a lifting device with a damping controller with at least one controller parameter, wherein the load-receiving element is connected to at least three holding elements with a support member of the lifting device and the length of at least one holding element between the load-receiving element and the support element an actuator acting on the at least one holding element is adjusted by the damping controller.

Hebeeinrichtungen, insbesondere Kräne gibt es in vielen verschiedenen Ausführungsformen und sie kommen in vielen unterschiedlichen Anwendungsgebieten zum Einsatz. Zum Beispiel gibt es Turmkräne, die vorwiegend für den Hoch- und Tiefbau verwendet werden, oder es gibt Mobilkräne, z.B. für die Montage von Windkraftanlagen. Brückenkräne werden z.B. als Hallenkräne in Fabrikshallen verwendet und Portalkräne z.B. für die Manipulation von Transportcontainern an Umschlagsorten für den intermodalen Güterumschlag, wie z.B. in Häfen zum Umschlag von Schiffen auf die Eisenbahn oder den LKW oder auf Güterbahnhöfen zum Umschlag von der Eisenbahn auf den LKW oder umgekehrt. Vorwiegend werden dabei die Güter für den Transport in standardisierten Containern gelagert, sogenannten ISO-Containern, welche gleichermaßen für den Transport in den drei Transport-Modi Straße, Schiene, Wasser geeignet sind. Der Aufbau und die Funktionsweise eines Portalkrans ist hinlänglich bekannt und ist z.B. in der US 2007/0289931 A1 anhand eines "ship-to-shore-Krans" beschrieben. Der Kran weist eine tragende Struktur bzw. ein Portal auf, auf dem ein Ausleger angeordnet ist. Dabei ist das Portal mit Rädern z.B. auf einem Gleis beweglich angeordnet und kann in einer Richtung bewegt werden. Der Ausleger ist fest mit dem Portal verbunden und am Ausleger wiederum ist eine entlang des Auslegers bewegliche Laufkatze angeordnet. Zur Aufnahme einer Fracht, z.B. eines ISO-Containers, ist die Laufkatze mittels vier Seilen mit einem Lastaufnahmeelement, einem sogenannten Spreader, verbunden. Zur Aufnahme und Manipulation eines Containers kann der Spreader mittels Seilwinden gehoben oder gesenkt werden, hier mittels zweier Seilwinden für jeweils zwei Seile. Der Spreader kann auch an unterschiedlich große Container angepasst werden.Hoisting devices, in particular cranes, are available in many different embodiments and are used in many different fields of application. For example, there are tower cranes, which are mainly used for civil engineering, or there are mobile cranes, eg for the installation of wind turbines. Bridge cranes are used, for example, as overhead cranes in factory halls and gantry cranes eg for the manipulation of transport containers at transhipment locations for intermodal cargo handling, such as in ports for handling ships on the railroad or truck or on freight yards for handling from the railroad to the truck or vice versa , Predominantly, the goods are stored for transport in standardized containers, so-called ISO containers, which are equally suitable for transport in the three modes of transport road, rail, water. The structure and operation of a gantry crane is well known and is eg in the US 2007/0289931 A1 described using a "ship-to-shore crane". The crane has a supporting structure or a portal on which a boom is arranged. The portal with wheels, for example, is arranged movably on a track and can be moved in one direction. The boom is firmly connected to the portal and the boom in turn a movable along the boom trolley is arranged. For receiving a freight, for example an ISO container, the trolley is connected by means of four cables with a load-receiving element, a so-called spreader. For receiving and manipulating a container, the spreader can be raised or lowered by means of winches, here by means of two winches for two ropes. The spreader can also be adapted to different sized containers.

Um die Wirtschaftlichkeit von Logistik-Prozessen zu erhöhen, wird unter anderem ein sehr rascher Güterumschlag gefordert, d.h. z.B. sehr rasche Be- und Entladungsvorgänge von Frachtschiffen und entsprechend schnelle Bewegungsvorgänge der Lastaufnahmeelemente und der Portalkräne insgesamt. Solche schnellen Bewegungsvorgänge können aber dazu führen, dass sich unerwünschte Schwingungen des Lastaufnahmeelements aufbauen, welche wiederum den Manipulationsvorgang verzögern, da die Container nicht präzise am vorgesehenen Ort platziert werden können. Insbesondere sind Drehschwingungen des Lastaufnahmeelements, also Schwingungen um die Hochachse störend, da diese mit herkömmlichen Kränen vom Kranführer nur schwer auszugleichen sind. Solche Drehschwingungen können zusätzlich auch durch z.B. eine ungleichmäßige Beladung des Containers oder durch Windeinflüsse hervorgerufen oder noch verstärkt werden.In order to increase the efficiency of logistics processes, inter alia, a very rapid cargo handling is required, ie, for example, very fast loading and unloading operations of cargo ships and correspondingly fast movement of the load-bearing elements and the gantry cranes as a whole. However, such rapid movement processes can lead to build up unwanted vibrations of the load-bearing element, which in turn delay the manipulation process, since the container is not precise on the intended Place can be placed. In particular, torsional vibrations of the load-bearing element, that is to say vibrations about the vertical axis, are disturbing, since they are difficult to compensate for with conventional cranes by the crane operator. Such torsional vibrations can additionally be caused or even intensified by, for example, uneven loading of the container or by wind influences.

Die US 2007/0289931 A1 erwähnt unter anderem das Problem der Oszillationen um die Hochachse (skew), schlägt allerdings keine zufriedenstellende Lösung vor. Zur Messung der Abweichungen des Lastaufnahmeelements von einer Sollposition und zur Messung des Abstands des Lastaufnahmeelements von der Laufkatze ist am Lastaufnahmeelement ein Zielobjekt bestehend aus Leuchtelementen vorgesehen und an der Laufkatze ist eine korrespondierende CCD-Kamera vorgesehen. Damit können Winkel-Abweichungen um die Hochachse (skew), die Längsachse (list) und die Querachse (trim) ermittelt werden. Zur Kompensation der Abweichungen ist je Halteseil ein Aktuator vorgesehen, mit dem die Länge des Halteseils verändert werden kann. Je nach Abweichung (trim, list oder skew) werden die Aktuatoren in unterschiedlicher Weise angesteuert, sodass die die einzelnen Halteseile verkürzt oder verlängert werden und der entsprechende Fehler kompensiert wird. Nachteilig hierbei ist, dass das Verfahren lediglich eine Kompensation von Winkelfehlern vorschlägt, ohne die Dynamik einer Drehschwingung zu berücksichtigen. Damit können keine Drehschwingungen kompensiert werden.The US 2007/0289931 A1 mentions, among other things, the problem of oscillations around the vertical axis (skew), but does not propose a satisfactory solution. For measuring the deviations of the load-receiving element from a desired position and for measuring the distance of the load-receiving element from the trolley, a target object consisting of light-emitting elements is provided on the load-receiving element and a corresponding CCD camera is provided on the trolley. Angle deviations around the vertical axis (skew), the longitudinal axis (list) and the transverse axis (trim) can thus be determined. To compensate for the deviations, an actuator is provided per tether, with which the length of the tether can be changed. Depending on the deviation (trim, list or skew), the actuators are controlled in different ways, so that the individual tethers are shortened or lengthened and the corresponding error is compensated. The disadvantage here is that the method proposes only a compensation of angular errors, without taking into account the dynamics of a torsional vibration. Thus, no torsional vibrations can be compensated.

Die DE 102010054502 A1 schlägt zur Kompensation von Drehschwingungen des Lastaufnahmeelements vor, zwischen Lastaufnahmeelement und Halteseilen ein Drehwerk anzuordnen. Dies ist jedoch sehr aufwändig und damit teuer, zusätzlich wird die Nutzlast durch das Gewicht des Drehwerks reduziert.The DE 102010054502 A1 proposes to compensate for torsional vibrations of the load-receiving element to arrange a slewing gear between the load-bearing element and tethers. However, this is very complex and therefore expensive, in addition, the payload is reduced by the weight of the slewing gear.

In der Veröffentlichung Quang Hieu Ngo et. al., 2009, Skew Control of a quay container crane, in: Journal of Mechanical Science and Technology 23, 2009 wird ein Regelungsverfahren zur Kompensation von Drehschwingungen des Lastaufnahmeelements eines Portalkrans vorgeschlagen. Dabei ist analog der US 2007/0289931 A1 an jedem Halteseil ein Aktuator zur Veränderung der Seillänge angeordnet und am Lastaufnahmeelement ist ein Beleuchtungselement angeordnet, das zur Messung der Winkelabweichung des Lastaufnahmeelements mit einer an der Laufkatze angeordneten CCD-Kamera zusammenwirkt. Dabei werden zur Dämpfung der Drehschwingung des Lastaufnahmeelements ein mathematisches Modell und eine "Input-shaping" Regelungsmethode verwendet. Beim Input-Shaping-Verfahren handelt es sich um eine Art Vorsteuerung, mit dem es möglich ist, den Drehwinkel des Lastaufnahmeelements zu verstellen. Eine Dämpfung einer bestehenden Drehschwingung ist damit nicht möglich. Nachteilig ist zudem, dass das beim Input-Shaping-Verfahren verwendete mathematische Modell sehr exakt sein muss, da es keine Möglichkeit gibt, Parameterabweichungen zu kompensieren.In the publication Quang Hieu Ngo et. al., 2009, skew control of a quay container crane, in: Journal of Mechanical Science and Technology 23, 2009 a control method for the compensation of torsional vibrations of the load-receiving element of a gantry crane is proposed. It is analogous to the US 2007/0289931 A1 arranged on each tether an actuator for changing the rope length and the load-receiving element, an illumination element is arranged, which cooperates for measuring the angular deviation of the load-receiving element with a arranged on the trolley CCD camera. In this case, a mathematical model and an "input-shaping" control method are used to damp the torsional vibration of the load-bearing element. The input-shaping process is a type of feedforward control with which it is possible to adjust the angle of rotation of the load-bearing element. A damping of an existing torsional vibration is therefore not possible. Another disadvantage is that the mathematical model used in the input-shaping method must be very accurate, since there is no way to compensate for parameter deviations.

Demzufolge ist es die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, insbesondere soll ein Verfahren zum Dämpfen von Drehschwingungen eines Lastaufnahmeelements einer Hebeeinrichtung geschaffen werden.Accordingly, it is the object of the invention to eliminate the disadvantages of the prior art, in particular a method for damping torsional vibrations of a load-receiving element of a lifting device is to be created.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der zumindest eine Reglerparameter anhand eines Drehschwingungsmodells des Lastaufnahmeelements als Funktion der Hubhöhe ermittelt wird und dass zur Dämpfung der Drehschwingung des Lastaufnahmeelements in einer beliebigen Hubhöhe der zumindest eine Reglerparameter an diese Hubhöhe adaptiert wird. Mit diesem einfachen Verfahren wird es ermöglicht, eine Drehschwingung eines Lastaufnahmeelements in einer beliebigen Hubhöhe zu dämpfen, ohne dass der oder die Reglerparameter des Dämpfungsreglers manuell festgelegt werden müssen. Dadurch wird der Betrieb der Hebeeinrichtung bzw. ein rasches Bewegen und genaues Positionieren einer Last wesentlich vereinfacht, was zu einer Zeitersparnis und damit zu einer Steigerung der Produktivität führt.According to the invention, the object is achieved in that the at least one controller parameter is determined on the basis of a torsional vibration model of the load-bearing element as a function of the lifting height and that for damping the torsional vibration of the load-receiving element at any stroke height, the at least one controller parameter is adapted to this lifting height. This simple method makes it possible to damp a torsional vibration of a load-bearing element at any lifting height without having to manually set the control parameter or parameters of the damping controller. As a result, the operation of the lifting device or a rapid movement and accurate positioning of a load is considerably simplified, which leads to a time savings and thus to an increase in productivity.

Bevorzugterweise wird das Lastaufnahmeelement bei einer bestimmten Hubhöhe des Lastaufnahmeelements zu einer Drehschwingung angeregt, wobei zumindest ein Ist-Drehwinkel des Lastaufnahmeelements um die Hochachse und eine Ist-Aktuatorposition erfasst werden und damit Modellparameter des Drehschwingungsmodells des Lastaufnahmeelements bei der gegebenen Hubhöhe anhand einer Identifikationsmethode identifiziert werden. Dadurch können mittels einer geeigneten Identifikationsmethode unbekannte Modellparameter eines gewählten Drehschwingungsmodells ermittelt werden, wodurch ein unbekanntes Schwingungsverhalten des Lastaufnahmeelements ermittelt und zur Dämpfung der Drehschwingung herangezogen werden kann.Preferably, the load-bearing element is excited to a torsional vibration at a certain lifting height of the load-receiving element, wherein at least one actual rotation angle of the load-receiving element about the vertical axis and an actual actuator position are detected and thus model parameters of the torsional vibration model of the load-bearing element at the given lifting height are identified by an identification method. As a result, unknown model parameters of a selected torsional vibration model can be determined by means of a suitable identification method, whereby an unknown vibration behavior of the load-bearing element can be determined and used to dampen the torsional vibration.

Vorteilhafterweise wird der zumindest eine Aktuator hydraulisch oder elektrisch betätigt, wodurch Standardkomponenten wie z.B. Hydraulikzylinder oder Elektromotoren verwendet werden können und ein vorhandenes Energieversorgungssystem genutzt werden kann.Advantageously, the at least one actuator is actuated hydraulically or electrically, whereby standard components such as e.g. Hydraulic cylinders or electric motors can be used and an existing power supply system can be used.

Wenn zumindest vier Halteelemente zwischen Lastaufnahmeelement und Trageelement vorgesehen sind, können größere Lasten manipuliert werden.If at least four holding elements are provided between the load-receiving element and the carrying element, larger loads can be manipulated.

Es ist vorteilhaft, wenn zumindest zwei Aktuatoren vorgesehen sind, insbesondere ein Aktuator je Halteelement. Dadurch kann einerseits eine Redundanz der Drehschwingungsdämpfung realisiert werden, wodurch die Ausfallsicherheit erhöht werden kann. Andererseits können kleinere Aktuatoren geringerer Trägheit verwendet werden, wodurch die Ansprechzeit der Dämpfungsregelung gesenkt und die Regelgüte erhöht werden kann.It is advantageous if at least two actuators are provided, in particular an actuator per holding element. As a result, on the one hand a redundancy of the torsional vibration damping can be realized, whereby the reliability can be increased. On the other hand, smaller actuators of lesser inertia can be used, whereby the response time of the damping control can be lowered and the control quality can be increased.

Vorteilhafterweise wird die Hubhöhe mittels einer, am Trageelement oder am Lastaufnahmeelement angeordneten Kamerasystems oder mittels eines Hubantriebs der Hebeeinrichtung gemessen. Dadurch kann die Hubhöhe sehr genau und in einfacher Weise erfasst werden. Bevorzugterweise wird der Drehwinkel des Lastaufnahmeelements mittels einer, am Trageelement oder am Lastaufnahmeelement angeordneten Kamerasystems gemessen. Mit dieser einfachen Methode kann der Drehwinkel des Lastaufnahmeelements sehr genau bestimmt werden. Ein Kamerasystem ist zudem relativ einfach auf einer bestehenden Hebeeinrichtung nachrüstbar.Advantageously, the lifting height is measured by means of a camera system arranged on the carrying element or on the load receiving element or by means of a lifting drive of the lifting device. As a result, the lifting height can be detected very accurately and in a simple manner. The angle of rotation of the load-bearing element is preferably measured by means of a camera system arranged on the support element or on the load-receiving element. With this simple method, the angle of rotation of the load-bearing element can be determined very accurately. A camera system is also relatively easy to retrofit to an existing lifting device.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Drehschwingungsmodell eine Differentialgleichung zweiter Ordnung mit zumindest drei Modellparametern, insbesondere mit einem Dynamikparameter δ, einem Dämpfungsparameter ξ und einem Streckenverstärkungsparameter iβ. Mit der mathematischen Modellierung des Drehschwingungssystems durch eine Differentialgleichung zweiter Ordnung wird eine einfache aber ausreichend genaue Abbildung der realen Drehschwingung geschaffen.According to a preferred embodiment, the torsional vibration model is a differential equation of the second order with at least three model parameters, in particular with a dynamics parameter δ, a damping parameter ξ and a path gain parameter i β . With the mathematical modeling of the torsional vibration system by a differential equation of second order, a simple but sufficiently accurate mapping of the real torsional vibration is created.

Es ist vorteilhaft, wenn die Identifikationsmethode ein mathematisches Verfahren ist, insbesondere ein online Least-Square Verfahren. Mit dieser gängigen mathematischen Methode können Modellparameter in einfacher Weise und ausreichend genau ermittelt werden.It is advantageous if the identification method is a mathematical method, in particular an online least-square method. With this popular mathematical method, model parameters can be determined easily and with sufficient accuracy.

Es ist vorteilhaft, wenn als Dämpfungsregler ein Zustandsregler mit vorzugsweise fünf Reglerparametern KI, K1, K2, KFF, KP verwendet wird. Dadurch wird ein schneller und stabiler Dämpfungsregler mit hoher Regelgüte geschaffen. Durch eine integrierte Vorsteuerung (Reglerparameter KFF) kann das Führungsverhalten verbessert werden und durch einen Integrator (Reglerparameter KI) erreicht man stationäre Genauigkeit bzw. können Modellunsicherheiten ausgeglichen werden.It is advantageous if a state controller with preferably five controller parameters K I , K 1 , K 2 , K FF , K P is used as a damping controller. This creates a fast and stable damping controller with high control quality. By an integrated feedforward control (controller parameter K FF ), the leadership behavior can be improved and by an integrator (controller parameter K I ) to achieve stationary accuracy or model uncertainties can be compensated.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird dem Dämpfungsregler ein Soll-Drehwinkel des Lastaufnahmeelements vorgegeben und der Dämpfungsregler regelt diesen Soll-Drehwinkel in einem vorgegebenen Winkelbereich ein, insbesondere in einem Winkelbereich von -10° ≤ βsoll ≤ +10°. Dadurch kann eine gewünschte Verdrehung des Lastaufnahmeelements erreicht werden wodurch Lasten wie z.B. Container auch auf nicht exakt ausgerichtete Ziele wie z.B. schräg stehende LKW's positioniert werden können.According to a preferred embodiment, a desired rotational angle of the load-receiving element is specified to the damping controller and the damping controller adjusts this desired rotational angle in a predetermined angular range, in particular in an angular range of -10 ° ≤ β soll ≤ + 10 °. As a result, a desired rotation of the load-receiving element can be achieved whereby loads such as containers can also be positioned on targets that are not precisely aligned, such as, for example, inclined trucks.

Vorteilhafterweise wird im Dämpfungsregler ein Anti-Wind-Up Schutz integriert, wobei dem Dämpfungsregler Aktuatorbeschränkungen des zumindest einen Aktuators vorgegeben werden, insbesondere eine maximal/minimal zulässige Aktuatorposition szul, eine maximal/minimal zulässige Aktuatorgeschwindigkeit vzul und eine maximal/minimal zulässige Aktuatorbeschleunigung azul des Aktuators. Durch diesen sogenannten Anti-Wind-Up Schutz können unzulässig hohe Stellgrößen des zumindest einen Aktuators vermieden werden, die zu einer Destabilisierung des Dämpfungsreglers führen könnten.Advantageously, an anti-wind-up protection is integrated in the damping controller, wherein the damping controller actuator limitations of the at least one actuator are specified, in particular a maximum / minimum permissible actuator position s zul , a maximum / minimum allowable actuator speed v zul and a maximum / minimum allowable actuator acceleration a zul of the actuator. By means of this so-called anti-wind-up protection, inadmissibly high manipulated variables of the at least one actuator can be avoided, which could lead to a destabilization of the damping controller.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt

  • Fig.1 den grundsätzlichen Aufbau einer Hebeeinrichtung anhand eines Containerkrans,
  • Fig.2a und 2b ein Lastaufnahmeelement inklusive Last zur Darstellung einer Drehschwingung,
  • Fig.3 einen Ausschnitt einer schematischen Hebeeinrichtung,
  • Fig.4 eine Reglerstruktur eines Dämpfungsreglers,
  • Fig. 5 eine Zustandsschätzeinheit.
The subject invention will be described below with reference to the FIGS. 1 to 4 explained in more detail, the exemplary, schematic and not limiting advantageous embodiments of the invention show. It shows
  • Fig.1 the basic structure of a lifting device on the basis of a container crane,
  • 2a and 2b a load receiving element including load for representing a torsional vibration,
  • Figure 3 a section of a schematic lifting device,
  • Figure 4 a controller structure of a damping controller,
  • Fig. 5 a state estimator.

Fig.1 zeigt eine Hebeeinrichtung 1 beispielhaft anhand eines schematischen Containerkrans 2, der beispielweise zum Be- und Entladen von Schiffen in einem Hafen verwendet wird. Üblicherweise weist ein Containerkran 2 eine tragende Struktur 3 auf, die entweder fest oder beweglich am Boden angeordnet ist. Im Falle einer beweglichen Anordnung kann die tragende Struktur 3 beispielsweise in Y-Richtung fahrbar auf Schienen angeordnet sein, wie schematisch in Fig.1 dargestellt ist. Durch diesen Freiheitsgrad in Y-Richtung ist der Containerkran 2 örtlich flexibel einsetzbar. Die tragende Struktur 3 weist einen Ausleger 4 auf, der fest mit der tragenden Struktur 3 verbunden ist. Auf diesem Ausleger 4 ist üblicherweise ein Trageelement 5 angeordnet, das in Längsrichtung des Auslegers 4, also in dem dargestellten Beispiel in X-Richtung beweglich ist, beispielsweise kann ein Trageelement 5 mittels Rollen in Führungen gelagert sein. Das Trageelement 5 ist üblicherweise mittels Halteelementen 6 mit einem Lastaufnahmeelement 7 zur Aufnahme einer Last 8 verbunden. Im Falle eines Containerkrans 2 ist die Last 8 üblicherweise ein Container 9, in den meisten Fällen ein ISO-Container mit einer Länge von 20, 40 oder 45 Fuß und einer Breite von 8 Fuß. Es existieren aber auch Lastaufnahmeelemente 7, die geeignet sind, gleichzeitig zwei Container 9 nebeneinander aufzunehmen (sogenannte Dual-Spreader). Für das erfindungsgemäße Dämpfungsverfahren ist die Art und Ausführung des Lastaufnahmeelements 7 aber nicht weiter relevant, es können beliebige Ausführungsformen des Lastaufnahmeelements 7 verwendet werden. Die Halteelemente 6 sind üblicherweise als Seile ausgeführt, wobei in den meisten Fällen vier Halteelemente 6 am Trageelement 5 angeordnet sind, es können aber auch mehr oder weniger Halteelemente 6 vorgesehen sein, zumindest aber drei Halteelemente 6. Zur Aufnahme einer Last 8, wie z.B. eines Containers 9, ist die Hubhöhe IH zwischen Trageelement 5 und Lastaufnahmeelement 7 mittels eines Hubantriebs 10 (siehe Fig.3) verstellbar, wie in Fig.1 dargestellt z.B. in Z-Richtung. Wenn die Halteelemente 6 als Seile ausgeführt sind, wird die Hubhöhe IH üblicherweise mittels einer oder mehrerer Seilwinden 10a, 10b verstellt wie schematisch in Fig.3 dargestellt ist. Zur Manipulation von Lasten 8 bzw. Container 9 kann die Hebeeinrichtung 1 bzw. der Containerkran 2 also in Richtung von drei Achsen bewegt werden. Aufgrund von schnellen Bewegungsabläufen, ungleichmäßiger Beladung des Containers 9 oder Windeinflüssen, kann es vorkommen, dass das an den Halteelementen 6 angeordnete Lastaufnahmeelement 7 mit dem daran angeordneten Container 9 zu Schwingungen angeregt wird, wie nachfolgend anhand der Fig.2a und 2b dargestellt ist. Fig.2a zeigt schematisch ein Trageelement 5, an dem ein Lastaufnahmeelements 7 inkl. Last 8 mittels vier Halteelementen 6 angeordnet ist. Das Koordinatensystem zeigt die Freiheitsgrade des Lastaufnahmeelements 7. Die geraden Doppelpfeile symbolisieren die möglichen Bewegungsrichtungen des Lastaufnahmeelements 7, wobei die Bewegung in Y-Richtung im dargestellten Beispiel durch eine Bewegung der gesamten Hebeeinrichtung 1 erfolgt, die Bewegung in X-Richtung durch Bewegung des Trageelements 5 auf dem Ausleger 4 (Hebeeinrichtung 1 und Ausleger 4 in Fig.1 a nicht dargestellt) und die Bewegung in Z-Richtung durch Veränderung der Hubhöhe IH mittels der Halteelemente 6 und eines Hubantriebs 10 (nicht dargestellt). Die gebogenen Doppelpfeile symbolisieren die möglichen Verdrehungen des Lastaufnahmeelements 7 um die jeweilige Achse. Verdrehungen um die X-Achse bzw. die Y-Achse können vom Benutzer der Hebeeinrichtung 1 bzw. des Containerkrans 2 relativ leicht ausgeglichen werden und werden hier nicht ausführlicher beschrieben. Eine Verdrehung um die Z-Achse (also um die Hochachse) wie in Fig. 2b dargestellt, ist wie eingangs beschrieben sehr störend, da insbesondere eine Drehschwingung des Lastaufnahmeelements 7 um die Z-Achse ein Positionieren einer Last 8 an einem bestimmten Ort, wie z.B. auf der Ladefläche eines LKW's oder eines Eisenbahn-Waggons erschweren bzw. verzögern würde. Fig.1 shows a lifting device 1 by way of example with reference to a schematic container crane 2, which is used for example for loading and unloading of ships in a port. Usually, a container crane 2 has a supporting structure 3, which is either fixed or movable on the ground. In the case of a movable arrangement, the supporting structure 3 can for example be arranged movably on rails in the Y-direction, as shown schematically in FIG Fig.1 is shown. By this degree of freedom in the Y direction of the container crane 2 is used locally flexible. The supporting structure 3 has a boom 4 which is fixedly connected to the supporting structure 3. On this boom 4, a support member 5 is usually arranged, which is movable in the longitudinal direction of the arm 4, that is in the illustrated example in the X direction, for example, a support member 5 may be mounted by means of rollers in guides. The support element 5 is usually connected by means of holding elements 6 with a load-receiving element 7 for receiving a load 8. In the case of a container crane 2, the load 8 is usually a container 9, in most cases an ISO container having a length of 20, 40 or 45 feet and a width of 8 feet. But there are also load-bearing elements 7, which are suitable to simultaneously accommodate two containers 9 side by side (so-called dual spreader). For the damping method according to the invention, however, the type and design of the load-bearing element 7 is not further relevant; any desired embodiments of the load-bearing element 7 can be used. The holding elements 6 are usually designed as ropes, four retaining elements 6 are arranged on the support member 5 in most cases, but it can also be more or less holding elements 6 may be provided, but at least three holding elements 6. To accommodate a load 8, such as a Containers 9, the lifting height I H between the support member 5 and the load-receiving element 7 by means of a linear actuator 10 (see Figure 3 ) adjustable, as in Fig.1 shown eg in Z-direction. When the holding elements 6 are designed as ropes, the lifting height I H is usually adjusted by means of one or more winches 10a, 10b as shown schematically in FIG Figure 3 is shown. For manipulating loads 8 or container 9, the lifting device 1 or the container crane 2 can thus be moved in the direction of three axes. Due to rapid movements, uneven loading of the container 9 or wind influences, it may happen that on the holding elements 6 arranged load-receiving element 7 is excited with the container 9 arranged thereon to vibrate, as described below with reference to FIG 2a and 2b is shown. 2a schematically shows a support member 5, on which a load-receiving element 7 incl. Load 8 is arranged by means of four retaining elements 6. The coordinate system shows the degrees of freedom of the load-receiving element 7. The straight double arrows symbolize the possible directions of movement of the load-bearing element 7, wherein the movement in the Y-direction in the example shown by a movement of the entire lifting device 1, the movement in the X direction by movement of the support member. 5 on the boom 4 (lifting device 1 and boom 4 in Fig.1 a not shown) and the movement in the Z direction by changing the lifting height I H by means of the holding elements 6 and a lifting drive 10 (not shown). The curved double arrows symbolize the possible rotations of the load-bearing element 7 about the respective axis. Twists about the X-axis and the Y-axis can be relatively easily compensated by the user of the lifting device 1 and the container crane 2 and are not described in more detail here. A twist around the Z-axis (ie around the vertical axis) as in Fig. 2b As described at the beginning, it is very disturbing, since, in particular, a torsional vibration of the load-bearing element 7 around the Z-axis would make it difficult or delay the positioning of a load 8 at a specific location, such as on the loading area of a truck or railway wagon.

Erfindungsgemäß ist deshalb ein Verfahren vorgesehen, mit dem eine derartige Drehschwingung eines Lastaufnahmeelements 7 um die Hochachse einfach und schnell gedämpft werden kann, sodass rasche Bewegungsvorgänge des Lastaufnahmeelements 7 mit daran angeordneter Last 8 ermöglicht werden, was zu einer Effizienzsteigerung der Gütermanipulation beitragen soll. Eine detaillierte Beschreibung des Verfahrens ist nachfolgend anhand der Fig.3 und Fig.4 beschrieben.According to the invention, therefore, a method is provided with which such a torsional vibration of a load-bearing element 7 around the vertical axis can be easily and quickly damped, so that rapid movement of the load-receiving element 7 with load 8 arranged thereon are made possible, which should contribute to an increase in efficiency of goods manipulation. A detailed description of the method is described below with reference to Figure 3 and Figure 4 described.

Natürlich ist die beschriebene Ausführungsform der Hebeeinrichtung 1 als Containerkran 2 gemäß den Fig.1-Fig.3 nur beispielhaft zu verstehen. Die Hebeeinrichtung 1 kann für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch beliebig anders ausgeführt sein, beispielsweise als Hallenkran, Turmdrehkran, Mobilkran, etc. Wichtig ist nur die grundlegende Funktion der Hebeeinrichtung 1 und dass die Hebeeinrichtung 1 die wesentlichen Komponenten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Dämpfungsverfahrens aufweist, wie nachfolgend beschrieben.Of course, the described embodiment of the lifting device 1 as a container crane 2 according to the Fig.1-Fig.3 only to be understood as an example. The lifting device 1 may also be designed differently for the application of the method according to the invention, for example as a hall crane, tower crane, mobile crane, etc. Important is only the basic function of the lifting device 1 and that the lifting device 1 has the essential components for carrying out the damping method according to the invention, as described below.

In Fig. 3 sind die wesentlichen Komponenten einer Hebeeinrichtung 1 dargestellt, hier anhand der Komponenten eines Containerkrans 2. Dabei sind die für die Erfindung wesentlichen Teile gezeigt. Der Aufbau und die Funktionsweise von solchen Kränen wurden bereits beschrieben, sind hinlänglich bekannt und müssen daher nicht näher ausgeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwischen Trageelement 5 (in Fig.3 schematisch gestrichelt dargestellt) und Lastaufnahmeelement 7 vier Halteelemente 6a, 6b, 6c, 6d angeordnet, die z.B. als hochfeste Seile, insbesondere als Stahlseile, ausgebildet sein können. Zum Heben und Senken des Lastaufnahmeelements 7 in Z-Richtung, also zur Verstellung der Hubhöhe IH ist ein Hubantrieb 10 vorgesehen. Im Beispiel gemäß Fig.3 ist der Hubantrieb 10 durch Seilwinden 10a und 10b ausgeführt, wobei auf jeder Seilwinde 10a, 10b jeweils zwei Halteelemente 6a, 6c bzw. 6b, 6d aufgewickelt sind. Es sind aber natürlich auch andere Formen des Hubantriebs denkbar. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist an zumindest einem Halteelement 6a, 6b, 6c, 6d zumindest ein Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d zur Veränderung der Länge des Halteelements 6 vorgesehen. Vorteilhafterweise ist jedoch an jedem Halteelement 6a, 6b, 6c, 6d ein Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d vorgesehen. Vorzugsweise sind wie in Fig.3 ersichtlich vier Halteelemente 6a, 6b, 6c, 6d mit jeweils einem Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d an der Hebeeinrichtung 1 angeordnet.In Fig. 3 the essential components of a lifting device 1 are shown, here on the basis of the components of a container crane 2. The essential parts of the invention are shown. The structure and operation of such cranes have been described, are well known and therefore need not be specified. According to a preferred embodiment of the invention are between support member 5 (in Figure 3 shown schematically by dashed lines) and load receiving element 7 four holding elements 6a, 6b, 6c, 6d arranged, for example, as high-strength ropes, in particular as steel cables, may be formed. For lifting and lowering of the load-receiving element 7 in the Z direction, ie for adjusting the lifting height I H , a lifting drive 10 is provided. In the example according to Figure 3 the lifting drive 10 is performed by winches 10a and 10b, wherein on each winch 10a, 10b two holding elements 6a, 6c and 6b, 6d are wound. But there are of course other forms of Hubantriebs conceivable. For carrying out the method according to the invention, at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d for changing the length of the holding element 6 is provided on at least one holding element 6a, 6b, 6c, 6d. Advantageously, however, an actuator 11a, 11b, 11c, 11d is provided on each holding element 6a, 6b, 6c, 6d. Preferably, as in Figure 3 four retaining elements 6a, 6b, 6c, 6d, each with an actuator 11a, 11b, 11c, 11d are arranged on the lifting device 1.

Bei einem Hubantrieb 10 wie in Fig.3 dargestellt werden die Halteelemente 6a, 6b, 6c, 6d über Umlenkrollen geführt, die am Lastaufnahmeelement 7 angeordnet sind. Das jeweils freie Ende der Halteelemente 6a, 6b, 6c, 6d ist an einem ortsfesten Haltepunkt, beispielsweise am Trageelement 5 fixiert. Ein Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d ist in dieser Ausgestaltung vorzugsweise an einem ortsfesten Haltepunkt, beispielsweise am Trageelement 5 fixiert und das freie Ende der Halteelemente 6a, 6b, 6c, 6d am Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d. Damit kann durch Verstellung des Aktuators 11a, 11b, 11c, 11d die Länge eines Halteelements 6a, 6b, 6c, 6d verstellt werden, womit auch der Abstand zwischen Trageelement 5 und Lastaufnahmeelement 7 verstellt wird.In a linear actuator 10 as in Figure 3 The holding elements 6a, 6b, 6c, 6d are shown guided over deflecting rollers, which are arranged on the load-receiving element 7. The respective free end of the holding elements 6a, 6b, 6c, 6d is fixed to a stationary holding point, for example on the support element 5. An actuator 11a, 11b, 11c, 11d in this embodiment is preferably fixed to a stationary holding point, for example on the support element 5, and the free end of the holding elements 6a, 6b, 6c, 6d on the actuator 11a, 11b, 11c, 11d. This can be adjusted by adjusting the actuator 11a, 11b, 11c, 11d, the length of a holding element 6a, 6b, 6c, 6d, whereby the distance between the support member 5 and the load-receiving element 7 is adjusted.

Ein Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d kann dabei zur Veränderung der Länge des entsprechenden Halteelements 6a, 6b, 6c, 6d zwischen Trageelement 5 und Lastaufnahmeelement 7 von einem Dämpfungsregler 12 angesteuert werden, vorzugsweise kann dem Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d dabei zumindest eine Soll-Aktuatorposition ssoll oder eine Soll-Aktuatorgeschwindigkeit vsoll vorgegeben werden. Für die Dämpfungsregelung kann vom Dämpfungsregler 12 zumindest eine Ist-Aktuatorposition sist des zumindest einen Aktuators 11a, 11b, 11c, 11d erfasst werden (Dämpfungsregler 12 in Fig.3 nicht dargestellt). Der Dämpfungsregler 12 kann dabei z.B. als separater Bauteil in Form von Hardware und/oder Software ausgeführt sein oder auch in einer vorhandenen Kransteuerung implementiert sein. Der zumindest eine Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d kann, wie später noch im Detail beschrieben wird, vom Dämpfungsregler 12 so angesteuert werden, dass durch Veränderung der Aktuatorposition und/oder Aktuatorgeschwindigkeit einerseits das Lastaufnahmeelement 7 zu einer Drehschwingung angeregt wird (wie in Fig.3 durch den Doppelpfeil symbolisiert ist) oder andererseits so angesteuert werden, dass eine Drehschwingung des Lastaufnahmeelements 7 gedämpft wird.An actuator 11a, 11b, 11c, 11d can be controlled by a damping controller 12 for changing the length of the corresponding holding element 6a, 6b, 6c, 6d between the carrying element 5 and the load receiving element 7, preferably the actuator 11a, 11b, 11c, 11d at least one desired actuator position s soll or a desired actuator speed v soll should be specified. At least one actual actuator position s ist of the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d can be detected by the damping controller 12 for the damping control 12 (damping controller 12 in FIG Figure 3 not shown). The damping controller 12 may be embodied, for example, as a separate component in the form of hardware and / or software, or else implemented in an existing crane control system. The at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d, as will be described in detail later, be controlled by the damping controller 12 so that by changing the actuator position and / or actuator speed on the one hand the load receiving element 7 is excited to a torsional vibration (as in Figure 3 symbolized by the double arrow) or on the other hand be controlled so that a torsional vibration of the load-bearing member 7 is attenuated.

In der dargestellten Ausführungsform werden dabei zur Anregung oder zur Dämpfung einer Drehschwingung vorzugsweise die Längen von zwei diagonal gegenüberliegenden Halteelementen 6a, 6b zwischen Trageelement 5 und Lastaufnahmeelement 7 mittels der korrespondierenden Aktuatoren 11a, 11b vergrößert und die Längen der zwei anderen diagonal gegenüberliegenden Halteelemente 6c, 6d mittels der korrespondierenden Aktuatoren 11c, 11d verringert oder umgekehrt. Beispielsweise könnten aber auch nur drei Halteelemente 6 zwischen Trageelement 5 und Lastaufnahmeelement 7 angeordnet sein und nur ein Aktuator 11 zur Änderung der Länge eines der drei Halteelemente 6. Wichtig ist nur, dass mittels des zumindest einen Aktuators 11a, 11b, 11c, 11d die Länge von zumindest eines Halteelements 6a, 6b, 6c, 6d zwischen Trageelement 5 und Lastaufnahmeelement 7 veränderbar ist, sodass eine Drehschwingung des Lastaufnahmeelements 7 um die Hochachse, in Fig.3 um die Z-Achse, angeregt bzw. gedämpft werden kann.In the illustrated embodiment, the lengths of two diagonally opposite holding elements 6a, 6b between support element 5 and load receiving element 7 by means of the corresponding actuators 11a, 11b are preferably increased to excite or for damping a torsional vibration and the lengths of the two other diagonally opposite holding elements 6c, 6d reduced by means of the corresponding actuators 11c, 11d or vice versa. For example, however, only three holding elements 6 between support element 5 and load receiving element 7 could be arranged and only one actuator 11 for changing the length of one of the three holding elements 6. It is important only that by means of the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d, the length of at least one retaining element 6a, 6b, 6c, 6d between support member 5 and load-receiving element 7 is variable, so that a torsional vibration of the load-bearing member 7 about the vertical axis, in Figure 3 around the Z-axis, can be excited or damped.

Ein Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d kann beliebig ausgeführt sein, bevorzugt wird eine hydraulische oder elektrische Ausführungsform verwendet, die eine Längsverstellung ermöglicht. Wenn, wie in Fig.3 dargestellt, Aktuatoren 11a, 11b, 11c, 11d in Form von Hydraulikzylindern zum Einsatz kommen, kann beispielsweise die Energie zur Betätigung der Aktuatoren 11a, 11b, 11c, 11d aus einem vorhandenen Hydrauliksystem bezogen werden. Ein Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d kann aber auch z.B. als Seilwinde ausgeführt sein und elektrisch angesteuert werden, wobei die Betätigungsenergie aus einem vorhandenen Stromnetz bezogen werden kann. Es sind auch andere Ausführungsformen eines Aktuators 11a, 11b, 11c, 11d denkbar, die für eine Änderung der Länge eines Halteelements 6 zwischen Trageelement 5 und Lastaufnahmeelement 7 geeignet sind. Insbesondere muss ein Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d die zu erwartenden Kräfte während des Heben und Senkens einer Last 8 beherrschen. Um eine geforderte Längenänderung eines Halteelements 6a, 6b, 6c, 6d bei einer bestimmten Belastung herbeizuführen kann ein Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d beispielsweise auch ein zusätzliches Übersetzungsgetriebe aufweisen.An actuator 11a, 11b, 11c, 11d may be arbitrary, preferably a hydraulic or electrical embodiment is used, which allows a longitudinal adjustment. If, as in Figure 3 shown, actuators 11a, 11b, 11c, 11d are used in the form of hydraulic cylinders, for example, the energy for actuating the actuators 11a, 11b, 11c, 11d can be obtained from an existing hydraulic system. An actuator 11a, 11b, 11c, 11d, however, can also be designed, for example, as a cable winch and electrically controlled, wherein the actuating energy can be obtained from an existing power supply. Other embodiments of an actuator 11a, 11b, 11c, 11d are also conceivable which are suitable for changing the length of a holding element 6 between the carrying element 5 and the load receiving element 7. In particular, an actuator 11a, 11b, 11c, 11d must control the expected forces during the lifting and lowering of a load 8. In order to bring about a required change in length of a retaining element 6a, 6b, 6c, 6d at a certain load, an actuator 11a, 11b, 11c, 11d may, for example, also have an additional transmission gear.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Dämpfungsverfahrens ist vorgesehen, dass zumindest ein Ist-Drehwinkel βist des Lastaufnahmeelements 7 um die Z-Achse (bzw. Hochachse) erfasst werden kann, beispielsweise kann eine Messeinrichtung 14 in Form eines Kamerasystems vorgesehen sein, wobei am Trageelement 5 eine Kamera 14a und am Lastaufnahmeelement 7 ein mit der Kamera 14a zusammenwirkendes Messelement 14b angeordnet ist, oder umgekehrt. Der Ist-Drehwinkel βist kann aber auch auf andere Weise gemessen werden, z.B. mittels eines Gyro-Sensors, wichtig ist, dass ein Messsignal für den Ist-Drehwinkel βist vorliegt, das dem Dämpfungsregler 12 zugeführt werden kann. Weiters ist vorgesehen, dass die Hubhöhe IH zwischen Trageelement 5 und Lastaufnahmeelement 7 erfasst werden kann. Beispielsweise kann die Hubhöhe IH über den Hubantrieb 10 erfasst werden, z.B. in Form eines, in der Kransteuerung verfügbaren Positionssignals einer Seilwinde 10a, 10b. Die Hubhöhe IH könnte auch aus der Kransteuerung bezogen werden. Die Hubhöhe IH kann beispielsweise aber auch mittels der Messeinrichtung 14 erfasst werden, z.B. mittels eines Kamerasystems, das sowohl die Hubhöhe IH als auch den Ist-Drehwinkel βist erfassen kann. Solche Messeinrichtungen 14 sind im Stand der Technik bekannt, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird.For carrying out the damping method according to the invention, it is provided that at least one actual rotational angle β ist of the load-bearing element 7 about the Z-axis (or vertical axis) can be detected, for example, a measuring device 14 may be provided in the form of a camera system, wherein the support element 5 a Camera 14a and the load receiving element 7, a cooperating with the camera 14a measuring element 14b is arranged, or vice versa. The actual rotational angle β, but may also be measured in other ways, for example, is important by means of a gyro-sensor, that a measuring signal for the actual rotational angle β is present, which can be fed to the attenuator 12th It is further provided that the lifting height I H between the support member 5 and the load-receiving element. 7 can be detected. For example, the lifting height I H can be detected via the lifting drive 10, for example in the form of a position signal of a cable winch 10a, 10b available in the crane control. The lifting height I H could also be obtained from the crane control. The lifting height I H can also be detected by means of the measuring device 14, for example, but can detect, for example, by means of a camera system which is β both the lifting height H I and the actual rotational angle. Such measuring devices 14 are known in the prior art, which is why will not be discussed in detail here.

Die einzelnen Schritte des Dämpfungsverfahrens sind nachfolgend anhand von Fig.4 beschrieben.The individual steps of the damping method are described below with reference to Figure 4 described.

Fig.4 zeigt ein Blockschaltbild einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regelstruktur mit einem Dämpfungsregler 12, der wie schon erläutert entweder als separater Bauteil oder vorzugsweise in der Steuerung der Hebeeinrichtung 1 implementiert sein kann, und einer Regelstrecke 15, die vom Dämpfungsregler 12 geregelt wird. Der Dämpfungsregler 12 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Zustandsregler 13 ausgeführt. Es ist aber grundsätzlich auch jeder andere geeigneter Regler einsetzbar. Die Regelstrecke 15 stellt das anhand Fig.3 beschriebene System dar. Die Führungsgröße des Dämpfungsreglers 12 ist ein Soll-Drehwinkel βsoll des Lastaufnahmeelements 7 und die Stellgröße ist vorzugsweise eine Soll-Aktuatorposition ssoll des zumindest einen Aktuators 11a, 11b, 11c, 11d. Alternativ kann als Stellgröße auch eine Soll-Aktuatorgeschwindigkeit vsoll anstatt der Soll-Aktuatorposition ssoll verwendet werden. Der Ist-Drehwinkel βist kann wie bereits beschrieben mit einer Messeinrichtung 14, z.B. mittels eines Kamerasystems, erfasst werden. Als Rückkopplung wird dem Dämpfungsregler 12 zumindest der erfasste Ist-Drehwinkel βist des Lastaufnahmeelements 7 zugeführt (und im Falle der Verwendung der Soll-Aktuatorgeschwindigkeit vsoll als Stellgröße auch die erfasste Ist-Aktuatorposition sist). Es wäre auch denkbar, zusätzlich eine Ist-Winkelgeschwindigkeit βist zu erfassen und dem Dämpfungsregler 12 zuzuführen, wodurch die Dämpfungsregelung weiter verbessert werden könnte. Aus dem erfassten Ist-Drehwinkel βist kann natürlich wenn benötigt auch eine Ist-Winkelgeschwindigkeit βist oder eine Ist-Winkelbeschleunigung βist abgeleitet werden, beispielsweise durch Ableitung nach der Zeit. Figure 4 shows a block diagram of a possible embodiment of the control structure according to the invention with a damping controller 12, which can be implemented as already explained either as a separate component or preferably in the control of the lifting device 1, and a controlled system 15, which is controlled by the damping controller 12. The damping controller 12 is designed as a state controller 13 in the embodiment shown. But it is basically any other suitable controller used. The controlled system 15 provides the basis Figure 3 The reference variable of the damping controller 12 is a desired rotational angle β soll of the load-bearing element 7 and the manipulated variable is preferably a desired actuator position s soll of the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d. Alternatively, as a manipulated variable and a target actuator speed v should be used instead of the desired actuator position s soll . The actual rotational angle β can be with a measuring device 14, for example, detected by means of a camera system as already described. As feedback, at least the detected actual rotational angle β ist of the load receiving element 7 is supplied to the damping controller 12 (and in the case of the use of the nominal actuator speed v soll as the manipulated variable also the detected actual actuator position s is ). It would also be conceivable, in addition, an actual angular velocity is β and fed into the variable attenuator 12, whereby the damping control could be further improved. From the detected actual rotation angle β is, of course, can be used when needed, an actual angular velocity is β or an actual angular acceleration β is derived, for example by derivation with respect to time.

Die benötigten Istgrößen, also insbesondere der Ist-Drehwinkel βist und gegebenenfalls zeitliche Ableitungen davon, können entweder direkt gemessen werden oder können, zumindest teilweise, auch in einem Beobachter geschätzt werden. Ein Vorteil der Verwendung von mittels eines Beobachters geschätzter Istgrößen, wie z.B. eines Ist-Drehwinkels βist, ist, dass dadurch ein etwaig vorhandenes und für die Dämpfungsregelung unerwünschtes Messrauschen von Messwerten einer Messeinrichtung 14 vermieden werden kann. Das ist der Hauptgrund, warum in einer bevorzugten Ausgestaltung nach Fig. 3 der Ist-Drehwinkel βist mit einer Messeinrichtung 14 gemessen wird, für die Dämpfungsregelung aber trotzdem ein geschätzter Ist-Drehwinkel β̂ist verwendet wird (zusätzlich könnte auch noch eine geschätzte Ist-Winkelgeschwindigkeit βist verwendet werden, siehe dazu Fig. 5). Hierbei können beliebige geeignete und hinlänglich bekannte Beobachter, wie beispielsweise ein Kalman-Filter, verwendet werden, die Schätzwerte der benötigten Istgrößen ermittelt. Im nachfolgenden werden Schätzwerte gegebenenfalls mit ^ gekennzeichnet.The actual variables required, that is to say in particular the actual rotational angle β , and possibly time derivatives thereof, can either be measured directly or can be estimated, at least partially, also in an observer. An advantage of the use of the estimated means of an observer actual values such as an actual turning angle is β is that wherein A possibly existing and undesirable for the damping control measurement noise of measured values of a measuring device can be avoided fourteenth That's the Main reason why in a preferred embodiment according to Fig. 3 the actual rotational angle β is measured with a measuring device 14, but an estimated actual rotational angle β is nevertheless used for the damping control (in addition, an estimated actual angular velocity β ist could also be used; Fig. 5 ). Here, any suitable and well-known observers, such as a Kalman filter, can be used, which determines estimated values of the required actual variables. In the following, estimated values are marked with ^ if necessary.

Es ist allerdings anzumerken, dass die Reglerstruktur für das erfindungsgemäße Dämpfungsverfahren sekundär ist und grundsätzlich jeder geeignete Regler verwendet werden könnte. Dem Dämpfungsregler 12 sind dann je nach Implementierung die benötigten Istgrößen als Messwerte oder Schätzwerte zuzuführen.It should be noted, however, that the controller structure for the damping method according to the invention is secondary and in principle any suitable controller could be used. Depending on the implementation, the required actual variables can then be supplied as measured values or estimated values to the damping controller 12.

Der Dämpfungsregler 12 weist zumindest einen Reglerparameter auf, vorzugsweise fünf Reglerparameter. Mittels des bzw. der Reglerparameter kann die Charakteristik der Regelung eingestellt werden, also z.B. Ansprechverhalten, Dynamik, Überschwingen, Dämpfung, usw., wobei mittels eines Reglerparameters jeweils eine der Eigenschaften verstellt werden kann. Sollen mehrere Eigenschaften beeinflusst werden, ist eine entsprechende Anzahl von Reglerparameter erforderlich. Dadurch kann das Systemverhalten des geregelten Systems adaptiert werden.The damping controller 12 has at least one controller parameter, preferably five controller parameters. By means of the regulator parameter (s), the characteristic of the regulation can be adjusted, e.g. Responsiveness, dynamics, overshoot, damping, etc., whereby one of the properties can be adjusted by means of a controller parameter. If several properties are to be influenced, a corresponding number of controller parameters is required. As a result, the system behavior of the controlled system can be adapted.

Für den Entwurf eines geeigneten Dämpfungsreglers 12 ist zuerst die Regelstrecke, also das zu regelnde technische System (z.B. wie in Fig.3 dargestellt) zu modellieren. Im vorliegenden Fall wird das Drehschwingungsverhalten des Lastaufnahmeelements 7 um die Z-Achse mit einem Drehschwingungsmodell abgebildet, beispielsweise mit einer Differentialgleichung 2.Ordnung in der Form

Figure imgb0001
Die drei Modellparameter dieses Drehschwingungsmodells sind ein Dynamikparameter δ, ein Dämpfungsparameter ξ und ein Streckenverstärkungsparameter iβ, die beispielsweise definiert sind als δ = J β c β l H
Figure imgb0002
mit dem Massenträgheitsmoment Jβ der Last 8 samt dem Lastaufnahmeelement 7 und ξ = d β c β l H
Figure imgb0003
mit einer Federkonstanten cβ und einer Dämpfungskonstante dβ des Schwingungssystems. Die Federkonstante cβ wird dabei von der Hubhöhe IH abhängig modelliert.For the design of a suitable damping controller 12, first the controlled system, that is to say the technical system to be controlled (eg as in FIG Figure 3 shown). In the present case, the torsional vibration behavior of the load-bearing element 7 is mapped around the Z-axis with a torsional vibration model, for example with a 2nd-order differential equation in the mold
Figure imgb0001
The three model parameters of this torsional vibration model are a dynamic parameter δ, a damping parameter ξ and a path gain parameter i β , which are defined as, for example δ = J β c β l H
Figure imgb0002
with the mass moment of inertia J β of the load 8 together with the load-bearing element 7 and ξ = d β c β l H
Figure imgb0003
with a spring constant and a damping constant c β d β of the vibration system. The spring constant c β is modeled depending on the lifting height I H.

Es sei angemerkt, dass dieses Drehschwingungsmodell nur beispielhaft zu verstehen ist und es könnten auch andere Drehschwingungsmodelle verwendet werden, die in der Lage sind die reale Drehschwingung abzubilden bzw. anzunähern.It should be noted that this torsional vibration model is to be understood as exemplary only and other torsional vibration models could be used which are able to approximate the real torsional vibration.

Die Modellparameter des Drehschwingungsmodells, also z.B. δ, ξ und iβ, können bekannt sein, sind aber in der Regel unbekannt. Daher können in einem ersten Schritt die Modellparameter mit einer Identifikationsmethode identifiziert werden. Solche Identifikationsmethoden sind hinlänglich bekannt, beispielsweise aus Isermann, R.Identifikation dynamischer Systeme, 2.Auflage, Springer-Verlag, 1992 oder Ljung, L.: System Identification: Theory for the User, 2.Auflage, Prentice Hall, 2009, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird. Den Identifikationsmethoden gemein ist, dass das zu identifizierende System mit einer Eingangsfunktion (z.B. eine Sprungfunktion) angeregt wird und die Ausgangsgröße erfasst und mit einer Ausgangsgröße des Modells verglichen wird. Die Modellparameter werden dann variiert, um den Fehler zwischen der gemessenen Ausgangsgröße und der mit dem Modell berechneten Ausgangsgröße zu minimieren. Zur eventuell notwendigen Identifikation kann der Dämpfungsregler 12 verwendet werden, um das Lastaufnahmeelement 7 mit daran angeordneter Last 8 in einer bestimmten Hubhöhe IH zu einer Drehschwingung um die Z-Achse anzuregen. Zu diesem Zweck kann im Dämpfungsregler 12 ein eigener Anregungsregler implementiert sein, z.B. in Form eines Zweipunktreglers. Mit dem Zweipunktregler wird der zumindest eine Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d beispielsweise in Abhängigkeit des Ist-Drehwinkels βist des Lastaufnahmeelements 7 mit der maximal möglichen Soll-Aktuatorgeschwindigkeit vsoll angesteuert. Das bedeutet, dass beispielsweise bei einem Drehwinkel βist ≥ 0° des Lastaufnahmeelements 7 der zumindest eine Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d mit der maximal möglichen negativen Aktuatorgeschwindigkeit v angesteuert wird und bei einem Drehwinkel βist ≤ 0° des Lastaufnahmeelements 7 der zumindest eine Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d mit der maximal möglichen positiven Aktuatorgeschwindigkeit v angesteuert wird. Im Falle einer Ausgestaltung der Hebeeinrichtung 1 gemäß Fig. 3 mit vier Halteelementen 6a, 6b, 6c, 6d und damit zusammenwirkenden vier Aktuatoren 11a, 11b, 11c, 11d erfolgt die Anregung vorteilhafterweise gegengleich, indem z.B. die Aktuatoren 11a, 11b mit der maximal möglichen positiven Aktuatorgeschwindigkeit v angesteuert werden und die Aktuatoren 11c, 11d mit der maximal möglichen negativen Aktuatorgeschwindigkeit v angesteuert werden oder umgekehrt. Die Anregung der Drehschwingung kann dabei in einer beliebigen aber festen Hubhöhe IH des Lastaufnahmeelements 7 erfolgen. Aus der angeregten Drehschwingung des Lastaufnahmeelements 7 ermittelt der Dämpfungsregler 12 anhand des erfassten Ist-Drehwinkels βist des Lastaufnahmeelements 7 und der erfassten Ist-Aktuatorposition sist des zumindest einen Aktuators 11a, 11b, 11c, 11d mittels einer Identifikationsmethode die Modellparameter des implementierten Drehschwingungsmodells bei der vorgegebenen Hubhöhe IH. Im Falle des obigen Drehschwingungsmodells werden vorzugswiese zuerst der Dynamikparameter δ und der Dämpfungsparameter ξ ermittelt und danach, vorzugsweise bei Stillstand des zumindest einen Aktuators 11a, 11b, 11c, 11d (Ist-Aktuatorgeschwindigkeit vist = 0), der Streckenverstärkungsparameter iβ. Als Identifikationsmethode wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein mathematisches online-Least-Square-Verfahren zur Identifizierung der Modellparameter verwendet, es wäre aber auch denkbar, andere Verfahren anzuwenden, beispielsweise offline-Least-Square-Verfahren oder optimierungsbasierte Verfahren.The model parameters of the torsional vibration model, for example δ, ξ and i β , may be known, but are generally unknown. Therefore, in a first step, the model parameters can be identified with an identification method. Such identification methods are well known, for example from Isermann, R.Identifikation dynamic systems, 2nd edition, Springer-Verlag, 1992 or Ljung, L .: System Identification: Theory for the User, 2nd edition, Prentice Hall, 2009, so here will not be discussed further. Common to the identification methods is that the system to be identified is excited with an input function (eg a jump function) and the output variable is detected and compared with an output variable of the model. The model parameters are then varied to minimize the error between the measured output and the output calculated with the model. For possibly necessary identification of the damping controller 12 may be used to excite the load-receiving element 7 arranged thereon load 8 in a certain lifting height I H to a torsional vibration about the Z-axis. For this purpose, a separate excitation controller may be implemented in the attenuation controller 12, for example in the form of a two-point controller. With the two-position controller, the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d is actuated, for example, as a function of the actual rotational angle β ist of the load receiving element 7 with the maximum possible nominal actuator speed v soll . This means that, for example, at a rotation angle β ≥ 0 ° of the load receiving member 7 of the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d is driven v with the maximum possible negative actuator velocity and β at a rotation angle is ≤ 0 ° of the load receiving member 7 of at least an actuator 11a, 11b, 11c, 11d is driven with the maximum possible positive actuator speed v. In the case of an embodiment of the lifting device 1 according to Fig. 3 With four holding elements 6a, 6b, 6c, 6d and four actuators 11a, 11b, 11c, 11d cooperating therewith, the excitation advantageously takes place counteracting, for example by activating the actuators 11a, 11b with the maximum possible positive actuator speed v and the actuators 11c, 11d be driven with the maximum possible negative actuator speed v or vice versa. The excitation of the torsional vibration can take place in any but fixed lifting height I H of the load-receiving element 7. From the excited rotational oscillation of the load receiving member 7 of the damping controller 12 determined on the basis of the detected actual rotation angle β is the load receiving member 7 and the detected actual actuator position s of the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d in by means of an identification method, the model parameters of the implemented torsional vibration model the predetermined lifting height I H. In the case of the above torsional vibration model, the dynamic parameter δ and the damping parameter ξ are preferably first determined and then, preferably at standstill of the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d (actual actuator speed v ist = 0), the path gain parameter i β . As an identification method For example, according to one embodiment of the invention, a mathematical online least-square method is used for identifying the model parameters, but it would also be conceivable to use other methods, for example offline least-squares methods or optimization-based methods.

Mit den bekannten (vorab bekannten oder identifizierten) Modellparametern kann für das Drehschwingungsmodell nun ein Dämpfungsregler 12 entworfen werden. Hierfür wird eine geeignete Reglerstruktur gewählt, beispielsweise ein PID-Regler oder ein Zustandsregler. Jede Reglerstrukur hat natürlich eine Anzahl von Reglerparametern Kk, k≥1, die mittels eines Reglerentwurfverfahrens so eingestellt werden müssen, sodass sich ein gewünschtes Regelverhalten ergibt. Solche Reglerentwurfverfahren sind ebenfalls hinlänglich bekannt und werden deshalb nicht im Detail beschrieben. Beispielhaft seien das Frequenzkennlinienverfahren, das Wurzelortskurvenverfahren, der Reglerentwurf durch Polvorgabe und das Riccati-Verfahren genannt, wobei es natürlich noch eine Fülle weiterer Verfahren gibt. Für die gegenständliche Erfindung kommt es aber weder auf die konkrete Reglerstruktur noch auf das konkrete Reglerentwurfsverfahren an. Auch das gewünschte Regelverhalten kann, natürlich unter Berücksichtigung von Stabilitätskriterien und anderen Randbedingungen, für die Erfindung im Wesentlichen beliebig gewählt werden. Für die Erfindung wesentlich ist lediglich, dass die Reglerparameter abhängig von der Hubhöhe IH festgelegt werden. Auch das kann auf verschiedenste Weise erfolgen.With the known (previously known or identified) model parameters, a damping controller 12 can now be designed for the torsional vibration model. For this purpose, a suitable controller structure is selected, for example a PID controller or a state controller. Of course, each controller structure has a number of controller parameters K k , k≥1, which must be adjusted by means of a controller design method so that a desired control behavior results. Such controller design methods are also well known and therefore will not be described in detail. Examples include the frequency characteristic method, the root locus method, the controller design by Polvorgabe and the Riccati method, which of course there are a wealth of other methods. For the present invention, however, neither the specific controller structure nor the specific controller design process are important. The desired control behavior, of course, taking into account stability criteria and other boundary conditions, can be chosen substantially arbitrarily for the invention. For the invention is only essential that the controller parameters are determined depending on the lifting height I H. This can also be done in various ways.

Denkbar wäre, die Modellparameter für verschiedene Hubhöhen IH zu identifizieren und die Reglerparameter Kk dann jeweils für die verschiedenen Hubhöhen zu bestimmen. Auf diese Weise kann man sich Kennlinien der Reglerparameter Kk in Abhängigkeit von der Hubhöhe IH oder Kennfelder in Abhängigkeit von der Hubhöhe IH und anderen Größen, wie beispielsweise einem Massenträgheitsmoment Jβ, aufbauen. Das wäre natürlich sehr aufwendig und wenig praktikabel. Vorzugsweise werden daher die Reglerparameter Kk des Dämpfungsreglers 12 als formelmäßiger Zusammenhang als Funktion von zumindest der Hubhöhe IH, und gegebenenfalls anderer Modellparameter, angegeben, also beispielsweise Kk=f(IH) oder Kk=f(IH, ...). Damit müssen die Reglerparameter Kk nur für eine Hubhöhe IH festgelegt werden und können dann einfach auf andere Hubhöhen IH umgerechnet werden. Aus dem formelmäßigen Zusammenhang können aber offline ebenfalls die Reglerparameter Kk für verschiedene Hubhöhen IH berechnet werden und daraus eine Kennlinie oder ein Kennfeld erstellt werden, das dann in weitere Folge verwendet wird.It would be conceivable to identify the model parameters for different lifting heights I H and then to determine the controller parameters K k for the different lifting heights. In this way it is possible to build up characteristic curves of the controller parameters K k as a function of the lifting height I H or characteristic diagrams as a function of the lifting height I H and other variables, such as a moment of inertia J β . Of course that would be very costly and not very practical. Preferably, therefore, the controller parameters K k of the damping controller 12 are given as a formula-related relationship as a function of at least the lifting height I H , and possibly other model parameters, ie K k = f (I H ) or K k = f (I H , .. .). Thus, the controller parameters K k must be set only for a lifting height I H and can then be easily converted to other heights I H. From the formulaic relationship, however, the controller parameters K k for different lifting heights I H can also be calculated offline and from this a characteristic curve or a characteristic field can be created, which is then used in a further sequence.

Für die Dämpfungsregelung werden die Reglerparameter Kk in jedem Zeitschritt der Regelung, an die aktuelle Hubhöhe IH angepasst, beispielsweise durch Auslesen aus einem Kennfeld oder durch Berechnung. Der Dämpfungsregler 12 ermittelt dann mit den angepassten Reglerparameter Kk die Stellgröße, die mit dem zumindest einen Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d im jeweiligen Zeitschritt eingestellt wird. Die Reglerparameter Kk werden so an die aktuelle Hubhöhe IH angepasst, um Drehschwingungen des Lastaufnahmeelements 7 in einer beliebigen Hubhöhe IH optimal dämpfen zu könnenFor the damping control, the controller parameters K k in each time step of the control, adapted to the current lifting height I H , for example by reading from a map or by calculation. The damping controller 12 then determines with the adjusted controller parameters K k the manipulated variable which is set with the at least one actuator 11 a, 11 b, 11 c, 11 d in the respective time step. The controller parameters K k are thus at the current Lifting height I H adapted to damp torsional vibrations of the load-bearing element 7 at any stroke height I H optimally

Insbesondere im Fall einer Hebeeinrichtung 1 mit einem Lastaufnahmeelement 7 ist oftmals üblich für verschiedene Lasten 8, z.B. für Container verschiedener Größe, verschiedene Lastaufnahmeelemente 7 oder in der Größe anpassbare Lastaufnahmeelemente 7 zu verwenden. Das hätte natürlich unmittelbar Einfluss auf das Massenträgheitsmoment Jβ. Daher kann vorgesehen sein, die obige Prozedur für verschiedene Lastaufnahmeelemente 7 durchzuführen. Damit würde man für verschiedene Lastaufnahmeelemente 7 verschiedene Reglerparameter Kk erhalten.In particular, in the case of a lifting device 1 with a load-bearing element 7 is often common for different loads 8, eg for containers of different sizes, different load-bearing elements 7 or adjustable in size load-bearing elements 7 to use. Of course, this would have an immediate effect on the moment of inertia J β . Therefore, it may be provided to perform the above procedure for various load-bearing members 7. This would give 7 different controller parameters K k for different load-bearing elements.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert. Es wird von einem Drehschwingungsmodell in der Form

Figure imgb0004
wie oben beschrieben ausgegangen. Die Modellparameter des Drehschwingungsmodells, also z.B. δ, ξ und iβ, werden für eine bestimmte Hubhöhe IH wie beschrieben identifiziert. Als Reglerstruktur für den Dämpfungsregler 12 wird aufgrund seiner hohen Regelgüte bzw. Regelperformance ein Zustandsregler 13 verwendet, wie in Fig. 4 dargestellt. Als Reglerparameter Kk sind dabei fünf Parameter KI, KP, K1, K2, KFF vorgesehen. Für den Entwurf des Zustandsreglers 13 wird das zu regelnde System mit dem Drehschwingungsmodell als Regelstrecke 15 in eine Zustandsraumdarstellung gebracht, beispielsweise in der Form d dt s β β ˙ e β = 0 0 0 0 0 0 1 0 i β δ 1 δ ξ δ 0 0 1 0 0 s β β ˙ e β + 1 0 0 0 v
Figure imgb0005
The inventive method will be explained below with reference to a concrete embodiment. It is from a torsional vibration model in the form
Figure imgb0004
as described above. The model parameters of the torsional vibration model, eg δ, ξ and i β can be identified as described for a specific lifting height I H. As a controller structure for the damping controller 12, a state controller 13 is used because of its high control quality or control performance, as in Fig. 4 shown. In this case, five parameters K I , K P , K 1 , K 2 , K FF are provided as controller parameters K k . For the design of the state controller 13, the system to be controlled with the torsional vibration model as a controlled system 15 is brought into a state space representation, for example in the form d dt s β β ˙ e β = 0 0 0 0 0 0 1 0 i β δ - 1 δ - ξ δ 0 0 - 1 0 0 s β β ˙ e β + 1 0 0 0 v
Figure imgb0005

Als Zustände des Systems werden die Aktuatorposition s, der Drehwinkel β, die Winkelgeschwindigkeit

Figure imgb0006
und eine Abweichung eβ zwischen Soll-Drehwinkel βsoll und Ist-Drehwinkel βist verwendet. Die Reglerparameter Kk wurden als Funktion der Hubhöhe IH, die in den Modellparametern δ = J β c β l H
Figure imgb0007
und ξ = d β c β l H
Figure imgb0008
steckt, wie folgt festgelegt. Dabei ist d0 ist eine Dämpfungskonstante des geschlossenen Regelkreises, d.h. das beinahe ungedämpfte System wird mit Hilfe des Dämpfungsreglers 12 in ein gedämpftes überführt. Die Parameter ωi bestimmen die Dynamik und das Ansprechverhalten des Regelkreises und sind an die Systemeigenschaften des zu identifizierenden Drehschwingungsmodells gebunden (der Index i ≥0 steht für die Anzahl der Parameter des Dämpfungsreglers, im ausgehführten Beispiel sind das die Paramter ω0, ω1, ω2). Die Dämpfungskonstante d0 und die Parameter ωi sind vorzugsweise vorparametriert bzw. vorgegeben, können aber bei Bedarf vom Benutzer adaptiert werden. K p = 2 d 0 ω 0 + ω 1 + ω 2
Figure imgb0009
K 1 = 1 i β K P 2 d 0 ω 0 ω 1 ω 2 ω 1 + ω 2 ω 0 2 δ K P
Figure imgb0010
K 2 = 1 i β K P 2 d 0 ω 0 ω 1 + ω 2 + ω 0 2 + ω 1 ω 2 δ + 1 ξK P
Figure imgb0011
K I = 1 i β K P ω 0 2 ω 1 ω 2 δ
Figure imgb0012
K FF = K 2 + 1 i β
Figure imgb0013
As states of the system, the actuator position s, the rotation angle β, the angular velocity
Figure imgb0006
and a deviation e β between target rotation angle β soll and actual rotation angle β is used. The controller parameters K k were calculated as a function of the lifting height I H in the model parameters δ = J β c β l H
Figure imgb0007
and ξ = d β c β l H
Figure imgb0008
is set as follows. Here, d 0 is a damping constant of the closed loop, ie the almost undamped system is converted by means of the damping controller 12 in a muted. The parameters ω i determine the dynamics and the response behavior of the control loop and are bound to the system properties of the torsional vibration model to be identified (the index i ≥0 stands for the number of parameters of the damping controller, in the example given these are the parameters ω 0 , ω 1 , ω 2 ). The damping constant d 0 and the parameters ω i are preferred pre-parameterized or predetermined, but can be adapted by the user if required. K p = 2 d 0 ω 0 + ω 1 + ω 2
Figure imgb0009
K 1 = 1 i β K P 2 d 0 ω 0 ω 1 ω 2 - ω 1 + ω 2 ω 0 2 δ - K P
Figure imgb0010
K 2 = 1 i β K P 2 d 0 ω 0 ω 1 + ω 2 + ω 0 2 + ω 1 ω 2 δ + 1 - ξK P
Figure imgb0011
K I = 1 i β K P ω 0 2 ω 1 ω 2 δ
Figure imgb0012
K FF = K 2 + 1 i β
Figure imgb0013

Im Dämpfungsregler 12 werden dann in jedem Zeitschritt der Regelung die Reglerparameter des Zustandsreglers 13 anhand der aktuellen Hubhöhe IH berechnet und der Regelung zugrunde gelegt. Damit kann die Drehschwingung des Lastaufnahmeelements 7 wirkungsvoll während eines Hubvorganges gedämpft werden, weil sich der Dämpfungsregler 12 selbsttätig an die aktuelle Hubhöhe IH anpasst.In the damping controller 12, the controller parameters of the state controller 13 are then calculated on the basis of the current lifting height I H in each time step of the control and based on the control. So that the torsional vibration of the load receiving element 7 can be effectively damped during a lifting operation, because the SAS 12 automatically to the current lift height I H adapts.

Als Stellgröße der Regelung kann der Dämpfungsregler 12 eine einzustellende Aktuatorposition ssoll oder eine Aktuatorgeschwindigkeit vsoll für den zumindest einen Aktuator 11a, 11b, 11c, 11d ermitteln und an einer Schnittstelle 16 ausgeben. Dazu erhält der Dämpfungsregler 12 über eine Schnittstelle 17 die benötigten Istgrößen, beispielsweise die Ist-Position sist des zumindest einen Aktuators 11a, 11b, 11c, 11d und den Ist-Drehwinkel βist des Lastaufnahmeelements 7. Die zeitliche Ableitung des Ist-Drehwinkel βist kann im Dämpfungsregler 12 ermittelt werden oder wird auch gemessen.As a manipulated variable of the control, the damping controller 12 can determine an actuator position s soll to be set or an actuator speed v soll for the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d and output it at an interface 16. To this end receives the damping controller 12 via an interface 17, the required actual values, for example the actual position s of the at least one actuator 11a, 11b, 11c, 11d and the actual rotational angle β of the load receiving element 7. The time derivative of the actual rotational angle β is can be detected in the attenuator 12 or is also measured.

Alternativ kann eine Zustandsschätzeinheit 20 (Fig.5), in Form von Hardware und/oder Software, vorgesehen sein, die aus gemessenen Istgrößen, beispielsweise des Ist-Drehwinkels βistdes Lastaufnahmeelements 7, Schätzwerte für die benötigten Eingangsgrößen des Dämpfungsreglers 12 ermittelt, hier beispielsweise-einen geschätzten Ist-Drehwinkel βist und eine geschätzte Ist-Winkelgeschwindigkeit

Figure imgb0014
Die Zustandsschätzeinheit 20 kann beispielsweise als hinlänglich bekannter Kalman-Filter implementiert sein. Das Drehschwingungsmodell kann dazu auch in der Zustandsschätzeinheit 20 verwendet werden.Alternatively, a state estimator 20 (FIG. Figure 5 ), Be provided in the form of hardware and / or software that β is the load receiving member 7 from measured actual values, for example of the actual rotation angle determined estimated values of the required input of the variable attenuator 12, here for example-an estimated actual rotational angle β is and an estimated actual angular velocity
Figure imgb0014
The state estimator 20 may be implemented, for example, as a well-known Kalman filter. The torsional vibration model can also be used in the state estimation unit 20 for this purpose.

Dem Dämpfungsregler 12 wird ein Soll-Drehwinkel βsoll des Lastaufnahmeelements 7 vorgegeben, der durch den Dämpfungsregler 12 eingeregelt wird. Normalerweise wird ein Soll-Drehwinkel βsoll=0 vorgegeben, womit Drehschwingungen um eine definierte Nullstellung ausgeregelt werden. Es kann aber auch ein davon abweichender Soll-Drehwinkel βsoll vorgegeben werden, womit das Lastaufnahmeelement 7 durch den Dämpfungsregler 12 und unabhängig von der Hebeeinrichtung 1 auf diesen Winkel geregelt wird und dabei auch Drehschwingungen um diesen Winkel gedämpft werden. Dadurch kann beispielsweise eine Last 8, wie z.B. ein Container 9, in einem vorgegebenen Winkelbereich verdreht werden und dadurch z.B. auch auf einer Ladefläche eines ungenau positionierten LKW's abgeladen werden. Hierfür ist keine zusätzliche Einrichtung zum Verdrehen des Lastaufnahmeelements 7 um die Hochachse erforderlich. Je nach Art und Ausführung der Hebeeinrichtung 1 und ihrer Komponenten kann dabei durch den Dämpfungsregler 12 ein Drehwinkel β des Lastaufnahmeelements 7 in einem Bereich von beispielsweise ±10° eingestellt werden.The damping controller 12, a target rotation angle β is to set the load receiving member 7 which is controlled by the variable attenuator 12th Normally, a setpoint rotation angle β soll = 0 is specified, with which torsional vibrations are compensated by a defined zero position. But it can also be a deviating target rotational angle β set soll be, with which the load-receiving element 7 is controlled by the damping controller 12 and independently of the lifting device 1 to this angle and while also torsional vibrations are damped by this angle. As a result, for example, a load 8, such as a container 9, are rotated in a predetermined angular range and thereby eg unloaded on a loading area of an inaccurately positioned truck. For this purpose, no additional device for rotating the load-bearing element 7 about the vertical axis is required. Depending on the type and design of the lifting device 1 and its components can be adjusted by the damping controller 12, a rotational angle β of the load-receiving element 7 in a range of, for example ± 10 °.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird im Dämpfungsregler (12) ein Anti-Wind-Up Schutz integriert, wobei dem Dämpfungsregler 12 Aktuatorbeschränkungen des zumindest einen Aktuators 11 vorgegeben werden, insbesondere eine maximal/minimal zulässige Aktuatorposition szul, eine maximal/minimal zulässige Aktuatorgeschwindigkeit vzul und eine maximal/minimal zulässige Aktuatorbeschleunigung azul des Aktuators 11. Durch diesen integrierten Anti-Wind-Up Schutz kann der Dämpfungsregler 12 an die Bauart des oder der verfügbaren Aktuatoren 11 der Hebeeinrichtung 1 angepasst werden. Zur Dämpfung der Drehschwingung des Lastaufnahmeelements 7 berechnet der Dämpfungsregler 12 wie beschrieben eine Stellgröße des zumindest einen Aktuators 11, beispielsweise die Soll-Aktuatorgeschwindigkeit vsoll. Überschreitet diese Soll-Aktuatorgeschwindigkeit vsoll eine maximal zulässige Aktuatorbeschränkung, z.B. die Aktuatorgeschwindigkeit vzul, wird die Soll-Aktuatorgeschwindigkeit vsoll auf diese maximal zulässige Aktuatorgeschwindigkeit vzul limitiert. Ohne Aktuatorbeschränkung bzw. Anti-Wind-Up Schutz könnte es z.B. vorkommen, dass der Dämpfungsregler 12 eine zu hohe Soll-Aktuatorgeschwindigkeit vsoll berechnet, der der zumindest eine Aktuator 11 aufgrund seiner Ausgestaltung nicht folgen könnte. Dies würde zu einem Regelfehler führen und der Dämpfungsregler 12, insbesondere der im Dämpfungsregler 12 integrierte Integrator, würde versuchen diesen Regelfehler zu kompensieren, indem die Stellgröße, beispielsweise die Soll-Aktuatorgeschwindigkeit vsoll, weiter erhöht werden würde. Dieses "Aufladen" des Dämpfungsreglers 12 bzw. insbesondere des im Dämpfungsregler integrierten Integrators könnte zu einer Destabilisierung des Dämpfungsreglers 12 führen, was durch den integrierten Anti-Wind-Up Schutz zuverlässig vermieden werden kann. Zusätzlich kann von der Soll-Aktuatorgeschwindigkeit vsoll auch auf eine Soll-Aktuatorbeschleunigung asoll gerechnet werden und diese mit einer maximal/minimal zulässigen Aktuatorbeschleunigung azul des entsprechenden Aktuators 11a, 11b, 11c, 11d verglichen werden. Wird diese maximal/minimal zulässige Aktuatorbeschleunigung azul überschritten, kann dies ebenfalls mit einer Limitierung der Soll-Aktuatorgeschwindigkeit vsoll berücksichtigt werden. Damit können unterschiedliche Ausführungsformen und Baugrößen von Aktuatoren 11a, 11b, 11c, 11d im Dämpfungsregler berücksichtigt werden, wodurch das Verfahren sehr flexibel auf unterschiedlichsten Hebeeinrichtungen 1 anwendbar ist.According to an advantageous embodiment of the invention, an anti-wind-up protection is integrated in the damping controller (12), the damping controller 12 being given actuator limitations of the at least one actuator 11, in particular a maximum / minimum allowable actuator position s zul , a maximum / minimum allowable actuator speed v zul and a maximum / minimum allowable actuator acceleration a zul of the actuator 11. This integrated anti-wind-up protection of the damping controller 12 can be adapted to the type of or the available actuators 11 of the lifting device 1. For damping the torsional vibration of the load-bearing element 7, the damping controller 12 calculates, as described, a manipulated variable of the at least one actuator 11, for example the desired actuator speed v soll . If this desired actuator speed v soll exceeds a maximum permissible actuator limit, for example the actuator speed v zul , the setpoint actuator speed v soll is limited to this maximum permissible actuator speed v zul . Without actuator restriction or anti-wind-up protection, it could happen, for example, that the damping controller 12 calculates too high a nominal actuator speed v soll that the at least one actuator 11 could not follow because of its design. This would lead to a control error and the damping controller 12, in particular the integrated in the damping controller 12 integrator would try to compensate for this control error by the manipulated variable, for example, the target actuator speed v soll , would be further increased. This "charging" of the damping controller 12 or in particular of the integrated in the damping controller integrator could lead to a destabilization of the damping controller 12, which can be reliably prevented by the integrated anti-wind-up protection. In addition, the target actuator speed v soll can also be used to calculate a desired actuator acceleration a soll and to compare it with a maximum / minimum allowable actuator acceleration a zul of the corresponding actuator 11a, 11b, 11c, 11d. If this maximum / minimum allowable actuator acceleration a zul is exceeded, this can also be taken into account with a limitation of the desired actuator speed v soll . This allows different embodiments and sizes of Actuators 11a, 11b, 11c, 11d are taken into account in the damping controller, whereby the method is very flexible applicable to a variety of lifting devices 1.

Claims (12)

Verfahren zum Dämpfen einer Drehschwingung um eine Hochachse eines Lastaufnahmeelements (7) einer Hebeeinrichtung (1) mit einem Dämpfungsregler (12) mit zumindest einem Reglerparameter, wobei das Lastaufnahmeelement (7) mit zumindest drei Halteelementen (6) mit einem Tragelement (5) der Hebeeinrichtung (1) verbunden wird und die Länge zumindest eines Halteelements (6) zwischen Lastaufnahmeelement (7) und Tragelement (5) mit einem auf das zumindest eine Halteelement (6) wirkenden Aktuator (11) durch den Dämpfungsregler (12) verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Reglerparameter anhand eines Drehschwingungsmodells des Lastaufnahmeelements (7) als Funktion der Hubhöhe (IH) ermittelt wird und dass zur Dämpfung der Drehschwingung des Lastaufnahmeelements (7) in einer beliebigen Hubhöhe (IH) der zumindest eine Reglerparameter an diese Hubhöhe (IH) adaptiert wird.Method for damping a torsional vibration about a vertical axis of a load-bearing element (7) of a lifting device (1) with a damping regulator (12) with at least one controller parameter, said load-receiving element (7) having at least three retaining elements (6) with a support element (5) of the lifting device (1) is connected and the length of at least one holding element (6) between the load-receiving element (7) and support element (5) with an actuator (11) acting on the at least one holding element (6) is adjusted by the damping controller (12), characterized in that the at least one controller parameter is determined on the basis of a torsional vibration model of the load-bearing element (7) as a function of the lifting height (I H ) and that for damping the torsional vibration of the load-bearing element (7) at any desired lifting height (I H ) the at least one controller parameter adjusts to this lifting height (I H ) is adapted. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastaufnahmeelement (7) bei einer bestimmten Hubhöhe (IH) des Lastaufnahmeelements (7) zu einer Drehschwingung angeregt wird, dass dabei zumindest ein Ist-Drehwinkel (βist) des Lastaufnahmeelements (7) um die Hochachse und eine Ist-Aktuatorposition (sist) erfasst werden und damit Modellparameter des Drehschwingungsmodells des Lastaufnahmeelements (7) bei der gegebenen Hubhöhe (IH) anhand einer Identifikationsmethode identifiziert werden.A method according to claim 1, characterized in that the load-receiving element (7) at a certain lifting height (I H ) of the load-bearing element (7) is excited to a torsional vibration that thereby at least one actual rotation angle (β is ) of the load-receiving element (7) to the vertical axis and an actual actuator position (s is ) are detected and thus model parameters of the torsional vibration model of the load-bearing element (7) at the given lifting height (I H ) are identified by means of an identification method. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Aktuator (11) hydraulisch oder elektrisch betätigt wird.A method according to claim 1, characterized in that the at least one actuator (11) is hydraulically or electrically actuated. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest vier Halteelemente (6) zwischen Lastaufnahmeelement (7) und Trageelement (5) vorgesehen sind.Method according to claim 1 or 3, characterized in that at least four holding elements (6) are provided between the load-receiving element (7) and the carrying element (5). Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Aktuatoren (11) vorgesehen sind, insbesondere ein Aktuator (11) je Halteelement (6).A method according to claim 1 to 4, characterized in that at least two actuators (11) are provided, in particular an actuator (11) per holding element (6). Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubhöhe (IH) mittels eines, am Trageelement (5) oder am Lastaufnahmeelement (7) angeordneten Kamerasystems (14) oder mittels eines Hubantriebs (10) der Hebeeinrichtung (1) gemessen wird.Method according to claim 1 to 5, characterized in that the lifting height (I H ) is measured by means of a camera system (14) arranged on the carrying element (5) or on the load receiving element (7) or by means of a lifting drive (10) of the lifting device (1) , Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Drehwinkel (βist) des Lastaufnahmeelements (7) mittels einer, am Trageelement (5) oder am Lastaufnahmeelement (7) angeordneten Messeinrichtung (14) gemessen wird, vorzugsweise mittels eines Kamerasystems oder Gyro-Sensors.A method according to claim 1 to 6, characterized in that the actual rotation angle (β is ) of the load-receiving element (7) by means of a, on the support member (5) or on the load-receiving element (7) arranged measuring device (14) is measured, preferably by means of a camera system or gyro-sensors. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehschwingungsmodell eine Differentialgleichung zweiter Ordnung mit zumindest drei Modellparametern ist, insbesondere mit einem Dynamikparameter (δ), einem Dämpfungsparameter (ξ) und einem Streckenverstärkungsparameter (iβ).The method of claim 1 to 7, characterized in that the torsional vibration model is a differential equation of the second order with at least three model parameters, in particular with a dynamic parameter (δ), a damping parameter (ξ) and a system gain parameter (i β ). Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Identifikationsmethode ein mathematisches Verfahren ist, insbesondere ein online Least-Square Verfahren.A method according to claim 1 to 8, characterized in that the identification method is a mathematical method, in particular an online least-square method. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsregler (12) ein Zustandsregler mit vorzugsweise fünf Reglerparametern (KI, K1, K2, KFF, KP) ist.A method according to claim 1 to 9, characterized in that the damping controller (12) is a state controller with preferably five controller parameters (K I , K 1 , K 2 , K FF , K P ). Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Dämpfungsregler (12) ein Soll-Drehwinkel (βsoll) des Lastaufnahmeelements (7) vorgegeben wird und der Dämpfungsregler (12) den Soll-Drehwinkel (βsoll) des Lastaufnahmeelements (7) in einem vorgegebenen Winkelbereich einregelt, insbesondere in einem Winkelbereich von -10° ≤ βsoll ≤ +10°.A method according to claim 1 to 10, characterized in that the damping controller (12) a desired rotation angle (β soll ) of the load receiving element (7) is specified and the damping controller (12) the desired rotation angle (β soll ) of the load receiving element (7). in a predetermined angular range, in particular in an angular range of -10 ° ≤ β soll ≤ + 10 °. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Dämpfungsregler (12) ein Anti-Wind-Up Schutz integriert wird, wobei dem Dämpfungsregler (12) Aktuatorbeschränkungen des zumindest einen Aktuators (11) vorgegeben werden, insbesondere eine maximal zulässige Aktuatorposition (szul), eine maximal zulässige Aktuatorgeschwindigkeit (vzul) und eine maximal zulässige Aktuatorbeschleunigung (azul) des Aktuators (11).The method of claim 1 to 11, characterized in that in the damping controller (12) an anti-wind-up protection is integrated, wherein the damping controller (12) actuator limitations of the at least one actuator (11) are specified, in particular a maximum allowable actuator position (s zul ), a maximum allowable actuator speed (v zul ) and a maximum allowable actuator acceleration (a zul ) of the actuator (11).
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