EP2636632A1 - Crane controls with drive restriction - Google Patents

Abstract

The controller has an active swell compensator for partially compensating a movement of rope suspension point (2) or a load relocating point by controlling a lifting gear (5) under consideration of maximum permissible jerk, maximum acceleration, maximum velocity and/or maximum power. The compensator computes a restriction of the lifting gear for controlling the lifting gear. An energy storage unit is connected with a drive of the lifting gear. A trajectory planning module determines a trajectory based on a prognosticated movement of the suspension point or the relocating point. Independent claims are also included for the following: (1) a method for controlling a crane (2) a software comprising a set of instructions for executing a method for controlling a crane.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kransteuerung für einen Kran, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist. Die Kransteuerung verfügt dabei über eine aktive Seegangskompensation, welche durch eine Ansteuerung des Hubwerks die Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht.The present invention relates to a crane control for a crane having a hoist for lifting a load suspended on a rope. The crane control has an active sea state compensation, which compensates for the movement of the cable suspension point and / or a Lastabsetzpunktes due to the sea state at least partially by controlling the hoist.

Eine solche Kransteuerung ist aus der DE 10 2008 024513 A1 bekannt. Dabei ist eine Prognosevorrichtung vorgesehen, welche eine zukünftige Bewegung des Seilaufhängepunktes anhand der ermittelten aktuellen Seegangsbewegung und eines Modells der Seegangsbewegung prognostiziert, wobei eine Bahnsteuerung der Last die prognostizierte Bewegung des Seilaufhängepunktes zumindest teilweise ausgleicht.Such a crane control is from the DE 10 2008 024513 A1 known. In this case, a prediction device is provided, which predicts a future movement of the cable suspension point on the basis of the determined current seaward movement and a model of the seaward movement, wherein a path control of the load at least partially compensates for the predicted movement of the cable suspension point.

Zur Ansteuerung des Hubwerks wird in der DE 10 2008 024513 A1 ein dynamisches Modell der hydraulisch betriebenen Winde und der am Seil hängenden Last aufgestellt und hieraus durch Inversion ein Folgesteuergerät erstellt. Zur Realisierung einer Zustandsregelung werden unbekannte Zustände der Last über einen Beobachter aus einer Kraftmessung rekonstruiert.To control the hoist is in the DE 10 2008 024513 A1 set up a dynamic model of the hydraulically operated winch and the rope hanging on the rope and created a sequential control device by inversion. For realization In a state control, unknown states of the load are reconstructed via an observer from a force measurement.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Kransteuerung zur Verfügung zu stellen.The object of the present invention is to provide an improved crane control system.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in einem ersten Aspekt durch eine Kransteuerung gemäß Anspruch 1 und in einem zweiten Aspekt durch eine Kransteuerung gemäß Anspruch 4 gelöst.This object is achieved in a first aspect by a crane control according to claim 1 and in a second aspect by a crane control according to claim 4.

In einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Kransteuerung für einen Kran, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist. Die Kransteuerung weist dabei eine aktive Seegangskompensation auf, welche durch eine Ansteuerung des Hubwerks die Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Seegangskompensation bei der Berechnung der Ansteuerung des Hubwerks mindestens eine Beschränkung des Hubwerks berücksichtigt. Durch die Berücksichtigung der Beschränkung des Hubwerks wird sichergestellt, dass das Hubwerk den aufgrund der Seegangskompensation berechneten Steuerbefehlen tatsächlich folgen kann und/oder dass das Hubwerk bzw. der Kran durch die Ansteuerung nicht beschädigt wird.In a first aspect, the present invention shows a crane control for a crane having a hoist for lifting a load suspended on a rope. The crane control has an active sea state compensation, which compensates for the movement of the cable suspension point and / or a Lastabsetzpunktes due to the sea state at least partially by a control of the hoist. According to the invention, it is provided that the sea state compensation takes into account at least one limitation of the hoist in the calculation of the control of the hoist. By taking into account the limitation of the hoist ensures that the hoist can actually follow the calculated due to the sea state compensation control commands and / or that the hoist or the crane is not damaged by the control.

Erfindungsgemäß kann die Seegangskompensation dabei einen maximal zulässigen Ruck berücksichtigen. Hierdurch wird sichergestellt, dass durch die Ansteuerung des Hubwerks aufgrund der Seegangskompensation das Hubwerk bzw. die Struktur des Kranes nicht beschädigt wird. Neben einem maximal zulässigen Ruck kann weiterhin ein stetiger Verlauf des Ruckes gefordert werden.According to the invention, the swell compensation can take into account a maximum allowable jerk. This ensures that the hitch or the structure of the crane is not damaged by the control of the hoist due to the sea state compensation. In addition to a maximum permissible jerk, a steady course of the jerk can still be required.

Alternativ oder zusätzlich kann die Seegangskompensation eine maximal zur Verfügung stehende Leistung berücksichtigen.Alternatively or additionally, the swell compensation can take into account a maximum available power.

Alternativ oder zusätzlich kann die Seegangskompensation eine maximal zur Verfügung stehende Beschleunigung berücksichtigen. Eine solche maximal zur Verfügung stehende Beschleunigung kann sich dabei beispielsweise aus der Maximalleistung des Antriebs des Hubwerks und/oder der Länge des bereits abgewickelten Seils und der hierdurch auf das Hubwerk wirkenden Gewichtskraft des Seils und/oder aufgrund der Belastung des Hubwerks durch die zu hebende Gewichtskraft ergeben.Alternatively or additionally, the swell compensation can take into account a maximum available acceleration. Such a maximum available acceleration may be, for example, the maximum power of the drive of the hoist and / or the length of the already unwound rope and thereby acting on the hoist weight of the rope and / or due to the load of the hoist by the weight to be lifted result.

Weiterhin alternativ oder zusätzlich kann die Seegangskompensation eine maximal zur Verfügung stehende Geschwindigkeit berücksichtigen. Auch die maximal zur Verfügung stehende Geschwindigkeit für die Seegangskompensation kann sich wie oben im Hinblick auf die maximal zur Verfügung stehende Beschleunigung beschrieben ergeben.As an alternative or in addition, the swell compensation can take into account a maximum available speed. The maximum available speed for the sea state compensation can also be as described above with regard to the maximum available acceleration.

Weiterhin kann die Kransteuerung eine Berechnungsfunktion aufweisen, welche die mindestens eine Beschränkung des Hubwerks berechnet. Die Berechnungsfunktion kann hierfür insbesondere Sensordaten und/oder Ansteuersignale auswerten. Durch die Berechnungsfunktion können der Seegangskompensation jeweils die aktuell gültigen Beschränkungen des Hubwerks mitgeteilt werden.Furthermore, the crane control can have a calculation function which calculates the at least one limitation of the lifting mechanism. The calculation function can in particular evaluate sensor data and / or control signals for this purpose. The calculation function can be used to inform the sway compensation in each case of the currently valid restrictions of the hoist.

Insbesondere können sich die Beschränkungen des Hubwerks dabei während eines Hubes ändern, was erfindungsgemäß von der Seegangskompensation berücksichtigt werden kann.In particular, the limitations of the hoist can change during a stroke, which according to the invention can be taken into account by the sea state compensation.

Die Berechnungsfunktion kann dabei eine aktuell zur Verfügung stehende mindestens eine kinematisch beschränkte Größe des Hubwerks, insbesondere die maximal zur Verfügung stehende Leistung und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks jeweils aktuell berechnen. Vorteilhafterweise berücksichtigt die Berechnungsfunktion dabei die Länge des abgewickelten Seils und/oder die Seilkraft und/oder die zum Antrieb des Hubwerks zur Verfügung stehende Leistung.The calculation function can calculate a currently available at least one kinematic limited size of the hoist, in particular the maximum available power and / or speed and / or acceleration of the hoist each current. Advantageously, the calculation function takes into account the length of the unwound cable and / or the cable force and / or the power available for driving the hoisting gear.

Erfindungsgemäß kann die Kransteuerung zur Ansteuerung eines Hubwerks eingesetzt werden, dessen Antrieb mit einem Energiespeicher in Verbindung steht. Die Menge der im Energiespeicher gespeicherte Energie beeinflusst dabei die zum Antrieb des Hubwerks zur Verfügung stehende Leistung. Vorteilhafterweise geht daher die im Energiespeicher gespeicherte Energiemenge bzw. die zum Antrieb des Hubwerks zur Verfügung stehende Leistung in die Berechnungsfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung ein.According to the invention, the crane control can be used to control a hoist whose drive is connected to an energy store. The amount of energy stored in the energy store thereby influences the power available for driving the hoist. Advantageously, therefore, the amount of energy stored in the energy store or the power available for driving the hoist enters into the calculation function according to the present invention.

Insbesondere kann das erfindungsgemäße Hubwerk dabei hydraulisch angesteuert werden, wobei im Hydraulikkreislauf zum Antrieb der Hubwinde des Hubwerks ein hydraulischer Energiespeicher vorgesehen ist.In particular, the hoist according to the invention can be controlled hydraulically, wherein in the hydraulic circuit for driving the hoist winch of the hoist, a hydraulic energy storage is provided.

Alternativ kann ein elektrischer Antrieb eingesetzt werden. Auch dieser kann mit einem Energiespeicher in Verbindung stehen.Alternatively, an electric drive can be used. This can also be associated with an energy storage.

Vorteilhafterweise umfasst die Kransteuerung weiterhin ein Bahnplanungsmodul, welches anhand der prognostizierten Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes und unter Berücksichtigung der Beschränkungen des Hubwerks eine Trajektorie bestimmt. Erfindungsgemäß können so bei der Planung der Trajektorien explizit die Antriebsbeschränkungen berücksichtigt werden, insbesondere die Antriebsbeschränkung im Hinblick auf die Leistung, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und/oder den Ruck. Bei der Trajektorie kann es sich dabei insbesondere um eine Trajektorie der Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks handeln.Advantageously, the crane control further comprises a path planning module, which determines a trajectory based on the predicted movement of the cable suspension point and / or a Lastabsetzpunktes and taking into account the limitations of the hoist. According to the invention, the drive restrictions can be explicitly taken into account in the planning of the trajectories, in particular the drive limitation with regard to the power, the speed, the acceleration and / or the jerk. In particular, the trajectory can be a trajectory of the position and / or speed and / or acceleration of the hoisting gear.

Vorteilhafterweise weist das Bahnplanungsmodul eine Optimierungsfunktion auf, welche anhand der prognostizierten Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes und unter Berücksichtigung der Beschränkung des Hubwerks eine Trajektorie bestimmt, welche die Restbewegung der Last aufgrund der Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder die Differenzbewegung zwischen der Last und dem Lastabsetzpunkt aufgrund der Bewegung des Lastabsetzpunktes minimiert. Erfindungsgemäß kann so die mindestens eine Antriebsbeschränkung innerhalb des Optimalsteuerungsproblems berücksichtigt werden. Insbesondere wird dabei innerhalb des Optimalsteuerungsproblems die Beschränkung des Antriebs in Hinblick auf Leistung und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung und/oder Ruck berücksichtigt.Advantageously, the path planning module has an optimization function which, on the basis of the predicted movement of the cable suspension point and / or a load release point and taking into account the limitation of the hoist, determines a trajectory which determines the residual movement of the load due to the movement of the cable suspension point and / or the differential movement between the load and the load settling point due to the movement of Lastabsetzpunktes minimized. Thus, according to the invention, the at least one drive restriction within the optimal control problem. In particular, the limitation of the drive with regard to power and / or speed and / or acceleration and / or jerk is considered within the optimal control problem.

Die Optimierungsfunktion berechnet dabei vorteilhafterweise anhand einer vorhergesagten Vertikalposition und/oder Vertikalgeschwindigkeit des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes eine optimale Bahn, welche unter Berücksichtigung der kinematischen Beschränkungen die Restbewegung und/oder Differentbewegung der Last minimiert.The optimization function advantageously calculates an optimum path based on a predicted vertical position and / or vertical speed of the cable suspension point and / or a load release point, which, taking into account the kinematic restrictions, minimizes the residual movement and / or differential movement of the load.

In einem zweiten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung eine Kransteuerung für einen Kran, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist. Die Kransteuerung umfasst dabei eine aktive Seegangskompensation, welche durch eine Ansteuerung des Hubwerks die Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht. Erfindungsgemäß weist die Seegangskompensation dabei ein Bahnplanungsmodul auf, welches anhand einer prognostizierten Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes eine Trajektorie der Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks berechnet, welche in einen Sollwert für eine nachgelagerte Regelung des Hubwerks eingeht. Durch diesen Aufbau der Seegangskompensation ergibt sich eine besonders stabile und einfach zu realisierende Ansteuerung des Hubwerks. Insbesondere muss hierbei nicht mehr aufwändig die unbekannte Lastposition rekonstruiert werden.In a second aspect, the present invention includes a crane control for a crane having a hoist for lifting a load suspended on a rope. The crane control comprises an active sea state compensation, which compensates for the movement of the cable suspension point and / or a Lastabsetzpunktes due to the sea state at least partially by a control of the hoist. According to the invention, the sea state compensation in this case has a path planning module, which calculates a trajectory of the position and / or speed and / or acceleration of the lifting mechanism on the basis of a predicted movement of the cable suspension point and / or a load release point, which assumes a setpoint value for a downstream control of the lifting mechanism. This design of the sea state compensation results in a particularly stable and easy to implement control of the hoist. In particular, it is no longer necessary to reconstruct the unknown load position.

Erfindungsgemäß kann dabei die Regelung des Hubwerks Messwerte zu Position und/oder Geschwindigkeit der Hubwinde zurückführen. Das Bahnplanungsmodul gibt damit als Sollwert eine Position und/oder Geschwindigkeit der Hubwinde vor, welche in der nachgelagerten Regelung mit Istwerten abgeglichen wird.According to the invention, the control of the lifting mechanism can thereby return measured values to the position and / or speed of the hoisting winch. The path planning module thus provides as a setpoint position and / or speed of the hoist winch, which is adjusted in the downstream control with actual values.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Regelung des Hubwerks die Dynamik des Antriebs der Hubwinde durch eine Vorsteuerung berücksichtigt. Insbesondere kann die Vorsteuerung dabei auf einer Invertierung eines physikalischen Modells beruhen, welches die Dynamik des Antriebs der Hubwinde beschreibt. Insbesondere kann es sich bei der Hubwinde dabei um eine hydraulisch betriebene Hubwinde handeln.Furthermore, it can be provided that the control of the hoist takes into account the dynamics of the drive of the hoist winch by a pilot control. Especially In this case, the precontrol can be based on an inversion of a physical model which describes the dynamics of the drive of the hoist winch. In particular, the hoist winch can be a hydraulically operated hoist winch.

Der erste und der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung werden durch die vorliegende Anmeldung jeweils separat unter Schutz gestellt und können jeweils separat und ohne den jeweils anderen Aspekt verwirklicht sein.The first and second aspects of the present invention are each separately protected by the present application, and may be implemented separately and without the other aspect.

Besonders bevorzugt werden jedoch die beiden Aspekte gemäß der vorliegenden Erfindung miteinander kombiniert. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das Bahnplanungsmodul gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung bei der Ermittlung der Trajektorie mindestens eine Beschränkung des Hubwerks berücksichtigt.Particularly preferably, however, the two aspects are combined according to the present invention. In particular, it may be provided that the path planning module according to the second aspect of the present invention takes into account at least one limitation of the hoist when determining the trajectory.

Die Kransteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine Bedienersteuerung aufweisen, welche das Hubwerk anhand von Vorgaben des Bedieners ansteuert.The crane control according to the present invention may further comprise an operator control, which controls the hoist based on specifications of the operator.

Vorteilhafterweise weist die Steuerung hierfür zwei getrennte Bahnplanungsmodule auf, über welche getrennt voneinander Trajektorien für die Seegangskompensation und für die Bedienersteuerung berechnet werden. Insbesondere kann es sich bei diesen Trajektorien dabei um Trajektorien für die Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks handeln.Advantageously, the control for this purpose has two separate path planning modules, via which separate trajectories for the sea state compensation and for the operator control are calculated. In particular, these trajectories can be trajectories for the position and / or speed and / or acceleration of the hoisting gear.

Weiterhin können die durch die zwei getrennten Bahnplanungsmodule vorgegebenen Trajektorien summiert werden und als Sollwerte für die Steuerung und/oder Regelung des Hubwerks dienen.Furthermore, the trajectories given by the two separate path planning modules can be summed and used as setpoint values for the control and / or regulation of the hoisting gear.

Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Aufteilung mindestens einer kinematisch beschränkten Größe zwischen Seegangskompensation und Bedienersteuerung einstellbar ist, wobei die Einstellung beispielsweise über einen Gewichtungsfaktor erfolgen kann, über welchen die maximal zur Verfügung stehende Leistung und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks zwischen der Seegangskompensation und der Bedienersteuerung aufgeteilt wird.Furthermore, it can be provided according to the invention that the division of at least one kinematic limited variable between sea state compensation and operator control is adjustable, the setting, for example, via a Weighting factor can be done, via which the maximum available power and / or speed and / or acceleration of the hoist between the sea state compensation and the operator control is divided.

Eine solche Aufteilung ist bei der erfindungsgemäßen Seegangskompensation, welche Beschränkungen des Hubwerks ohnehin berücksichtigt, problemlos möglich. Insbesondere wird dabei die Aufteilung der mindestens einen kinematisch beschränkten Größe als Beschränkung des Hubwerks berücksichtigt. Vorteilhafterweise berücksichtigt auch die Bedienersteuerung mindestens eine Beschränkung des Antriebs, und insbesondere den maximal zulässigen Ruck und/oder eine maximal zur Verfügung stehende Leistung und/oder und/oder eine maximal zur Verfügung stehende Beschleunigung und/oder eine maximal zur Verfügung stehende Geschwindigkeit.Such a division is easily possible in the sea state compensation according to the invention, which takes into account restrictions of the hoisting gear anyway. In particular, the division of the at least one kinematic limited quantity is considered as a limitation of the lifting mechanism. Advantageously, the operator control also takes into account at least one limitation of the drive, and in particular the maximum permissible jerk and / or a maximum available power and / or a maximum available acceleration and / or a maximum available speed.

Erfindungsgemäß kann die Optimierungsfunktion der Seegangskompensation eine Solltrajektorie bestimmen, welche in die Steuerung und/oder Regelung des Hubwerks eingeht. Insbesondere kann die Optimierungsfunktion dabei wie oben beschrieben eine Solltrajektorie der Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks berechnen, welche in einen Sollwert für eine nachgelagerte Regelung des Hubwerks eingeht. Die Optimierung kann dabei über eine Diskretisierung erfolgen.According to the invention, the optimization function of the swell compensation can determine a desired trajectory, which enters into the control and / or regulation of the hoist. In particular, as described above, the optimization function can calculate a setpoint trajectory of the position and / or speed and / or acceleration of the lifting mechanism, which enters into a setpoint for downstream control of the lifting mechanism. The optimization can be done via a discretization.

Erfindungsgemäß kann die Optimierung dabei bei jedem Zeitschritt auf Grundlage einer aktualisierten Prognose der Bewegung des Lastaufnahmepunktes erfolgen.According to the invention, the optimization can be carried out at each time step on the basis of an updated forecast of the movement of the load pick-up point.

Erfindungsgemäß kann jeweils der erste Wert der Soll-Trajektorie zur Regelung des Hubwerks herangezogen werden. Steht dann eine aktualisierte Soll-Trajektorie zur Verfügung, wird wiederum nur deren erster Wert zur Regelung herangezogen.According to the invention, in each case the first value of the desired trajectory can be used to control the lifting mechanism. If an updated desired trajectory is then available, again only its first value is used for regulation.

Erfindungsgemäß kann die Optimierungsfunktion mit einer niedrigeren Abtastrate arbeiten als die Regelung. Dies ermöglicht es, für die rechenintensive Optimierungsfunktion größere Abtastzeiten zu wählen, für die weniger rechenintensive Regelung dagegen eine größere Genauigkeit durch niedrigere Abtastzeiten zu erreichen.According to the invention, the optimization function can operate at a lower sampling rate than the control. This makes it possible to choose larger sampling times for the compute-intensive optimization function, for the less computation-intensive control contrast, to achieve greater accuracy through lower sampling times.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Optimierungsfunktion auf eine Notfalltrajektorienplanung zurückgreift, wenn keine gültige Lösung auffindbar ist. Hierdurch wird ein ordnungsgemäßer Betrieb auch dann sichergestellt, wenn eine gültige Lösung nicht gefunden werden kann.Furthermore, it can be provided that the optimization function relies on emergency trajectory planning if no valid solution can be found. This will ensure proper operation even if a valid solution can not be found.

Die Kransteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Messvorrichtung umfassen, welche eine aktuelle Seegangsbewegung aus den Sensordaten ermittelt. Beispielsweise können dabei als Sensoren Gyroskope und/oder Neigungssensoren zum Einsatz kommen. Die Sensoren können dabei am Kran oder an einem Schwimmkörper, auf welchem der Kran angeordnet ist, angeordnet sein, beispielsweise an der Kranbasis, und/oder an einem Schwimmkörper, an welchem die Lastabsetzposition angeordnet ist.The crane control according to the present invention may comprise a measuring device which determines a current seaway movement from the sensor data. For example, gyroscopes and / or inclination sensors can be used as sensors. The sensors can thereby be arranged on the crane or on a floating body on which the crane is arranged, for example on the crane base, and / or on a floating body on which the load setting position is arranged.

Die Kransteuerung kann weiterhin eine Prognosevorrichtung umfassen, welche eine zukünftige Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes anhand der ermittelten aktuellen Seegangsbewegung und eines Modells der Seegangsbewegung prognostiziert.The crane control may further include a forecasting device, which predicts a future movement of the cable suspension point and / or a Lastabsetzpunktes based on the determined current sea state movement and a model of the sea state movement.

Vorteilhafterweise ist das in der Prognosevorrichtung verwendete Modell der Seegangsbewegung dabei unabhängig von den Eigenschaften, und insbesondere unabhängig von der Dynamik des Schwimmkörpers. Hierdurch kann die Kransteuerung unabhängig von dem Schwimmkörper, auf welchem der Kran und/oder die Lastabsetzposition angeordnet ist, verwendet werden.Advantageously, the model of the swell movement used in the prediction device is independent of the properties, and in particular independent of the dynamics of the floating body. As a result, the crane control can be used independently of the floating body on which the crane and / or the load suspension position is arranged.

Die Prognosevorrichtung kann dabei die vorherrschenden Moden der Seegangsbewegung aus den Daten der Messvorrichtung bestimmen. Insbesondere kann dies über eine Frequenzanalyse erfolgen.The prediction device can thereby determine the prevailing modes of the seaway movement from the data of the measuring device. In particular, this can be done via a frequency analysis.

Weiterhin kann die Prognosevorrichtung anhand der bestimmten vorherrschenden Moden ein Modell des Seegangs erstellen. Anhand dieses Modells kann dann die zukünftige Seegangsbewegung prognostiziert werden.Furthermore, the forecasting device can create a model of the seaway based on the particular prevailing modes. Based on this model, the future seaward movement can then be predicted.

Vorteilhafterweise parametrisiert die Prognosevorrichtung dabei das Modell anhand der Daten der Messvorrichtung laufend. Insbesondere kann dabei ein Beobachter eingesetzt werden, welcher laufend parametrisiert wird. Besonders bevorzugt können dabei die Amplitude und die Phase der Moden parametrisiert werden.Advantageously, the forecasting device continuously parametrizes the model on the basis of the data of the measuring device. In particular, an observer can be used, which is parameterized continuously. Particularly preferably, the amplitude and the phase of the modes can be parameterized.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei einer Änderung der vorherrschenden Moden des Seegangs das Modell aktualisiert wird.Furthermore, it can be provided that the model is updated when the prevailing modes of the sea state change.

Besonders bevorzugt kann die Prognosevorrichtung sowie die Messvorrichtung dabei so ausgeführt sein, wie dies in der DE 10 2008 024513 A1 beschrieben ist, deren Inhalt vollumfänglich zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.Particularly preferably, the prediction device and the measuring device can be designed as described in the DE 10 2008 024513 A1 is described, the content of which is fully made the subject of the present application.

Weiterhin vorteilhafterweise kann bei dem Regelungskonzept gemäß der vorliegenden Erfindung die Dynamik der Last aufgrund der Dehnbarkeit des Seiles vernachlässigt werden. Hierdurch ergibt sich ein deutlich einfacher Aufbau der Regelung.Further advantageously, in the control concept according to the present invention, the dynamics of the load due to the extensibility of the rope can be neglected. This results in a significantly simpler design of the scheme.

Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen Kran mit einer Kransteuerung, wie sie oben beschrieben wurde.The present invention further comprises a crane with a crane control as described above.

Insbesondere kann der Kran dabei auf einem Schwimmkörper angeordnet sein. Insbesondere kann es sich bei dem Kran um einen Schiffskran handeln. Alternativ kann es sich auch um einen Offshorekran, einen Hafenkran oder einen Seilbagger handeln.In particular, the crane can be arranged on a float. In particular, the crane may be a ship crane. Alternatively, it may also be an offshore crane, a port crane or a crawler crane.

Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen Schwimmkörper mit einem Kran gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere ein Schiff mit einem erfindungsgemäßen Kran.The present invention further comprises a floating body with a crane according to the present invention, in particular a ship with a crane according to the invention.

Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Krans bzw. einer erfindungsgemäßen Kransteuerung zum Anheben und/oder Absenken einer sich im Wasser befindlichen Last und/oder die Verwendung eines erfindungsgemäßen Krans bzw. einer erfindungsgemäßen Kransteuerung zum Anheben und/oder Absenken einer Last von und/oder auf eine im Wasser befindliche Lastabsetzposition, bspw. auf ein Schiff. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung dabei die Verwendung des erfindungsgemäßen Krans bzw. der erfindungsgemäßen Kransteuerung für Tiefseehübe und/oder das Be- und/oder Entladen von Schiffen.Furthermore, the present invention comprises the use of a crane according to the invention or a crane control according to the invention for raising and / or lowering a load located in the water and / or the use of a crane according to the invention or a crane control according to the invention for raising and / or lowering a load of and or on a load settling position in the water, for example on a ship. In particular, the present invention comprises the use of the crane according to the invention or the crane control according to the invention for deep-sea turns and / or the loading and / or unloading of ships.

Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines Krans, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist. Dabei gleicht eine Seegangskompensation durch eine automatische Ansteuerung des Hubwerks die Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise aus. Erfindungsgemäß ist dabei gemäß einem ersten Aspekt vorgesehen, dass die Seegangskompensation bei der Berechnung der Ansteuerung des Hubwerks mindestens eine Beschränkung des Hubwerks berücksichtigt. Gemäß einem zweiten Aspekt ist dagegen vorgesehen, dass die Seegangskompensation anhand einer prognostizierten Bewegung des Seilaufhängepunktes eine Trajektorie der Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks berechnet, welche in einen Sollwert für eine nachgelagerte Regelung des Hubwerks eingeht. Das erfindungsgemäße Verfahren hat dabei die gleichen Vorteile, welche bereits im Hinblick auf die Kransteuerung beschrieben wurden.The present invention further includes a method of controlling a crane having a hoist for lifting a load suspended on a rope. At the same time, a swell compensation by an automatic control of the hoist compensates for the movement of the cable suspension point and / or a Lastabsetzpunktes due to the sea state at least partially. According to the invention, it is provided according to a first aspect that the sea state compensation takes into account at least one limitation of the hoist in the calculation of the control of the hoist. According to a second aspect, on the other hand, it is provided that the sea state compensation based on a predicted movement of the cable suspension point calculates a trajectory of the position and / or speed and / or acceleration of the hoist, which enters into a desired value for a downstream control of the hoist. The method according to the invention has the same advantages that have already been described with regard to crane control.

Weiterhin kann das Verfahren dabei so ausgeführt werden, wie dies ebenfalls oben beschrieben wurde. Insbesondere können dabei die beiden Aspekte gemäß der vorliegenden Erfindung auch beim Verfahren kombiniert werden.Furthermore, the method can be carried out as described above. In particular, the two aspects according to the present invention can also be combined in the method.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt mittels einer Kransteuerung erfolgen, wie sie oben dargestellt wurde.Furthermore, the method according to the invention can preferably be carried out by means of a crane control, as has been described above.

Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin Software mit Code zur Durchführung als erfindungsgemäßes Verfahren. Insbesondere kann die Software dabei auf einem maschinenlesbaren Datenträger abgespeichert sein. Vorteilhafterweise kann durch Aufspielen der Software auf eine Kransteuerung dabei eine erfindungsgemäße Kransteuerung implementiert werden.The present invention further comprises software with code for carrying out the method according to the invention. In particular, the software can be stored on a machine-readable data carrier. Advantageously, by installing the software on a crane control, a crane control according to the invention can be implemented.

Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Kransteuerung dabei elektronisch verwirklicht, insbesondere durch einen elektronischen Steuerrechner. Der Steuerrechner steht dabei vorteilhafterweise mit Sensoren in Verbindung. Insbesondere kann der Steuerrechner dabei mit der Messvorrichtung in Verbindung stehen. Vorteilhafterweise erzeugt der Steuerrechner dabei Steuersignale zur Ansteuerung des Hubwerks.Advantageously, the crane control according to the invention is realized electronically, in particular by an electronic control computer. The control computer is advantageously connected to sensors. In particular, the control computer can be in communication with the measuring device. Advantageously, the control computer generates control signals for controlling the hoist.

Bei dem Hubwerk kann es sich dabei bevorzugt um ein hydraulisch angetriebenes Hubwerk handeln. Der Steuerrechnung der erfindungsgemäßen Kransteuerung kann dabei erfindungsgemäß den Schwenkwinkel mindestens einer hydraulischen Verdrängermaschinen des hydraulischen Antriebssystems und/oder mindestens ein Ventil des hydraulischen Antriebssystems ansteuern.The hoist may preferably be a hydraulically driven hoist. The control calculation of the crane control according to the invention can according to the invention control the pivoting angle of at least one hydraulic displacement machine of the hydraulic drive system and / or at least one valve of the hydraulic drive system.

Bevorzugt ist dabei ein Hydraulikspeicher im hydraulischen Antriebssystem vorgesehen, über welchen beim Absenken der Last Energie gespeichert werden kann, welche dann beim Anheben der Last als zusätzliche Leistung zur Verfügung steht.Preferably, a hydraulic accumulator is provided in the hydraulic drive system, via which energy can be stored when lowering the load, which is then available as additional power when lifting the load.

Vorteilhafterweise erfolgt die Ansteuerung des Hydraulikspeichers dabei separat zur erfindungsgemäßen Ansteuerung des Hubwerks.Advantageously, the control of the hydraulic accumulator takes place separately for the control of the hoist according to the invention.

Alternativ kann auch ein elektrischer Antrieb zum Einsatz kommen. Auch dieser kann einen Energiespeicher umfassen.Alternatively, an electric drive can be used. This can also include an energy store.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen sowie Zeichnungen näher beschrieben.The present invention will now be described in more detail with reference to embodiments and drawings.

Dabei zeigen:

Figur 0:

einen auf einem Schwimmkörper angeordneten Kran gemäß der vorliegenden Erfindung,

Figur 1:

die Struktur einer getrennten Trajektorienplanung für die Seegangskompensation und die Bedienersteuerung,

Figur 2:

eine Integratorkette vierter Ordnung zur Planung von Trajektorien mit stetigem Ruck,

Figur 3:

eine nicht äquidistante Diskretisierung für die Trajektorienplanung, welche gegen Ende des Zeithorizontes größere Abstände verwendet als zu Anfang des Zeithorizontes,

Figur 4:

die Berücksichtigung von sich ändernden Beschränkungen zunächst am Ende des Zeithorizontes am Beispiel der Geschwindigkeit,

Figur 5:

die für die Trajektorienplanung der Bedienersteuerung verwendete Integratorkette dritter Ordnung, welche anhand einer Ruckaufschaltung arbeitet,

Figur 6:

die Struktur der Bahnplanung der Bedienersteuerung, welche Beschränkungen des Antriebs berücksichtigt,

Figur 7:

ein beispielhafter Ruckverlauf mit zugehörigen Schaltzeiten, aus welchen anhand der Bahnplanung eine Trajektorie für die Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks berechnet wird,

Figur 8:

ein mit der Ruckaufschaltung generierter Verlauf einer Geschwindigkeits- und Beschleunigungstrajektorie,

Figur 9:

eine Übersicht über das Ansteuerungskonzept mit einer aktiven Seegangskompensation und einem Sollkraftmodus, hier als Konstantspannungsmodus bezeichnet,

Figur 10:

ein Blockschaltbild der Ansteuerung für die aktive Seegangskompensation und

Figur 11:

ein Blockschaltbild der Ansteuerung für den Sollkraftmodus.

Showing:

Figure 0:

a crane mounted on a float according to the present invention,

FIG. 1:

the structure of separate trajectory planning for sea state compensation and operator control,

FIG. 2:

a fourth-order integrator chain for planning trajectories with a continuous jerk,

FIG. 3:

a non-equidistant discretization for trajectory planning, which uses greater distances towards the end of the time horizon than at the beginning of the time horizon,

FIG. 4:

the consideration of changing constraints first at the end of the time horizon using the example of speed,

FIG. 5:

the third-order integrator chain used for trajectory planning of the operator control, which operates on the basis of a jerk-over,

FIG. 6:

the structure of the path planning of the operator control, which takes into account restrictions of the drive,

FIG. 7:

an exemplary jerk course with associated switching times, from which, based on the path planning, a trajectory for the position and / or speed and / or acceleration of the hoisting gear is calculated,

FIG. 8:

a course of a velocity and acceleration trajectory generated with the jerk-over,

FIG. 9:

an overview of the control concept with an active sea state compensation and a desired force mode, here referred to as constant voltage mode,

FIG. 10:

a block diagram of the control for the active sea state compensation and

FIG. 11:

a block diagram of the control for the desired force mode.

Figur 0 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kranes 1 mit einer erfindungsgemäßen Kransteuerung zur Ansteuerung des Hubwerks 5. Das Hubwerk 5 weist eine Hubwinde auf, welche das Seil 4 bewegt. Das Seil 4 ist über einen Seilaufhängepunkt 2, im Ausführungsbeispiel eine Umlenkrolle am Ende des Kranauslegers, am Kran geführt. Durch das Bewegen des Seiles 4 kann eine am Seil hängende Last 3 angehoben oder abgesenkt werden. Figure 0 shows an embodiment of a crane 1 with a crane control according to the invention for controlling the hoist 5. The hoist 5 has a hoist winch, which moves the cable 4. The cable 4 is guided over a cable suspension point 2, in the exemplary embodiment a deflection roller at the end of the crane boom, on the crane. By moving the cable 4, a load hanging on the rope 3 can be raised or lowered.

Dabei kann mindestens ein Sensor vorgesehen sein, welche die Position und/oder Geschwindigkeit des Hubwerkes misst und entsprechende Signale an die Kransteuerung übermittelt.In this case, at least one sensor may be provided which measures the position and / or speed of the hoist and transmits corresponding signals to the crane control.

Weiterhin kann mindestens ein Sensor vorgesehen sein, welche die Seilkraft misst und entsprechende Signale an die Kransteuerung übermittelt. Der Sensor kann dabei im Bereich des Kranaufbaus angeordnet sein, insbesondere in einer Befestigung der Winde 5 und/oder in einer Befestigung der Seilrolle 2.Furthermore, at least one sensor can be provided which measures the cable force and transmits corresponding signals to the crane control. The sensor can be arranged in the region of the crane structure, in particular in a fastening of the winch 5 and / or in a fastening of the pulley 2.

Der Kran 1 ist im Ausführungsbeispiel auf einem Schwimmkörper 6 angeordnet, hier einem Schiff. Wie ebenfalls in Figur 0 zu erkennen, bewegt sich der Schwimmkörper 6 aufgrund des Seegangs um seine sechs Freiheitsgrade. Hierdurch wird auch der auf dem Schwimmkörper 6 angeordnete Kran 1 sowie der Seilaufhängepunkt 2 bewegt.The crane 1 is arranged in the embodiment on a float 6, here a ship. Like also in Figure 0 to recognize the float 6 moves due to the sea at its six degrees of freedom. As a result, the arranged on the float 6 crane 1 and the cable suspension point 2 is moved.

Die Kransteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine aktive Seegangskompensation aufweisen, welche durch eine Ansteuerung des Hubwerks und die Bewegung des Seilaufhängepunktes 2 aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht. Insbesondere wird dabei die vertikale Bewegung des Seilaufhängepunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgeglichen.The crane control according to the present invention may have an active sea state compensation, which at least partially compensates for a control of the hoist and the movement of the cable suspension point 2 due to the sea. In particular, the vertical movement of the cable suspension point due to the sea is at least partially compensated.

Die Seegangskompensation kann eine Messvorrichtung umfassen, welche eine aktuelle Seegangsbewegung aus Sensordaten ermittelt. Die Messvorrichtung kann dabei Sensoren umfassen, welche am Kranfundament angeordnet sind. Insbesondere kann es sich dabei um Gyroskope und/oder Neigungswinkelsensoren handeln. Besonders bevorzugt sind drei Gyroskope und drei Neigungswinkelsensoren vorgesehen.The sea state compensation may include a measuring device which determines a current sea state movement from sensor data. The measuring device may comprise sensors which are arranged on the crane foundation. In particular, these may be gyroscopes and / or inclination angle sensors. Particularly preferably, three gyroscopes and three inclination angle sensors are provided.

Weiterhin kann eine Prognosevorrichtung vorgesehen sein, welche eine zukünftige Bewegung des Seilaufhängepunktes 2 anhand der ermittelten Seegangsbewegung und eines Modells der Seegangsbewegung prognostiziert. Insbesondere prognostiziert die Prognosevorrichtung dabei allein die vertikale Bewegung des Seilaufhängepunktes. Ggfls. kann dabei im Rahmen der Mess- und/oder der Prognosevorrichtung eine Bewegung des Schiffes am Punkt der Sensoren der Messvorrichtung in eine Bewegung des Seilaufhängepunktes umgerechnet werden.Furthermore, a prediction device can be provided which predicts a future movement of the cable suspension point 2 on the basis of the determined seaward movement and a model of the seaward movement. In particular, the forecasting device alone predicts the vertical movement of the cable suspension point. Sometimes. can be converted in the context of the measuring and / or the forecasting device, a movement of the ship at the point of the sensors of the measuring device in a movement of the cable suspension point.

Die Prognosevorrichtung und die Messvorrichtung sind vorteilhafterweise so ausgeführt, wie dies in der DE 10 2008 024513 A1 ausführlicher beschrieben ist.The forecasting device and the measuring device are advantageously designed as shown in the DE 10 2008 024513 A1 is described in more detail.

Alternativ könnte es sich bei dem erfindungsgemäßen Kran auch um einen Kran handeln, welcher zum Anheben und/oder Absenken einer Last von bzw. auf einen auf einem Schwimmkörper angeordneten Lastabsetzpunkt eingesetzt wird, welcher sich daher mit dem Seegang bewegt. Die Prognosevorrichtung muss in diesem Fall die zukünftige Bewegung des Lastabsetzpunktes prognostizieren. Dies kann analog zu dem oben beschrieben Vorgehen erfolgen, wobei die Sensoren der Messvorrichtung auf dem Schwimmkörper des Lastabsetzpunktes angeordnet sind. Bei dem Kran kann es sich dabei bspw. um einen Hafenkran, einen Offshorekran oder einen Seilbagger handeln.Alternatively, the crane according to the invention could also be a crane, which is used for lifting and / or lowering a load from or onto a crane placed on a float Lastabsetzpunkt is used, which therefore moves with the sea state. The forecasting device must in this case predict the future movement of the load take-off point. This can be done analogously to the procedure described above, wherein the sensors of the measuring device are arranged on the float of Lastabsetzpunktes. The crane may be, for example, a harbor crane, an offshore crane or a crawler crane.

Die Hubwinde des Hubwerks 5 ist im Ausführungsbeispiel hydraulisch angetrieben. Insbesondere ist dabei ein Hydraulikkreislauf aus Hydraulikpumpe und Hydraulikmotor vorgesehen, über welchen die Hubwinde angetrieben wird. Bevorzugt kann dabei ein Hydraulikspeicher vorgesehen sein, über welchen Energie beim Absenken der Last gespeichert wird, so dass diese Energie beim Anheben der Last zur Verfügung steht.The hoist winch of the hoist 5 is hydraulically driven in the embodiment. In particular, a hydraulic circuit of hydraulic pump and hydraulic motor is provided, via which the hoist winch is driven. Preferably, a hydraulic accumulator can be provided, via which energy is stored when the load is lowered, so that this energy is available when lifting the load.

Alternativ könnte ein elektrischer Antrieb eingesetzt werden. Auch dieser könnte mit einem Energiespeicher verbunden werden.Alternatively, an electric drive could be used. This could also be connected to an energy storage.

Im Folgenden wird nun ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei welchem eine Vielzahl von Aspekten der vorliegenden Erfindung gemeinsam verwirklicht sind. Die einzelnen Aspekte können jedoch auch jeweils getrennt voneinander zur Weiterbildung der im allgemeinen Teil der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung herangezogen werden.An embodiment of the present invention, in which a variety of aspects of the present invention are implemented together, will now be shown. However, the individual aspects can also be used separately from one another for the further development of the embodiment of the present invention described in the general part of the present application.

1 Planung von Referenztrajektorien1 Planning of reference trajectories

Zur Umsetzung des geforderten prädiktiven Verhaltens der aktiven Seegangskompensation wird im Ausführungsbeispiel eine aus einer Vorsteuerung und einer Rückführung in Form einer Zwei-Freiheitsgrade-Struktur bestehende Folgeregelung eingesetzt. Die Vorsteuerung berechnet sich dabei durch eine differentielle Parametrierung und setzt zweifach stetig differenzierbare Referenztrajektorien voraus. Entscheidend bei der Planung ist, dass der Antrieb den vorgegebenen Trajektorien folgen kann. Somit müssen auch Beschränkungen des Hubwerkes beachtet werden. Ausgangspunkt für die Betrachtung sind die Vertikalposition und/oder - geschwindigkeit des Seilaufhängepunkts ${\tilde{Z}}_a^h$

und ${\dot{\tilde{Z}}}_a^h,$

welche z.B. mit Hilfe des in der DE 10 2008 024 513 beschriebenen Algorithmus über einen festen Zeithorizont vorhergesagt werden. Zusätzlich wird bei der Trajektorienplanung noch das Handhebelsignal des Kranfahrers, über das er die Last im inertialen Koordinatensystem verfährt, miteinbezogen.In order to implement the required predictive behavior of the active sea state compensation, a follow-up control consisting of a precontrol and a feedback in the form of a two-degree-of-freedom structure is used in the exemplary embodiment. The feedforward control is calculated by a differential parameterization and requires twice continuously differentiable reference trajectories. Decisive in the planning is that the drive can follow the given trajectories. Thus, limitations of the hoist must be considered. The starting point for consideration is the vertical position and / or speed of the cable suspension point ${\tilde{Z}}_a^H$

and ${\dot{\tilde{Z}}}_a^H.$

which eg with the help of in the DE 10 2008 024 513 algorithm can be predicted over a fixed time horizon. In addition, in trajectory planning, the hand lever signal of the crane driver, via which he moves the load in the inertial coordinate system, is also included.

Aus Sicherheitsgründen ist es notwendig, dass sich die Winde auch bei einem Ausfall der aktiven Seegangskompensation weiterhin über das Handhebelsignal verfahren lässt. Daher erfolgt bei dem verwendeten Konzept zur Trajektorienplanung eine Trennung zwischen der Planung der Referenztrajektorien für die Kompensationsbewegung und derer infolge eines Handhebelsignals, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.For safety reasons, it is necessary that the winch can still be moved via the hand lever signal even in the event of failure of the active sea state compensation. Therefore, in the trajectory planning concept used, there is a separation between the planning of the reference trajectories for the compensation movement and that due to a hand lever signal, as described in US Pat Fig. 1 is shown.

In der Abbildung bezeichnen $y_a^{*},{\dot{y}}_a^{*}$

und ${\ddot{y}}_a^{*}$

die für die Kompensation geplante Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung und $y_l^{*},{\dot{y}}_l^{*}$

und ${\ddot{y}}_l^{*}$

die auf Basis des Handhebelsignals geplante Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung zum überlagerten Ab- oder Aufwickeln des Seils. Innerhalb des weiteren Verlaufs der Ausführung werden geplante Referenztrajektorien für die Bewegung der Hubwinde grundsätzlich mit y^*, ẏ ^* bzw. ÿ ^* bezeichnet, da sie als Referenz für den Systemausgang der Antriebsdynamik dienen.In the picture designate $y_a^{*}.{\dot{y}}_a^{*}$

and ${\ddot{y}}_a^{*}$

the position, speed and acceleration planned for the compensation and $y_l^{*}.{\dot{y}}_l^{*}$

and ${\ddot{y}}_l^{*}$

the planned position, speed and acceleration based on the hand lever signal for superimposed winding or winding of the rope. Within the further course of the execution, planned reference trajectories for the movement of the hoisting winches are generally designated by y ^* , ẏ ^* or ÿ ^* , since they serve as a reference for the system output of the drive dynamics.

Aufgrund der getrennten Trajektorienplanung ist es möglich, bei ausgeschalteter Seegangskompensation oder bei einem kompletten Ausfall der Seegangskompensation (z. B. durch Ausfall der IMU) für die Handhebelsteuerung im manuellen Betrieb die gleiche Trajektorienplanung und den gleichen Folgeregler zu verwenden und dadurch ein identisches Fahrverhalten wie bei eingeschalteter Seegangskompensation zu erzeugen.Due to the separate trajectory planning, it is possible to use the same trajectory planning and the following slave controller with the sea state compensation switched off or in the event of a complete failure of the sea state compensation (eg due to failure of the IMU) for the manual lever control in manual mode and thus an identical driving behavior as with switched-on sea state compensation to produce.

Um die gegebenen Beschränkungen in Geschwindigkeit v_max und Beschleunigung a_max trotz der komplett unabhängigen Planung nicht zu verletzen, werden v_max und a_max mit Hilfe eines Gewichtungsfaktors 0≤k_l ≤1 1 aufgeteilt (vgl. Fig. 1). Dieser wird durch den Kranfahrer vorgegeben und ermöglicht damit die individuelle Aufteilung der Leistung, welche für die Kompensation bzw. das Verfahren der Last zur Verfügung steht. Somit folgt für die maximale Geschwindigkeit und Beschleunigung der Kompensationsbewegung (1-k_l)v_max und (1-k_l)a_max sowie für die Trajektorien zum überlagerten Ab- und Aufwickeln des Seils k_lv_max und k_la_max. In order not to violate the given restrictions in speed v _max and acceleration a _max despite the completely independent planning, v _max and a _{max are divided} by means of a weighting factor 0≤ k _l ≤1 1 (cf. Fig. 1 ). This is specified by the crane driver and thus allows the individual distribution of power, which is available for the compensation or the method of the load. Thus follows for the maximum speed and acceleration of the compensation movement ( 1 -k _l ) v _max and ( 1 -k _l ) a _max and for the trajectories for superimposed winding and winding of the cable k _l v _max and k _l a _max .

Eine Änderung von k_l lässt sich dabei während des Betriebs durchführen. Da die maximal mögliche Verfahrgeschwindigkeit bzw. -beschleunigung abhängig von der Gesamtmasse aus Seil und Last sind, können sich auch v_max und a_max im Betrieb ändern. Deshalb werden die jeweils gültigen Werte ebenfalls an die Trajektorienplanung übergeben.A change of k _l can be carried out during operation. Since the maximum possible travel speed or acceleration depends on the total mass of rope and load, v _max and a _max can also change during operation. Therefore, the valid values are also transferred to the trajectory planning.

Durch die Aufteilung der Leistung nutzt man zwar die Stellgrößenbeschränkungen unter Umständen nicht vollständig aus, doch kann der Kranfahrer den Einfluss der aktiven Seegangskompensation einfach und intuitiv einstellen.Although the power factor distribution may not be fully utilized by sharing the power, the crane operator can easily and intuitively adjust the influence of the active sea state compensation.

Eine Gewichtung von k_l = 1 ist gleichzusetzen mit einem Ausschalten der aktiven Seegangskompensation, wodurch sich ein glatter Übergang zwischen ein- und ausgeschalteter Kompensation ermöglichen lässt.A weighting of k _l = 1 is equivalent to disabling the active sea state compensation, allowing a smooth transition between on and off compensation.

Der erste Teil des Kapitels erläutert zunächst die Generierung der Referenztrajektorien $y_a^{*},{\dot{y}}_a^{*}$

und ${\ddot{y}}_a^{*}$

zur Kompensation der Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts. Der wesentliche Aspekt hierbei ist, dass mit den geplanten Trajektorien die Vertikalbewegung so weit kompensiert wird, wie es aufgrund der gegebenen und durch k_l eingestellten Beschränkungen möglich ist.The first part of the chapter first explains the generation of reference trajectories $y_a^{*}.{\dot{y}}_a^{*}$

and ${\ddot{y}}_a^{*}$

for compensating the vertical movement of the cable suspension point. The essential aspect here is that with the planned trajectories the vertical movement is compensated as far as is possible on the basis of the given restrictions set by k _l .

Daher wird zunächst mit Hilfe der über einen kompletten Zeithorizont vorhergesagten Vertikalpositionen und -geschwindigkeiten des Seilaufhängepunkts ${\tilde{\mathbf{z}}}_a^h={\left[{\tilde{z}}_a^h\left(t_k+T_{p,1}\right)\dots {\tilde{z}}_a^h\left(t_k+T_{p,K_p}\right)\right]}^T$

und ${\dot{\tilde{\mathbf{z}}}}_a^h={\left[{\dot{\tilde{z}}}_a^h\left(t_k+T_{p,1}\right)\dots {\dot{\tilde{z}}}_a^h\left(t_k+T_{p,K_p}\right)\right]}^T$

ein Optimalsteuerungsproblem formuliert, welches zyklisch gelöst wird, wobei K_p die Anzahl der vorhergesagten Zeitschritte bezeichnet. Die zugehörige numerische Lösung und Implementierung werden im Anschluss diskutiert.Therefore, first the vertical positions and velocities of the cable suspension point are predicted over a complete time horizon ${\tilde{\mathbf{z}}}_a^H={\left[{\tilde{z}}_a^H\left(t_k+T_{p.1}\right)...{\tilde{z}}_a^H\left(t_k+T_{p.K_p}\right)\right]}^T$

and ${\dot{\tilde{\mathbf{z}}}}_a^H={\left[{\dot{\tilde{z}}}_a^H\left(t_k+T_{p.1}\right)...{\dot{\tilde{z}}}_a^H\left(t_k+T_{p.K_p}\right)\right]}^T$

formulated an optimal control problem which is solved cyclically, where K _p denotes the number of predicted time steps. The associated numerical solution and implementation are discussed below.

Der zweite Teil des Kapitels befasst sich mit der Planung der Trajektorien $y_l^{*},{\dot{y}}_l^{*}$

und ${\ddot{y}}_l^{*}$

zum Verfahren der Last. Diese werden direkt aus dem Handhebelsignal des Kranfahrers W_hh generiert. Die Berechnung erfolgt durch eine Aufschaltung des maximal zulässigen Rucks.The second part of the chapter deals with the planning of trajectories $y_l^{*}.{\dot{y}}_l^{*}$

and ${\ddot{y}}_l^{*}$

for moving the load. These are generated directly from the hand lever signal of the crane driver W _hh . The calculation is done by adding the maximum allowable jerk.

1.1 Referenztralektorien für die Kompensation1.1 Reference trimages for compensation

Bei der Trajektorienplanung für die Kompensationsbewegung der Hubwinde sollen aus den vorhergesagten Vertikalpositionen und -geschwindigkeiten des Seilaufhängepunkts unter Beachtung der gültigen Antriebsbeschränkungen hinreichend glatte Trajektorien generiert werden. Diese Aufgabe wird nachfolgend als ein beschränktes Optimierungsproblem aufgefasst, welches in jedem Zeitschritt online zu lösen ist. Daher ähnelt die Herangehensweise dem Entwurf einer modellprädiktiven Regelung, allerdings im Sinne einer modellprädiktiven Trajektoriengenerierung.In trajectory planning for the compensating movement of the hoisting winch, sufficiently smooth trajectories are to be generated from the predicted vertical positions and speeds of the rope suspending point, taking into account the valid drive restrictions. This task is considered below as a limited optimization problem, which is to be solved online in each time step. Therefore, the approach is similar to the design of a model-predictive control, but in the sense of a model-predictive trajectory generation.

Als Referenzen bzw. Sollwerte für die Optimierung dienen die zum Zeitpunkt t_k über einen kompletten Zeithorizont mit K_p Zeitschritten vorhergesagten Vertikalpositionen und -geschwindigkeiten des Seilaufhängepunkts ${\tilde{\mathbf{z}}}_a^h={\left[{\tilde{z}}_a^h\left(t_k+T_{p,1}\right)\dots {\tilde{z}}_a^h\left(t_k+T_{p,K_p}\right)\right]}^T$

und ${\dot{\tilde{\mathbf{z}}}}_a^h={\left[{\dot{\tilde{z}}}_a^h\left(t_k+T_{p,1}\right)\dots {\dot{\tilde{z}}}_a^h\left(t_k+T_{p,K_p}\right)\right]}^T,$

welche mit der entsprechenden Prädiktionszeit, z.B. mit Hilfe des in der DE 10 2008 024 513 beschriebenen Algorithmus, berechnet werden.Serving as references or setpoints for the optimization are the vertical positions and velocities of the cable suspension point predicted at time t _k over a complete time horizon with K _{p time} steps ${\tilde{\mathbf{z}}}_a^H={\left[{\tilde{z}}_a^H\left(t_k+T_{p.1}\right)...{\tilde{z}}_a^H\left(t_k+T_{p.K_p}\right)\right]}^T$

and ${\dot{\tilde{\mathbf{z}}}}_a^H={\left[{\dot{\tilde{z}}}_a^H\left(t_k+T_{p.1}\right)...{\dot{\tilde{z}}}_a^H\left(t_k+T_{p.K_p}\right)\right]}^T.$

which with the corresponding prediction time, eg with the help of in the DE 10 2008 024 513 described algorithm.

Unter Beachtung der durch k_l, v_max und a_max gültigen Beschränkungen lässt sich daraufhin eine optimale Zeitfolge für die Kompensationsbewegung bestimmen.Taking into account the restrictions that are valid due to k _l , v _max and a _max, an optimal time sequence for the compensation movement can then be determined.

Allerdings wird analog zur modellprädiktiven Regelung nur der erste Wert der dadurch berechneten Trajektorie für die anschließende Regelung verwendet. Im nächsten Zeitschritt wird die Optimierung mit einer aktualisierten und dadurch genaueren Vorhersage der Vertikalposition und -geschwindigkeit des Seilaufhängepunkts wiederholt.However, analogously to the model predictive control, only the first value of the trajectory calculated thereby is used for the subsequent control. In the next time step, the optimization is repeated with an updated and thereby more accurate prediction of the vertical position and speed of the cable suspension point.

Der Vorteil der modellprädiktiven Trajektoriengenerierung mit nachgeschalteter Regelung gegenüber einer klassischen modellprädiktiven Regelung besteht zum Einen darin, dass sich der Regelungsteil und die damit verbundene Stabilisierung mit einer im Vergleich zur Trajektoriengenerierung höheren Abtastzeit berechnen lassen. Daher kann man die rechenzeitintensive Optimierung in einen langsameren Task verlagern.The advantage of the model-predictive trajectory generation with downstream control compared to a classical model-predictive control on the one hand is that the control part and the associated stabilization can be calculated with a higher sampling time compared to the trajectory generation. Therefore, you can shift the computationally intensive optimization into a slower task.

Zum Anderen lässt sich bei diesem Konzept eine Notfallfunktion, für den Fall dass die Optimierung keine gültige Lösung findet, unabhängig von der Regelung realisieren. Sie besteht aus einer vereinfachten Trajektorienplanung, worauf die Regelung in einer solchen Notsituation zurückgreift und weiterhin die Winde ansteuert.On the other hand, an emergency function can be implemented in this concept, in case the optimization does not find a valid solution, independently of the regulation. It consists of a simplified trajectory planning, whereupon the regulation resorts to such an emergency situation and continues to control the winds.

1.1.1 Systemmodell für die Planung der Kompensationsbewegung 1.1.1 System model for the planning of the compensation movement

Um die Anforderungen an die Stetigkeit der Referenztrajektorien für die Kompensationsbewegung zu erfüllen, darf frühestens deren dritte Ableitung ${\stackrel{\dots }{y}}_a^{*}$

als sprungfähig erachtet werden. Allerdings sind bei der Kompensationsbewegung im Hinblick auf die Windenlebensdauer Sprünge im Ruck zu vermeiden, wodurch erst die vierte Ableitung $\stackrel{\left(4\right)}{y_a^{*}}$

als sprungfähig betrachtet werden kann.In order to meet the requirements for the continuity of the reference trajectories for the compensation movement, the third derivation must be made at the earliest ${\stackrel{...}{y}}_a^{*}$

be considered as capable of jumping. However, in the compensation movement with regard to the life of the winch jumps in the jerk to avoid, making only the fourth derivative $\stackrel{\left(4\right)}{y_a^{*}}$

can be considered as capable of jumping.

Somit ist der Ruck ${\stackrel{\mathrm{...}}{y}}_a^{*}$

mindestens stetig zu planen und die Trajektoriengenerierung für die Kompensationsbewegung erfolgt anhand der in Fig. 2 veranschaulichten Integratorkette vierter Ordnung. Diese dient bei der Optimierung als Systemmodell und lässt sich im Zustandsraum als $$\begin{array}{ll}{\dot{\mathbf{x}}}_a=\underset{{\mathbf{A}}_a}{\underbrace{\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]}}{\mathrm{x}}_a+\underset{{\mathbf{B}}_a}{\underbrace{\left[\begin{array}{c}\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\end{array}\\ 1\end{array}\right]}}& u_a,{\mathbf{x}}_a\left(0\right)={\mathbf{x}}_{a,0},\\ {\mathbf{y}}_a={\mathbf{x}}_a& \end{array}$$

ausdrücken. Hier beinhaltet der Ausgang ${\mathbf{y}}_a={\left[y_a^{*}{\dot{y}}_y^{*}{\ddot{y}}_a^{*}{\stackrel{\dots }{y}}_a^{*}\right]}^T$

die geplanten Trajektorien für die Kompensationsbewegung. Zur Formulierung des Optimalsteuerungsproblems und in Hinblick auf die spätere Implementierung wird dieses zeitkontinuierliche Modell zunächst auf dem Gitter $${\tau }_0<{\tau }_1<\dots <{\tau }_{K_p-1}<{\tau }_{K_p}$$

diskretisiert, wobei K_p die Anzahl der Prädiktionsschritte für die Vorhersage der Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts darstellt. Um die diskrete Zeitdarstellung bei der Trajektoriengenerierung von der diskreten Systemzeit t_k zu unterscheiden, wird sie mit τ_k = kΔτ bezeichnet, wobei k=0,···,k_p und Δτ das für die Trajektoriengenerierung verwendete Diskretisierungsintervall des Horizonts K_p ist.Thus, the jerk ${\stackrel{\mathrm{...}}{y}}_a^{*}$

plan at least steadily and the Trajektoriengenerierung for the compensation movement is based on the in Fig. 2 illustrated fourth order integrator chain. This serves as a system model in the optimization and can be used in the state space as $$\begin{array}{ll}{\dot{\mathbf{x}}}_a=\underset{{\mathbf{A}}_a}{\underset{\}}{\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]}}{\mathrm{x}}_a+\underset{{\mathbf{B}}_a}{\underset{\}}{\left[\begin{array}{c}\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\end{array}\\ 1\end{array}\right]}}& u_a.{\mathbf{x}}_a\left(0\right)={\mathbf{x}}_{a.0}.\\ {\mathbf{y}}_a={\mathbf{x}}_a& \end{array}$$

express. Here is the output ${\mathbf{y}}_a={\left[y_a^{*}{\dot{y}}_y^{*}{\ddot{y}}_a^{*}{\stackrel{...}{y}}_a^{*}\right]}^T$

the planned trajectories for the compensation movement. To formulate the optimal control problem and with respect to the later implementation, this time-continuous model first becomes on the grid $${\tau }_{}$$$${}_0<{\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="\tau "\; filenames="imgf0002.png,imgf0003.png"\; state="\{\{state\}\}">\tau </figure-callout>}}_1<...<{\tau }_{K_p-1}<{\tau }_{K_p}$$

where K _{p represents} the number of prediction steps for the prediction of the vertical movement of the cable suspension point. In order for the trajectory of the discrete system time the discrete time representation t distinguish _k, it is with τ _k = k Δ τ where k = 0, ···, k _p and Δ τ the discretization used for the trajectory of the horizon K _p is.

Fig. 3 verdeutlicht, dass das gewählte Gitter nichtäquidistant ist, womit die Anzahl der notwendigen Stützstellen auf dem Horizont reduziert wird. Dadurch ist es möglich, die Dimension des zu lösenden Optimalsteuerungsproblems klein zu halten. Der Einfluss der gröberen Diskretisierung gegen Ende des Horizonts hat keine nachteiligen Auswirkungen auf die geplante Trajektorie, da die Vorhersage der Vertikalposition und -geschwindigkeit gegen Ende des Prädiktionshorizonts ungenauer ist. Fig. 3 makes it clear that the selected grid is not equidistant, which reduces the number of necessary nodes on the horizon. This makes it possible to keep the dimension of the optimal control problem to be solved small. The influence of the grosser discretization towards the end of the horizon does not adversely affect the planned trajectory since the prediction of vertical position and velocity towards the end of the prediction horizon is less accurate.

Die für dieses Gitter gültige zeitdiskrete Systemdarstellung lässt sich anhand der analytischen Lösung $${\mathrm{x}}_a\left(t\right)={\mathrm{e}}^{{\mathrm{A}}_{a}l}{\mathrm{x}}_a\left(0\right)+\underset{0}{\overset{t}{\int }}{\mathrm{e}}^{{\mathrm{A}}_a\left(t-\tau \right)}{\mathrm{B}}_a{u}_a\left(\tau \right)d\tau$$

exakt berechnen. Für die Integratorkette aus Fig. 2 folgt sie zu $$\begin{array}{l}{\mathbf{x}}_a\left({\tau }_{k+1}\right)=\left[\begin{array}{cccc}1& \mathrm{\Delta }{\tau }_k& \frac{\mathrm{\Delta }{\tau }_k^2}{2}& \frac{\mathrm{\Delta }{\tau }_k^3}{6}\\ 0& 1& \mathrm{\Delta }{\tau }_k& \frac{\mathrm{\Delta }{\tau }_k^2}{2}\\ 0& 0& 1& \mathrm{\Delta }{\tau }_k\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\Delta }{\tau }_k^4}{24}\\ \frac{\mathrm{\Delta }{\tau }_k^3}{6}\\ \frac{\mathrm{\Delta }{\tau }_k^2}{2}\\ \mathrm{\Delta }{\tau }_k\end{array}\right]u_a\left({\tau }_k\right),{\mathbf{x}}_a\left(0\right)={\mathbf{x}}_{a,0},\\ {\mathbf{y}}_a\left({\tau }_k\right)={\mathbf{x}}_a\left({\tau }_k\right),k=0,\dots ,K_p-1,\end{array}$$

wobei Δτ_k = τ _k+1 -τ_k die für den jeweiligen Zeitschritt gültige Diskretisierungsschrittweite beschreibt.The time-discrete system representation valid for this grid can be determined by the analytical solution $${\mathrm{x}}_a\left(t\right)={\mathrm{e}}^{{\mathrm{A}}_{a}l}{\mathrm{x}}_a\left(0\right)+\underset{0}{\overset{t}{\int }}{\mathrm{e}}^{{\mathrm{A}}_a\left(t-\tau \right)}{\mathrm{B}}_a{u}_a\left(\tau \right)d\tau$$

calculate exactly. For the integrator chain off Fig. 2 she follows $$\begin{array}{l}{\mathbf{x}}_a\left({\tau }_{k+1}\right)=\left[\begin{array}{cccc}1& \mathrm{\Delta }{\tau }_k& \frac{\mathrm{\Delta }{\tau }_{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="k"\; filenames="imgf0003.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">k</figure-callout>}}^2}{2}& \frac{\mathrm{\Delta }{\tau }_{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="k"\; filenames="imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">k</figure-callout>}}^3}{6}\\ 0& 1& \mathrm{\Delta }{\tau }_k& \frac{\mathrm{\Delta }{\tau }_{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="k"\; filenames="imgf0003.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">k</figure-callout>}}^2}{2}\\ 0& 0& 1& \mathrm{\Delta }{\tau }_{\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="k"\; filenames="imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">k</figure-callout>}}\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\Delta }{\tau }_{\mathrm{<figure-callout\; id="4"\; label="k"\; filenames="imgf0003.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">k</figure-callout>}}^4}{24}\\ \frac{\mathrm{\Delta }{\tau }_{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="k"\; filenames="imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">k</figure-callout>}}^3}{6}\\ \frac{\mathrm{\Delta }{\tau }_{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="k"\; filenames="imgf0003.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">k</figure-callout>}}^2}{2}\\ \mathrm{\Delta }{\tau }_k\end{array}\right]u_a\left({\tau }_k\right).{\mathbf{x}}_a\left(0\right)={\mathbf{x}}_{a.0}.\\ {\mathbf{y}}_a\left({\tau }_k\right)={\mathbf{x}}_a\left({\tau }_k\right).k=0.....K_p-1.\end{array}$$

where Δτ _k = τ _{k +1} -τ _{k describes} the valid for the respective time step discretization step size .

1.1.2 Formulierung und Lösung des Optimalsteuerungsproblems1.1.2 Formulation and solution of the optimal control problem

Durch Lösen des Optimalsteuerungsproblems soll eine Trajektorie geplant werden, welche der vorhergesagten Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts möglichst nahe folgt und gleichzeitig den gegebenen Beschränkungen genügt.By solving the optimal control problem, a trajectory is to be planned which follows the predicted vertical movement of the cable suspension point as close as possible and at the same time satisfies the given restrictions.

Um diese Anforderung zu erfüllen, lautet die Gütefunktion wie folgt: $$J=\frac{1}{2}{\displaystyle \sum _{k=1}^{K_p}}\left\{{\left[{\mathrm{y}}_a\left({\tau }_k\right)-{\mathrm{w}}_a\left({\tau }_k\right)\right]}^T{\mathrm{Q}}_w\left({\tau }_k\right)\left[{\mathrm{y}}_a\left({\tau }_k\right)-{\mathrm{w}}_a\left({\tau }_k\right)\right]+u_a\left({\tau }_{k-1}\right)r_u{u}_a\left({\tau }_{k-1}\right)\right\}$$

wobei w _a(τ_k ) die zum jeweiligen Zeitschritt gültige Referenz bezeichnet. Da hierfür nur die vorhergesagte Position ${\tilde{z}}_a^h\left(t_k+T_{p,k}\right)$

und Geschwindigkeit ${\dot{\tilde{z}}}_a^h\left(t_k+T_{p,k}\right)$

des Seilaufhängepunkts zur Verfügung stehen, werden die zugehörige Beschleunigung und der Ruck zu Null gesetzt. Der Einfluss dieser inkonsistenten Vorgabe lässt sich allerdings durch eine entsprechende Gewichtung der Beschleunigungs- und Ruckabweichung klein halten. Somit gilt: $${\mathrm{w}}_a\left({\tau }_k\right)={\left[{\tilde{z}}_a^h\left(t_k+T_{p,k}\right){\dot{\tilde{z}}}_a^h\left(t_k+T_{p,k}\right)00\right]}^T,{}_{}k=1,\dots ,K_p\mathrm{.}$$

Über die positiv semidefinite Diagonalmatrix $${\mathrm{Q}}_w\left({\tau }_k\right)=\mathrm{diag}\left(q_{w,1}\left({\tau }_k\right),q_{w,2}\left({\tau }_k\right),q_{w,3},q_{w,4}\right),{}_{}k=1,\dots ,K_p$$

werden Abweichungen von der Referenz in der Gütefunktion gewichtet. Der skalare Faktor r_u bewertet den Stellaufwand. Während r_u , q_w,3 und q_w,4 über den gesamten Prädiktionshorizont konstant sind, werden q_w,₁ und q_w , ₂ in Abhängigkeit vom Zeitschritt τ_k gewählt. Dadurch lassen sich Referenzwerte am Anfang des Prädiktionshorizonts stärker gewichten als diejenigen am Ende. Mithin kann man die mit steigender Prognosezeit nachlassende Genauigkeit der Vertikalbewegungsprognose in der Gütefunktion abbilden. Wegen des Nichtvorhandenseins der Referenzen für die Beschleunigung und den Ruck bestrafen die Gewichte q_w,3 und q_w,₄ nur Abweichungen von Null, weshalb sie kleiner als die Gewichte für die Position q _w.1(τ_k ) und Geschwindigkeit q_w,₂ (τ_k ) gewählt werden.To meet this requirement, the merit function is as follows: $$J=\frac{1}{2}{\displaystyle \underset{k=1}{\overset{K_p}{\Sigma }}}\left\{{\left[{\mathrm{y}}_a\left({\tau }_k\right)-{\mathrm{w}}_a\left({\tau }_k\right)\right]}^T{\mathrm{Q}}_w\left({\tau }_k\right)\left[{\mathrm{y}}_a\left({\tau }_k\right)-{\mathrm{w}}_a\left({\tau }_k\right)\right]+u_a\left({\tau }_{k-1}\right)r_u{u}_a\left({\tau }_{k-1}\right)\right\}$$

where w _a ( τ _k ) designates the reference valid for the respective time step. Because only the predicted position ${\tilde{z}}_a^H\left(t_k+T_{p.k}\right)$

and speed ${\dot{\tilde{z}}}_a^H\left(t_k+T_{p.k}\right)$

of the rope suspension point, the associated acceleration and jerk are set to zero. However, the influence of this inconsistent specification can be kept small by a corresponding weighting of the acceleration and jerk deviation. Thus: $${\mathrm{w}}_a\left({\tau }_k\right)={\left[{\tilde{z}}_a^H\left(t_k+T_{p.k}\right){\dot{\tilde{z}}}_a^H\left(t_k+T_{p.\mathrm{<figure-callout\; id="0"\; label="k"\; filenames="imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">k</figure-callout>}}\right)00\right]}^T.{}_{}k=1.....K_p\mathrm{,}$$

About the positive semidefinite diagonal matrix $${\mathrm{Q}}_w\left({\tau }_k\right)=\mathrm{diag}\left(q_{w.1}\left({\tau }_k\right).q_{w.2}\left({\tau }_k\right).q_{w.3}.q_{w.4}\right).{}_{}k=1.....K_p$$

deviations from the reference in the quality function are weighted. The scalar factor r _u evaluates the actuating effort. While r _u , q _{w, 3} and q _{w, 4} are constant over the entire prediction horizon, q _w , ₁ and q _w , _{2 are} chosen as a function of the time step τ _k . As a result, reference values at the beginning of the prediction horizon can be weighted more heavily than those at the end. Thus, one can map the decreasing accuracy of the vertical motion forecast in the quality function with increasing forecast time. Because of the absence of the acceleration and jerk references, the weights q _{w, 3} and q _w , ₄ only penalize deviations from zero, which is why they are smaller than the weights for the position q _{w. 1} ( τ _k ) and speed q _w , ₂ ( τ _k ) are selected.

Die zugehörigen Beschränkungen für das Optimalsteuerungsproblem folgen aus der verfügbaren Leistung des Antriebs und dem aktuell gewählten Gewichtungsfaktor k_l (vgl. Fig. 1). Demnach gilt für die Zustände des Systemmodells aus (1.4): $$\begin{array}{c}-{\delta }_a\left({\tau }_k\right)\left(1-k_l\right){\upsilon }_{\max }\le x_{a,2}\left({\tau }_k\right)\le {\delta }_a\left({\tau }_k\right)\left(1-k_l\right){\upsilon }_{\max },\hfill \\ -{\delta }_a\left({\tau }_k\right)\left(1-k_l\right)a_{\max }\le x_{a,3}\left({\tau }_k\right)\le {\delta }_a\left({\tau }_k\right)\left(1-k_l\right)a_{\max },k=1,\dots ,K_p,\hfill \\ -{\delta }_a\left({\tau }_k\right)j_{\max }\le x_{a,4}\left({\tau }_k\right)\le {\delta }_a\left({\tau }_k\right)j_{\max }\end{array}$$

und für den Eingang: $$-{\delta }_a\left({\tau }_k\right)\frac{d}{\mathit{dt}}{j}_{\max }\le u_a\left({\tau }_k\right)\le {\delta }_a\left({\tau }_k\right)\frac{d}{\mathit{dt}}{j}_{\max },{}_{}k=0,\dots ,K_p-1.$$

Hier stellt δ_a(τ_k) einen Reduktionsfaktor dar, der so gewählt wird, dass die jeweilige Beschränkung am Ende des Horizonts 95% derjenigen am Anfang des Horizonts beträgt. Für die dazwischenliegenden Zeitschritte folgt δ_a (τ_k ) aus linearer Interpolation. Die Reduktion der Beschränkungen entlang des Horizonts erhöht die Robustheit des Verfahrens in Bezug auf die Existenz zulässiger Lösungen.The associated constraints on the optimal control problem follow from the available power of the drive and the currently selected weighting factor k _l (cf. Fig. 1 ). Accordingly, for the states of the system model from (1.4): $$\begin{array}{c}-{\delta }_a\left({\tau }_k\right)\left(1-k_l\right){\upsilon }_{\mathrm{Max}}\le x_{a.2}\left({\tau }_k\right)\le {\delta }_a\left({\tau }_k\right)\left(1-k_l\right){\upsilon }_{\mathrm{Max}}.\hfill \\ -{\delta }_a\left({\tau }_k\right)\left(1-k_l\right)a_{\mathrm{Max}}\le x_{a.3}\left({\tau }_k\right)\le {\delta }_a\left({\tau }_k\right)\left(1-k_l\right)a_{\mathrm{Max}}.k=1.....K_p.\hfill \\ -{\delta }_a\left({\tau }_k\right)j_{\mathrm{Max}}\le x_{a.4}\left({\tau }_k\right)\le {\delta }_a\left({\tau }_k\right)j_{\mathrm{Max}}\end{array}$$

and for the entrance: $$-{\delta }_a\left({\tau }_k\right)\frac{d}{\mathit{dt}}{j}_{\mathrm{Max}}\le u_a\left({\tau }_k\right)\le {\delta }_a\left({\tau }_k\right)\frac{d}{\mathit{dt}}{j}_{\mathrm{Max}}.{}_{}k=0.....K_p-1.$$

Here δ _a (τ _k ) represents a reduction factor chosen so that the respective limit at the end of the horizon is 95% of that at the beginning of the horizon. For the intervening time steps, δ _a ( τ _k ) follows from linear interpolation. The reduction of the restrictions along the horizon increases the robustness of the method with respect to the existence of permissible solutions.

Während die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbeschränkungen sich im Betrieb ändern können, sind die Beschränkungen des Rucks j_max und der Ableitung des Rucks $\frac{d}{\mathit{dt}}{j}_{\max }$

konstant. Um die Lebensdauer der Hubwinde und des gesamten Krans zu erhöhen, werden sie in Hinblick auf eine maximal zulässige Schockbelastung gewählt. Für den Positionszustand gelten keine Beschränkungen.While the speed and acceleration limits may change during operation, the jerk limitations are j _max and the derivative of the jerk $\frac{d}{\mathit{dt}}{j}_{\mathrm{Max}}$

constant. To the life of the hoist winch and the whole Cranes are chosen for maximum shock load. There are no restrictions on the position condition.

Da die maximale Geschwindigkeit v_max und Beschleunigung a_max sowie der Gewichtungsfaktor der Leistung k_l im Betrieb extern bestimmt sind, ändern sich zwangsläufig auch die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbeschränkungen für das Optimalsteuerungsproblem. Die damit verbundenen zeitvarianten Beschränkungen berücksichtigt das vorgestellte Konzept folgendermaßen: Sobald sich eine Beschränkung ändert, wird der aktualisierte Wert zuerst nur am Ende des Prädiktionshorizonts für den Zeitschritt τ_Kp einbezogen. Anschließend schiebt man ihn mit fortschreitender Zeit an den Anfang des Prädiktionshorizonts.Since the maximum speed v _max and acceleration a _max and the weighting factor of the power k _{l are} externally determined during operation, the speed and acceleration limitations for the optimal control problem inevitably change as well. The associated time-variant constraints take into account the presented concept as follows: As soon as a constraint changes, the updated value is first only at the end of the prediction horizon for the time step τ _{K p} included. Then, as time progresses, it pushes it to the beginning of the prediction horizon.

Fig. 4 verdeutlicht dieses Vorgehen anhand der Geschwindigkeitsbeschränkung. Bei der Reduzierung einer Beschränkung ist zusätzlich darauf zu achten, dass sie zu ihrer maximal zulässigen Ableitung passt. Dies bedeutet, dass beispielsweise die Geschwindigkeitsbeschränkung (1-k_l)v_max maximal so schnell reduziert werden darf, wie es die aktuelle Beschleunigungsbeschränkung (1-k_l )a_max erlaubt. Wegen des Durchschiebens der aktualisierten Beschränkungen existiert für eine in den Beschränkungen liegende Anfangsbedingung x _a (τ ₀) immer eine Lösung, die wiederum nicht gegen die aktualisierten Beschränkungen verstößt. Allerdings dauert es den kompletten Prädiktionshorizont bis sich eine geänderte Beschränkung endgültig auf die geplanten Trajektorien am Anfang des Horizonts auswirkt. Fig. 4 clarifies this procedure based on the speed limit. When reducing a restriction, care must also be taken that it matches its maximum permissible derivative. This means that, for example, the speed limit ( 1 -k _l ) v _max may be reduced at most as fast as the current acceleration limitation (1 k _l ) a _max permits. Because of the pushing through of the updated constraints, a constrained initial condition x _a ( τ ₀ ) always has a solution which in turn does not violate the updated constraints. However, it takes the complete prediction horizon until a changed restriction finally affects the planned trajectories at the beginning of the horizon.

Somit ist das Optimalsteuerungsproblem durch die zu minimierende quadratische Gütefunktion (1.5), das Systemmodell (1.4) und die Ungleichungsbeschränkungen aus (1.8) und (1.9) in Form eines linear-quadratischen Optimierungsproblems (QP-Problem für Quadratic Programming Problem) vollständig gegeben. Bei erstmaliger Ausführung der Optimierung wird die Anfangsbedingung zu x_a (τ₀) = [0,0,0,0] ^T gewählt. Anschließend verwendet man den im letzten Optimierungsschritt für den Zeitschritt τ ₁ berechneten Wert x _a (τ ₁) als Anfangsbedingung.Thus, the optimal control problem is through to be minimized square merit function (1.5), the system model (1.4) and the inequality constraints of (1.8) and (1.9) in the form of a linear-quadratic optimization problem (QP problem for Q uadratic P rogramming PROBLEM) completely given. When the optimization is carried out for the first time, the initial condition is chosen to be x _a (τ ₀ ) = [0,0,0,0] ^T. Subsequently, the value x _a ( τ ₁ ) calculated in the last optimization step for the time step τ ₁ is used as the initial condition.

Die Berechnung der eigentlichen Lösung des QP-Problems erfolgt in jedem Zeitschritt über ein numerisches Verfahren, das man als QP-Solver bezeichnet.The actual solution to the QP problem is calculated in each time step using a numerical method known as the QP solver.

Infolge des Rechenaufwands für die Optimierung ist die Abtastzeit für die Trajektorienplanung der Kompensationsbewegung größer als die Diskretisierungszeit aller restlichen Komponenten der aktiven Seegangskompensation; somit gilt Δτ > Δt.Due to the computational effort for the optimization, the sampling time for the trajectory planning of the compensatory motion is greater than the discretization time of all remaining components of the active sea state compensation; thus Δ τ> Δ t true.

Damit die Referenztrajektorien allerdings für die Regelung im schnelleren Takt zur Verfügung stehen, findet die Simulation der Integratorkette aus Fig. 2 außerhalb der Optimierung mit der schnelleren Abtastzeit Δt statt. Sobald neue Werte aus der Optimierung vorliegen, werden die Zustände x _a (τ ₀) als Anfangsbedingung für die Simulation verwendet und die Stellgröße am Anfang des Prädiktionshorizonts u_a(τ ₀ ) als konstanter Eingang auf die Integratorkette geschrieben.However, so that the reference trajectories are available for the control at a faster rate, the simulation of the integrator chain takes place Fig. 2 outside the optimization with the faster sampling time Δ t instead. As soon as new values from the optimization are available, the states x _a ( τ ₀ ) are used as an initial condition for the simulation, and the manipulated variable at the beginning of the prediction horizon u _a (τ ₀ ) is written to the integrator chain as a constant input.

1.2 Referenztrajektorien für das Verfahren der Last1.2 Reference trajectories for the method of load

Analog zur Kompensationsbewegung sind für die überlagerte Handhebelsteuerung zweimal stetig differenzierbare Referenztrajektorien notwendig (vgl. Fig. 1). Da bei diesen durch den Kranfahrer vorgebbaren Bewegungen im Normalfall keine schnellen Richtungswechsel für die Winde zu erwarten sind, hat sich die Mindestanforderung einer stetig geplanten Beschleunigung ${\ddot{y}}_l^{*}$

auch in Bezug auf die Lebensdauer der Winde als ausreichend herausgestellt. Somit lässt sich im Gegensatz zu den für die Kompensationsbewegung geplanten Referenztrajektorien schon die dritte Ableitung ${\stackrel{\dots }{y}}_l^{*},$

welche dem Ruck entspricht, als sprungfähig erachten.Analogous to the compensatory movement, twice-continuously differentiable reference trajectories are necessary for the superimposed lever control (cf. Fig. 1 ). Since these movements, which can be predetermined by the crane operator, normally do not lead to any rapid changes of direction for the winch, the minimum requirement is a constantly planned acceleration ${\ddot{y}}_l^{*}$

also in terms of the life of the winch proved sufficient. Thus, in contrast to the reference trajectories planned for the compensatory movement, the third derivative can already be used ${\stackrel{...}{y}}_l^{*}.$

which corresponds to the jerk, consider as jumpable.

Wie Fig. 5 zeigt, dient sie gleichzeitig als Eingang einer Integratorkette dritter Ordnung. Neben den Anforderungen an die Stetigkeit müssen die geplanten Trajektorien auch die aktuell gültigen Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbeschränkungen erfüllen, welche sich für die Handhebelsteuerung zu k_lv_max und k_la_max ergeben.As Fig. 5 shows, it also serves as the input of a third-order integrator chain. In addition to the requirements for continuity, the planned trajectories must also meet the currently valid speed and acceleration restrictions which result for the lever control in k _l v _max and k _l a _max .

Das Handhebelsignal des Kranfahrers -100≤w_hh ≤100 wird als relative Geschwindigkeitsvorgabe in Bezug auf die aktuell maximal zulässige Geschwindigkeit k_lv_max interpretiert. Somit ergibt sich die durch den Handhebel vorgegebene Sollgeschwindigkeit nach Fig. 6 zu $${\upsilon }_{\mathrm{hh}}^{*}=k_l{\upsilon }_{\max }\frac{w_{\mathrm{hh}}}{100}\mathrm{.}$$

The hand lever signal of the crane driver -100≤ w _hh ≤100 is interpreted as relative speed specification with respect to the currently maximum permissible speed k _l v _max . Thus, the predetermined speed given by the hand lever results Fig. 6 to $${\upsilon }_{\mathrm{hh}}^{*}=k_l{\upsilon }_{\mathrm{Max}}\frac{w_{\mathrm{hh}}}{100}\mathrm{,}$$

Wie daraus hervorgeht hängt die aktuell durch den Handhebel vorgegebene Sollgeschwindigkeit von der Handhebelstellung W_hh , dem veränderlichen Gewichtungsfaktor k_l und der aktuellen maximal zulässigen Windengeschwindigkeit V_max ab.As can be seen, the setpoint speed currently given by the hand lever depends on the hand lever position W _hh , the variable weighting factor k _l and the current maximum permissible winch speed V _max .

Die Aufgabe der Trajektorienplanung für die Handhebelsteuerung lässt sich nun wie folgt angeben: Aus der durch den Handhebel vorgegebenen Sollgeschwindigkeit ist ein stetig differenzierbarer Geschwindigkeitsverlauf zu generieren, sodass die Beschleunigung einen stetigen Verlauf besitzt. Als Verfahren für diese Aufgabenstellung bietet sich eine sogenannte Ruckaufschaltung an.The task of trajectory planning for the hand lever control can now be specified as follows: From the setpoint speed given by the hand lever, a continuously differentiable speed profile is to be generated so that the acceleration has a steady course. As a method for this task offers a so-called jerk-on.

Ihr Grundgedanke besagt, dass der maximal zulässige Ruck j_max in einer ersten Phase so lange auf den Eingang der Integratorkette einwirkt, bis die maximal zulässige Beschleunigung erreicht ist. In der zweiten Phase wird die Geschwindigkeit mit konstanter Beschleunigung erhöht; und in der letzten Phase schaltet man den maximal zulässigen negativen Ruck so auf, dass die gewünschte Endgeschwindigkeit erreicht wird.Its basic idea is that the maximum permissible jerk j _max in a first phase acts on the input of the integrator chain until the maximum permissible acceleration is reached. In the second phase, the speed is increased with constant acceleration; and in the last phase, the maximum permissible negative jerk is switched on so that the desired final speed is reached.

Daher sind bei der Ruckaufschaltung lediglich die Schaltzeitpunkte zwischen den einzelnen Phasen zu bestimmen. Fig .7 stellt einen beispielhaften Verlauf des Rucks für einen Geschwindigkeitswechsel zusammen mit den Schaltzeitpunkten dar. Dabei bezeichnet T_/ ,₀ den Zeitpunkt, an dem ein Umplanen stattfindet. Die Zeitpunkte T_l,₁ , T_l,₂ und T_l,₃ verweisen jeweils auf die berechneten Schaltzeitpunkte zwischen den einzelnen Phasen. Ihre Berechnung skizziert der folgende Absatz.Therefore, only the switching times between the individual phases are to be determined in the jerk connection. Fig. 7 illustrates an exemplary course of the jerk for a speed change together with the switching times. In this case, T _{/ 0} denotes the time at which rescheduling takes place. The times T _l , ₁ , T _l , ₂ and T _l , ₃ each refer to the calculated switching times between the individual phases. Their calculation is outlined in the following paragraph.

Sobald für die Handhebelsteuerung eine neue Situation eintritt, vollzieht sich ein Umplanen der generierten Trajektorien. Eine neue Situation tritt ein, sobald sich die Sollgeschwindigkeit $v_{\mathit{hh}}^{*}$

oder die aktuell gültige maximale Beschleunigung für die Handhebelsteuerung k_la_max ändert. Die Sollgeschwindigkeit kann sich aufgrund einer neuen Handhebelstellung W_hh oder durch eine neue Vorgabe von k_l bzw. V_max ändern (vgl. Fig. 6). Analog dazu ist eine Variation der maximal gültigen Beschleunigung durch k_l oder a_max möglich.As soon as a new situation arises for the hand lever control, a rescheduling of the generated trajectories takes place. A new situation occurs as soon as the target speed $v_{\mathit{hh}}^{*}$

or the currently valid maximum acceleration for the hand lever control k _l a _max changes. The desired speed may change due to a new hand lever position W _hh or by a new specification of k _l or V _max (cf. Fig. 6 ). Analogously, a variation of the maximum valid acceleration by k _l or a _{max is} possible.

Bei einem Umplanen der Trajektorien wird zunächst aus der aktuell geplanten Geschwindigkeit ${\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)$

und der entsprechenden Beschleunigung ${\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)$

diejenige Geschwindigkeit berechnet, welche sich bei einer Reduzierung der Beschleunigung auf Null ergibt: $$\tilde{\upsilon }={\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)+\mathrm{\Delta }{\tilde{T}}_1{\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)+\frac{1}{2}\mathrm{\Delta }{\tilde{T}}_1^2{\tilde{u}}_{l,1},$$

wobei die minimal notwendige Zeit durch $$\mathrm{\Delta }{\tilde{T}}_1=-\frac{{\ddot{y}}_l^{*}}{{\tilde{u}}_{l,1}},{\tilde{u}}_{l,1}\ne 0$$

gegeben ist und ũ _l,1 den Eingang der Integratorkette benennt, also den aufgeschalteten Ruck (vgl. Fig. 5). Er ergibt sich in Abhängigkeit von der aktuell geplanten Beschleunigung ${\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)$

zu $${\hat{u}}_{l,1}=\{\begin{array}{cc}{j}_{\max },\hfill & \mathrm{für}{\ddot{y}}_l^{*}<0\\ -j_{\max },\hfill & \mathrm{für}{\ddot{y}}_l^{*}>0\\ 0,\hfill & \mathrm{für}{\ddot{y}}_l^{*}=0\end{array}\mathrm{.}$$

When repurposing the trajectories is initially from the currently planned speed ${\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l.0}\right)$

and the corresponding acceleration ${\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.0}\right)$

calculates the speed which results when the acceleration is reduced to zero: $$\tilde{\upsilon }={\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l.0}\right)+\mathrm{\Delta }{\tilde{T}}_1{\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.0}\right)+\frac{1}{2}\mathrm{\Delta }{\tilde{T}}_1^2{\tilde{u}}_{l.1}.$$

being the minimum necessary time through $$\mathrm{\Delta }{\tilde{T}}_1=-\frac{{\ddot{y}}_l^{*}}{{\tilde{u}}_{l.1}}.{\tilde{u}}_{l.1}\ne 0$$

is given and ũ _{l , 1 designates} the input of the integrator chain, that is, the jerk applied (cf. Fig. 5 ). It depends on the currently planned acceleration ${\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.0}\right)$

to $${\hat{u}}_{l.1}=\{\begin{array}{cc}{j}_{\mathrm{Max}}.\hfill & \mathrm{For}{\ddot{y}}_l^{*}<0\\ -j_{\mathrm{Max}}.\hfill & \mathrm{For}{\ddot{y}}_l^{*}>0\\ 0.\hfill & \mathrm{For}{\ddot{y}}_l^{*}=0\end{array}\mathrm{,}$$

Abhängig von der theoretisch berechneten Geschwindigkeit und der gewünschten Sollgeschwindigkeit lässt sich nun der Verlauf des Eingangs angeben. Falls $v_{\mathit{hh}}^{*}>\tilde{v}$

ist, erreicht ν̃ den gewünschten Wert $v_{\mathit{hh}}^{*}$

nicht und die Beschleunigung kann weiter erhöht werden. Falls jedoch $v_{\mathit{hh}}^{*}<\tilde{v}$

gilt, ist ν̃ zu schnell und die Beschleunigung ist sofort zu reduzieren.Depending on the theoretically calculated speed and the desired setpoint speed, the course of the input can now be specified. If $v_{\mathit{hh}}^{*}>\tilde{v}$

is, ν reaches the desired value $v_{\mathit{hh}}^{*}$

not and the acceleration can be further increased. If so $v_{\mathit{hh}}^{*}<\tilde{v}$

ν is too fast and the acceleration has to be reduced immediately.

Aus diesen Überlegungen lassen sich folgende Schaltfolgen des Rucks für die drei Phasen ableiten $${\mathbf{u}}_l=\{\begin{array}{l}\begin{array}{cc}\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}{j}_{\max }& \begin{array}{cc}0& -j_{\max }\end{array}\end{array}\right],\end{array}& \mathrm{f}\ddot{\mathrm{u}}\mathrm{r}\end{array}\tilde{\upsilon }\le {\upsilon }_{\mathrm{hh}}^{*}\\ \begin{array}{ccc}\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}-j_{\max }& \begin{array}{cc}0& j_{\max }\end{array}\end{array}\right],\end{array}& \mathrm{f}\ddot{\mathrm{u}}\mathrm{r}\tilde{\upsilon }>{\upsilon }_{\mathrm{hh}}^{*}& \end{array}\end{array}$$

mit u_l= └u_l,1,u_l,2,u_l,3┘ und dem in der jeweiligen Phase aufgeschalteten Eingangssignal u_l,_i . Die Dauer einer Phase ergibt sich zu ΔT_i = T_l,i -T _l,i-1 mit i = 1,2,3. Demnach lauten die geplante Geschwindigkeit und Beschleunigung am Ende der ersten Phase: $${\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right)={\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)+\mathrm{\Delta }{T}_1{\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)+\frac{1}{2}\mathrm{\Delta }{T}_1^2{u}_{l,1},$$

$${\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right)={\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)+\mathrm{\Delta }{T}_1{u}_{j,1}$$

und nach der zweiten Phase: $${\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l,2}\right)={\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right)+\mathrm{\Delta }{T}_2{\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right),$$

$${\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,2}\right)={\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right),$$

wobei u _l,2 = 0 angenommen wurde. Nach der dritten Phase folgt schließlich: $${\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l,3}\right)={\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l,2}\right)+\mathrm{\Delta }{T}_3{\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,2}\right)+\frac{1}{2}\mathrm{\Delta }{T}_3^2{u}_{l,3},$$

$${\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,3}\right)={\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,2}\right)+\mathrm{\Delta }{T}_3{u}_{l,3}\mathrm{.}$$

From these considerations, the following switching sequences of the jerk for the three phases can be derived $${\mathbf{u}}_l=\{\begin{array}{l}\begin{array}{cc}\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}{j}_{\mathrm{Max}}& \begin{array}{cc}0& -j_{\mathrm{Max}}\end{array}\end{array}\right].\end{array}& \mathrm{f}\ddot{\mathrm{u}}\mathrm{r}\end{array}\tilde{\upsilon }\le {\upsilon }_{\mathrm{hh}}^{*}\\ \begin{array}{ccc}\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}-j_{\mathrm{Max}}& \begin{array}{cc}0& j_{\mathrm{Max}}\end{array}\end{array}\right].\end{array}& \mathrm{f}\ddot{\mathrm{u}}\mathrm{r}\tilde{\upsilon }>{\upsilon }_{\mathrm{hh}}^{*}& \end{array}\end{array}$$

with u _l = └u _{l, 1} , u _{l, 2} , u _{l, 3} ┘ and the input in the respective phase input signal u _l , _i . The duration of one phase is given by Δ T _i = T _{l, i} - T _{l, i-1} with i = 1,2,3. According to the planned speed and acceleration at the end of the first phase: $${\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l.1}\right)={\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l.0}\right)+\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="\Delta \; \; T"\; filenames="imgf0002.png,imgf0003.png"\; state="\{\{state\}\}">\Delta \; </figure-callout>}{T}_{}{}_1{\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.0}\right)+\frac{1}{2}\mathrm{\Delta }{\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="T"\; filenames="imgf0002.png,imgf0003.png"\; state="\{\{state\}\}">T</figure-callout>}}_1^2{u}_{l.1}.$$

$${\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.1}\right)={\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.0}\right)+\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="\Delta \; \; T"\; filenames="imgf0002.png,imgf0003.png"\; state="\{\{state\}\}">\Delta \; </figure-callout>}{T}_{}{}_1{u}_{j.1}$$

and after the second phase: $${\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l.2}\right)={\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l.1}\right)+\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\Delta \; \; T"\; filenames="imgf0003.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">\Delta \; </figure-callout>}{T}_{}{}_2{\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.1}\right).$$

$${\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.2}\right)={\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.1}\right).$$

where u _{l , 2} = 0 was assumed. After the third phase finally follows: $${\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l.3}\right)={\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l.2}\right)+\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="\Delta \; \; T"\; filenames="imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">\Delta \; </figure-callout>}{T}_{}{}_3{\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.2}\right)+\frac{1}{2}\mathrm{\Delta }{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="T"\; filenames="imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">T</figure-callout>}}_3^2{u}_{l.3}.$$

$${\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.3}\right)={\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.2}\right)+\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="\Delta \; \; T"\; filenames="imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">\Delta \; </figure-callout>}{T}_{}{}_3{u}_{l.3}\mathrm{,}$$

Zur genauen Berechnung der Schaltzeitpunkte T _l,i wird zunächst die Beschleunigungsbeschränkung vernachlässigt, wodurch ΔT ₂ = 0 gilt. Aufgrund dieser Vereinfachung lassen sich die Längen der beiden restlichen Zeitintervalle wie folgt angeben: $$\mathrm{\Delta }{T}_1=\frac{\tilde{a}-{\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)}{u_{l,3}},$$

$$\mathrm{\Delta }{T}_3=\frac{0-\tilde{a}}{u_{l,3}}$$

wobei ã für die maximal erreichte Beschleunigung steht. Durch Einsetzen von (1.21) und (1.22) in (1.15), (1.16) und (1.19) entsteht ein Gleichungssystem, das sich nach ã auflösen lässt. Unter Beachtung von ${\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l,3}\right)=v_{\mathit{hh}}^{*}$

ergibt sich letztendlich: $$\tilde{a}=\pm \sqrt{\frac{u_{l,3}\left[2{\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l,0}\right)u_{l,1}-{\ddot{y}}_l^{*}{\left(T_{l,0}\right)}^2-2{\upsilon }_{\mathrm{hh}}^{*}{u}_{l,1}\right]}{u_{l,1}-u_{l,3}}}\mathrm{.}$$

For exact calculation of the switching times T _{l, i} , the acceleration limitation is initially neglected, whereby Δ T ₂ = 0 applies. Due to this simplification, the lengths of the two remaining time intervals can be specified as follows: $$\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="\Delta \; \; T"\; filenames="imgf0002.png,imgf0003.png"\; state="\{\{state\}\}">\Delta \; </figure-callout>}{T}_{}{}_1=\frac{\tilde{a}-{\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.0}\right)}{u_{l.3}}.$$

$$\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="\Delta \; \; T"\; filenames="imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">\Delta \; </figure-callout>}{T}_{}{}_3=\frac{0-\tilde{a}}{u_{l.3}}$$

where ã stands for the maximum acceleration achieved. Substituting (1.21) and (1.22) into (1.15), (1.16), and (1.19) produces a system of equations that can be solved for ã . In consideration of ${\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l.3}\right)=v_{\mathit{hh}}^{*}$

finally results: $$\tilde{a}=\pm \sqrt{\frac{u_{l.3}\left[2{\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l.0}\right)u_{l.1}-{\ddot{y}}_l^{*}{\left(T_{l.0}\right)}^2-2{\upsilon }_{\mathrm{hh}}^{*}{u}_{l.1}\right]}{u_{l.1}-u_{l.3}}}\mathrm{,}$$

Das Vorzeichen von ã folgt aus der Bedingung, dass ΔT ₁ und ΔT ₃ in (1.21) bzw. (1.22) positiv sein müssen.The sign of ã follows from the condition that Δ T ₁ and Δ T ₃ must be positive in (1.21) and (1.22), respectively.

In einem zweiten Schritt ermittelt sich aus ã und der maximal zulässigen Beschleunigung k_la_max die eigentliche Maximalbeschleunigung: $$\bar{a}={\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right)={\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l,2}\right)=\min \left\{k_l{a}_{\max },\max \left\{-k_l{a}_{\max },\tilde{a}\right\}\right\}\mathrm{.}$$

In a second step , the actual maximum acceleration is determined from ã and the maximum permissible acceleration k _l a _max : $$\tilde{a}={\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.1}\right)={\ddot{y}}_l^{*}\left(T_{l.2}\right)=\min \left\{k_l{a}_{\mathrm{Max}}.\mathrm{Max}\left\{-k_l{a}_{\mathrm{Max}}.\tilde{a}\right\}\right\}\mathrm{,}$$

Mit ihr lassen sich letztendlich die wirklich auftretenden Zeitintervalle ΔT ₁ und ΔT ₃ berechnen. Sie resultieren aus (1.21) und (1.22) mit ã=a. Das noch unbekannte Zeitintervall ΔT ₂ bestimmt sich nun aus (1.17) und (1.19) mit ΔT ₁ und ΔT ₃ aus (1.21) und (1.22) zu $$\mathrm{\Delta }{T}_2=\frac{2{\upsilon }_{\mathrm{hh}}^{*}{u}_{l,3}+{\bar{a}}^2-2{\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right)u_{l,3}}{2\bar{a}{u}_{l,3}}$$

wobei ${\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l,1}\right)$

aus (1.15) folgt. Die Schaltzeitpunkte lassen sich direkt aus den Zeitintervallen ablesen: $$T_{l,i}=T_{l,i-1}+\mathrm{\Delta }{T}_i,i=1,2,3.$$

With it finally the time intervals actually occurring Δ T ₁ and T Δ can be calculated. ₃ They result from (1.21) and (1.22) with ã = a , The unknown time interval Δ T ₂ is now determined from (1.17) and (1.19) with Δ t ₁ and Δ t ₃ from (1.21) and (1.22) to $$\mathrm{\Delta }{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="T"\; filenames="imgf0003.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">T</figure-callout>}}_2=\frac{2{\upsilon }_{\mathrm{hh}}^{*}{u}_{l.3}+{\tilde{a}}^2-2{\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l.1}\right)u_{l.3}}{2\tilde{a}{u}_{l.3}}$$

in which ${\dot{y}}_l^{*}\left(T_{l.1}\right)$

from (1.15) follows. The switching times can be read directly from the time intervals: $$T_{l.i}=T_{l.i-1}+\mathrm{\Delta }{T}_i.i=1.2.\mathrm{Third}$$

Die zu planenden Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverläufe ${\dot{y}}_l^{*}$

und ${\ddot{y}}_l^{*}$

kann man mit den einzelnen Schaltzeitpunkten analytisch berechnen. Hierbei ist zu erwähnen, dass die durch die Schaltzeitpunkte geplanten Trajektorien häufig nicht vollständig abgefahren werden, da vor Erreichen des Schaltzeitpunkts T_l,3 eine neue Situation eintritt, dadurch ein Umplanen stattfindet und neue Schaltzeitpunkte berechnet werden. Wie bereits erwähnt tritt eine neue Situation durch eine Änderung von W_hh, V_max, a_max oder k_l ein.The speed and acceleration curves to be planned ${\dot{y}}_l^{*}$

and ${\ddot{y}}_l^{*}$

can be calculated analytically with the individual switching times. It should be noted that the planned by the switching times trajectories are often not completely traversed because before reaching the switching time T _{l, 3} enters a new situation, thereby rescheduling takes place and new switching times be calculated. As already mentioned, a new situation occurs due to a change in W _hh , V _max , a _max or k _l .

Fig. 8 zeigt eine mittels des vorgestellten Verfahrens beispielhaft generierte Trajektorie. Der Verlauf der Trajektorien beinhaltet beide Fälle, welche aufgrund von (1.24) eintreten können. Im ersten Fall wird die maximal zulässige Beschleunigung zum Zeitpunkt t = 1 s erreicht und es folgt eine Phase mit konstanter Beschleunigung. Der zweite Fall tritt zum Zeitpunkt t = 3,5s ein. Hier wird die maximal zulässige Beschleunigung aufgrund der Handhebelstellung nicht vollständig erreicht. Die Folge ist, dass der erste und zweite Schaltzeitpunkt zusammenfallen und ΔT ₂ = 0 gilt. Der zugehörige Positionsverlauf berechnet sich nach Fig. 5 durch Integration des Geschwindigkeitsverlaufs, wobei die Position bei Systemstart durch die aktuell von der Hubwinde abgewickelte Seillänge initialisiert wird. Fig. 8 shows a trajectory exemplified by the method presented. The course of the trajectories includes both cases, which can occur on the basis of (1.24). In the first case, the maximum permissible acceleration is reached at time t = 1 s, followed by a phase with constant acceleration. The second case occurs at time t = 3.5s. Here, the maximum allowable acceleration due to the hand lever position is not fully achieved. The result is that the first and second switching time coincide and ΔT ₂ = 0 applies. The associated position history is calculated according to Fig. 5 by integrating the velocity profile, the position being initialized at startup by the rope length currently being handled by the hoist winch.

2 Ansteuerungskonzept für die Hubwinde 2 Control concept for the hoist winch

Prinzipiell besteht die Ansteuerung aus zwei unterschiedlichen Betriebsmodi: der aktiven Seegangskompensation zur Entkopplung der vertikalen Lastbewegung von der Schiffsbewegung bei frei hängender Last und der Konstantspannungsregelung zur Vermeidung von Schlaffseil, sobald die Last auf dem Meeresboden abgesetzt ist. Während eines Tiefseehubs ist zunächst die Seegangskompensation aktiv. Anhand einer Detektion des Absetzvorgangs wird automatisch auf die Konstantspannungsregelung umgeschaltet. Fig. 9 veranschaulicht das Gesamtkonzept mit den zugehörigen Führungs- und Regelgrößen.In principle, the control consists of two different modes of operation: the active sea state compensation for decoupling the vertical load movement from the ship movement with free-hanging load and the constant voltage control to avoid slack rope, as soon as the load is deposited on the seabed. During a deep-sea stroke, the sea state compensation is initially active. Based on a detection of the settling process is automatically switched to the constant voltage control. Fig. 9 illustrates the overall concept with the associated control and control variables.

Jeder der beiden unterschiedlichen Betriebsmodi könnte jedoch auch jeweils ohne den anderen Betriebsmodus implementiert werden. Weiterhin kann ein Konstantspannungsmodus, wie er im folgenden beschrieben wird, auch unabhängig vom Einsatz des Kranes auf einem Schiff und unabhängig von einer aktiven Seegangskompensation eingesetzt werden.However, each of the two different modes of operation could also be implemented without the other mode of operation. Furthermore, a constant voltage mode, as described below, can also be used independently of the use of the crane on a ship and independently of an active sea state compensation.

Durch die aktive Seegangskompensation soll die Hubwinde so angesteuert werden, dass die Windenbewegung die Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts $z_a^h$

ausgleicht und der Kranfahrer die Last mit Hilfe des Handhebels im als inertial betrachteten h-Koordinatensystem verfährt. Damit die Ansteuerung das geforderte prädiktive Verhalten zur Minimierung des Kompensationsfehlers aufweist, wird sie durch einen Vorsteuerungs- und Stabilisierungsteil in Form einer Zwei-Freiheitsgrade-Struktur umgesetzt. Die Vorsteuerung berechnet sich aus einer differentiellen Parametrierung mit Hilfe des flachen Ausgangs der Windendynamik und ergibt sich aus den geplanten Trajektorien zum Verfahren der Last $y_l^{*},{\dot{y}}_l^{*}$

und ${\ddot{y}}_l^{*}$

sowie den negativen Trajektorien für die Kompensationsbewegung $-y_a^{*},-{\dot{y}}_a^{*}$

und $-{\ddot{y}}_a^{*}$

(vgl. Fig. 9). Die daraus resultierenden Solltrajektorien für den Systemausgang der Antriebsdynamik bzw. der Windendynamik werden mit $y_h^{*},{\dot{y}}_h^{*}$

und ${\ddot{y}}_h^{*}$

bezeichnet. Sie stellen die Sollposition, -geschwindigkeit und -beschleunigung für die Windenbewegung und dadurch für das Auf- und Abwickeln des Seils dar.Active hoist compensation is intended to control the hoist winch so that the winch movement controls the vertical movement of the rope suspension point $z_a^H$

compensates and the crane operator moves the load with the help of the hand lever in the considered as inertial h-coordinate system. In order for the driver to have the required predictive behavior for minimizing the compensation error, it is converted by a pilot control and stabilization part in the form of a two-degree-of-freedom structure. The feedforward control is calculated from a differential parameterization with the aid of the flat output of the wind dynamics and results from the planned trajectories for moving the load $y_l^{*}.{\dot{y}}_l^{*}$

and ${\ddot{y}}_l^{*}$

and the negative trajectories for the compensation movement $-y_a^{*}.-{\dot{y}}_a^{*}$

and $-{\ddot{y}}_a^{*}$

(see. Fig. 9 ). The resulting desired trajectories for the system output of the drive dynamics or the wind dynamics are with $y_H^{*}.{\dot{y}}_H^{*}$

and ${\ddot{y}}_H^{*}$

designated. They represent the target position, speed and acceleration for the winch movement and thus for the winding and unwinding of the rope.

Während der Konstantspannungsphase soll die Seilkraft an der Last F_sl auf einen konstanten Betrag geregelt werden, um Schlaffseil zu vermeiden. Daher wird in diesem Betriebsmodus der Handhebel deaktiviert, und die aus dem Handhebelsignal geplanten Trajektorien werden nicht mehr aufgeschaltet. Die Ansteuerung der Winde erfolgt wiederum durch eine Zwei-Freiheitsgrade-Struktur mit Vorsteuerungs- und Stabilisierungsteil.During the constant voltage phase, the cable force at the load F _{sl should} be regulated to a constant amount in order to avoid slack rope. Therefore, in this mode of operation, the hand lever is deactivated and the trajectories planned from the hand lever signal are no longer applied. The control of the winch is again by a two-degree-of-freedom structure with pilot control and stabilization part.

Die genaue Lastposition z _/ und die Seilkraft an der Last F _s/ stehen für die Regelung nicht als Messgrößen zur Verfügung, da der Kranhaken aufgrund der langen Seillängen und großen Tiefen mit keinerlei Sensorik ausgestattet ist. Des Weiteren existiert keinerlei Information über Form und Art der angehängten Last. Deshalb sind die einzelnen lastspezifischen Parameter wie Lastmasse m_l , Koeffizient der hydrodynamischen Massenerhöhung C_a , Widerstandskoeffizient C_d und eingetauchtes Volumen ∇l, allgemein nicht bekannt, wodurch eine zuverlässige Schätzung der Lastposition in der Praxis nahezu unmöglich ist.The exact load position z _/ and the cable force at the load F _{s /} are not available for the control as measured variables, since the crane hook is not equipped with any sensors due to the long cable lengths and great depths. Furthermore, there is no information about the form and type of the attached load. Therefore, the individual load-specific parameters such as load mass m _l , coefficient of hydrodynamic mass increase C _a , resistance coefficient C _d and immersed volume ∇ l are generally unknown, whereby a reliable estimation of the load position is practically impossible in practice.

Mithin stehen als Messgrößen für die Regelung lediglich die abgewickelte Seillänge l_s und die zugehörige Geschwindigkeit i_s sowie die Kraft am Seilaufhängepunkt F_c zur Verfügung. Die Länge / _s ergibt sich indirekt aus dem mit einem Inkrementalgeber gemessenen Windenwinkel ϕ_h und dem von der Wicklungslage j_l abhängigen Windenradius r_h(j_l). Die zugehörige Seilgeschwindigkeit i_s lässt sich durch numerische Differentiation mit geeigneter Tiefpassfilterung berechnen. Die am Seilaufhängepunkt angreifende Seilkraft F_c wird mit Hilfe einer Kraftmessachse erfasst.Consequently, only the unwound cable length l _s and the associated speed i _s and the force at the cable suspension point F _c are available as measured variables for the control. The length / _s is obtained indirectly from the angle of wind φ _h measured using an incremental encoder and the winding radius r _h (j _l ) dependent on the winding position j _l . The associated cable speed i _s can be calculated by numerical differentiation with suitable low-pass filtering. The cable force F _c acting on the cable suspension point is detected by means of a force measuring axis.

2.1 Ansteuerung für die aktive Seegangskompensation 2.1 Control for the active sea state compensation

Fig. 10 verdeutlicht die Ansteuerung der Hubwinde für die aktive Seegangskompensation mit einem Blockschaltbild im Frequenzbereich. Wie darin ersichtlich, erfolgt nur eine Rückführung der Seillänge und -geschwindigkeit y_h = l_s und ẏ_h = i_s aus dem Teilsystem des Antriebs G_h (s). Dadurch vollzieht sich die Kompensation der als Eingangsstörung auf das Seilsystem G_s,z (s) wirkenden Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts $Z_a^h\left(s\right)$

rein vorsteuernd; Seil- und Lastdynamik werden vernachlässigt. Zwar wird infolge einer nicht vollständigen Kompensation der Eingangsstörung oder einer Windenbewegung die Seileigendynamik angeregt, aber man kann in der Praxis davon ausgehen, dass die resultierende Lastbewegung im Wasser stark gedämpft ist und sehr schnell abklingt. Fig. 10 illustrates the control of the hoist winch for the active sea state compensation with a block diagram in the frequency domain. As can be seen therein, only the return of the rope length and speed y _h = l _s and ẏ _h = i _s from the subsystem of the drive G _h ( s ). As a result, the compensation of the vertical movement of the cable suspension point acting as an input disturbance on the cable system G _{s, z} ( s ) takes place $Z_a^H\left(s\right)$

purely pre-taxing; Rope and load dynamics are neglected. Although due to an incomplete compensation of the input disturbance or a winch movement, the rope's own dynamics are excited, but in practice it can be assumed that the resulting load movement in the water is strongly damped and decays very rapidly.

Die Übertragungsfunktion des Antriebssystems von der Stellgröße U_h(s) auf die abgewickelte Seillänge Y_h(s) lässt sich als IT₁ -System approximieren und ergibt sich zu $$G_h\left(s\right)=\frac{Y_h\left(s\right)}{U_h\left(s\right)}=\frac{K_h{r}_h\left(j_l\right)}{T_h{s}^2+s}$$

mit dem Windenradius r_h(j_l). Da der Systemausgang Y_h(s) gleichzeitig einen flachen Ausgang darstellt, folgt die invertierende Vorsteuerung F(s) zu $$F\left(s\right)=\frac{U_{\mathrm{ff}}\left(s\right)}{Y_h^{*}\left(s\right)}=\frac{1}{G_h\left(s\right)}=\frac{T_h}{K_h{r}_h\left(j_l\right)}{s}^2+\frac{1}{K_h{r}_h\left(j_l\right)}s$$

und lässt sich im Zeitbereich in Form einer differentiellen Parametrierung als $$u_{\mathrm{ff}}\left(t\right)=\frac{T_h}{K_h{r}_h\left(j_l\right)}{\ddot{y}}_h^{*}\left(t\right)+\frac{1}{K_h{r}_h\left(j_l\right)}{\dot{y}}_h^{*}\left(t\right)$$

schreiben. (2.3) zeigt, dass die Referenztrajektorie für die Vorsteuerung mindestens zweimal stetig differenzierbar sein muss.The transfer function of the drive system from the manipulated variable U _h (s) to the unwound cable length Y _h (s) can be approximated as an IT ₁ system and results in $$G_H\left(s\right)=\frac{Y_H\left(s\right)}{U_H\left(s\right)}=\frac{K_H{r}_H\left(j_l\right)}{T_H{s}^2+s}$$

with the radius of curvature r _h (j _l ) . Since the system output Y _h (s) simultaneously represents a flat output, the inverting feedforward control F (s) follows $$F\left(s\right)=\frac{U_{\mathrm{ff}}\left(s\right)}{Y_H^{*}\left(s\right)}=\frac{1}{G_H\left(s\right)}=\frac{T_H}{K_H{r}_H\left(j_l\right)}{s}^2+\frac{1}{K_H{r}_H\left(j_l\right)}s$$

and can be in the time domain in the form of a differential parameterization as $$u_{\mathrm{ff}}\left(t\right)=\frac{T_H}{K_H{r}_H\left(j_l\right)}{\ddot{y}}_H^{*}\left(t\right)+\frac{1}{K_H{r}_H\left(j_l\right)}{\dot{y}}_H^{*}\left(t\right)$$

write. (2.3) shows that the reference trajectory for precontrol must be continuously differentiable at least twice.

Die Übertragungsfunktion des geschlossenen Kreises, bestehend aus der Stabilisierung K_a(s) und dem Windensystem G_h(s), lässt sich aus Fig. 10 zu $$G_{\mathrm{AHC}}\left(s\right)=\frac{K_a\left(s\right)G_h\left(s\right)}{1+K_a\left(s\right)G_h\left(s\right)}$$

ablesen. Unter Vernachlässigung der Kompensationsbewegung $Y_a^{*}\left(s\right)$

kann die Führungsgröße $Y_h^{*}\left(s\right)$

bei konstanter bzw. stationärer Handhebelauslenkung als rampenförmiges Signal angenähert werden, da in solch einem Fall eine konstante Sollgeschwindigkeit $v_{\mathit{hh}}^{*}$

vorliegt. Zur Vermeidung einer stationären Regelabweichung bei einer derartigen Führungsgröße muss die offene Kette K_a(s)G_h(s) deshalb l ₂-Verhalten besitzen [9]. Dies lässt sich beispielsweise durch einen PID-Regler mit $$K_a\left(s\right)=\frac{T_h}{K_h{\tau }_h\left(j_l\right)}\left(\frac{{\kappa }_{\mathrm{AHC},0}}{s}+{\kappa }_{\mathrm{AHC},1}+{\kappa }_{\mathrm{AHC},2}s\right),{\kappa }_{\mathrm{AHC},i}>0$$

erreichen. Demnach folgt für den geschlossenen Kreis: $$G_{\mathrm{AHC}}\left(s\right)=\frac{{\kappa }_{\mathrm{AHC},0}+{\kappa }_{\mathrm{AHC},1}s+{\kappa }_{\mathrm{AHC},2}{s}^2}{s^3+\left(\frac{1}{T_h}+{\kappa }_{\mathrm{AHC},2}\right)s^2+{\kappa }_{\mathrm{AHC},1}s+{\kappa }_{\mathrm{AHC},0}},$$

wobei die genauen Werte von κ_AHC,_i in Abhängigkeit von der jeweiligen Zeitkonstante T_h gewählt werden.The transfer function of the closed loop, consisting of the stabilization K _a (s) and the winch system G _h (s) , can be turned off Fig. 10 to $$G_{\mathrm{AHC}}\left(s\right)=\frac{K_a\left(s\right)G_H\left(s\right)}{1+K_a\left(s\right)G_H\left(s\right)}$$

read off. Neglecting the compensation movement $Y_a^{*}\left(s\right)$

can be the reference size $Y_H^{*}\left(s\right)$

be approximated at constant or stationary Handhebelauslenkung as a ramp-shaped signal, since in such a case, a constant target speed $v_{\mathit{hh}}^{*}$

is present. To avoid a steady-state deviation in such a reference variable, the open chain K _a (s) G _h (s) must therefore have l ₂ behavior [9]. This can be done, for example, with a PID controller $$K_a\left(s\right)=\frac{T_H}{K_H{\tau }_H\left(j_l\right)}\left(\frac{{\kappa }_{\mathrm{AHC}.0}}{s}+{\kappa }_{\mathrm{AHC}.1}+{\kappa }_{\mathrm{AHC}.2}s\right).{\kappa }_{\mathrm{AHC}.i}>0$$

to reach. Accordingly follows for the closed circle: $$G_{\mathrm{AHC}}\left(s\right)=\frac{{\kappa }_{\mathrm{AHC}.0}+{\kappa }_{\mathrm{AHC}.1}s+{\kappa }_{\mathrm{AHC}.2}{s}^2}{{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="s"\; filenames="imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">s</figure-callout>}}^3+\left(\frac{1}{T_H}+{\kappa }_{\mathrm{AHC}.2}\right)s^2+{\kappa }_{\mathrm{AHC}.1}s+{\kappa }_{\mathrm{AHC}.0}}.$$

where the exact values of κ _AHC , _i are chosen as a function of the respective time constant T _h .

2.2 Detektion des Absetzvorgangs 2.2 Detection of the settling process

Sobald die Last auf den Meeresgrund trifft, soll von der aktiven Seegangskompensation in die Konstantspannungsregelung umgeschaltet werden. Hierfür ist eine Detektion des Absetzvorgangs notwendig (vgl. Fig. 9). Für sie und die anschließende Konstantspannungsregelung wird das Seil als einfaches Feder-Masse-Element approximiert. Somit berechnet sich die wirkende Kraft am Seilaufhängepunkt näherungsweise zu $$F_c=k_c\mathrm{\Delta }{l}_c,$$

wobei k_c und Δl _c die zur Elastizität des Seils äquivalente Federkonstante und die Auslenkung der Feder bezeichnen. Für letztere gilt: $$\mathrm{\Delta }{l}_c=\underset{0}{\overset{1}{\int }}{\epsilon }_s\left(\bar{s}t\right)d\bar{s}={\bar{z}}_{s,\mathrm{stat}}\left(1\right)-{\bar{z}}_{s,\mathrm{stat}}\left(0\right)-l_s=\frac{{\mathit{gl}}_s}{E_s{A}_s}\left(m_e+\frac{1}{2}{\mu }_s{l}_s\right)\mathrm{.}$$

As soon as the load hits the seabed, it should switch from the active sea state compensation to the constant voltage control. For this purpose, a detection of the settling process is necessary (see. Fig. 9 ). For them and the subsequent constant voltage control, the rope is approximated as a simple spring-mass element. Thus, the force acting on the rope suspension point is calculated approximately to $$F_c=k_c\mathrm{\Delta }{l}_c.$$

where k _c and Δl _c denote the elasticity of the rope equivalent spring constant and the deflection of the spring. For the latter applies: $$\mathrm{\Delta }{l}_c=\underset{0}{\overset{1}{\int }}{\epsilon }_s\left(\tilde{s}t\right)d\tilde{s}={\tilde{z}}_{s.\mathrm{stat}}\left(1\right)-{\tilde{z}}_{s.\mathrm{stat}}\left(0\right)-l_s=\frac{{\mathit{gl}}_s}{e_s{A}_s}\left(m_e+\frac{1}{2}{\mu }_s{l}_s\right)\mathrm{,}$$

Die äquivalente Federkonstante k_c lässt sich aus folgender stationärer Betrachtung bestimmen. Für eine mit der Masse m_f belastete Feder gilt im stationären Fall: $$k_c\mathrm{\Delta }{l}_c=m_{f}g\mathrm{.}$$

The equivalent spring constant k _c can be determined from the following stationary observation. For a spring loaded with the mass m _f , in the stationary case: $$k_c\mathrm{\Delta }{l}_c=m_{f}G\mathrm{,}$$

Durch Umformen von (2.8) ergibt sich $$\frac{E_s{A}_s}{l_s}\mathrm{\Delta }{l}_c=\left(m_e+\frac{1}{2}{\mu }_s{l}_s\right)g\mathrm{.}$$

Transforming (2.8) yields $$\frac{e_s{A}_s}{l_s}\mathrm{\Delta }{l}_c=\left(m_e+\frac{1}{2}{\mu }_s{l}_s\right)G\mathrm{,}$$

Anhand eines Koeffizientenvergleichs zwischen (2.9) und (2.10) lässt sich die äquivalente Federkonstante als $$k_c=\frac{E_s{A}_s}{l_s}$$

ablesen. Außerdem ist in (2.9) zu erkennen, dass die Auslenkung der Feder Δl _c im stationären Fall von der effektiven Lastmasse m_e und der halben Seilmasse $\frac{1}{2}{\mu }_s{l}_s$

beeinflusst wird. Dies liegt daran, dass bei einer Feder die angehängte Masse m_f als in einem Punkt konzentriert angenommen wird. Die Seilmasse ist jedoch über die Seillänge gleichmäßig verteilt und belastet daher die Feder nicht in vollem Umfang. Trotzdem fließt in die Kraftmessung am Seilaufhängepunkt die volle Gewichtskraft des Seils µ_sl_sg ein.Using a coefficient comparison between (2.9) and (2.10), the equivalent spring constant can be calculated as $$k_c=\frac{e_s{A}_s}{l_s}$$

read off. In addition, it can be seen in (2.9) that the deflection of the spring Δl _c in the stationary case of the effective load mass m _e and half the rope mass $\frac{1}{2}{\mu }_s{l}_s$

being affected. This is because with a spring, the attached mass m _f is assumed to be concentrated in one point. However, the rope mass is distributed evenly over the rope length and therefore does not burden the spring in full. Nevertheless, the full weight of the rope μ _s l _s g flows into the force measurement at the cable suspension point.

Mit dieser Approximation des Seilsystems lassen sich nun Bedingungen für die Detektion des Absetzvorgangs auf dem Meeresgrund ableiten. In Ruhe setzt sich die am Seilaufhängepunkt angreifende Kraft aus der Gewichtskraft des abgewickelten Seils µ_sl_sg und der effektiven Gewichtskraft der Lastmasse m_eg zusammen. Daher ergibt sich die gemessene Kraft F_c bei einer auf dem Meeresboden befindlichen Last näherungsweise zu $$F_c=\left(m_e+{\mu }_s{l}_s\right)g+\mathrm{\Delta }{F}_c$$

mit $$\mathrm{\Delta }{F}_c=-k_c\mathrm{\Delta }{l}_c,$$

wobei Δl_s das nach dem Auftreffen auf dem Meeresboden abgewickelte Seil bezeichnet. Aus (2.13) folgt, dass Δl_s proportional zur Änderung der gemessenen Kraft ist, da die Lastposition nach dem Aufsetzen konstant ist. Anhand von (2.12) und (2.13) lassen sich nun folgende Bedingungen für eine Detektion ableiten, die gleichzeitig erfüllt sein müssen:

• ■ Die Abnahme der negativen Federkraft muss kleiner als ein Schwellwert sein: $$\mathrm{\Delta }{F}_c<\mathrm{\Delta }{\hat{F}}_c\mathrm{.}$$
  
• ■ Die zeitliche Ableitung der Federkraft muss kleiner als ein Schwellwert sein: $${\dot{F}}_c<{\dot{\hat{F}}}_c\mathrm{.}$$
  
• ■ Der Kranfahrer muss die Last absenken. Diese Bedingung wird anhand der mit dem Handhebelsignal geplanten Trajektorie überprüft: $${\dot{y}}_l^{*}\ge 0.$$
  
• ■ Zur Vermeidung einer Fehldetektion beim Eintauchen in das Wasser muss eine Mindestseillänge abgewickelt sein: $$l_s>l_{s,\min }\mathrm{.}$$
  

With this approximation of the cable system, conditions for the detection of the settling process on the seabed can be derived. At rest, the force acting on the cable suspension point is composed of the weight of the unwound cable μ _s l _s g and the effective weight of the load mass m _e g . Therefore, the measured force F _c approximates to a load on the seabed $$F_c=\left(m_e+{\mu }_s{l}_s\right)G+\mathrm{\Delta }{F}_c$$

With $$\mathrm{\Delta }{F}_c=-k_c\mathrm{\Delta }{l}_c.$$

where Δ l _s denotes the unwound after impact on the seabed rope. From (2.13) it follows that Δl _{s is} proportional to the change in the measured force, since the load position is constant after touchdown. Based on (2.12) and (2.13), the following conditions for a detection can now be derived, which must be satisfied simultaneously:

• ■ The decrease of the negative spring force must be smaller than a threshold value: $$\mathrm{\Delta }{F}_c<\mathrm{\Delta }{\hat{F}}_c\mathrm{,}$$
  
• ■ The time derivative of the spring force must be less than a threshold value: $${\dot{F}}_c<{\dot{\hat{F}}}_c\mathrm{,}$$
  
• ■ The crane operator must lower the load. This condition is checked on the basis of the hand lever signal planned trajectory: $${\dot{y}}_l^{*}\ge \mathrm{0th}$$
  
• ■ To avoid misdetection when submerging in the water, a minimum pitch must be unwound: $$l_s>l_{s.\min }\mathrm{,}$$
  

Die Abnahme der negativen Federkraft ΔF_c berechnet sich dabei jeweils in Bezug auf den letzten Hochpunkt F _c im gemessenen Kraftsignal F_c . Zur Unterdrückung von Messrauschen und hochfrequenten Störungen wird das Kraftsignal durch ein entsprechendes Tiefpassfilter vorverarbeitet.The decrease in the negative spring force Δ F _{c is} calculated in each case with respect to the last high point F _c in the measured force signal F _c . To suppress measurement noise and high-frequency interference, the force signal is preprocessed by a corresponding low-pass filter.

Da die Bedingungen (2.14) und (2.15) gleichzeitig erfüllt sein müssen, wird eine Fehldetektion infolge einer dynamischen Seileigenschwingung ausgeschlossen: Als Resultat der dynamischen Seileigenschwingung oszilliert das Kraftsignal F_c , wodurch die Änderung der Federkraft ΔF_c in Bezug auf den letzten Hochpunkt F _c und die zeitliche Ableitung der Federkraft Ḟ_c eine verschobene Phase aufweisen. Folglich können bei geeigneter Wahl der Schwellwerte ΔF̂_c und F̂_c im Fall einer dynamischen Seileigenschwingung beide Bedingungen nicht gleichzeitig erfüllt sein. Hierfür muss der statische Anteil der Seilkraft abfallen, wie es beim Eintauchen in das Wasser oder beim Absetzen auf den Meeresgrund geschieht. Eine Fehldetektion beim Eintauchen in das Wasser wird allerdings durch Bedingung (2.17) verhindert.Since conditions (2.14) and (2.15) must be satisfied at the same time, misdetection due to a dynamic ripple vibration is eliminated: as a result of the dynamic ripple vibration, the force signal F _c oscillates, whereby the change of the spring force Δ F _c with respect to the last high point F _c and the time derivative of the spring force Ḟ _{c have} a shifted phase. Consequently, if the threshold values ΔF _c and F _{c are} suitably selected, both conditions can not be met simultaneously in the case of dynamic self-oscillation. For this purpose, the static portion of the cable force must drop, as happens when submerged in the water or when settling on the seabed. However, a misdetection on immersion in the water is prevented by condition (2.17).

Der Schwellwert für die Änderung der Federkraft berechnet sich in Abhängigkeit vom letzten Hochpunkt im gemessenen Kraftsignal zu $$\mathrm{\Delta }{\hat{F}}_c=\min \left\{-{\chi }_1{\bar{F}}_c,\mathrm{\Delta }{\hat{F}}_{c,\max }\right\},$$

wobei X ₁ <1 und der Maximalwert ΔF̂ _c,max experimentell bestimmt wurden. Der Schwellwert für die Ableitung des Kraftsignals F̂_c lässt sich aus der zeitlichen Ableitung von (2.7) und der maximal zulässigen Handhebelgeschwindigkeit k_lv_max zu $${\dot{\hat{F}}}_c=\min \left\{-{\chi }_2{k}_c{k}_l{\upsilon }_{\max },{\dot{\hat{F}}}_{c,\max }\right\}$$

abschätzen. Die beiden Parameter χ ₂ <1 und F̂ _c,max wurden ebenfalls experimentell ermittelt.The threshold value for the change in the spring force is calculated as a function of the last high point in the measured force signal $$\mathrm{\Delta }{\hat{F}}_c=\min \left\{-{\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="\chi "\; filenames="imgf0002.png,imgf0003.png"\; state="\{\{state\}\}">\chi </figure-callout>}}_1{\tilde{F}}_c.\mathrm{\Delta }{\hat{F}}_{c.\mathrm{Max}}\right\}.$$

where X ₁ <1 and the maximum value Δ F _{c , max were} determined experimentally. The threshold for the derivation of the force signal F _c can be from the time derivative of (2.7) and the maximum allowable hand lever speed k _l v _max to $${\dot{\hat{F}}}_c=\min \left\{-{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\chi "\; filenames="imgf0003.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">\chi </figure-callout>}}_2{k}_c{k}_l{\upsilon }_{\mathrm{Max}}.{\dot{\hat{F}}}_{c.\mathrm{Max}}\right\}$$

estimated. The two parameters χ ₂ <1 and F _{c, max} were also determined experimentally.

Da bei der Konstantspannungsregelung statt der Positionsregelung eine Kraftregelung Anwendung findet, wird als Führungsgröße eine Sollkraft $F_c^{*}$

in Abhängigkeit von der Summe aller an der Last angreifenden statischen Kräfte F_l,stat vorgegeben. Dazu wird F_l,stat in der Phase der Seegangskompensation unter Beachtung der bekannten Seilmasse µ_sl_s berechnet: $$F_{l,\mathrm{stat}}=F_{\mathrm{c},\mathrm{stat}}-{\mu }_s{l}_{s}g\mathrm{.}$$

Since constant force control uses force control instead of position control, a reference force is used as the reference variable $F_c^{*}$

depending on the sum of all acting on the load static forces F _{l, stat} given. For this purpose, F _{l, stat is} calculated in the phase of the sea state compensation taking into account the known cable mass μ _s l _s : $$F_{l.\mathrm{stat}}=F_{\mathrm{c}.\mathrm{stat}}-{\mu }_s{l}_{s}G\mathrm{,}$$

Dabei bezeichnet F _c,stat den statischen Kraftanteil der gemessenen Kraft am Seilaufhängepunkt F_c . Er stammt aus einer entsprechenden Tiefpassfilterung des gemessenen Kraftsignals. Die bei der Filterung entstehende Gruppenlaufzeit ist kein Problem, da lediglich der statische Kraftanteil von Interesse ist und eine Zeitverzögerung hierauf keinen signifikanten Einfluss hat. Aus der Summe aller an der Last angreifenden statischen Kräfte folgt die Sollkraft unter Berücksichtung der zusätzlich auf den Seilaufhängepunkt wirkenden Gewichtskraft des Seils zu $$F_c^{*}=p_s{F}_{l,\mathrm{stat}}+{\mu }_s{l}_{s}g,$$

wobei mit 0 < p_s < 1 die resultierende Spannung im Seil durch den Kranfahrer vorgegeben wird. Zur Vermeidung eines Sollwertsprungs in der Führungsgröße erfolgt nach einer Detektion des Absetzvorgangs ein rampenförmiger Übergang von der aktuell bei der Detektion gemessenen Kraft zur eigentlichen Sollkraft $F_c^{*}\mathrm{.}$

In this case, F _{c , stat} denotes the static force component of the measured force at the cable suspension point F _c . It comes from a corresponding low-pass filtering of the measured force signal. The group delay arising during filtering is not a problem since only the static force component is of interest and a time delay has no significant influence on this. From the sum of all static forces acting on the load, the setpoint force follows, taking into account the additional weight force of the rope acting on the cable suspension point $$F_c^{*}=p_s{F}_{l.\mathrm{stat}}+{\mu }_s{l}_{s}G.$$

where 0 < p _s <1, the resulting tension in the rope is specified by the crane operator. In order to avoid a desired value jump in the reference variable, after a detection of the settling process, a ramp-shaped transition takes place from the force currently measured during the detection to the actual desired force $F_c^{*}\mathrm{,}$

Zum Aufheben der Last vom Meeresgrund führt der Kranfahrer den Wechsel vom Konstantspannungsmodus in die aktive Seegangskompensation bei frei hängender Last manuell durch.To release the load from the seabed, the crane operator manually maneuvers the change from the constant tension mode to the active sea state compensation with the load suspended.

2.3 Ansteuerung für den Konstantspannungsmodus 2.3 Control for the constant voltage mode

Fig. 11 zeigt die umgesetzte Ansteuerung der Hubwinde im Konstantspannungsmodus in einem Blockschaltbild im Frequenzbereich. Im Gegensatz zu der in Fig. 10 veranschaulichten Regelungsstruktur wird hier der Ausgang des Seilsystems F_c(s), d. h. die am Seilaufhängepunkt gemessene Kraft, anstelle vom Ausgang des Windensystems Y_h(s) zurückgeführt. Die gemessene Kraft F_c(s) setzt sich nach (2.12) aus der Kraftänderung ΔF_c(s) und der statischen Gewichtskraft m_eg+µ_sl_sg, die im Bildbereich mit M(s) bezeichnet wird, zusammen. Für die eigentliche Regelung wird das Seilsystem wiederum als Feder-Masse-System approximiert. Fig. 11 shows the converted control of the hoist winch in the constant voltage mode in a block diagram in the frequency domain. Unlike the in Fig. 10 1, the output of the cable system F _c (s) , ie the force measured at the cable suspension point, is returned instead of the output of the winch system Y _h (s) . The measured force F _c (s) is composed according to (2.12) from the force change Δ F _c (s) and the static gravitational force m _e g + μ _s l _s g , which is denoted M (s) in the image area. For the actual control, the cable system is again approximated as a spring-mass system.

Die Vorsteuerung F(s) der Zwei-Freiheitsgrade-Struktur ist identisch mit der für die aktive Seegangskompensation und durch (2.2) bzw. (2.3) gegeben. Allerdings wird im Konstantspannungsmodus das Handhebelsignal nicht aufgeschaltet, weswegen die Referenztrajektorie nur aus der negativen Sollgeschwindigkeit und - beschleunigung $-{\dot{y}}_a^{*}$

und $-{\ddot{y}}_a^{*}$

für die Kompensationsbewegung besteht. Der Vorsteuerungsanteil kompensiert zunächst wiederum die Vertikalbewegung des Seilaufhängepunkts $Z_a^h\left(s\right)\mathrm{.}$

Jedoch erfolgt keine direkte Stabilisierung der Windenposition durch eine Rückführung von Y_h(s). Dies erfolgt indirekt durch die Rückführung des gemessenen Kraftsignals.The precontrol F (s) of the two-degree-of-freedom structure is identical to that for active sea state compensation and given by (2.2) or (2.3). However, in the constant voltage mode, the hand lever signal is not applied, which is why the reference trajectory only from the negative target speed and - acceleration $-{\dot{y}}_a^{*}$

and $-{\ddot{y}}_a^{*}$

exists for the compensation movement. The pilot control component initially compensates for the vertical movement of the cable suspension point $Z_a^H\left(s\right)\mathrm{,}$

However, there is no direct stabilization of the winch position by a return of Y _h (s). This is done indirectly by the return of the measured force signal.

Der gemessene Ausgang F_c(s) ergibt sich aus Fig. 11 zu $$F_c\left(s\right)=G_{\mathrm{CT},1}\left(s\right)\underset{E_a\left(s\right)}{\underbrace{\left[Y_a^{*}\left(s\right)F\left(s\right)G_h\left(s\right)+Z_a^h\left(s\right)\right]}}+G_{\mathrm{CT},2}\left(s\right)F_c^{*}\left(s\right)$$

mit den beiden Übertragungsfunktionen $$G_{\mathrm{CT},1}\left(s\right)=\frac{G_{s,F}\left(s\right)}{1+K_s\left(s\right)G_h\left(s\right)G_{s,F}\left(s\right)},$$

$$G_{\mathrm{CT},2}\left(s\right)=\frac{K_s\left(s\right)G_h\left(s\right)G_{s,F}\left(s\right)}{1+K_s\left(s\right)G_h\left(s\right)G_{s,F}\left(s\right)},$$

wobei die Übertragungsfunktion des Seilsystems für eine am Boden stehende Last aus (2.12) folgt: $$G_{s,F}\left(s\right)=-k_c\mathrm{.}$$

The measured output F _c (s) results from Fig. 11 to $$F_c\left(s\right)=G_{\mathrm{CT}.1}\left(s\right)\underset{e_a\left(s\right)}{\underset{\}}{\left[Y_a^{*}\left(s\right)F\left(s\right)G_H\left(s\right)+Z_a^H\left(s\right)\right]}}+G_{\mathrm{CT}.2}\left(s\right)F_c^{*}\left(s\right)$$

with the two transfer functions $$G_{\mathrm{CT}.1}\left(s\right)=\frac{G_{s.F}\left(s\right)}{1+K_s\left(s\right)G_H\left(s\right)G_{s.F}\left(s\right)}.$$

$$G_{\mathrm{CT}.2}\left(s\right)=\frac{K_s\left(s\right)G_H\left(s\right)G_{s.F}\left(s\right)}{1+K_s\left(s\right)G_H\left(s\right)G_{s.F}\left(s\right)}.$$

where the transfer function of the rope system for a grounded load (2.12) follows: $$G_{s.F}\left(s\right)=-k_c\mathrm{,}$$

Wie aus (2.22) hervorgeht, wird durch eine stabile Übertragungsfunktion G_CT,1(S) der Kompensationsfehler E_a(s) ausgeregelt und die Windenposition indirekt stabilisiert. Die Anforderung an den Regler K_s(s) resultiert auch in diesem Fall aus dem erwarteten Führungssignal $F_c^{*}\left(s\right),$

welches nach einer Übergangsphase durch die konstante Sollkraft $F_c^{*}$

aus (2.21) gegeben ist. Zur Vermeidung einer stationären Regelabweichung bei solch einer konstanten Führungsgröße muss die offene Kette K_s(s)G_h(s)G_s,_F(s) /-Verhalten besitzen. Da die Übertragungsfunktion der Winde G_h(s) solch ein Verhalten schon implizit aufweist, lässt sich diese Anforderung mit einer P-Rückführung realisieren; somit gilt: $$K_s\left(s\right)=-\frac{T_h}{K_h{r}_h\left(j_l\right)}{\kappa }_{\mathrm{CT}},{\kappa }_{\mathrm{CT}}>0.$$

As can be seen from (2.22), the compensation error E _a (s) is compensated by a stable transfer function G _{CT, 1} (S) and the wind position stabilized indirectly. The request to the controller K _s (s) also results in this case from the expected command signal $F_c^{*}\left(s\right).$

which after a transition phase by the constant desired force $F_c^{*}$

from (2.21). To avoid a steady-state deviation at such a constant reference variable, the open chain must have K _s (s) G _h (s) G _s , _F (s) / behaviors. Since the transfer function of the wind G _h (s) implicitly has such a behavior, this requirement can be realized with a P return; thus: $$K_s\left(s\right)=-\frac{T_H}{K_H{r}_H\left(j_l\right)}{\kappa }_{\mathrm{CT}}.{\kappa }_{\mathrm{CT}}>\mathrm{0th}$$

Claims (15)

Kransteuerung für einen Kran, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist, mit
einer aktiven Seegangskompensation, welche durch eine Ansteuerung des Hubwerks die Bewegung des Seilaufhängepunkts und/oder eines Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Seegangskompensation bei der Berechung der Ansteuerung des Hubwerkes mindestens eine Beschränkung des Hubwerks berücksichtigt.Crane control for a crane, which has a hoist for lifting a hanging on a rope load with
an active sea state compensation, which compensates for the movement of the cable suspension point and / or a Lastabsetzpunktes due to the sea state at least partially by a control of the hoist,
characterized,
that the sea state compensation in the calculation of the control of the hoist takes into account at least one limitation of the hoist. Kransteuerung nach Anspruch 1, wobei die Seegangskompensation einen maximal zulässigen Ruck und/oder eine maximal zur Verfügung stehende Beschleunigung und/oder eine maximal zur Verfügung stehende Geschwindigkeit und/oder eine maximal zur Verfügung stehende Leistung berücksichtigt und/oder wobei die Kransteuerung eine Berechnungsfunktion aufweist, welche mindestens eine Beschränkung des Hubwerks berechnet, und insbesondere die maximal zur Verfügung stehende Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks und/oder Leistung berechnet, wobei die Berechnungsfunktion vorteilhafterweise die Länge des abgewickelten Seiles und/oder die Seilkraft und/oder die zum Antrieb des Hubwerks zur Verfügung stehende Leistung berücksichtigt.Crane control according to claim 1, wherein the sea state compensation takes into account a maximum allowable jerk and / or a maximum available acceleration and / or a maximum available speed and / or a maximum available power and / or wherein the crane control has a calculation function, Which calculates at least a limitation of the hoist, and in particular calculates the maximum available speed and / or acceleration of the hoist and / or power, the calculation function advantageously the length of the unwound rope and / or the cable force and / or to drive the hoist for Available power is taken into account. Kransteuerung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Antrieb des Hubwerks mit einem Energiespeicher in Verbindung steht.Crane control according to claim 1 or 2, wherein the drive of the hoist is in communication with an energy store. Kransteuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Bahnplanungsmodul, welches anhand der prognostizierten Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes und unter Berücksichtigung der Beschränkung des Hubwerks eine Trajektorie bestimmt, wobei das Bahnplanungsmodul vorteilhafterweise eine Optimierungsfunktion aufweist, welche anhand der prognostizierten Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes und unter Berücksichtigung der Beschränkungen des Hubwerks eine Trajektorie bestimmt, welche die Restbewegung der Last aufgrund der Bewegung des Seilaufhängepunkts und/oder eines Lastabsetzpunktes minimiert.Crane control according to one of the preceding claims, with a path planning module which determines a trajectory based on the predicted movement of the cable suspension point and / or Lastabsetzpunktes and taking into account the limitation of the hoist, wherein the path planning module advantageously has an optimization function, based on the predicted movement of the cable suspension point and A load trajectory determines, and taking into account the limitations of the hoist, a trajectory which minimizes the residual movement of the load due to the movement of the cable suspending point and / or a load settling point. Kransteuerung für einen Kran, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist, insbesondere Kransteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit
einer aktiven Seegangskompensation, welche durch eine Ansteuerung des Hubwerks die Bewegung des Seilaufhängepunkts und/oder eines Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Seegangskompensation ein Bahnplanungsmodul aufweist, welches anhand einer prognostizierten Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes eine Trajektorie der Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks berechnet, welche in einen Sollwert für eine nachgelagerte Regelung des Hubwerks eingeht.Crane control for a crane, which has a hoist for lifting a load hanging on a rope, in particular crane control according to one of claims 1 to 4, with
an active sea state compensation, which compensates for the movement of the cable suspension point and / or a Lastabsetzpunktes due to the sea state at least partially by a control of the hoist,
characterized,
in that the swell compensation comprises a path planning module which, on the basis of a predicted movement of the cable suspension point and / or a load release point, a trajectory of the position and / or speed and / or acceleration of the hoist calculated, which enters into a setpoint for a downstream control of the hoist. Kransteuerung nach Anspruch 5, wobei die Regelung des Hubwerks vorteilhafterweise Messwerte zur Position und/oder Geschwindigkeit der Hubwinde zurückführt und/oder die Dynamik des Antriebes der Hubwinde durch eine Vorsteuerung berücksichtigt.Crane control according to claim 5, wherein the control of the hoist advantageously returns measured values to the position and / or speed of the hoist winch and / or takes into account the dynamics of the drive of the hoist winch by a pre-control. Kransteuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit einer Bedienersteuerung, welche das Hubwerk anhand von Vorgaben des Bedieners ansteuert, wobei die Steuerung vorteilhafterweise zwei getrennte Bahnplanungsmodule aufweist, über welche getrennt voneinander Trajektorien für die Seegangskompensation und für die Bedienersteuerung berechnet werden, wobei weiter vorteilhafterweise die durch die zwei getrennten Bahnplanungsmodule vorgegebenen Trajektorien summiert werden und als Sollwerte für die Steuerung und/oder Regelung des Hubwerks dienen.Crane control according to one of the preceding claims with an operator control, which controls the hoist on the basis of specifications of the operator, wherein the controller advantageously has two separate path planning modules over which trajectories for the sea state compensation and for the operator control are calculated separately, further advantageously by the two separate path planning modules predetermined trajectories are summed and serve as setpoints for the control and / or regulation of the hoist. Kransteuerung nach Anspruch 7, wobei die Aufteilung mindestens einer kinematisch beschränkten Größe zwischen Seegangskompensation und Bedienersteuerung einstellbar ist, wobei vorteilhafterweise die Einstellung über mindestens einen Gewichtungsfaktor erfolgt, über welchen die maximal zur Verfügung stehende Leistung und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks zwischen der Seegangskompensation und der Bedienersteuerung aufgeteilt wird.Crane control according to claim 7, wherein the division of at least one kinematic limited size between sea state compensation and operator control is adjustable, wherein advantageously the setting via at least one weighting factor, via which the maximum available power and / or speed and / or acceleration of the hoist between the Seegangskompensation and the operator control is divided. Kransteuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Optimierungsfunktion der Seegangskompensation eine Solltrajektorie bestimmt, welche in die Steuerung und/oder Regelung des Hubwerkes eingeht,
wobei die Optimierung bei jedem Zeitschritt auf Grundlage einer aktualisierten Prognose der Bewegung des Seilaufhängepunktes erfolgt und/oder wobei jeweils der erste Wert der Solltrajektorie zur Steuerung und/oder Regelung herangezogen wird und/oder
wobei die Optimierungsfunktion mit einer größeren Abtastzeit arbeitet als die Regelung und/oder
wobei die Optimierungsfunktion auf eine Notfall-Trajektorienplanung zurückgreift, wenn keine gültige Lösung auffindbar ist.Crane control according to one of the preceding claims, wherein the optimization function of the swell compensation determines a setpoint trajectory, which enters into the control and / or regulation of the hoist,
wherein the optimization at each time step is based on an updated forecast of the movement of the cable suspension point and / or wherein in each case the first value of the desired trajectory is used for control and / or regulation and / or
wherein the optimization function operates with a larger sampling time than the regulation and / or
wherein the optimization function relies on emergency trajectory planning if no valid solution can be found. Kransteuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Messvorrichtung, welche eine aktuelle Seegangsbewegung aus Sensordaten ermittelt und einer Prognosevorrichtung, welche eine zukünftige Bewegung des Seilaufhängepunkts und/oder eines Lastabsetzpunktes anhand der ermittelten aktuellen Seegangsbewegung und eines Modells der Seegangsbewegung prognostiziert, wobei vorteilhafterweise das in der Prognosevorrichtung verwendete Modell der Seegangsbewegung unabhängig von den Eigenschaften, und insbesondere von der Dynamik des Schwimmkörpers ist, auf welchem der Kran und/oder der Lastabsetzpunkt angeordnet ist.Crane control according to one of the preceding claims, with a measuring device which determines a current seaway movement of sensor data and a forecasting device which predicts a future movement of Seilaufhängepunkts and / or a Lastabsetzpunktes based on the determined current sea state movement and a model of sea state movement, which advantageously in the Forecasting device used model of the seaward movement regardless of the characteristics, and in particular of the dynamics of the floating body is, on which the crane and / or the Lastabsetzpunkt is located. Kransteuerung nach Anspruch 10, wobei die Prognosevorrichtung die vorherrschenden Moden der Seegangsbewegung aus den Daten der Messvorrichtung bestimmt, insbesondere über eine Frequenzanalyse, und anhand der bestimmten vorherrschenden Moden ein Modell des Seegangs erstellt, wobei vorteilhafterweise die Prognosevorrichtung das Modell anhand der Daten der Messvorrichtung laufend parametrisiert, wobei insbesondere ein Beobachter parametrisiert wird, wobei insbesondere Amplitude und Phase der Moden parametrisiert werden und/oder bei einer Änderung der vorherrschenden Moden des Seeganges das Modell aktualisiert wird.Crane control according to claim 10, wherein the prediction device determines the prevailing modes of sea state movement from the data of the measuring device, in particular via a frequency analysis, and based on the particular prevailing modes creates a model of the sea state, wherein advantageously the forecasting device continuously parameterizes the model based on the data of the measuring device In particular, an observer is parameterized, wherein in particular the amplitude and phase of the modes are parameterized and / or the model is updated when the prevailing modes of the sea state change. Kran mit einer Kransteuerung nach einem der vorangegangenen Ansprüche.Crane with a crane control according to one of the preceding claims. Verfahren zur Steuerung eines Krans, welcher ein Hubwerk zum Heben einer an einem Seil hängenden Last aufweist,
wobei eine Seegangskompensation durch eine automatische Ansteuerung des Hubwerks die Bewegung des Seilaufhängepunkts und/oder eines Lastabsetzpunktes aufgrund des Seegangs zumindest teilweise ausgleicht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Seegangskompensation bei der Berechung der Ansteuerung des Hubwerkes mindestens eine Beschränkung des Hubwerks berücksichtigt und/oder dass die Seegangskompensation anhand einer prognostizierten Bewegung des Seilaufhängepunktes und/oder eines Lastabsetzpunktes eine Trajektorie der Position und/oder Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Hubwerks berechnet, welche in einen Sollwert für eine nachgelagerte Regelung des Hubwerks eingeht.Method of controlling a crane having a hoist for lifting a load suspended from a rope,
wherein a sea state compensation by an automatic control of the lifting gear at least partially compensates for the movement of the cable suspension point and / or a load drop point due to the sea state,
characterized,
that the sea state compensation in the calculation of the control of the hoist at least considered a limitation of the hoist and / or that the sea state compensation calculated on the basis of a predicted movement of the cable suspension point and / or Lastabsetzpunktes a trajectory of the position and / or speed and / or acceleration of the hoist, which enters into a setpoint for a downstream control of the hoist. Verfahren nach Anspruch 13 mittels einer Kransteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.Method according to claim 13 by means of a crane control according to one of claims 1 to 11. Software mit Code zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 13 oder 14.Software with code for carrying out a method according to claim 13 or 14.

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