DE102015100669A1

DE102015100669A1 - Anti-pendel-steuerverfahren mit einstellbarer unterstützung für den transport einer schwebenden last

Info

Publication number: DE102015100669A1
Application number: DE102015100669.3A
Authority: DE
Inventors: Xavier Claeys
Original assignee: Manitowoc Crane Group France SAS
Current assignee: Manitowoc Crane Group France SAS
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2035-01-20
Also published as: FR3016872A1; CN104817016B; FR3016872B1; CN104817016A; DE102015100669B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Bewegung einer schwebenden Last an einem Anschlagpunkt eines Hebezeugs vom Typ Turmkran, wobei der Anschlagpunkt konzipiert ist, um sich mittels Gierbewegung um eine erste vertikale Achse (ZZ') und/oder gemäß einer Vorschubbewegung (T) entlang einer zweiten Achse (XX'), die die besagte Orientierungsachse (ZZ') schneidet, zu bewegen, wobei das Verfahren einen Schritt zur Erfassung eines Geschwindigkeitssollwerts (Vi), dann einen Schritt zum Filtern des Geschwindigkeitssollwerts durch ein virtuelles Modell (Ẋ = AX + BU), das einen Zustandsvektor (X) verwendet, der eine Winkelkomponente eines Pendelns der schwebenden Last und eine Komponente einer Pendelwinkelgeschwindigkeit aufweist, und auf das eine Zustandsregelung (Ui = ki0·Vi – Ki·X) angewandt wird, deren Korrekturverstärkungen (ki1, ki2) in Abhängigkeit von einem selben Typisierungsparameter (Tc) zum Ausdruck gebracht werden, der vom Bediener des Hebezeugs frei eingestellt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den allgemeinen Bereich der Hebezeuge, in der Art von Turmkränen, einen beweglichen Anschlagpunkt in der Art eines Wagens umfassend, an den man eine zu bewegende Last aufhängen kann, sowie auf die Unterstützungsverfahren zur Steuerung solcher Hebezeuge.
Es ist bereits bekannt, ein Steuerverfahren vorzusehen, welches darauf abzielt, die Amplitude der Pendelschwingungen oder das „Pendeln” zu kontrollieren und insbesondere einzuschränken, denen die schwebende Last bei einer Bewegung des Kranwagens ausgesetzt ist, um die Genauigkeit und die Sicherheit der Transportvorgänge der besagten Last zu verbessern.
Zu diesem Zweck ist es im Besonderen, zum Beispiel durch das Dokument FR-2 704 847 bekannt, zuerst einen Positionssollwert für den Wagen auszuarbeiten, indem man den besagten Sollwert durch einen „Loch”-Filter mit Frequenzabstellung filtert, der dazu bestimmt ist, von dem besagten Sollwert jene Frequenzen zu eliminieren, die geeignet sind, einen Schwingungsmodus der Last anzustoßen, und diesen Sollwert danach auf den besagten Wagen anzuwenden, und das Pendeln danach durch ein Ansteuern in einem geschlossenen Regelkreis zu bekämpfen, in dem man die Istwerte für die Position und die Geschwindigkeit des Wagens ebenso misst, wie den Pendelwinkel der Last, und man danach eine Korrektur des Sollwerts generiert, die die festgestellte Abweichung zwischen dem reellen Verhalten des Wagens und dem angewandten Sollwert berücksichtigt.
Auch wenn es ein solches System tatsächlich ermöglicht, das Pendeln einzudämmen, so kann es dennoch bestimmte Nachteile aufweisen.
Zunächst reicht die einfache Filterung des Sollwerts durch einen „Loch”-Filter, die bestimmte Resonanzphänomene vermeidet, im Allgemeinen nicht aus, um das Auftreten von Pendelschwingungen zu verhindern, die somit durch eine ergänzende Ansteuerung in einem geschlossenen Regelkreis zu bekämpfen sind.
Eine solche Ansteuerung in einem geschlossenen Regelkreis setzt jedoch die Anwendung zahlreicher Sensoren voraus, die beispielsweise dazu bestimmt sind, den reellen Pendelwinkel zu messen, wodurch sich die Komplexität, und somit auch die Kosten, sowie die Gefahr einer Störung des Steuersystems, und im Allgemeinen des Hebezeugs erhöht, das mit einem solchen Steursystem ausgestattet ist.
Darüber hinaus tendieren die Komplexität des von diesem Steuersystem verwendeten Modells, sowie die Menge der zu messenden und zu verarbeitenden Daten dazu, relativ große und kostspielige Mengen an Ressourcen in Bezug auf Berechnungsleistung, Speicher und Energie zu mobilisieren.
Außerdem kann die dem Bediener des Hebezeugs (Kranführer) angebotene und sogar auferlegte Unterstützung dazu tendieren, die Reaktionen des Hebezeugs auf die Vorgaben des Kranführers übertrieben abzufedern, und so das intuitive Empfinden des Verhaltens der Maschine, das der besagte Kranführer haben kann, zu verfälschen, und es vermittelt letzterem vor allem den unangenehmen Eindruck, dass es der Maschine an Reaktion fehlt und diese die Vorgaben nicht pflichtgetreu erfüllt.
Die der Erfindung zugeordneten Ziele streben deshalb danach, die oben genannten Nachteile zu beheben, und ein neues Steuerverfahren zum Bewegen einer schwebenden Last vorzuschlagen, mit dem eine effiziente Beherrschung des Pendelns gewährleistet wird, das einfach und kostengünstig umgesetzt werden kann, und das ein getreues Empfinden für eine reaktive und relativ intuitive Steuerung vermittelt.
Die der Erfindung zugeordneten Ziele erreicht man durch ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung einer schwebenden Last an einem Anschlagpunkt eines Hebezeugs, wobei der besagte Anschlagpunkt konzipiert ist, um sich mittels Gierbewegung um eine erste vertikale Achse (ZZ'), die „Orientierungsachse” genannt wird, und/oder mittels Vorschubbewegung entlang einer zweiten Achse (XX'), die „Verteilungsachse” genannt wird, und die besagte vertikale Achse (ZZ') schneidet, zu bewegen, wobei die Bewegung der schwebenden Last durch einen Steuerungssollwert gesteuert wird, der eine Größe betrifft, die verfahrenstypisch eine kinematische Größe ist, die für die Bewegung der besagten Last charakteristisch ist, und „angesteuerte Größe” genannt wird, wie die Rotationsgeschwindigkeit, und/oder beziehungsweise die Vorschubgeschwindigkeit des Anschlagpunktes, wobei das besagte Verfahren folgendes umfasst:
einen Schritt (a) zur Erfassung des Sollwerts, im Laufe deren man in Echtzeit einen Steuersollwert erfasst, der „Brutto-Steuersollwert” V_i genannt wird, und der dem angesteuerten Wert entspricht, den der Bediener des Hebezeugs zum angenommenen Zeitpunkt anpeilt,
danach den Schritt (b) zum Filtern des Sollwerts, im Laufe dessen:

– man das Pendelverhalten der schwebenden Last gemäß der durch ein virtuelles Modell Ẋ = AX + BU angenommenen Bewegung modelliert, welches einen Zustandsvektor X verwendet, der zumindest eine „Hauptkomponente” genannte Komponente umfasst, die der angesteuerten Größe entspricht, und andere Komponenten, die „Zusatzkomponenten” genannt werden, und repräsentativ für die charakteristischen kinematischen Größen für die Pendelbewegung der schwebenden Last sind, wie der Pendelwinkel oder die Pendel-Winkelgeschwindigkeit gemäß der angenommenen Bewegung,
– man wendet auf das besagte virtuelle Modell Ẋ = AX + BU eine Zustandsregelung U_i = k_i0·V_i – K_i·X an, die über ein Sollwertglied k_i0·V_i hinaus, das repräsentativ für den Brutto-Steuersollwert ist, der im Erfassungsschritt erfasst worden ist, ein Korrekturglied K_i·X umfasst, das dem Produkt eines Korrekturvektors K_i mal dem Zustandsvektor X entspricht, unter Verwendung eines Korrekturvektors K_i, bei dem zumindest bestimmte Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2, die den Zusatzkomponenten zugeordnet sind, in Abhängigkeit von einem selben vorbestimmten Typisierungsparameter Tc ausgedrückt werden, wobei der besagte Typisierungsparameter Tc vom Bediener des Hebezeugs frei eingestellt werden kann, um die besagten Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2 einstellen zu können,
– und man extrahiert aus dem virtuellen Modell einen Steuersollwert, der „gefilterter Steuersollwert” genannt wird, der der Hauptkomponente des Zustandsvektors X entspricht.

Die der Erfindung zugeordneten Ziele werden insbesondere durch ein Verfahren zum Steuern der Bewegung einer schwebenden Last an einem Anschlagpunkt eines Hebezeugs erreicht, wobei der besagte Anschlagpunkt konzipiert ist, um sich mittels Gierbewegung um eine erste vertikale Achse (ZZ'), die „Orientierungsachse” genannt wird, und/oder gemäß einer Vorschubbewegung entlang einer zweiten Achse (XX'), die „Verteilungsachse” genannt wird, und die besagte vertikale Achse (ZZ') schneidet, zu bewegen, wobei das besagte Verfahren folgendes umfasst:
einen Schritt (a) zur Erfassung des Sollwertes, im Laufe deren man in Echtzeit einen Geschwindigkeitssollwert V_i erfasst, der repräsentativ für die Rotationsgeschwindigkeit ist, oder beziehungsweise der Vorschubgeschwindigkeit, die der Bediener des Hebezeugs dem Anschlagpunkt zum angenommenen Zeitpunkt übermitteln möchte,
danach den Schritt (b) zum Filtern des Sollwerts, im Laufe dessen:

– man das Pendelverhalten der schwebenden Last gemäß der durch ein virtuelles Modell Ẋ = AX + BU angenommenen Bewegung modelliert, welches einen Zustandsvektor X verwendet, der zumindest eine Komponente der momentanen Geschwindigkeit umfasst, die repräsentativ für die momentane Geschwindigkeit des Anschlagpunktes gemäß der angenommenen Bewegung ist, eine Komponente des Pendelwinkels, die repräsentativ für den Pendelwinkel der schwebenden Last gemäß der angenommenen Bewegung ist, und eine Komponente der Pendelwinkelgeschwindigkeit, die repräsentativ für die Pendelwinkelgeschwindigkeit gemäß der angenommenen Bewegung ist,
– man wendet auf das besagte virtuelle Modell Ẋ = AX + BU eine Zustandsregelung U_i = k_i0·V_i – K_i·X an, die über das Sollwertglied k_i0·V_i hinaus, das repräsentativ für den Geschwindigkeitssollwert V_i ist, der im Erfassungsschritt erfasst wurde, ein Korrekturglied K_i·X umfasst, das dem Produkt eines Korrekturvektors K_i mal dem Zustandsvektor X entspricht, unter Verwendung eines Korrekturvektors K_i, bei dem die Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2, die jeweils der Komponente der Pendelwinkelgeschwindigkeit und der Komponente des Pendelwinkels des Zustandsvektors X zugeordnet werden, in Abhängigkeit von einem selben vorbestimmten Typisierungsparameter Tc ausgedrückt werden, wobei der besagte Typisierungsparameter Tc vom Bediener des Hebezeugs frei eingestellt werden kann, um die besagten Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2 einstellen zu können,
– und man extrahiert aus dem virtuellen Modell einen gefilterten Geschwindigkeitssollwert, der der Komponente der momentanen Geschwindigkeit des Zustandsvektors X entspricht.

Vorzugsweise ermöglicht es die Erfindung dem Bediener des Hebezeugs somit, unter einer Auswahl von vorbestimmten Werten, oder aus einem Bereich möglicher zuvor festgelegter Werte einen Typisierungsparameter Tc (Typisierungskoeffizienten) frei auszuwählen, der es ihm ermöglicht, die Filterung zu charakterisieren, die auf seine Geschwindigkeitssollwerte angewandt werden wird, und genauer gesagt, das Verhalten des angesteuerten Systems einzustellen, indem er den Kompromiss zwischen Reaktionszeit (Reaktivität) und Stabilität (Dämpfung) definiert, der ihm am besten passt.
Denn in der Praxis erlaubt es diese ganz besonders einfache und rasche Einstellmöglichkeit zur Filterung des Geschwindigkeitssollwerts, die vorzugsweise dieselbe für die verschiedenen Korrekturverstärkungen ist, auf die man einen selben Typisierungsparameter anwendet, tatsächlich mit nur einer einzigen Einstellung eine Platzierung der Pole (Komplexe) der Zustandsregelung vorzunehmen.
Selbstverständlich kann eine solche Möglichkeit zum Ändern der Einstellung des Sollwertfilters auch dazu verwendet werden, um sowohl die persönliche Einstellung von einem Bediener zum anderen, beispielsweise zwischen einem erfahrenen Kranführer, der eine reaktive und kaum gedämpfte Steuerung bevorzugt, und einem Kranführer mit weniger Erfahrung zu ändern, der einen gedämpften und sicheren, aber in der Reaktion langsameren Betrieb vorzieht, als auch, um das Verhalten des Hebezeugs den jeweiligen Arbeitsbedingungen auf der Baustelle anzupassen, zum Beispiel je nach Platzbedarf, Gebrechlichkeit oder Gewicht der Last, die es zu bewegen gilt, oder aber je nach Witterungsbedingungen, und vor allem Windstärke, die zum angenommenen Zeitpunkt am Standort vorherrschen.
Vorzugsweise ermöglicht die Verwendung eines virtuellen Pendelmodells, gepaart mit einer Zustandsregelung die rasche und relativ präzise Simulierung des virtuellen Verhaltens der Last als Reaktion auf die besagte Steuerung, jedoch mit relativ bescheidenen eingebauten Rechenvorrichtungen, und somit die Bestimmung einer Steuerung, die eine gute Stabilität der Last, mit einer minimierten Pendelbewegung, mit einer relativ raschen Übereinstimmung des gefilterten Geschwindigkeitssollwerts und des Geschwindigkeitssollwerts, der vom Kranführer ausgedrückt wird, in Einklang bringt.
In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass der erfindungsgemäße Filter das Hauptziel verfolgt, das Pendeln auf ein Mindestmaß einzuschränken, indem man ein virtuelles vorausschauendes Modell des Verhaltens des Pendelsystems verwendet, das durch das Hebezeug und seine schwebende Last gebildet wird.
In der Praxis ermöglicht die Verwendung eines solchen virtuellen Modells die theoretische Definition der Steuerbedingungen, hier der Geschwindigkeitsbedingungen, und konkret der Bedingungen der Geschwindigkeitsentwicklungen mit der Zeit, und folglich der Fortbewegungsbedingungen (des Wagens), die dergestalt sind, dass, wenn die besagten Geschwindigkeitsbedingungen auf das reelle System angewandt werden, das Pendeln des besagten reellen Systems gedämpft wird, was bedeutet, dass es innerhalb eines bestimmten Amplitudengrenzwerts verbleibt.
Somit verwandelt die Filterung für jeden vom Kranführer festgelegten „Brutto”-Steuersollwert den besagten „Brutto”-Steuersollwert umgehend in einen gefilterten Steuersollwert, dessen zeitliche Entwicklung der Filter auf Basis des virtuellen Modells angepasst hat, so dass sich einerseits der besagte gefilterte Sollwert soweit entwickeln kann, bis er innerhalb einer Reaktionszeit, die (in Hinblick auf den gewählten Typisierungskoeffizienten) so kurz wie möglich ist, den „Brutto”-Sollwert erreicht, der vom Kranführer gewollt ist, das heißt genauer gesagt, dass die Geschwindigkeit des Wagens zur vom Kranführer gewollten Geschwindigkeit übergeht, und so dass diese Entwicklung zur Übereinstimmung des gefilterten Sollwerts mit dem Brutto-Sollwert andererseits dergestalt erfolgt, dass keine Bedingungen für das Auftreten eines Pendelns geschaffen werden.
In anderen Worten entspricht der Steuersollwert, und genauer gesagt der Geschwindigkeitssollwert, der vom erfindungsgemäßen Verfahren gefiltert wird, vorzugsweise genau dem Steuersollwert, und genauer dem Geschwindigkeitssollwert, der auf das reelle System anzuwenden ist, um mit dem Brutto-Steuersollwert übereinzustimmen, der vom Kranführer gewollt wurde, und um gleichzeitig das Pendeln einzudämmen.
Sobald die Parameter der virtuellen Steuerung bestimmt sind, um gemäß dem gesuchten Kompromiss dem Doppelkriterium der Geschwindigkeit und Stabilität zu genügen, das heißt, sobald die Pole der Transferfunktion des virtuellen Modells im geschlossenen Regelkreis platziert sind, besteht die Möglichkeit, das besagte virtuelle Modell der Zustandsregelung als dynamischen Filter anzuwenden, so dass der tatsächlich vom Kranführer ausgedrückte Brutto-Steuersollwert (Brutto-Geschwindigkeitssollwert) gefiltert wird, und danach den so gefilterten Steuersollwert (Geschwindigkeitssollwert) auf die Wirkglieder des Hebezeugs (normalerweise von Reglern angesteuerte Elektromotoren) anzuwenden.
Vorteilhaft kann die Anwendung des besagten gefilterten Steuersollwerts auf das reelle System selbst in einem offenen Regelkreis ausgeführt werden, ohne dass es nötig wäre, beispielsweise eine Informationsrückmeldung über den reellen Pendelwinkel zu erhalten. Somit können die Struktur des Hebezeugs erleichtert, und der Ansteuer-Algorithmus vereinfacht werden.
Und schließlich ist es bemerkenswert, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine Erfassung und eine Filterung des Steuersollwerts in Echtzeit ermöglicht, wodurch diesem Verfahren eine hohe Reaktionsschnelligkeit verliehen wird, und es in der Lage ist, den gefilterten Steuersollwert umgehend an unvorhergesehene Fluktuationen des Brutto-Steuersollwerts anzupassen, der vom Kranführer ausgedrückt wird, vor allem dann, wenn der Kranführer versucht, einem unvorhergesehenen Hindernis auszuweichen, ein Pendeln von Hand auszugleichen, oder den Auswirkungen einer Windböe entgegenzusteuern.
In anderen Worten ermöglicht es die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltene Ansteuerung dem Hebezeug vorteilhaft, dem vom Kranführer ausgedrückten Sollwert permanent und ohne Auslösen eines ungewollten Pendelns selbst dann zu folgen, wenn sich dieser vom Kranführer ausgedrückte Sollwert jederzeit ändern kann.
Das besagte Steuerverfahren ist somit ganz besonders vielseitig einsetzbar, da es sich einer Vielzahl verschiedener Steuerszenarien anpasst, da es weder von der Bahn abhängt, die von der Last zurückgelegt wird, noch von der Existenz oder Nicht-Existenz von auferlegten Durchlaufstellen, und da es zuverlässig und genau auf die zahlreichen und zufälligen Änderungen des Brutto-Steuersollwerts reagiert, und insbesondere auf die Änderungen des Geschwindigkeitssollwerts, die vom Kranführer vorgegeben werden.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich in detaillierterer Form beim Lesen der folgenden Beschreibung, sowie mithilfe der beigelegten Figuren, die lediglich zu illustrativen und nicht zu einschränkenden Zwecken angeführt sind, wobei:
Die 1 die Parametrisierung eines Modells des Pendelsystems in einer schematischen Darstellung zeigt, dass durch die am Hebezeug schwebende Last gebildet wird.
Die 2 einen erfindungsgemäßen dynamischen Filter in Form eines Blockdiagramms darstellt, der auf einem virtuellen Modell basiert, das einer Zustandsregelung zugeordnet wird.
Die 3 in der komplexen Ebene das Prinzip der Platzierung der Pole eines erfindungsgemäßen Filters durch Einstellen des Typisierungsparameters darstellt.
Die 4 und 5 in zeitorientierten Diagrammen, jeweils für eine Verteilungs- und eine Orientierungsbewegung ein Beispiel eines gefilterten Sollwerts darstellen, den man als Reaktion auf einen Geschwindigkeitssollwert (Brutto-Steuersollwert) in der Art einer Sprungfunktion für einen ersten Typisierungsparameterwert erhält, der einer Betriebseinstellung im „reaktiven” Modus entspricht.
Die 6 und 7 in zeitorientierten Diagrammen, und jeweils für eine Verteilungs- und eine Orientierungsbewegung ein Beispiel eines gefilterten Sollwerts darstellt, den man als Reaktion auf einen Geschwindigkeitssollwert (Brutto-Steuersollwert) in der Art einer Sprungfunktion für einen zweiten Typisierungsparameterwert erhält, der kleiner ist, als jener aus den 4 und 5, und der einer Betriebseinstellung im „gedämpften” Modus entspricht.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerverfahren zur Fortbewegung einer Last 1, die an einem Anschlagpunkt H eines Hebezeugs 2 aufgehängt ist, wobei der besagte Anschlagpunkt H konzipiert ist, um sich mittels Gierbewegung R um eine erste vertikale Achse (ZZ'), die „Orientierungsachse” genannt wird, und/oder mittels Vorschubbewegung T entlang einer zweiten Achse (XX'), die „Verteilungsachse” genannt wird, und die besagte vertikale Achse (ZZ') schneidet, zu bewegen, wie dies in 1 dargestellt ist.
Der Anschlagpunkt H wird vorzugsweise durch einen Wagen gebildet, der entlang einer Verteilungsachse (XX') in Vorschubrichtung geführt wird, wobei der besagte Wagen von jeder geeigneten motorisierten Vorrichtung angetrieben werden kann.
Die Last 1 wird mittels einer Hängevorrichtung 3, wie einem Trageseil auf dem Anschlagpunkt H aufgehängt, und wie folgt mit einem solchen Seil in Verbindung gebracht.
Vorzugsweise kann man die Länge L des Tragseils 3 variieren, um den Abstand der schwebenden Last 1 zum Anschlagpunkt H verändern zu können, und um die Hubhöhe der schwebenden Last 1 im Verhältnis zum Boden (durch das Anheben der Last 1 durch ein Verkürzen der Länge L oder Ablassen der besagten Last 1 durch ein Vergrößern der Länge L) gemäß einer dritten und „Hubbewegung” genannten Bewegung variieren zu können.
Das Hebezeug 2 kann vor allem einen Turmkran bilden, dessen Mast 4 die Orientierungsachse (ZZ') bildet, und dessen Ausleger 5 die Verteilungsachse (XX') bildet.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird in weiterer Folge von einer solchen Konfiguration eines Turmkrans ausgegangen, wobei es jedoch selbstverständlich ist, dass es ebenso denkbar ist, das Erfindungsprinzip auf andere Hebezeuge anzuwenden, und vor allem auf fahrbare Kräne oder auf Kräne mit Wippauslegern, einfach durch die jeweilige Anpassung des Modells.
Man erkennt O die Überschneidung der Verteilungsachse (XX') und der Ausrichtachse (ZZ').
Die Verteilungsachse (XX'), die im Übrigen auch durch den Anschlagpunkt H verläuft, verläuft vorzugsweise in etwa waagrecht, und wird zur Vereinfachung der Beschreibung, wie im Folgenden beschrieben, als solche angenommen.
Zur Vereinfachung der Beschreibung, und vor allem in Bezug auf 1, werden darüber hinaus die folgenden Bezeichnungen und Übereinkünfte angenommen:

m [kg]: ist die Masse der schwebenden Last 1,
M [kg]: ist die Masse des Anschlagpunktes H und genauer des Wagens, der den besagten Anschlagpunkt bildet,
lγ [kg·m²]: ist das Trägheitsmoment des Hebezeugs 2, welches den Anschlagpunkt H trägt, im Verhältnis zur Orientierungsachse (ZZ'),
γ [rad]: ist die Winkelstellung des Anschlagpunkts H um die Orientierungsachse (ZZ'),
x [m]: ist der Abstand vom Anschlagpunkt H zur Orientierungsachse (ZZ'), vorzugsweise gleich der Länge des Segments [OH],
L [m]: ist die Länge des Tragseils 3, das die schwebende Last 1 mit dem Anschlagpunkt H verbindet,
Φ [rad]: ist die radiale Komponente des Pendelwinkels der schwebenden Last 1 in der vertikalen Ebene, die Verteilungsachse (XX') umfassend,
θ [rad]: ist die orthoradiale Komponente des Pendelwinkels der schwebenden Last 1 in der vertikalen Ebene tangential zur Rotationsbewegung des Anschlagpunkts H, das heißt in der Ebene, die senkrecht zur vorherigen verläuft, und vorzugsweise normal zur Verteilungsachse (XX') liegt,
Tγ [N·m]: ist das Motormoment, das angelegt wird, um den Anschlagpunkt H in Rotation um die Orientierungsachse (ZZ') zu versetzen,
Fx [N]: ist die Kraft, die auf den Anschlagpunkt H ausgeübt wird, um diesen entlang der Verteilungsachse (XX') voranzubringen,

Es wird festgestellt, dass der verwendete Bezugspunkt der Projektion zur Definition der „radialen” und „orthoradialen” Komponenten des Pendelns (Pendelbewegung der Last), und/oder jener für die Bewegung des Anschlagpunkts H hier vorzugsweise dem Frénet-Bezugspunkt entspricht, der am besagten Anschlagpunkt H aufgehängt ist, und dessen normaler (oder „radialer”) Vektor vorzugsweise zu jeder Zeit durch die Verteilungsachse (XX') getragen wird.
In an sich bekannter Weise kann die Bewegung der schwebenden Last 1 vorzugsweise durch einen Steuersollwert gesteuert werden, der sich auf eine Größe bezieht, die „angesteuerte Größe” genannt wird, und die charakteristisch für die Bewegung der besagten Last 1 ist, und die vorzugsweise eine kinematische Größe (in der Art einer Geschwindigkeit oder Beschleunigung) ist.
Diese angesteuerte Größe kann beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit V_o und/oder beziehungsweise die Vorschubgeschwindigkeit V_d des Anschlagpunkts H sein.
Erfindungsgemäß umfasst das Steuerverfahren einen Schritt (a) zur Erfassung des Sollwerts, im Laufe dessen man in Echtzeit einen Steuersollwert erfasst, der „Brutto-Steuersollwert” V_i genannt wird, der dem Wert der angesteuerten Größe entspricht, die der Bediener des Hebezeugs 2 zum angenommenen Zeitpunkt t anstrebt.
Der Brutto-Steuersollwert V_i reflektiert somit das Verhalten (normalerweise die Fahrgeschwindigkeit), die der besagte Kranführer dem Anschlagpunkt (Wagen) zum angenommenen Zeitpunkt übertragen will.
Genauer gesagt kann das besagte Verfahren einen Schritt (a) zur Erfassung eines Sollwerts umfassen, im Laufe dessen man in Echtzeit einen Wert für den Geschwindigkeitssollwert V_i (das heißt einen Steuersollwert, der in Form eines Geschwindigkeitssollwerts V_i ausgedrückt wird) erfasst, der repräsentativ für die Rotationsgeschwindigkeit V_o und/oder beziehungsweise für die Vorschubgeschwindigkeit V_d ist, die der Bediener des Hebezeugs 2 dem Anschlagpunkt zum angenommenen Zeitpunkt t übertragen will.
In weiterer Folge wird vorzugsweise und zur einfacheren Beschreibung angenommen, dass die Steuerung über die Geschwindigkeit des Anschlagpunkts H (Wagen) erfolgt, und man aus diesem Grund „Steuersollwert” und „Geschwindigkeitssollwert” gleichsetzt, ohne dass dies eine Einschränkung der Erfindung darstellen würde.
Nach Übereinkunft ordnet man dem Index i den Wert „o” zu, um einen Bezug zur Orientierungsbewegung herzustellen (Rotation R) und den Wert „d”, um einen Bezug zur Verteilungsbewegung (Vorschub T) herzustellen.
Vorteilhaft bildet das erfindungsgemäße Verfahren ein iteratives Verfahren, welches zuerst eine Überwachung des Steuersollwerts, und im Besonderen des fluktuierenden und unvorhersehbaren Geschwindigkeitssollwerts in etwa in Echtzeit ermöglicht, der zu jeder Zeit vom Bediener des Hebezeugs fixiert wird, und danach eine permanente Auffrischung der Berechnungen und folglich des entsprechenden gefilterten Sollwerts, und dies unabhängig von der Gesamtdauer des nötigen Weges für den Transport der schwebenden Last 1, von ihrem Ausgangspunkt bis hin zum Zielpunkt.
Zu diesem Zweck verfügt das Verfahren vorzugsweise über eine relativ kurze Abtastzeit, die eindeutig kleiner ist als die Gesamtdauer des Weges.
Die besagte Abtastzeit liegt somit vorzugshalber unter 100 ms, und beispielsweise in der Größenordnung von 40 ms.
Der Geschwindigkeitssollwert V_i kann selbstverständlich durch den Bediener des Hebezeugs 2 anhand aller geeigneten Steuervorrichtungen 6, wie einem Joystick fixiert werden, der vorzugshalber gleichzeitig den Sollwert für die Vorschubgeschwindigkeit V_d und den Sollwert für die Rotationsgeschwindigkeit V_o definieren kann, den der Bediener dem Anschlagpunkt H übermitteln möchte.
Das Steuerverfahren umfasst auch, im Anschluss an den Schritt (a) zur Sollwerterfassung, einen Schritt (b) zur Sollwertfilterung.
Im Laufe dieses Schrittes (b) zur Sollwertfilterung modelliert man, wie dies vor allem in 2 dargestellt ist, das Pendelverhalten der schwebenden Last 1 gemäß der betrachteten Bewegung R, T durch ein virtuelles Modell Ẋ = AX + BU, das mit einem Zustandsvektor X arbeitet.
Erfindungsgemäß umfasst dieser Zustandsvektor X zumindest eine „Hauptkomponente” genannte Komponente x₁, die der angesteuerten Größe entspricht, sowie andere „Zusatzkomponenten” genannte Komponenten x₃, x₄, die repräsentativ für die kinematischen Größen sind, die charakteristisch für die Pendelbewegung der schwebenden Last sind, wie beispielsweise der Pendelwinkel θ, ϕ oder die Winkelgeschwindigkeit des Pendelns θ ., ϕ . je nach angenommener Bewegung R, T.
Genauer gesagt umfasst der besagte Zustandsvektor X vorzugsweise zumindest eine Komponente der momentanen Geschwindigkeit x₁, die repräsentativ für die momentane Geschwindigkeit des Anschlagpunkts H je nach angenommener Bewegung ist (hier die Drehgeschwindigkeitskomponente um die Orientierungsachse (ZZ') γ . = ∂γ / ∂t gemäß der Rotationsgeschwindigkeit R, oder jeweils die lineare Verteilungskomponente ẋ = = ∂x / ∂t gemäß der Vorschubbewegung T), eine Winkelkomponente des Pendelns x₄, die repräsentativ für den Pendelwinkel der schwebenden Last für die angenommene Bewegung ist (hier ist θ die orthoradiale Pendelkomponente für die Rotationsbewegung R, und ϕ die radiale Pendelkomponente für die Vorschubbewegung T), und eine Winkelgeschwindigkeitskomponente x3 für das Pendeln, repräsentativ für die Winkelgeschwindigkeit des Pendelns für die angenommene Bewegung (hier die orthoradiale Komponente θ . = ∂θ / ∂t für die Rotationsbewegung und jeweils die radiale Komponente ϕ . = ∂ϕ / ∂t für die Vorschubbewegung).
Im oben gezeigten Ausdruck des Modells stellt „A” die Zustandsmatrix (Evolutionsmatrix des Systems), „X” den Zustandsvektor, „B” die Anwendungsmatrix der Steuerung, „U” den Vektor der Steuerungen (Eingänge) dar.
Der Vektor „Ẋ” entspricht der ersten Ableitung in Bezug auf die Zeit des Zustandsvektors X.
In 2 entspricht der Buchstabe „p” der komplexen Variablen, die von den Laplace-Transformationen verwendet wird; somit erhält man eindeutig Ẋ = pX
Vorzugsweise ist die Anwendungsmatrix der Steuerung B ein Spaltenvektor und der Vektor der Steuerungen U beschränkt sich auf eine Matrix der Dimension 1×1.
In der Praxis entspricht das virtuelle Modell Ẋ = AX + BU vorzugsweise dem Matrixausdruck eines Systems an Gleichungen aus der Newton'schen Mechanik und ermöglicht die Beschreibung, hier als Projektion in der vertikalen radialen Ebene, die Verteilungsachse (XX') umfassend für die Vorschubbewegung T, und/oder als Projektion in der vertikalen orthoradialen Ebene für die Rotationsbewegung R, des Verhaltens und genauer der Bewegungskomponenten eines virtuellen Pendelsystems, das die Merkmale der schwebenden Last 1 am Anschlagpunkt H aufweist.
Zur Vereinfachung dieser Modellierung nimmt man vorzugsweise die „kleinen Winkel” an, indem man als erste Annäherung berücksichtigt, dass die Pendelamplitude und somit die Pendelwinkelkomponenten relativ gering sind, wodurch es vor allem möglich ist, die trigonometrischen Ausdrücke durch Entwicklungen zu vereinfachen, die sich auf die erste Ordnung beschränken.
Im Laufe des Schrittes (b) zur Filterung wendet man vorzugsweise eine Zustandsregelung U_i = k_i0·V_i – K_i·X auf das virtuelle Modell Ẋ = AX + BU an, die neben einem für den Brutto-Steuersollwert (und genauer gesagt den Geschwindigkeitssollwert) V_i repräsentativen Sollwertglied k_i0·V_i, das im Rahmen des Erfassungsschrittes erfasst wurde, ein Korrekturglied K_i·X umfasst, das dem Produkt eines Korrekturvektors K_i (hier ein Zeilenvektor) mal dem Zustandsvektor X (hier ein Spaltenvektor) entspricht.
Die Verwendung einer (virtuellen) Zustandsregelung, die in diesem Fall proportionale Rückführungen in der Art von „Verstärkungen” k_i1, k_i2 zur Anwendung bringt, liefert vorteilshalber eine Simulierung des theoretischen Verhaltens der schwebenden Masse 1 als Reaktion auf die besagte Regelung, gemäß dem Äquivalent eines (virtuellen) Systems im geschlossenen Regelkreis, bei der man die Dynamik studieren und auswählen kann, und dabei vor allem die Stabilität und die Reaktionsfähigkeit (Reaktionszeit), indem man durch die geeignete Auswahl der besagten Verstärkungen eine Platzierung der Pole der Transferfunktion vornimmt, die der Entwicklungsmatrix A – B·K des Systems im geschlossenen Regelkreis entspricht.
Zur Definition der Zustandsregelung verwendet man vorteilhafterweise einen Korrekturvektor K_i, bei dem zumindest bestimmte Korrekturverstärkungen unter den Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2, die den Zusatzkomponenten x₃, x₄ zugeordnet werden, in Abhängigkeit von einem selben vorbestimmten Typisierungsparameter Tc zum Ausdruck gebracht werden, wobei der besagte Typisierungsparameter Tc vom Bediener des Hebezeugs frei eingestellt werden kann, um die besagten Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2 einstellen zu können.
Bevorzugter verwendet man einen Korrekturvektor K_i, bei dem die Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2, die jeweils der Winkelgeschwindigkeitskomponente x₃ und der Pendelwinkelkomponente x₄ des Zustandsvektors X zugeordnet werden, in Abhängigkeit von einem selben vorbestimmten Typisierungsparameter Tc zum Ausdruck gebracht werden, wobei der besagte Typisierungsparameter Tc vom Bediener des Hebezeugs 2 frei eingestellt werden kann, um die besagten Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2 einstellen zu können.
Vorteilhaft lässt man die Zustandsrückführung, und folglich das Verhalten des Systems im geschlossenen Regelkreis, und noch genauer die Platzierung der Pole der Entwicklungsmatrix A – B·K von der Auswahl des besagten Typisierungsparameters Tc abhängen, indem man formal einen Parameter (Koeffizienten) zur Typisierung Tc in die Definition der Verstärkungen des Korrekturvektors k_i1, k_i2 einfließen lässt, die jeweils der Winkelgeschwindigkeitskomponente x₃ und der Pendelwinkelkomponente x₄ zugeordnet werden.
In anderen Worten ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren im Allgemeinen entsprechend einem Merkmal, das an sich bereits eine Erfindung darstellen könnte, einen Geschwindigkeitssollwert V_i anhand einer Zustandsregelung zu filtern, die in Voraussicht eines Typisierungsparameters Tc auf ein virtuelles Modell Ẋ = AX + BU angewandt wird, der vom Bediener des Hebezeugs frei eingestellt werden kann, und eine willkürliche Änderung der Platzierung der Pole der entsprechenden Entwicklungsmatrix A – B·K, und folglich der Dynamik des gefilterten Systems ermöglicht.
Der Bediener des Hebezeugs kann somit im Rahmen eines Einstellschrittes, der dem Manövrieren der schwebenden Last 1 vorausgeht, oder im Laufe des besagten Manövers durchgeführt werden kann, den Typisierungsparameter Tc nach seinem Willen variieren lassen.
Somit kann der Bediener des Hebezeugs durch eine einzige Einstellung, die sich einfach und rasch umsetzen lässt, den Reaktions- und Stabilitätsgrad beim Manövrieren der schwebenden Last 1, der ihm durch die Filterung seiner Geschwindigkeitssollwerte V_i gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verfügung steht, verändern und anpassen.
Genauer gesagt kann sich der Bediener nach eigenem Willen entweder für den „gedämpften” Unterstützungsmodus, der grafisch (siehe 3) die Pole darstellt, die relativ weit entfernt vom schwingenden Modus der imaginären Achse liegen, und laut dem der gefilterte Geschwindigkeitssollwert relativ langsam, jedoch besonders stabil und ohne Überschreitung zum Geschwindigkeitssollwert V_i wandert, wie dies in den 6 und 7 dargestellt ist, oder, falls ihm der gedämpfte Modus als zu „weich” erscheint, für den „reaktiven” Unterstützungsmodus entscheiden, bei dem die Pole näher an der imaginären Achse liegen, und der Dämpfungskoeffizient geringer ist als im gedämpften Modus, so dass der gefilterte Geschwindigkeitssollwert rascher zum Geschwindigkeitssollwert V_i wandert (beispielsweise gemäß einer 5%-Reaktionszeit, die geringer ist, als jene des gedämpften Modus, und wie dies in 4 und 5 jeweils im Vergleich zu 6 und 7 der Fall ist), jedoch eventuell eine leichte Überschreitung toleriert, und/oder einige gedämpfte Schwingungen des gefilterten Geschwindigkeitssollwerts (siehe beispielsweise 5).
Selbstverständlich ist es auch denkbar, mehr als zwei oder drei Einstellwerte vorzusehen, und vor allem einen durchgehenden Einstellbereich des Typisierungsparameters Tc zwischen einem ersten gedämpften Unterstützungsmodus und einem zweiten reaktiv(er)en Unterstützungsmodus, vorzugsweise mit ansteigenden Tc-Werten, mit verschiedenen dazwischen liegenden Unterstützungsmodi.
Es ist festzuhalten, dass die (Einstellungs-)Auswahl des Typisierungsparameters Tc vorteilhaft frei, also willkürlich, erfolgt und darin besteht, dass die Fixierung des besagten Typisierungsparameters Tc vom (alleinigen) Willen des Bedieners des Hebezeugs abhängt, und daher der besagte Typisierungsparameter Tc, der zwischen zwei aufeinanderfolgenden Änderungen durch den Bediener vorzugsweise konstant bleibt, einen eigenen Einfluss auf die Einstellung der Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2 ausübt, und dies unabhängig von der Konfiguration des Hebezeugs 2 oder der Geschwindigkeitssollwerte V_i, die vom Bediener des Hebezeugs angewandt werden.
Im Besonderen wird die Fixierung des Typisierungsparameters Tc vorzugsweise vom Geschwindigkeitssollwert V_i getrennt.
Der besagte Typisierungsparameter Tc ist ebenfalls getrennt und unabhängig von der Masse m der schwebenden Last 1 oder von jener M des Anschlagpunktes H, vom Trägheitsmoment des Hebezeugs 2 um die Orientierungsachse (ZZ') und von der Länge L des Tragseils 3.
Selbstverständlich kann die Definition (oder die Auswahl) des Werts des Typisierungsparameters Tc durch den Bediener des Hebezeugs 2 über jeden geeigneten Wahlschalter, Potentiometer oder jedes geeignete elektronische oder elektromechanische Programmiergerät erfolgen.
Gemäß einer Möglichkeit kann das Verfahren durch einen Rechner umgesetzt werden, der über einen nicht flüchtigen und vorzugsweise vom Bediener des Hebezeugs oder von einem Wartungstechniker wiederprogrammierbaren Speicher verfügt, der dazu bestimmt ist, mehrere vordefinierte Einstellungen des Typisierungsparameters Tc zu speichern, die beispielsweise verschiedenen Fahrern und/oder unterschiedlichen Arbeitsbedingungen (vor allem Witterungsbedingungen) zugeordnet werden.
Darüber hinaus ist festzuhalten, dass es die Erfindung dem Bediener des Hebezeugs vorzugsweise ermöglicht, den Typisierungsparameter Tc so oft wie notwendig, und konkret mehrmals hintereinander vor und/oder während des Manövers der schwebenden Last 1 zu verändern und anzupassen.
Diese Verfügbarkeit und dieser Zugriff auf die Einstellung des Typisierungsparameters Tc, die im konkreten Fall in Echtzeit erfolgen, bieten eine hohe Vielseitigkeit und Flexibilität bei der Verwendung des so ausgestatteten Hebezeugs 2.
Und schließlich extrahiert man im Laufe des Schrittes (b) zur Filterung einen Steuersollwert aus dem virtuellen Modell, der „gefilterter Steuersollwert” Y, γ ., ẋ genannt wird, und der Hauptkomponente x₁ des Zustandsvektors X, das heißt der angesteuerten Größe, entspricht.
Genauer gesagt extrahiert man aus dem virtuellen Modell einen gefilterten Geschwindigkeitssollwert Y, γ ., ẋ, der der Komponente x₁ der momentanen Geschwindigkeit des Zustandsvektors X entspricht.
Zur Vereinfachung der Beschreibung setzen wir in weiterer Folge den gefilterten Steuersollwert Y mit einem gefilterten Geschwindigkeitssollwert γ ., ẋ gleich, ohne dass dies jedoch eine Einschränkung der vorliegenden Erfindung bedeuten würde.
Dieser gefilterte Sollwert Y, γ ., ẋ (entspricht hier vorzugsweise dem einzigen Koeffizienten x₁ des Vektors der Ausgänge Y), der durch die Kurven mit der durchgehenden Linie in 4 bis 7 dargestellt ist, ist es nun, den man auf die (nicht dargestellten) Antriebsvorrichtungen des Anschlagpunktes H anwendet, die konzipiert sind, um den besagten Anschlagpunkt mittels angenommener Bewegung R, T anzutreiben.
Typischerweise kann der gefilterte Steuersollwert dem Sollwert der Vorschubgeschwindigkeit ẋ entsprechen, der auf einen ersten Frequenzregler angewandt wird, der einen ersten Elektromotor ansteuert, der konzipiert ist, um den Wagen auf dem Ausleger 5 im Vorschub zu bewegen, beziehungsweise dem Sollwert der Rotationsgeschwindigkeit γ ., die auf einen zweiten Frequenzregler angewandt wird, der einen zweiten Elektromotor ansteuert, der konzipiert ist, um den Ausleger 5 um den Masten 4 zu drehen.
Vorzugsweise verwendet das Verfahren zum Modellieren des Pendelverhaltens der schwebenden Last 1 ein dynamisches (virtuelles) Modell, welches die Masse M des Anschlagpunktes H (und genauer jene des entsprechenden Wagens) und die Masse m der schwebenden Last 1 zum Ansatz bringt.
Vorteilhaft ermöglicht ein solches Modell die annähernde, jedoch relativ zuverlässige und präzise Beschreibung des Pendelverhaltens der Last anhand von relativ einfachen Gleichungen zur raschen Berechnung, für die auch wenige materielle und elektrische Ressourcen benötigt werden.
Die Masse M des Anschlagpunktes H kann vorteilhaft vom Hersteller des Hebezeugs 2 zur Verfügung gestellt werden.
Die Masse m der schwebenden Last 1 kann durch alle geeigneten Mittel gemessen oder geschätzt werden, und beispielsweise durch eine Messung des Moments, das vom Hubmotor aufzubringen ist, um die besagte Last vertikal zu bewegen.
Im konkreten Fall kann im Rahmen einer ersten Annäherung ein fester Durchschnittswert angenommen werden, der repräsentativ für eine „durchschnittliche” schwebende Last 1 ist, oder man kann im Gegenteil dazu die besagte Masse m fallweise und bei jeder Ladung messen, um das Modell des Filters gegenüber diesem Parameter möglichst genau einzustellen.
In einem besonders bevorzugten Fall ist das dynamische Modell wie folgt durch ein Modell definiert, das Modell „ohne Kopplung” genannt wird, und folgendermaßen zum Ausdruck gebracht werden kann: Ẋ = AX + BU Y = CX wobei „Y” den Vektor der Ausgänge darstellt und „C” die Beobachtungsmatrix,
und
mit:
Wie oben dargelegt, wurden die Gleichungen hier durch die Annahme kleiner Pendelwinkel vereinfacht.
Vorzugsweise wird festgestellt, dass der allgemeine Ausdruck für das Modell hier für alle Bewegungen derselbe bleibt, ob man das besagte Modell nun auf die Orientierungssteuerung (Rotation R) oder auf die Verteilung (Vorschub T) anwendet, wobei nur die Koeffizienten der Zustandsmatrix A und des Zustandsvektors X der Bewegung angepasst werden, auf die das besagte Modell angewandt wird.
Es ist des Weiteren festzuhalten, dass es durchaus vorstellbar ist, das Verfahren auf die Steuerung einer einzigen Bewegung (zum Beispiel nur die Verteilung) anzuwenden, vor allem dann, wenn das Hebezeug 2 ein Ladeportal in der Art eines Laufkrans ist, der nur über eine lineare Vorschubbewegung der schwebenden Last verfügt, und über keine Rotationsbewegung.
Im Gegensatz dazu kann man vorteilhaft auch gleichzeitig sowohl die Verteilungsbewegung (Vorschub T) und die Orientierungsbewegung (Rotation R) kontrollieren, wenn das Hebezeug diese beiden Bewegungen anbietet, und dies mithilfe eines selben Modells, und somit mit einer relativ eingeschränkten eingebauten Rechnerleistung.
Zu diesem Zweck kann festgehalten werden, dass der Typisierungsparameter Tc vorteilhaft derselbe sein kann, das heißt für die Anwendung des Verteilungsmodells und für die Anwendung des Orientierungsmodells einen identischen Wert aufweisen kann, was die Einstellung der Filterung für den Kranführer weiter erleichtert.
Außerdem wird festgehalten, dass man sich in den Gleichungen des oben genannten Modells in einer ersten Annäherung dafür entschieden hat, Phänomene der Kopplung zwischen den Achsen, das heißt der Zentrifugalbeschleunigung nicht zu berücksichtigen.
In Anbetracht dieser Tatsache ist es durchaus denkbar, ein Glied der Kopplung hinzuzufügen, das die Zentrifugalbeschleunigung einbeziehen würde, und dabei das erfindungseigene Prinzip der Typisierung beibehalten würde.
Somit kann man als Alternative zum vorherigen Modell „ohne Kopplung” sinngemäß ein „mit Kopplung” genanntes Modell anwenden, das folgendermaßen zum Ausdruck gebracht wird: Ẋ = AX + B₁u₁ + B₂u₂ Y = CX wobei Y den Vektor der Ausgänge und „C” die Beobachtungsmatrix darstellen,
und
mit:
Vorteilhaft wendet man unabhängig davon, ob man das Modell mit Kopplung oder das Modell ohne Kopplung betrachtet, die Zustandsregelung auf das oben genannte Modell an: U_i = k_i0·V_i – K_i·X mit Ki = [ki0,0, ki1, ki2] als Korrekturvektor (Multiplikator),
und mit der Bestimmung i = d für die Verteilungsregelung, und i = o für die Orientierungsregelung.
Auch hier kann man, unabhängig davon, ob man die Verteilungsbewegung (Vorschub) oder die Orientierungsbewegung (Rotation) annimmt, sinngemäß denselben virtuellen Modelltyp und dasselbe Prinzip der Zustandsregelung mit der Platzierung der Pole verwenden.
Vorzugsweise und zur Vereinfachung der Rechnung nimmt man wie in 2 dargestellt an, dass die Verstärkung k_i0 für den Geschwindigkeitssollwert V_i und für die Zustandsrückführung (im Korrekturvektor K_i) dieselbe ist.
In einem besonders bevorzugten Fall, und ebenfalls zur Vereinfachung der Rechnung nimmt man k_i0 mit 1 an, das heißt, dass die Steuerung eine Zustandsrückführung mit einer einheitlichen Verstärkung für die Komponente der momentanen Geschwindigkeit x₁ aufweist.
Schließlich kann der dynamische Filter, der beim Schritt (a) der Filterung auf den Geschwindigkeitssollwert V_i angewandt wird, und der dem Regelgesetz entspricht, das in 2 dargestellt ist, für das Modell ohne Kopplung folgendermaßen dargestellt werden: Ẋ = (A – BK)X + BV_i Y = C_outX mit C_out = [1 0 0 0]
Für das Modell mit Kopplung erhält man ebenfalls: Ẋ = (A – B₁K)X + B₁V_i +B₂T_γ Y = C_outX mit C_out = [1 0 0 0]
Die Matrix A – BK (bzw. A – B₁K) bildet hier die Entwicklungsmatrix des virtuellen Modells im geschlossenen Regelkreis.
In dieser Eigenschaft ist zu bemerken, dass die Anwendungsmatrizen der Steuerung „B” des Modells ohne Kopplung und B₁ des Modells mit Kopplung vorzugsweise identisch (B = B₁) sind, die Entwicklungsmatrix A – BK ist unabhängig davon dieselbe, ob man das Modell nun mit oder ohne Kopplung betrachtet.
Die erfindungsgemäße Methode zur Auflösung (und zur Definition des Filters) kann somit vorteilshalber unterschiedslos auf beide Modelle angewandt werden.
Im Falle des oben vorgeschlagenen dynamischen Modells kann die besagte Entwicklungsmatrix des virtuellen Modells im geschlossenen Regelkreis folgendermaßen dargestellt werden:
Vorzugsweise werden die Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2 beim Schritt der Sollwertfilterung in Abhängigkeit vom Typisierungsparameter Tc ausgedrückt, sodass man aus der Entwicklungsmatrix A – BK des virtuellen Modells im geschlossenen Regelkreis eine Sub-Matrix Ar der Dimension 2×2 extrahieren kann, welche einerseits die besagten Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2 mit zwei Zusatzkomponenten des Zustandsvektors verbindet, wobei diese Komponenten vorzugsweise jeweils der Winkelgeschwindigkeitskomponente des Pendelns x₃ und der Winkelkomponente des Pendelns x₄ entsprechen, und deren Eigenwerte λ andererseits einen reellen Abschnitt ungleich Null besitzen, der vollkommen durch den besagten Typisierungsparameter Tc bestimmt wird.
In Bezug auf das oben genannte Modell kann man hier aus der Entwicklungsmatrix im geschlossenen Regelkreis die Sub-Matrix Ar = [(A – BK)i, j] extrahieren, mit i = (3, 4) und j = (3, 4), welche in der Praxis ausreicht, um die Dynamik des Systems zu beschreiben:
Die Erfinder haben tatsächlich festgestellt, dass es entsprechend einem Merkmal, das an sich bereits eine eigene Erfindung darstellen könnte, und unabhängig davon, ob die Korrekturverstärkungen in Abhängigkeit von einem selben Typisierungsparameter Tc ausgedrückt werden oder nicht, möglich ist, bei einer ersten Annäherung eine Einstellung der Dynamik des Modells mit einer Zustandsregelung im geschlossenen Regelkreis, wobei das Modell der (vollständigen) Entwicklungsmatrix A – BK besitzt, ausgehend von einer Platzierung der Pole einer Sub-Matrix Ar der besagten Entwicklungsmatrix A – BK vorzunehmen, wobei die besagte Sub-Matrix Ar tatsächlich ein ausreichendes Sub-System darstellt, um annähernd die Dynamik des gesamten Systems zu beschreiben.
Eine solche Eigenschaft ermöglicht jedoch vorteilhaft die vereinfachte und beschleunigte Berechnung der Eigenwerte, und folglich die Umsetzung der Filterung des Geschwindigkeitssollwerts.
Im vorliegenden Fall ist das besagte Sub-System ein System mit einer Determinante ungleich Null, die die Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2 mit den beiden Komponenten des Zustandsvektors X verbindet, die jeweils der Winkelgeschwindigkeitskomponente x₃ und der Pendelwinkelkomponente x₄ entsprechen.
Die Gültigkeit der Annäherung kann vor allem von der Tatsache abhängen, ob die oben genannten Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2 im vollständigen System entsprechend der Entwicklungsmatrix A – BK einen relativ geringen, oder gar vernachlässigbaren Einfluss bei der Bestimmung der repräsentativen Komponente der momentanen Geschwindigkeit x₁, vor allem im Vergleich zum Einfluss der Koeffizienten der Zustandsmatrix A (und genauer des Koeffizienten a₁ im vorherigen Beispiel, der seinerseits von den Strukturmerkmalen des Hebezeugs 2 und von der Masse m der schwebenden Last 1 abhängt) haben.
In der Praxis kann diese Annäherung vor allem überprüft werden, solange der Typisierungsparameter Tc unter einem vorbestimmten Grenzwert bleibt.
In einem besonders bevorzugten Fall besitzen die Eigenwerte λ der Sub-Matrix Ar einen reellen Abschnitt Re(λ) ungleich Null und direkt proportional oder gar gleich dem besagten Typisierungsparameter Tc oder umgekehrt 1/Tc zum Typisierungsparameters.
Vorzugsweise wird der reelle Abschnitt Re(λ) der besagten Eigenwerte selbst ausschließlich durch den Typisierungsparameter Tc bestimmt und zum Beispiel genau gleich entgegengesetzt zur Umkehr –1/Tc des Typisierungsparameters, wie in 3 dargestellt.
Man kann somit ganz einfach eine umgehende Positionierung der Pole nur durch die Einstellung des Wertes des Typisierungsparameters Tc vornehmen, was ausreicht, um den besagten reellen Abschnitt Re(λ) zu charakterisieren.
Genauer gesagt nähert ein anwachsender Typisierungsparameter Tc hier die Pole der imaginären Achse einander an (durch die Reduzierung des Absolutwertes ihres reellen Abschnitts) und verleiht somit der Filterung einen reaktiveren Charakter.
Umgekehrt dazu entfernt ein geringer werdender Typisierungsparameter Tc die Pole der imaginären Achse voneinander, durch die Steigerung des Absolutwertes ihres reellen Abschnitts, und verleiht somit der Filterung einen weniger reaktiven, aber mehr gedämpften Charakter.
Außerdem werden die Sub-Matrix Ar und der Ausdruck der Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2 vorzugsweise so ausgesucht, dass der imaginäre Abschnitt der besagten Eigenwerte Im(λ) unabhängig vom Typisierungsparameter Tc sind.
Somit kann die Dynamik des Systems bei einer gegebenen materiellen Konfiguration des Hebezeugs, und genauer bei einem gegebenen konstanten imaginären Abschnitt Im(λ) vorzugsweise vollkommen durch die Auswahl des Werts des Typisierungsparameters Tc definiert werden.
In der Praxis kann dieser imaginäre Abschnitt Im(λ) von der materiellen Konfiguration des Hebezeugs, und vor allem im oben genannten dynamischen Modell von der Länge L des Tragseils 3, vom Abstand x zur Rotationsachse des Anschlagpunktes H und von den Verhältnissen zwischen der Masse M des Anschlagpunktes H, der Masse m der schwebenden Last 1 und dem Trägheitsmoment lγ des Hebezeugs abhängen.
Vorzugsweise erfolgt die Auswahl der Korrekturverstärkungen (k_i1, k_i2) wie folgt:
wobei i = d für die Verteilungssteuerung, und i = o für die Orientierungssteuerung ist.
Die Sub-Matrix Ar kann folgendermaßen zum Ausdruck gebracht werden:
sodass sich ihre Eigenwerte wie folgt darstellen:
Man findet hier, wie oben angegeben und wie in 3 dargestellt, eine Platzierung der Pole (das heißt der Eigenwerte, die in 3 durch Kreuze angedeutet sind), deren Dynamik und genauer gesagt deren Dämpfung ausschließlich durch die Auswahl der Typisierungsparameter Tc bestimmt wird.
Denn der reelle Abschnitt Re(λ) der besagten Pole (Eigenwerte) hat hier den Wert 1/Tc, während der imaginäre Abschnitt Im(λ) der besagten Pole (Eigenwerte), der hier den Wert
hat, vorzugsweise unabhängig vom Typisierungsparameter ist.
Vorteilhaft ist der besagte imaginäre Abschnitt hier für eine gegebene materielle Konfiguration des Hebezeugs konstant, wenn man einen konstanten Wert für die Länge L des Tragseils annimmt, für den Fall der Steuerung gemäß der Vorschubbewegung T, oder wenn man konstante Werte für die Länge L des Hängeseils und für den Abstand x vom Anschlagpunkt H bis zur Rotationsachse annimmt, für den Fall der Steuerung mittels Rotationsbewegung R.
Außerdem wird festgehalten, dass das Verfahren, und genauer die vorgeschlagenen Modelle es vorteilshalber ermöglichen, die Länge L des Tragseils 3 zu berücksichtigen, das die schwebende Last 1 mit dem Anschlagpunkt H verbindet.
Im Besonderen werden die Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2 vorzugsweise auch in Abhängigkeit von der Länge L des Tragseils 3 ausgedrückt, das die schwebende Last 1 mit dem Anschlagpunkt H verbindet.
Auf diese Art können die Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2 der Zustandsregelung, und folglich die Filterung des Geschwindigkeitssollwerts in Abhängigkeit von den Variationen der Länge L des Tragseils 3 in Echtzeit variieren.
Im oben genannten Beispiel lässt man die Länge L in die Berechnung der Verstärkungen durch den Koeffizienten b₂ einfließen.
Somit kann man das virtuelle Modell permanent der reellen momentanen Konfiguration des Hebezeugs 2 anpassen, und folglich eine Modellierung erhalten, die das Verhalten des besagten Hebezeugs und der schwebenden Last 1 zu jedem betrachteten Zeitpunkt zuverlässig und präzise und unabhängig von der Hebehöhe der besagten Last reflektiert.
Auf diese Art erhöht man die Präzision und die Zuverlässigkeit der Steuerung durch Filterung des Geschwindigkeitssollwerts.
Die Abschätzung der Länge L des Tragseils kann beispielsweise aus der Zählung der durchgeführten Umdrehung einer Winde zum Aufrollen/Abrollen des Tragseils 3 resultieren, die vom Hubmotor angetrieben wird.
Im Übrigen wird festgehalten, dass sich die gewollte manuelle Einstellung der Dynamik der Filterung durch die Auswahl des Wertes des Typisierungsparameters Tc vorteilhaft von der automatischen Einstellung unterscheidet und mit dieser nicht korreliert ist, die darin besteht, das Modell, und genauer den einen oder den anderen Koeffizienten der Zustandsmatrix A an die momentane materielle Konfiguration des Hebezeugs 2, und genauer an die Länge L des Tragseils 3 anzupassen.
In anderen Worten ausgedrückt ermöglicht es der Typisierungsparameter Tc somit, den Typen des gewünschten dynamischen Verhaltens unabhängig von der materiellen Konfiguration des Hebezeugs einzustellen, und genauer, bei einer gegebenen materiellen Konfiguration (Gewichte, Trägheit, Hubhöhe) die Dynamik des Systems frei aus einer Vielzahl von verfügbaren Modi auszuwählen.
Außerdem ist festzuhalten, dass die Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2 ebenso wie die Pole, die die Dynamik des modellierten Systems kennzeichnen, vorteilhaft in expliziter und deterministischer Form durch Formeln definiert werden, die ausschließlich einerseits vom Typisierungsparameter Tc abhängig sind, und andererseits von Eingabedaten in Verbindung mit der materiellen Konfiguration des Systems (Masse m der schwebenden Last, Masse M des Wagens, Länge L des Tragseils, Trägheitsmodul lγ des Hebezeugs, Abstand x zur Rotationsachse des Anschlagpunktes).
Auf diese Art können die Korrekturverstärkungen k_i1, k_i2 ebenso wie die Pole direkt und umgehend basierend auf diesen Daten berechnet werden, ohne dass man gezwungen wäre, die Kartografien (Abaki oder Datenbanken) vorab festzulegen, im Speicher abzulegen und regelmäßig abzufragen, die den verschiedenen vorhersehbaren Betriebssituationen des Hebezeugs beispielsweise in Form von Punktewolken verschiedene Korrekturverstärkungswerte zuordnen würden, die an jede Ladesituation und/oder jede räumliche Konfiguration des Hebezeugs angepasst sind.
Auch hier ermöglicht das verwendete Verfahren eine Erleichterung der Datenspeicherkapazitäten, die zur Steuerung des Hebezeugs nötig sind.
Als Anhaltspunkt kann der Typisierungsparameter Tc aus einem Bereich ausgewählt werden, der zwischen 0,2 und 2, vorzugsweise zwischen 0,3 (6 und 7) und 1,8 (4 und 5) liegt.
Im vorliegenden Fall entsprechen die niedrigen Tc Werte einem „gedämpften” Unterstützungsmodus, relativ langsam und stabil, und die hohen Tc Werte einem „reaktiven” Unterstützungsmodus, schneller und etwas weniger stabil als der gedämpfte Modus.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren einen Steuerschritt im offenen Regelkreis, der darin besteht, den gefilterten Steuersollwert (gefilterter Geschwindigkeitssollwert) Y, das heißt x1 = γ . für die Rotation R, und x1 = x . für den Vorschub T, auf ein Steuersystem des Hebezeugs 2 im offenen Regelkreis anzuwenden, das heißt auf ein Steuersystem, das den besagten gefilterten Sollwert für die Steuerung (Geschwindigkeit) Y, γ ., x . auf die Antriebsvorrichtungen des Anschlagpunktes H anwendet, die konzipiert sind, um den Anschlagpunkt H in einer angenommenen Bewegung R, T zu bewegen, ohne die gemessene oder berechnete Rückführung für den Winkel, oder die Winkelgeschwindigkeit, des effektiven Pendelns der reellen schwebenden Last, noch vorzugsweise die gemessene oder berechnete Rückführung für die effektive Geschwindigkeit der Bewegung des reellen Anschlagpunkts zu verwenden.
In anderen Worten ermöglicht die Erfindung die virtuelle Definition eines Geschwindigkeitssollwerts x₁ bei der Filterung, der es dem virtuellen System ermöglicht, die durch die Auswahl des Typisierungskoeffizienten Tc festgelegten Geschwindigkeits- und Stabilitätskriterien zu erfüllen, und diesen Geschwindigkeitssollwert x₁ aus einer virtuellen Modellierung auf das reelle Hebezeug 2 umzusetzen, als effektiver, gefilterter Sollwert für die Geschwindigkeit, und dies im offenen Regelkreis, das heißt blind, ohne Ansteuerung, die darauf abzielt, danach das reelle Pendeln zu bekämpfen, das eventuell aus der Anwendung dieses gefilterten Sollwerts hervorginge, oder aber das aus externen Störungen hervorginge.
Zu diesem Zweck wird festgehalten, dass ein eventuelles reelles Pendeln, das als Konsequenz der Anwendung des gefilterten Sollwerts auf das reelle Hebezeug angewandt wird, in jedem Fall intrinsisch verringert würde, schon allein aus dem Grunde, dass der besagte gefilterte Sollwert genau so ausgearbeitet wird, dass das Auftreten eines solchen Pendelns minimiert oder gar verhindert wird.
In jedem Fall ermöglicht die Erfindung so vorteilhaft die Vereinfachung der Struktur des Hebezeugs 2, da es im Speziellen nicht nötig ist, Sensoren (noch entsprechende Verdrahtungen) vorzusehen, die zum Messen und zum Überwachen der reellen Pendelwerte bestimmt sind.
Darüber hinaus beschränkt man so die Anzahl an durchzuführenden Messungen und Informationsverarbeitungen, wodurch die Berechnungen erleichtert, und folglich die Größe und der Energieverbrauch der eingebauten elektronischen Steuervorrichtung am Hebezeug 2 reduziert werden können.
Die Zuverlässigkeit einer solchen Anwendung im offenen Regelkreis setzt selbstverständlich voraus, dass das reelle System der schwebenden Last am Hebezeug 2 ein Verhalten nahe jenem des Modells aufweist, was hier der Fall ist.
Die Erfindung betrifft als solches auch einen Rechner oder einen Datenträger, der von einem Rechner gelesen werden kann, der Codeelemente eines EDV-Programms empfängt oder enthält, das die Umsetzung eines erfindungsgemäßen Ansteuerverfahrens ermöglicht, wenn die besagten Codeelemente vom besagten Rechner gelesen werden.
Die Erfindung betrifft schließlich als solche ein Hebezeug 2, wie einen Turmkran, einen Mast 4 umfassend, der sich in etwa über eine erste vertikale Achse erstreckt, die Orientierungsachse (ZZ') genannt wird, einen Ausleger 5, der den besagten Mast schneidet, der sich über eine zweite Achse erstreckt, die Verteilungsachse (XX') genannt wird, und der einen Anschlagpunkt H trägt, an dem eine schwebende Last 1 aufgehängt werden kann, sowie Antriebsvorrichtungen, mit denen der besagte Anschlagpunkt H in eine Rotationsbewegung R um die Orientierungsachse (ZZ') und in eine Vorschubbewegung T entlang der Verteilungsachse (XX') versetzt werden kann.
Gemäß der Erfindung werden die Antriebsvorrichtung(en) des besagten Hebezeugs 2, die zumindest einem der beiden Bewegungen zur Rotation R und Vorschub T, und vorzugsweise jeder dieser beiden Bewegungen zugeordnet werden, durch eine Steuervorrichtung gesteuert werden, das mit Rechen- und Programmiermitteln versehen ist, die konzipiert sind, um in Echtzeit durch ein erfindungsgemäßes Verfahren einen Brutto-Steuersollwert (Geschwindigkeitssollwert) V_i zu filtern, der durch den Bediener des Hebezeugs definiert wird, und zur Anwendung des resultierenden gefilterten Steuersollwerts (gefilterten Geschwindigkeitssollwerts) Y, γ ., x . auf die entsprechende Antriebsvorrichtung.
Selbstverständlich lässt sich die Erfindung keinesfalls nur auf die beschriebenen Varianten einschränken, da vor allem der Fachmann in der Lage ist, die einen oder anderen oben genannten Merkmale zu isolieren oder frei miteinander zu kombinieren, oder diese durch gleichwertiges zu ersetzen.
Im Besonderen wäre es durchaus möglich, jedes andere geeignete Modell und/oder jedes andere räumliche Koordinatensystem zu verwenden, auch wenn die Anzahl der Komponenten des Zustandsvektors X und/oder die Formulierung der Korrekturverstärkungen in Abhängigkeit vom Typisierungsparameter Tc entsprechend angepasst werden muss.
Vorzugsweise ermöglicht es die Erfindung, das Pendeln einer schwebenden Last 1 beim Verfahren letzterer in zuverlässiger und relativ einfacher Form, gemäß einer oder zweier getrennter oder kombinierter Bewegungen R, T einzuschränken, und dem Hebezeug dadurch ein einstellbares, sicheres und vorhersehbares Verhalten zu vermitteln, das dem Bediener je nach persönlicher Typisierung Tc, die von letzterem selbst definiert wird, ein getreues und bequemes Steuerempfinden bietet.
Vorteilshalber ermöglicht die Einfachheit des angewandten Verfahrens und Modells den Erhalt einer ausreichend präzisen Schätzung des Pendelverhaltens der schwebenden Last, um einerseits das Pendeln etwas abzuschwächen, und andererseits die gewünschte Reaktionsfähigkeit gegenüber den Schwankungen des Geschwindigkeitssollwerts beizubehalten, ohne sich deshalb mit schweren Rechenvorgängen mit komplexen Algorithmen zu belasten, die darauf abzielen würden, eine(n) optimierte Geschwindigkeit und/oder Weg zu erhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

FR 2704847 [0003]

Claims

Verfahren zum Steuern der Bewegung einer schwebenden Last (1) an einem Anschlagpunkt (H) eines Hebezeugs (2), wobei der besagte Anschlagpunkt (H) konzipiert ist, um sich mittels Gierbewegung (R) um eine erste vertikale Achse (ZZ'), die „Orientierungsachse” genannt wird, und/oder gemäß einer Vorschubbewegung (T) entlang einer zweiten Achse (XX'), die „Verteilungsachse” genannt wird, und die besagte vertikale Achse (ZZ') schneidet, zu bewegen, wobei die Bewegung der schwebenden Last (1) durch einen Steuersollwert gesteuert wird, der sich auf eine charakteristische Größe für die Bewegung der besagten Last (1) bezieht, die „angesteuerte Größe” genannt wird, wie beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit (V_o) und/oder beziehungsweise die Vorschubgeschwindigkeit (V_d) des Anschlagpunkts (H), wobei das besagte Verfahren folgendes umfasst: einen Schritt (a) zur Erfassung des Sollwerts, im Laufe dessen man in Echtzeit einen Steuersollwert erfasst, der „Brutto-Steuersollwert” (V_i) genannt wird, und der dem Wert der angesteuerten Größe entspricht, den der Bediener des Hebezeugs (2) zum angenommenen Zeitpunkt (t) anpeilt, dann einen Schritt (b) zum Filtern des Sollwerts, im Laufe dessen: – man das Pendelverhalten der schwebenden Last (1) gemäß der angenommenen Bewegung (R, T) durch ein virtuelles Modell (Ẋ = AX + BU) modelliert, das einen Zustandsvektor (X) verwendet, der zumindest eine „Hauptkomponente” (x₁) genannte Komponente umfasst, die der angesteuerten Größe entspricht, sowie andere „Zusatzkomponenten” (x₃, x₄) genannte Komponenten, die repräsentativ für kinematische Größen sind, die charakteristisch für die Pendelbewegung der schwebenden Last sind, wie der Pendelwinkel (θ, ϕ) oder die Pendel-Winkelgeschwindigkeit (θ ., ϕ .) je nach angenommener Bewegung, – man eine Zustandsregelung (U_i = k_i0·V_i – K_i·X) auf das virtuelle Modell (Ẋ = AX + BU) anwendet, die neben einem für den Brutto-Steuersollwert repräsentativen Sollwertglied (k_i0·V_i), das im Rahmen des Erfassungsschrittes erfasst wurde, ein Korrekturglied (K_i·X) umfasst, das dem Produkt eines Korrekturvektors (K_i) mal dem Zustandsvektor (X) entspricht, unter Verwendung eines Korrekturvektors (K_i), bei dem zumindest bestimmte Korrekturverstärkungen (k_i1, k_i2), die den Zusatzkomponenten zugeordnet werden, in Abhängigkeit von einem selben vorbestimmten Typisierungsparameter (Tc) zum Ausdruck gebracht werden, wobei der besagte Typisierungsparameter (Tc) vom Bediener des Hebezeugs frei eingestellt werden kann, um die besagten Korrekturverstärkungen (k_i1, k_i2) einstellen zu können, – und man aus dem virtuellen Modell einen Steuersollwert extrahiert, der „gefilterter Steuersollwert” (Y, γ ., x .) genannt wird, der der Hauptkomponente (x₁) des Zustandsvektors (X) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: man im Laufe des Schrittes (a) zur Erfassung des Sollwertes in Echtzeit einen Geschwindigkeitssollwert (V_i) erfasst, der repräsentativ für die Rotationsgeschwindigkeit (V_o) und/oder beziehungsweise für die Vorschubgeschwindigkeit (V_d) ist, die der Bediener des Hebezeugs (2) zum betrachteten Zeitpunkt (t) dem Anschlagpunkt (H) übermitteln möchte, und man danach im Laufe des Schrittes (b) der Sollwertfilterung: – das Pendelverhalten der schwebenden Last (1) gemäß der angenommenen Bewegung (R, T) durch ein virtuelles Modell (Ẋ = AX + BU) modelliert, welches einen Zustandsvektor (X) verwendet, der zumindest eine Komponente der momentanen Geschwindigkeit (x₁) umfasst, die repräsentativ für die momentane Geschwindigkeit (γ ., x .) des Anschlagpunktes (H) gemäß der angenommenen Bewegung ist, eine Pendel-Winkelkomponente (x₄), die repräsentativ für den Pendelwinkel (θ, ϕ) der schwebenden Last (1) gemäß der angenommenen Bewegung ist, und eine Winkelgeschwindigkeitskomponente (x₃) für das Pendeln, die repräsentativ für die Winkelgeschwindigkeit für das Pendeln (θ ., ϕ .) gemäß der angenommenen Bewegung ist, – man eine Zustandsregelung (U_i = k_i0·V_i – K_i·X) auf das besagte virtuelle Modell (Ẋ = AX + BU) anwendet, die neben einem für den Geschwindigkeitssollwert (V_i) repräsentativen Sollwertglied (k_i0·V_i), das im Rahmen des Erfassungsschrittes erfasst wurde, ein Korrekturglied (K_i·X) umfasst, das dem Produkt eines Korrekturvektors (K_i) mal dem Zustandsvektor (X) entspricht, unter Verwendung eines Korrekturvektors (K_i), bei dem die Korrekturverstärkungen (k_i1, k_i2), die jeweils der Winkelgeschwindigkeitskomponente (x₃) und der Pendelwinkelkomponente (x₄) des Zustandsvektors (X) zugeordnet werden, in Abhängigkeit von einem selben vorbestimmten Typisierungsparameter (Tc) zum Ausdruck gebracht werden, wobei der besagte Typisierungsparameter (Tc) vom Bediener des Hebezeugs frei eingestellt werden kann, um die besagten Korrekturverstärkungen (k_i1, k_i2) einstellen zu können. – man aus dem virtuellen Modell einen gefilterten Geschwindigkeitssollwert (Y, γ ., x .) extrahiert, der der Komponente (x₁) der momentanen Geschwindigkeit des Zustandsvektors (X) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturverstärkungen (k_i1, k_i2) beim Schritt der Sollwertfilterung in Abhängigkeit vom Typisierungsparameter (Tc) ausgedrückt werden, sodass man aus der Entwicklungsmatrix (A – BK) des virtuellen Modells im geschlossenen Regelkreis eine Sub-Matrix (Ar) der Dimension 2×2 extrahieren kann, welche einerseits die besagten Korrekturverstärkungen (k_i1, k_i2) mit zwei Zusatzkomponenten des Zustandsvektors verbindet, Zusatzkomponenten, die vorzugsweise jeweils der Pendel-Winkelgeschwindigkeitskomponente (x₃) und der Pendelwinkelkomponente (x₄) entsprechen, und deren Eigenwerte (λ) andererseits einen reellen Abschnitt ungleich Null besitzen, der vollkommen durch den besagten Typisierungsparameter (Tc) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenwerte (λ) der Sub-Matrix (Ar) einen reellen Abschnitt (Re(λ)) ungleich Null und direkt proportional oder gar gleich dem besagten Typisierungsparameter (Tc) oder umgekehrt (1/Tc) zum Typisierungsparameter besitzen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturverstärkungen (k_i1, k_i2) auch in Abhängigkeit von der Länge (L) des Tragseils (3) ausgedrückt werden, das die schwebende Last (1) mit dem Anschlagpunkt (H) verbindet.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein dynamisches Modell verwendet, welches die Masse (M) des Anschlagpunktes (H) und jene (m) der schwebenden Last (1) einbezieht, wobei das besagte dynamische Modell wie folgt definiert wird: entweder durch ein „ohne Kopplung” genanntes Modell, ausgedrückt durch:
mit:
oder durch ein „mit Kopplung” genanntes Modell, ausgedrückt durch:
mit:
Modelle, bei denen: m [kg] die Masse der schwebenden Last (1) ist, M [kg] die Masse des Anschlagpunktes (H) ist, lγ [kg·m²] das Trägheitsmoment des Hebezeugs (2) ist, welches den Anschlagpunkt (H) trägt, im Verhältnis zur Orientierungsachse (ZZ'), γ [rad] die Winkelstellung des Anschlagpunkts (H) um die Orientierungsachse (ZZ') ist, x [m] der Abstand vom Anschlagpunkt (H) zur Orientierungsachse (ZZ'), L [m] die Länge des Tragseils (3) ist, das die schwebende Last (1) mit dem Anschlagpunkt (H) verbindet, Φ [rad] die radiale Komponente des Pendelwinkels der schwebenden Last (1) in der vertikalen Ebene, die Verteilungsachse (XX') umfassend ist, θ [rad] die orthoradiale Komponente des Pendelwinkels der schwebenden Last (1) in der vertikalen Ebene tangential zur Rotationsbewegung des Anschlagpunkts (H) ist, Tγ [N·m] ist das Motormoment, das angelegt wird, um den Anschlagpunkt (H) in Rotation um die Orientierungsachse (ZZ') zu versetzen, Fx [N] ist die Kraft, die auf den Anschlagpunkt (H) ausgeübt wird, um diesen entlang der Verteilungsachse (XX') voranzubringen,
und dadurch, dass man auf das angenommene Modell die Zustandsregelung anwendet: U_i = k_i0·V_i – K_iX mit K_i = [k_i0,0, k_i1, k_i2], mit der Bestimmung i = d für die Verteilungsregelung, und i = o für die Orientierungsregelung.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Korrekturverstärkungen (k_i1, k_i2) wie folgt erfolgt:
wobei i = d für die Verteilungssteuerung, und i = o für die Orientierungssteuerung ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Typisierungsparameter (Tc) aus einem Bereich ausgewählt wird, der zwischen 0,2 und 2, vorzugsweise zwischen 0,3 und 1,8 liegt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Steuerschritt im offenen Regelkreis umfasst, der darin besteht, den gefilterten Steuersollwert (Y, γ ., x .) auf ein Steuersystem des Hebezeugs im offenen Regelkreis anzuwenden, das heißt auf ein Steuersystem, das den besagten Steuersollwert (Y, γ ., x .) auf Antriebsvorrichtungen des Anschlagpunktes (H) anwendet, die konzipiert sind, um den Anschlagpunkt in der angenommenen Bewegung (R, T) zu bewegen, ohne die gemessene oder berechnete Rückführung für den Winkel, oder die Winkelgeschwindigkeit, des effektiven Pendelns der reellen schwebenden Last, noch vorzugsweise die gemessene oder berechnete Rückführung für die effektive Geschwindigkeit der Bewegung des reellen Anschlagpunkts zu verwenden.
Rechner oder Datenträger, der von einem Rechner gelesen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass er Codeelemente eines EDV-Programms enthält, die die Umsetzung eines erfindungsgemäßen Ansteuerverfahrens ermöglicht, wenn die besagten Codeelemente vom besagten Rechner gelesen werden.
Hebezeug (2), in der Art eines Turmkrans, einen Mast (4) umfassend, der sich in etwa über eine erste vertikale Achse erstreckt, die Orientierungsachse (ZZ') genannt wird, einen Ausleger (5), der den besagten Mast schneidet, der sich über eine zweite Achse erstreckt, die Verteilungsachse (XX') genannt wird, und der einen Anschlagpunkt (H) trägt, an dem eine schwebende Last (1) aufgehängt werden kann, sowie Antriebsvorrichtungen, mit denen der besagte Anschlagpunkt (H) in eine Rotationsbewegung (R) um die Orientierungsachse (ZZ') und in eine Vorschubbewegung (T) entlang der Verteilungsachse (XX') versetzt werden kann, wobei das besagte Hebezeug dadurch gekennzeichnet ist, dass die Antriebsvorrichtung(en) des besagten Hebezeugs, die zumindest einem der beiden Bewegungen zur Rotation (R) und Vorschub (T), und vorzugsweise jeder dieser beiden Bewegungen zugeordnet werden, durch eine Steuervorrichtung gesteuert werden, das mit Rechen- und Programmiermitteln versehen ist, die konzipiert sind, um in Echtzeit durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 einen Brutto-Steuersollwert (V_i) zu filtern, der durch den Bediener des Hebezeugs definiert wird, und zur Anwendung des resultierenden gefilterten Steuersollwerts (Y, γ ., x .) auf die entsprechende Antriebsvorrichtung.