DE10029579B4 - Verfahren zur Orientierung der Last in Krananlagen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Orientierung der Last in Krananlagen (1), bei dem die an Seilen aufgehängte Last um einen bestimmten absoluten Winkel (γ) mit einem Drehwerk, das zwischen der an der Seilaufhängung (2) angeordneten Unterflasche (4) und dem Lastaufnahmemittel (3) angeordnet ist und zum Drehen der Last dient, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung für das Drehwerk Torsionsschwingungen der Last unterdrückt, wobei als Eingangsgröße die absolute Drehwinkelgeschwindigkeit (γ .) über einen Gyroskopsensor gemessen wird, die Winkelposition (c) des Drehwerks und die Seillänge (l_S) gemessen werden und auf den Stelleingang zurückgeführt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Orientierung der Last in Krananlagen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Um einen effizienten Materialfluß zu gewährleisten, sind die meisten Krane mit einem besonderen Lastaufnahmemittel an der Unterflasche des Lastseiles ausgerüstet. Das Lastaufnahmemittel variiert in Abhängigkeit von den Gütern, die transportiert werden sollen. Beispielsweise dient ein Containerspreader als Lastaufnahmevorrichtung für Container. Soweit es sich bei dem Transportgut um ein asymmetrisches Objekt handelt, ist eine Orientierung der Last am Zielpunkt erforderlich. Unter Orientierung versteht man, daß die Last am Zielpunkt um einen definierten Winkel gedreht wird. Hierzu wird im Lastaufnahmemittel zwischen Seilaufhängungspunkt und der Greifvorrichtung für die Last ein Drehwerk eingebaut.
• Wird nun ein derartiges Drehwerk betätigt, so kann durch zu schnelles Drehen der Last eine Torsionsschwingung hervorgerufen werden, die von einem geübten Kranfahrer durch eine gezielte Gegenbewegung des Drehwerkes gedämpft werden kann. Dabei hängt es von der Erfahrung und dem Geschick des jeweiligen Kranfahrers ab, wie schnell er eine derartige Torsionsschwingung ausgleichen kann. Beispielsweise kann bei entsprechender Windbelastung eine entsprechenden Torsionsschwingung auch von außen angeregt werden. Diese überlagerten Torsionschwingungen können nur sehr schwer vom Kranfahrer ausgeglichen werden.
• Bekannt sind bereits Verfahren zur Unterdrückung von Pendelschwingungen bei Lastkranen.
• So beschreibt die DE 127 80 79 A eine Anordnung zur selbsttätigen Unterdrückung von Pendelungen einer mittels eines Seiles an einem in waagerechter Ebene bewegbaren Seilaufhängepunkt hängenden Last bei Bewegung des Seilaufhängepunktes in mindestens einer waagerechten Koordinate, bei der die Geschwindigkeit des Seilaufhängepunktes in der waagerechten Ebene durch einen Regelkreis in Abhängigkeit von einer von dem Auslenkwinkel des Lastseiles gegen das Endlot abgeleiteten Größe beeinflusst wird.
• Die DE 20 22 745 A zeigt eine Anordnung zur Unterdrückung von Pendelschwingungen einer Last, die mittels eines Seiles an der Katze eines Kranes aufgehängt ist, deren Antrieb mit einer Drehzahleinrichtung und einer Wegregeleinrichtung ausgestattet ist, mit einer Regelanordnung, die die Katze unter Berücksichtigung der Schwingungsperiode während eines ersten Teils des von der Katze zurückgelegten Weges derart beschleunigt und während eines letzten Teils dieses Weges derart verzögert, daß die Bewegung der Katze und die Schwingung der Last am Zielort gleich zu Null werden.
• Aus der DE 321 04 50 A1 ist eine Einrichtung an Hebezeugen für die selbsttätige Steuerung der Bewegung des Lastträgers mit Beruhigung des beim Beschleunigen oder Abbremsen der an ihm hängenden Last auftretenden Pendels der Last während eines Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitintervalles bekannt geworden. Die Grundidee beruht auf dem einfachen mathematischen Pendel. Die Katz- und Lastmasse wird für die Berechnung der Bewegung nicht miteinbezogen. Coulombsche und geschwindigkeitsproportionale Reibung der Katz- oder Brückenantriebe werden nicht berücksichtigt.
• Um einen Lastkörper schnellstmöglich vom Standort zum Zielort transportieren zu können, schlägt die DE 322 83 02 A1 vor, die Drehzahl des Antriebsmotors der Laufkatze mittels eines Rechners so zu steuern, daß die Laufkatze und der Lastträger während der Beharrungsfahrt mit gleicher Geschwindigkeit bewegt werden und die Pendeldämpfung in kürzester Zeit erreicht wird. Der aus der DE 322 83 02 A1 bekannte Rechner arbeitet nach einem Rechenprogramm zur Lösung der für das aus Laufkatze und Lastkörper gebildeten ungedämpften Zwei-Massen-Schwingungssystems geltenden Differentialgleichungen, wobei die Coulombsche und geschwindigkeitsproportionale Reibung der Katz- oder Brückenantriebe nicht berücksichtigt werden.
• Bei dem aus der DE 37 10 492 A1 bekannt gewordenen Verfahren werden die Geschwindigkeit zwischen den Zielorten auf dem Weg derart gewählt, daß nach Zurücklegen der Hälfte des Gesamtweges zwischen Ausgangsort und Zielort der Pendelausschlag stets gleich Null ist.
• Das aus der DE 39 33 527 A1 bekannt gewordene Verfahren zur Dämpfung von Lastpendelschwingungen umfaßt eine normale Geschwindigkeits-Positionsregelung.
• Die DE 691 19 913 T2 behandelt ein Verfahren zum Steuern der Verstellung einer pendelnden Last, bei der in einem ersten Regelkreis die Abweichung zwischen der theoretischen und der wirklichen Position der Last gebildet wird. Diese wird abgeleitet, mit einem Korrekturfaktor multipliziert und auf die theoretische Position des beweglichen Trägers addiert. In einem zweiten Regelkreis wird die theoretische Position des beweglichen Trägers mit der wirklichen Position verglichen, mit einer Konstanten multipliziert und auf die theoretische Geschwindigkeit des beweglichen Trägers aufaddiert.
• Die aus der DE 127 80 79 A , DE 393 35 27 A1 und DE 691 19 913 T2 bekannt gewordenen Regelverfahren benötigen zur Lastpendeldämpfung einen Seilwinkelsensor. In der erweiterten Ausführung gemäß der DE 44 02 563 ist dieser Sensor ebenfalls erforderlich. Da dieser Seilwinkelsensor erhebliche Kosten verursacht, ist es von Vorteil, wenn die Lastpendelung auch ohne diesen Sensor kompensiert werden kann.
• Bei der DE 20 22 745 A sind für die Lastpendeldämpfung mehrere Sensoren erforderlich. So muß bei der DE 20 22 745 A zumindest eine Drehzahl und Positionsmessung der Krankatze vorgenommen werden.
• Auch die DE 37 10 492 A1 benötigt als zusätzlichen Sensor zumindest die Katz- bzw. Brückenposition.
• Alternativ zu diesem Verfahren schlägt ein anderer Ansatz, der beispielsweise aus der DE 32 10 450 A1 und der DE 322 83 02 A1 bekannt geworden ist, vor, die dem System zugrundeliegenden Differentialgleichungen zu lösen und basierend hierauf eine Steuerstrategie für das System zu ermitteln, um eine Lastpendelung zu unterdrücken, wobei im Falle der DE 32 10 450 A1 die Seillänge und im Falle der DE 322 83 02 A1 die Seillänge und Lastmasse gemessen wird. Bei diesen Systemen wird jedoch die im Kransystem nicht zu vernachlässigenden Reibungseffekte der Haftreibung und geschwindigkeitsproportionalen Reibung nicht berücksichtigt.
• In der nicht vorveröffentlichten DE 199 20 431 A1 der Anmelder der hier vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Lastpendeldämpfung an Kranen mit einem Steueralgorithmus realisiert worden, der auf der Grundidee basiert, daß als Führungsgrößen nicht nur die Funktion der Soll-Lastposition in Abhängigkeit von der Zeit generiert werden, sondern auch die Funktion für die Soll-Lastgeschwindigkeit, Soll-Lastbeschleunigung, den Soll-Lastruck und die Ableitung des Soll-Lastruckes und in einem Vorsteuerungsblock derart gewichtet auf das Kransystem aufgeschaltet werden, daß das resultierende Gesamtsystem aus Krandynamik und Vorsteuerung geschwindigkeitstreu, beschleunigungstreu, rucktreu und treu hinsichtlich der Ableitung des Ruckes arbeitet. Als minimale Eingangsgrößen für dieses prioritätsältere aber nicht vorveröffentlichte Verfahren werden die Seillänge und die Lastmasse benötigt.
• Keines der zuvor beschriebenen Verfahren befaßt sich mit der eingangs geschilderten Problematik der Torsionsschwingungen bei der Betätigung des Drehwerks.
• Aus der WO 97/19888 A1 ist eine Krananlage bekannt, in der die Lasten mit einer Vierseilaufhängung versehen sind. Hier wird zur Verhinderung einer Torsionsbewegung der Last zumindest eines der Seile der Vierseilaufhängung beeinflußt.
• Die DE 19907989 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bahnregelung von Kranen mit einer Einseilaufhängung, bei der Torsionsschwingungen um einen in Richtung der X-Koordinate ausgerichteten Rotationsvektor gedämpft werden können
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Orientierung der Last in Krananlagen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mit dem eine Last ohne Anregung von Torsionsschwingungen auf eine definierte Winkelposition gedreht werden kann und mit dem eventuell extern angeregte Torsionsschwingungen wirksam gedämpft werden können.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst. Hier wird eine Regelung des Drehwerkes realisiert, die auf der Messung der absoluten Drehwinkelgeschwindigkeit mittels eines Gyroskopsensors und der Winkelposition der Drehachse des Drehwerkes basiert.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.
• Demnach kann die Drehbewegung der Last und der Greifvorrichtung für die Last mit einem Gyroskopsensor erfasst werden. Da das Messignal bei verfügbaren Gyroskopsensoren teilweise stark verrauscht ist und durch Drift und Offset verfälscht wird, wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Offset in einem sogenannten Störbeobachtermodul geschätzt und kompensiert. Ein Beobachter berechnet basierend auf dem idealisierten dynamischen Modell der Anordnung aus dem Sensorsignal des Gyroskopsensors die absolute Winkelstellung der Last.
• Bei der erfindungsgemäßen Regelung kann vorteilhaft ein Steueralgorithmus eingesetzt werden, bei dem in einem sogenannten Bahnplanungsmodul die Zeitfunktionen für die Sollposition, die Soll-Geschwindigkeit, die Soll-Beschleunigung, den Soll-Ruck und die Ableitung des Soll-Ruckes bildet. Diese Funktionen werden in einem Vorsteuerungsblock derart gewichtet auf das Kransystem aufgeschaltet, daß das resultierende Gesamtsystem aus Krandynamik und Vorsteuerung geschwindigkeitsgetreu, beschleunigungstreu, rucktreu und treu hinsichtlich der Ableitung des Ruckes arbeitet. Bei diesem Modell werden als zusätzlich veränderliche Parameter die Seillänge und die Lastmasse berücksichtigt.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
• 1 die prinzipielle Struktur eines Krans mit Lastaufnahmemittel
• 2: die Seilaufhängung der Steuerung und Drehachse am Lastaufnahmemittel
• 3. die Gesamtstruktutur der Steuerung
• 4: beispielhafte Zeitfunktionen des Bahnplanungsmoduls
• 5: die Struktur des Achsreglers
• 6: die Struktur des Zustandsregiers
• 7: die Struktur des Vorsteuerung
• 8: die Struktur des Störbeobachters
• In 1 ist die prinzipielle Struktur eines Krans 1 mit einem Lastaufnahmemittel 3 dargestellt. Zwischen Lastaufnahmemittel 3 und Unterflasche 4 der Seilaufhängung 2 ist eine Drehachse 5 angeordnet, um die die Unterflasche der Seilaufhängung gegenüber dem eigentlichen Lastaufnahmemittel motorisch verdreht werden kann. Dadurch kann die Last um den Winkel γ gedreht werden.
• Anhand der 2 wird nun ein dynamisches Modell zur Beschreibung dieses Vorgangs hergeleitet. Der wesentliche Effekt bei der Orientierung der Last beruht darauf, daß mit der Drehachse die Unterflasche 4 der Seilaufhängung 2 gegenüber dem Lastaufnahmemittel 3 verdreht wird. Die Postition der Drehachse entspricht der Variablen c. Dadurch verdrillen sich die vier zur Krankatze nach oben laufenden Tragseile 21 entgegen der Drehrichtung der Drehachse. Die Verdrilling entspricht dem Differenzwinkel γ_drill = γ – c (1)
• Dies führt zu einem leichten Anheben der Last. Der diagonale Abstand der Tragseile zueinander beträgt d_c. Durch die Verdrilling werden die Tragseile um den Winkel φ_1drill ausgelenkt.
• 
• l_S entspricht hier der Länge der Tragseile 21 zwischen Hubseilwinde und Unterflasche 4.
• Dadurch wird die Last um

  

  angehoben. Damit entsteht ein rückwirkendes Drehmoment

  

  mit der beschleunigenden Kraft F_drill = m_Lgsinφ_1drill (4), wobei m_L die Masse der Last ist.
• Das Drehmoment M_drill wird in eine gegenläufige Drehbewegung umgesetzt. Resultat ist eine Torsionsschwingung, die durch folgende Differentialgleichung beschrieben wird. (Θ_Lc + Θ_Uc)γ .._drill = –M_drill – M_c (5)
• Θ_Lc ist das Trägheitsmoment bei Rotation des Effektors um die Drehachse, Θ_Uc ist das Trägheitsmoment bei Rotation der Unterflasche um die Drehachse, M_c ist die Rückwirkung des antreibenden Drehmomentes des Antriebs der Drehachse auf den Verdrillungswinkel γ_drill. In Abhängigkeit von der Beschleunigung der Drehachse ist das antreibende Moment M_c = Θ_Lcc .. (6)
• Gl. 4 wird nun linearisiert, indem sinφ ≈ φ_1drill. Damit erhält man die folgende Bewegungsgleichung

  
• Um einen Regler zu entwerfen, der die beim Drehen der Last zwangsläufig auftretenden Torsionsschwingungen unterdrückt, wird die Differentialgleichung Gl. 7 in die Zustandsraumdarstellung überführt. Als Zustandsgrößen werden der Verdrillungswinkel, die Winkelposition der Drehachse sowie deren Ableitungen definiert. Damit erhält man das folgende Zustandsraummodell: ẋ _c = A _c x _c + B _c u _c y _c = C _c x _c y _mc = C _mc x _c (8) mit Zustandsvektor:

  

  Eingangsmatrix:

  

  Systemmatrix:

  
• Eingangsvektor:
• u _c = c .. = c .._soll
• Ausgangsmatrix der Regelgröße:
• C _c = [1 1 0 0]
• Ausgangsvektor der Regelgröße:
• y _c = γ
• Ausgangsmatrix der Meßgröße:

  
• Ausgangsvektor der Meßgrößen:

  
• Die Dynamik der Antriebseinheit der Drehachse wird vernachlässigt. Damit kann als Eingangsvektor des Systems anstatt der Soll-Beschleunigung der Drehachse die Beschleunigung der Drehachse verwendet werden. Der Eingangsvektor der Systembeschreibung ist zugleich Ausgangsgröße des im folgenden hergeleiteten Reglers.
• Als Meßgrößen liegen die absolute Drehwinkelgeschwindigkeit und die Winkelposition der Drehachse vor. Die Drehwinkelgeschwindigkeit wird mit einem Gyroskopsensor erfaßt. Da dessen Meßwert durch Drift und Offset verfälscht ist, muß ein Störbeobachter die Meßdatenauswertung unterstützen. Die Position der Drehachse wird mit einem Absolutencoder erfaßt. Die Drehwinkelgeschwindigkeit der Drehachse wird durch reales Differenzieren gebildet.
• Für den nun folgenden Entwurf von Vorsteuerung und Zustandsregelung wird die Modelldarstellung nach Gl. 8 und Gl. 9 um die Aufschaltung des Führungsgrößenvektors w _c, über die Vorsteuerungsmatrix S _c und die Zustandsrückführung über die Reglermatrix K _c erweitert. Damit erhält man u _c = S _c·w _c – K _c·x _c (10) wobei Führungsgrößenvektor:

  
• Vorsteuerungsmatrix:
• S _c = [K_Vc0 K_Vc1 K_Vc2 K_Vc3 K_Vc4] (11)
• Reglermatrix:
• K _c = [k_c1 k_c2 k_c3 k_c4]
• wobei c .._soll,rück = –K _c x _c und c .._soll,vorst = S _c w _c
• Zusammenfassend läßt sich die folgende Gesamtstruktur der Steuerung der Drehachse darstellen (3). Vom Bediener wird eine Zielposition γ_Ziel beispielsweise über den Leitrechner 36 oder eine Zielgeschwindigkeit γ ._Ziel beispielsweise über die Funkfernbedienung 35 vorgegeben. Im Bahnplanungsmodul 31 werden daraus die Referenzzeitfunktionen für die Sollposition γ_Lref, die Soll-Geschwindigkeit γ ._Lref , die Soll-Beschleunigung γ .._ref , den Soll-Ruck γ ..._Lref und die Ableitung des Soll-Ruckes γ^(V) _Lref gebildet, wobei die kinematischen Beschränkungen wie die maximale Geschwindigkeit ν_max, die maximale Beschleunigung a_max und der maximale Ruck j_max stets eingehalten werden. In 4 sind beispielhaft generierte Referenzzeitfunktionen dargestellt, wie sie für ein ähliches System in der DE 199 20 431 A1 bereits erläutert wurden. Die Referenzzeitfunktionen sind die Ausgangssgrößen des Bahnplanungsmoduls 31 und zugleich die Eingangsgrößen für das Achsreglermodul 33, dessen Struktur in 5 näher dargestellt ist.
• Das Achsreglermodul besteht aus dem Vorsteuerungsmodul 51, dem Zustandsreglermodul 53 und dem Störbeobachtermodul 55. Eingangsgrößen sind die Referenzzeitfunktionen aus dem Bahnplanungsmodul, Ausgangsgröße ist die Soll-Beschleunigung der Drehachse c .._soll . Erforderliche Meßgrößen sind die Seillänge l_S, die Lastmasse m_L, die Position der Drehachse c und die absolute Winkelgeschwindigkeit des Lastaufnahmemittels γ ..
• Im folgenden werden nun die Module 51, 53 und 55 näher erläutert.
• Der Zustandsregler 53 für die Drehachse wird nach dem Polvorgabeverfahren entworfen. Die charakteristische Gleichung des Systems mit Zustandsregler lautet det(sI – A _c + B _c·K _c) = 0 (12)
• Die gewünschte Dynamik des geregelten Systems wird über das Poynom

  

  vorgegeben. Die r_ci sind so zu wählen, daß das System stabil ist, die Regelung hinreichend schnell bei guter Dämpfung arbeitet und die Stellgrößenbeschränkung bei typischen auftretenden Regelabweichungen nicht erreicht wird. Werden die Gleichungen Gl. 12 und Gl. 13 gleichgesetzt, so ergeben sich die zu bestimmenden Reglerverstärkungen k_c1 bis k_c4 zu

  
• Abhängige Systemparameter in den Reglerverstärkungen k_c1 bis k_c4 sind die Variablen der Lastmasse m_L, des diagonalen Abstands der Tragseile d_c, der Seilänge l_S, des Trägheitsmoments bei Drehung um die Hochachse für das Lastaufnahmemittel Θ_Lc, und die Unterflasche Θ_Uc. Von diesen sind die Größen m_L, l_S, Θ_Lc veränderlich. Die Seillänge l_S und die Lastmasse m_L liegen als Meßgrößen vor. Damit kann das Trägheitsmoment Θ_Lc, unter der Annahme homogener Massenverteilung näherungsweise aus der Lastmasse m_L über die geometrischen Abmessungen der Gitterbox abgeleitet werden. Resultierend läßt sich damit das Trägheitsmoment ebenfalls auf die Veränderung der Lastmasse zurückführen. Die veränderlichen Parameter bei der adaptiven Nachführung der Reglerverstärkungen sind damit die Lastmasse m_L und die Seillänge l_S. Die Struktur des Zustandsreglermoduls ist nochmals in 6 dargestellt. Die Zustandsgrößen des Verdrillungswinkels γ_drill und dessen Ableitung, welche aus der Drehgeschwindigkeit γ . und der Position der Drehachse c ermittelt werden, sowie die Position der Drehachse c selbst sowie deren Ableitung werden über die Reglerverstärkungen k_c1 bis k_c4 auf den Stelleingang zurückgeführt. Der Anteil der Stellgröße, der durch die Rückführung determiniert ist, wird als c .._soll.rück bezeichnet.
• Im folgenden soll nun der Entwurf des Vorsteuerungsmoduls 51 gezeigt werden. Das Bahnplanungsmodul 31 generiert die Referenzzeitfunktionen γ _Lref der Soll-Winkelposition, -Winkelgeschwindigkeit, -Beschleunigung, und des -Ruckes für die Orientierung γ der Last im Arbeitsraum. Diese werden vom Achsreglermodul für die Drehachse als Führungsgrößenvektor w _c interpretiert, der über die Vorsteuerungsmatrix auf den Eingang u _c gegeben wird.
• Zunächst wird die Übertragungsfunktion

  

  hergeleitet. Die Auswertung von Gl. 15 führt auf eine Übertragungsfunktion mit Nennergrad entsprechend der Systemordnung von n = 4.
• 
• Aufgrund des Nennergrads 4 von Gl. 16 ist eine Aufschaltung bis zum Grad 4 vorzusehen. Für die Vorsteuerung selbst ergibt sich deshalb nach Auswertung von Gl. 10 bzw. 11 und Transformation in den Frequenzbereich das folgende Übertragungsverhalten.
• 
• Damit erhält man die folgende Gesamtübertragungsfunktion:

  
• Zur Berechnung der Verstärkungen K_V0 bis K_V4 sind aufgrund des Grades 4 des Nennerpolynoms in Gl. 16 lediglich die Koeffizienten b₄ bis b₀ und a₄ bis a₀ von Interesse. Ideales Systemverhalten bezüglich Position, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, des Ruckes und ggf der Ableitung des Ruckes ergibt sich genau dann, wenn die Übertragungsfunktion des Gesamtsystems aus Vorsteuerung und Übertragungsfunktion in ihren Koeffizienten b_i und a_i den folgenden Bedingungen genügt:

  
• Nach Auswertung analog zu Gl. 7–17 erhält man damit für die Vorsteuerungsverstärkungen

  
• Die Ausdrücke nach Gl. 20 zeigen, daß für die adaptive Nachführung der Verstärkungen in der Vorsteuerung die Systemparameter m_L, d_c, l_S, Θ_Lc und Θ_Uc zu berücksichtigen sind. Wie beim Zustandsreglermodul wird homogene Massenverteilung angenommen und das Trägheitsmoment Θ_Lc näherungsweise aus der Lastmasse und den geometrischen Abmessungen der Gitterbox berechnet. Die veränderlichen Parameter bei der adaptiven Nachführung sind damit die Lastmasse m_L und die Seillänge l_S. Die Struktur der Vorsteuerung ist in 7 dargestellt. Eingangsgrößen sind die Referenzzeitfunktionen aus dem Bahnplanungsmodul, Ausgangsgröße ist der Anteil des Vorsteuerung c .._soll,vorst an der Stellgröße c .._soll .
• Zur Messung der absoluten Winkelgeschwindigkeit der Last ist auf dem Lastaufnahmemittel ein Gyroskopsensor installiert. Das Meßsignal des Sensors ist aufgrund des Meßprinzips mit einem erheblichen Offset überlagert. Der Offset auf dem Meßsignal verursacht Positionsfehler der Regelung bei der Orientierung der Last. Daher wird in einem Störbeobachter der Offsetfehler geschätzt und kompensiert. Dazu wird als Störgröße der Offsetfehler γ ._Offset eingeführt. Die Störung wird als abschnittsweise konstant angenommen. Das Störmodell ist demnach γ .._Offset = 0 (21)
• Die Zustandsraumdarstellung des Teilmodells für die Drebachse nach Gl. 8 und Gl. 9 wird um das Störmodell erweitert. Im vorliegenden Fall wird ein vollständiger Beobachter hergeleitet. Die Beobachtergleichung für das modifizierte Zustandsraummodell lautet demnach:

  

  wobei in Ergänzung zu Gl. 9 die folgenden Matrizen und Vektoren eingeführt werden.
• Zustandsvektor:

  
• Eingangsmatrix:

  
• Systemmatrix:

  
• 
• Störbeobachtermatrix:

  
• Beobachterausgangsmatrix:

  
• Für den Entwurf des Beobachters wird das System nach Gl. 23 in die Beobachtungsnormalform transformiert. In Beobachtungsnormalform wird über Polvorgabe der Beobachter entworfen und anschließend das System wieder zurück transformiert. Dabei werden die Pole r_cz1,2 und r_cz3,4 mit einer Vielfachheit von zwei gewählt und der Pol r_cz5 mit einer Vielfachheit von eins. Die Störbeobachtermatrix für den Störbeobachter 55 ist dann

  
• Mit der Darstellung nach Gl. 24 liegt wiederum ein analytischer Ausdruck in Abhängigkeit der Systemparamter m_L, d_g, l_S, Θ_Lc vor. Für die Adaption des Störbeobechters 55 sind die Meßgrößen m_L und l_S erforderlich. Die Struktur des Störbeobachters 55 ist in 8 dargestellt.
• Aus den Meßgrößen der Position der Drehachse c und der Drehgeschwindigkeit γ . des Lastaufnahmemittels wird über den Störbeobachter der Offsetfehler γ ._offset ermittelt. Damit ist es möglich, den gemessenen Wert der Drehgeschwindigkeit γ . zu korrigieren und damit für den Zustandsregler den Verdrillungswinkel γ_drill zuverlässig zu berechnen.
• Nachdem im vorangegangenen die einzelnen Teilmodule 51, 53 und 55 vorgestellt wurden, soll nun die Gesamtstruktur nochmals anhand 5 gezeigt werden, um die Zusammenhänge zwischen den Teilmodulen nochmals zu verdeutlichen. 5 zeigt die Struktur des Achsreglermoduls für die Drehachse des Lastaufnahmemittels. Eingangsgrößen für das Vorsteuerungsmodul 51 sind die Referenzzeitfunktionen γ _Lref des Bahnplanungsmoduls 31. Aufgrund der Systemordnung n = 4 kann eine Aufschaltung bis zur Ableitung des Soll-Ruckes vorgenommen werden. Ausgangsgröße ist c .._soll,vorst . Über den Zustandsregler 53 werden die Zustandsgrößen γ, γ ., c, c . auf den Eingang als c .._soll,rück zurückgeführt. Als Meßgrößen liegen die Position der Drehachse c sowie deren durch reales Differenzieren gebildete Geschwindigkeit c . und die offsetbehaftete Drehgeschwindigkeit γ . vor. Zur Kompensation des Offsetfehlers im Gyroskopsignal wird deshalb ein Störbeobachtermodul 55 eingeführt, das den Offset γ ._Offset schätzt. Anschließend wird das Meßsignal des Gyroskopsensors vor Aufschalten auf den Zustandsregler und vor dessen Integration zur Ableitung des Positionssignals γ um diesen geschätzten Offset korrigiert. Daher ist für die Funktion des Zustandsreglermoduls 53 in diesem Fall der Störbeobachter 55 zwingend erforderlich. Ausgangsgröße des Achsreglermoduls ist die Sollbeschleunigung der Drehachse c .._soll .

Claims (7)

1. Verfahren zur Orientierung der Last in Krananlagen (1), bei dem die an Seilen aufgehängte Last um einen bestimmten absoluten Winkel (γ) mit einem Drehwerk, das zwischen der an der Seilaufhängung (2) angeordneten Unterflasche (4) und dem Lastaufnahmemittel (3) angeordnet ist und zum Drehen der Last dient, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung für das Drehwerk Torsionsschwingungen der Last unterdrückt, wobei als Eingangsgröße die absolute Drehwinkelgeschwindigkeit (γ .) über einen Gyroskopsensor gemessen wird, die Winkelposition (c) des Drehwerks und die Seillänge (l_S) gemessen werden und auf den Stelleingang zurückgeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung für das Drehwerk die Last auf einen vorgegebenen Solldrehwinkel positioniert.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter Berücksichtigung der Seillänge (l_S) und der Lastmasse (m_L) in einem Bahnplanungsmodul (31) die Zeitfunktionen mindestens eine der Größen der Soll-Winkelposition, Soll-Winkelgeschwindigkeit, Soll-Winkelbeschleunigung und des Soll-Winkelruckes und der Ableitung des Ruckes für die Orientierung γ der Last im Arbeitsraum gebildet werden und diese in einem Vorsteuerungsblock (51) eines Achsreglermoduls (33) mit Vorsteuerungsverstärkungen K_Vi so gewichtet werden, daß die Koeffizienten der resultierenden Übertragungsfunktion aus Krandynamik und Vorsteuerung der Form

   

   den folgenden Bedingungen genügt

   
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Übertragungsfunktion festegelegten Vorsteuerungsverstärkungen in Abhängigkeit der Lastmasse (m_L) und der Seillänge (l_S) berechnet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bahnplanungsmodul die Zeitfunktionen der Sollposition (γ_Lref), der Soll-Geschwindigkeit ( γ ._Lref ), der Soll-Beschleunigung ( γ .._Lref ) und des Soll-Ruckes ( γ ..._Lref ) unter Berücksichtigung der kinematischen Beschränkungen erzeugt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bahnplanungsmodul auch die Zeitfunktion für die Ableitung des Soll-Ruckes (γ^(IV) _Lref) erzeugt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Messsignal des Gyroskopsensors auftretender Offset auf dem Messsignal in einem Störbeobachtermodul (55) aufgrund Schätzung und Kompensierung des Offset-Fehlers beseitigt wird.

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