JPH0761838B2 - クレ−ンの制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はクレーンの制御方法に係り、詳しくは、吊荷を
目標位置へ移動させる間、荷振れの抑制と到達時間の短
縮を図ることができるようにしたクレーンの位置および
振れ止め制御に関するものである。

〔従来技術〕

ロープ懸垂式のクレーンにおいて採用される振れ止め制
御方式には、大きく分けると以下の２種類がある。１つ
は、目標停止位置にて吊荷の振れが止まる加減速パター
ンを事前に求めておき、これをプログラム的に与えるプ
ログラム制御方式であり、他は、吊荷の振れ角をフィー
ドバックすることによって、振れ止めを実現するフィー
ドバック制御方式である。

前者は、予め吊荷の特性を把握して吊荷の動きを予測
し、目標停止位置にて振れが出ないようにする。これ
は、吊荷の動きが一般的に吊索長によって特徴づけられ
るため、第13図に示す速度制御器31とクレーン駆動器32
とにプログラム発生器33を加えた構成となる。すなわ
ち、プログラム発生器33は、吊索長と移動距離によって
目標停止位置で吊荷の振れが止まる加減速パターンを有
し、時間の経過とともにクレーンの速度指令信号から検
出速度信号を減ずる減算器34に出力するようになってい
る。そのプログラム発生器33により出力される代表的パ
ターンは、例えば第14図のようになる。なお、速度制御
器31はプログラム発生器33より出力される速度指令信号
とクレーン速度信号とを比較し、クレーン速度が速度指
令に従うようクレーン駆動器32に対し制御信号を出力す
る。以上の説明から判るように、プログラム制御方式は
荷振れに対して本質的に開ループの制御方式である。

上述した後者のフィードバック制御方式は、第15図に示
される構成となる。すなわち、現在のクレーン位置と目
標停止位置との差を計算し、位置制御器41に入力する。
位置制御器41はクレーンが目標停止位置にくるよう出力
信号を出す。振れ止め制御器42は、吊荷の振れ角が０度
になるよう出力信号を出す。加算器43にて位置制御器41
の出力信号と振れ止め制御器42の出力信号が加算され、
クレーン駆動器44の操作信号とされる。すなわち、吊荷
の位置および振れ角のフィードバック制御となってい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記したプログラム制御方式は、多くの研究によって種
々の方法が発表されているが、本質的に開ループ制御で
あるため、吊荷の特性の把握が不充分な場合や外乱が加
わった場合、目標停止位置での振れ止め精度が悪くなる
欠点がある。すなわち、外乱としては荷を吊上げる時の
初期荷振れや風による外乱、また、船舶搭載のクレーン
の場合には船の傾きによる外乱などが考えられる。さら
に、第16図に示されるデッキクレーンの場合、クレーン
の俯仰角φの変化にともない吊索45の長さが変化するた
め、事前に複雑な計算を必要とする。また、第17図に示
される対向クレーンによる２点吊りの場合、吊荷46の動
きは２本の吊索45a,45bの長さ、吊荷46の重心位置や慣
性モーメントさらには質量などによって変わるため、吊
荷の動きを事前に把握してクレーン速度のパターンを決
定するのは不可能である。したがって、プログラム制御
方式は吊荷やクレーンの作動状況により使用が制限され
る。

これに対してフィードバック制御方式は、振れ角をフィ
ードバックするため、プログラム制御方式に比べ外乱に
強く、また対象が明確でない場合も制御不可能になるこ
とはない。したがって、デッキクレーンや対向２点吊り
クレーンのように吊荷の動きを事前に把握しにくい場合
にフィードバック方式を採用することになるが、位置制
御系と振れ止め制御系が強く干渉しあい、収束が遅くな
るという問題点がある。例えば、位置制御系と振れ止め
制御系とをともに強めておくと、目標位置へ向かって加
速しているときには荷振れが後向きに発生するため、振
れ止め制御によってクレーンが減速されてしまう。ま
た、振れ止め制御の効果を上げるために振れ止め制御を
位置制御より強めておくと、目標停止位置の近傍で減速
しているときに荷振れが前向きに発生し、これを抑える
ためにクレーンが前進して、位置制御の収束性が悪くな
るという性質も存在する。以上より判るように、振れ止
め制御と位置制御とは一方を強めれば他方の制御の収束
性を損なう問題がある。

本発明は上記の問題に鑑みなされたもので、その目的
は、フィードバック制御方式において振れ止め制御と位
置制御をともに働かせながらも、相互の干渉を減らすこ
とにより、目標位置へ移動させる間の荷振れの抑制と到
達時間の短縮を図ることができるようにしたクレーンの
位置および振れ止め制御方法を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の特徴とするところは、以下の通りである。第１
の発明にあっては、吊荷の位置制御と振れ止め制御をフ
ィードバック制御方式により行なうロープ懸垂式クレー
ンの制御方法において、 検出された振れ角θと振れ角の微分値を含む評価関数Ip
を演算し、 その評価値Ipcが設定値Ipoより大きくなると、振れ止め
制御ゲインKfを増大させると共に位置制御ゲインKiを減
少させ、 前記評価値Ipcが設定値Ipoに向けて小さくなると、位置
制御ゲインKiを増大させると共に振れ止め制御ゲインKf
を減少させるようにしたことである。

第２の発明にあっては、吊荷が移動を開始しその目標停
止位置までの距離が所定距離Lo以内になるまでは、振れ
止め制御ゲインKfを小さく設定しておくと共に位置制御
ゲインKiを大きく設定しておき、 吊荷が前記所定距離Loに到達するまでの間に、吊荷の振
れ角θを検出すると共にその振れ角θと振れ角の微分値
を含む評価関数Ipを演算し、その評価値Ipcが設定値Ipo
より大きくなると、振れ止め制御ゲインKfを増大させる
と共に位置制御ゲインKiを減少させ、評価値Ipcが設定
値Ipoに向けて小さくなると、位置制御ゲインKiを増大
させると共に振れ止め制御ゲインKfを減少させ、 吊荷が前記所定距離Lo以内に入り目標停止位置に近づい
たとき、振れ止め制御ゲインKfを大きく設定しておくと
共に位置制御ゲインKiを小さく設定しておき、振れ角評
価値Ipcにより位置制御ゲインKiと振れ止め制御ゲインK
fとを増減させるようにしたことである。

〔発明の効果〕

第１の発明にあっては、評価値が設定値より大きくなる
と振れ止め制御ゲインを増大させ、評価値が小さくなる
と位置制御ゲインを増大させるようにしたので、吊荷の
振れ幅が小さい時には位置制御を優先させ、振れ幅が大
きい時には振れ止め制御を優先させることができる。そ
れによって、振れ止め制御と位置制御との干渉を減ら
し、目標停止位置に至る間までの荷振れ抑制と到達時間
の短縮を図ることができる。

第２の発明にあっては、第１の発明の構成に加えて、吊
荷が目標停止位置の手前の所定距離に到達するまでは、
位置制御ゲインを大きく設定しておき、吊荷が所定距離
以内に入ったとき振れ止め制御ゲインを大きく設定する
ようにしたので、吊荷が所定距離に到達するまでは移動
が速められ、目標停止位置近傍においては荷振れの抑制
が優先される。したがって、目標停止位置近傍までは吊
荷が迅速に移動し、目標停止位置の近傍においては吊荷
を確実にしかも短い時間で降ろすことができる。

〔実 施 例〕 以下に本発明を実施例をもとに詳細に説明する。第１図
は本発明の実施例の構成ブロック図で、吊荷の位置制御
と振れ止め制御をフィードバック制御方式により行な
う。吊荷を移動させるためのクレーンの旋回、俯仰また
は走行などと吊索の巻上げ巻下げなどを行なうための駆
動装置の作動を指令するクレーン駆動器１と、位置制御
器２と振れ止め制御器３と加算器４とが設けられてお
り、さらに、振れ角評価計算器５と可変ゲイン計算器６
が設置されている。これは、振れ角評価計算器５で吊荷
の振れ角θをもとにその振れ角と振れ角の微分値を含む
評価関数を演算し、可変ゲイン計算器６においてその評
価値に見合った制御ゲインを決定するようになってい
る。なお、位置制御器２と振れ止め制御器３には、クレ
ーン位置検出器７や振れ角検出器８からの信号が所望値
となるように通常の比例積分微分制御（PID制御）や比
例微分制御（PD制御）などが採用されている。

本発明の思想を簡単に述べると、吊荷の振れ角θの評価
関数を導入し、その評価値が高いすなわち振れ幅が大き
い時には振れ止め制御のゲインを大きくする一方、位置
制御のゲインを小さくすることによって、振れ止めを優
先して行なわせる。逆に、評価値が低いすなわち振れ幅
が小さい時には、振れ止め制御のゲインを小さくして、
位置制御のゲインを大きくすることにより、位置制御を
優先させるようにしたものである。それによって、振れ
止め制御と位置制御との干渉を減らし、目標停止位置に
至る間までの荷振れ抑制と到達時間の短縮を図るため
に、優先させるべき制御を増強するようにしているので
ある。

ここで、振れ角θの評価関数について説明する。一般に
荷振れの微分方程式は次式で表わされる。

θ：吊荷の振れ角、v:クレーン速度 l:吊索長、g:重力加速度 これに対し、振れ止め制御として理想的に次式でフィー
ドバックを行なったとする。

なお、Kf:比例ゲイン T_D:微分時定数θの微分方程式は
次式となる。

この時、θの振動解の解析解は、以下の式で表される。

C₁,C₂:初期値によって決まる定数 ここで、評価関数Ipとして次式を考える。

（４）式を（５）式に代入すると、 A:定数 となる。したがって、Ipは時間に関して単調減少関数と
なり、その値は（４）式からも明らかなようにθの振幅
に対応する係数 の２乗に比例している。

すなわち、荷振れ評価関数Ipとして（５）式を採用する
ならば、このIpはその時刻での荷振れ角の振幅の２乗を
表わしている。したがって、このIpによって荷振れ角の
大小を判断することが可能となる。その結果、この評価
関数値を利用して各制御系のゲインを決定すればよい。

なお、振れ角の評価関数として、例えば、 Ip＝θ^２ ……（７） も考えられる。この評価関数は極めて単純な構成であ
り、振れ角θが小さくなった時に評価値も小さくなる。
しかし、荷振れが停止し振れ角が０度で安定している状
態と、振動を継続中に一時的に振れ角が０度となる状態
とを判別することは不可能である。したがって、この評
価関数によって振れ止め制御・位置制御のゲインを変え
ると、次の問題点が発生する。すなわち、吊荷の振動中
一時的に振れ角が０度となったとき、評価値が減少する
ため、位置制御のゲインが上って、位置制御を優先させ
る状態となるが、吊荷の現在の振れ方向と目標位置方向
とが逆であると、位置制御によって振れ角が増幅されて
しまう。しかし、評価関数が（５）式の場合、ある時刻
での荷振れ角が０度であっても振動中である限りは振れ
角θの微分値が０でない値を持っているため、評価関数
は振動が停止しないかぎり０とならない。したがって、
（５）式の評価関数を採用すると、（７）式の評価関数
を採用した時生じるような問題は起こらない。

再び、構成の説明に戻る。振れ角評価計算器５は第２図
に示す通りであり、振れ角検出器８〔第１図参照〕で検
出された振れ角θと振れ角の微分値ｄθ/dtを含む評価
関数Ipを計算する。その回路には擬似微分器９があり、
振れ角θの微分信号ｄθ/dtを出力する。乗算器10,11,1
2が設けられていて、 を計算している。

定数乗算器13,14,15で使用する定数は、（５）式からも
明らかなように吊索長や振れ止め制御系のゲインに応じ
て変えるべきであるが、定数ka,kb,kcのまま使用しても
実用上全く問題のないことが本発明者らの研究により確
認されている。

加算器16で加算された上述の評価関数Ipの評価値Ipc
が、予め設定されている設定値Ipoより大きくなると、
可変ゲイン計算器６は第３図（ａ）の実線矢印Ｍのよう
に振れ止め制御ゲインKfを増大させると共に、第３図
（ｂ）の実線矢印Ｎのように位置制御ゲインKiを減少さ
せる。もちろん、評価値Ipcが大きくなっている状態か
ら設定値Ipoに向けて小さくなると、破線矢印Ｑのよう
に位置制御ゲインKiを増大させると共に、破線矢印Ｒの
ように振れ止め制御ゲインKfを減少させる。その構成は
第４図に示すようなもので、振れ止め制御ゲイン増減器
17および位置制御ゲイン増減器18を有する。すなわち、
両増減器17,18によって振れ角が小さい時は位置制御を
中心に、振れ角が大きい時は振れ止め制御を中心にクレ
ーンを作動制御することが可能となり、振れ止めと位置
制御の協働状態において他方の制御の収束性を損なうよ
うなことが回避されるのである。

以上述べたような構成からなる制御装置を備えたクレー
ンの作動を、第５図に示すフローチャートを参照しなが
ら説明する。まず、クレーンが動き始めると、機械的ま
たは光学的さらには電磁的な方法により、吊荷の振れ角
θが時々刻々検出され〔ステップ１、以下S1などと記
す〕、それが振れ角評価計算器５に入力される。その振
れ角θと検出中の時間経過から振れ角θの微分値ｄθ/d
tが演算され〔S2〕、評価関数Ipの評価値Ipcが算出され
る〔S3〕。その評価値Ipcが設定値Ipoより大きければ
〔S4〕、振れ止め制御ゲイン増減器17により振れ止め制
御ゲインKfを例えば評価値Ipcの増加に比例して増大さ
せる一方、位置制御ゲイン増減器18により位置制御ゲイ
ンKiを評価値Ipcの増加に比例して減少させる〔S5〕。
その結果、振れ角θが大きくなっていた吊荷の振れ止め
制御が、吊荷の目標停止位置への移動制御よりも優先し
て行なわれる。なお、評価値Ipcが設定値Ipoより小さい
間は、当初から設定されているKfo,Kio〔第３図
（ａ），（ｂ）参照〕が採用される〔S6〕。

第６図（ａ），（ｂ）は本発明に基づく方法と従来の方
法による制御効果の比較を示す。本発明による方法が実
線であり、振れ角θが大きい時に振れ止め制御を位置制
御より優先させていることが確認できる。従来の方法
は、位置と振れを同時に制御しようとして互いに干渉
し、破線のように収束が遅くなっている。第７図は上か
らみた時の吊荷の軌跡を示し、（ａ）は本発明に基づく
もので（ｂ）は従来の方法によるものである。この例
は、２台のｘ−ｙ方向に自由に動くクレーンにて１つの
長尺な吊荷を扱った場合であり、矢印Ｕ方向の初期荷振
れを持った状態から目標停止位置A,Bで吊荷を停止させ
る場合である。なお、実線が吊荷端部の軌跡を表わし、
破線が一定時間間隔での吊荷の姿勢を表わしている。ち
なみに、前記した第６図（ｂ）は第７図（ａ），（ｂ）
における左側クレーンの図の上下方向について時系列で
表したものである。第７図（ａ），（ｂ）から明らかな
ように本発明の制御によれば、半分以下の時間で良好に
制御されていることが判る。したがって、本発明によれ
ば、フィードバック制御方式において振れ止め制御と位
置制御とをともに働かせながらも、相互の干渉を減ら
し、目標位置への到達および停止させるまでの荷振れの
抑制と到達時間の短縮を図ることができる。

第８図は異なる発明における可変ゲイン計算器のブロッ
ク図で、第９図（ａ），（ｂ）で示すように、クレーン
が目標位置に向かって移動している途中と目標位置近傍
に到達した時とで、対応する振れ止め制御ゲインKfと位
置制御ゲインKiとを変えるようにしたものである。これ
によって、振れ止め制御を目標位置近傍で特に集中的に
作用させることが可能となる。そのために、吊荷が移動
を開始し目標停止位置までの距離が所定距離Lo以内にな
るか否かにより、振れ止め制御ゲインKfを変更する振れ
止め制御ゲイン変更器19と、位置制御ゲインKiを変更す
る位置制御ゲイン変更器20とが設けられている。そし
て、吊荷の目標停止位置までの距離が前記所定距離Loに
到達するまでの間に、吊荷の振れ角と振れ角の微分値を
含む評価関数Ipを演算し、その評価値Ipcが設定値Ipoよ
り大きくなると、第10図（ａ），（ｂ）のように、振れ
止め制御ゲインKfを増大させる振れ止め制御ゲイン増大
量決定器21と、位置制御ゲインKiを減少させる位置制御
ゲイン減少量決定器22とがある。上述の振れ止め制御ゲ
イン変更器19と位置制御ゲイン変更器20との後には、加
算器23と減算器24が介在され、各制御ゲインKi,Kfを第1
1図（ａ），（ｂ）のように変えることができる。その
結果、クレーンが目標停止位置から大きく離れている
時、振れ止め制御ゲインが小さく位置制御ゲインが大き
い状態にあるが、そのようなときでも必要に応じて振れ
止め制御が増強され、クレーンの移動を早めることによ
る弊害を抑えて吊荷の姿勢を修正することができる。

このような構成の制御装置による作動を、第12図に示す
フローチャートを参照しながら説明する。吊荷を吊り上
げクレーンが移動を開始する。クレーンの移動距離がク
レーン位置検出器で時々刻々検出され〔S21〕、可変ゲ
イン計算器に入力される。その目標停止位置までの検出
距離Lrが予め設定されている距離、例えば目標停止位置
まであと10％の距離を残す地点Loにまで到達していなけ
れば、〔S22〕、振れ止め制御ゲインがKfoなる小さい値
に設定されると共に、位置制御ゲインがKioなる大きい
値〔第９図（ａ），（ｂ）参照〕に設定される〔S2
3〕。そして、吊荷が前記所定距離Loに到達するまでの
間、吊荷の振れ角θが検出され〔S24〕、その振れ角θ
と振れ角の微分値を含む評価関数Ipが演算される〔S2
5〕。その評価値Ipcが設定値Ipoより大きくなると〔S2
6〕、振れ止め制御ゲインKfが振れ止め制御ゲイン増大
量決定器21で演算されたΔKfだけ増量される一方、位置
制御ゲインKiが位置制御ゲイン減少量決定器22で演算さ
れたΔKiだけ減量される〔S27〕。その結果、吊荷が所
定距離Loに到達するまでは、主として移動速度を大きく
する制御がなされ、その間に修正を必要とするほど大き
い振れ角が出たときのみそれに対応した振れ止め制御が
行なわれる。

クレーンが移動を続けて目標停止位置の所定距離Lo以内
に入ると〔S22〕、振れ止め制御ゲインが目標停止位置
までの距離にしたがい順次大きい値に設定されると共
に、位置制御ゲインが逆に順次小さい値〔第９図
（ａ），（ｂ）参照〕に設定される〔S28〕。その結
果、残存距離における移動速度は低下するが、荷振れが
抑制されるので、目標停止位置へ吊荷を降ろすのが正確
に行なわれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明におけるフィードバック制御の構成ブロ
ック図、第２図は振れ角評価計算器のブロック図、第３
図（ａ），（ｂ）は評価値に対する振れ止め制御ゲイン
と位置制御ゲインの増減図、第４図は可変ゲイン計算器
のブロック図、第５図は制御ゲイン増減のフローチャー
ト、第６図（ａ），（ｂ）は振れ角と吊荷位置の収束性
を従来のフィードバック制御と比較したタイムチャー
ト、第７図（ａ）および（ｂ）は２基のクレーンによる
２点吊りの場合に、本発明および従来のフィードバック
制御を適用した位置制御の収束状況説明図、第８図は異
なる発明における可変ゲイン計算器のブロック図、第９
図（ａ），（ｂ）は吊荷の移動距離による制御ゲインの
変更図、第10図（ａ），（ｂ）は荷振れがあった場合の
制御ゲインの増大量または減少量決定図、第11図
（ａ），（ｂ）は評価値に対する振れ止め制御ゲインと
位置制御ゲインの増減図、第12図はフローチャート、第
13図は従来技術におけるプログラム制御方式のブロック
図、第14図はプログラム制御方式におけるプログラム発
生器からのクレーン速度の出力を示すタイムチャート、
第15図は従来技術におけるフィードバック制御方式のブ
ロック図、第16図はデッキクレーンの概略図、第17図は
対向２点吊りデッキクレーンの概略図である。 θ……振れ角、Ip……評価関数、Ipc……評価値、Ipo…
…設定値、Kf……振れ止め制御ゲイン、Ki……位置制御
ゲイン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小森谷 陽一 兵庫県神戸市西区櫨谷町松本234番地 川 崎重工業株式会社西神戸工場内 (56)参考文献 特開 昭60−44489（ＪＰ，Ａ) 特公 昭61−17979（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】吊荷の位置制御と振れ止め制御をフィード
   バック制御方式により行なうロープ懸垂式クレーンの制
   御方法において、 検出された振れ角と振れ角の微分値を含む評価関数を演
   算し、 その評価値が設定値より大きくなると、振れ止め制御ゲ
   インを増大させると共に位置制御ゲインを減少させ、 前記評価値が設定値に向けて小さくなると、位置制御ゲ
   インを増大させると共に振れ止め制御ゲインを減少させ
   るようにしたことを特徴とするクレーンの制御方法。
2. 【請求項２】吊荷の位置制御と振れ止め制御をフィード
   バック制御方式により行なうロープ懸垂式クレーンの制
   御方法において、 吊荷が移動を開始しその目標停止位置までの距離が所定
   距離以内になるまるでは、振れ止め制御ゲインを小さく
   設定しておくと共に位置制御ゲインを大きく設定してお
   き、 吊荷が前記所定距離に到達するまでの間に、吊荷の振れ
   角を検出すると共にその振れ角と振れ角の微分値を含む
   評価関数を演算し、その評価値が設定値より大きくなる
   と、振れ止め制御ゲインを増大させると共に位置制御ゲ
   インを減少させ、評価値が設定値に向けて小さくなる
   と、位置制御ゲインを増大させると共に振れ止め制御ゲ
   インを減少させ、 吊荷が前記所定距離以内に入り目標停止位置に近づいた
   とき、振れ止め制御ゲインを大きく設定しておくと共に
   位置制御ゲインを小さく設定しておき、振れ角評価値に
   より位置制御ゲインと振れ止め制御ゲインとを増減させ
   るようにしたことを特徴とするクレーンの制御方法。