クレーン及びそのコントローラ
フィルタ部を有するコントローラをフィードフォワード制御プログラムによって作動させることによって、クレ−ンのロープにより吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷の振れを抑制するようにクレーン駆動装置を制御する方法と装置を提供する。方法は、ロープの振れの回転中心から荷の重心までの距離であるロープ長から逐次演算される共振周波数と、クレーン駆動装置の性能を超えないように予め別途演算された前記クレーン駆動装置の制御装置に関するパラメータとの下に、前記荷の搬送指令における搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度の少なくとも１つのものにおける最大値を制限した搬送指令から共振周波数付近の成分をフィルタ部によって除去し、共振周波数付近の成分が除去された搬送指令をクレーン駆動装置に入力して荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で大きく振れないようにクレーン駆動装置を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はクレーンの制御に関し、特に、クレーンで搬送する荷の搬送時及び搬送後に残る荷の振れを最小に抑制するようにクレーン駆動装置を制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
クレーンは荷の搬送用として広く用いられており、クレーンでの荷の搬送時には、荷物の振れを抑えるため、操縦者は頻繁に作動スイッチの接続・切断を繰り返す熟練の操作が必要であった。しかも、振れが生じると振れが止まるまで、次の作業まで待つ必要があり、荷崩れなどの安全面でも問題が生じることがあった。よって、クレーンの振れ止めは業界にとって大きな課題である。
【０００３】
このため、様々な振れ止めに関する改良がされている。例えば、特開２０００−３８２８６号は、荷役する荷の位置の画像を撮るモニタ手段と、このモニタ手段の出力を画像処理して前記荷の距離情報を含む情報を演算する画像処理手段と、この画像処理手段からの出力を入力してクレーンブーム角度を検出する角度検出手段と、前記画像処理手段からの距離情報及び前記角度検出手段からのクレーンブーム角度情報によりクレーンブームの動作を制御して巻上・引き込み・旋回による荷の搬送軌道を多角形直線とするクレーン原動手段とを有することを特徴とする旋回クレーンの振れ止め装置が開示されている。
【０００４】
しかし、上記の特許文献からも明らかなように、従来の振れ止めに関する改良は、例えば、モニタ手段、角度検出手段等が必要であり、装置の構成が複雑になっていた。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、その目的は、簡単な構成でも、熟練を要することなく、クレーンのロープによって吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送する時点で発生する荷の振れを抑制するクレーンシステム及びそのコントローラ、あるいは、制御システムを提供することにある。
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、クレ−ンのロープにより吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷の振れを抑制するために、クレーンのロープ長に関する信号から荷揺れを生じさせないようにフィードフォワード制御により変換された信号をクレーン制御装置に入力するものである。
【０００７】
本発明において、クレーン制御装置は、クレーンの種類に応じて、クレーンのブーム、ガーダ、トロリ等の要素を駆動するための、即ち、クレーンの種類に応じて、そういった要素を旋回、起伏、走行させ制御するための装置をいう。
【０００８】
本発明の第１の局面において、フィルタ部を有するコントローラをフィードフォワード制御プログラムによって作動させることによって、クレーンのロープにより吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷の振れを抑制するようにクレーン駆動装置を制御する方法であって、ロープの振れの回転中心から荷の重心までの距離であるロープ長から逐次演算される共振周波数と、クレーン駆動装置の性能を超えないように予め別途演算されたクレーン駆動装置の制御装置に関するパラメータとの下に、荷の搬送指令における搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度の少なくとも１つのものにおける最大値を制限した搬送指令から共振周波数付近の成分をフィルタ部により除去し、該共振周波数付近の成分が除去された搬送指令をクレーン駆動装置に入力して荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で大きく振れないようにクレーン駆動装置を制御するクレーン駆動装置の制御方法が提供される。
【０００９】
本発明の第２の局面において、フィルタ部を有するコントローラをフィードフォワード制御プログラムによって作動させることによって、クレ−ンのロープにより吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷の振れを抑制するようにクレーン駆動装置を制御する制御システムであって、ロープの振れの回転中心から荷の重心までの距離であるロープ長を演算するロープ長検出部と、ロープ長におけるロープの共振周波数を演算する共振周波数演算部と、搬送指令付与装置によって付与される荷に関する搬送指令を発信する搬送指令発信手段と、クレーン駆動装置の性能を超えないようにクレーン駆動装置の制御装置に関するパラメータを予め演算するパラメータ演算部と、パラメータ演算部からパラメータを受信し記憶するパラメータ記憶部と、パラメータ記憶部からのパラメータの下に搬送指令発信手段からの荷の搬送指令の搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度の少なくとも１つのものにおける最大値を制限する最大値制限部と、共振周波数演算部から共振周波数を受信し、パラメータ記憶部から得たパラメータの下に、最大値制限部による最大値が制限された搬送指令から共振周波数付近の成分を除去し、共振周波数付近の成分が除去された搬送指令をクレーン駆動装置に入力するフィルタ部とを含んでなるクレーン駆動装置の制御システムが提供される。
【００１０】
また、本発明の第３の局面において、上記第１の局面の方法及び第２の局面の制御システムに用いるフィードフォワード制御プログラムを記述した媒体が提供される。
【００１１】
上記第１の局面の方法及び第２の局面の制御システムは、ジブ（旋回）クレーン、タワークレーン、トラッククレーン、ホイールクレーン、ラフテレーンクレーン、クローラクレーン、及びデリックなどのジブ構造を持つクレーン、並びに、クレーンガータ及び場合によっては、トロリ（台車）を有する天井クレーン、橋形クレーン等に適用することができる。
【００１２】
本発明においてフィルタ（あるいはフィルタ部）とは、入出力端子を一組備え、その間の伝達関数が周波数特性を持つ回路（部分）をいう。
【００１３】
また、本発明においてフィードフォワード制御法とは、制御対象に加える操作量を予め決められた値に調節することにより、出力が目標値になるようにする制御法である。この制御法は、制御対象の入出力関係や外乱の影響などが明確な場合には性能の良い制御を行うことができる。
【００１４】
またなお、本発明における加々速度とは、加速度の時間に関する変化率（次元はＬ／Ｔ３）である。ここで、Ｌは長さの次元、Ｔは時間の次元である。
【００１５】
ところで、本発明のように荷の搬送指令における搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度のうち１つ以上のものにおける最大値を制限することにより、クレーン駆動装置について特に加速度の性能を超えないことを明確にすることができる。
【００１６】
また、本発明のように荷の搬送指令をフィルタリングして共振周波数の成分を除去することにより、検出したロープ長に誤差が含まれている場合でもクレーン駆動装置の制御器の制御性能が大きく劣化するのを防ぐことができる。
【００１７】
本発明の第４の局面において、クレーンブームを旋回させる旋回モータと、この旋回モータの回転方向及び速度をコントロールする旋回モータ制御装置と、ロープの巻上巻下を行う巻上モータと、前記巻上モータの回転方向及び速度をコントロールする巻上モータ制御装置とを備えたクレーンであって、現在のロープ長を検出する検出装置と、旋回モータ制御装置及び巻上モータ制御装置に電気的に接続されるコントローラとをさらに備え、コントローラは、ロープ長の信号から第１位置から第２位置まで搬送した時点で荷揺れを生じさせないフィードフォワード制御により変換された信号を前記旋回モータ制御装置に出力するクレーンが提供される。
【００１８】
第４の局面のクレーンは、クレーンブームを起伏させる起伏モータと、該起伏モータの回転方向及び回転速度をコントロールするためにコントローラに電気的に接続された起伏モータ制御装置を更に備え、コントローラは、ロープ長の信号から前記第１位置から前記第２位置まで搬送した時点で荷揺れを生じさせないフィードフォワード制御により変換された信号を前記起伏モータ制御装置に対しても更に出力することができる。コントローラは、既存クレーンに後付けすることが可能である。
【００１９】
本発明の第５の局面において、クレーンのブームを旋回及び起伏させる旋回モータ及び起伏モータと、前記旋回モータの回転方向と速度を制御する旋回モータ制御装置と、前記起伏モータの回転方向と速度を制御する起伏モータ制御装置を備えた既存のクレーンに後付けされるクレーン用のコントローラであって、クレーンのロープ長信号のみを入力可能であり、このロープ長信号から外乱のない状態で荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で荷振れを生じさせないようにフィードフォワード制御により変換された信号を前記旋回モータ制御装置及び前記起伏モータ制御装置に出力するクレーンシステム用のコントローラが提供される。
【００２０】
本発明の第４及び第５の局面のクレーンは、ジブ（旋回）クレーン、タワークレーン、トラッククレーン、ホイールクレーン、ラフテレーンクレーン、クローラクレーン、つち形クレーン（ハンマヘッドクレーン）及びデリックなどのジブ構造を持つクレーンである。
【００２１】
本発明の別の特徴、構成は以下の図面に関して後に説明する実施形態から明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明のクレーンシステムの実施形態を示す概略図である。
【図２】図２は、図１のクレーンの振れを制御する制御装置の第１実施例を示すブロック図である。
【図３】図３は、図１のクレーンシステムによりなされた荷の搬送速度を本発明を用いない場合と比較して示すグラフ（横軸に時間をとり、縦軸に搬送速度をとったもの）である。
【図４】図４は、図１のクレーンシステムによりなされた荷の振れを、本発明を用いない場合と比較して示すグラフ（横軸に時間をとり、縦軸に荷の振れをとったもの）である。
【図５】図５は、図１のクレーンの振れを制御する制御装置の第２実施例を示すブロック図である。
【図６】図６は、本発明を実施するための別のクレーン（天井クレーン）を示す概略斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施態様について図に基づき詳細に説明する。
【００２４】
最初に図１及び図２に基づき本発明を実施するクレーンの第１の実施形態を説明する。
【００２５】
図１は、本発明のクレーンの１つの実施態様を示す概要図である。図２は、図１のクレーンの駆動装置を制御するシステムを示すブロック図である。
【００２６】
図１において、クレーン２０は、荷２２に係合されて荷を吊り下げるロープ２１と、該ロープを巻上げ巻下げする巻上ドラム（図示省略）と、ブーム２４と、該ブームを起伏させる起伏モータ３２と、ブーム２４を旋回させる旋回モータ３３と、前記図示省略の巻上ドラムを回転させてロープ２１を巻上げ巻下げする巻上モータ３４を備えている。これらのモータは電動機又は油圧モータとすることができる。
【００２７】
起伏モータ３２、旋回モータ３３及び巻上モータ３４は、それぞれの制御装置に電気的に接続されている。すなわち、起伏モータ３２はブーム２４の起伏及びその速度をコントロールする起伏モータ制御装置３５を備え、旋回モータ３３はブーム２４の旋回方向及びその速度をコントロールする旋回モータ制御装置３６を備えている。起伏モータ制御装置３５及び旋回モータ制御装置３６は、コントローラ３に電気的に接続されている。コントローラ３はコンピュータとすることができ、巻上モータ制御装置３７及び受信機３９に接続されている。
【００２８】
なお、ロープ２１は吊り具２３（例えば、ロープ２１の先端に取り付けられたフック、その他必要な玉掛けワイヤ、ターンバックル等）を用いて荷に係合されるが、本明細書において、荷とは、搬送目的の実際の荷及び／又は吊り具のことをいう。また、本明細書において、図１に示すロープ長Ｌは、ブームの先端におけるロープ２１の振れの回転中心（これは、例えば、旋回クレーンではシーブと呼ばれる）から荷の重心までの距離をいう。
【００２９】
クレーン２０はまた、図２に示すように、ロープ長検出部１、搬送指令発信装置２を備える。コントローラ３は、本実施形態においては図２に示すように共振周波数演算部４、最大値制限部５、フィルタ部６を備える。前記ロープ長検出部１と、コントローラ３と、パラメータ演算部８は、全体として、制御システムを構成する。
【００３０】
ロープ長検出部１は、ロープ２１に吊した荷の荷振れの回転中心から荷の重心までの距離を測定する構成をいう。その詳細な手段は問わない。例えば、公知のエンコーダ、レーザー距離計等を用いることができる。
【００３１】
荷の搬送指令とは、クレーンの操縦者が荷の搬送のためにクレーンのブームの起伏、旋回させ（あるいは、後に図６に関して説明する天井クレーン等ではガーダ、トロリを走行させ）、あるいは、巻上モータを作動させるためにボタンなどを押し続けることにより発生する指令信号をいう。
【００３２】
なお、定点への搬送の場合には別途設けられたコンピュータからの入力信号によって入力される指令をいう。
【００３３】
例えば、本実施形態では、巻上モータ制御装置３７、起伏モータ制御装置３５及び旋回モータ制御装置３６に対する荷の搬送指令をいう。この指令は、クレーンの種類により異なり、また、搬送をすべて自動で行うか、操縦者がクレーン操縦を行うかにより異なる。
【００３４】
本実施例においては、図１に示すように、受信機３９が操作ボックス３８に有線又は無線接続されており、操作ボックス３８は、荷２２の搬送に係る所定条件の下に、荷２２の搬送指令を入力する搬送指令入力装置（搬送指令付与装置）であり、受信機３９は、図２に示すように、コントローラ３に搬送指令を発信する搬送指令発信装置２である。上述したように、搬送指令入力装置と搬送指令発信装置を共にコンピュータとすることができる。
【００３５】
クレーン２０のクレーン駆動装置９としての電動機３２，３３の制御装置３５，３６にコントローラ３が電気的に接続してあり、このコントローラ３は、図１に示すように、ロープ検出部（又は計測部）１の検出結果に基づきロープ２１のロープ長における共振周波数を検出する共振周波数演算部４と、パラメータ記憶部７と、該パラメータ記憶部７のデータの下に搬送指令発信装置２からの荷２２の搬送指令における搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度のうち少なくとも一つ以上のものにおける最大値を制限する最大値制限部５と、パラメータ記憶部７からのパラメータの下に、共振周波数演算部４の演算結果である共振周波数付近の成分を最大値制限部５の結果から除去し、共振周波数付近の成分が除去された搬送指令をクレーン駆動装置９に入力するための、即ち、荷２２を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷２２の振れを抑制するためにクレーン駆動装置９の駆動条件を演算してクレーン駆動装置に入力するためのフィルタ部６とを含む。
【００３６】
制御システムのパラメータ演算部８は、クレーン駆動装置９の性能を超えないようにクレ−ン駆動装置９の制御装置に関するパラメータを予め演算し、コントローラ３のパラメータ記憶部７は、パラメータ演算部８の演算結果を記憶していてクレーン駆動装置９の制御装置３５，３６，３７に関するパラメータを最大値制限部５およびフィルタ部６にそれぞれ出力する。
【００３７】
なお、パラメータには最大値を制限するものとフィルタ部用のものとがある。
【００３８】
コントローラ３の上記各部間の動作はフィードフォワード制御プログラムによって実行される。本実施例において、前記フィードフォワード制御プログラムは記憶媒体（メディア）に記録されており、制御システムは、この記憶媒体を用いるように構成されている。
【００３９】
図１に示すように、荷２２をロープ２１の下端に掛止した後、巻上げドラムを所要時間回転させて荷２２を吊し上げた後、荷２２を第１位置から第２位置まで搬送する作用について以下に説明する。巻上げドラムを所要時間回転させて荷（被搬送物）２２を吊し上げると、ロープ長検出部１がこの時点でのロープ長を検出してその結果をコントローラ３の共振周波数演算部４に入力する。すると、共振周波数演算部４はロープ２１の共振周波数を演算してこの演算結果をフィルタ部６に入力する。
【００４０】
一方、搬送指令付与装置３８から搬送指令発信装置２に荷２２の搬送指令が入力されると、搬送指令発信装置２は荷２２の搬送指令を最大値制限部５に発信する。すると、最大値制限部５は、クレーン駆動装置９の性能を超えないための制御装置３５，３６，３７に関するパラメータをパラメータ記憶装置７から読み出しながら、搬送指令発信装置２からの荷２２の搬送指令における搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度のうち少なくとも一つ以上のものの最大値を制限した後その演算結果をフィルタ部に入力する。
【００４１】
これに伴い、フィルタ部６は、クレーン駆動装置９の性能を超えない制御装置３５，３６，３７に関するパラメータをパラメータ記憶装置７から読み出しながら、ロープ長から逐次演算される共振周波数の下に、クレーン駆動装置９に与える搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度のうち１つ以上のものにおける最大値を制限した搬送指令をフィルタリングして共振周波数の成分を除去し、こうして搬送指令をフィルタリングした指令をクレ−ン駆動装置９に入力する。これにより、荷２２を第１位置から第２位置まで搬送した時点で荷２２が大きく振れないようにクレーン駆動装置９を駆動しかつ制御することができる。
【００４２】
上記フィルタ部６による演算は次に述べる理論にしたがって行われる。すなわち、フィルタ部６に入力される時系列データをｘ（ｔ）、フィルタ部６から出力される時系列データをｙ（ｔ）とすると、フィルタは式（１）で示すことができる。
式１
【数１】
【００４３】
ここでａｉ（ｆ）、ｂｊ（ｆ）はロープ２１のロープ長から逐次演算される共振周波数ｆを媒介とするパラメータである。
【００４４】
なお、ロープ長Ｌの共振周波数ｆは√（ｇ／Ｌ）となる（ここで、ｇを重力加速度）。そして、この共振周波数ｆは共振周波数演算部４によって演算される。
【００４５】
またなお、ｘ（ｔ−ｊ）はｊ制御周期前に入力された時系列データであり、ｙ（ｔ−ｉ）はｉ制御周期前に出力された時系列データである。
【００４６】
なお、項目数ｍおよびｎは、フィルタの構成によって任意に決めることができるが、予め決めておく必要がある。例えば一次のローパスフィルタの場合にはｍ＝０、ｎ＝１を、二次のローパスフィルタの場合にはｍ＝０、ｎ＝２を、またノッチフィルタの場合にはｍ＝２、ｎ＝２をそれぞれ予め決め、決めた項目数ｍおよびｎをパラメータ記憶装置７およびパラメータ演算部８に入力しておく。
【００４７】
またなお、パラメータａｉ（ｆ）、ｂｊ（ｆ）は、パラメータ演算部８によって予め演算しておく必要があり、パラメータ演算部８を用いて、その値を少しずつ変化させながら、クレーンの特性を表現するモデルを用いたシミュレーションにより繰り返し演算して決める。
【００４８】
このときの制約条件は、クレーン駆動装置９に与える搬送指令の最大速度が、クレーン駆動装置９（モータ３２，３３，３４）の最大速度を超えないこと、クレ−ン駆動装置９に与える搬送指令におけるそれぞれの最大値がクレ−ン駆動装置９の最大値制限を超えないこと、上記の二つの条件を満たし搬送時間が最短となるものであることである。
【００４９】
なお、式（１）は下式（２）で示すフィルタの伝達関数に対してＺ変換を行うことにより得ることができる。
式２
【数２】
【００５０】
ここで、Ｓはラプラス演算子である。
【００５１】
このようにして、搬送指令発信装置２からの搬送指令は、図３に示すように変化する。図３において、搬送速度が一定の直線は搬送指令発信装置による搬送指令であり、台形状の直線は最大値制限部による制限を行ったときの搬送指令であり、曲線はフィルタによるフィルタリング処理を行ったときの搬送指令である。
【００５２】
これに伴い、フィルタ部６は、クレ−ン駆動装置９の性能を超えないように予め別途演算されたクレ−ン駆動装置９の制御装置に関するパラメータの下に、クレ−ンの駆動装置に与える搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度のうち１つ以上のものにおける最大値を制限した搬送指令をフィルタリングして共振周波数の成分を除去した後、クレーン駆動装置に入力する。この結果、図４に示すように荷２２の振れは抑制される。
【００５３】
次に、図１に示すクレーンシステム２０のコントローラ３の別の実施例を図５に示す。
【００５４】
図５に示すように、ロープ長Ｌに対応する信号は、ロープ長検出算部１（図２）からコントローラ３に供給される。コントローラ３は、ロープ長の信号のみから外乱のない状態で荷揺れを生じさせないフィードフォワード制御により変換された信号を、旋回モータ制御装置３６及び起伏モータ制御装置３５に出力する。
【００５５】
さらに、ここで巻上モータ制御装置３７は、巻上モータ３４の回転方向及び速度をコントロールし、コントローラ３へロープ長に対応する信号を出力する、例えば、インバータである。
【００５６】
次に作動について説明する。操縦者は操作ボックス３８によって操作する。本実施例のクレーンでは、クレーン駆動はロープ巻上、クレーンブームの旋回と起伏である。
【００５７】
操縦者が操作ボックス３８によって操作した信号のうち、ロープ巻上信号は、受信機３９を介して、コントローラ３を介さずに直接的に巻上モータ制御装置３７及び巻上モータ３４を作動させロープ長Ｌを変える。
【００５８】
一方、操縦者が操作ボックス３８にて操作した信号のうち、クレーンの旋回、起伏の信号は、受信機３９を介して、かつ、コントローラ３によりロープ長から荷振れを生じさせないフィードフォワード制御により変換された信号を、旋回モータ制御装置３６及び起伏モータ制御装置３５に与え、各々、旋回モータ３３の旋回方向及び速度、また、起伏モータ３２の起伏方向及び速度を制御する。
【００５９】
このようにして、従来のクレーンにロープ長信号を与える演算部と後付のコントローラ３を付加するだけでクレーンの荷振れを生じさせないことができた。
【００６０】
なお、本実施例では、旋回モータ３の回転方向及び速度、また、起伏モータ３２の起伏方向及び速度を制御したが、起伏機構を持たないクレーンの場合には、旋回モータ３３のみをロープ長からのみの信号を変換して旋回を制御すればよいことは言うまでもない。また、本実施例において、クレーンは起伏モータ３２、旋回モータ３及び巻上モータ３４を備えたクレーンを用いたが、起伏モータ３２は必ずしも必要ではない。
【００６１】
また、本実施例では、旋回モータ制御装置３６及び起伏モータ制御装置３７にインバータを使用したが、システムを安価にするために、インバータを使用せずに、速度の段階的制御（例えば２段階制御）を用いることも可能である。
【００６２】
なお、後付けでなく初めから、コントローラ３を付けることも可能である。
【００６３】
次に、本発明のフィードフォワード制御に用いる図５のコントローラ３を詳細に説明する。コントローラ３は、ロープの巻上巻下を調整する巻上モータ３７を備えたクレーンにフィードフォワード制御法を適用したプログラムによって作動するコンピュータを用いている。このコントローラ３は、荷２２の搬送の搬送指令を入力発信する搬送指令入力発信装置から入力された信号と、ロープ長検出部の検出結果に基づいた入力された信号とを入力信号として用いている。荷２２の搬送指令は、巻上、旋回及びクレーンの種類により起伏の指令がある。
【００６４】
そして、コントローラ３は、ロープ長検出部の検出結果に基づき荷２２を吊り下げたロープ２１の共振周波数を演算する共振周波数演算部４を具備し、また、搬送指令入力発信装置から入力された旋回及び起伏に関する信号を用いて、搬送指令入力発信装置からの荷２２の搬送指令を制限する最大値制限部５ａ，５ｂを具備している。さらに、フィルタ部６ａ，６ｂを具備しており、これによって、共振周波数演算部４及び最大値制限部５ａ，５ｂの演算結果に基づき、荷２２を所望位置まで搬送した時点で発生する荷２２の振れを抑制するためにクレーンの駆動条件を演算している。
【００６５】
そして、コントローラ３は、旋回及び起伏のそれぞれのモータに対してクレーン駆動条件を出力する出力発信手段を具備している。
【００６６】
次に、本発明に用いるフィードフォワード制御に用いるコントローラの作動について詳細に説明する。
【００６７】
操縦者が荷２２の搬送の搬送指令を入力発信する搬送指令入力発信装置である操作ボックス３８及び受信機３９を介してコントローラに搬送指令を入力する。コントローラ内部では、搬送指令入力発信装置から入力された信号に基づき最大値制限部５ａ，５ｂにより搬送指令の速度、加速度及び加々速度のなどの搬送条件のうちいずれか１つ以上のものの最大値を制限する。また、共振周波数演算部１２によりロープ長を検出する検出装置の検出結果に基づきロープの共振周波数を演算する。
【００６８】
また、最大値制限部５ａ，５ｂの演算結果と、共振周波数演算部１２の演算結果とを用いて、フィルタ部６ａ，６ｂにより所望位置まで搬送した時点で残る荷の振れを抑制する信号を演算する。
【００６９】
ここで荷の振れを抑制する信号とは、ロープ長信号のみを入力として演算された共振周波数を除去するフィルタ部６ａ，６ｂに、搬送条件の信号を通過させたフィードフォワードの信号である。
【００７０】
また、ここでフィルタ部６ａ，６ｂは、ローパス、ハイパス、バンドパス、ノッチなどのフィルタをクレーンに合わせて組合せることにより実現しており、クレーンの力学モデルを用いた信号変換をしていない。
【００７１】
このため、入力信号が簡単で、大まかであっても、確実に簡単に振れを抑制することができる。
【００７２】
そして、制御装置３５，３６，３７は、各々のモータ３２，３３，３４に対してクレーン駆動条件を出力する出力発信装置を具備している。
【００７３】
なお、制御対象の外乱の影響などが不明確な場合にはフィードフォワード制御に加えてフィードバック制御を追加すればよい。
【００７４】
以上、ブームを有するクレーンとその荷の揺れを抑制する制御に関して説明したが、こういった制御を同様に図６に示す天井クレーンに適用することができる。
【００７５】
図６に示す実施形態の天井クレーン４０は天井近くに設けられた離間した対のレール４１上を車輪４２を介して走行するものであり、クレーン４０は車輪４２に取り付けられレール４１の延伸方向（両矢印で示す）に走行可能なガーダ４３と、該ガーダ４３の下面に取り付けられ別の両矢印で示すようにガーダ４３に関して横方向に可動するトロリ４４と、トロリ４４から巻き上げ巻き下げ可能に懸下され荷２２を吊るためのロープ２１を有する。公知のように、ガーダ４３の走行はガーダ４３に取り付けられた走行モータによってなされ、トロリ４４の横行はトロリ４４に取り付けられた横行モータ（図示省略）によってなされ、ロープ２１の巻上巻下はトロリ４４に取り付けられた巻上モータ（図示省略）でなされる。
【００７６】
これらのモータ及びそれらの制御装置（図示省略、図１の３５，３６，３７に相当するもの）が図２に示すクレーン駆動装置９である。また、図５に示すブーム旋回指令と起伏指令を図６に示す天井クレーン４０のガーダ走行指令とトロリ横行指令にそれぞれ置き換えることにより、上述した制御が全く同様に天井クレーン４０に適応できることは明白である。
【００７７】
なお、図６の天井クレーンは横行トロリを有していたが、このトロリを設置しないこともでき、その場合、ロープ巻上モータはガーダに取り付けられる。
【００７８】
また、トロリ及びロープ巻上モータを設けずに、一定の長さを有するロープとすることもできる。この場合、ロープ長に関する信号は一定となる。
【００７９】
以上、本発明の実施形態及び実施例を図に巻き上げ巻き下げ示して説明したが、これらの形態及び実施例は例示の目的であり、これらのものに限定するものではない。当業者にとって明白であるが、これらの形態及び実施例の変更、変形も可能であり、本発明はその技術的思想から逸脱することのない変更、変形を含むことを意図するものであり、本発明の範囲は請求の範囲から定められるものである。
【技術分野】
【０００１】
本発明はクレーンの制御に関し、特に、クレーンで搬送する荷の搬送時及び搬送後に残る荷の振れを最小に抑制するようにクレーン駆動装置を制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
クレーンは荷の搬送用として広く用いられており、クレーンでの荷の搬送時には、荷物の振れを抑えるため、操縦者は頻繁に作動スイッチの接続・切断を繰り返す熟練の操作が必要であった。しかも、振れが生じると振れが止まるまで、次の作業まで待つ必要があり、荷崩れなどの安全面でも問題が生じることがあった。よって、クレーンの振れ止めは業界にとって大きな課題である。
【０００３】
このため、様々な振れ止めに関する改良がされている。例えば、特開２０００−３８２８６号は、荷役する荷の位置の画像を撮るモニタ手段と、このモニタ手段の出力を画像処理して前記荷の距離情報を含む情報を演算する画像処理手段と、この画像処理手段からの出力を入力してクレーンブーム角度を検出する角度検出手段と、前記画像処理手段からの距離情報及び前記角度検出手段からのクレーンブーム角度情報によりクレーンブームの動作を制御して巻上・引き込み・旋回による荷の搬送軌道を多角形直線とするクレーン原動手段とを有することを特徴とする旋回クレーンの振れ止め装置が開示されている。
【０００４】
しかし、上記の特許文献からも明らかなように、従来の振れ止めに関する改良は、例えば、モニタ手段、角度検出手段等が必要であり、装置の構成が複雑になっていた。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、その目的は、簡単な構成でも、熟練を要することなく、クレーンのロープによって吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送する時点で発生する荷の振れを抑制するクレーンシステム及びそのコントローラ、あるいは、制御システムを提供することにある。
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、クレ−ンのロープにより吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷の振れを抑制するために、クレーンのロープ長に関する信号から荷揺れを生じさせないようにフィードフォワード制御により変換された信号をクレーン制御装置に入力するものである。
【０００７】
本発明において、クレーン制御装置は、クレーンの種類に応じて、クレーンのブーム、ガーダ、トロリ等の要素を駆動するための、即ち、クレーンの種類に応じて、そういった要素を旋回、起伏、走行させ制御するための装置をいう。
【０００８】
本発明の第１の局面において、フィルタ部を有するコントローラをフィードフォワード制御プログラムによって作動させることによって、クレーンのロープにより吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷の振れを抑制するようにクレーン駆動装置を制御する方法であって、ロープの振れの回転中心から荷の重心までの距離であるロープ長から逐次演算される共振周波数と、クレーン駆動装置の性能を超えないように予め別途演算されたクレーン駆動装置の制御装置に関するパラメータとの下に、荷の搬送指令における搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度の少なくとも１つのものにおける最大値を制限した搬送指令から共振周波数付近の成分をフィルタ部により除去し、該共振周波数付近の成分が除去された搬送指令をクレーン駆動装置に入力して荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で大きく振れないようにクレーン駆動装置を制御するクレーン駆動装置の制御方法が提供される。
【０００９】
本発明の第２の局面において、フィルタ部を有するコントローラをフィードフォワード制御プログラムによって作動させることによって、クレ−ンのロープにより吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷の振れを抑制するようにクレーン駆動装置を制御する制御システムであって、ロープの振れの回転中心から荷の重心までの距離であるロープ長を演算するロープ長検出部と、ロープ長におけるロープの共振周波数を演算する共振周波数演算部と、搬送指令付与装置によって付与される荷に関する搬送指令を発信する搬送指令発信手段と、クレーン駆動装置の性能を超えないようにクレーン駆動装置の制御装置に関するパラメータを予め演算するパラメータ演算部と、パラメータ演算部からパラメータを受信し記憶するパラメータ記憶部と、パラメータ記憶部からのパラメータの下に搬送指令発信手段からの荷の搬送指令の搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度の少なくとも１つのものにおける最大値を制限する最大値制限部と、共振周波数演算部から共振周波数を受信し、パラメータ記憶部から得たパラメータの下に、最大値制限部による最大値が制限された搬送指令から共振周波数付近の成分を除去し、共振周波数付近の成分が除去された搬送指令をクレーン駆動装置に入力するフィルタ部とを含んでなるクレーン駆動装置の制御システムが提供される。
【００１０】
また、本発明の第３の局面において、上記第１の局面の方法及び第２の局面の制御システムに用いるフィードフォワード制御プログラムを記述した媒体が提供される。
【００１１】
上記第１の局面の方法及び第２の局面の制御システムは、ジブ（旋回）クレーン、タワークレーン、トラッククレーン、ホイールクレーン、ラフテレーンクレーン、クローラクレーン、及びデリックなどのジブ構造を持つクレーン、並びに、クレーンガータ及び場合によっては、トロリ（台車）を有する天井クレーン、橋形クレーン等に適用することができる。
【００１２】
本発明においてフィルタ（あるいはフィルタ部）とは、入出力端子を一組備え、その間の伝達関数が周波数特性を持つ回路（部分）をいう。
【００１３】
また、本発明においてフィードフォワード制御法とは、制御対象に加える操作量を予め決められた値に調節することにより、出力が目標値になるようにする制御法である。この制御法は、制御対象の入出力関係や外乱の影響などが明確な場合には性能の良い制御を行うことができる。
【００１４】
またなお、本発明における加々速度とは、加速度の時間に関する変化率（次元はＬ／Ｔ３）である。ここで、Ｌは長さの次元、Ｔは時間の次元である。
【００１５】
ところで、本発明のように荷の搬送指令における搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度のうち１つ以上のものにおける最大値を制限することにより、クレーン駆動装置について特に加速度の性能を超えないことを明確にすることができる。
【００１６】
また、本発明のように荷の搬送指令をフィルタリングして共振周波数の成分を除去することにより、検出したロープ長に誤差が含まれている場合でもクレーン駆動装置の制御器の制御性能が大きく劣化するのを防ぐことができる。
【００１７】
本発明の第４の局面において、クレーンブームを旋回させる旋回モータと、この旋回モータの回転方向及び速度をコントロールする旋回モータ制御装置と、ロープの巻上巻下を行う巻上モータと、前記巻上モータの回転方向及び速度をコントロールする巻上モータ制御装置とを備えたクレーンであって、現在のロープ長を検出する検出装置と、旋回モータ制御装置及び巻上モータ制御装置に電気的に接続されるコントローラとをさらに備え、コントローラは、ロープ長の信号から第１位置から第２位置まで搬送した時点で荷揺れを生じさせないフィードフォワード制御により変換された信号を前記旋回モータ制御装置に出力するクレーンが提供される。
【００１８】
第４の局面のクレーンは、クレーンブームを起伏させる起伏モータと、該起伏モータの回転方向及び回転速度をコントロールするためにコントローラに電気的に接続された起伏モータ制御装置を更に備え、コントローラは、ロープ長の信号から前記第１位置から前記第２位置まで搬送した時点で荷揺れを生じさせないフィードフォワード制御により変換された信号を前記起伏モータ制御装置に対しても更に出力することができる。コントローラは、既存クレーンに後付けすることが可能である。
【００１９】
本発明の第５の局面において、クレーンのブームを旋回及び起伏させる旋回モータ及び起伏モータと、前記旋回モータの回転方向と速度を制御する旋回モータ制御装置と、前記起伏モータの回転方向と速度を制御する起伏モータ制御装置を備えた既存のクレーンに後付けされるクレーン用のコントローラであって、クレーンのロープ長信号のみを入力可能であり、このロープ長信号から外乱のない状態で荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で荷振れを生じさせないようにフィードフォワード制御により変換された信号を前記旋回モータ制御装置及び前記起伏モータ制御装置に出力するクレーンシステム用のコントローラが提供される。
【００２０】
本発明の第４及び第５の局面のクレーンは、ジブ（旋回）クレーン、タワークレーン、トラッククレーン、ホイールクレーン、ラフテレーンクレーン、クローラクレーン、つち形クレーン（ハンマヘッドクレーン）及びデリックなどのジブ構造を持つクレーンである。
【００２１】
本発明の別の特徴、構成は以下の図面に関して後に説明する実施形態から明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明のクレーンシステムの実施形態を示す概略図である。
【図２】図２は、図１のクレーンの振れを制御する制御装置の第１実施例を示すブロック図である。
【図３】図３は、図１のクレーンシステムによりなされた荷の搬送速度を本発明を用いない場合と比較して示すグラフ（横軸に時間をとり、縦軸に搬送速度をとったもの）である。
【図４】図４は、図１のクレーンシステムによりなされた荷の振れを、本発明を用いない場合と比較して示すグラフ（横軸に時間をとり、縦軸に荷の振れをとったもの）である。
【図５】図５は、図１のクレーンの振れを制御する制御装置の第２実施例を示すブロック図である。
【図６】図６は、本発明を実施するための別のクレーン（天井クレーン）を示す概略斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施態様について図に基づき詳細に説明する。
【００２４】
最初に図１及び図２に基づき本発明を実施するクレーンの第１の実施形態を説明する。
【００２５】
図１は、本発明のクレーンの１つの実施態様を示す概要図である。図２は、図１のクレーンの駆動装置を制御するシステムを示すブロック図である。
【００２６】
図１において、クレーン２０は、荷２２に係合されて荷を吊り下げるロープ２１と、該ロープを巻上げ巻下げする巻上ドラム（図示省略）と、ブーム２４と、該ブームを起伏させる起伏モータ３２と、ブーム２４を旋回させる旋回モータ３３と、前記図示省略の巻上ドラムを回転させてロープ２１を巻上げ巻下げする巻上モータ３４を備えている。これらのモータは電動機又は油圧モータとすることができる。
【００２７】
起伏モータ３２、旋回モータ３３及び巻上モータ３４は、それぞれの制御装置に電気的に接続されている。すなわち、起伏モータ３２はブーム２４の起伏及びその速度をコントロールする起伏モータ制御装置３５を備え、旋回モータ３３はブーム２４の旋回方向及びその速度をコントロールする旋回モータ制御装置３６を備えている。起伏モータ制御装置３５及び旋回モータ制御装置３６は、コントローラ３に電気的に接続されている。コントローラ３はコンピュータとすることができ、巻上モータ制御装置３７及び受信機３９に接続されている。
【００２８】
なお、ロープ２１は吊り具２３（例えば、ロープ２１の先端に取り付けられたフック、その他必要な玉掛けワイヤ、ターンバックル等）を用いて荷に係合されるが、本明細書において、荷とは、搬送目的の実際の荷及び／又は吊り具のことをいう。また、本明細書において、図１に示すロープ長Ｌは、ブームの先端におけるロープ２１の振れの回転中心（これは、例えば、旋回クレーンではシーブと呼ばれる）から荷の重心までの距離をいう。
【００２９】
クレーン２０はまた、図２に示すように、ロープ長検出部１、搬送指令発信装置２を備える。コントローラ３は、本実施形態においては図２に示すように共振周波数演算部４、最大値制限部５、フィルタ部６を備える。前記ロープ長検出部１と、コントローラ３と、パラメータ演算部８は、全体として、制御システムを構成する。
【００３０】
ロープ長検出部１は、ロープ２１に吊した荷の荷振れの回転中心から荷の重心までの距離を測定する構成をいう。その詳細な手段は問わない。例えば、公知のエンコーダ、レーザー距離計等を用いることができる。
【００３１】
荷の搬送指令とは、クレーンの操縦者が荷の搬送のためにクレーンのブームの起伏、旋回させ（あるいは、後に図６に関して説明する天井クレーン等ではガーダ、トロリを走行させ）、あるいは、巻上モータを作動させるためにボタンなどを押し続けることにより発生する指令信号をいう。
【００３２】
なお、定点への搬送の場合には別途設けられたコンピュータからの入力信号によって入力される指令をいう。
【００３３】
例えば、本実施形態では、巻上モータ制御装置３７、起伏モータ制御装置３５及び旋回モータ制御装置３６に対する荷の搬送指令をいう。この指令は、クレーンの種類により異なり、また、搬送をすべて自動で行うか、操縦者がクレーン操縦を行うかにより異なる。
【００３４】
本実施例においては、図１に示すように、受信機３９が操作ボックス３８に有線又は無線接続されており、操作ボックス３８は、荷２２の搬送に係る所定条件の下に、荷２２の搬送指令を入力する搬送指令入力装置（搬送指令付与装置）であり、受信機３９は、図２に示すように、コントローラ３に搬送指令を発信する搬送指令発信装置２である。上述したように、搬送指令入力装置と搬送指令発信装置を共にコンピュータとすることができる。
【００３５】
クレーン２０のクレーン駆動装置９としての電動機３２，３３の制御装置３５，３６にコントローラ３が電気的に接続してあり、このコントローラ３は、図１に示すように、ロープ検出部（又は計測部）１の検出結果に基づきロープ２１のロープ長における共振周波数を検出する共振周波数演算部４と、パラメータ記憶部７と、該パラメータ記憶部７のデータの下に搬送指令発信装置２からの荷２２の搬送指令における搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度のうち少なくとも一つ以上のものにおける最大値を制限する最大値制限部５と、パラメータ記憶部７からのパラメータの下に、共振周波数演算部４の演算結果である共振周波数付近の成分を最大値制限部５の結果から除去し、共振周波数付近の成分が除去された搬送指令をクレーン駆動装置９に入力するための、即ち、荷２２を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷２２の振れを抑制するためにクレーン駆動装置９の駆動条件を演算してクレーン駆動装置に入力するためのフィルタ部６とを含む。
【００３６】
制御システムのパラメータ演算部８は、クレーン駆動装置９の性能を超えないようにクレ−ン駆動装置９の制御装置に関するパラメータを予め演算し、コントローラ３のパラメータ記憶部７は、パラメータ演算部８の演算結果を記憶していてクレーン駆動装置９の制御装置３５，３６，３７に関するパラメータを最大値制限部５およびフィルタ部６にそれぞれ出力する。
【００３７】
なお、パラメータには最大値を制限するものとフィルタ部用のものとがある。
【００３８】
コントローラ３の上記各部間の動作はフィードフォワード制御プログラムによって実行される。本実施例において、前記フィードフォワード制御プログラムは記憶媒体（メディア）に記録されており、制御システムは、この記憶媒体を用いるように構成されている。
【００３９】
図１に示すように、荷２２をロープ２１の下端に掛止した後、巻上げドラムを所要時間回転させて荷２２を吊し上げた後、荷２２を第１位置から第２位置まで搬送する作用について以下に説明する。巻上げドラムを所要時間回転させて荷（被搬送物）２２を吊し上げると、ロープ長検出部１がこの時点でのロープ長を検出してその結果をコントローラ３の共振周波数演算部４に入力する。すると、共振周波数演算部４はロープ２１の共振周波数を演算してこの演算結果をフィルタ部６に入力する。
【００４０】
一方、搬送指令付与装置３８から搬送指令発信装置２に荷２２の搬送指令が入力されると、搬送指令発信装置２は荷２２の搬送指令を最大値制限部５に発信する。すると、最大値制限部５は、クレーン駆動装置９の性能を超えないための制御装置３５，３６，３７に関するパラメータをパラメータ記憶装置７から読み出しながら、搬送指令発信装置２からの荷２２の搬送指令における搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度のうち少なくとも一つ以上のものの最大値を制限した後その演算結果をフィルタ部に入力する。
【００４１】
これに伴い、フィルタ部６は、クレーン駆動装置９の性能を超えない制御装置３５，３６，３７に関するパラメータをパラメータ記憶装置７から読み出しながら、ロープ長から逐次演算される共振周波数の下に、クレーン駆動装置９に与える搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度のうち１つ以上のものにおける最大値を制限した搬送指令をフィルタリングして共振周波数の成分を除去し、こうして搬送指令をフィルタリングした指令をクレ−ン駆動装置９に入力する。これにより、荷２２を第１位置から第２位置まで搬送した時点で荷２２が大きく振れないようにクレーン駆動装置９を駆動しかつ制御することができる。
【００４２】
上記フィルタ部６による演算は次に述べる理論にしたがって行われる。すなわち、フィルタ部６に入力される時系列データをｘ（ｔ）、フィルタ部６から出力される時系列データをｙ（ｔ）とすると、フィルタは式（１）で示すことができる。
式１
【数１】
【００４３】
ここでａｉ（ｆ）、ｂｊ（ｆ）はロープ２１のロープ長から逐次演算される共振周波数ｆを媒介とするパラメータである。
【００４４】
なお、ロープ長Ｌの共振周波数ｆは√（ｇ／Ｌ）となる（ここで、ｇを重力加速度）。そして、この共振周波数ｆは共振周波数演算部４によって演算される。
【００４５】
またなお、ｘ（ｔ−ｊ）はｊ制御周期前に入力された時系列データであり、ｙ（ｔ−ｉ）はｉ制御周期前に出力された時系列データである。
【００４６】
なお、項目数ｍおよびｎは、フィルタの構成によって任意に決めることができるが、予め決めておく必要がある。例えば一次のローパスフィルタの場合にはｍ＝０、ｎ＝１を、二次のローパスフィルタの場合にはｍ＝０、ｎ＝２を、またノッチフィルタの場合にはｍ＝２、ｎ＝２をそれぞれ予め決め、決めた項目数ｍおよびｎをパラメータ記憶装置７およびパラメータ演算部８に入力しておく。
【００４７】
またなお、パラメータａｉ（ｆ）、ｂｊ（ｆ）は、パラメータ演算部８によって予め演算しておく必要があり、パラメータ演算部８を用いて、その値を少しずつ変化させながら、クレーンの特性を表現するモデルを用いたシミュレーションにより繰り返し演算して決める。
【００４８】
このときの制約条件は、クレーン駆動装置９に与える搬送指令の最大速度が、クレーン駆動装置９（モータ３２，３３，３４）の最大速度を超えないこと、クレ−ン駆動装置９に与える搬送指令におけるそれぞれの最大値がクレ−ン駆動装置９の最大値制限を超えないこと、上記の二つの条件を満たし搬送時間が最短となるものであることである。
【００４９】
なお、式（１）は下式（２）で示すフィルタの伝達関数に対してＺ変換を行うことにより得ることができる。
式２
【数２】
【００５０】
ここで、Ｓはラプラス演算子である。
【００５１】
このようにして、搬送指令発信装置２からの搬送指令は、図３に示すように変化する。図３において、搬送速度が一定の直線は搬送指令発信装置による搬送指令であり、台形状の直線は最大値制限部による制限を行ったときの搬送指令であり、曲線はフィルタによるフィルタリング処理を行ったときの搬送指令である。
【００５２】
これに伴い、フィルタ部６は、クレ−ン駆動装置９の性能を超えないように予め別途演算されたクレ−ン駆動装置９の制御装置に関するパラメータの下に、クレ−ンの駆動装置に与える搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度のうち１つ以上のものにおける最大値を制限した搬送指令をフィルタリングして共振周波数の成分を除去した後、クレーン駆動装置に入力する。この結果、図４に示すように荷２２の振れは抑制される。
【００５３】
次に、図１に示すクレーンシステム２０のコントローラ３の別の実施例を図５に示す。
【００５４】
図５に示すように、ロープ長Ｌに対応する信号は、ロープ長検出算部１（図２）からコントローラ３に供給される。コントローラ３は、ロープ長の信号のみから外乱のない状態で荷揺れを生じさせないフィードフォワード制御により変換された信号を、旋回モータ制御装置３６及び起伏モータ制御装置３５に出力する。
【００５５】
さらに、ここで巻上モータ制御装置３７は、巻上モータ３４の回転方向及び速度をコントロールし、コントローラ３へロープ長に対応する信号を出力する、例えば、インバータである。
【００５６】
次に作動について説明する。操縦者は操作ボックス３８によって操作する。本実施例のクレーンでは、クレーン駆動はロープ巻上、クレーンブームの旋回と起伏である。
【００５７】
操縦者が操作ボックス３８によって操作した信号のうち、ロープ巻上信号は、受信機３９を介して、コントローラ３を介さずに直接的に巻上モータ制御装置３７及び巻上モータ３４を作動させロープ長Ｌを変える。
【００５８】
一方、操縦者が操作ボックス３８にて操作した信号のうち、クレーンの旋回、起伏の信号は、受信機３９を介して、かつ、コントローラ３によりロープ長から荷振れを生じさせないフィードフォワード制御により変換された信号を、旋回モータ制御装置３６及び起伏モータ制御装置３５に与え、各々、旋回モータ３３の旋回方向及び速度、また、起伏モータ３２の起伏方向及び速度を制御する。
【００５９】
このようにして、従来のクレーンにロープ長信号を与える演算部と後付のコントローラ３を付加するだけでクレーンの荷振れを生じさせないことができた。
【００６０】
なお、本実施例では、旋回モータ３の回転方向及び速度、また、起伏モータ３２の起伏方向及び速度を制御したが、起伏機構を持たないクレーンの場合には、旋回モータ３３のみをロープ長からのみの信号を変換して旋回を制御すればよいことは言うまでもない。また、本実施例において、クレーンは起伏モータ３２、旋回モータ３及び巻上モータ３４を備えたクレーンを用いたが、起伏モータ３２は必ずしも必要ではない。
【００６１】
また、本実施例では、旋回モータ制御装置３６及び起伏モータ制御装置３７にインバータを使用したが、システムを安価にするために、インバータを使用せずに、速度の段階的制御（例えば２段階制御）を用いることも可能である。
【００６２】
なお、後付けでなく初めから、コントローラ３を付けることも可能である。
【００６３】
次に、本発明のフィードフォワード制御に用いる図５のコントローラ３を詳細に説明する。コントローラ３は、ロープの巻上巻下を調整する巻上モータ３７を備えたクレーンにフィードフォワード制御法を適用したプログラムによって作動するコンピュータを用いている。このコントローラ３は、荷２２の搬送の搬送指令を入力発信する搬送指令入力発信装置から入力された信号と、ロープ長検出部の検出結果に基づいた入力された信号とを入力信号として用いている。荷２２の搬送指令は、巻上、旋回及びクレーンの種類により起伏の指令がある。
【００６４】
そして、コントローラ３は、ロープ長検出部の検出結果に基づき荷２２を吊り下げたロープ２１の共振周波数を演算する共振周波数演算部４を具備し、また、搬送指令入力発信装置から入力された旋回及び起伏に関する信号を用いて、搬送指令入力発信装置からの荷２２の搬送指令を制限する最大値制限部５ａ，５ｂを具備している。さらに、フィルタ部６ａ，６ｂを具備しており、これによって、共振周波数演算部４及び最大値制限部５ａ，５ｂの演算結果に基づき、荷２２を所望位置まで搬送した時点で発生する荷２２の振れを抑制するためにクレーンの駆動条件を演算している。
【００６５】
そして、コントローラ３は、旋回及び起伏のそれぞれのモータに対してクレーン駆動条件を出力する出力発信手段を具備している。
【００６６】
次に、本発明に用いるフィードフォワード制御に用いるコントローラの作動について詳細に説明する。
【００６７】
操縦者が荷２２の搬送の搬送指令を入力発信する搬送指令入力発信装置である操作ボックス３８及び受信機３９を介してコントローラに搬送指令を入力する。コントローラ内部では、搬送指令入力発信装置から入力された信号に基づき最大値制限部５ａ，５ｂにより搬送指令の速度、加速度及び加々速度のなどの搬送条件のうちいずれか１つ以上のものの最大値を制限する。また、共振周波数演算部１２によりロープ長を検出する検出装置の検出結果に基づきロープの共振周波数を演算する。
【００６８】
また、最大値制限部５ａ，５ｂの演算結果と、共振周波数演算部１２の演算結果とを用いて、フィルタ部６ａ，６ｂにより所望位置まで搬送した時点で残る荷の振れを抑制する信号を演算する。
【００６９】
ここで荷の振れを抑制する信号とは、ロープ長信号のみを入力として演算された共振周波数を除去するフィルタ部６ａ，６ｂに、搬送条件の信号を通過させたフィードフォワードの信号である。
【００７０】
また、ここでフィルタ部６ａ，６ｂは、ローパス、ハイパス、バンドパス、ノッチなどのフィルタをクレーンに合わせて組合せることにより実現しており、クレーンの力学モデルを用いた信号変換をしていない。
【００７１】
このため、入力信号が簡単で、大まかであっても、確実に簡単に振れを抑制することができる。
【００７２】
そして、制御装置３５，３６，３７は、各々のモータ３２，３３，３４に対してクレーン駆動条件を出力する出力発信装置を具備している。
【００７３】
なお、制御対象の外乱の影響などが不明確な場合にはフィードフォワード制御に加えてフィードバック制御を追加すればよい。
【００７４】
以上、ブームを有するクレーンとその荷の揺れを抑制する制御に関して説明したが、こういった制御を同様に図６に示す天井クレーンに適用することができる。
【００７５】
図６に示す実施形態の天井クレーン４０は天井近くに設けられた離間した対のレール４１上を車輪４２を介して走行するものであり、クレーン４０は車輪４２に取り付けられレール４１の延伸方向（両矢印で示す）に走行可能なガーダ４３と、該ガーダ４３の下面に取り付けられ別の両矢印で示すようにガーダ４３に関して横方向に可動するトロリ４４と、トロリ４４から巻き上げ巻き下げ可能に懸下され荷２２を吊るためのロープ２１を有する。公知のように、ガーダ４３の走行はガーダ４３に取り付けられた走行モータによってなされ、トロリ４４の横行はトロリ４４に取り付けられた横行モータ（図示省略）によってなされ、ロープ２１の巻上巻下はトロリ４４に取り付けられた巻上モータ（図示省略）でなされる。
【００７６】
これらのモータ及びそれらの制御装置（図示省略、図１の３５，３６，３７に相当するもの）が図２に示すクレーン駆動装置９である。また、図５に示すブーム旋回指令と起伏指令を図６に示す天井クレーン４０のガーダ走行指令とトロリ横行指令にそれぞれ置き換えることにより、上述した制御が全く同様に天井クレーン４０に適応できることは明白である。
【００７７】
なお、図６の天井クレーンは横行トロリを有していたが、このトロリを設置しないこともでき、その場合、ロープ巻上モータはガーダに取り付けられる。
【００７８】
また、トロリ及びロープ巻上モータを設けずに、一定の長さを有するロープとすることもできる。この場合、ロープ長に関する信号は一定となる。
【００７９】
以上、本発明の実施形態及び実施例を図に巻き上げ巻き下げ示して説明したが、これらの形態及び実施例は例示の目的であり、これらのものに限定するものではない。当業者にとって明白であるが、これらの形態及び実施例の変更、変形も可能であり、本発明はその技術的思想から逸脱することのない変更、変形を含むことを意図するものであり、本発明の範囲は請求の範囲から定められるものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィルタ部を有するコントローラをフィードフォワード制御プログラムによって作動させることによって、クレ−ンのロープにより吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷の振れを抑制するようにクレーン駆動装置を制御する方法であって、
ロープの振れの回転中心から前記荷の重心までの距離であるロープ長から逐次演算される共振周波数と、クレーン駆動装置の性能を超えないように予め別途演算されたクレーン駆動装置の制御装置に関するパラメータとの下に、荷の搬送指令における搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度の少なくとも１つのものにおける最大値を制限した搬送指令から共振周波数付近の成分を前記フィルタ部により除去し、前記フィルタ部により前記共振周波数付近の成分が除去された搬送指令を前記クレーン駆動装置に入力して前記荷を前記第１位置から前記第２位置まで搬送した時点で前記荷が大きく振れないように前記クレーン駆動装置を制御するクレーン駆動装置の制御方法。
【請求項２】
フィルタ部を有するコントローラをフィードフォワード制御プログラムによって作動させることによって、クレ−ンのロープにより吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷の振れを抑制するようにクレーン駆動装置を制御する制御システムであって、
前記ロープの振れの回転中心から前記荷の重心までの距離であるロープ長を演算するロープ長検出部と、
前記ロープ長における前記ロープの共振周波数を演算する共振周波数演算部と、
搬送指令付与装置によって付与される荷に関する搬送指令を発信する搬送指令発信手段と、
前記クレーン駆動装置の性能を超えないようにクレーン駆動装置の制御装置に関するパラメータを予め演算するパラメータ演算部と、
前記パラメータ演算部から前記パラメータを受信し記憶するパラメータ記憶部と、
前記パラメータ記憶部からの前記パラメータの下に前記搬送指令発信手段からの前記荷の搬送指令の搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度の少なくとも１つのものにおける最大値を制限する最大値制限部と、
前記共振周波数演算部から共振周波数を受信し、前記パラメータ記憶部から得た前記パラメータの下に、前記最大値制限部による前記最大値が制限された前記搬送指令から前記共振周波数付近の成分を除去し、前記共振周波数付近の成分が除去された搬送指令を前記クレーン駆動装置に入力するフィルタ部とを、
含んでなるクレーン駆動装置の制御システム。
【請求項３】
フィルタ部を有するコントローラにより、クレ−ンのロープによって吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷の振れを抑制するためにクレーン駆動装置を制御するフィードフォワード制御プログラムを記憶した媒体であって、
前記フィードフォワード制御プログラムは、前記ロープの振れの回転中心から荷の重心までの距離であるロープ長から逐次演算される共振周波数と、前記クレーン駆動装置の性能を超えないように予め別途演算されたクレーン駆動装置の制御装置に関するパラメータとの下に、荷の搬送指令における搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度のうちの少なくとも１つのものにおける最大値を制限した搬送指令から共振周波数付近の成分を前記コントローラの前記フィルタ部に除去させて該共振周波数付近の成分が除去された搬送指令を前記クレーン駆動装置に入力させるようにプログラムされている、前記フィードフォワード制御プログラムを記憶した媒体。
【請求項４】
クレーンブームを旋回させる旋回モータと、この旋回モータの回転方向及び速度をコントロールする旋回モータ制御装置と、ロープの巻上巻下を行う巻上モータと、前記巻上モータの回転方向及び速度をコントロールする巻上モータ制御装置含むクレーンであって、
現在のロープ長を検出する検出装置と、
前記旋回モータ制御装置及び前記巻上モータ制御装置に電気的に接続されるコントローラであって、前記ロープ長の信号から第１位置から第２位置まで搬送した時点で荷揺れを生じさせないフィードフォワード制御により変換された信号を前記旋回モータ制御装置に出力するコントローラとを、
さらに含んでなるクレーン。
【請求項５】
請求項４のクレーンであって、クレーンブームを起伏させる起伏モータと、該起伏モータの回転方向及び回転速度をコントロールするために前記コントローラに電気的に接続された起伏モータ制御装置を更に備え、
前記コントローラは、前記ロープ長の信号から前記第１位置から前記第２位置まで搬送した時点で荷揺れを生じさせないフィードフォワード制御により変換された信号を前記起伏モータ制御装置に対しても更に出力するクレーンシステム。
【請求項６】
前記コントローラは、既存クレーンに後付け可能である請求項４又は５に記載のクレーンシステム。
【請求項７】
クレーンのブームを旋回及び起伏させる旋回モータ及び起伏モータと、前記旋回モータの回転方向と速度を制御する旋回モータ制御装置と、前記起伏モータの回転方向と速度を制御する起伏モータ制御装置を備えた既存のクレーンに後付けされるクレーン用のコントローラであって、クレーンのロープ長信号のみを入力可能であり、このロープ長信号から外乱のない状態で荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で荷振れを生じさせないようにフィードフォワード制御により変換された信号を前記旋回モータ制御装置及び前記起伏モータ制御装置に出力するクレーンシステム用のコントローラ。
【請求項１】
フィルタ部を有するコントローラをフィードフォワード制御プログラムによって作動させることによって、クレ−ンのロープにより吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷の振れを抑制するようにクレーン駆動装置を制御する方法であって、
ロープの振れの回転中心から前記荷の重心までの距離であるロープ長から逐次演算される共振周波数と、クレーン駆動装置の性能を超えないように予め別途演算されたクレーン駆動装置の制御装置に関するパラメータとの下に、荷の搬送指令における搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度の少なくとも１つのものにおける最大値を制限した搬送指令から共振周波数付近の成分を前記フィルタ部により除去し、前記フィルタ部により前記共振周波数付近の成分が除去された搬送指令を前記クレーン駆動装置に入力して前記荷を前記第１位置から前記第２位置まで搬送した時点で前記荷が大きく振れないように前記クレーン駆動装置を制御するクレーン駆動装置の制御方法。
【請求項２】
フィルタ部を有するコントローラをフィードフォワード制御プログラムによって作動させることによって、クレ−ンのロープにより吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷の振れを抑制するようにクレーン駆動装置を制御する制御システムであって、
前記ロープの振れの回転中心から前記荷の重心までの距離であるロープ長を演算するロープ長検出部と、
前記ロープ長における前記ロープの共振周波数を演算する共振周波数演算部と、
搬送指令付与装置によって付与される荷に関する搬送指令を発信する搬送指令発信手段と、
前記クレーン駆動装置の性能を超えないようにクレーン駆動装置の制御装置に関するパラメータを予め演算するパラメータ演算部と、
前記パラメータ演算部から前記パラメータを受信し記憶するパラメータ記憶部と、
前記パラメータ記憶部からの前記パラメータの下に前記搬送指令発信手段からの前記荷の搬送指令の搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度の少なくとも１つのものにおける最大値を制限する最大値制限部と、
前記共振周波数演算部から共振周波数を受信し、前記パラメータ記憶部から得た前記パラメータの下に、前記最大値制限部による前記最大値が制限された前記搬送指令から前記共振周波数付近の成分を除去し、前記共振周波数付近の成分が除去された搬送指令を前記クレーン駆動装置に入力するフィルタ部とを、
含んでなるクレーン駆動装置の制御システム。
【請求項３】
フィルタ部を有するコントローラにより、クレ−ンのロープによって吊り下げられた荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で発生する荷の振れを抑制するためにクレーン駆動装置を制御するフィードフォワード制御プログラムを記憶した媒体であって、
前記フィードフォワード制御プログラムは、前記ロープの振れの回転中心から荷の重心までの距離であるロープ長から逐次演算される共振周波数と、前記クレーン駆動装置の性能を超えないように予め別途演算されたクレーン駆動装置の制御装置に関するパラメータとの下に、荷の搬送指令における搬送速度、搬送加速度および搬送加々速度のうちの少なくとも１つのものにおける最大値を制限した搬送指令から共振周波数付近の成分を前記コントローラの前記フィルタ部に除去させて該共振周波数付近の成分が除去された搬送指令を前記クレーン駆動装置に入力させるようにプログラムされている、前記フィードフォワード制御プログラムを記憶した媒体。
【請求項４】
クレーンブームを旋回させる旋回モータと、この旋回モータの回転方向及び速度をコントロールする旋回モータ制御装置と、ロープの巻上巻下を行う巻上モータと、前記巻上モータの回転方向及び速度をコントロールする巻上モータ制御装置含むクレーンであって、
現在のロープ長を検出する検出装置と、
前記旋回モータ制御装置及び前記巻上モータ制御装置に電気的に接続されるコントローラであって、前記ロープ長の信号から第１位置から第２位置まで搬送した時点で荷揺れを生じさせないフィードフォワード制御により変換された信号を前記旋回モータ制御装置に出力するコントローラとを、
さらに含んでなるクレーン。
【請求項５】
請求項４のクレーンであって、クレーンブームを起伏させる起伏モータと、該起伏モータの回転方向及び回転速度をコントロールするために前記コントローラに電気的に接続された起伏モータ制御装置を更に備え、
前記コントローラは、前記ロープ長の信号から前記第１位置から前記第２位置まで搬送した時点で荷揺れを生じさせないフィードフォワード制御により変換された信号を前記起伏モータ制御装置に対しても更に出力するクレーンシステム。
【請求項６】
前記コントローラは、既存クレーンに後付け可能である請求項４又は５に記載のクレーンシステム。
【請求項７】
クレーンのブームを旋回及び起伏させる旋回モータ及び起伏モータと、前記旋回モータの回転方向と速度を制御する旋回モータ制御装置と、前記起伏モータの回転方向と速度を制御する起伏モータ制御装置を備えた既存のクレーンに後付けされるクレーン用のコントローラであって、クレーンのロープ長信号のみを入力可能であり、このロープ長信号から外乱のない状態で荷を第１位置から第２位置まで搬送した時点で荷振れを生じさせないようにフィードフォワード制御により変換された信号を前記旋回モータ制御装置及び前記起伏モータ制御装置に出力するクレーンシステム用のコントローラ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０１２１５５
【国際公開日】平成１７年２月１０日（２００５．２．１０）
【発行日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１２５７６（Ｐ２００５−５１２５７６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１１２５９
【国際出願日】平成１６年８月５日（２００４．８．５）
【出願人】（０００１９１００９）新東工業株式会社 (474)
【出願人】（５９７０５２０７５）
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年２月１０日（２００５．２．１０）
【発行日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１１２５９
【国際出願日】平成１６年８月５日（２００４．８．５）
【出願人】（０００１９１００９）新東工業株式会社 (474)
【出願人】（５９７０５２０７５）
【Ｆターム（参考）】
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