Titel: Turmdrehkran, Verfahren und Steuerungseinheit zum Betreiben eines Turmdrehkrans, Laufkatze und Katzfahrwerk Title: Tower crane, method and control unit for operating a tower crane, trolley and trolley
Beschreibung Description
Die Erfindung betrifft einen Turmdrehkran, ein Verfahren und eine Steuerungseinheit zum Betreiben eines Turmdrehkrans, eine Laufkatze für einen Turmdrehkran sowie ein Katzfahrwerk für einen Turmdrehkran. The invention relates to a tower crane, a method and a control unit for operating a tower crane, a trolley for a tower crane and a trolley for a tower crane.
Es werden Fortschritte im Bereich der Turmdrehkrane beschrieben. Advances in the field of tower cranes are described.
Die Probleme des Standes der Technik werden durch einen Turmdrehkran gemäß dem Anspruch 1, durch ein Verfahren und eine Steuerungseinheit zum Betreiben eines Turmdrehkrans gemäß nebengeordneter Ansprüche, eine Laufkatze für einen Turmdrehkran gemäß einem weiteren nebengeordneten Anspruch sowie ein Katzfahrwerk für einen Turmdrehkran gemäß einem anderen nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung. The problems of the prior art are solved by a tower crane according to claim 1, by a method and a control unit for operating a tower crane according to independent claims, a trolley for a tower crane according to another independent claim and a trolley for a tower crane according to another independent claim solved. Advantageous developments can be found in the dependent claims, the following description and in the drawing.
Ein erster Aspekt der Beschreibung betrifft einen Turmdrehkran, welcher umfasst: einen Turm mit einer Hochachse; einen vom Turm abragenden Katzausleger; ein Drehwerk zum Drehen zumindest des Katzauslegers um die Hochachse; eine Sensoreinrichtung zur Ermittlung eines Drehwinkels des Katzauslegers um die Hochachse; eine entlang des Katzauslegers verfahrbare Laufkatze mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Umlenkrolle für ein Hubseil; ein Lastaufnahmemittel mit wenigstens einer Umlenkrolle für das Hubseil; eine an dem Lastaufnahmemittel angeordnete Sensoreinrichtung zur Ermittlung wenigstens eines ersten Auslenkungswinkels des Lastaufnahmemittels zum durch das Lastaufnahmemittel verlaufenden Lot; das Hubseil, welches ausgehend von einem Hubwerk wenigstens über die erste Umlenkrolle der Laufkatze, die wenigstens eine Umlenkrolle des Lastaufnahmemittels und die zweite Umlenkrolle der Laufkatze geführt ist, und welches an einem distalen Abschnitt des Katzauslegers befestigt ist; das Hubwerk; eine an der Laufkatze angeordnete
Sensoreinrichtung zur Ermittlung wenigstens eines zweiten Auslenkungswinkels wenigstens eines zwischen der Laufkatze und dem Lastaufnahmemittel befindlichen Abschnitts des Hubseils zum durch die Laufkatze verlaufenden Lot; ein Katzfahrwerk, welches mittels eines Katzseils mit der Laufkatze zu deren Bewegung entlang des Katzauslegers verbunden ist; eine Sensoreinrichtung zur Ermittlung einer Drehwinkeldifferenz zwischen dem Drehwinkel des Katzauslegers um die Hochachse und dem Drehwinkel der Laufkatze um die Hochachse; und einer Steuerungseinheit, welche das Drehwerk, das Hubwerk und das Katzfahrwerk in Abhängigkeit von wenigstens dem Drehwinkel, in Abhängigkeit von dem wenigstens einen ersten Auslenkungswinkel, in Abhängigkeit von dem wenigstens einen zweiten Auslenkungswinkel und in Abhängigkeit von der Drehwinkeldifferenz betreibt. A first aspect of the description relates to a tower crane, which comprises: a tower with a vertical axis; a trolley jib projecting from the tower; a slewing gear for rotating at least the trolley jib about the vertical axis; a sensor device for determining a rotation angle of the trolley jib about the vertical axis; a trolley that can be moved along the trolley jib and has at least one first and one second deflection roller for a hoisting rope; a lifting device with at least one deflection pulley for the hoist rope; a sensor device arranged on the load-carrying means for determining at least a first deflection angle of the load-carrying means with respect to the perpendicular running through the load-carrying means; the hoist rope, which, starting from a hoist, is guided at least over the first deflection roller of the trolley, the at least one deflection roller of the load handling device and the second deflection roller of the trolley, and which is fastened to a distal section of the trolley jib; the hoist; one located on the trolley Sensor device for determining at least a second deflection angle of at least one section of the hoisting cable located between the trolley and the load-carrying means with respect to the plumb line running through the trolley; a trolley which is connected by means of a trolley cable to the trolley for its movement along the trolley jib; a sensor device for determining a rotation angle difference between the rotation angle of the trolley jib about the vertical axis and the rotation angle of the trolley about the vertical axis; and a control unit which operates the slewing gear, the lifting gear and the trolley depending on at least the angle of rotation, depending on the at least one first deflection angle, depending on the at least one second deflection angle and depending on the difference in the angle of rotation.
Der bereitgestellte Turmdrehkran ermöglicht es über die bereitgestellten Sensorgrößen, die Lastposition präzise und in Echtzeit während des Kranbetriebs zu ermitteln, um eine Pendelbewegung der Last zu reduzieren. Der vorgeschlagene Turmdrehkran bildet die Basis für die Zusammenführung, Aufbereitung und rechnertechnische Verarbeitung von Sensordaten, um ein präzises Ist-Lagebild zu ermitteln. Schätzungen wichtiger, zu regelnder Größen wie die von Winkeln wird durch Sensordatenfusion vermieden, wie auch evtl, auftretende Fehler einzelner Sensordaten werden durch die Datenfusion ausgeglichen. Zur Sensorfusion werden an der Laufkatze, dem Lastaufnahmemittel und auf dem Ausleger mittels der Sensorvorrichtungen unterschiedliche Daten ermittelt. The provided tower crane makes it possible to determine the load position precisely and in real time during crane operation via the provided sensor sizes in order to reduce a swinging movement of the load. The proposed tower crane forms the basis for the merging, preparation and computational processing of sensor data in order to determine a precise picture of the current situation. Estimates of important variables to be controlled, such as angles, are avoided by sensor data fusion, and any errors that may occur in individual sensor data are compensated for by data fusion. For sensor fusion, different data are determined on the trolley, the load handling device and on the jib by means of the sensor devices.
Bewegt der Kranfahrer die Last über einen Joystick, so muss er nicht mehr manuell versuchen, die sonst entstehenden Pendelbewegungen zu reduzieren. Es kann also ein Assistenzsystem bereitgestellt werden, dass es vorteilhaft ermöglicht, die Last mit einer hohen Geschwindigkeit gefahren werden kann, ohne dass der Kranfahrer auf ein Aufpendeln der Last Rücksicht nehmen müsste. Mit dem vorgeschlagenen Kran können also Lasten schneller abgesenkt werden, was sich zeitlich vorteilhaft auf die Arbeitsprozesse auf der Baustelle auswirkt. If the crane driver moves the load using a joystick, he no longer has to try manually to reduce the oscillating movements that would otherwise occur. An assistance system can thus be provided which advantageously enables the load to be driven at high speed without the crane operator having to take the load swinging into consideration. With the proposed crane, loads can therefore be lowered more quickly, which has an advantageous time effect on the work processes on the construction site.
Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die Sensoreinrichtung zur Ermittlung der Drehwinkeldifferenz feststehend zum Katzausleger, insbesondere an dem Katzausleger oder an einem Gestell des Katzfahrwerks, angeordnet ist. An advantageous example is characterized in that the sensor device for determining the difference in the angle of rotation is fixed to the trolley jib, in particular on the trolley jib or on a frame of the trolley chassis.
Durch die starre Verbindung mit dem Katzausleger wird erreicht, dass eine Messung der Drehwinkeldifferenz verbessert wird. Bei der Verbindung mit dem Gestell des Katzfahrwerks vereinfachen sich der Aufbau und die Montage des Turmdrehkrans. The rigid connection with the trolley jib improves the measurement of the difference in the angle of rotation. The connection to the frame of the trolley simplifies the construction and assembly of the tower crane.
Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass ein von der Sensoreinrichtung zur Ermittlung der Drehwinkeldifferenz erzeugtes Sensorsignal einen Abstand zwischen der Sensoreinrichtung und einem Abschnitt des Katzseils, welcher sich zwischen einer proximalen zum Katzausleger feststehenden Umlenkrolle und der Laufkatze befindet, repräsentiert; wobei die Drehwinkeldifferenz mittels der Steuerungseinheit in Abhängigkeit von dem den Abstand repräsentierenden Sensorsignal ermittelt wird. An advantageous example is characterized in that a sensor signal generated by the sensor device for determining the difference in the angle of rotation represents a distance between the sensor device and a section of the trolley cable, which is located between a deflection roller that is fixed proximal to the trolley jib and the trolley; wherein the difference in angle of rotation is determined by means of the control unit as a function of the sensor signal representing the distance.
Verbiegungen des Katzauslegers wirken sich je nach Position der Laufkatze entlang des Katzauslegers auf die Drehposition der Laufkatze aus. Die Position des Abschnitts des Katzseils bildet einen Versatz der Laufkatze zu einem Drehwinkel um eine Hochachse des Turms ab. Somit lässt sich ohne weitere Sensorik die konkrete Drehposition der Laufkatze zur Hochachse ermitteln.
Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die Sensoreinrichtung zur Ermittlung der Drehwinkeldifferenz ausgehend vom Turm in einer ersten bzw. proximalen Hälfte, insbesondere im ersten bzw. proximalen Drittel, der Länge des Katzauslegers angeordnet ist. Deflections of the trolley jib affect the rotary position of the trolley depending on the position of the trolley along the trolley jib. The position of the section of the trolley cable represents an offset of the trolley to a rotation angle about a vertical axis of the tower. In this way, the specific rotational position of the trolley relative to the vertical axis can be determined without additional sensors. An advantageous example is characterized in that the sensor device for determining the difference in angle of rotation, starting from the tower, is arranged in a first or proximal half, in particular in the first or proximal third, of the length of the trolley jib.
Die Verbiegung des Katzauslegers spielt eine größere Rolle, je weiter die Laufkatze vom Turm entfernt ist. Ist die Laufkatze hingegen näher am Turm spielt die Verbiegung des Katzauslegers eine untergeordnete Rolle. Deshalb ist die vorgeschlagene Anordnung der Sensoreinrichtung in der ersten Hälfte bzw. im ersten Drittel vorteilhaft. Dies ermöglicht auch die Integration mit dem Katzfahrwerk. The deflection of the trolley jib plays a greater role the further away the trolley is from the tower. On the other hand, if the trolley is closer to the tower, the bending of the trolley jib plays a subordinate role. The proposed arrangement of the sensor device in the first half or in the first third is therefore advantageous. This also enables integration with the trolley.
Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass ein von der Sensoreinrichtung zur Ermittlung des wenigstens einen zweiten Auslenkungswinkels erzeugtes Sensorsignal einen Abstand zwischen der Sensoreinrichtung und dem wenigstens einen Abschnitt des Hubseils repräsentiert; und wobei der wenigstens eine zweite Auslenkungswinkel mittels der Steuerungseinheit in Abhängigkeit von dem den Abstand repräsentierenden Sensorsignal ermittelt wird. An advantageous example is characterized in that a sensor signal generated by the sensor device for determining the at least one second deflection angle represents a distance between the sensor device and the at least one section of the hoist rope; and wherein the at least one second deflection angle is determined by the control unit as a function of the sensor signal representing the distance.
Vorteilhaft kann durch die Abstandsmessung auf einfache Art und Weise die Messung des wenigstens einen zweiten Auslenkwinkels erfolgen. Advantageously, the at least one second deflection angle can be measured in a simple manner by measuring the distance.
Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass der Turmdrehkran umfasst: eine weitere an der Laufkatze angeordnete Sensoreinrichtung zur Ermittlung wenigstens eines Neigungswinkels der Laufkatze zu einer Horizontalen; und wobei die Steuerungseinheit das Drehwerk, das Hubwerk und das Katzfahrwerk zusätzlich in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Neigungswinkel betreibt. An advantageous example is characterized in that the tower crane comprises: a further sensor device arranged on the trolley for determining at least one angle of inclination of the trolley to a horizontal; and wherein the control unit additionally operates the slewing gear, the lifting gear and the trolley gear as a function of the at least one angle of inclination.
Durch die nicht lineare Biegung einzelner Auslegersegmente des Katzauslegers kann man den Neigungswinkel nur schwer durch einfache mathematische Linearisierungen herleiten. Die vorgeschlagene sensorische Erfassung des Neigungswinkels verbessert die die Genauigkeit der nachgelagerten Regelung. Due to the non-linear bending of individual jib segments of the trolley jib, it is difficult to derive the angle of inclination using simple mathematical linearizations. The proposed sensory detection of the angle of inclination improves the accuracy of the downstream control.
Ein zweiter Aspekt der Beschreibung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Turmdrehkrans umfassend: Ermitteln wenigstens eines ersten Pendelwinkels, welcher eine Auslenkung eines virtuellen Schwerpunkts eines an der Laufkatze aufgehängten Mehrfachpendels zu einem durch die Laufkatze verlaufenden Lot in einer ersten Raumebene charakterisiert; Ermitteln wenigstens eines zweiten Pendelwinkels, welcher eine Auslenkung des Schwerpunkts des Mehrfachpendels zu dem durch die Laufkatze verlaufenden Lot in einer zweiten Raumebene charakterisiert; Ermitteln wenigstens eines Drehwinkels der Laufkatze um die Hochachse des Turms; und Ermitteln wenigstens einer Stellgröße zum Betreiben des Turmdrehkrans, insbesondere mittels wenigstens eines Drehwerks, wenigstens eines Hubwerk und wenigstens eines Katzfahrwerks, in Abhängigkeit von dem wenigstens einen ersten Pendelwinkel, in Abhängigkeit von dem wenigstens einen zweiten Pendelwinkel und in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Drehwinkel. A second aspect of the description relates to a method for operating a tower crane, comprising: determining at least a first pendulum angle, which characterizes a deflection of a virtual center of gravity of a multiple pendulum suspended on the trolley relative to a perpendicular running through the trolley in a first spatial plane; Determining at least one second pendulum angle, which characterizes a deflection of the center of gravity of the multiple pendulum to the perpendicular running through the trolley in a second spatial plane; determining at least one angle of rotation of the trolley about the vertical axis of the tower; and determining at least one manipulated variable for operating the tower crane, in particular by means of at least one slewing gear, at least one hoist and at least one trolley, as a function of the at least one first pendulum angle, as a function of the at least one second pendulum angle and as a function of the at least one angle of rotation.
Durch die Ermittlung der Pendelwinkel und des Drehwinkels der Laufkatze wird es ermöglicht, auf die Lastposition zu schließen und eine echtzeitnahe Regelung anhand eines den Kran und die Lastbewegung abbildenden Regelungsmodells zu realisieren. By determining the pendulum angle and the angle of rotation of the trolley, it is possible to deduce the load position and to implement real-time control using a control model that maps the crane and the load movement.
Der dargestellte Ansatz verzichtet vorteilhaft auf die Verwendung und Ableitung von Regelgröße. Vielmehr wird über die Pendelwinkel und den Drehwinkel der Laufkatze die tatsächliche Lastsituation am Kran und unterhalb des Kranauslegers
ermittelt. Mittels Sensorfusion werden die Einflüsse des in Kranoperationen in der Regel vorzufindenden Doppelpendels auf die Regelung der Lastbewegung zu reduziert bzw. zu eliminiert. The approach presented advantageously dispenses with the use and derivation of controlled variables. Rather, the actual load situation on the crane and below the crane boom is determined via the pendulum angle and the angle of rotation of the trolley determined. By means of sensor fusion, the influences of the double pendulum, which is usually found in crane operations, on the control of the load movement are reduced or eliminated.
Durch das vorgeschlagene Verfahren erhält man - unabhängig von der Komplexität der mechanischen Ausführung der Anordnung unterhalb der Laufkatze - ein vereinfachtes virtuelles Einfachpendelsystem, das sich mit einfacheren und vor allem ohne die Ermittlung von Kranaufbau-spezifischen Torsion- und Biegemomenten auskommenden Regelalgorithmen betreiben lässt. Das vorgeschlagene Verfahren kann vorteilhaft für eine Vielzahl von unterschiedlichen Konfigurationen von Turmdrehkranen angewendet werden, ohne dass aufwendige Anpassungen des Verfahrens an die Konstruktion des Krans durchgeführt werden müssen. Regardless of the complexity of the mechanical design of the arrangement below the trolley, the proposed method results in a simplified virtual single pendulum system that can be operated with simpler control algorithms that, above all, do not require the determination of torsion and bending moments specific to the crane structure. The proposed method can advantageously be used for a large number of different configurations of tower cranes, without the method having to be adapted to the construction of the crane in a complex manner.
Des Weiteren ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren bzw. System zusätzlich zu einer positionsbezogenen Regelung der Last, also einer Vorgabe einer Trajektorie für die Last, die gleichzeitige Möglichkeit einer geschwindigkeitsbezogenen Regelung der Last. Dadurch ist diese mit der aktuell gängigen geschwindigkeitsbezogenen Kransteuerung mittels SPS vergleichbar und für die Kranfahrer zugänglicher. Die Kranfahrer geben bei der SPS Steuerung per Joystickbefehle eine Geschwindigkeit für die jeweiligen Antriebe vor. Bei der geschwindigkeits-bezogenen Regelung der Last würde der Kranfahrer per Joystickbefehl eine Geschwindigkeit der Last vorgeben. Dadurch kann also ein Assistenzsystem für den Kranfahrer bereitgestellt werden. Auf der anderen Seite ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren bzw. System eine vollautomatisierte Fahrt. Somit ist das hier vorgeschlagene System sowohl für eine intuitivere manuelle als auch für eine semi- bzw. vollautomatisierte Steuerung einsetzbar und stellt die hierzu nötige Basis bereit. Furthermore, the proposed method or system, in addition to a position-related regulation of the load, ie a specification of a trajectory for the load, enables the simultaneous possibility of a speed-related regulation of the load. As a result, it is comparable with the currently common speed-related crane control using PLC and is more accessible for the crane driver. With the PLC control, the crane drivers specify a speed for the respective drives via joystick commands. With the speed-related control of the load, the crane driver would specify a speed for the load via joystick command. This means that an assistance system can be provided for the crane driver. On the other hand, the proposed method or system enables a fully automated journey. The system proposed here can therefore be used both for a more intuitive manual control and for a semi- or fully automated control and provides the necessary basis for this.
Ein vorteilhaftes Beispiel umfasst: Ermitteln eines in der ersten Ebene liegenden Auslenkungswinkels wenigstens eines zwischen der Laufkatze und dem Lastaufnahmemittel befindlichen Abschnitts des Hubseils zum durch die Laufkatze verlaufenden Lot; Ermitteln eines in der ersten Ebene liegenden Auslenkungswinkels des Lastaufnahmemittels, welches über das Hubseil an der Laufkatze hängt, zum durch das Lastaufnahmemittel verlaufenden Lot; wobei der erste Pendelwinkel in Abhängigkeit von dem in der ersten Ebene liegenden Auslenkungswinkel des wenigstens einen Abschnitts des Hubseils und in Abhängigkeit von dem in der ersten Ebene liegenden Auslenkungswinkels des Lastaufnahmemittels ermittelt wird. An advantageous example includes: determining a deflection angle lying in the first plane of at least one section of the hoisting rope located between the trolley and the load-carrying means with respect to the plumb line running through the trolley; Determination of a deflection angle lying in the first plane of the load-carrying means, which hangs on the trolley via the hoist rope, to the perpendicular running through the load-carrying means; wherein the first pendulum angle is determined as a function of the deflection angle of the at least one section of the hoist cable lying in the first plane and depending on the deflection angle of the load handling device lying in the first plane.
Durch diese Sensorfusion wird die präzise Ermittlung des Pendelwinkels verbessert. Unerwünschte Schwindungen in den Sensorsignalen werden durch die Sensorfusion reduziert. This sensor fusion improves the precise determination of the pendulum angle. Undesirable fluctuations in the sensor signals are reduced by sensor fusion.
Ein vorteilhaftes Beispiel umfasst: Ermitteln eines ersten Gewichtungsfaktors in Abhängigkeit von einer Pendellänge; wobei der erste Pendelwinkel durch Gewichtung des in der ersten Ebene liegenden Auslenkungswinkels des Abschnitts des Hubseils in Abhängigkeit von dem ersten Gewichtungsfaktor und durch Gewichtung des in der ersten Ebene liegenden Auslenkungswinkels des Lastaufnahmemittels in Abhängigkeit von dem ersten Gewichtungsfaktor ermittelt wird. An advantageous example includes: determining a first weighting factor as a function of a pendulum length; wherein the first pendulum angle is determined by weighting the deflection angle of the section of the hoist rope in the first plane as a function of the first weighting factor and by weighting the deflection angle of the lifting device in the first plane as a function of the first weighting factor.
Vorteilhaft wird die Pendellänge dazu genutzt, um durch die Konstruktion der Laufkatze und des Lastaufnahmemittels bei unterschiedlichen Pendellängen entstehende Schwingungen für die Ermittlung der Stellgrößen zu reduzieren. Advantageously, the pendulum length is used to reduce the vibrations caused by the construction of the trolley and the load handling device with different pendulum lengths for the determination of the manipulated variables.
Ein vorteilhaftes Beispiel umfasst: Ermitteln eines Neigungswinkels der Laufkatze zur Horizontalen; Ermitteln eines in der ersten Ebene liegenden kompensierten Auslenkungswinkels in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel der Laufkatze und in Abhängigkeit von dem in der ersten Ebene liegenden Auslenkungswinkel des wenigstens einen Abschnitts des Hubseils; wobei der erste Pendelwinkel in Abhängigkeit von dem in der ersten Ebene liegenden kompensierten Auslenkungswinkel
des wenigstens einen Abschnitts des Hubseils und in Abhängigkeit von dem in der ersten Ebene liegenden Auslenkungswinkels des Lastaufnahmemittels ermittelt wird. An advantageous example includes: determining an angle of inclination of the trolley to the horizontal; determining a first-plane compensated deflection angle as a function of the inclination angle of the trolley and as a function of the first-plane deflection angle of the at least one section of the hoisting rope; wherein the first pendulum angle is a function of the compensated deflection angle lying in the first plane of the at least one section of the hoist rope and is determined as a function of the deflection angle of the load handling device lying in the first plane.
Durch diese Sensorfusion wird die Verbiegung des Katzauslegers, die sich je nach Position der Laufkatze, der Last und der Konstruktion des Katzauslegers unterscheidet, präzise berücksichtigt. This sensor fusion precisely takes into account the deflection of the trolley jib, which differs depending on the position of the trolley, the load and the construction of the trolley jib.
Ein vorteilhaftes Beispiel umfasst: Ermitteln eines in der zweiten Ebene liegenden Auslenkungswinkels des wenigstens einen zwischen der Laufkatze und dem Lastaufnahmemittel befindlichen Abschnitts des Hubseils zum durch die Laufkatze verlaufenden Lot; Ermitteln eines in der zweiten Ebene liegenden Auslenkungswinkels des Lastaufnahmemittels, welches über das Hubseil an der Laufkatze hängt, zum durch das Lastaufnahmemittel verlaufenden Lot; und wobei der zweite Auslenkungswinkel in Abhängigkeit von dem in der zweiten Ebene liegenden Auslenkungswinkel und in Abhängigkeit von dem in der zweiten Ebene liegenden Auslenkungswinkel des Lastaufnahmemittels ermittelt wird. An advantageous example comprises: determining a deflection angle, lying in the second plane, of the at least one section of the hoisting rope located between the trolley and the load-carrying means with respect to the plumb line running through the trolley; Determination of a deflection angle lying in the second plane of the load-carrying means, which hangs on the trolley via the hoist rope, to the perpendicular running through the load-carrying means; and wherein the second deflection angle is determined as a function of the deflection angle in the second plane and as a function of the deflection angle of the load handling device in the second plane.
Durch diese Sensorfusion wird die präzise Ermittlung des Pendelwinkels verbessert. Unerwünschte Schwindungen in den Sensorsignalen werden durch die Sensorfusion reduziert. This sensor fusion improves the precise determination of the pendulum angle. Undesirable fluctuations in the sensor signals are reduced by sensor fusion.
Ein vorteilhaftes Beispiel umfasst: Ermitteln eines zweiten Gewichtungsfaktors in Abhängigkeit von der Pendellänge; und wobei der zweite Auslenkungswinkel durch Gewichtung des in der zweiten Ebene liegenden Auslenkungswinkel des wenigstens einen Abschnitts des Hubseils in Abhängigkeit von dem zweiten Gewichtungsfaktor und durch Gewichtung des in der zweiten Ebene liegenden Auslenkungswinkels des Lastaufnahmemittels in Abhängigkeit von dem zweiten Gewichtungsfaktor ermittelt wird. An advantageous example includes: determining a second weighting factor as a function of the pendulum length; and wherein the second deflection angle is determined by weighting the deflection angle lying in the second plane of the at least one section of the hoist rope as a function of the second weighting factor and by weighting the deflection angle lying in the second plane of the lifting device depending on the second weighting factor.
Vorteilhaft wird die Pendellänge dazu genutzt, um durch die Konstruktion der Laufkatze und des Lastaufnahmemittels bei unterschiedlichen Pendellängen entstehende Schwingungen für die Ermittlung der Stellgrößen zu reduzieren. Advantageously, the pendulum length is used to reduce the vibrations caused by the construction of the trolley and the load handling device with different pendulum lengths for the determination of the manipulated variables.
Ein vorteilhaftes Beispiel umfasst: Ermitteln einer Länge eines der Abschnitte des Hubseils zwischen der Laufkatze und dem Lastaufnahmemittel; und Ermitteln der Pendellänge in Abhängigkeit von der Länge eines der Abschnitte des Hubseils und einer vorab festgelegten und insbesondere manuell während des Betriebs vorgebbaren Länge eines Lastseils zwischen dem Lastaufnahmemittel und der Last. An advantageous example includes: determining a length of one of the sections of the hoist rope between the trolley and the lifting device; and determining the pendulum length as a function of the length of one of the sections of the hoist rope and a previously specified length of a load rope between the load suspension device and the load, which in particular can be predetermined manually during operation.
Durch die vorgegebene Länge des Lastseils wird die Ungenauigkeit bei der Ermittlung der Gesamtlänge des Mehrfachpendels kompensiert. Dadurch wird der Gesamtfehler reduziert. Solange der Gesamtfehler im Bereich von ca. ±10% der Gesamtlänge des Mehrfachpendels bleibt, wird eine ausreichend gedämpfte Regelung gewährleistet. Dieses Verhalten der an dem Lastaufnahmemittel mittels Anschlagmittel befestigten Last wurde empirisch durch Testversuche belegt. The inaccuracy in determining the total length of the multiple pendulum is compensated by the specified length of the load rope. This reduces the overall error. Sufficiently damped control is ensured as long as the total error remains in the range of approx. ±10% of the total length of the multiple pendulum. This behavior of the load fastened to the load-carrying means by means of slings was empirically proven by tests.
Wenn die Länge des Abschnitts des Hubseils 40m und die Länge des Lastseils 5m betragen, ergibt sich eine Gesamtlänge von 45m. Der Regler kann somit eine Ungenauigkeit von ±4, 5m ohne weiteres tolerieren. In den übenwiegenden Fällen führt dieses zu dem gewünschten Regelverhalten. Ein Überschreiten dieser Toleranz führt zwar zu einem leichten Überschwingen, das aber immer noch kleiner ausfällt als es ohne die vorgeschlagene Regelung der Fall wäre. If the length of the section of hoist rope is 40m and the length of the load rope is 5m, the total length is 45m. The controller can therefore easily tolerate an inaccuracy of ±4.5m. In the majority of cases, this leads to the desired control behavior. Exceeding this tolerance leads to a slight overshoot, but this is still smaller than would be the case without the proposed regulation.
Ein vorteilhaftes Beispiel umfasst: Ermitteln eines Drehwinkels des Katzauslegers um die Hochachse; Ermitteln einer Drehwinkeldifferenz zwischen dem Drehwinkel des Katzauslegers um die Hochachse und dem Drehwinkel der Laufkatze
um die Hochachse; und wobei der Drehwinkel der Laufkatze um die Hochachse des Turms in Abhängigkeit von dem Drehwinkel des Katzauslegers und in Abhängigkeit von der Drehwinkeldifferenz ermittelt wird. An advantageous example includes: determining a rotation angle of the trolley jib about the vertical axis; Determination of a rotation angle difference between the rotation angle of the trolley jib around the vertical axis and the rotation angle of the trolley around the vertical axis; and wherein the angle of rotation of the trolley around the vertical axis of the tower is determined as a function of the angle of rotation of the trolley jib and as a function of the difference in angle of rotation.
Durch diese Sensorfusion wird die präzise Ermittlung des Drehwinkels der Laufkatze verbessert. This sensor fusion improves the precise determination of the rotation angle of the trolley.
Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die Ermittlung der wenigstens einen Stellgröße dann aktiviert wird, wenn wenigstens eine der folgenden Bedingungen eintritt: Voriiegen wenigstens einer Soll-Größe ungleich Null; Voriiegen einer von einer Bedieneinheit stammenden manuellen Aktivierung der Ermittlung der wenigstens einen Stellgröße; und Voriiegen einer Anforderung zur Nachregelung. An advantageous example is characterized in that the determination of the at least one manipulated variable is activated when at least one of the following conditions occurs: the presence of at least one setpoint variable that is not equal to zero; Presence of a manual activation of the determination of the at least one manipulated variable originating from an operating unit; and existence of a request for readjustment.
Ein vorteilhaftes Beispiel umfasst: Aktualisieren eines Modells, insbesondere von das Modell charakterisierenden Matrizen, in Abhängigkeit von der Pendellänge, einer Position der Laufkatze und in Abhängigkeit von, insbesondere mittels einer Sensoreinrichtung ermittelten mit dem Mehrfachpendel assoziierten Masse; und wobei das Ermitteln der wenigstens einen Stellgröße in Abhängigkeit von dem aktualisierten Modell durchgeführt wird. An advantageous example includes: Updating a model, in particular matrices characterizing the model, depending on the pendulum length, a position of the trolley and depending on the mass associated with the multiple pendulum, determined in particular by means of a sensor device; and wherein the at least one manipulated variable is determined as a function of the updated model.
Vorteilhaft ermöglichen die Position der Laufkatze, die gemessene Masse und die Pendellänge eine Aktualisierung des Modells. Advantageously, the position of the trolley, the measured mass and the pendulum length allow the model to be updated.
Ein vorteilhaftes Beispiel umfasst: Aktualisieren eines Reglers, insbesondere von Verstärkungsfaktoren, in Abhängigkeit von dem Modell, insbesondere von den das Modell charakterisierenden Matrizen, und in Abhängigkeit von der Pendellänge; und wobei das Ermitteln der wenigstens einen Stellgröße in Abhängigkeit von dem aktualisierten Regler durchgeführt wird.An advantageous example comprises: updating a controller, in particular gain factors, depending on the model, in particular on the matrices characterizing the model, and depending on the pendulum length; and wherein the at least one manipulated variable is determined as a function of the updated controller.
Ein dritter Aspekt der Beschreibung betrifft eine Steuerungseinheitzum Betreiben eines Turmdrehkrans umfassend: Mittel zur Ermittlung wenigstens eines ersten Pendelwinkels, welcher eine Auslenkung eines virtuellen Schwerpunkts eines an einer Laufkatze aufgehängten Mehrfachpendels zu einem durch die Laufkatze verlaufenden Lot in einer ersten Raumebene charakterisiert; Mittel zur Ermittlung wenigstens eines zweiten Pendelwinkels, welcher eine Auslenkung des Schwerpunkts des Mehrfachpendels zu dem durch die Laufkatze verlaufenden Lot in einer zweiten Raumebene charakterisiert; Mittel zur Ermittlung wenigstens eines Drehwinkels der Laufkatze um die Hochachse des Turms; und Mittel zur Ermittlung wenigstens einer Stellgröße zum Betreiben des Turmdrehkrans, insbesondere mittels wenigstens eines Drehwerks, wenigstens eines Hubwerk und wenigstens eines Katzfahrwerks des Turmdrehkrans, in Abhängigkeit von dem wenigstens einen ersten Pendelwinkel, in Abhängigkeit von dem wenigstens einen zweiten Pendelwinkel und in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Drehwinkel. A third aspect of the description relates to a control unit for operating a tower crane, comprising: means for determining at least a first pendulum angle, which characterizes a deflection of a virtual center of gravity of a multiple pendulum suspended on a trolley relative to a perpendicular running through the trolley in a first spatial plane; Means for determining at least one second pendulum angle, which characterizes a deflection of the center of gravity of the multiple pendulum to the perpendicular running through the trolley in a second spatial plane; Means for determining at least one angle of rotation of the trolley about the vertical axis of the tower; and means for determining at least one manipulated variable for operating the tower crane, in particular by means of at least one slewing gear, at least one hoist and at least one trolley of the tower crane, as a function of the at least one first pendulum angle, as a function of the at least one second pendulum angle and as a function of the at least one angle of rotation.
Ein vierter Aspekt der Beschreibung betrifft eine Laufkatze für einen T urmdrehkran umfassend: ein Fahrgestell zum Verfahren der Laufkatze entlang eines Katzauslegers; wenigstens zwei zum Fahrgestell feststehend angeordnete Umlenkrollen zum Umlenken eines Hubseils in Richtung eines Lastaufnahmemittels; und eine zum Fahrgestell feststehend angeordnete Sensoreinrichtung zur Ermittlung wenigstens eines Auslenkungswinkels eines zwischen der Laufkatze und einem Lastaufnahmemittel befindlichen Abschnitts des Hubseils zum durch die Laufkatze verlaufenden Lot. A fourth aspect of the description relates to a trolley for a tower crane, comprising: a chassis for moving the trolley along a trolley jib; at least two deflection pulleys, which are fixed to the chassis, for deflecting a hoisting cable in the direction of a load handling device; and a sensor device arranged fixed to the chassis for determining at least one deflection angle of a section of the hoisting cable located between the trolley and a load-carrying means with respect to the plumb line running through the trolley.
Die Ermittlung des wenigstens einen Auslenkungswinkels des Hubseils an der Laufkatze ermöglicht, die Lastsituation präzise zu ermitteln. Determining the at least one deflection angle of the hoist rope on the trolley makes it possible to precisely determine the load situation.
Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein von der Sensoreinrichtung erzeugtes Sensorsignal einen Abstand zwischen der Sensoreinrichtung und wenigstens einem Abschnitt des Hubseils repräsentiert.
Durch die Ermittlung des Abstandes kann der Auslenkungswinkel präziser bestimmt werden - insbesondere im Vergleich zu einer Kameramessung. An advantageous example is characterized in that at least one sensor signal generated by the sensor device represents a distance between the sensor device and at least one section of the hoist rope. By determining the distance, the deflection angle can be determined more precisely - especially compared to a camera measurement.
Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass dem wenigstens einen Abschnitt des Hubseils wenigstens zwei Sensoren zugeordnet sind, welche aus unterschiedlichen Winkeln auf den Abschnitt des Hubseils gerichtet sind. An advantageous example is characterized in that at least two sensors are assigned to the at least one section of the hoisting rope, which are directed at the section of the hoisting rope from different angles.
Durch zwei voneinander beabstandete Sensoren wird sowohl die Messung an sich verbessert, als auch eine Fehlerbehandlung bei nicht konsistenten Sensorsignalen ermöglicht. Two sensors that are spaced apart improve both the measurement itself and enable error handling in the event of inconsistent sensor signals.
Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass die Sensoreinrichtung zumindest zu einem Teil zwischen den wenigstens zwei Abschnitten des Hubseils angeordnet ist. An advantageous example is characterized in that the sensor device is arranged at least in part between the at least two sections of the hoist rope.
Dadurch wird eine kompaktere Sensoreinrichtung bereitgestellt. Des Weiteren ist diese geschützt in einem proximalen Bereich der Laufkatze angeordnet. Darüber hinaus können einzelne Sensoren zu einer Einheit integriert werden. This provides a more compact sensor device. Furthermore, it is arranged in a protected manner in a proximal area of the trolley. In addition, individual sensors can be integrated into one unit.
Ein vorteilhaftes Beispiel umfasst: wenigstens eine weitere zum Fahrgestell feststehend angeordnete Sensoreinrichtung zur Erzeugung wenigstens eines weiteren Sensorsignals, welches eine Neigung der Laufkatze zu einer Horizontalen charakterisiert. An advantageous example includes: at least one additional sensor device arranged in a stationary manner relative to the chassis for generating at least one additional sensor signal which characterizes an inclination of the trolley to a horizontal.
Vorteilhaft kann durch Sensorfusion auf diese Weise die präzise Ermittlung des in einer Ebene, die Turm und Katzausleger aufspannen, liegenden Auslenkungswinkels verbessert werden. In this way, sensor fusion can advantageously improve the precise determination of the deflection angle lying in a plane that spans the tower and trolley jib.
Ein fünfter Aspekt der Beschreibung betrifft ein Katzfahrwerk zur Anordnung an einem Katzausleger eines T urmdrehkrans umfassend: ein Gestell; eine zum Gestell feststehend angeordnete Antriebseinheit zum Auf- und Abrollen eines Katzseils; und eine zum Gestell feststehend angeordnete Sensoreinrichtung zur Ermittlung einer Drehwinkeldifferenz zwischen einem Drehwinkel des Katzauslegers um eine Hochachse eines Turms des Turmdrehkrans und einem Drehwinkel der Laufkatze um die Hochachse. A fifth aspect of the description relates to a trolley for arrangement on a trolley jib of a tower crane, comprising: a frame; a drive unit arranged fixed to the frame for winding and unwinding a trolley cable; and a sensor device arranged fixed to the frame for determining a rotation angle difference between a rotation angle of the trolley jib about a vertical axis of a tower of the tower crane and a rotation angle of the trolley about the vertical axis.
Vorteilhaft wird die Sensoreinrichtung zur Ermittlung der Drehwinkeldifferenz in das Katzfahrwerk integriert. Damit muss die Sensoreinrichtung nicht separat an dem Katzausleger angeordnet werden. Folglich vereinfacht sich der Aufbau des Krans.The sensor device for determining the difference in the angle of rotation is advantageously integrated into the trolley. The sensor device therefore does not have to be arranged separately on the trolley jib. Consequently, the structure of the crane is simplified.
Ein vorteilhaftes Beispiel zeichnet sich dadurch aus, dass ein von der Sensoreinrichtung erzeugtes Sensorsignal zur Ermittlung der Drehwinkeldifferenz einen Abstand zwischen der Sensoreinrichtung und einem Abschnitt des Katzseils repräsentiert. An advantageous example is characterized in that a sensor signal generated by the sensor device for determining the difference in the angle of rotation represents a distance between the sensor device and a section of the trolley cable.
Verbiegungen des Katzauslegers wirken sich je nach Position der Laufkatze entlang des Katzauslegers auf die Drehposition der Laufkatze aus. Die Position des Abschnitts des Katzseils bildet einen Versatz der Laufkatze zu einem Drehwinkel um eine Hochachse des Turms ab. Somit lässt sich ohne weitere Sensorik die konkrete Drehposition der Laufkatze zur Hochachse ermitteln. Deflections of the trolley jib affect the rotary position of the trolley depending on the position of the trolley along the trolley jib. The position of the section of the trolley cable represents an offset of the trolley to a rotation angle about a vertical axis of the tower. In this way, the specific rotational position of the trolley relative to the vertical axis can be determined without additional sensors.
In der Zeichnung zeigen: Show in the drawing:
Figur 1 einen Turmdrehkran in schematischer Form; FIG. 1 shows a tower crane in schematic form;
Figuren 2, 3, 16 und 19 jeweils ein Pendelsystem;
Figur 4 eine Rückführung von Sensorsignalen; FIGS. 2, 3, 16 and 19 each show a pendulum system; FIG. 4 a feedback of sensor signals;
Figuren 5 und 6 jeweils eine Ermittlung von Stellgrößen; FIGS. 5 and 6 each show a determination of manipulated variables;
Figuren 7 und 10 jeweils eine Laufkatze in schematischer Form; FIGS. 7 and 10 each show a trolley in schematic form;
Figuren 8 und 11 jeweils eine Bestimmung der Position eines Abschnitts eines Hubseils mittels einer Sensoreinrichtung; FIGS. 8 and 11 each show a determination of the position of a section of a hoist rope by means of a sensor device;
Figur 9 die Laufkatze und verschiedene Positionen einer Umlenkrolle einesFIG. 9 shows the trolley and various positions of a deflection roller
Lastaufnahmemittels; lifting device;
Figur 12 die Laufkatze und Teile einer Sensoreinrichtung; FIG. 12 shows the trolley and parts of a sensor device;
Figur 13 einen durch Verbiegung des Katzauslegers erzeugten Neigungswinkel der Laufkatze zu einer Horizontalen; FIG. 13 shows an angle of inclination of the trolley to a horizontal generated by bending of the trolley jib;
Figur 14 eine durch Verbiegung des Katzauslegers erzeugte Drehwinkeldifferenz zwischen einem Drehwinkel der Laufkatze und einem Drehwinkel des Katzauslegers; FIG. 14 shows a rotation angle difference between a rotation angle of the trolley and a rotation angle of the trolley jib, produced by bending of the trolley jib;
Figuren 15 und 17 jeweils einen Signalflussplan; FIGS. 15 and 17 each show a signal flow chart;
Figur 18 den Turmdrehkran in einer Draufsicht; und FIG. 18 shows the tower crane in a plan view; and
Figur 20 eine Steuerungseinheitzum Betreiben des Turmdrehkrans. Figure 20 shows a control unit for operating the tower crane.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Turmdrehkran 2 zum Anheben, Verfahren und Absetzen einer Last L. Der Turmdrehkran 2 umfasst einen wenigstens zu einem Teil zu einem Grund G feststehend angeordneten Turm T mit einer gedachten Hochachse H und einen vom Turm T abragenden Katzausleger KA. Der Katzausleger KA ist in der Figur 1 nicht wippbar ausgelegt. In einem nicht gezeigten Beispiel kann der Katzausleger KA auch wippbar ausgeführt sein, wobei der wippbare Katzausleger KA mittels eines Wippantriebs bewegt wird. Figure 1 shows a schematic side view of a tower crane 2 for lifting, moving and setting down a load L. The tower crane 2 comprises a tower T which is at least partially fixed to a base G with an imaginary vertical axis H and a trolley jib KA protruding from the tower T . The trolley jib KA is not designed to be luffable in FIG. In an example that is not shown, the trolley jib KA can also be designed to be luffing, with the luffing trolley jib KA being moved by means of a luffing drive.
Der Turmdrehkran 2 umfasst ein beispielsweise auf einem Gegenausleger GA angeordnetes Drehwerk DW zum Drehen zumindest des Katzauslegers KA um die Hochachse H. Der Turmdrehkran 2 umfasst eine beispielsweise als Drehwinkelsensor ausgebildete Sensoreinrichtung 510 zur Ermittlung eines Drehwinkels θ_u des Katzauslegers KA um die Hochachse H in einer yx-Ebene. The tower crane 2 comprises a slewing gear DW arranged, for example, on a counterjib GA for rotating at least the trolley jib KA around the vertical axis H. The tower crane 2 comprises a sensor device 510, embodied, for example, as a rotation angle sensor, for determining a rotation angle θ_u of the trolley jib KA around the vertical axis H in a yx -Level.
Eine entlang des Katzauslegers KA verfahrbare Laufkatze LK umfasst eine ersten und einerzweite Umlenkrolle 202, 204 zum Umlenkgen eines Hubseils HSL in Richtung eines Lastaufnahmemittels UF, welches auch als Unterflasche oder Hakenflasche bezeichenbar ist. Das Lastaufnahmemittel UF umfasst wenigstens eine Umlenkrolle 302 für das Hubseil HSL, kann aber auch eine Mehrzahl von Umlenkrollen für das Hubseil HSL umfasst. A trolley LK that can be moved along the trolley jib KA includes a first and a second deflection roller 202, 204 for deflecting a hoist rope HSL in the direction of a load handling device UF, which can also be referred to as a bottom block or hook block. The load handling device UF includes at least one deflection pulley 302 for the hoist rope HSL, but can also include a plurality of deflection pulleys for the hoist rope HSL.
Eine an dem Lastaufnahmemittel UF angeordnete beispielsweise als Gyroskop ausgebildete Sensoreinrichtung 310 ist zur Ermittlung eines ersten Auslenkungswinkels φ_ 2x, φ _2y des Lastaufnahmemittels UF zum durch das Lastaufnahmemittel UF verlaufenden Lot eingerichtet.
Das Hubseil HSL ist ausgehend von einem Hubwerk HW zum Auf- und Abrollen des Hubseils über die erste Umlenkrolle 202 der Laufkatze LK, die eine Umlenkrolle 302 des Lastaufnahmemittels UF und die zweite Umlenkrolle 204 der Laufkatze LK geführt. Das Hubseil HSL ist an einem distalen Abschnitt 4 des Katzauslegers KA befestigt. A sensor device 310 arranged on the load-carrying device UF, for example designed as a gyroscope, is set up to determine a first deflection angle φ_ 2x, φ_2y of the load-carrying device UF relative to the perpendicular running through the load-carrying device UF. The hoist rope HSL is guided from a hoist HW for winding and unwinding the hoist rope over the first deflection roller 202 of the trolley LK, the one deflection roller 302 of the load handling device UF and the second deflection roller 204 of the trolley LK. The hoist rope HSL is attached to a distal section 4 of the trolley jib KA.
Das Hubwerk HW umfasst eine Bremse, einen Elektromotor, ein Getriebe und eine Seilwinde. Auf die Seilwinde des Hubwerks HW wird das Hubseil HSL aufgerollt, um die Last L anzuheben, und es wird abgerollt, um die Last L abzusenken. Das Hubseil HSL ist beispielsweise ausgehend von dem Hubwerk über zwei bei oder nahe der Hochachse H angeordnete Umlenkrollen 20 und 22 bis zu der Umlenkrolle 202 der Laufkatze LK geführt. The HW hoist includes a brake, an electric motor, a gearbox and a cable winch. On the winch of the hoist HW, the hoist rope HSL is wound up to lift the load L, and it is unwound to lower the load L. The hoist rope HSL is, for example, guided from the hoist via two deflection rollers 20 and 22 arranged at or near the vertical axis H to the deflection roller 202 of the trolley LK.
Eine Sensoreinrichtung 620 ist gemäß Figur 1 mit der Umlenkrolle 22 gekoppelt und erfasst deren Auslenkung in der xy- Ebene, die sich abhängig von der Masse m der angehängten Last L bzw. des Mehrfachpendels unterhalb der Laufkatze LK verändert. Die Sensoreinrichtung 620 misst beispielsweise eine Zugkraft, die auf die Umlenkrolle 22 ausgeübt wird. Ein von der Sensoreinrichtung 620 ermitteltes Sensorsignal repräsentiert die Masse M. According to FIG. 1, a sensor device 620 is coupled to the deflection roller 22 and detects its deflection in the xy plane, which changes depending on the mass m of the suspended load L or the multiple pendulum below the trolley LK. The sensor device 620 measures, for example, a tensile force that is exerted on the deflection roller 22 . A sensor signal determined by sensor device 620 represents mass M.
Eine an der Laufkatze LK angeordnete Sensoreinrichtung 210 ist zur Ermittlung eines zweiten Auslenkungswinkels φ _1 y, φ _ux eines zwischen der Laufkatze LK und dem Lastaufnahmemittel UF befindlichen Abschnitts HSL#1, HSL#2 des Hubseils HS zum durch die Laufkatze LK verlaufenden Lot eingerichtet. Ein von der Sensoreinrichtung 210 zur Ermittlung des zweiten Auslenkungswinkels φ _1y, φ _ux erzeugtes Sensorsignal repräsentiert einen Abstand zwischen der Sensoreinrichtung 210 und dem Abschnitt HSL#1, HSL#2 des Hubseils HSL. Der zweite Auslenkungswinkel φ _1y, φ _ux wird mittels der Steuerungseinheit 100 in Abhängigkeit von dem den Abstand repräsentierenden Sensorsignal der Sensoreinrichtung 210 ermittelt. A sensor device 210 arranged on the trolley LK is set up to determine a second deflection angle φ _1 y, φ _ux of a section HSL#1, HSL#2 of the hoist rope HS located between the trolley LK and the load handling device UF with respect to the perpendicular running through the trolley LK. A sensor signal generated by the sensor device 210 to determine the second deflection angle φ _1y, φ _ux represents a distance between the sensor device 210 and the section HSL#1, HSL#2 of the hoist rope HSL. The second deflection angle φ _1y, φ _ux is determined by the control unit 100 as a function of the sensor signal of the sensor device 210 which represents the distance.
Ein zum Katzausleger KA feststehend angeordnetes Katzfahrwerk KW ist mittels eines Katzseils KSL mit der Laufkatze LK zu deren Bewegung entlang des Katzauslegers KA verbunden ist. Das Katzfahrwerk KW umfasst eine Bremse, einen Elektromotor, ein Getriebe und eine Doppelseilwinde, wobei die Doppelseilwinde zwei über eine gemeinsame Achse verbundene Abschnitte umfasst, welche bei einer Rotation der Doppelseilwinde in eine Drehrichtung einen Teil das Katzseils KSL aufrollt, den anderen Teil abrollt und so die Laufkatze LK bewegt. A trolley KW fixed to the trolley jib KA is connected by means of a trolley cable KSL to the trolley LK for its movement along the trolley jib KA. The KW trolley chassis includes a brake, an electric motor, a gearbox and a double cable winch, with the double cable winch comprising two sections connected via a common axis, which when the double cable winch rotates in one direction of rotation rolls up part of the KSL trolley cable and unrolls the other part and so on the trolley LK moves.
Feststehend zu dem Gestell 402 ist eine Sensoreinrichtung 420, beispielsweise ein Drehwinkelsensor, der die Umdrehungen zählt, angeordnet, welche ein Sensorsignal erzeugt, das die Position x der Laufkatze LK charakterisiert.Fixed to the frame 402 is a sensor device 420, for example a rotation angle sensor that counts the revolutions, which generates a sensor signal that characterizes the position x of the trolley LK.
Eine Sensoreinrichtung 410 ist zur Ermittlung einer Drehwinkeldifferenz Δθ zwischen dem Drehwinkel θ_u des Katzauslegers KA um die Hochachse H und dem Drehwinkel der Laufkatze LK um die Hochachse H eingerichtet. Die Sensoreinrichtung 410 zur Ermittlung der Drehwinkeldifferenz Δθ ist feststehend zum Katzausleger KA, insbesondere an dem Katzausleger KA oder an einem Gestell 402 des Katzfahrwerks KW, angeordnet. Ein von der Sensoreinrichtung 410 zur Ermittlung der Drehwinkeldifferenz Δθ erzeugtes Sensorsignal repräsentiert einen Abstand zwischen der Sensoreinrichtung 410 und einem Abschnitt KSL#1 des Katzseils KSL, welcher sich zwischen einer proximalen zum Katzausleger KA feststehenden Umlenkrolle 6 und der Laufkatze LK befindet. Eine distal zum Katzausleger KA angeordnete Umlenkrolle 8 lenkt das Katzseil KSL vom Katzfahrwerk KW zur Laufkatze LK um. Die Drehwinkeldifferenz Δθ wird mittels der Steuerungseinheit 100 in Abhängigkeit von dem den Abstand repräsentierenden Sensorsignal ermittelt. Die Sensoreinrichtung 410 ist ausgehend vom Turm T in einer ersten bzw. proximalen Hälfte, insbesondere im ersten bzw. proximalen Drittel, der Länge des Katzauslegers KA angeordnet ist.
Die Anordnung der Sensoreinrichtung 410 zur Ermittlung einer Drehwinkeldifferenz Δθ ist in Figur 1 aus Übersichtlichkeitsgründen schematisch parallel zur Hochachse z beabstandet zum Katzseil KSL dargestellt. In der im vorigen Absatz erläuterten Ausführungsform ist die Sensoreinrichtung 410 lotrecht zur Zeichenebene vom Katzsteil KSL beabstandet angeordnet. Selbstversändlich sind auch andere Ausführungsformen der Sensoreinrichtung 410 denkbar, beispielsweise ein wie abgebildet angeordneter Sensor, der die Auslenkung des Katzseils KSL von vertikal oben oder von vertikal unten beispielsweise optisch beobachtet und das die Drehwinkeldifferenz Δθ repräsentierende Signal ermittelt.A sensor device 410 is set up to determine a rotation angle difference Δθ between the rotation angle θ_u of the trolley jib KA about the vertical axis H and the rotation angle of the trolley LK about the vertical axis H. The sensor device 410 for determining the rotational angle difference Δθ is fixed to the trolley KA, in particular on the trolley KA or on a frame 402 of the trolley KW. A sensor signal generated by sensor device 410 to determine the rotational angle difference Δθ represents a distance between sensor device 410 and a section KSL#1 of trolley rope KSL, which is located between a proximal to trolley jib KA fixed deflection roller 6 and trolley LK. A deflection pulley 8 arranged distally to the trolley jib KA deflects the trolley cable KSL from the trolley KW to the trolley LK. The rotational angle difference Δθ is determined by the control unit 100 as a function of the sensor signal representing the distance. Starting from the tower T, the sensor device 410 is arranged in a first or proximal half, in particular in the first or proximal third, of the length of the trolley jib KA. The arrangement of the sensor device 410 for determining a rotational angle difference Δθ is shown in FIG. 1 for reasons of clarity, parallel to the vertical axis z, at a distance from the trolley cable KSL. In the embodiment explained in the previous paragraph, the sensor device 410 is arranged perpendicular to the plane of the drawing at a distance from the trolley part KSL. Of course, other embodiments of the sensor device 410 are also conceivable, for example a sensor arranged as shown, which observes the deflection of the trolley cable KSL from vertically above or from vertically below, for example optically, and determines the signal representing the rotational angle difference Δθ.
Das Katzfahrwerk KW umfasst das Gestell 402 und eine zum Gestell 402 feststehend angeordnete Antriebseinheit zum Auf- und Abrollen eines Katzseils KSL. Die zum Gestell 402 feststehend angeordnete Sensoreinrichtung 410 ist zur Ermittlung der Drehwinkeldifferenz Δθ zwischen einem Drehwinkel θ_u des Katzauslegers KA um eine Hochachse H eines Turms T des Turmdrehkrans 2 und einem Drehwinkel θ der Laufkatze LK um die Hochachse H eingerichtet. Das von der Sensoreinrichtung 410 erzeugte Sensorsignal zur Ermittlung der Drehwinkeldifferenz Δθ repräsentiert einen Abstand zwischen der Sensoreinrichtung 410 und einem Abschnitt KSL#1 des Katzseils KSL. The trolley KW comprises the frame 402 and a drive unit, which is fixed to the frame 402, for winding and unwinding a trolley cable KSL. The sensor device 410 fixed to the frame 402 is designed to determine the rotation angle difference Δθ between a rotation angle θ_u of the trolley jib KA around a vertical axis H of a tower T of the tower crane 2 and a rotation angle θ of the trolley LK around the vertical axis H. The sensor signal generated by sensor device 410 for determining the difference in angle of rotation Δθ represents a distance between sensor device 410 and a section KSL#1 of trolley rope KSL.
Eine Steuerungseinheit 100 betreibt das Drehwerk DW, das Hubwerk HW und das Katzfahrwerk KW in Abhängigkeit von dem Drehwinkel θ_u, in Abhängigkeit von dem ersten Auslenkungswinkel φ _2x, φ _2y, in Abhängigkeit von dem zweiten Auslenkungswinkel φ _1 y, φ _ux und in Abhängigkeit von der Drehwinkeldifferenz Δθ. A control unit 100 operates the slewing gear DW, the hoist HW and the trolley KW depending on the rotation angle θ_u, depending on the first deflection angle φ _2x, φ _2y, depending on the second deflection angle φ _1 y, φ _ux and depending on the rotation angle difference Δθ.
Eine weitere an der Laufkatze LK, insbesondere zu deren Fahrgestell feststehend angeordnete, beispielsweise als Gyroskop ausgebildete Sensoreinrichtung 220 dienst zur Ermittlung eines Neigungswinkels Δφ der Laufkatze LK zu einer Horizontalen. Die Sensoreinrichtung 220 ermittelt ein Sensorsignal, welches eine Neigung der Laufkatze LK zu einer Horizontalen, insbesondere einen in einer xh-Ebene, welche von Hochachse und Längsachse des Katzauslegers aufgespannt wird, liegenden Neigungswinkel zu einer Horizontalebene, charakterisiert. Die Steuerungseinheit 100 betreibt das Drehwerk DW, das Hubwerk HW und das Katzfahrwerk KW zusätzlich in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel Δφ .A further sensor device 220, for example designed as a gyroscope, fixedly arranged on the trolley LK, in particular on its chassis, serves to determine an angle of inclination Δφ of the trolley LK to a horizontal. The sensor device 220 determines a sensor signal which characterizes an inclination of the trolley LK to a horizontal, in particular an angle of inclination to a horizontal plane in an xh plane which is spanned by the vertical axis and longitudinal axis of the trolley jib. The control unit 100 also operates the slewing gear DW, the hoisting gear HW and the trolley KW as a function of the angle of inclination Δφ.
Das an der Laufkatze LK aufgehängte Mehrfachpendel wird in den nachfolgenden Figuren 2 und 3 erläutert und umfasst die zwei Abschnitte HSL#1, HSL#2 des Hubseils HSL, das das an dem Hubseil HSL hängende Lastaufnahmemittel UF, ein an dem Lastaufnahmemittel UF angeordnetes Lastseil LSL und die an dem Lastseil LSL angeordnete Last L. Bei einem Zweikatzbetrieb gilt entsprechendes, wobei durch die mehrfache Einscherung des Hubseils das darunter befindliche Pendel drei oder mehr Umlenkrollen an den Katzen als auslegerseitige Bezugspunkte erhält. Unter einem Mehrfach- bzw. Doppelpendel wird in diesem Zusammenhang die unterhalb der Laufkatze bzw. unterhalb der Umlenkrollen der Laufkatze befindliche Anordnung verstanden. The multiple pendulum suspended on the trolley LK is explained in the following Figures 2 and 3 and comprises the two sections HSL#1, HSL#2 of the hoist rope HSL, the load suspension device UF hanging on the hoist cable HSL, a load rope LSL arranged on the load suspension device UF and the load L arranged on the load cable LSL. The same applies to two-trolley operation, with the multiple reeving of the hoist cable giving the pendulum underneath three or more deflection rollers on the trolleys as reference points on the boom side. In this context, a multiple or double pendulum means the arrangement located below the trolley or below the deflection rollers of the trolley.
Eine Länge l_1 wird mittels eines Sensors 610, beispielsweise eines Drehwinkelsensors, der Umdrehungen zählt, ermittelt, der dem Hubwerk HW zugeordnet ist. Beispielsweise kann über die Erfassung der Drehposition des Hubwerks HW auf den Abstand zwischen dem Lastaufnahmemittel UF und der Laufkatze LK geschlossen werden. A length l_1 is determined by means of a sensor 610, for example a rotation angle sensor that counts revolutions, which is assigned to the hoist HW. For example, by detecting the rotational position of the hoist HW, the distance between the load handling device UF and the trolley LK can be inferred.
Eine Länge l_k des Lastseils LSL zwischen dem Lastaufnahmemittel UF und der Last L ist beispielsweise über eine Bedieneinheit 900 vorgebbar. Die Bedieneinheit 900 ist beispielsweise ein Steuerpult oder eine Funkfembedienung. Mittels eines Joysticks der Bedieneinheit 900 werden implizit Sollgrößen S_soll an die Steuerungseinheit 100 übermittelt.
Figur 2 zeigt eine schematische Abbildung des bei dem Turmdrehkran aus der Figur 1 vorhandenen Doppelpendels. Bei diesem Doppelpendel, das sich aus allen Komponenten unterhalb der Laufkatze LK befindet, ergeben sich zwei Winkel φ 1, φ 2 der Seile zum jeweiligen Lot und zwei Längen l1, l2 der Seile. A length l_k of the load rope LSL between the load handling device UF and the load L can be specified via an operating unit 900, for example. The operating unit 900 is, for example, a control panel or a radio remote control. Target values S_soll are implicitly transmitted to the control unit 100 by means of a joystick of the operating unit 900 . FIG. 2 shows a schematic illustration of the double pendulum present in the tower crane from FIG. In this double pendulum, which consists of all components below the trolley LK, there are two angles φ 1 , φ 2 of the cables to the respective vertical and two lengths l 1 , l 2 of the cables.
Während l1 und der Winkel φ 1 messtechnisch relativ einfach erfassbar sind, bleiben die Länge l2 zwischen Lastaufnahmemittel UF und der Last L sowie die Masse m der Last als auch ein Schwerpunkt S der Masse der Last im Betrieb stets variabel. Auch der Winkel φ 1 ist nicht trivial als Messgröße erfassbar. Und selbst wenn man die Länge l2 schätzen würde, ergibt sich eine nicht unwesentliche Regelungsungenauigkeit, die das System bei aktiver Ansteuerung der Antriebe weiterhin zum Schwingen bringt. While l 1 and the angle φ 1 can be measured relatively easily, the length l 2 between the load handling device UF and the load L and the mass m of the load and a center of gravity S of the mass of the load always remain variable during operation. The angle φ 1 is also not trivial to record as a measured variable. And even if one were to estimate the length l 2 , there would be a not insignificant control inaccuracy, which would continue to cause the system to oscillate when the drives were actively controlled.
Figur 3 zeigt die in dieser Beschreibung vorgeschlagene Vereinfachung der Betrachtung des Mehrfachpendels zur Verhinderung bzw. Reduzierung einer Pendelbewegung. Das Mehrfachpendel aus Figur 2 wird als Einfachpendel betrachtet. Eine Größe dabei ist der Winkel der Auslenkung der Last gegenüber der Laufkatze. Dieser ist nicht mit einfacher Sensorik wie Kameras oder Ultraschallsensoren oder laserbasierten Abstandsmesssystemen zu erfassen, da ein eigentlicher Pendelwinkel φ in der Realität an keinem der physikalisch im Kranbetrieb vorzufindenden Objekte zu finden ist. Dieser Pendelwinkel φ wird auf Basis von Sensormessungen annähernd ermittelt. Die nachfolgend beschriebene Regelung basiert unter anderem auf der Betrachtung folgender Größen: φ Pendelwinkel zwischen der zum virtuellen Schwerpunkt S der Last zeigenden Geraden und der dem Lot L#LK in der Mitte der Laufkatze LK; l Abstand zwischen der Laufkatze und dem virtuellen Schwerpunkt S der virtuellen Last L; FIG. 3 shows the proposed simplification of the consideration of the multiple pendulum in this description in order to prevent or reduce a pendulum movement. The multiple pendulum of Figure 2 is considered a single pendulum. One size is the angle of deflection of the load relative to the trolley. This cannot be detected with simple sensors such as cameras or ultrasonic sensors or laser-based distance measurement systems, since in reality an actual pendulum angle φ cannot be found on any of the objects that are physically present in crane operation. This pendulum angle φ is approximately determined on the basis of sensor measurements. The regulation described below is based, among other things, on the consideration of the following variables: φ pendulum angle between the straight line pointing to the virtual center of gravity S of the load and the perpendicular L#LK in the middle of the trolley LK; l Distance between the trolley and the virtual center of gravity S of the virtual load L;
S Virtueller Schwerpunkt der virtuellen Last L; und m Masse der virtuellen Last L. S Virtual center of gravity of the virtual load L; and m mass of the virtual load L.
Figur 4 zeigt in Anlehnung an Figur 1 die Ermittlung von Stellgrößen bzw. Stell-Drehzahlen u durch eine Ermittlungseinheit 110. Die jeweilige Stelldrehzahl wird beispielsweise in % von der maximalen Drehzahl für den jeweiligen Antrieb vorgegeben. Der Ermittlungseinheit 110 werden zumindest die Sensordaten und Sollgrößen S'_soll zugeführt, um die Antriebsdrehzahlen u zu ermitteln. Eine Ermittlungseinheit 120 ermittelt die Soll-Größen S'_soll in Abhängigkeit von von der Bedieneinheit 900 stammenden Soll-Größen S_soll, wobei die einzelnen Soll-Größen S_soll mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert werden. Based on FIG. 1, FIG. 4 shows the determination of manipulated variables or manipulated speeds u by a determination unit 110. The respective manipulated speed is specified, for example, as a percentage of the maximum speed for the respective drive. At least the sensor data and setpoint values S′_soll are supplied to determination unit 110 in order to determine drive speeds u. A determination unit 120 determines the target variables S'_target as a function of target variables S_target coming from the operating unit 900, the individual target variables S_target being multiplied by an amplification factor.
Weitergehend ist es möglich, über die Bedieneinheit 900 ein Signal ACT an die Ermittlungseinheit 110 abzugeben, welches die Ermittlungseinheit und die ausgeführte Regelung aktiviert. So können beispielsweise angehobene Lasten von Hand verschoben werden, wobei die Steuerungseinheit 100 den Turmdrehkran so ansteuert, dass dieser ein Aufpendeln der Last beim manuellen Verschieben verhindert. Furthermore, it is possible to send a signal ACT to determination unit 110 via operating unit 900, which signal activates the determination unit and the closed-loop control that has been carried out. For example, raised loads can be shifted by hand, with the control unit 100 controlling the tower crane in such a way that it prevents the load from oscillating during manual shifting.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform der Ermittlungseinheit 110 aus Figur 4. Mittel 1002 sind zur Ermittlung eines ersten Pendelwinkels φ _x eingerichtet, welcher eine Auslenkung des virtuellen Schwerpunkts des an der Laufkatze aufgehängten Mehrfachpendels zu einem durch die Laufkatze verlaufenden Lot in einer ersten gedachten Raumebene xh, welche durch die Hochachse des Turms des Turmdrehkrans aufgespannt wird, charakterisiert. Mittel 1004 sind dazu eingerichtet, um einen zweiten Pendelwinkel φ _y zu ermitteln, welcher eine Auslenkung des Schwerpunkts des Mehrfachpendels zu dem
durch die Laufkatze verlaufenden Lot in einer zweiten gedachten Raumebene, welche eine Lotebene der ersten Raumebene xh ist und parallel zur Hochachse H verläuft, charakterisiert. Mittel 1006 ermitteln den Drehwinkel θ der Laufkatze um die Hochachse des Turms in Abhängigkeit von dem Drehwinkel θ_u des Katzauslegers und in Abhängigkeit von der Drehwinkeldifferenz Δθ. FIG. 5 shows an embodiment of the determination unit 110 from FIG. 4. Means 1002 are set up to determine a first pendulum angle φ _x, which indicates a deflection of the virtual center of gravity of the multiple pendulum suspended on the trolley to a perpendicular running through the trolley in a first imaginary spatial plane xh, which is spanned by the vertical axis of the tower of the tower crane. Means 1004 are set up to determine a second pendulum angle φ _y, which is a deflection of the center of gravity of the multiple pendulum to the perpendicular running through the trolley in a second imaginary spatial plane, which is a perpendicular plane of the first spatial plane xh and runs parallel to the vertical axis H. Means 1006 determine the rotation angle θ of the trolley around the vertical axis of the tower as a function of the rotation angle θ_u of the trolley jib and as a function of the rotation angle difference Δθ.
Weitere Mittel 1010 dienen zur Ermittlung der Stellgröße u zum Betreiben des Turmdrehkrans, insbesondere des Drehwerks, des Hubwerk und des Katzfahrwerks, in Abhängigkeit von dem ersten Pendelwinkel φ _x, in Abhängigkeit von dem zweiten Pendelwinkel φ _y und in Abhängigkeit von dem Drehwinkel θ. Further means 1010 are used to determine the manipulated variable u for operating the tower crane, in particular the slewing gear, the hoisting gear and the trolley, as a function of the first pendulum angle φ _x, as a function of the second pendulum angle φ _y and as a function of the rotation angle θ.
Mittel 1024 sind eingerichtet, um die Pendellänge I in Abhängigkeit von der Länge l_1 der Abschnitte des Hubseils und der vorab festgelegten und insbesondere manuell während des Betriebs vorgebbaren Länge l_k des Lastseils zwischen dem Lastaufnahmemittel und der Last ermitteln. Means 1024 are set up to determine the pendulum length I as a function of the length l_1 of the sections of the hoist rope and the previously specified length l_k of the load rope between the load handling device and the load, which in particular can be specified manually during operation.
Mittel 1012 sind dazu eingerichtet, einen ersten Gewichtungsfaktors kx in Abhängigkeit von der Pendellänge I, wobei der erste Pendelwinkel φ _x durch Gewichtung des in der ersten Ebene liegenden Auslenkungswinkels φ _ux des Abschnitts HSL#1, HSL#2 des Hubseils HSL in Abhängigkeit von dem ersten Gewichtungsfaktor kx und durch Gewichtung des in der ersten Ebene liegenden Auslenkungswinkels φ _2x des Lastaufnahmemittels UF in Abhängigkeit von dem ersten Gewichtungsfaktor kx ermittelt wird. Means 1012 are set up to calculate a first weighting factor kx as a function of the pendulum length I, the first pendulum angle φ _x being calculated by weighting the deflection angle φ _ux in the first plane of section HSL#1, HSL#2 of the hoist rope HSL as a function of the first weighting factor kx and by weighting the deflection angle φ _2x of the load handling device UF lying in the first plane as a function of the first weighting factor kx.
Mittel 1014 sind dazu eingerichtet, einen in der ersten Ebene xh liegenden kompensierten Auslenkungswinkels φ _1 x in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel Δφ der Laufkatze und in Abhängigkeit von dem in der ersten Ebene liegenden Auslenkungswinkel φ _ux des Abschnitts des Hubseils zu ermitteln, wobei die Mittel 1002 dazu eingerichtet sind, den ersten Pendelwinkel φ _x durch Gewichtung des in der ersten Ebene liegenden kompensierten Auslenkungswinkels φ _ux in Abhängigkeit von dem ersten Gewichtungsfaktor kx und durch Gewichtung des in der ersten Ebene liegenden Auslenkungswinkels φ _2x des Lastaufnahmemittels in Abhängigkeit von dem ersten Gewichtungsfaktors zu ermitteln.Means 1014 are set up to determine a compensated deflection angle φ _1 x in the first plane xh as a function of the angle of inclination Δφ of the trolley and as a function of the deflection angle φ _ux of the section of the hoist rope in the first plane, with means 1002 are set up to determine the first pendulum angle φ _x by weighting the compensated deflection angle φ _ux in the first plane as a function of the first weighting factor kx and by weighting the deflection angle φ _2x of the load handling device in the first plane as a function of the first weighting factor .
Mittel 1022 sind dazu eingerichtet, einen zweiten Gewichtungsfaktor ky in Abhängigkeit von der Pendellänge I zu ermitteln, wobei die Mittel 1004 dazu eingerichtet sind, den zweite Auslenkungswinkel φ _y durch Gewichtung des in der zweiten Ebene yh liegenden Auslenkungswinkel φ _1 y des Abschnitts des Hubseils in Abhängigkeit von dem zweiten Gewichtungsfaktor ky und durch Gewichtung des in der zweiten Ebene yh liegenden Auslenkungswinkels φ _2y des Lastaufnahmemittels UF in Abhängigkeit von dem zweiten Gewichtungsfaktor ky zu ermittelt. Means 1022 are set up to determine a second weighting factor ky as a function of the pendulum length I, with means 1004 being set up to calculate the second deflection angle φ _y by weighting the deflection angle φ _1 y of the section of the hoist cable in Depending on the second weighting factor ky and by weighting the lying in the second plane yh deflection angle φ _2y of the load handling device UF as a function of the second weighting factor ky to determined.
Mittel 1030 sind dazu eingerichtet, ein Modell, insbesondere von das Modell charakterisierenden Matrizen A,B, in Abhängigkeit von der Pendellänge I, der Position x der Laufkatze und in Abhängigkeit von der mit dem Mehrfachpendel assoziierten Masse m zu aktualisieren. Mittel 1032 dienen zur Aktualisierung eines Reglers, wobei eine Matrix von Verstärkungsfaktoren K', in Abhängigkeit von dem Modell, insbesondere von den das Modell charakterisierenden Matrizen A, B, und in Abhängigkeit von der Pendellänge I ermittelt wird. Das Ermitteln der Stellgröße u_LK, u_DW, u_HW in Abhängigkeit von dem aktualisierten Regler durchgeführt wird. Means 1030 are set up to update a model, in particular of matrices A, B characterizing the model, depending on the pendulum length I, the position x of the trolley and depending on the mass m associated with the multiple pendulum. Means 1032 serve to update a controller, with a matrix of amplification factors K′ being determined as a function of the model, in particular of the matrices A, B characterizing the model, and as a function of the pendulum length I. The manipulated variable u_LK, u_DW, u_HW is determined as a function of the updated controller.
Gemäß einem jeweiligen Block 1040, 1042, 1044, 1046 und 1048 wird eine jeweilige Ableitung x', I', θ', φ _x', φ _y' der jeweils zugeführten Größe ermittelt. Alternativ kann die Größe x' auch direkt zugeführt werden.
Das Mittel 1010 ermittelt die Stellgrößen u in Abhängigkeit von der Matrix K', den Soll-Größen S'_soll, der Pendellänge I', den Pendelwinkeln, dem Drehwinkel der Laufkatze, und in Abhängigkeit von den Ableitungen x', I', θ', φ _x', φ _y'. According to a respective block 1040, 1042, 1044, 1046 and 1048, a respective derivation x′, I′, θ′, φ _x′, φ _y′ of the respectively supplied variable is determined. Alternatively, the variable x' can also be supplied directly. The means 1010 determines the manipulated variables u as a function of the matrix K', the target variables S'_soll, the pendulum length I', the pendulum angles, the angle of rotation of the trolley, and as a function of the derivatives x', I', θ' , φ _x', φ _y'.
Figur 6 zeigt ein weiteres Beispiel der Ermittlungseinheit 110. Im Unterschied zur Figur 5 umfasst die Ermittlungseinheit 110 einen Beobachter 130, dem die ermittelten gestellten Antriebsdrehzahlen u und Messsignale Z zugeführt werden. Der Beobachter ermittelt den Zustandsvektor Z~. Ein Zustandsregler 132 und eine Additionsstelle 134 ermitteln die zu stellenden Antriebsdrehzahlen u in Abhängigkeit von dem Zustandsvektor Z~ und den Sollgrößen S_soll. Es wird beispielsweise ein transponierter Verstärkungsvektor K' durch Polplatzierungs-Methode erzeugt:
FIG. 6 shows a further example of the determination unit 110. In contrast to FIG. 5, the determination unit 110 includes an observer 130 to which the determined set drive speeds u and measurement signals Z are supplied. The observer determines the state vector Z~. A state controller 132 and an addition point 134 determine the drive speeds u to be set as a function of the state vector Z˜ and the setpoint values S_setpoint. For example, a transposed gain vector K' is generated by pole placement method:
Ein Zustandsvektor für die Laufkatze, wo x' der Ist-Geschwindigkeit der LK entspricht, ergibt sich zu
A state vector for the trolley where x' corresponds to the actual speed of the LK results in
Die Stelldrehzahl u_LK ergibt sich dann beispielsweise zu:
The actuating speed u_LK then results, for example, in:
In anderen Worten, werden im Zustandsvektor Ist-Soll-Differenzen gebildet, Phi_soll und Phi_dot_soll sind gleich null, und danach wird mit dem Verstärkungsvektor K’ multipliziert, woraus sich die skalare Stelldrehzahl ergibt. Die Einheit derIn other words, actual-setpoint differences are formed in the state vector, Phi_setpoint and Phi_dot_setpoint are equal to zero, and then it is multiplied by the gain vector K', which results in the scalar control speed. The unit of
Figur 7 zeigt ein schematisch dargestelltes Beispiel eines Aufbaus der Laufkatze LK. Ein Fahrgestell 206 ist zum Verfahren der Laufkatze LK entlang einer Verfahrachse 207 des Katzauslegers vorgesehen. Beispielsweise umfasst das Fahrgestell 206 eine Mehrzahl von Rädern 212a-d, welche auf Schienen des Katzauslegers fahrbar gelagert sind. Wenigstens zwei zum Fahrgestell 206 feststehend angeordnete Umlenkrollen 202, 204 sind zum Umlenken des Hubseils in Richtung eines Lastaufnahmemittels UF eingerichtet. FIG. 7 shows a diagrammatic example of a construction of the trolley LK. A chassis 206 is provided for moving the trolley LK along a travel axis 207 of the trolley jib. For example, the chassis 206 includes a plurality of wheels 212a-d, which are movably mounted on rails of the trolley jib. At least two deflection pulleys 202, 204 fixed to the chassis 206 are set up to deflect the hoist rope in the direction of a load handling device UF.
Die zum Fahrgestell 206 feststehend angeordnete Sensoreinrichtung 210 ist zur Ermittlung der Auslenkungswinkel φ _1y, φ _ux der zwischen der Laufkatze LK und einem Lastaufnahmemittel befindlichen Abschnitte HSL#1, HSL#2 des Hubseils zum durch die Laufkatze LK verlaufenden Lot eingerichtet. Ein von der Sensoreinrichtung 210 erzeugtes Sensorsignal repräsentiert einen Abstand zwischen der Sensoreinrichtung 210 oder Teilen davon und dem jeweiligen Abschnitt HSL#1, HSL#2 des Hubseils, der sich zwischen den Umlenkrollen 202, 204 der Laufkatze LK und der Umlenkrolle oder den Umlenkrollen des Lastaufnahmemittels befindet. The sensor device 210 fixed to the chassis 206 is set up to determine the deflection angles φ _1y, φ _ux of the sections HSL#1, HSL#2 of the hoisting rope located between the trolley LK and a load handling device with respect to the perpendicular running through the trolley LK. A sensor signal generated by the sensor device 210 represents a distance between the sensor device 210 or parts thereof and the respective section HSL#1, HSL#2 of the hoist rope, which is between the deflection rollers 202, 204 of the trolley LK and the deflection roller or the deflection rollers of the load handling device located.
Dem jeweiligen Abschnitt HSL#1, HSL#2 des Hubseils sind zwei oder mehr Sensoren 214#1, 216#1; 214#2, 216#2 zugeordnet, welche aus unterschiedlichen Winkeln auf den Abschnitt HSL#1, HSL#2 des Hubseils HSL gerichtet sind.
In einem nicht gezeigten Beispiel ist die Sensoreinrichtung 210 zumindest zu einem Teil zwischen den zwei Abschnitten HSL#1, HSL#2 des Hubseils angeordnet. Two or more sensors 214#1, 216#1; 214#2, 216#2, which are directed at the section HSL#1, HSL#2 of the hoist rope HSL from different angles. In an example that is not shown, the sensor device 210 is arranged at least in part between the two sections HSL#1, HSL#2 of the hoist rope.
Auf der Laufkatze LK sind zur Erfassung des Seilwinkels φ _1 die Sensoren 214#1 , 216#1 , 214#2, 216#2 beispielsweise als Ultraschallsensoren, LIDAR-Sensoren oder andere Sensoren zur Messung des Abstands zwischen dem jeweiligen Sensors 214#1, 216#1 , 214#2, 216#2 und dem zugeordneten Abschnitt HSL#1, HSL#2 angeordnet. Im gezeigten Beispiel sind die Sensoren 214#1, 216#1; 214#2, 216#2 auf die Abschnitte HSL#1, HSL#2 in die jeweilige Achsrichtung X oder Y paarweise jeweils lotrecht zueinander ausgerichtet. Gemessen wird also die Seilauslenkung gegenüber der Position des Sensors.The sensors 214#1, 216#1, 214#2, 216#2, for example as ultrasonic sensors, LIDAR sensors or other sensors for measuring the distance between the respective sensor 214#1, 216#1, 214#2, 216#2 and the associated section HSL#1, HSL#2. In the example shown, the sensors are 214#1, 216#1; 214#2, 216#2 on the sections HSL#1, HSL#2 in the respective axis direction X or Y in pairs aligned perpendicular to each other. The rope deflection is therefore measured in relation to the position of the sensor.
Da die Sensoren 214 und 216 gegeneinander auf derselben bzw. parallelen Achse ausgerichtet sind, lassen sich alle nicht parallele Seilauslenkungen herausrechnen. Die Auslenkungen der Seile gegeneinander werden somit messtechnisch kompensiert. Diese sind z.B. die beim Hebe- und Senkbetrieb auftretenden unterschiedlichen Ausbildungen einer trapezförmigen Anordnung der beiden Abschnitte HSL#1, HSL#2 zwischen der Laufkatze LK und dem Lastaufnahmemittel. Durch die ermittelbare Seillänge zwischen Laufkatze und Lastaufnahmemittel lässt sich dieser Effekt herausrechnen.Since the sensors 214 and 216 are mutually aligned on the same or parallel axis, all non-parallel cable deflections can be eliminated. The deflections of the ropes against each other are thus compensated for by measurement. These are, for example, the different formations of a trapezoidal arrangement of the two sections HSL#1, HSL#2 between the trolley LK and the load handling device during lifting and lowering operations. This effect can be calculated using the determinable cable length between trolley and load handling device.
Figur 8 zeigt in schematischer Form die Berechnung des Abstands der Sensoren zu dem Abschnitt HSL#1 des Hubseils am Beispiel der beiden Sensoren 214#1, 216#1. Die dem jeweiligen Seilabschnitt HSL#1 zugeordneten Sensoren 214#1, 216#1 sind paarweise so zueinander ausgerichtet, dass eine sich ergebende Strecke C_1 in einem 45° Winkel zu dem Koordinatensystem des Krans steht. FIG. 8 shows in schematic form the calculation of the distance between the sensors and section HSL#1 of the hoisting rope, using the example of the two sensors 214#1, 216#1. The sensors 214#1, 216#1 assigned to the respective rope section HSL#1 are aligned in pairs with one another in such a way that a resulting distance C_1 is at a 45° angle to the coordinate system of the crane.
Mit den Messwerten U1 und U2, die einen jeweiligen Abstand des Seilabschnitts HSL#1 zu dem jeweiligen Sensor 214#1, 216#1 repräsentieren, lassen sich folgende Gleichungen ableiten: The following equations can be derived from the measured values U 1 and U 2 , which represent a respective distance of the rope section HSL#1 from the respective sensor 214#1, 216#1:
(1) U1 2 = X10 2 + Y10 2 (1) U 1 2 = X 10 2 + Y 10 2
(2) U2 2 = Y10 2 + (C1 - X10)2 (2) U 2 2 = Y 10 2 + (C 1 - X 10 ) 2
Die Gleichungen (1) und (2) nach Y10 2 und X10 2 aufgelöst ergeben: Equations (1) and (2) solved for Y 10 2 and X 10 2 result in:
(3) X10 2 = U1 2 - Y10 2 (3) X 10 2 = U 1 2 - Y 10 2
(4) Y10 2 = U 2 2 - (C1 - X10)2 (4) Y 10 2 = U 2 2 - (C 1 - X 10 ) 2
Durch Einsetzen von Gleichung (4) in die Gleichung (3) ergibt sich X10 wie folgt: Substituting equation (4) into equation (3) gives X 10 as follows:
X10 2 = U1 2 - ( U2 2 - (C1 - X10)2) X10 2 = U1 2 - U2 2 + (C1 - X10)(C1 - X10) X10 2 = U1 2 - U 2 2 + (C1 2 - 2 . C1 . X10 + X10 2) X10 2 = U1 2 - U 2 2 + C1 2 - 2 . C1 . X10 + X10 2 X 10 2 = U 1 2 - ( U 2 2 - (C 1 - X 10 ) 2 ) X 10 2 = U 1 2 - U 2 2 + (C 1 - X 10 )(C 1 - X 10 ) X 10 2 = U 1 2 - U 2 2 + (C 1 2 - 2 . C 1 . X 10 + X 10 2 ) X 10 2 = U 1 2 - U 2 2 + C 1 2 - 2 . C1 . x10 + x10 2
0 = U1 2 - U2 2 + C1 2 — 2 . C1 - X10 0 = U 1 2 - U 2 2 + C 1 2 — 2 . C1 - X10
-U 1 2 + U 2 2 - C1 2 = -2 . C1 - X10
Nun wird die Gleichung (5) in die Gleichung (4) eingesetzt. Somit ergibt sich Y10 zu:
-U12 + U22 - C12 = -2 . C1 - X10 Now, Equation (5) is substituted into Equation (4). Thus Y 10 results in:
Nun lassen sich ΔX1 und ΔY1 über Winkelfunktionen und dem Ergebnis aus Gleichung (6) errechnen:
Now ΔX 1 and ΔY 1 can be calculated using trigonometric functions and the result from equation (6):
Analog zu den Gleichungen (7) und (8) werden ΔX2 und ΔY2 für die gegenüberliegende Seite, d.h. das andere Sensorpaar ermittelt. Analogously to equations (7) and (8), ΔX 2 and ΔY 2 are determined for the opposite side, ie the other pair of sensors.
Figur 9 illustriert, wie durch die Bewegung des Lastaufnahmemittels in h-Richtung eine zusätzliche Auslenkung ΔX1 bzw. ΔX2 des Hubseils HSL in x-Richtung entsteht, und zwar abhängig von der Position der des Lastaufnahmemittels gegenüber den Umlenkrollen 202, 204 der Laufkatze LK. Diese Bewegung wird zwar messtechnisch herausgerechnet, es kann aber je nach Konfiguration sein, dass das Seil ab einer gewissen Nähe des Lastaufnahmemittels zu den Umlenkrollen 202, 204 durch diese Bewegung aus dem Erfassungsbereich der Sensoren herausläuft. Insbesondere bei Verwendung des Lastaufnahmemittels mit nur einer Umlenkrolle 302 verändert sich der Seilwinkel sehr stark. Dadurch würde das HubseilFIG. 9 illustrates how the movement of the load handling device in the h direction causes an additional deflection ΔX 1 or ΔX 2 of the hoist rope HSL in the x direction, depending on the position of the load handling device relative to the deflection rollers 202, 204 of the trolley LK . Although this movement is calculated out of the measurement, depending on the configuration, it can happen that the rope runs out of the detection range of the sensors from a certain proximity of the load handling device to the deflection rollers 202, 204 as a result of this movement. In particular when using the load handling device with only one deflection roller 302, the cable angle changes very significantly. This would cause the hoist rope
HSL aus dem Messbereich der Sensoren 214#1 und 214#2, die in Figur 7 dargestellt sind, herauswandem. Zur Erweiterung des Abtastbereichs in x-Richtung, um die Auslenkung des Seils durch das Heben und Senken des Lastaufnahmemittels zu kompensieren, können sie Sensoren 214, 216 auf Figur 7 paarweise V-förmig angeordnet werden. HSL moved out of the range of the sensors 214#1 and 214#2 shown in FIG. Sensors 214, 216 can be arranged in pairs in a V-shape in FIG.
Figur 10 zeigt die vorgenannte V-förmige Anordnung der Sensoren 214#1 und 216#1 bzw. 214#2 und 216#2 der Sensorvorrichtung der Laufkatze LK. Die übrigen Merkmale der Laufkatze LK sind den Figuren 1 und 7 zu entnehmen.FIG. 10 shows the aforementioned V-shaped arrangement of the sensors 214#1 and 216#1 or 214#2 and 216#2 of the sensor device of the trolley LK. The other features of the trolley LK can be found in FIGS.
Durch die V-förmige Anordnung ergibt sich ein größerer Messbereich 218#1, 218#2 in x-Richtung, während der Messbereich in y-Richtung sich nicht maßgeblich verändert. The V-shaped arrangement results in a larger measuring range 218#1, 218#2 in the x-direction, while the measuring range in the y-direction does not change significantly.
Im gezeigten Beispiel befinden sich die Abschnitte HSL#1 und HSL#2 des Hubseils zwischen den Sensoren 214, 216. In einem nicht gezeigten alternativen Beispiel befinden sich die Sensoren 214, 216 zumindest teilweise, insbesondere ganz, zwischen den Abschnitten HSL#1 und HSL#2 des Hubseils.
Figur 11 illustriert die Berechnungsvorschriften zur Ermittlung der Position des jeweiligen Abschnitts HSL#1 bzw. HSL#2 des Hubseils HSL am Beispiel der Anordnung der Figur 10. In the example shown, sections HSL#1 and HSL#2 of the hoist rope are located between sensors 214, 216. In an alternative example not shown, sensors 214, 216 are located at least partially, in particular entirely, between sections HSL#1 and HSL #2 of the hoist rope. Figure 11 illustrates the calculation rules for determining the position of the respective section HSL#1 or HSL#2 of the hoist rope HSL using the example of the arrangement in Figure 10.
Die Berechnung der Winkel erfolgt gemäß den Gleichungen (9) und (10): The angles are calculated according to equations (9) and (10):
(9) U1 2 = X10 2 + Y10 2 (9) U 1 2 = X 10 2 + Y 10 2
(10) U2 2 = X10 2 + (C1 - Y10)2 (10) U 2 2 = X 10 2 + (C 1 - Y 10 ) 2
Die Gleichungen (9) und (10) nach Y10 2 und X10 2 aufgelöst ergeben sich zu: Equations (9) and (10) solved for Y 10 2 and X 10 2 result in:
(11) Y10 2 = U 1 2 - X10 2 (11) Y 10 2 = U 1 2 - X 10 2
(12) X10 2 = U2 2 - (C1 - Y10)2 (12) X 10 2 = U 2 2 - (C 1 - Y 10 ) 2
Durch Einsetzen von Gleichung (11) in Gleichung (12) ergibt sich Y10 zu: Y10 2 = U1 2 - (U2 2 - (C1 - Y10)2) Y10 2 = U1 2 - U2 2 + (C1 - Y10)2 Y10 2 = U1 2 - u 2 2 + C1 2 - 2 . C1 . Y10 + Y10 2 Substituting equation (11) into equation (12), Y 10 results in: Y 10 2 = U 1 2 - (U 2 2 - (C 1 - Y 10 ) 2 ) Y 10 2 = U 1 2 - U 2 2 + (C 1 - Y 10 ) 2 Y 10 2 = U 1 2 - u 2 2 + C 1 2 - 2 . C1 . Y10 + Y10 2
0 = U 1 2 - U 2 2 + C1 2 - 2 . C1 . Y10 0 = U12 - U22 + C12 - 2 . C1 . Y10
Nach Y10 aufgelöst ergibt sich:
Solved for Y 10 we get:
Die berechnete Größe Y10 wird in Gleichung (12) eingesetzt, um X10 zu berechnen:
The calculated quantity Y 10 is substituted into equation (12) to calculate X 10 :
Um ΔX1 berechnen zu können, wird die Höhe H des zugeordneten gleichschenkligen Dreiecks berechnet werden.
In order to be able to calculate ΔX 1 , the height H of the associated isosceles triangle will be calculated.
Für ΔX1 ergibt sich damit:
For ΔX 1 this results in:
Analog zu den Gleichungen (14) und (17) werden ΔX2 und ΔY2 für den gegenüberliegenden Abschnitt des Hubseils berechnet.
Figur 12 illustriert, dass durch das Abrollverhalten des Hubseils über die Umlenkrollen 202, 204 unterschiedliche Längen und L2 der Abschnitte HSL#1 , HSL#2 des Hubseils bis zu einer Sensorachse 222 entstehen. Dies wird durch die Gleichung (18) ausgeglichen. Die mittlere Seillänge L bleibt somit konstant.
Analogous to equations (14) and (17), ΔX 2 and ΔY 2 are calculated for the opposite section of the hoist rope. FIG. 12 illustrates that different lengths and L 2 of the sections HSL#1, HSL#2 of the hoisting rope up to a sensor axis 222 arise as a result of the rolling behavior of the hoisting rope over the deflection rollers 202, 204. Equation (18) compensates for this. The mean cable length L thus remains constant.
Die mittels der Gleichungen (7) und (8) bzw. (14) und (17) ermittelte Abstände ΔX1 und ΔY1 bzw. ΔX2 und ΔY2 werden nun über die bekannte und konstante Seillänge aus (18) bis zu der Umlenkrolle 202, 204 in Winkel umgerechnet. The distances ΔX 1 and ΔY 1 or ΔX 2 and ΔY 2 determined using equations (7) and (8) or ( 14 ) and ( 17 ) are now over the known and constant cable length from (18) to the deflection pulley 202, 204 converted to angles.
Der nicht kompensierte Winkel φux gemäß Gleichung (19) beschreibt die Auslenkung der Last gegenüber der Laufkatze in x-Richtung. Bedingt durch die Neigung der Laufkatze LK entsteht eine Abweichung zu dem absoluten Winkel der Abschnitte HSL#1, HSL#2 des Hubseils gegenüber dem Lot durch die Laufkatze LK. Der deshalb unkompensierte Winkel φ ux wird deshalb kompensieret.
The uncompensated angle φ ux according to equation (19) describes the deflection of the load in relation to the trolley in the x-direction. Due to the inclination of the trolley LK, there is a deviation from the absolute angle of the sections HSL#1, HSL#2 of the hoist rope in relation to the perpendicular through the trolley LK. The therefore uncompensated angle φ ux is therefore compensated.
Analog dazu wird der Winkel φ1y gemäß Gleichung (20) ermittelt. Dieser beschreibt analog zu dem Winkel φ ux die Auslenkung der Last in y-Richtung. Eine Kompensation ist hier allerdings nicht notwendig.
In the same way, the angle φ 1y is determined according to equation (20). Analogously to the angle φ ux, this describes the deflection of the load in the y-direction. However, compensation is not necessary here.
Figur 13 illustriert die Kompensation des Winkels φux, wozu der Neigungswinkel der Laufkatze herangezogen wird. Der durch das Verbiegen des Katzauslegers KA bei Lastbewegungen entstehende Neigungswinkel Δφ wird an der Laufkatze LK sensorisch ermittelt. Dieser Neigungswinkel Δφ erfasst den absoluten Winkel der Laufkatze LK zum Horizont in der gedachten hx-Ebene, die von Turm T und Katzausleger KA aufgespannt wird. Zwischen einem Lot L_LK durch die Mitte der Laufkatze und einer Achse A_LK die lotrecht zur aktuellen Verfahrachse der Laufkatze LK steht, ergibt sich der Neigungswinkel Δφ . FIG. 13 illustrates the compensation of the angle φ ux for which the angle of inclination of the trolley is used. The angle of inclination Δφ resulting from the bending of the trolley jib KA during load movements is determined by sensors on the trolley LK. This angle of inclination Δφ covers the absolute angle of the trolley LK to the horizon in the imaginary hx plane that is spanned by tower T and trolley jib KA. The angle of inclination Δφ results between a perpendicular L_LK through the middle of the trolley and an axis A_LK which is perpendicular to the current axis of travel of the trolley LK.
Mit dem ermittelten Neigungswinkel Δφ kann nun der Winkel φ ux zu φ1x kompensiert werden: With the calculated angle of inclination Δφ, the angle φ ux can now be compensated for φ 1x :
(21) φ1x = φ ux - Δφ (21) φ 1x = φ ux - Δφ
Somit sind die beiden Auslenkungswinkel bzw. Seilwinkel φ 1x und φ 1y mittels der Gleichungen (20) und (21) erfasst.Thus, the two deflection angles or cable angles φ 1x and φ 1y are recorded using equations (20) and (21).
Die von den unterschiedlichen Sensorvorrichtungen 210 und 310 aus Figur 1 stammenden gemessenen Auslenkungswinkel werden mit den Faktoren kx : (0≤ kx≤1) und ky : (0≤ky≤1) gewichtet. Dabei gewichten die vorgenannten Faktoren den Einfluss des jeweiligen Winkels auf das Ergebnis der Sensorfusion. Der jeweilige Faktor wird in Abhängigkeit von der Pendellänge I angepasst, um ungewollte Schwingungen der Sensordaten in Extrembereichen zu minimieren. Die Sensordaten der Sensorvorrichtung an der Laufkatze werden bei großen Seillängen (>50m) durch die Eigenschwingung der Seilabschnitte des Hubseils überlagert. Die Sensordaten der Sensorvorrichtung an dem Lastaufnahmemittel werden hingegen bei kleinen Seillängen (<10m) durch das ausgeprägte Aufschaukeln der Unterflasche - besonders bei leerem
Hacken - durch die Eigenschwingung überlagert. Entsprechend werden die Pendelwinkel, die einem virtuellen Seilwinkel bis zur virtuellen Last entsprechen (siehe Figuren 2 und 3, gemäß den Gleichungen (22) und (23) ermittelt: The deflection angles measured from the different sensor devices 210 and 310 from FIG. 1 are weighted with the factors k x : (0≦k x ≦1) and k y : (0≦k y ≦1). The aforementioned factors weight the influence of the respective angle on the result of the sensor fusion. The respective factor is adjusted depending on the pendulum length I in order to minimize unwanted oscillations in the sensor data in extreme ranges. In the case of long rope lengths (>50m), the sensor data from the sensor device on the trolley are superimposed by the natural vibration of the rope sections of the hoist rope. The sensor data of the sensor device on the load handling device, on the other hand, are affected by the pronounced rocking of the bottom block with short rope lengths (<10m) - especially when it is empty Hacking - superimposed by the natural vibration. Accordingly, the pendulum angles, which correspond to a virtual cable angle up to the virtual load (see Figures 2 and 3, are determined according to equations (22) and (23):
(22) φ x = kxφ 1x + (1 - kx)φ 2x (22) φ x = k x φ 1x + (1 - k x )φ 2x
(23) φ y = kyφ 1y + (1 - ky)φ 2y (23) φ y = k y φ 1y + (1 - k y )φ 2y
Die Pendellänge l ergibt sich mit der festlegbaren Länge lK zu: The pendulum length l results from the definable length l K as follows:
(24) l — l1 + lK (24) l — l 1 + l K
Durch die in den Gleichungen (22) und (23) durchgeführte Fusion der einzelnen Sensordaten werden unerwünschten phasenverschobene Schwingungen reduziert bzw. eliminiert. The fusion of the individual sensor data carried out in equations (22) and (23) reduces or eliminates undesired phase-shifted oscillations.
Die durch das Lastaufnahmemittel verursachten Schwingungen werden auf der Laufkatze und dem Lastaufnahmemittel jeweils phasenverschoben erfasst und durch die Addition in den Gleichungen (22) (23) vorteilhaft eliminiert. Dieses ist deshalb wichtig, da es häufig vorkommt, dass die beiden Endpunkte des Doppelpendels (in diesem Fall die Laufkatze und die Last) sich nicht bewegen und nur der mittlere Teil des Doppelschwingers (in diesem Fall die Unterflasche bzw. das Lastaufnahmemittel) noch pendelt. The vibrations caused by the load handling device are each detected out of phase on the trolley and the load handling device and advantageously eliminated by the addition in equations (22) (23). This is important because it often happens that the two end points of the double pendulum (in this case the trolley and the load) do not move and only the middle part of the double swing (in this case the bottom block or the load handling device) still swings.
Die so nun erfassten Pendelwinkel φ x und φ y gehen in die beschriebene Regelung als Regelgrößen ein. Die virtuelle Länge bzw. Pendellänge l wird dem Model des Krans als Parameter zugefügt. In anderen Worten wird die durch die vorgenannten Parameter ermittelte Lastposition als Regelparameter in das Regelungssystem eingebracht. The pendulum angles φ x and φ y now recorded in this way are included in the control described as controlled variables. The virtual length or pendulum length l is added to the model of the crane as a parameter. In other words, the load position determined by the aforementioned parameters is introduced into the control system as a control parameter.
Durch die Erfassung der Auslenkung des Abschnitts KSL#1 des Katzfahrseils, das mit der Laufkatze verbunden ist, gegenüber der Längsachse A_KA des Katzauslegers KA wird der Drehwinkel θ der Laufkatze LK um die Hochachse H des Turms T in der xy-Ebene ermittelt. The angle of rotation θ of the trolley LK around the vertical axis H of the tower T in the xy plane is determined by detecting the deflection of the section KSL#1 of the trolley cable, which is connected to the trolley, relative to the longitudinal axis A_KA of the trolley jib KA.
In Figur 14 ist gezeigt, wie durch die elastische Bewegung des Katzauslegers KA sich eine Differenz zwischen dem Drehwinkel θ der Laufkatze LK und somit der Last zur Längsachse A_KA des Katzauslegers KA gegenüber dem Drehwinkel θu des Turms T zum Katzausleger KA. FIG. 14 shows how the elastic movement of the trolley KA causes a difference between the rotation angle θ of the trolley LK and thus the load to the longitudinal axis A_KA of the trolley KA compared to the rotation angle θ u of the tower T to the trolley KA.
Die Sensorvorrichtung 410 zur Ermittlung einer Drehwinkeldifferenz Δθ umfasst gemäß Figur 14 die zwei Sensoren 412a und 412b, die feststehend zum Katzausleger in der gedachten Ebene xy angeordnet sind, und zwischen denen sich der Abschnitt KSL#1 des Katzseils befindet. Die Sensoren 412a und 412b ermitteln den jeweiligen Abstand zum Abschnitt KSL#1 des Katzseils. Durch den bekannten Abstand zwischen der Sensorvorrichtung 410 und der Hochachse des Turms lässt sich die Drehwinkeldifferenz Δθ ermitteln. Die Sensoren 412a und 412b sind beispielsweise als Ultraschallsensoren, LIDAR-Sensoren oder andere Sensoren zur Messung des Abstands zwischen den Sensoren 412a, 412b und dem Abschnitt KSL#1 des Katzseils ausgebildet. According to FIG. 14, the sensor device 410 for determining a rotational angle difference Δθ includes the two sensors 412a and 412b, which are arranged fixed to the trolley jib in the imaginary plane xy, and between which the section KSL#1 of the trolley cable is located. The sensors 412a and 412b determine the respective distance to section KSL#1 of the trolley cable. The rotation angle difference Δθ can be determined from the known distance between the sensor device 410 and the vertical axis of the tower. The sensors 412a and 412b are designed, for example, as ultrasonic sensors, LIDAR sensors or other sensors for measuring the distance between the sensors 412a, 412b and the section KSL#1 of the trolley cable.
Alternativ ist denkbar die Drehwinkeldifferenz Δθ mit Hilfe von zusätzlichen Sensoren wie z.B. einem elektronischenAlternatively, the rotation angle difference Δθ is conceivable with the help of additional sensors such as an electronic
Kompass, GPS oder anderen geometrischen Messverfahren etc. zu erfassen. Compass, GPS or other geometric measuring methods etc. to record.
Folglich ergibt sich der Drehwinkel θ der Laufkatze LK und somit der Last zur Längsachse A_KA des Katzauslegers KA: The result is the rotation angle θ of the trolley LK and thus the load to the longitudinal axis A_KA of the trolley jib KA:
(25) θ = θu + Δθ
Zu dem zuvor in Figur 4a gezeigten Regelsystem wird im Folgenden allgemein auf eine Zustandsraum-Darstellung eingegangen. Bei der Zustandsraum-Darstellung werden lineare Systeme n-ter Ordnung in n Teilsysteme erster Ordnung zerlegt, um die mathematische Beschreibung und den Entwurf des Zustandsreglers übersichtlich zu gestalten. Bei dem Katzfahrwerk handelt es sich beispielsweise um ein Mehrgrößensystem mit vier Zustandsgrößen, da es ebenso viele wesentliche Speicherfunktionen hat. Je zwei dieser Zustandsgrößen beziehen sich auf die Laufkatze und auf das Mehrfachpendel, welches Hubseil, Lastaufnahmemittel, Anschlagmittel und Last umfasst. Beide Systeme für sich betrachtet, stellen eine zweifach integrierende Strecke dar. Sie sind miteinander gekoppelt, da eine Bewegung der Laufkatze auch immereine Bewegung des Mehrfachpendels nach sich zieht. Die Rückwirkung der Bewegungen des Mehrfachpendels wird hier vernachlässigt werden, da der Frequenzumrichter die Geschwindigkeit der Laufkatze regelt und damit die Rückwirkung auf die Laufkatze verhindert. (25) θ = θ u + Δθ A state space representation is generally discussed below for the control system previously shown in FIG. 4a. In the state space representation, linear systems of the nth order are broken down into n subsystems of the first order in order to make the mathematical description and the design of the state controller clear. The trolley is, for example, a multi-variable system with four state variables, since it has just as many essential storage functions. Two of these state variables relate to the trolley and to the multiple pendulum, which includes the hoist rope, load handling equipment, sling gear and load. Considered individually, both systems represent a doubly integrating route. They are coupled with one another, since a movement of the trolley always entails a movement of the multiple pendulum. The reaction of the movements of the multiple pendulum will be neglected here, since the frequency converter regulates the speed of the trolley and thus prevents the reaction on the trolley.
Der Reglerentwurf baut auf einer mathematischen Beschreibung auf, die durch die Systemanalyse von dem Mehrgrößensystem gewonnen wird. Die Differentialgleichungen werden in Matrix- und Vektorform gebracht und können durch Matrixoperationen umgewandelt werden. Man erhält die Eigenwerte des Systems, an denen in diesem Fall die Instabilität des Systems erkennbar ist. Bei der Methode der Polvorgabe wird - basierend auf neuen, gewählten Eigenwerten - ein Wunschsystem geschaffen, welches ein stabiles Verhalten und gewünschte Dynamik besitzt. Die Differenz zwischen dem realen, instabilen System und dem Wunschsystem wird dann von dem Zustandsregler mit Hilfe der errechneten Reglerkoeffizienten aufgebracht. The controller design is based on a mathematical description obtained from the system analysis of the multivariable system. The differential equations are put in matrix and vector form and can be transformed by matrix operations. The eigenvalues of the system are obtained, which in this case indicate the instability of the system. With the pole specification method, a desired system is created based on new, selected eigenvalues, which has stable behavior and the desired dynamics. The difference between the real, unstable system and the desired system is then applied by the state controller using the calculated controller coefficients.
Die Aufgabe des Zustandsreglers besteht darin, aus den Zustandsgrößen und dem Sollwert die Stellgröße zu errechnen. Dabei werden die Zustandsgrößen mit konstanten Reglerfaktoren und der Sollwert mit dem Vorfilterwert multipliziert. Die Summe dieser Produkte ist dann die gesuchte Stellgröße. Man könnte vereinfacht von vier überlagerten P-Reglem sprechen. Daran ist sofort zu erkennen, dass der Zustandsregler keine I- oder D-Anteile besitzt. Letztere sind nur insofern vorhanden, als dass eine Zustandsgröße das Differential einer anderen Zustandsgröße sein kann. Somit fließen dann wiederum D-Anteile in die Regelung mit ein. The task of the state controller is to calculate the manipulated variable from the state variables and the setpoint. The state variables are multiplied with constant controller factors and the setpoint with the pre-filter value. The sum of these products is then the desired manipulated variable. In simplified terms, one could speak of four superimposed P rules. This immediately shows that the state controller has no I or D components. The latter only exist insofar as a state variable can be the differential of another state variable. In this way, D components are included in the regulation.
Figur 15 zeigt einen Signalflussplan, der sich auf die Laufkatze bezieht und sich aus der nachfolgenden Gleichung (29) ergibt. Eine Geschwindigkeit u_LK der Laufkatze entspricht einer Größe am Reglerausgang und reagiert auf eine sprungförmige Stellgrößenänderung mit einem PT1 -Verhalten. Zuerst wird das linearisierte Prozessmodell vierter Ordnung beschrieben. Die vierZustandsgrößen werden folgendermaßen festgelegt: x LK-Position x' = v LK-Geschwindigkeit φ x Pendelwinkel φ x' Pendelwinkelgeschwindigkeit: φ x' kann entweder mit einem Beobachter oder durch numerische Ableitung gewonnen werden:
FIG. 15 shows a signal flow chart relating to the trolley and resulting from equation (29) below. A speed u_LK of the trolley corresponds to a variable at the controller output and reacts to a sudden change in the manipulated variable with a PT1 behavior. First, the fourth-order linearized process model is described. The four state variables are defined as follows: x LK position x' = v LK velocity φ x pendulum angle φ x ' pendulum angular velocity: φ x ' can be obtained either with an observer or by numerical derivation:
Ta Abtastzeit.
Zur Nachbildung des Prozesses und der Auslegung des Zustandsreglers werden folgende Prozesswerte benötigt: Ta sampling time. The following process values are required to simulate the process and the design of the state controller:
TStell Zeitkonstante des PT1 -Gliedes, das den Stellglied (Frequenzumrichter + Getriebemotor + Masseträgheiten); l Pendellänge als Abstand bis zum Lastschwerpunkt S. T Stell Time constant of the PT1 element that controls the actuator (frequency converter + geared motor + inertia); l Pendulum length as distance to the load center S.
Wie schon erwähnt, lässt sich die Übergangsfunktion der Drehzahl mit der eines PT1 -Gliedes annähem. Somit ist die Übergangsfunktion der Geschwindigkeit der Laufkatze:
As already mentioned, the transition function of the speed can be approximated with that of a PT1 element. Thus, the transfer function of the trolley speed is:
K und T Parameter des PT1 -Gliedes und werden nachfolgend bestimmt. Die Ableitung von Gleichung (26) ergibt die LK- Beschleunigung:
K and T parameters of the PT1 element and are determined below. The derivation of equation (26) gives the LK acceleration:
Die Gleichung (27) wird nach
aufgelöst und in (26) einsetzen, woraus sich ergibt: Equation (27) becomes after solved and inserted into (26), which results in:
(28) T . x" + x' = K . uLK
(28) T. x" + x' = K . u LK
Anhand der Figur 16 wird der Bewegungsablauf des Pendelsystems untersucht. Auf das hängende Mehrfachpendel (siehe Figuren 2 und 3 der vorangehenden Beschreibung) wirken zwei Kräfte: Die nach unten gerichtete Gewichtskraft Fg und die Seilkraft Fs. Letztere überträgt die Bewegungen der Laufkatze LK auf die Last mit der Masse m beim virtuellen Schwerpunkt des Mehrfachpendels. Damit ergeben sich Bilanzen der Horizontal- und Vertikalkräfte, deren Summen nach dem Newtonschen Kräftegleichgewicht jeweils den Wert Null ergeben. Neue Hilfsvariable sind: x_Last horizontale Position des virtuellen Schwerpunkts der Last bzw. des Mehrfachpendels; und h_Last vertikale Position des virtuellen Schwerpunktes der Last bzw. des Mehrfachpendels The movement sequence of the pendulum system is examined with reference to FIG. Two forces act on the suspended multiple pendulum (see FIGS. 2 and 3 of the preceding description): the downward weight force F g and the cable force F s . The latter transfers the movements of the trolley LK to the load with mass m at the virtual center of gravity of the multiple pendulum. This results in balances of the horizontal and vertical forces, the sums of which each result in the value zero according to Newton's equilibrium of forces. New auxiliary variables are: x_Last horizontal position of the virtual center of gravity of the load or the multiple pendulum; and h_Last vertical position of the virtual center of gravity of the load or multiple pendulum
Die Horizontalkräfte und Vertikalkräfte ergeben sich gemäß Gleichungen (30) und (31): The horizontal forces and vertical forces result from equations (30) and (31):
(30) m . x_Last" + Fs . sin(φ x) = 0 (30) meters. x_Last" + F s . sin(φ x ) = 0
(31) — m . g + m . h_Last" + Fs . cos(φx ) = 0 (31) — m . g + m . h_Last" + F s . cos(φ x ) = 0
Für die Zustandsgleichungen, in denen nur x, x' , φ x und φ x' enthalten sind, müssen alle anderen Variablen (Fs, x_Last und h_Last) eliminiert werden. Erweitert man Gleichung (30) mit cos(φ x) und (31) mit sin(φ x), so erhält man: For the state equations, in which only x, x', φ x and φ x ' are contained, all other variables (F s , x_Last and h_Last) have to be eliminated. If you extend equation (30) with cos(φ x ) and (31) with sin(φ x ), you get:
(32) m . x_Last" . cos(φx) + Fs . sin(φ x) . cos(φx ) = 0 (32)m. x_Last" . cos(φ x ) + F s . sin(φ x ) . cos(φ x ) = 0
(33) — m . g . sin(φ x) + m . h_Last" . sin(φ x) + Fs . cos(φx) .s sin{φ x) = 0
Zieht man (32) von (33) ab, wird die Stabkraft Fs entfernt. Anschließend wird das Ergebnis durch die Lastmasse m dividiert und diese so ebenfalls entfernt: (33) — m . g . sin(φ x ) + m . h_Last" . sin(φ x ) + F s . cos(φ x ) .s sin{φ x ) = 0 Subtracting (32) from (33) removes the rod force Fs . The result is then divided by the load mass m and this is also removed:
(34) x_Last" . cos(φ x) — h_Last" . sin(φ x) = — g . sin(φ x) (34) x_Last" . cos(φ x ) — h_Last" . sin(φ x ) = — g . sin(φ x )
Die Koordinaten der Last (x_Last und h_Last) werden mit Hilfe der Transformationsgleichungen eliminiert: The coordinates of the load (x_Last and h_Last) are eliminated using the transformation equations:
(35) x_Last = x + I . sin(φ x) (35) x_load = x + I . sin(φ x )
(36) h_Last = I • cos(φ x) (36) h_load = I • cos(φ x )
Da die Variablen x_Last und in leitet werden: Since the variables x_Last and in are passed:
(37) x_Last' = x + I - φ x . cos(φ x) h_Last' = -l . φ x' . sin(φx ) (37) x_load' = x + I - φ x . cos(φ x ) h_Last' = -l . φ x ' . sin(φ x )
(38) x_Last" = x" + l . φ x" . cos(Φ) — l . φ x'2 . sin(φ x) h_Last" = - l .φ x" .sin(Φ)- l . φ x '2 . cos(φx) (38) x_load" = x" + l . φ x " . cos(Φ) — l . φ x ' 2 . sin(φ x ) h_Last" = - l .φ x " .sin(Φ)- l . φ x ' 2 . cos(φ x )
Die Gleichungen für x_Last" und h_Last" (38) werden in (39) eingesetzt. So erhält man die nichtlineare Differentialgleichung des Pendelsystems: The equations for x_Last" and h_Last" (38) are used in (39). This is how the non-linear differential equation of the pendulum system is obtained:
(39) x" . cos(φ x) + l • φ x" = —g . sin(φ x) (39) x" . cos(φ x ) + l • φ x " = —g . sin(φ x )
Um diese Differentialgleichung zu linearisieren, wird der Pendelwinkel φ x als sehr klein angenommen: φ x « 1 => sin(φx ) ≈ φ x und cos(φ x) ≈ 1 und φ x'2 ≈ 0 In order to linearize this differential equation, the pendulum angle φ x is assumed to be very small: φ x « 1 => sin(φ x ) ≈ φ x and cos(φ x ) ≈ 1 and φ x ' 2 ≈ 0
(40) x" + l . φ x" = -g . φ x (40) x" + l . φ x " = -g . ϕx
Die linearisierte Differentialgleichung (40) wird nach φ x" aufgelöst (41) und ist als Signalflussplan in Figur 17 dargestellt.
The linearized differential equation (40) is solved for φ x "(41) and is shown as a signal flow chart in FIG.
Für x" in der Zeitgleichung für das Pendelsystem gemäß Gleichung (41) kann die Zeitgleichung (29) für die Laufkatze eingesetzt werden. Dieses ermöglicht die Verknüpfung der voran gezeigten Signalflusspläne. Die Gleichung (29) eingesetzt in (41) ergibt:
For x" in the time equation for the pendulum system according to equation (41), the time equation (29) for the trolley can be used. This enables the linking of the signal flow diagrams shown above. Equation (29) used in (41) results in:
Um das System im Zustandsraum zu beschreiben, werden die linearen Differentialgleichungen in Zustandsgleichungen umgewandelt. Hierfür werden die Variablen x, x', φ x und φ x' durch die Zustandsgrößen q = [q0, q1, q2, q3] ersetzt:
Für die übersichtlichere Kurzform werden Vektoren und Matrizen eingeführt. Man erhält die Vektor-Differentialgleichung für Zustandsgrößen:
In order to describe the system in state space, the linear differential equations are converted into state equations. For this, the variables x, x', φ x and φ x ' are replaced by the state variables q = [q0, q1, q2, q3]: Vectors and matrices are introduced for the clearer short form. One obtains the vector differential equation for state variables:
Der Regler bekommt als Sollwert die gewünschte Geschwindigkeit der Laufkatze im Bereich von -100 bis 100% von Nenngeschwindigkeit mit Genauigkeit von und regelt unverstärkt die Geschwindigkeit
der Laufkatze, daraus folgt K = Kstg = 1. Die Ist-Drehzahl folgt dem Sollwert mit einer Verzugszeit von T = Tstg = 0.2 s. The controller receives the desired speed of the trolley in the range from -100 to 100% of the nominal speed with an accuracy of and controls the speed without amplification of the trolley, resulting in K = K stg = 1. The actual speed follows the target value with a delay time of T = T stg = 0.2 s.
Um ein Pendelfreies Positionieren zu ermöglichen, wird ein Zustandsregler eingesetzt, der das ungedämpfte Realsystem in ein ausreichend gedämpftes Wunschsystem umwandelt. Dafür werden zunächst Zahlen in die Eingangs- und Systemmatrix eingesetzt: T = Tstg = 0.2 s; K = Kstg = 1; Z: variabel.
In order to enable oscillation-free positioning, a state controller is used, which converts the undamped real system into a sufficiently damped desired system. To do this, numbers are first inserted into the input and system matrix: T = T stg = 0.2 s; K = Kstg = 1; Z: variable.
Bei der Assistenzregelung ist die Geschwindigkeit der LK die Regelgröße. Der Regler sorgt also dafür, dass die LK die Geschwindigkeitsvorgabe möglichst pendelfrei folgt. In diesem Fall ist die Position der Laufkatze uninteressant, auf diese Zustandsgröße kann sich die Zustandsraumdarstellung reduziert werden. Die neue Matrixdarstellung lautet:
With the assistance control, the speed of the LK is the controlled variable. The controller therefore ensures that the LK follows the specified speed as sway-free as possible. In this case, the position of the trolley is of no interest; the state space representation can be reduced to this state variable. The new matrix representation is:
Um einen Regler auslegen zu können, wird eine Seillänge gemäß der Pendellänge I angenommen: z.B. für l = 5 m ergibt sich folgende Matrixdarstellung:
In order to be able to design a controller, a wire length corresponding to the pendulum length I is assumed: e.g. for l = 5 m, the following matrix representation results:
Die systembeschreibenden Eigenwerte bekommt man durch Ermittlung der Nullstellen des Charakteristisches Polynoms: The system-describing eigenvalues are obtained by determining the zeros of the characteristic polynomial:
(49) det(Λ . I — A) = 0 (49) det(Λ . I — A) = 0
Alternativ nutzt man ein Simulationswerkzeug: Alternatively, a simulation tool can be used:
(50) eig(A) = [1.4007i - 1.4007i - 2.5] (50) eq(A) = [1.4007i - 1.4007i - 2.5]
An der ersten und zweiten Imaginärlösung lässt sich erkennen, dass es sich bei dem Realsystem um ein ungedämpftes Schwingsystem handelt, da Realteil erste 2 Polen 0 ist.
Für die digitale Regelung ist eine diskrete Darstellung erforderlich, was beispielsweise in Matlab mit folgendem Befehl zu bekommen ist: The first and second imaginary solution shows that the real system is an undamped oscillating system, since the real part is first 2 poles 0. A discrete representation is required for the digital control, which can be obtained, for example, in Matlab with the following command:
(51) [Ad,Bd, Cd,Dd] = c2d(A,B, C,D, Ta); (51) [Ad,Bd, Cd,Dd] = c2d(A,B, C,D, T a );
Für Ta = 0.1s:
For Ta = 0.1s:
Die Eigenwerte für diskrete Darstellung ergeben sich zu:
The eigenvalues for discrete representation result in:
Erste und zweite komplexe Pole liegen auf dem Einheitskreis, was auch auf Schwingsystem deutet. Um zu dem pendelfreien Wunschsystem zu gelangen, wird letzteres durch die Vorgabe seiner Eigenwerte definiert. Es werden also die Pole des Systems vorgegeben (Polvorgabe). Die Pole werden dabei so platziert, dass das zur Verfügung stehende Beschleunigungsmoment nicht überschritten wird. Je näher die Pole zu der Mitte des Einheitskreises gewählt werden, desto dynamischer wird das Wunschsystem und desto größer wird der maximale Auslenkungswinkel während der Beschleunigungsphase, was sich negativ auf den Stahlbau auswirkt. Es wird also ein Optimum im Sinne eines Kompromisses ermittelt, wobei beide Aspekte berücksichtigt werden. Sollte sich die Seillänge bzw. Pendellänge I ändern, werden auch Eigenwerte und der daraus resultierende Regler neu berechnet bzw. aktualisiert. The first and second complex poles lie on the unit circle, which also indicates an oscillating system. In order to arrive at the desired system without swaying, the latter is defined by specifying its own values. The poles of the system are therefore specified (pole specification). The poles are placed in such a way that the available acceleration torque is not exceeded. The closer the poles are chosen to the center of the unit circle, the more dynamic the desired system becomes and the larger the maximum deflection angle during the acceleration phase, which has a negative effect on the steel structure. An optimum is thus determined in the sense of a compromise, with both aspects being taken into account. If the cable length or pendulum length I changes, the eigenvalues and the resulting controller are also recalculated or updated.
Alternativ zu Polvorgabe kann auch Riccati-Regler (LQ-Regler) angewendet werden. Das ist ein Zustandsregler für ein lineares dynamisches System, dessen Rückführmatrix über die Minimierung einer quadratischen Kostenfunktion ermittelt wird. Das ermöglicht eine optimale Reglerauslegung bei vorgegebenen Zustandsgewichtungen Q. As an alternative to pole specification, Riccati controllers (LQ controllers) can also be used. This is a state controller for a linear dynamic system whose feedback matrix is determined by minimizing a quadratic cost function. This enables an optimal controller design with given state weightings Q.
Anhand der Figuren 18 und 19 wird eine Systemanalyse des Drehwerks durchgeführt. Die vier Zustandsgrößen des Drehwerks werden folgendermaßen definiert: θ DW-Winkel θ' DW-Winkelgeschwindigkeit φ y Pendelwinkel φ y' Pendelwinkelgeschwindigkeit, welche entweder durch Beobachtung oder durch numerische Ableitung gewonnen wird. A system analysis of the slewing gear is carried out on the basis of FIGS. The four state variables of the slewing gear are defined as follows: θ DW angle θ' DW angular velocity φ y oscillating angle φ y ' oscillating angular velocity, which is obtained either by observation or by numerical derivation.
Die Drehbewegung des Katzauslegers KA lässt sich mit folgender Gleichung beschreiben: The rotation of the trolley jib KA can be described with the following equation:
(55) IA . θ" = M - MR, wobei folgende Größen verwendet werden:
IA auf Drehwerk wirkendes Trägheitsmoment; (55) I A . θ" = M - M R , where the following quantities are used: I A moment of inertia acting on slewing gear;
M Antriebsmoment des Drehwerks; M drive torque of the slewing gear;
MR Gegenmoment; M R counter-torque;
MR = FR .x
M R = F R .x
FR = sin(φy) .m.g
F R = sin(φ y ) .mg
Die Bewegungsgleichungen für die Last ergeben sich zu:
The equations of motion for the load result in:
Die Bewegungsgleichung für die Last in Y-Richtung ergeben sich zu : yL =y + l. sin(φ y)
The equation of motion for the load in the Y-direction is: y L =y + l. sin(φ y )
Die Bewegungsgleichungen für die Last in Z-Richtung ergeben isch zu: zL = l — l . cos(φ y)
The equations of motion for the load in the Z direction yield isch: z L = l — l . cos(φ y )
Die Gleichungen (55) und (56) ergeben zusammen
Equations (55) and (56) add up
Gleichung (58) in (60) einsetzen ergibt:
Inserting equation (58) into (60) gives:
Um die 1. Differentialgleichung zu erhalten, werden die Umrechnungen von y" zu 6" durchgeführt: y ≈ x - θ y' ≈ x . θ’ y" ≈ x.θ"
Mit dem Drehwinkel θ in Bogenmaß in y" einsetzen ergibt:
In order to obtain the 1st differential equation, the conversions from y" to 6" are carried out: y ≈ x - θ y' ≈ x . θ' y " ≈ x.θ" Substituting the angle of rotation θ in radians into y" gives:
Die Differentialgleichung (64) ist identisch der Differentialgleichung (39) aus der Modellierung der Laufkatze:
The differential equation (64) is identical to the differential equation (39) from the modeling of the trolley:
An das Drehwerk angepasst ergibt sich: φ x → φ y x" → y” = x . θ" Adapted to the slewing gear, this results in: φ x → φ y x" → y” = x . θ"
Ergibt die 2.DGL:
Results in the 2nd differential equation:
Um die Differentialgleichungen zu linearisieren, wird der Pendelwinkel φ y als sehr klein angenommen: In order to linearize the differential equations, the pendulum angle φ y is assumed to be very small:
(65) φ x « 1 => sin(φx )≈ φ x und cos(φx ) ≈ 1 und φx '2 ≈ 0(65) φ x « 1 => sin(φ x )≈ φ x and cos(φ x ) ≈ 1 and φ x '2 ≈ 0
Die Steuergröße entspricht dem Antriebsmoment des Drehwerksantriebs: The control variable corresponds to the drive torque of the slewing gear drive:
(66) M — uDW
(66) M - u DW
In Zustandsraumdarstellung ergibt sich:
In the state space representation we get:
Der Reglerentwurf für Drehwerk (Y-Richtung) und das Hubwerk läuft nach dem im Wesentlichen gleichen Prinzip ab. Es ergibt sich ein Kranmodel in Zustandsraum bestehend aus drei Zuständen für das Laufkatz-Model, vier Zuständen für das Drehwerk-Model und zwei Zustände für das Hubwerk-Model: The controller design for the slewing gear (Y-direction) and the hoist gear essentially follows the same principle. The result is a crane model in the state space consisting of three states for the trolley model, four states for the slewing gear model and two states for the hoist model:
Zustände:
Conditions:
Der Regler benutzt beispielsweise die aktuelle Position der Last gegenüber den horizontalen Turmachsen oder die Geschwindigkeiten der Last als Regelgröße. For example, the controller uses the current position of the load in relation to the horizontal tower axes or the speed of the load as a controlled variable.
Die jeweiligen Sollgrößen x'soll, θsoll, lsoll bzw. Ssoll werden aus den Joystickeingaben der Bedieneinheit aufintegriert. Dabei wird die Drehzahl uLK,uDW,uHW des jeweiligen Antriebs (Katzfahrwerk, Drehwerk und Hubwerk) als Vorgabe benutzt, um sowohl die Sollgeschwindigkeit der Last oder die Sollposition der Last zu erreichen. Die Joystick-Vorgabe kann sowohl stufenbasiert als auch prozentual zur Maximalgeschwindigkeit erfolgen. Die nachfolgenden Gleichungen beziehen sich auf die Beispiele der Figuren 5 und 6.
The respective setpoint values x' set , θ set , l set or S set are integrated from the joystick inputs of the operating unit. The speed u LK ,u DW ,u HW of the respective drive (trolley, slewing gear and hoist) is used as a specification in order to achieve both the setpoint speed of the load and the setpoint position of the load. The joystick specification can be based on levels or as a percentage of the maximum speed. The following equations refer to the examples in Figures 5 and 6.
In der Regelungsschleife werden anhand des Kranmodells (72) die jeweils zukünftigen Bewegungen der Messgrößen x' φx θ θ ' φ y l errechnet. Auf dieser Basis wird die Regelgröße für die nachfolgende Regelschleife ermittelt und dem Kran als Sollgröße vorgegeben. In the control loop, the respective future movements of the measured variables x′φ x θ θ′ φ yl are calculated using the crane model (72). On this basis, the controlled variable for the subsequent control loop is determined and given to the crane as a target variable.
Im Gegensatz zu einem konventionellen Regelungssystem, dass nur eine Dämpfung der Schwingung ermöglicht, wird anhand der vorhandenen (fusionierten) Sensor- und Modelldaten eine optimale Trajektorie der Bewegung (unter Neutralisierung einer zur Pendelbewegung führenden Aufschwingung) der Last berechnet, sodass es zur keiner durch den Kranführer oder durch die Kranoperation herbeigeführten starken Pendelbewegung kommen kann.
Eine nachträgliche Dämpfung des schwingenden Pendelsystems ist somit nicht erforderlich, bzw. ein darauf abgestellter Regelungsumfang ist sehr begrenzt und effektiv zu bewerkstelligen. In contrast to a conventional control system, which only allows damping of the vibration, an optimal trajectory of the movement (while neutralizing an oscillation leading to the pendulum movement) of the load is calculated on the basis of the existing (merged) sensor and model data, so that there is no Crane operator or strong pendulum movement brought about by the crane operation. Subsequent damping of the oscillating pendulum system is therefore not necessary, or a scope of regulation based on this is very limited and can be implemented effectively.
Nach der Aktivierung der Regelung durch Sollwertvorgabe geht der Regler in Beschleunigungsphase, während dessen werden nicht nur durch die Anfangsbewegung entstehende Pendelbewegung, sondern auch Anfangspendelbewegung eliminiert. Danach, solange der Sollwert (Stufe) konstant bleibt, folgt die Konstantfahrt-Phase, wo die Last mit konstante Geschwindigkeit ohne Pendelbewegung bewegt wird. Jede Sollwert- bzw. Stufenänderung initiiert wiederum eine Beschleunigungs- oder Bremsphase. After the activation of the control by specifying the setpoint, the controller goes into the acceleration phase, during which not only the oscillating movement caused by the initial movement, but also the initial swaying movement are eliminated. Then, as long as the target value (level) remains constant, the constant travel phase follows, where the load is moved at a constant speed without oscillating movement. Each setpoint or step change in turn initiates an acceleration or braking phase.
Die Regelung wird auch nach Impulsartige Betätigung des Steuerpults aktiviert. In diesem Fall wird nur die Anfangspendelbewegung ausgeregelt. Die Zeit für die Ausregelung kann sinnvollerweise mit auf eine Pendelperiode begrenzt werden. Die Pendelperiode ist wie bekannt nur Längenabhängig und wird mit folgender Formel berechnet:
The regulation is also activated after impulse-like actuation of the control panel. In this case, only the initial sway is corrected. It makes sense to limit the time for correction to one oscillation period. As is well known, the pendulum period is only dependent on length and is calculated using the following formula:
Figur 20 zeigt in schematischer Form die Steuerungseinheit 100. Diese besteht aus eine ersten Recheneinheit 150 und einerzweiten Recheneinheit 160. Die erste Recheneinheit 150 ist mit den Antrieben des Krans verbunden und stelltFIG. 20 shows the control unit 100 in schematic form. This consists of a first processing unit 150 and a second processing unit 160. The first processing unit 150 is connected to the drives of the crane and provides
Sicherheitsfunktionen wie beispielsweise Notabschaltungen und ähnliches bereits. Beispielsweise ist die Recheneinheit 150 als speicherprogrammierbare Steuerung, SPS, ausgebildet. Safety functions such as emergency shutdowns and the like already exist. For example, the computing unit 150 is designed as a programmable logic controller, PLC.
Die zweite Recheneinheit 160 ist kommunikativ mit der ersten Recheneinheit 150 gekoppelt. Im Schritt 162 wartet die zweite Recheneinheit 160 auf eine Nachricht von der ersten Recheneinheit. S_1 , wartet also auf ein Steuertelegramm von der SPS. Die erste Recheneinheit 150 versendet periodisch Nachriten mit aktuellen Steuerbefehlen und Sensordaten an die zweite Recheneinheit 160.Umfasst die Nachricht Soll-Größen, welche von der ersten Recheneinheit 150 beispielsweise über die Joystick-Eingabe vom Steuerpult oder der Funkfembedienung vorgegeben werden, so wird ausgehend von einem Schritt 164 in den Block 110 aus Figur 1 gewechselt und die Regelung durchgeführt. Im Schritt 166 wird überprüft, ob eine manuelle Aktivierung der Regelung angefordert wurde. Ist dies der Fall, so wird der Block 110 aktiviert. The second computing unit 160 is communicatively coupled to the first computing unit 150 . In step 162, the second processing unit 160 waits for a message from the first processing unit. S_1 , thus waiting for a control telegram from the PLC. The first processing unit 150 periodically sends messages with current control commands and sensor data to the second processing unit 160. If the message includes target values, which are specified by the first processing unit 150, for example via the joystick input from the control panel or the radio remote control, then starting from a Step 164 changes to block 110 from FIG. 1 and the regulation is carried out. In step 166 it is checked whether a manual activation of the regulation was requested. If this is the case, block 110 is activated.
In einem Schritt 168 wird überprüft, ob eine Nachregelung erfolgen muss. Wenn beispielsweise keine Nachricht von der ersten Recheneinheit vorliegt, wird überprüft, ob Ist-Größen oder daraus abgeleitete Größen einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten. Ist dies der Fall, dann wird der Block 110 aktiviert. Die Anforderung zur Nachregelung wird beispielsweise dann ermittelt, wenn der Drehwinkel θ der Laufkatze LK, des ersten Pendelwinkels oder des zweiten Pendelwinkels einen jeweils zugeordneten Schwellwert überschreiten. Eine Nachregelung wird also dann durchgeführt, wenn die Bewegung der Last nach dem Ausbleiben eines Steuerbefehls noch nicht beendet worden ist. Um das Pendeln der Last zu vermeiden wird eine Nachfahrt der Last veranlasst. In a step 168 it is checked whether a readjustment has to take place. For example, if there is no message from the first processing unit, it is checked whether actual values or values derived from them exceed a predetermined threshold value. If so, then block 110 is activated. The request for readjustment is determined, for example, when the angle of rotation θ of the trolley LK, the first oscillating angle or the second oscillating angle exceeds a respectively assigned threshold value. A readjustment is therefore carried out when the movement of the load has not yet ended after the absence of a control command. In order to avoid the swinging of the load, a follow-up movement of the load is initiated.
Der Block 110 ermittelt Stellgrößen, die in einem Schritt 170 an die erste Recheneinheit übergeben werden, um an die Kranantriebe weitergeleitet zu werden. Die Ermittlung der Stellgrößen u_LK, u_DW, u_HW über den Block 110 wird also dann aktiviert, wenn wenigstens eine der folgenden Bedingungen eintritt: Voriiegen 164 der Soll-Größe S'_soll ungleich Null; Voriiegen 166 einer von einer Bedieneinheit 900 stammenden manuellen Aktivierung der Ermittlung 110 der Stellgröße; und Voriiegen 168 einer Anforderung zur Nachregelung.
Block 110 determines manipulated variables that are transferred to the first processing unit in a step 170 in order to be forwarded to the crane drives. The determination of the manipulated variables u_LK, u_DW, u_HW via the block 110 is activated when at least one of the following conditions occurs: Presence 164 of the setpoint variable S'_soll not equal to zero; Presence 166 of a manual activation of determination 110 of the manipulated variable originating from an operating unit 900; and presence 168 of a request for readjustment.