DE3933527A1 - Crane load oscillation damping with strategic set point - involves electronic determn. of correction to target position from actual speed integral and angle of swing - Google Patents
Crane load oscillation damping with strategic set point - involves electronic determn. of correction to target position from actual speed integral and angle of swingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren zur Dämpfung von Lastpendelschwingungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a control method for damping Pendulum vibrations according to the preamble of claim 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 32 28 302 A1 bekannt.Such a procedure is from the German published application 32 28 302 A1 known.
Hierbei wird die Sollkraft zur Beschleunigung und zur Bremsung der Laufkatze durch einen Antriebsmotor mit einem damit in Verbindung stehenden Rechner, der nach einem Rechenprogramm zur Lösung der für das aus Laufkatze und Lastkörper gebildete Zweimassenschwingungssystem geltenden Differentialgleichung arbeitet, derart gesteuert, daß die Last am Zielort nicht mehr pendelt. Der Rechner steht dazu eingangsseitig mit einem Pendellängenmeßwertgeber zur Ermittlung des Abstandes des Lastkörpers von der Laufkatze in Verbindung.Here, the target force for acceleration and braking the Trolley connected to it by a drive motor standing computer, which for a computer program to solve the for Dual mass vibration system formed from trolley and load body applicable differential equation works, controlled so that the load no longer commutes at the destination. The computer is available on the input side a pendulum length transducer to determine the distance of the Load body connected by the trolley.
Hierbei ist nachteilig, daß dieses bekannte Verfahren zur Ermittlung des Steuerbefehls nicht vom Voraussagetyp ist. Des weiteren findet hierbei keine besondere Berücksichtigung einer vor Beginn der Fahrbewegung anliegenden Vorschwingung der Last statt.The disadvantage here is that this known method for determining the Control command is not of the prediction type. Furthermore, this takes place no special consideration of one before the start of the movement applied pre-oscillation of the load instead.
Eine Berücksichtigung etwaiger Störungen im Fahrbetrieb ist aus der deutschen Patentschrift 35 13 007 C2 bekannt. Dabei werden die Steuerbefehle nach einem Schätzverfahren, die um den theoretisch errechneten Steuerbefehl gestreut sind, nach einem komplizierten mathematischen Auswahlverfahren ausgewählt. Nachteilig ist hierbei der entsprechend große Aufwand und die dazu benötigte Zeit zur Durchführung des Steuerverfahrens.A consideration of any disruptions in driving is from the German patent specification 35 13 007 C2 known. The Control commands based on an estimation method that is based on the theoretical calculated tax command are scattered after a complicated mathematical selection process selected. The disadvantage here is correspondingly great effort and the time required to carry it out of the tax process.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß unter Zuhilfenahme eines beliebigen strategischen Pendeldämpfungsverfahrens, welches aus Fahrbewegungen entstehende Lastpendelschwingungen dämpft, zusätzlich auch die Vorschwingungen während des Fahrprozesses mitzudämpfen, so daß kein zusätzlicher Zeitaufwand entsteht.The invention is therefore based on the object of the method of to further develop the type described above in such a way that with the help of any strategic pendulum damping method, which consists of Additional pendulum vibrations dampen driving movements also dampen the pre-vibrations during the driving process, so that no additional time is required.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich anhand der kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 und 3.The solution to this problem is based on the characteristic Features of claim 1. Advantageous embodiments of this Invention are the subject of dependent claims 2 and 3.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen darin, daß unabhängig von der Art und Größe der Vorschwingungen minimale Fahrzeiten bzw. Verladezeiten, insbesondere bei Verwendung in Automatikkranen, erreicht werden.The advantages achieved with the invention are that independent minimal driving times or the type and size of the pre-oscillations Loading times, especially when used in automatic cranes, reached will.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigtAn embodiment of the invention is shown in the drawing. It shows
Fig. 1 Blockschaltbild: Gesamtübersicht. Fig. 1 block diagram: complete overview.
Fig. 2 Blockschaltbild: Lagekorrektursollwertbestimmung. Fig. 2 block diagram: position correction setpoint determination.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispieles, mit der Anordnung und Verknüpfung einzelner Reglerkomponenten, die nach dem Verfahren arbeiten und verknüpft sind. Fig. 1 shows a block diagram of the embodiment, with the arrangement and linking of individual controller components that work according to the method and are linked.
Als Eingangsgröße dient der Lagesollwert x(t), der am Ausgang einer strategischen Pendeldämpfungseinrichtung 1 anliegt. Dieser Lagesollwert x(t) wird zum einen an einen Lageregler 2 und zum anderen an eine Einheit 3 zur Erfassung des Lagesollwertes x(t) geführt. Der Lageregler 2 errechnet aus dem Lagesollwert x(t) und einer Rückkopplung mit einem Lagekorrektursollwert x(t) die Sollgeschwindigkeit. Dieser Geschwindigkeitssollwert Vs(t) wird einem Geschwindigkeitsregler 4 zugeführt, der Teil eines Antriebsreglers 5 der Fahrmotoren ist.The position command value x (t) present at the output of a strategic pendulum damping device 1 is used as an input variable. This position setpoint x (t) is passed on the one hand to a position controller 2 and on the other hand to a unit 3 for detecting the position setpoint x (t). The position controller 2 calculates the target speed from the position target value x (t) and a feedback with a position correction target value x (t). This speed setpoint V s (t) is fed to a speed controller 4 , which is part of a drive controller 5 of the traction motors.
Der erhaltene Geschwindigkeits-Istwert VI(t) wird zum einen einer Recheneinheit 6 und zum anderen einer Pendeleinheit 7 zugeführt, wobei 6 und 7 das Fahrzeug (Katze bzw. Kranbrücke) mit der am Seil hängenden Last repräsentieren. Die Pendeleinheit 7 liefert aus diesem Geschwindigkeits-Istwert VI(t) den realen Pendelwinkel α(t). Die Recheneinheit 6 liefert durch die Fahrbewegung (= Integration des Geschwindigkeits-Istwertes VI(t) über die Zeit) den Wert der real gefahrenen Strecke y(t). Dieser Wert y(t) wird einem Summationspunkt a zugeführt, an dem auch in Rückkopplung mit dem Lageregler 2 der Wert des Lagekorrektursollwertes z(t) anliegt. An diesem Summationspunkt a entsteht die Differenz der beiden Werte y(t)-z(t). Dieser Wert wird einer Einheit 3 zur Erfassung des entsprechenden Wertes zugeführt. In einem weiteren Schritt wird nun die Pendellänge L gemessen und ebenfalls in dieser Einheit 3 erfaßt. Die erfaßten Werte α(t), y(t)-z(t), L und x(t) werden einer elektronischen Einrichtung 8 zur Bestimmung des Lagekorrektursollwertes z(t) zugeführt. Der daraus ermittelte Lagekorrektursollwert z(t) wird durch Zuführen zum Lageregler 2 dem Lagesollwert x(t) überlagert.The actual speed value V I (t) obtained is fed on the one hand to a computing unit 6 and on the other hand to a pendulum unit 7 , 6 and 7 representing the vehicle (cat or crane bridge) with the load hanging on the rope. The pendulum unit 7 delivers the real pendulum angle α (t) from this actual speed value V I (t). The arithmetic unit 6 supplies the value of the actually traveled distance y (t) by the driving movement (= integration of the actual speed value V I (t) over time). This value y (t) is fed to a summation point a at which the value of the position correction setpoint z (t) is also present in feedback with the position controller 2 . The difference between the two values y (t) -z (t) arises at this summation point a. This value is fed to a unit 3 for recording the corresponding value. In a further step, the pendulum length L is now measured and also recorded in this unit 3 . The detected values α (t), y (t) -z (t), L and x (t) are fed to an electronic device 8 for determining the position correction setpoint z (t). The position correction setpoint z (t) determined therefrom is superimposed on the position setpoint x (t) by feeding to the position controller 2 .
Das Prinzip der elektronischen Einheit zur Ermittlung des Lagekorrektursollwertes ist in dem Blockschaltbild der Fig. 2 dargestellt.The principle of the electronic unit for determining the position correction setpoint is shown in the block diagram in FIG. 2.
Der Pendelwinkel α(t) wird einem Multiplikator 10 zugeführt, der über einen Synchronisierimpuls I·Δt ein Zeitfenster setzt und die Echtzeitsimulation des Pendelwinkels α(t) einleitet. Dieser Anfangswert wird zum einen über ein Differenzierglied 13 auf einen ersten Integrator 14 und zum anderen parallel dazu direkt auf einen zweiten Integrator 15 geführt. Die Eingangsgröße y(t)-z(t) wird einem zweifachen Differenzierglied 19 zugeführt. Das Ausgangssignal steht in Verbindung mit einem Divisionsglied 21, dem die Pendellänge L zugeführt wird. Das daraus erhaltene Signal liegt am Ausgang, d. h. am Summationspunkt b an, der mit Integrator 14 in Verbindung steht. Die Eingangsgröße Lagesollwert x(t) wird einem zweifachen Differenzierglied 20 zugeführt, dessen Ausgang mit einem Divisionsglied 22 in Verbindung steht, welchem ebenfalls die Pendellänge L zugeführt wird. Der Ausgang des Divisionsgliedes liegt über dem Summationspunkt c am Eingang des Integrators 17. Die Eingangsgröße Pendellänge L wird einem Rechner 23 zugeführt, der den Wert der Dämpfungsvarianzfunktion ϑ(ω,t) und den Wert der Kreisfrequenz ω² zusammen jeweils mit dem Wert der Pendellänge L selbst am Ausgang herausgibt. Die Dämpfungsvarianzfunktion wird einem Multiplikator 11 zugeführt, und die Kreisfrequenz ω² wird über Multiplikatoren 12, 12′ den beiden Echtzeitsimulationen des realen und des strategischen Pendelwinkels zugeführt.The pendulum angle α (t) is fed to a multiplier 10 which sets a time window via a synchronization pulse I · Δt and initiates real-time simulation of the pendulum angle α (t). On the one hand, this initial value is led via a differentiating element 13 to a first integrator 14 and, on the other hand, in parallel directly to a second integrator 15 . The input variable y (t) -z (t) is fed to a double differentiator 19 . The output signal is connected to a division element 21 , to which the pendulum length L is supplied. The signal obtained from this is present at the output, ie at the summation point b, which is connected to integrator 14 . The input variable position setpoint x (t) is supplied to a double differentiator 20 , the output of which is connected to a division element 22 , to which the pendulum length L is also supplied. The output of the division element lies above the summation point c at the input of the integrator 17 . The input variable pendulum length L is fed to a computer 23 which outputs the value of the damping variance function ϑ (ω, t) and the value of the angular frequency ω² together with the value of the pendulum length L itself at the output. The damping variance function is fed to a multiplier 11 , and the angular frequency ω² is fed via multipliers 12, 12 'to the two real-time simulations of the real and the strategic pendulum angle.
In beiden Integrationsgliedern 14, 15 und 17, 18 entsteht am Ausgang das jeweilige Echtzeitmodell. Beide Ausgangssignale ϕ, ψ kommen am Summationspunkt d zusammen. Die dort erhaltene Größe, d. h. die Differenz aus ϕ(t) und ψ(t) ergibt den Vorschwingungsanteil ε(t). Die nachfolgende Multiplikation mit der Dämpfungsvarianzfunktion ϑ(ω,t) und der Pendellänge L wird einem Integrator 16 zugeführt, der dann als Ausgangsgröße den Lagekorrektursollwert z(t) liefert.In both integration elements 14, 15 and 17, 18 the respective real-time model is created at the output. Both output signals ϕ, ψ come together at the summation point d. The quantity obtained there, ie the difference between ϕ (t) and ψ (t) gives the pre-oscillation component ε (t). The subsequent multiplication by the damping variance function ϑ (ω, t) and the pendulum length L is fed to an integrator 16 , which then supplies the position correction setpoint z (t) as an output variable.
Die beiden Echtzeitmodelle ϕ, ψ arbeiten nach den Differentialgleichungen der entsprechenden Pendelsysteme. Als erstes wird der reale Pendelwinkel α(t) durch die Synchronisation mit einem Echtzeitmodell gekoppelt und durch dasselbe simuliert. Dies hat zur Folge, daß sämtliche aus einer statischen Verformung des Tragwerkes entstehenden Störeinflüsse eliminiert werden. Diese Kopplung muß mathematisch die Funktion α(t) stetig in die Funktion ϕ(t) überführen. Dasselbe gilt für die Ableitungen der entsprechenden Funktionen.The two real-time models ϕ, ψ work according to the Differential equations of the corresponding pendulum systems. First is the real pendulum angle α (t) by the synchronization with a Real-time model coupled and simulated by the same. This has to Consequence that all from a static deformation of the structure resulting interference are eliminated. This coupling must mathematically convert the function α (t) into the function ϕ (t). The same applies to the derivation of the corresponding functions.
Im weiteren existieren dann prinzipiell drei strukturgleiche Schwingungssysteme:There are then basically three structurally identical ones Vibration systems:
[ϕ]: Das reale Lastpendelsystem besteht aus einem Echtzeitmodell, das die
Pendelschwingung inklusive der Vorschwingung simuliert.
[ψ]: Das strategische Pendelsystem besteht aus einem Echtzeitmodell,
dessen Pendelausschlag ψ jenen vom α, jedoch ohne Vorschwingung
nachbildet.
[ε]: Existiert nur theoretisch, entsteht durch die Subtraktion[ϕ]: The real load pendulum system consists of a real-time model that simulates the pendulum oscillation including the pre-oscillation.
[ψ]: The strategic pendulum system consists of a real-time model, whose pendulum deflection ψ simulates that of the α, but without pre-oscillation.
[ε]: Exists only theoretically, arises from the subtraction
[ϕ]: - [ψ]: = [ε]:[ϕ]: - [ψ]: = [ε]:
und repräsentiert den in ϕ steckenden Vorschwingungsanteil ε.and represents the pre-oscillation component ε in ϕ.
Die Systeme gehorchen den folgenden Differentialgleichungen:The systems obey the following differential equations:
In Laplace-Transformation lauten die Gleichungen:In Laplace transform the equations are:
Als Voraussetzung zur mathematischen Lösbarkeit des gedachten Systemes [ε]: wird angenommen, daß es sich insgesamt um einen idealen Regler handelt. Das bedeutet, daß die Sollwerte als Istwerte auch erreicht werden.As a prerequisite for the mathematical solvability of the imagined Systemes [ε]: it is assumed that it is an ideal overall Controller acts. This means that the setpoints as actual values too can be achieved.
Der Vorschwingungsanteil ε ergibt sich dann aus folgender Differenz:The pre-oscillation component ε then results from the following difference:
Die Differentialgleichungen 1, 2, 3 sind strukturgleich und beschreiben ungedämpfte harmonische Schwingungsvorgängen. Der Aufgabenstellung entsprechend soll der in α bzw. ϕ steckende Vorschwingungsanteil ε durch Dämpfung zum Verschwinden gebracht werden. Zu diesem Zweck wird in die Differentialgleichung 3 ein Term erster Ordnung ϑ ε eingeführt.The differential equations 1, 2, 3 are identical in structure and describe undamped harmonic vibration processes. The task accordingly, the pre-oscillation component ε in α or durch should pass through Damping to disappear. For this purpose, the Differential equation 3 introduced a first-order term ϑ ε.
+ ϑε + ω²ε = 0 (Gl. 4) + ϑε + ω²ε = 0 (Eq. 4)
bzw.respectively.
Aus der Beziehung [ε]: + [ψ]: = [ϕ] erhält man die Differentialgleichung für ϕ, mit gedämpftem Vorschwingungsanteil ε.From the relationship [ε]: + [ψ]: = [ϕ] one obtains the differential equation for ϕ, with damped pre-oscillation component ε.
Die Differentialgleichung ist durch zweimalige Integration in den Ortsraum zu überführen.The differential equation is through two integrations in the To transfer local space.
Die Aufgabe der Erfindung, das Lageziel auch bei zu dämpfender Vorschwingung ohne Zeitverzug zu erreichen, führt zu folgender Bedingung:The object of the invention, the location goal even to be damped Reaching pre-vibration without delay leads to the following Condition:
∫ϑε(t)dt → 0 (Gl. 7)∫ϑε (t) dt → 0 (Eq. 7)
Die Erfüllung dieser Forderung hängt vom zeitlichen Verlauf der Dämpfungsvarianzfunktion ϑ ε(t) ab. Dazu wird das charakteristische Polynom P(s) aus der Gleichung 4a betrachtet.The fulfillment of this requirement depends on the course of time of the Attenuation variance function ϑ ε (t). This becomes the characteristic Polynomial P (s) viewed from equation 4a.
P(s) = s² + ϑs + ω² = 0 (Gl. 8)P (s) = s² + ϑs + ω² = 0 (Eq. 8)
Die beiden Wurzeln lauten:The two roots are:
Für die gedämpfte harmonische Schwingung gilt dann:The following then applies to the damped harmonic oscillation:
Mit Einführung der Dämpfungsparameter (β, γ)<1 läßt sich diese Gleichung nun darstellen:With the introduction of the damping parameters (β, γ) <1 this equation can now be used represent:
Hierbei ergibt aus 5 sich folgende Lösung:The following solution results from 5:
Die obige, in Gleichung 7 angegebene Forderung ist dann erfüllbar, wenn die Dämpfungsvarianzfunktion ϑ zeitvariant bleibt.The above requirement specified in equation 7 can then be met, if the damping variance function ϑ remains time-variant.
ϑ → ϑ(ω,t) bzw. ϑ(ω,t) = 2ωβ(ω,t)ϑ → ϑ (ω, t) or ϑ (ω, t) = 2ωβ (ω, t)
Damit folge für den Lagekorrektursollwert z(t):For the position correction setpoint z (t):
z(t) = 2Lω∫β(ω,t)ε(t)dt → 0 am Lagezielz (t) = 2Lω∫β (ω, t) ε (t) dt → 0 at the location target
Es ist nun der zeitliche Verlauf von β(ω,t) so zu bestimmen, daß der Lagekorrektursollwert gegen Null geht. Dies ist in mathematisch geschlossener Form und demzufolge auch elektronisch praktisch nicht möglich. Die Bestimmung dieser Dämpfungsfunktion erfolgt deshalb durch Tests an der realen Anlage.Now the time course of β (ω, t) has to be determined so that the Position correction setpoint goes to zero. This is in math closed form and therefore practically not electronically possible. This damping function is therefore determined by Tests on the real system.
Selbstverständlich ist es möglich, den Teil der Erfindung, der die Bestimmung des Lagekorrektursollwertes z(t) vornimmt, durch ein Computerprogramm zu ersetzen.Of course, it is possible to use the part of the invention that the Determination of the position correction setpoint z (t) by a To replace computer program.
PositionslistePosition list
Signale, Meß- und Regelgrößen
x(t) = Lagesollwert
z(t) = Lagekorrektursollwert
Vs(t) = Geschwindigkeits-Sollwert
VI(t) = Geschwindigkeits-Istwert
Y(t) = real gefahrene Strecke, Lage-Istwert
L = Pendellänge
ω = Pendel-KreisfrequenzSignals, measured and control variables
x (t) = position setpoint
z (t) = position correction setpoint
V s (t) = speed setpoint
V I (t) = actual speed value
Y (t) = distance actually traveled, actual position value
L = pendulum length
ω = pendulum angular frequency
Fig. 1, Gesamtübersicht (Blockschaltbild) Fig. 1, overall view (block diagram)
1 = strategische Pendeldämpfungseinrichtung
2 = Lageregler
3 = Erfassungseinheit
4 = Geschwindigkeitsregler
5 = Antriebsregler
6 = Recheneinheit
7 = Pendeleinheit
8 = elektronische Einrichtung zur Bestimmung von z(t)
a = Summationspunkt1 = strategic pendulum damping device
2 = position controller
3 = registration unit
4 = speed controller
5 = drive controller
6 = arithmetic unit
7 = pendulum unit
8 = electronic device for determining z (t)
a = summation point
Fig. 2, Lagekorrektursollwertbestimmung Fig. 2, position correction setpoint determination
10-12, 12′ = Multiplikatoren
I · Δt = Synchronisierimpuls
13 = Differenzierglied
14-18 = Integratoren
19-20 = zweifach Differenzierglieder
21, 22 = Divisionsglieder
23 = Rechner
b, c, d = Summationspunkte 10-12, 12 ′ = multipliers
I · Δt = synchronization pulse
13 = differentiator
14-18 = integrators
19-20 = two differentiators
21, 22 = division members
23 = calculator
b, c, d = summation points
Claims (3)
- a) Ermittlung des strategischen Lagesollwertes (x(t)) und Erfassung eines realen Pendelwinkels (α(t)) sowie der Seillänge (L),
- b) Darstellung des realen Pendelwinkels (α(t)) durch einen aus einem ersten Echtzeitmodell simulierten und mit (α(t)) zeitlich synchronisierten Pendelwinkel (ϕ(t)),
- c) Darstellung bzw. laufende Berechnung eines nur aus der Fahrbewegung resultierenden strategischen Pendelwinkels (ψ(t)) durch ein zweites Echtzeitmodell.
- d) Bildung der Differenz (ε(t)) = (ϕ(t))-(ψ(t)), wobei (ε(t)) der im realen Pendelwinkel (α(t)) bzw. (ϕ(t)) enthaltene Vorschwingungsanteil ist,
- e) Bestimmung eines von (ε(t)) abhängigen Lagekorrektursollwertes (z(t)) aus (x(t)), (y(t)), (ϕ(t)), (ψ(t)) und(L) unter Zuhilfenahme einer ermittelten, der jeweiligen Pendelsituation angepaßten Dämpfungsvarianzfunktion (ϑ(ω,t)),
- f) Überlagerung des Lagesollwertes (x(t)) mit dem Lagekorrektursollwert (z(t)) am Eingang des Lagereglers (2) und Weitergabe der daraus resultierenden Ausgangsgröße (v(t)) als Sollwert an den Geschwindigkeitsregler (4).
- a) Determination of the strategic position setpoint (x (t)) and determination of a real pendulum angle (α (t)) as well as the rope length (L),
- b) representation of the real pendulum angle (α (t)) by means of a pendulum angle (ϕ (t)) simulated from a first real-time model and synchronized in time with (α (t)),
- c) Representation or ongoing calculation of a strategic pendulum angle (ψ (t)) resulting only from the driving movement using a second real-time model.
- d) Forming the difference (ε (t)) = (ϕ (t)) - (ψ (t)), where (ε (t)) is the real pendulum angle (α (t)) or (ϕ (t) ) is the pre-oscillation component,
- e) Determination of a position correction setpoint (z (t)) dependent on (ε (t)) from (x (t)), (y (t)), (ϕ (t)), (ψ (t)) and (L ) with the help of a determined damping variance function (ϑ (ω, t)), which is adapted to the respective pendulum situation,
- f) Superposition of the position setpoint (x (t)) with the position correction setpoint (z (t)) at the input of the position controller ( 2 ) and transfer of the resulting output variable (v (t)) as setpoint to the speed controller ( 4 ).
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| DE3933527A1 true DE3933527A1 (en) | 1991-04-18 |
| DE3933527C2 DE3933527C2 (en) | 1992-02-13 |
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Also Published As
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| DE3933527C2 (en) | 1992-02-13 |
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