クレーンの振れ止め制御装置
【課題】二重振り子構造、単振り子構造を含むクレーン搬送システムにおいて、速度パターンを持たずに、吊り荷の振れ止めを高精度に実現可能としたクレーンの振れ止め制御装置を提供する。
【解決手段】吊り荷及びその支持構造が単振り子構造または多重振り子構造を構成し、クレーン本体の台車を駆動して吊り荷を目標位置まで搬送するクレーン搬送システムにおいて、吊り荷５０３の振動による振れ角度を検出する振れ角センサ５１２と、吊り荷の速度検出値及び位置検出値をフィードバックして吊り荷を目標位置まで搬送するための第１の操作量を演算し、かつ、前記振れ角度を無線通信によりフィードバックして吊り荷の振れ止めを行うための第２の操作量を演算する演算制御手段としてのアシスト制御部１０１と、第１の操作量及び第２の操作量を加算して前記台車に与える手段と、を備える。
【解決手段】吊り荷及びその支持構造が単振り子構造または多重振り子構造を構成し、クレーン本体の台車を駆動して吊り荷を目標位置まで搬送するクレーン搬送システムにおいて、吊り荷５０３の振動による振れ角度を検出する振れ角センサ５１２と、吊り荷の速度検出値及び位置検出値をフィードバックして吊り荷を目標位置まで搬送するための第１の操作量を演算し、かつ、前記振れ角度を無線通信によりフィードバックして吊り荷の振れ止めを行うための第２の操作量を演算する演算制御手段としてのアシスト制御部１０１と、第１の操作量及び第２の操作量を加算して前記台車に与える手段と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天井型クレーンの台車を自動運転して吊り荷を目標位置に搬送する天井型クレーン搬送システムにおいて、吊り荷を搬送する際の加減速終了時における振動を低減するためのクレーンの振れ止め制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のクレーン搬送システムでは、ある位置に置かれた吊り荷を吊り上げて目標位置まで搬送し、吊り荷を降ろすという一連の動作のサイクルタイムを減少させるため、水平方向へ搬送する際の加減速終了時における吊り荷の振動を抑制する制御（いわゆる振れ止め制御）が採用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、クレーン台車の実際位置を目標位置に一致させるような位置制御部の出力と、フィードバック量算出部の出力との偏差を目標速度としてクレーン台車の速度を制御する制御装置であって、クレーン台車の位置、速度、ロープの振れ角度、振れ角速度をセンサによりそれぞれ検出してこれらに最適フィードバックゲインを乗じた値の加算値を前記フィードバック量とすると共に、前記最適フィードバックゲインを、ロープ長及びスラブ重量の変化に対してロバスト安定性を有する値となるように決定するクレーンの振れ止め移動制御装置が記載されている。
【０００４】
特許文献２には、クレーンの状態量を測定するクレーン状態量測定装置と、クレーンの停止時に前記状態量に基づいてクレーンの振れ止め・位置制御に必要なパラメータを推定学習する状態量推定・学習装置とを備え、環境変化やクレーンの経年変化がある場合でも、学習済みのパラメータを用いることで高精度に吊り荷の振れ止め・位置制御を行うようにしたクレーンの振れ止め・位置制御装置が記載されている。
【０００５】
特許文献３には、吊り荷の吊り下げ時の台車の加速度がゼロであるときの吊り荷の振れ角がゼロとなるような速度パターンを指令として用い、台車の現在位置をフィードバックして速度パターンに追従させつつ台車を所定距離まで移動させる速度指令値を生成するための位置制御手段と、前記速度パターンと吊り荷の数学モデルに基づき吊り荷の動作指令を求める吊り荷運動モデルと、前記振れ角から吊り荷の動作量を推定する吊り荷動作推定手段と、推定された動作量を動作指令に追従させる補償量を算出して速度指令値を補償する補償手段と、を備えたクレーンの振れ止め制御装置及び制御方法が記載されている。
【０００６】
特許文献４には、クレーン等の移動体の振動をモデル化してその固有周期を求め、加減速時の加速度パターンをジャーク（加速度の時間微分値）一定の台形パターンとし、各ジャーク一定時間を固有周期の整数倍として加速度パターンを設定すると共に、この加速度パターンに従って移動体の移動を制御しつつ移動体の状態変数を検出し、加速度パターンによる状態変数の目標値と検出値との偏差に基づいて移動体をフィードバック制御するようにした制振位置決め制御方法及び装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−７２７４号公報（段落［０００８］〜［００１２］、図１〜図３等）
【特許文献２】特開２００３−１７６０９３号公報（段落［０００９］，［００１０］、図１等）
【特許文献３】特開２００９−６７５０７号公報（段落［００１０］〜［００１４］、図１〜図４等）
【特許文献４】特開２０１０−９１９７号公報（段落［００１５］〜［００２６］、図４，図５，図７等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に係る従来技術では、最適フィードバックゲインの算出やロバスト安定性を有する制御則の導出に複雑な演算を必要とするため、実用性に乏しく、現場向きでないという問題がある。
特許文献２に係る従来技術では、制御に必要なパラメータを過去の運転結果から学習するので、運転期間が短く学習が不十分な場合には高精度な振れ止め制御が難しいという問題がある。
特許文献３に係る従来技術は、速度パターンに基づいた加減速制御と比例制御または比例積分制御による位置制御との組み合わせで制御を行っており、制御系の構成が比較的複雑である。
特許文献４に係る従来技術は、ジャーク一定時間をモデルの固有周期の整数倍に設定した台形の加速度パターンに基づいて加減速制御するものであり、加速度パターンの設定装置や状態変数検出装置における演算負荷が少なくない。
【０００９】
更に、特許文献１〜４に係る従来技術では、基本的に、クレーン−吊り荷系を単振り子構造とみなすモデルを用いて位置決め制御を行っている。
すなわち、図１０はクレーン−吊り荷系の単振り子モデルであり、５０１はクレーンの台車、５０２はワイヤロープ、５０３は吊り荷、Ｌはロープ長（台車５０１から吊り荷５０３の重心までの距離）、θ０は吊り荷５０３の振れ角度である。
ここで、台車５０１の加速時間及び減速時間（吊り荷５０３の振れ周期）ＴはＴ＝２π√（Ｌ／ｇ）によって表されることが知られており（ｇは重力加速度）、台車５０１の加速終了時及び減速終了時に吊り荷５０３の振れ角度θ０が何れも０になるため、距離Ｌから求めた加減速時間Ｔに基づき速度パターンを作成して台車５０１を走行させれば、理論上、吊り荷５０３の振れ止め制御を行うことができる。
【００１０】
しかしながら、図１１に示すように、ビーム５０４及びスプレッダ５０５を用いて吊り荷５０３を搬送する天井型クレーン搬送システムは、いわゆる二重振り子構造となっている。すなわち、ビーム５０４と、スプレッダ５０５及び吊り荷５０３の結合体との固有振動数がそれぞれ異なるため、台車５０１から吊り荷５０３の重心までの距離Ｌを求めてＴ＝２π√（Ｌ／ｇ）により周期Ｔつまり加減速時間を求めたとしても、この加減速時間Ｔでは正確に振れ止めを行うことができない。なお、図１１において、５０７，５０８は滑車、５０９は巻き上げ・巻き下げ用のドラム、５１０はワイヤロープ、５１１はロープを示す。
このように、二重振り子構造のクレーン搬送システムにおいては、台車５０１から吊り荷５０３の重心までの距離Ｌに基づいて加減速時間を決定することができず、振れ止め制御の精度が低くなるという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明の解決課題は、二重振り子構造、単振り子構造を含むクレーン搬送システムにおいて、速度パターンを持たずに、吊り荷の振れ止めを高精度に実現可能としたクレーンの振れ止め制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、吊り荷及びその支持構造が単振り子構造または多重振り子構造を構成し、クレーン本体の台車を駆動して吊り荷を目標位置まで搬送するクレーン搬送システムにおいて、
吊り荷の振動による振れ角度を検出する振れ角センサと、
吊り荷の速度検出値及び位置検出値をフィードバックして吊り荷を前記目標位置まで搬送するための第１の操作量を演算し、かつ、前記振れ角センサから得られた前記振れ角度をフィードバックして吊り荷の振れ止めを行うための第２の操作量を演算する演算制御手段と、
前記第１の操作量及び第２の操作量を加算して前記台車に与える手段と、を備えたものである。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載したクレーンの振れ止め制御装置において、前記吊り荷及びその支持構造が二重振り子構造を構成していることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載したクレーンの振れ止め制御装置において、吊り荷及びその支持構造が、前記台車側の支点から吊り下げられた第１の質点と、この第１の質点から吊り下げられた吊り荷を含む第２の質点と、を有する二重振り子構造であり、
前記演算制御手段は、前記振れ角度が、
前記支点から第１の質点までの距離と、第１の質点から第２の質点までの距離と、前記支点からの鉛直線と第１の質点との間の角度と、第１の質点からの鉛直線と第２の質点との間の角度と、を用いて表されるものとして、第２の操作量を演算するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、二重振り子構造、単振り子構造を含むクレーン搬送システムにおいて、予め設定された速度パターンを用いることなく、吊り荷の振れ止め制御を高精度に実現することができる。これにより、クレーン搬送システムにおけるサイクルタイムの短縮が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態における天井型クレーン搬送システムの主要部構成図である。
【図２】図１におけるクレーン本体の概略説明図である。
【図３】本発明の実施形態における概略的な機能ブロック図である。
【図４】本発明の実施形態における二重振り子モデルの説明図である。
【図５】図３に対応する制御ブロック図である。
【図６】図３に対応する制御ブロック図である。
【図７】図５における位置決め制御系を示す制御ブロック図である。
【図８】Ｋｓを算出するための制御ブロック図である。
【図９】本実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】クレーン−吊り荷系の単振り子モデルの説明図である。
【図１１】二重振り子構造を有する天井型クレーン搬送システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本実施形態に係る天井型クレーン搬送システムの主要部構成図、図２は図１におけるクレーン本体１００の概略説明図（図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は側面図）であり、建屋内の天井（高所）に設置されたクレーン本体１００によって吊り荷５０３を始点位置から目標位置まで搬送するシステムを示している。ここで、主に吊り荷５０３の支持構造に関して、図１１と同一の構成要素には同一の番号を付してある。
本実施形態において、吊り荷５０３は例えばプレス加工用の金型であり、この金型を天井型クレーン搬送システムにより金型置場とプレス機との間で搬送する場合を想定しているが、本発明における吊り荷の種類や搬送場所等は何ら限定されないことは言うまでもない。
【００１８】
クレーン本体１００は、図２に示すように基台１００Ａと台車１００Ｂとを備えている。基台１００Ａは図１，図２のＹ方向、台車１００ＢはＸ方向にそれぞれ走行可能であるものとし、これによって台車１００Ｂに吊り下げられた吊り荷５０３はＸ−Ｙ平面を水平方向に移動可能である。なお、台車１００ＢのＸ方向の移動を「走行」、基台１００ＡのＹ方向の移動を「横行」という。また、図１には、吊り荷５０３の昇降方向をＺで示している。
図１では、基台１００Ａ及び台車１００Ｂを図示しておらず、これらを有するクレーン本体１００を一つのブロックとして示してあるが、このブロック内の各構成要素は、基台１００Ａまたは台車１００Ｂの何れかに配置されるものである。
【００１９】
始めに、図１を参照しながらクレーン本体１００の構成を説明する。
クレーン本体１００において、１１０はＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラあるいはシーケンサ）等により構成されたクレーン制御部であり、後述するアシスト制御部１０１からの運転指令に従い、インバータ１１１，１１３，１１５を運転して走行用モータ１１２、横行用モータ１１４、ドラム５０９の駆動用（巻き上げ・巻き下げ用）モータ１１６をそれぞれ駆動するようになっている。ここで、クレーン制御部１１０及びインバータ１１１，１１３，１１５による各モータ１１２，１１４，１１６の駆動システムや、モータ１１２による台車１００Ｂの走行機構、モータ１１４による基台１００Ａの走行機構、モータ１１６によるドラム５０９の駆動機構は、何れも既知のものであり、本発明の要旨ではないため、詳述を省略する。
【００２０】
アシスト制御部１０１も同じくＰＬＣ等の演算制御手段により構成されており、主として前記モータ１１２，１１４，１１６に対する運転指令や走行時、横行時に吊り荷５０３の振れ止めを行うための速度指令を前記クレーン制御部１１０に送出する機能を備えている。
【００２１】
アシスト制御部１０１には受信部１０２が接続されており、この受信部１０２は、作業員が地上で設定操作するアシスト設定部２００との間で、無線ＬＡＮシステムにより各種データを送受信可能である。
アシスト設定部２００は、例えばタッチパネル方式により、台車１００Ｂの運行パターン（搬送速度、搬送経路上の中継場所の有無等）や目標位置、吊り荷５０３のパラメータ（吊り荷の種類、振れ止め制御を行わずに通常の搬送を行う場合の重心位置等）を設定するためのものである。なお、２０１は、上記運行パターンに応じたモータ制御用プログラムや吊り荷５０３のパラメータ等が格納されたメモリカードを示している。
【００２２】
更に、１０３は吊り荷５０３の高さ（地上からの距離）を検出するための距離検出部であり、光学式エンコーダ等を利用して、ワイヤロープ５１０を巻き上げ、または巻き下げるドラム５０９の回転数から吊り荷５０３の高さを検出するようになっている。ここで、ドラム５０９は台車１００Ｂ上に固定されているものとする。
１０４は基台１００Ａ及び台車１００ＢのＸ方向、Ｙ方向の位置を検出するための距離検出部であり、詳しくは、図２（ａ）に示すように構成されている。
【００２３】
すなわち、図２（ａ）において、１０４ａ，１０４ｂは基台１００Ａの端部に固定されたレーザ距離計、１０５ａは台車１００Ｂの側面に固定された反射板、１０５ｂは基台１００Ａの外部の適宜な静止位置に固定された反射板であり、これらによって図１の距離検出部１０４が構成される。
反射板１０５ａからのレーザ反射光を受光するレーザ距離計１０４ａの出力信号を用いれば台車１００ＢのＸ方向の位置（距離）を検出することができ、同様に反射板１０５ｂからのレーザ反射光を受光するレーザ距離計１０４ｂの出力信号を用いれば基台１００ＡのＹ方向の位置（距離）を検出することができる。よって、これらの検出値から台車１００Ｂ言い換えれば吊り荷５０３の絶対位置が求められ、吊り荷５０３の搬送先である目標位置（アシスト設定部２００により設定される）までの距離も求められる。
【００２４】
再び図１において、１０６はスプレッダ操作部であり、吊り荷５０３を保持するスプレッダ５０５のロック・アンロック操作を行うためのものである。このスプレッダ操作部１０６の動作は、機械式制御となっている。
３００は作業員による遠隔操作用の無線送信部であり、基台１００Ａ側に設置された受信部１１７を介してアシスト制御部１０１及びクレーン制御部１１０に指令を送り、本発明に係る振れ止め制御による搬送モードと振れ止め制御を行わない通常の搬送モードとの選択、クレーン搬送システム全体の起動、停止等を行わせる。
１１８は地上の作業員がクレーン本体１００の行先を確認するための行先表示灯であり、この行先はアシスト制御部１０１から表示データとして行先表示灯１１８に与えられる。
【００２５】
更に、スプレッダ５０５の上端部には、振れ角センサ５１２が取り付けられている。この振れ角センサ５１２は、台車側のドラム５０９を支点としたワイヤロープ５１０、ビーム５０４、ロープ５１１、スプレッダ５０５及び吊り荷５０３等からなる二重振り子構造における吊り荷５０３の振れ角度φ（図４参照）を検出するものであり、この振れ角度φは受信部１０２または受信部１１７を介してアシスト制御部１０１に無線にて送信されるようになっている。
【００２６】
次に、図３は本実施形態における概略的な機能ブロック図である。ここでは、台車１００ＢをＸ方向に駆動する場合について説明するが、Ｙ方向に駆動する場合も実質的に同様である。
図３において、位置決め制御手段１２０には、台車１００Ｂの目標位置ｘｒと位置検出値ｘとの偏差が入力され、その出力である速度目標値が速度制御手段１４０に入力される。速度制御手段１４０では、図示されていない速度検出値が速度目標値に一致するように制御が行われ、第１の操作量ｕ１０が出力される。
【００２７】
一方、台車１００Ｂから吊り下げられた二重振り子構造部１５０は、台車１００Ｂと共に目標位置ｘｒまで搬送される。ここで、二重振り子構造部１５０は、図１におけるドラム５０９、ワイヤロープ５１０、ビーム５０４、ロープ５１１、スプレッダ５０５、吊り荷５０３からなるものである。
吊り荷５０３の振れ角度φは、前述した振れ角センサ５１２によって検出され、振れ止め制御手段１３０に入力される。この制御手段１３０からは振れ止め制御を行うための第２の操作量ｕ２０が出力され、前記第１の操作量ｕ１０と第２の操作量ｕ２０との加算値が、最終的な操作量として台車１００Ｂに与えられる。
ここで、位置決め制御手段１２０及び振れ止め制御手段１３０は、主として図１のアシスト制御部１０１により実現され、速度制御手段１４０は図１のクレーン制御部１１０及びインバータ並びにモータ１１１〜１１６により実現される。
【００２８】
図４は、二重振り子構造部１５０及び振れ角センサ５１２を含む二重振り子モデルの説明図である。
図４において、Ｍは台車１００Ｂの質量、ｍ１はビーム５０４の質量（第１の質点）、ｍ２はスプレッダ５０５及び吊り荷５０３の合計質量（第２の質点）、Ｌ１はワイヤロープ５１０の長さ、Ｌ２はロープ５１１の長さ、Ｌ３は台車１００Ｂから質点ｍ２までの長さ、θ１は台車１００Ｂからの鉛直線と質点ｍ１との間の角度、θ２は質点ｍ１からの鉛直線と質点ｍ２との間の角度、φは振れ角センサ５１２によって検出される、鉛直線からの振れ角度である。
【００２９】
次いで、図５及び図６は、図３に対応する制御ブロック図である。
まず、図５において、Ｋｐは位置決め制御手段１２０の伝達関数（ゲイン）、Ｋｓは速度制御手段１４０の伝達関数（ゲイン）である。また、操作量ｕが入力される台車１００Ｂ及び二重振り子構造部１５０において、ａ１１，ａ１２，ａ２１，ａ２２，ａ３１，ｂ１，ｂ２はパラメータ、１／ｓは積分手段（ｓはラプラス演算子）、Ｌ１，Ｌ２は前述したごとくワイヤロープ５１０及びロープ５１１の長さを示している。
ここで、台車１００Ｂは、操作量ｕ及び角度θ１に基づき位置（位置検出値）ｘを出力し、二重振り子構造部１５０は、操作量ｕに基づいて角度θ１，θ２とロープ長Ｌ１，Ｌ２とのそれぞれの乗算結果並びに角度θ１を出力するように作用する。
また、二重振り子構造部１５０から出力されるＬ１θ１とＬ２θ２との加算結果は、ロープ５１０，５１１のパラメータ１５１を介して振れ角センサ５１２に作用し、その出力である振れ角度φが位置決め制御手段１３０を介して操作量ｕ２０にフィードバックされる。なお、操作量ｕ２０は、図示するようにフィードバックゲインｆ１，ｆ２と振れ角度φ及びその一階微分値（本文上、「・」を所定位置に表記できないため、φの一階微分値を「φドット」ともいい、φの二階微分値を「φツードット」ともいう。）によって表されるものとする。
【００３０】
図６は、図５における位置決め制御手段１２０及び速度制御手段１４０の伝達関数をフィードバックゲインｆ１，ｆ２に置き換えたものである。
この実施形態では、図６に示した制御ブロックにおいて、振れ角センサ５１２から送信される振れ角度φをアシスト制御部１０１内の振れ止め制御手段１３０に直接取り込み、第２の操作量ｕ２０にフィードバックして最終的な操作量ｕ２０を得ることとし、後述するような演算により制御系のフィードバックゲイン及びパラメータを求めるようにしたものである。
【００３１】
さて、図４に示した二重振り子モデルに対して、質点ｍ１の位置（ｘ，ｙ座標）をｘ１＝ｘ＋Ｌ１ｓｉｎθ１，ｙ１＝Ｌ１ｃｏｓθ１、質点ｍ２の位置（ｘ，ｙ座標）をｘ２＝ｘ１＋Ｌ２ｓｉｎθ２，ｙ２＝ｙ１＋Ｌ２ｃｏｓθ２としたとき、ｃｏｓθ１＝ｃｏｓθ２＝１，ｓｉｎθ１＝θ１，ｓｉｎθ２＝θ２，θ１≒θ２，θ２の１階微分値≒０とそれぞれ近似すると、数式１〜３に示すような線形近似運動方程式が得られる。なお、数式１は第２の質点ｍ２に、数式２は第１の質点ｍ１に、数式３は台車に、それぞれ対応する。
【数１】
【数２】
【数３】
【００３２】
ここで、図６の制御ブロック図から数式４を仮定すると、この数式４と数式３とから数式５が得られ、更に数式６が得られる。なお、ｍ＝ｍ１＋ｍ２，Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２である。
【数４】
【数５】
【数６】
【００３３】
数式６の左辺第４項〜第９項までを、数式７のようにおき、これを行列式に変換して数式８を得る。なお、数式８の左辺における各係数行列を、数式中に付記したようにそれぞれＭ０，Ｌとする。
【数７】
【数８】
【００３４】
数式８をベクトル形式で表し、更にラプラス演算子を用いて表すと、それぞれ数式９、数式１０となる。
【数９】
【数１０】
【００３５】
数式１０の解をｕ１，ｕ２とすると、数式１１、数式１２を得る。
【数１１】
【数１２】
【００３６】
数式１０、数式１２から、数式１３、数式１４を得る。
【数１３】
【数１４】
【００３７】
数式１３から数式１５、数式１６が得られ、数式１４から数式１７、数式１８が得られる。また、数式１５、数式１６から数式１９が、数式１７、数式１８から数式２０が得られる。
【数１５】
【数１６】
【数１７】
【数１８】
【数１９】
【数２０】
【００３８】
ここで、ωｃを振れ止め制御周期として、数式２１を仮定すると、数式２２が得られる。また、数式２２の最下段の式を解くことにより、数式２３の上段に示すようにｕ２が得られ、また、数式２２の最上段の関係から、数式２３の下段に示す如くｕ１が得られる。
【００３９】
【数２１】
【数２２】
【数２３】
【００４０】
このようにして数式２３により求めたｕ１，ｕ２を数式１９、数式２０に代入することにより、図６の振れ止め制御手段１３０におけるフィードバックゲインｆ１，ｆ２を決定することができる。
【００４１】
なお、前述の数式４に示したように、第２の操作量ｕ２０を角度θ１，θ２及びロープ長Ｌ１，Ｌ２から求められればよいが、本実施形態において角度θ１，θ２を直接検出することはできず、振れ角センサ５１２によって検出されるのは振れ角度φだけである。
このため、数式２４が成り立てば、前述したフィードバックゲインｆ１，ｆ２と、振れ角センサ５１２によって検出される振れ角度φから第２の操作量ｕ２０を求めることができる。
【数２４】
【００４２】
ここで、図４の二重振り子モデルにおいて、質点ｍ２のｘ座標、ｙ座標に関して数式２５が成り立ち、数式２５におけるφ≒０とおくと、数式２６が成り立つ。更に、この数式２６から数式２７が導かれるので、結果として数式２４が成り立つことになり、図６の振れ止め制御手段１３０は、振れ角度φに基づいて操作量ｕ２０を求めることができる。
【数２５】
【数２６】
【数２７】
【００４３】
次に、図５における位置決め制御系について説明し、図６に示したフィードバックゲインｆ３，ｆ４の算出方法について説明する。
図７は、位置決め制御系の制御ブロック図である。この図７から、数式２８〜数式３０が得られる。なお、前述したようにＫｐは位置決め制御手段１２０の伝達関数、Ｋｓは速度制御手段１４０の伝達関数、Ｍは台車１００Ｂの質量、ｍ＝ｍ１＋ｍ２である。
【数２８】
【数２９】
【数３０】
【００４４】
これらの数式２８〜数式３０から、数式３１が得られる。
【数３１】
【００４５】
前述した数式４から、数式３２の上段の式が得られ、この式におけるｕ１＊を数式２８に代入することにより、数式３２の下段の式が得られる。
【数３２】
【００４６】
数式３１及び数式３２の下段の式を比較して、数式３３が得られる。すなわち、数式６におけるフィードバックゲインｆ３，ｆ４は数式３３のように設定すればよい。
【数３３】
【００４７】
次に、数式３３におけるＫｓ，Ｋｐの算出方法を説明する。
まず、Ｋｓを算出するには、図８に示すような速度制御系の制御ブロック図を想定すると、数式３４〜数式３６が得られ、数式３６を変形して数式３７、数式３８が得られるため、この数式３８からＫｓを求めることができる。なお、Ｔｓは台車１００Ｂの加速時間に相当する。
【数３４】
【数３５】
【数３６】
【数３７】
【数３８】
【００４８】
また、Ｋｐは、例えば、Ｋｐ＝（Ｔｓ／２）／２σによって算出すればよい。ここで、σは速度制御の遅れ時間である。
【００４９】
次いで、図６に示した制御ブロック図における各パラメータａ１１，ａ１２，ａ２１，ａ２２，ａ３１，ｂ１，ｂ２の算出方法について説明する。
まず、数式１から求めたｘ（ツードット）を数式２に代入し、数式３９を得る。
【数３９】
【００５０】
数式３９にｍ＝ｍ１＋ｍ２を代入して整理し、数式４０を得る。
【数４０】
また、数式１、数式３からｘ（ツードット）を消去して数式４１、数式４２を得る。
【数４１】
【数４２】
【００５１】
次に、数式４０×（Ｍｍ１）＋数式４２×（ｍ１）の演算を行い、θ２（ツードット）を消去して数式４３を得ると共に、これを変形して数式４４を得る。
【数４３】
【数４４】
【００５２】
数式４４から数式４５を得ることができ、数式４５におけるθ１，θ２，ｕの係数からパラメータａ１１，ａ１２，ｂ１を求めることができる。
また、数式４０から数式４６を得ることができ、数式４６におけるθ１，θ２の係数からパラメータａ２１，ａ２２を求めることができる。
【数４５】
【数４６】
【００５３】
更に、数式４０と数式４２とを加算して数式４７を得ると共に、数式１にＭを乗じて数式４８を得る。
【数４７】
【数４８】
【００５４】
数式４７、数式４８から数式４９によりｘ（ツードット）を求め、この数式４９を数式５０のように変形して、θ１，ｕの係数からパラメータａ３１，ｂ２をそれぞれ求めることができる。
【数４９】
【数５０】
【００５５】
なお、数式５１の行列式は、図６におけるロープ長Ｌ１，Ｌ２を除いた台車１００Ｂ及び二重振り子構造部１５０の入出力関係を、上記パラメータａ１１，ａ１２，ａ２１，ａ２２，ａ３１，ｂ１，ｂ２を用いて表したものである。
【数５１】
【００５６】
ここで、図９は、本実施形態により振れ止め制御を行った場合の台車１００Ｂの位置、速度、及び、振れ角センサ５１２による振れ角度φのフィードバック信号をシミュレーションした結果を示している。
シミュレーションの条件として、ロープ長はＬ１＝０．６［ｍ］，Ｌ２＝０．３［ｍ］とし、フィードバックゲインはｆ１＝−４．５，ｆ２＝−２．７３，ｆ３＝２０，ｆ４＝１００とし、Ｋｓ＝２０，Ｋｐ＝５とした。
この図９によれば、台車１００Ｂの位置が目標位置に到達した時点で速度はほぼゼロとなり、同時に振れ角度φもほぼゼロに収束して良好な振れ止め制御が行われていることがわかる。
【００５７】
上記実施形態では、ドラム５０９により吊り荷５０３を昇降する機構を備えたクレーン搬送システムについて説明したが、本発明は、吊り荷５０３の昇降機構を持たず、少なくとも吊り荷を水平方向に搬送するクレーン搬送システムであれば適用可能である。
また、本発明は、ビーム５０４、スプレッダ５０５及び吊り荷５０３等からなる二重振り子構造だけでなく、図１０に示したような単振り子構造のクレーンにも適用可能である。その場合には、図５及び図６の二重振り子構造部１５０におけるパラメータａ１２，ａ２１，ａ２２，二段階の積分手段（１／ｓ）及びロープ長Ｌ２の部分を除いて、単振り子構造部の制御系を構成すればよい。
なお、吊り荷５０３の昇降機構や走行・横行機構は、図示例に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５８】
１００：クレーン本体
１００Ａ：基台
１００Ｂ：台車
１０１：アシスト制御部
１０２：受信部
１０３，１０４：距離検出部
１０４ａ，１０４ｂ：レーザ距離計
１０５ａ，１０５ｂ：反射板
１０６：スプレッダ操作部
１１０：クレーン制御部
１１１，１１３，１１５：インバータ
１１２，１１４，１１６：モータ
１１７：受信部
１１８：行先表示灯
１２０：位置決め制御手段
１３０：振れ止め制御手段
１４０：速度制御手段
１５０：二重振り子構造部
２００：振れ止め設定部
２０１：メモリカード
３００：無線送信部
５０３：吊り荷
５０４：ビーム
５０５：スプレッダ
５０９：ドラム
５１０：ワイヤロープ
５１１：ロープ
５１２：振れ角センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天井型クレーンの台車を自動運転して吊り荷を目標位置に搬送する天井型クレーン搬送システムにおいて、吊り荷を搬送する際の加減速終了時における振動を低減するためのクレーンの振れ止め制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のクレーン搬送システムでは、ある位置に置かれた吊り荷を吊り上げて目標位置まで搬送し、吊り荷を降ろすという一連の動作のサイクルタイムを減少させるため、水平方向へ搬送する際の加減速終了時における吊り荷の振動を抑制する制御（いわゆる振れ止め制御）が採用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、クレーン台車の実際位置を目標位置に一致させるような位置制御部の出力と、フィードバック量算出部の出力との偏差を目標速度としてクレーン台車の速度を制御する制御装置であって、クレーン台車の位置、速度、ロープの振れ角度、振れ角速度をセンサによりそれぞれ検出してこれらに最適フィードバックゲインを乗じた値の加算値を前記フィードバック量とすると共に、前記最適フィードバックゲインを、ロープ長及びスラブ重量の変化に対してロバスト安定性を有する値となるように決定するクレーンの振れ止め移動制御装置が記載されている。
【０００４】
特許文献２には、クレーンの状態量を測定するクレーン状態量測定装置と、クレーンの停止時に前記状態量に基づいてクレーンの振れ止め・位置制御に必要なパラメータを推定学習する状態量推定・学習装置とを備え、環境変化やクレーンの経年変化がある場合でも、学習済みのパラメータを用いることで高精度に吊り荷の振れ止め・位置制御を行うようにしたクレーンの振れ止め・位置制御装置が記載されている。
【０００５】
特許文献３には、吊り荷の吊り下げ時の台車の加速度がゼロであるときの吊り荷の振れ角がゼロとなるような速度パターンを指令として用い、台車の現在位置をフィードバックして速度パターンに追従させつつ台車を所定距離まで移動させる速度指令値を生成するための位置制御手段と、前記速度パターンと吊り荷の数学モデルに基づき吊り荷の動作指令を求める吊り荷運動モデルと、前記振れ角から吊り荷の動作量を推定する吊り荷動作推定手段と、推定された動作量を動作指令に追従させる補償量を算出して速度指令値を補償する補償手段と、を備えたクレーンの振れ止め制御装置及び制御方法が記載されている。
【０００６】
特許文献４には、クレーン等の移動体の振動をモデル化してその固有周期を求め、加減速時の加速度パターンをジャーク（加速度の時間微分値）一定の台形パターンとし、各ジャーク一定時間を固有周期の整数倍として加速度パターンを設定すると共に、この加速度パターンに従って移動体の移動を制御しつつ移動体の状態変数を検出し、加速度パターンによる状態変数の目標値と検出値との偏差に基づいて移動体をフィードバック制御するようにした制振位置決め制御方法及び装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−７２７４号公報（段落［０００８］〜［００１２］、図１〜図３等）
【特許文献２】特開２００３−１７６０９３号公報（段落［０００９］，［００１０］、図１等）
【特許文献３】特開２００９−６７５０７号公報（段落［００１０］〜［００１４］、図１〜図４等）
【特許文献４】特開２０１０−９１９７号公報（段落［００１５］〜［００２６］、図４，図５，図７等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に係る従来技術では、最適フィードバックゲインの算出やロバスト安定性を有する制御則の導出に複雑な演算を必要とするため、実用性に乏しく、現場向きでないという問題がある。
特許文献２に係る従来技術では、制御に必要なパラメータを過去の運転結果から学習するので、運転期間が短く学習が不十分な場合には高精度な振れ止め制御が難しいという問題がある。
特許文献３に係る従来技術は、速度パターンに基づいた加減速制御と比例制御または比例積分制御による位置制御との組み合わせで制御を行っており、制御系の構成が比較的複雑である。
特許文献４に係る従来技術は、ジャーク一定時間をモデルの固有周期の整数倍に設定した台形の加速度パターンに基づいて加減速制御するものであり、加速度パターンの設定装置や状態変数検出装置における演算負荷が少なくない。
【０００９】
更に、特許文献１〜４に係る従来技術では、基本的に、クレーン−吊り荷系を単振り子構造とみなすモデルを用いて位置決め制御を行っている。
すなわち、図１０はクレーン−吊り荷系の単振り子モデルであり、５０１はクレーンの台車、５０２はワイヤロープ、５０３は吊り荷、Ｌはロープ長（台車５０１から吊り荷５０３の重心までの距離）、θ０は吊り荷５０３の振れ角度である。
ここで、台車５０１の加速時間及び減速時間（吊り荷５０３の振れ周期）ＴはＴ＝２π√（Ｌ／ｇ）によって表されることが知られており（ｇは重力加速度）、台車５０１の加速終了時及び減速終了時に吊り荷５０３の振れ角度θ０が何れも０になるため、距離Ｌから求めた加減速時間Ｔに基づき速度パターンを作成して台車５０１を走行させれば、理論上、吊り荷５０３の振れ止め制御を行うことができる。
【００１０】
しかしながら、図１１に示すように、ビーム５０４及びスプレッダ５０５を用いて吊り荷５０３を搬送する天井型クレーン搬送システムは、いわゆる二重振り子構造となっている。すなわち、ビーム５０４と、スプレッダ５０５及び吊り荷５０３の結合体との固有振動数がそれぞれ異なるため、台車５０１から吊り荷５０３の重心までの距離Ｌを求めてＴ＝２π√（Ｌ／ｇ）により周期Ｔつまり加減速時間を求めたとしても、この加減速時間Ｔでは正確に振れ止めを行うことができない。なお、図１１において、５０７，５０８は滑車、５０９は巻き上げ・巻き下げ用のドラム、５１０はワイヤロープ、５１１はロープを示す。
このように、二重振り子構造のクレーン搬送システムにおいては、台車５０１から吊り荷５０３の重心までの距離Ｌに基づいて加減速時間を決定することができず、振れ止め制御の精度が低くなるという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明の解決課題は、二重振り子構造、単振り子構造を含むクレーン搬送システムにおいて、速度パターンを持たずに、吊り荷の振れ止めを高精度に実現可能としたクレーンの振れ止め制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、吊り荷及びその支持構造が単振り子構造または多重振り子構造を構成し、クレーン本体の台車を駆動して吊り荷を目標位置まで搬送するクレーン搬送システムにおいて、
吊り荷の振動による振れ角度を検出する振れ角センサと、
吊り荷の速度検出値及び位置検出値をフィードバックして吊り荷を前記目標位置まで搬送するための第１の操作量を演算し、かつ、前記振れ角センサから得られた前記振れ角度をフィードバックして吊り荷の振れ止めを行うための第２の操作量を演算する演算制御手段と、
前記第１の操作量及び第２の操作量を加算して前記台車に与える手段と、を備えたものである。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載したクレーンの振れ止め制御装置において、前記吊り荷及びその支持構造が二重振り子構造を構成していることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載したクレーンの振れ止め制御装置において、吊り荷及びその支持構造が、前記台車側の支点から吊り下げられた第１の質点と、この第１の質点から吊り下げられた吊り荷を含む第２の質点と、を有する二重振り子構造であり、
前記演算制御手段は、前記振れ角度が、
前記支点から第１の質点までの距離と、第１の質点から第２の質点までの距離と、前記支点からの鉛直線と第１の質点との間の角度と、第１の質点からの鉛直線と第２の質点との間の角度と、を用いて表されるものとして、第２の操作量を演算するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、二重振り子構造、単振り子構造を含むクレーン搬送システムにおいて、予め設定された速度パターンを用いることなく、吊り荷の振れ止め制御を高精度に実現することができる。これにより、クレーン搬送システムにおけるサイクルタイムの短縮が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態における天井型クレーン搬送システムの主要部構成図である。
【図２】図１におけるクレーン本体の概略説明図である。
【図３】本発明の実施形態における概略的な機能ブロック図である。
【図４】本発明の実施形態における二重振り子モデルの説明図である。
【図５】図３に対応する制御ブロック図である。
【図６】図３に対応する制御ブロック図である。
【図７】図５における位置決め制御系を示す制御ブロック図である。
【図８】Ｋｓを算出するための制御ブロック図である。
【図９】本実施形態によるシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】クレーン−吊り荷系の単振り子モデルの説明図である。
【図１１】二重振り子構造を有する天井型クレーン搬送システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本実施形態に係る天井型クレーン搬送システムの主要部構成図、図２は図１におけるクレーン本体１００の概略説明図（図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は側面図）であり、建屋内の天井（高所）に設置されたクレーン本体１００によって吊り荷５０３を始点位置から目標位置まで搬送するシステムを示している。ここで、主に吊り荷５０３の支持構造に関して、図１１と同一の構成要素には同一の番号を付してある。
本実施形態において、吊り荷５０３は例えばプレス加工用の金型であり、この金型を天井型クレーン搬送システムにより金型置場とプレス機との間で搬送する場合を想定しているが、本発明における吊り荷の種類や搬送場所等は何ら限定されないことは言うまでもない。
【００１８】
クレーン本体１００は、図２に示すように基台１００Ａと台車１００Ｂとを備えている。基台１００Ａは図１，図２のＹ方向、台車１００ＢはＸ方向にそれぞれ走行可能であるものとし、これによって台車１００Ｂに吊り下げられた吊り荷５０３はＸ−Ｙ平面を水平方向に移動可能である。なお、台車１００ＢのＸ方向の移動を「走行」、基台１００ＡのＹ方向の移動を「横行」という。また、図１には、吊り荷５０３の昇降方向をＺで示している。
図１では、基台１００Ａ及び台車１００Ｂを図示しておらず、これらを有するクレーン本体１００を一つのブロックとして示してあるが、このブロック内の各構成要素は、基台１００Ａまたは台車１００Ｂの何れかに配置されるものである。
【００１９】
始めに、図１を参照しながらクレーン本体１００の構成を説明する。
クレーン本体１００において、１１０はＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラあるいはシーケンサ）等により構成されたクレーン制御部であり、後述するアシスト制御部１０１からの運転指令に従い、インバータ１１１，１１３，１１５を運転して走行用モータ１１２、横行用モータ１１４、ドラム５０９の駆動用（巻き上げ・巻き下げ用）モータ１１６をそれぞれ駆動するようになっている。ここで、クレーン制御部１１０及びインバータ１１１，１１３，１１５による各モータ１１２，１１４，１１６の駆動システムや、モータ１１２による台車１００Ｂの走行機構、モータ１１４による基台１００Ａの走行機構、モータ１１６によるドラム５０９の駆動機構は、何れも既知のものであり、本発明の要旨ではないため、詳述を省略する。
【００２０】
アシスト制御部１０１も同じくＰＬＣ等の演算制御手段により構成されており、主として前記モータ１１２，１１４，１１６に対する運転指令や走行時、横行時に吊り荷５０３の振れ止めを行うための速度指令を前記クレーン制御部１１０に送出する機能を備えている。
【００２１】
アシスト制御部１０１には受信部１０２が接続されており、この受信部１０２は、作業員が地上で設定操作するアシスト設定部２００との間で、無線ＬＡＮシステムにより各種データを送受信可能である。
アシスト設定部２００は、例えばタッチパネル方式により、台車１００Ｂの運行パターン（搬送速度、搬送経路上の中継場所の有無等）や目標位置、吊り荷５０３のパラメータ（吊り荷の種類、振れ止め制御を行わずに通常の搬送を行う場合の重心位置等）を設定するためのものである。なお、２０１は、上記運行パターンに応じたモータ制御用プログラムや吊り荷５０３のパラメータ等が格納されたメモリカードを示している。
【００２２】
更に、１０３は吊り荷５０３の高さ（地上からの距離）を検出するための距離検出部であり、光学式エンコーダ等を利用して、ワイヤロープ５１０を巻き上げ、または巻き下げるドラム５０９の回転数から吊り荷５０３の高さを検出するようになっている。ここで、ドラム５０９は台車１００Ｂ上に固定されているものとする。
１０４は基台１００Ａ及び台車１００ＢのＸ方向、Ｙ方向の位置を検出するための距離検出部であり、詳しくは、図２（ａ）に示すように構成されている。
【００２３】
すなわち、図２（ａ）において、１０４ａ，１０４ｂは基台１００Ａの端部に固定されたレーザ距離計、１０５ａは台車１００Ｂの側面に固定された反射板、１０５ｂは基台１００Ａの外部の適宜な静止位置に固定された反射板であり、これらによって図１の距離検出部１０４が構成される。
反射板１０５ａからのレーザ反射光を受光するレーザ距離計１０４ａの出力信号を用いれば台車１００ＢのＸ方向の位置（距離）を検出することができ、同様に反射板１０５ｂからのレーザ反射光を受光するレーザ距離計１０４ｂの出力信号を用いれば基台１００ＡのＹ方向の位置（距離）を検出することができる。よって、これらの検出値から台車１００Ｂ言い換えれば吊り荷５０３の絶対位置が求められ、吊り荷５０３の搬送先である目標位置（アシスト設定部２００により設定される）までの距離も求められる。
【００２４】
再び図１において、１０６はスプレッダ操作部であり、吊り荷５０３を保持するスプレッダ５０５のロック・アンロック操作を行うためのものである。このスプレッダ操作部１０６の動作は、機械式制御となっている。
３００は作業員による遠隔操作用の無線送信部であり、基台１００Ａ側に設置された受信部１１７を介してアシスト制御部１０１及びクレーン制御部１１０に指令を送り、本発明に係る振れ止め制御による搬送モードと振れ止め制御を行わない通常の搬送モードとの選択、クレーン搬送システム全体の起動、停止等を行わせる。
１１８は地上の作業員がクレーン本体１００の行先を確認するための行先表示灯であり、この行先はアシスト制御部１０１から表示データとして行先表示灯１１８に与えられる。
【００２５】
更に、スプレッダ５０５の上端部には、振れ角センサ５１２が取り付けられている。この振れ角センサ５１２は、台車側のドラム５０９を支点としたワイヤロープ５１０、ビーム５０４、ロープ５１１、スプレッダ５０５及び吊り荷５０３等からなる二重振り子構造における吊り荷５０３の振れ角度φ（図４参照）を検出するものであり、この振れ角度φは受信部１０２または受信部１１７を介してアシスト制御部１０１に無線にて送信されるようになっている。
【００２６】
次に、図３は本実施形態における概略的な機能ブロック図である。ここでは、台車１００ＢをＸ方向に駆動する場合について説明するが、Ｙ方向に駆動する場合も実質的に同様である。
図３において、位置決め制御手段１２０には、台車１００Ｂの目標位置ｘｒと位置検出値ｘとの偏差が入力され、その出力である速度目標値が速度制御手段１４０に入力される。速度制御手段１４０では、図示されていない速度検出値が速度目標値に一致するように制御が行われ、第１の操作量ｕ１０が出力される。
【００２７】
一方、台車１００Ｂから吊り下げられた二重振り子構造部１５０は、台車１００Ｂと共に目標位置ｘｒまで搬送される。ここで、二重振り子構造部１５０は、図１におけるドラム５０９、ワイヤロープ５１０、ビーム５０４、ロープ５１１、スプレッダ５０５、吊り荷５０３からなるものである。
吊り荷５０３の振れ角度φは、前述した振れ角センサ５１２によって検出され、振れ止め制御手段１３０に入力される。この制御手段１３０からは振れ止め制御を行うための第２の操作量ｕ２０が出力され、前記第１の操作量ｕ１０と第２の操作量ｕ２０との加算値が、最終的な操作量として台車１００Ｂに与えられる。
ここで、位置決め制御手段１２０及び振れ止め制御手段１３０は、主として図１のアシスト制御部１０１により実現され、速度制御手段１４０は図１のクレーン制御部１１０及びインバータ並びにモータ１１１〜１１６により実現される。
【００２８】
図４は、二重振り子構造部１５０及び振れ角センサ５１２を含む二重振り子モデルの説明図である。
図４において、Ｍは台車１００Ｂの質量、ｍ１はビーム５０４の質量（第１の質点）、ｍ２はスプレッダ５０５及び吊り荷５０３の合計質量（第２の質点）、Ｌ１はワイヤロープ５１０の長さ、Ｌ２はロープ５１１の長さ、Ｌ３は台車１００Ｂから質点ｍ２までの長さ、θ１は台車１００Ｂからの鉛直線と質点ｍ１との間の角度、θ２は質点ｍ１からの鉛直線と質点ｍ２との間の角度、φは振れ角センサ５１２によって検出される、鉛直線からの振れ角度である。
【００２９】
次いで、図５及び図６は、図３に対応する制御ブロック図である。
まず、図５において、Ｋｐは位置決め制御手段１２０の伝達関数（ゲイン）、Ｋｓは速度制御手段１４０の伝達関数（ゲイン）である。また、操作量ｕが入力される台車１００Ｂ及び二重振り子構造部１５０において、ａ１１，ａ１２，ａ２１，ａ２２，ａ３１，ｂ１，ｂ２はパラメータ、１／ｓは積分手段（ｓはラプラス演算子）、Ｌ１，Ｌ２は前述したごとくワイヤロープ５１０及びロープ５１１の長さを示している。
ここで、台車１００Ｂは、操作量ｕ及び角度θ１に基づき位置（位置検出値）ｘを出力し、二重振り子構造部１５０は、操作量ｕに基づいて角度θ１，θ２とロープ長Ｌ１，Ｌ２とのそれぞれの乗算結果並びに角度θ１を出力するように作用する。
また、二重振り子構造部１５０から出力されるＬ１θ１とＬ２θ２との加算結果は、ロープ５１０，５１１のパラメータ１５１を介して振れ角センサ５１２に作用し、その出力である振れ角度φが位置決め制御手段１３０を介して操作量ｕ２０にフィードバックされる。なお、操作量ｕ２０は、図示するようにフィードバックゲインｆ１，ｆ２と振れ角度φ及びその一階微分値（本文上、「・」を所定位置に表記できないため、φの一階微分値を「φドット」ともいい、φの二階微分値を「φツードット」ともいう。）によって表されるものとする。
【００３０】
図６は、図５における位置決め制御手段１２０及び速度制御手段１４０の伝達関数をフィードバックゲインｆ１，ｆ２に置き換えたものである。
この実施形態では、図６に示した制御ブロックにおいて、振れ角センサ５１２から送信される振れ角度φをアシスト制御部１０１内の振れ止め制御手段１３０に直接取り込み、第２の操作量ｕ２０にフィードバックして最終的な操作量ｕ２０を得ることとし、後述するような演算により制御系のフィードバックゲイン及びパラメータを求めるようにしたものである。
【００３１】
さて、図４に示した二重振り子モデルに対して、質点ｍ１の位置（ｘ，ｙ座標）をｘ１＝ｘ＋Ｌ１ｓｉｎθ１，ｙ１＝Ｌ１ｃｏｓθ１、質点ｍ２の位置（ｘ，ｙ座標）をｘ２＝ｘ１＋Ｌ２ｓｉｎθ２，ｙ２＝ｙ１＋Ｌ２ｃｏｓθ２としたとき、ｃｏｓθ１＝ｃｏｓθ２＝１，ｓｉｎθ１＝θ１，ｓｉｎθ２＝θ２，θ１≒θ２，θ２の１階微分値≒０とそれぞれ近似すると、数式１〜３に示すような線形近似運動方程式が得られる。なお、数式１は第２の質点ｍ２に、数式２は第１の質点ｍ１に、数式３は台車に、それぞれ対応する。
【数１】
【数２】
【数３】
【００３２】
ここで、図６の制御ブロック図から数式４を仮定すると、この数式４と数式３とから数式５が得られ、更に数式６が得られる。なお、ｍ＝ｍ１＋ｍ２，Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２である。
【数４】
【数５】
【数６】
【００３３】
数式６の左辺第４項〜第９項までを、数式７のようにおき、これを行列式に変換して数式８を得る。なお、数式８の左辺における各係数行列を、数式中に付記したようにそれぞれＭ０，Ｌとする。
【数７】
【数８】
【００３４】
数式８をベクトル形式で表し、更にラプラス演算子を用いて表すと、それぞれ数式９、数式１０となる。
【数９】
【数１０】
【００３５】
数式１０の解をｕ１，ｕ２とすると、数式１１、数式１２を得る。
【数１１】
【数１２】
【００３６】
数式１０、数式１２から、数式１３、数式１４を得る。
【数１３】
【数１４】
【００３７】
数式１３から数式１５、数式１６が得られ、数式１４から数式１７、数式１８が得られる。また、数式１５、数式１６から数式１９が、数式１７、数式１８から数式２０が得られる。
【数１５】
【数１６】
【数１７】
【数１８】
【数１９】
【数２０】
【００３８】
ここで、ωｃを振れ止め制御周期として、数式２１を仮定すると、数式２２が得られる。また、数式２２の最下段の式を解くことにより、数式２３の上段に示すようにｕ２が得られ、また、数式２２の最上段の関係から、数式２３の下段に示す如くｕ１が得られる。
【００３９】
【数２１】
【数２２】
【数２３】
【００４０】
このようにして数式２３により求めたｕ１，ｕ２を数式１９、数式２０に代入することにより、図６の振れ止め制御手段１３０におけるフィードバックゲインｆ１，ｆ２を決定することができる。
【００４１】
なお、前述の数式４に示したように、第２の操作量ｕ２０を角度θ１，θ２及びロープ長Ｌ１，Ｌ２から求められればよいが、本実施形態において角度θ１，θ２を直接検出することはできず、振れ角センサ５１２によって検出されるのは振れ角度φだけである。
このため、数式２４が成り立てば、前述したフィードバックゲインｆ１，ｆ２と、振れ角センサ５１２によって検出される振れ角度φから第２の操作量ｕ２０を求めることができる。
【数２４】
【００４２】
ここで、図４の二重振り子モデルにおいて、質点ｍ２のｘ座標、ｙ座標に関して数式２５が成り立ち、数式２５におけるφ≒０とおくと、数式２６が成り立つ。更に、この数式２６から数式２７が導かれるので、結果として数式２４が成り立つことになり、図６の振れ止め制御手段１３０は、振れ角度φに基づいて操作量ｕ２０を求めることができる。
【数２５】
【数２６】
【数２７】
【００４３】
次に、図５における位置決め制御系について説明し、図６に示したフィードバックゲインｆ３，ｆ４の算出方法について説明する。
図７は、位置決め制御系の制御ブロック図である。この図７から、数式２８〜数式３０が得られる。なお、前述したようにＫｐは位置決め制御手段１２０の伝達関数、Ｋｓは速度制御手段１４０の伝達関数、Ｍは台車１００Ｂの質量、ｍ＝ｍ１＋ｍ２である。
【数２８】
【数２９】
【数３０】
【００４４】
これらの数式２８〜数式３０から、数式３１が得られる。
【数３１】
【００４５】
前述した数式４から、数式３２の上段の式が得られ、この式におけるｕ１＊を数式２８に代入することにより、数式３２の下段の式が得られる。
【数３２】
【００４６】
数式３１及び数式３２の下段の式を比較して、数式３３が得られる。すなわち、数式６におけるフィードバックゲインｆ３，ｆ４は数式３３のように設定すればよい。
【数３３】
【００４７】
次に、数式３３におけるＫｓ，Ｋｐの算出方法を説明する。
まず、Ｋｓを算出するには、図８に示すような速度制御系の制御ブロック図を想定すると、数式３４〜数式３６が得られ、数式３６を変形して数式３７、数式３８が得られるため、この数式３８からＫｓを求めることができる。なお、Ｔｓは台車１００Ｂの加速時間に相当する。
【数３４】
【数３５】
【数３６】
【数３７】
【数３８】
【００４８】
また、Ｋｐは、例えば、Ｋｐ＝（Ｔｓ／２）／２σによって算出すればよい。ここで、σは速度制御の遅れ時間である。
【００４９】
次いで、図６に示した制御ブロック図における各パラメータａ１１，ａ１２，ａ２１，ａ２２，ａ３１，ｂ１，ｂ２の算出方法について説明する。
まず、数式１から求めたｘ（ツードット）を数式２に代入し、数式３９を得る。
【数３９】
【００５０】
数式３９にｍ＝ｍ１＋ｍ２を代入して整理し、数式４０を得る。
【数４０】
また、数式１、数式３からｘ（ツードット）を消去して数式４１、数式４２を得る。
【数４１】
【数４２】
【００５１】
次に、数式４０×（Ｍｍ１）＋数式４２×（ｍ１）の演算を行い、θ２（ツードット）を消去して数式４３を得ると共に、これを変形して数式４４を得る。
【数４３】
【数４４】
【００５２】
数式４４から数式４５を得ることができ、数式４５におけるθ１，θ２，ｕの係数からパラメータａ１１，ａ１２，ｂ１を求めることができる。
また、数式４０から数式４６を得ることができ、数式４６におけるθ１，θ２の係数からパラメータａ２１，ａ２２を求めることができる。
【数４５】
【数４６】
【００５３】
更に、数式４０と数式４２とを加算して数式４７を得ると共に、数式１にＭを乗じて数式４８を得る。
【数４７】
【数４８】
【００５４】
数式４７、数式４８から数式４９によりｘ（ツードット）を求め、この数式４９を数式５０のように変形して、θ１，ｕの係数からパラメータａ３１，ｂ２をそれぞれ求めることができる。
【数４９】
【数５０】
【００５５】
なお、数式５１の行列式は、図６におけるロープ長Ｌ１，Ｌ２を除いた台車１００Ｂ及び二重振り子構造部１５０の入出力関係を、上記パラメータａ１１，ａ１２，ａ２１，ａ２２，ａ３１，ｂ１，ｂ２を用いて表したものである。
【数５１】
【００５６】
ここで、図９は、本実施形態により振れ止め制御を行った場合の台車１００Ｂの位置、速度、及び、振れ角センサ５１２による振れ角度φのフィードバック信号をシミュレーションした結果を示している。
シミュレーションの条件として、ロープ長はＬ１＝０．６［ｍ］，Ｌ２＝０．３［ｍ］とし、フィードバックゲインはｆ１＝−４．５，ｆ２＝−２．７３，ｆ３＝２０，ｆ４＝１００とし、Ｋｓ＝２０，Ｋｐ＝５とした。
この図９によれば、台車１００Ｂの位置が目標位置に到達した時点で速度はほぼゼロとなり、同時に振れ角度φもほぼゼロに収束して良好な振れ止め制御が行われていることがわかる。
【００５７】
上記実施形態では、ドラム５０９により吊り荷５０３を昇降する機構を備えたクレーン搬送システムについて説明したが、本発明は、吊り荷５０３の昇降機構を持たず、少なくとも吊り荷を水平方向に搬送するクレーン搬送システムであれば適用可能である。
また、本発明は、ビーム５０４、スプレッダ５０５及び吊り荷５０３等からなる二重振り子構造だけでなく、図１０に示したような単振り子構造のクレーンにも適用可能である。その場合には、図５及び図６の二重振り子構造部１５０におけるパラメータａ１２，ａ２１，ａ２２，二段階の積分手段（１／ｓ）及びロープ長Ｌ２の部分を除いて、単振り子構造部の制御系を構成すればよい。
なお、吊り荷５０３の昇降機構や走行・横行機構は、図示例に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５８】
１００：クレーン本体
１００Ａ：基台
１００Ｂ：台車
１０１：アシスト制御部
１０２：受信部
１０３，１０４：距離検出部
１０４ａ，１０４ｂ：レーザ距離計
１０５ａ，１０５ｂ：反射板
１０６：スプレッダ操作部
１１０：クレーン制御部
１１１，１１３，１１５：インバータ
１１２，１１４，１１６：モータ
１１７：受信部
１１８：行先表示灯
１２０：位置決め制御手段
１３０：振れ止め制御手段
１４０：速度制御手段
１５０：二重振り子構造部
２００：振れ止め設定部
２０１：メモリカード
３００：無線送信部
５０３：吊り荷
５０４：ビーム
５０５：スプレッダ
５０９：ドラム
５１０：ワイヤロープ
５１１：ロープ
５１２：振れ角センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吊り荷及びその支持構造が単振り子構造または多重振り子構造を構成し、クレーン本体の台車を駆動して吊り荷を目標位置まで搬送するクレーン搬送システムにおいて、
吊り荷の振動による振れ角度を検出する振れ角センサと、
吊り荷の速度検出値及び位置検出値をフィードバックして吊り荷を前記目標位置まで搬送するための第１の操作量を演算し、かつ、前記振れ角センサから得られた前記振れ角度をフィードバックして吊り荷の振れ止めを行うための第２の操作量を演算する演算制御手段と、
前記第１の操作量及び第２の操作量を加算して前記台車に与える手段と、
を備えたことを特徴とするクレーンの振れ止め制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載したクレーンの振れ止め制御装置において、
前記吊り荷及びその支持構造が二重振り子構造を構成していることを特徴とするクレーンの振れ止め制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載したクレーンの振れ止め制御装置において、
吊り荷及びその支持構造が、前記台車側の支点から吊り下げられた第１の質点と、この第１の質点から吊り下げられた吊り荷を含む第２の質点と、を有する二重振り子構造であり、
前記演算制御手段は、
前記振れ角度が、
前記支点から第１の質点までの距離と、第１の質点から第２の質点までの距離と、前記支点からの鉛直線と第１の質点との間の角度と、第１の質点からの鉛直線と第２の質点との間の角度と、を用いて表されるものとして、第２の操作量を演算することを特徴とするクレーンの振れ止め制御装置。
【請求項１】
吊り荷及びその支持構造が単振り子構造または多重振り子構造を構成し、クレーン本体の台車を駆動して吊り荷を目標位置まで搬送するクレーン搬送システムにおいて、
吊り荷の振動による振れ角度を検出する振れ角センサと、
吊り荷の速度検出値及び位置検出値をフィードバックして吊り荷を前記目標位置まで搬送するための第１の操作量を演算し、かつ、前記振れ角センサから得られた前記振れ角度をフィードバックして吊り荷の振れ止めを行うための第２の操作量を演算する演算制御手段と、
前記第１の操作量及び第２の操作量を加算して前記台車に与える手段と、
を備えたことを特徴とするクレーンの振れ止め制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載したクレーンの振れ止め制御装置において、
前記吊り荷及びその支持構造が二重振り子構造を構成していることを特徴とするクレーンの振れ止め制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載したクレーンの振れ止め制御装置において、
吊り荷及びその支持構造が、前記台車側の支点から吊り下げられた第１の質点と、この第１の質点から吊り下げられた吊り荷を含む第２の質点と、を有する二重振り子構造であり、
前記演算制御手段は、
前記振れ角度が、
前記支点から第１の質点までの距離と、第１の質点から第２の質点までの距離と、前記支点からの鉛直線と第１の質点との間の角度と、第１の質点からの鉛直線と第２の質点との間の角度と、を用いて表されるものとして、第２の操作量を演算することを特徴とするクレーンの振れ止め制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−６６８８５（Ｐ２０１２−６６８８５Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１１０２６（Ｐ２０１０−２１１０２６）
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【出願人】（５０２３６７８４５）富士アイティ株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【出願人】（５０２３６７８４５）富士アイティ株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
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