特許 7438925 クレーン、及びクレーンの制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-16

(45)【発行日】2024-02-27

(54)【発明の名称】クレーン、及びクレーンの制御方法

(51)【国際特許分類】

   B66C 13/22 20060101AFI20240219BHJP

【ＦＩ】

B66C13/22 M

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020209997

(22)【出願日】2020-12-18

(65)【公開番号】P2022096804

(43)【公開日】2022-06-30

【審査請求日】2023-05-19

(73)【特許権者】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】桃井 康行

(72)【発明者】

【氏名】小田井 正樹

(72)【発明者】

【氏名】家重 孝二

(72)【発明者】

【氏名】及川 裕吾

【審査官】今野 聖一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－９０３３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－２３９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第５２１９４２０（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開昭５５－８０６８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平９－４０３６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００５／０１２１５５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６６Ｃ １３／００－１５／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロープの巻上巻下げにより吊荷を上下方向に移動させる巻上装置と、
前記巻上装置を取り付け、前記吊荷を水平方向に移動させる水平移動装置と、
前記吊荷の目標速度を入力する操作入力装置と、
前記水平移動装置の速度指令値を生成する速度指令値演算装置と、
前記水平移動装置の速度指令値にしたがい前記水平移動装置の速度を制御する制御装置とを有するクレーンであって、
前記速度指令値演算装置は、
前記吊荷の目標速度とロープ回転中心から吊荷重心までのロープ長とから前記吊荷の振れを抑制するための前記水平移動装置の速度指令値を出力する荷振れ抑制制御装置を有し、
前記荷振れ抑制制御装置における前記吊荷の目標速度から前記水平移動装置の速度指令値までの伝達関数Ｇ(ｓ)は、
Ｇ(ｓ)＝ωｃ＾２／ωｒ＾２・(ｓ＾２＋２ζｒ・ωｒ・ｓ＋ωｒ＾２)／
(ｓ＾２＋２ζｃ・ωｃ・ｓ＋ωｃ＾２)の関係式で与えられ、
ここで、「ωｃ」、「ζｃ」は制御パラメータ、「ωｒ=ｓｑｒｔ(ｇ／Ｌ)」、「ζｒ=ｖｌ／(ｇ／Ｌ)」、「ｇ」は重力加速度、「Ｌ」はロープ回転中心から吊荷重心までの距離、「ｖｌ」は巻上速度であり、「＾」はべき乗、「ｓｑｒｔ」は平方根を表している、
更に、前記関係式のωｒ、ζｒ、ωｃ、ζｃが、δ=ωｃ／ωｒ、ζｃ=δ・ζｒ／２＋ｓｑｒｔ（（δ・ζｒ／２）＾２＋１／２）の関係を満たしている
ことを特徴とするクレーン。

【請求項2】

請求項１記載のクレーンにおいて、
ζｒは０と見なし、ζｃをｓｑｒｔ（１／２）とする
ことを特徴とするクレーン。

【請求項3】

ロープの巻上巻下げにより吊荷を上下方向に移動させる巻上装置と、
前記巻上装置を取り付け、前記吊荷を水平方向に移動させる水平移動装置と、
前記吊荷の目標速度を入力する操作入力装置と、
前記水平移動装置の速度指令値を生成する速度指令値演算装置と、
前記水平移動装置の速度指令値にしたがい前記水平移動装置の速度を制御する制御装置とを有するクレーンであって、
前記速度指令値演算装置は、
前記吊荷の目標速度とロープ回転中心から吊荷重心までのロープ長とから前記吊荷の振れを抑制するための前記水平移動装置の速度指令値を出力する荷振れ抑制制御装置を有し、
前記荷振れ抑制制御装置における前記吊荷の目標速度から前記水平移動装置の速度指令値までの伝達関数Ｇ(ｓ)は、
Ｇ(ｓ)＝ωｃ＾２／ωｒ＾２・(ｓ＾２＋２ζｒ・ωｒ・ｓ＋ωｒ＾２)／
（ｓ＾２＋２ζｃ・ωｃ・ｓ＋ωｃ＾２)／ＤＭ(ｓ)の関係式で与えられ、
ここで、「ωｃ」、「ζｃ」は制御パラメータ、「ωｒ=ｓｑｒｔ(ｇ／Ｌ)」、「ζｒ=ｖｌ／(ｇ／Ｌ)」、「ｇ」は重力加速度、「Ｌ」はロープ回転中心から吊荷重心までの距離、「ｖｌ」は巻上速度、ＤＭ(ｓ)は前記水平移動装置の速度指令値から速度までの伝達関数であり、「＾」はべき乗、「ｓｑｒｔ」は平方根を表している、
更に、前記関係式のωｒ、ζｒ、ωｃ、ζｃが、δ=ωｃ／ωｒ、ζｃ=δ・ζｒ／２＋ｓｑｒｔ（（δ・ζｒ／２）＾２＋１／２）の関係を満たしている
ことを特徴とするクレーン。

【請求項4】

ロープの巻上巻下げにより吊荷を上下方向に移動させる巻上装置と、
前記巻上装置を取り付け、前記吊荷を水平方向に移動させる水平移動装置と、
前記吊荷の目標速度を入力する操作入力装置と、
前記水平移動装置の速度指令値を生成する速度指令値演算装置と、
前記水平移動装置の速度指令値に従い前記水平移動装置の速度を制御する制御装置とを有するクレーンの制御方法であって、
前記速度指令値演算装置は、
前記吊荷の目標速度とロープ回転中心から吊荷重心までのロープ長とから前記吊荷の振れを抑制するための前記水平移動装置の速度指令値を演算し、
前記吊荷の目標速度から前記水平移動装置の速度指令値までの伝達関数Ｇ(ｓ)は、
Ｇ(ｓ)＝ωｃ＾２／ωｒ＾２・(ｓ＾２＋２ζｒ・ωｒ・ｓ＋ωｒ＾２)／
(ｓ＾２＋２ζｃ・ωｃ・ｓ＋ωｃ＾２)の関係式で与えられ、
ここで、「ωｃ」、「ζｃ」は制御パラメータ、「ωｒ=ｓｑｒｔ(ｇ／Ｌ)」、「ζｒ=ｖｌ／(ｇ／Ｌ)」、「ｇ」は重力加速度、「Ｌ」はロープ回転中心から吊荷重心までの距離、「ｖｌ」は巻上速度であり、「＾」はべき乗、「ｓｑｒｔ」は平方根を表している、
更に、前記関係式のωｒ、ζｒ、ωｃ、ζｃが、δ=ωｃ／ωｒ、ζｃ=δ・ζｒ／２＋ｓｑｒｔ（（δ・ζｒ／２）＾２＋１／２）の関係を満たしていることを特徴とするクレーンの制御方法。

【請求項5】

ロープの巻上巻下げにより吊荷を上下方向に移動させる巻上装置と、
前記巻上装置を取り付け、前記吊荷を水平方向に移動させる水平移動装置と、
前記吊荷の目標速度を入力する操作入力装置と、
前記水平移動装置の速度指令値を生成する速度指令値演算装置と、
前記水平移動装置の速度指令値に従い前記水平移動装置の速度を制御する制御装置とを有するクレーンの制御方法であって、
前記速度指令値演算装置は、
前記吊荷の目標速度とロープ回転中心から吊荷重心までのロープ長とから前記吊荷の振れを抑制するための前記水平移動装置の速度指令値を演算し、
前記吊荷の目標速度から前記水平移動装置の速度指令値までの伝達関数Ｇ(ｓ)は、
Ｇ(ｓ)＝ωｃ＾２／ωｒ＾２・(ｓ＾２＋２ζｒ・ωｒ・ｓ＋ωｒ＾２)／
（ｓ＾２＋２ζｃ・ωｃ・ｓ＋ωｃ＾２)／ＤＭ(ｓ)の関係式で与えられ、
ここで、「ωｃ」、「ζｃ」は制御パラメータ、「ωｒ=ｓｑｒｔ(ｇ／Ｌ)」、「ζｒ=ｖｌ／(ｇ／Ｌ)」、「ｇ」は重力加速度、「Ｌ」はロープ回転中心から吊荷重心までの距離、「ｖｌ」は巻上速度、ＤＭ(ｓ)は前記水平移動装置の速度指令値から速度までの伝達関数であり、「＾」はべき乗、「ｓｑｒｔ」は平方根を表している、
更に、前記関係式のωｒ、ζｒ、ωｃ、ζｃが、δ=ωｃ／ωｒ、ζｃ=δ・ζｒ／２＋ｓｑｒｔ（（δ・ζｒ／２）＾２＋１／２）の関係を満たしている
ことを特徴とするクレーンの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、吊荷を吊下げて搬送するクレーン、及びクレーンの制御方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、クレーンの熟練作業者の高齢化や、クレーン設置台数の増加による人手不足に伴い、経験の浅い未習熟作業者がクレーンを運転（操作）する場合が増加している。未習熟作業者は、特に吊荷の振れを抑制する振れ止め操作が不得手であり、吊荷の振れによる衝突や挟まれなどの事故のリスクが高く、また、吊荷の振れが収まるまでに時間を要し作業時間が長くなる。

【0003】

そこで、より安全で、かつ、作業効率を向上させるために、自動で吊荷の振れを抑制する技術として、例えば以下に示す、「特許文献１」、及び「非特許文献１」、「非特許文献２」に示された技術が知られている。

【0004】

「特許文献１」には、ロープの巻上巻下げにより吊荷を上下方向に移動させる巻上装置と、巻上装置を取り付けた吊荷を水平方向に移動させる水平移動装置と、水平移動装置に取り付けロープを介して吊り下げられる巻上装置と、吊荷の目標速度を入力する操作入力装置を有するクレーンにおいて、吊荷の水平方向の目標速度とクレーンのモデルに基づき吊荷のモデル速度を演算し、吊荷の目標速度とモデル速度とが一致、又は近づくように、水平移動装置の速度指令値を演算して制御する荷振れ抑制制御が開示されている。

【0005】

また、「非特許文献１」、及び「非特許文献２」には、ＤＭＭ法（Ｄｕａｌ Ｍｏｄｅｌ Ｍａｔｃｈｉｎｇ法）により設計された制御器により、吊荷の目標速度とモデル速度とが一致、又は近づくように、水平移動装置の速度指令値を演算して制御する方法が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１８－２３９１号公報

【非特許文献】

【0007】

【文献】張・他２名、ＩＤＣＳによる長さの変化するクレーンシステムの運動と振動の制御、第５４回自動制御連合講演会論文集（２０１１）

【文献】森・他４名、フィードバック制御シミュレーションに基づく水平２軸実機天井クレーンのセンサレス振れ止め制御、日本機械学会Ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ２０１６ＵＳＢ論文集（２０１６）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上述した先行技術文献によれば、荷振れ検出センサを用いることなく、巻上げ操作によりロープ長が変化しても、トロリが停止した後の荷振れ（残留荷振れ）を抑制できる。

【0009】

しかしながら、上述した制御を行うと、残留荷振れを抑制するための制御により、トロリが停止するまでの距離（制動距離）が増加し、操作性が低下するという新たな課題が発生する。

【0010】

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、荷振れ抑制制御による制動距離の増加を低減し、操作性を向上させることが可能なクレーン及びクレーンの制御方法を提供すること目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本発明は、その一例を挙げると、
ロープの巻上巻下げにより吊荷を上下方向に移動させる巻上装置と、
巻上装置が取り付けられ、吊荷を水平方向に移動させる水平移動装置と、
吊荷の目標速度を入力する操作入力装置と、
水平移動装置の速度指令値を生成する速度指令値演算装置と、
速度指令値に従い水平移動装置の速度を制御する制御装置を有するクレーンであって、
速度指令値演算装置は、吊荷の目標速度とロープ長とから吊荷の振れを抑制するための水平移動装置の速度指令値を出力する荷振れ抑制制御装置を有し、荷振れ抑制制御装置における吊荷の目標速度から水平移動装置の速度指令値までの伝達関数Ｇ(ｓ)が、
Ｇ(ｓ)＝ωｃ＾２／ωｒ＾２・(ｓ＾２＋２ζｒ・ωｒ・ｓ＋ωｒ＾２)／
(ｓ＾２＋２ζｃ・ωｃ・ｓ＋ωｃ＾２)の関係式で与えられ、
ここで、「ωｃ」、「ζｃ」は制御パラメータ、「ωｒ=ｓｑｒｔ(ｇ／Ｌ)」、「ζｒ=ｖｌ／(ｇ／Ｌ)」、「ｇ」は重力加速度、「Ｌ」はロープ回転中心から吊荷重心までの距離、「ｖｌ」は巻上速度であり、「＾」はべき乗、「ｓｑｒｔ」は平方根を表している、
また、上述の関係式のωｒ、ζｒ、ωｃ、ζｃが、δ=ωｃ／ωｒ、ζｃ=δ・ζｒ／２＋ｓｑｒｔ((δ・ζｒ／２)＾２＋１／２)の関係を有している
ことを特徴とするクレーンである。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、荷振れ抑制制御による制動距離の増加を低減し、操作性を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の対象となるクレーンの構成を示す構成図である。

【図2】本発明が適用されるクレーンの制御ブロックの構成を示すブロック図である。

【図3】操作入力装置により生成される吊荷目標速度指令値を説明する説明図である。

【図4】クレーンの模式図である。

【図5】荷振れ抑制制御を行わない場合のクレーンの時間応答の例を示す説明図である。

【図6】先行技術の制御ブロックの構成を示すブロック図である。

【図7】先行技術の効果の例を示す説明図である。

【図8】本発明の制御ブロックの構成を示すブロック図である。

【図9】本発明の効果の例を示す説明図である。

【図10】本発明の第２の実施形態における制御ブロックの構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

【0015】

ここで、本発明は、吊荷を水平方向に移動可能なクレーン全般に有効であり、トロリ、及びガーダにより吊荷を横行、及び走行させるクレーン(例えば、天井クレーン)はもちろん、横行、又は走行のみを行うクレーン(例えば、アンローダ)においても適用できるものである。つまり、以下で述べる「クレーン」という用語は、吊荷を水平方向に移動可能な全ての種類のクレーンを含むものである。

【0016】

また、クレーンで搬送する荷物(吊荷)は、ロープやチェーン等により吊り下げられて搬送されるが、本発明においては荷物の吊り下げに用いることができる吊り具であれば限定されるものではなく、材質や形状等もその種類を問わないものである。そのため、上述したように、「ロープ」という用語は、荷物の吊り下げに用いる吊り具を総称する用語として用いている。すなわち、「ロープ」には、いわゆるロープだけでなく、チェーン、ベルト、ワイヤー、ケーブル、紐、縄等が含まれる。

【実施例1】

【0017】

次に、本発明の第1の実施形態になるクレーンの構成と、その動作について説明する。尚、各図面において、同一機器(装置、部品)には同一の参照符号を付し、以下の説明では既出の機器の説明は省略する場合がある。

【0018】

図１は、天井クレーンの概略の構成を示している。尚、本発明が天井クレーンに限定されないことは上述したとおりである。

【0019】

図１において、クレーン１は、工場等の建屋(図示せず)の両側の壁に沿って設けられたランウェイ２と、このランウェイ２の上面を移動するガーダ３と、ガーダ３の下面に沿って移動するトロリ４から構成される。ガーダ３とトロリ４には電動モータで駆動される車輪が設けられており、この車輪によってガーダ３とトロリ４は移動可能である。

【0020】

また、トロリ４の下部には図示しない巻上装置(ホイスト)が設けられており、これを用いてロープ５を巻き上げ、または、巻き下げることにより、ロープ５の先端のフック６を昇降させる。このフック６に直接、或いはワイヤー７を介して吊荷８を吊り下げており、フック６の昇降に伴い、吊荷８が昇降する。

【0021】

すなわち、クレーン１は、ガーダ３の水平方向の移動(以下、単に「走行」と称する)と、トロリ４の水平方向の移動(以下、単に「横行」と称する)により吊荷８を水平方向に移動させ、巻上装置により吊荷８を垂直方向(上下方向)に昇降させることができる。本実施形態では、このトロリ４による横行、ガーダ３による走行により水平方向移動が行われる。

【0022】

図１では、トロリ４とガーダ３が「水平移動装置」に該当するが、トロリ４、或いはガーダ３の一方でも「水平移動装置」とすることもできる。本実施形態は吊荷を水平方向に移動させる動作に関係するので、本実施形態に関する以下の説明は「横行」と「走行」による水平方向移動の動作を中心に説明する。尚、以下の説明において、吊荷の移動とは、トロリ４を駆動した移動(横行)、ガーダ３を駆動した移動(走行)のいずれか、あるいは両方を示すものである。

【0023】

図２は、本実施形態になるクレーンの制御ブロックを示している。尚、図２では説明を簡単にするために、トロリ４により横行するクレーン１を示しており、ガーダ３による走行は図２では省略している。また、トロリ４とガーダ３を移動するための電動モータ等の駆動部は省略している。

【0024】

図２はクレーンの制御ブロックを示しており、水平移動装置(ガーダ３とトロリ４)の速度指令値を演算する速度指令値演算装置１００と、電動モータ制御装置３００から構成されている。速度指令値演算装置１００からの速度指令値４０１は、電動モータ制御装置３００に与えられ、電動モータ制御装置３００によって速度指令値４０１に対応した電力が、ガーダ３とトロリ４の電動モータに与えられる。

【0025】

速度指令値演算装置１００は汎用の計算機を使用したものが主流であり、内蔵しているプログラムやデータ等を用いて、速度指令値４０１を生成するなどの演算処理を実行するマイクロプロセッシングユニット(ＭＰＵ)１０１、先のプログラムやデータ等を記憶するメモリ１０２、外部からのデータ、信号の入力や、ＭＰＵ１０１が演算処理した信号等を外部に出力するための入出力制御部１０３から構成されている。ＭＰＵ１０１、メモリ１０２、入出力制御部１０３は、信号やデータの授受を行うためのバスライン１０４で接続されている。これらの構成は、コンピュータシステムとして良く知られている。

【0026】

入出力制御部１０３には、吊荷目標速度指令値４００を生成する操作入力装置２００が接続されている。操作入力装置２００には、操作者が操作する操作端末装置２０１が備えられており、操作端末装置２０１には、吊荷の移動方向である「前方」、「後方」、「右方」、「左方」、「上方」、及び「下方」の各方向に対応した操作ボタン２０２が設けられ、押された操作ボタンに対応して吊荷目標速度指令値４００が生成され、速度指令値演算装置１００へ出力される。

【0027】

図３は、操作入力装置２００による吊荷目標速度指令値４００の生成の例を示している。時刻(ｔ１)で操作ボタン２０２が押される(ＯＮになる)と、押された操作ボタンの方向に対応する吊荷目標速度指令値は増加していき、操作ボタン２０２が継続して押されている間は定速移動速度値を維持し、その後の時刻(ｔ２)で操作ボタン２０２が離される(ＯＦＦになる)と、吊荷目標速度指令値は減少していき、最終的に「０」となる。

【0028】

速度指令値演算装置１００には、操作入力装置２００による吊荷目標速度指令値以外にも、生産管理システムなどの上位制御系から、吊荷の移動計画に基づき生成された吊荷目標速度指令値が入力されるようにしても良い。

【0029】

電動モータ制御装置３００は、速度指令値演算装置１００から出力される速度指令値４０１を入力して、トロリ４の水平方向移動(横行)速度を制御する。電動モータ制御装置３００の具体的な構成は図示していないが、速度指令値演算装置１００と同様に汎用の計算機、及びインバータ回路等により構成できる。また、電動モータ制御装置３００は、速度指令値演算装置１００と同一の筐体に搭載しても良い。

【0030】

尚、図２では省略しているが、速度指令値演算装置１００は、トロリ４だけでなく、走行制御する場合にはガーダ３の水平方向移動(走行)速度を制御する速度指令値も出力する。ガーダ３側では、この速度指令値により吊荷の水平方向移動(走行)速度が制御される。また、速度指令値演算装置１００には、図示しないロープ長検出器の出力であるロープ長が入力される。

【0031】

次に、吊荷の振れ（荷振れ）を抑制する荷振れ抑制制御を説明する。図４にクレーンの模式図を示している。ここでは、トロリ４が移動する横行を例にする。ガーダが移動する走行も同様であり、横行方向と走行方向の荷振れはそれぞれ独立した振れと考えればよい。

【0032】

図４からクレーン（トロリ４に吊り下げられたロープ５及び吊荷８）の運動方程式は次式のようになる。
Ｌ・ｘ１’’(ｔ)＋２ｖｌ・ｘ１’(ｔ)＋ｇ・ｘ１(ｔ)
＋Ｌ・ｘ０’’(ｔ)＝０…(１)
ここで、「ｘ０(ｔ)」はトロリの位置の時間関数、「ｘ１(ｔ)」は吊荷の振れ(荷振れ)の時間関数、「Ｌ」はロープの回転中心から吊荷重心までの距離(振子長)、「ｖｌ」は巻上速度、「ｇ」は重力加速度である。また、「’」は時間微分を表しており、以下の式でも同様である。

【0033】

そして、この関係式をラプラス変換すると、次式を得る。
(ｓ＾２＋２ζｒ・ωｒ・ｓ＋ωｒ＾２)・Ｘ１(ｓ)＝ｓ＾２・Ｘ０(ｓ)…(２)
ここで、ωｒ＝ｓｑｒｔ(ｇ／Ｌ)、ζｒ＝ｖｌ／ｓｑｒｔ(ｇ・Ｌ)であり、「ｓ」はラプラス演算子、「Ｘ０(ｓ)」はトロリ位置のラプラス変換、「Ｘ１(ｓ)」は荷振れのラプラス変換である。また、「＾」はべき乗、「ｓｑｒｔ」は平方根(ルート)を表しており、以下の式においても同様である。

【0034】

この関係式からトロリ速度Ｖ０(ｓ)(＝ｓ・Ｘ０(ｓ)）に対する荷振れＸ１(ｓ)の伝達関数Ｐ(ｓ)は次式になる。
Ｐ(ｓ)＝Ｘ１(ｓ)／Ｖ０(ｓ)＝Ｘ１(ｓ)／(ｓ・Ｘ０(ｓ)）
＝－ｓ／(ｓ＾２＋２ζｒ・ωｒ・ｓ＋ωｒ＾２)…（３）
関係式(３)に対して、図３に示した吊荷目標速度指令値である台形速度波形を与えた時の荷振れの時間応答を求める。ここでは、加速時の荷振れを求めるが、減速・停止時も同様に求めることができる。加速時の吊荷目標速度指令値ｖｐｒｅｆ(ｔ)は次式で与えられる。
ｖｐｒｅｆ(ｔ)＝Ｖ・(ｕ１(０)－ｕ１(Ｔａ)）…（４）
ここで、「Ｖ」はトロリの定速移動速度、「Ｔａ」は加速時間、「ｕ１」は単位ランプ関数である。

【0035】

これをラプラス変換すると、次式を得る。
Ｖｐｒｅｆ(ｓ)＝Ｖ／Ｔａ・(１－ｅｘｐ(－ｓ・Ｔａ))／ｓ＾２…（５）
ここで、「Ｖｐｒｅｆ(ｓ)」は吊荷目標速度指令値ｖｐｒｅｆ(ｔ)のラプラス変換である。吊荷目標速度指令値Ｖｐｒｅｆ(ｓ)がトロリ４の電動モータ制御装置３００に入力され、トロリ４はその速度指令値に追従する。

【0036】

すなわち、Ｖ０(ｓ)＝Ｖｐｒｅｆ(ｓ)とすれば、荷振れＸ１(ｓ)は次式のようになる。
Ｘ１(ｓ)＝Ｐ(ｓ)・Ｖ０（ｓ）
＝－Ｖ・(１－ｅｘｐ(－ｓ・Ｔａ))／
(ｓ・Ｔａ・(ｓ＾２＋２ζｒ・ωｒ・ｓ＋ωｒ＾２)）…（６）
これを逆ラプラス変換すると、加速時の荷振れの時間応答が得られる。

【0037】

図５は、得られたトロリ速度と荷振れの時間応答の例を示している。このように、トロリ４に台形波速度指令を与えると、伝達関数Ｐ(ｓ)の分母が零となる極である角周波数ωｒ(周波数ωｒ／２π)の荷振れが発生する。

【0038】

次に、この荷振れを抑制するための荷振れ抑制制御装置について説明する。図６に荷振れ抑制制御装置を付加した構成を示している。荷振れ抑制制御装置１１０は、速度指令値演算装置１００に搭載され、操作入力装置２００から入力された吊荷目標速度指令値４００から、トロリ４の電動モータ制御装置３００へ出力するトロリ４の速度指令値４０１を生成する。トロリ４は入力された速度指令値４０１に追従する、すなわち、トロリ４の速度指令値４０１と、トロリ４の速度４０２が一致するとすれば、吊荷目標速度指令値４００に対するトロリ速度指令値４０１の伝達関数Ｇ(ｓ)は次のようにすれば良い。

【0039】

荷振れを抑制するには、伝達関数Ｐ(ｓ)の分母が零となる極を相殺する項として、１／ωｒ＾２・(ｓ＾２＋２ζｒ・ωｒ・ｓ＋ωｒ＾２)を伝達関数Ｇ(ｓ)の分子に持てば良い。更に、吊荷速度指令値ｖｐｒｅｆ(ｓ)へのトロリ４の追従性、安定性を確保するために、伝達関数Ｇ(ｓ)の分母には分子と同じ次数となるように、１／ωｃ＾２・(ｓ＾２＋２ζｃ・ωｃ・ｓ＋ωｃ＾２)を持てば良い。ここで、「ωｃ」、「ζｃ」は制御パラメータである。尚、制御パラメータ「ωｃ」は、水平移動装置の速度指令値が速度・加速度の制限値を超えない値とする。

【0040】

よって、吊荷の目標速度から水平移動装置の速度指令値までの伝達関数Ｇ(ｓ)は次式のように表される。
Ｇ(ｓ)＝ωｃ＾２／ωｒ＾２・(ｓ＾２＋２ζｒ・ωｒ・ｓ＋ωｒ＾２)／
(ｓ＾２＋２ζｃ・ωｃ・ｓ＋ωｃ＾２)…（７）
上述した先行技術(非特許文献１、非特許文献２)によれば、制御パラメータωｃ、ζｃはトロリ４の運動する周波数帯域でゲインを０ｄＢ、位相遅れを０ｄｅｇになるように設定するとしている。

【0041】

そして、上記の伝達関数Ｇ(ｓ)を用いて、荷振れ抑制制御を行う場合のトロリ速度、荷振れは次式になる。
Ｖ０（ｓ）＝Ｇ(ｓ)・Ｖｐｒｅｆ(ｓ)…（８）
Ｘ１（ｓ）＝Ｐ(ｓ)・Ｖ０(ｓ)
＝－Ｖ・(１－ｅｘｐ(－ｓ・Ｔａ)）／（ｓ・Ｔａ）・ωｃ＾２／
ωｒ＾２／(ｓ＾２＋２ζｃ・ωｃ・ｓ＋ωｃ＾２)…（９）
この式を逆ラプラス変換すると、トロリ速度と荷振れの時間応答が得られる。図７は、得られたトロリ速度と荷振れ、減速開始時の位置を基準としたトロリ位置の時間応答の例を示している。

【0042】

この図７に示されるように、荷振れ抑制制御により加速後及び減速・停止後の荷振れは抑制される。しかしながら、トロリ位置を見ると、減速開始時からトロリ４が停止するまでの移動距離(制動距離)は制御無に比べ増加している。このため、操作者が想定している制動距離(従来の制御無での制動距離)以上にトロリ４が移動するため、操作性が低下してしまうという課題を生じる。

【0043】

本実施形態では、制動距離の増加を低減し、操作性を向上するために、制御パラメータωｃ、ζｃを次のように設定する。ここでは、次式で求められる吊荷の速度ｖ０１(ｔ)に着目している。
ｖ０１(ｔ)＝ｖ０(ｔ)＋ｘ１’(ｔ)…（１０）
この式をラブラス変換、逆ラプラス変換すると、次式を得る。
Ｖ０１（ｓ）＝Ｖ０(ｓ)＋ｓ・Ｘ１(ｓ)
＝(１＋ｓ・Ｐ(ｓ))・Ｖ０(ｓ)
＝Ｖ・(１－ｅｘｐ(－ｓ・Ｔａ))・ωｃ＾２／
(ｓ＾２・Ｔａ・ωｒ＾２)・(２ζｒ・ωｒ・ｓ＋ωｒ＾２)／
(ｓ＾２＋２ζｃ・ωｃ・ｓ＋ωｃ＾２)…（１１）
ｖ０１(ｔ)＝α１(ｔ)＋α２(ｔ)＋α３(ｔ)＋α４(ｔ)…（１２）
ここで、
α１(ｔ)＝Ｖ／Ｔａ・(ｕ１(０)－ｕ１(Ｔａ))
α２(ｔ)＝２Ｖ／Ｔａ・(ζｒ／ωｒ－ζｃ／ωｃ)・(ｕ０(０)－ｕ０(Ｔａ))
α３(ｔ)＝－２Ｖ／Ｔａ・(ζｒ／ωｒ－ζｃ／ωｃ)・(ｕ０(０)・
ｅｘｐ(－ζｃ・ωｃ・ｔ)・ｃｏｓ(ｓｑｒｔ(１－ζｃ＾２)ωｃ・
ｔ)－ｕ０(Ｔａ)・ｅｘｐ(－ζｃ・ωｃ(ｔ－Ｔａ))・
ｃｏｓ(ｓｑｒｔ(１－ζｃ＾２)ωｃ(ｔ－Ｔａ)))
α４(ｔ)＝Ｖ／Ｔａ(２ζｃ＾２・ωｒ－２ζｒ・ζｃ・ωｃ－ωｒ)／
(ｓｑｒｔ(１－ζｃ＾２)ωｒ・ωｃ)・(ｕ０(０)・
ｅｘｐ(－ζｃ・ωｃ・ｔ)・ｓｉｎ(ｓｑｒｔ(１－ζｃ＾２)ωｃ・
ｔ)－ｕ０(Ｔａ)・ｅｘｐ(－ζｃ・ωｃ(ｔ－Ｔａ))・
ｓｉｎ(ｓｑｒｔ(１－ζｃ＾２)ωｃ(ｔ－Ｔａ)))
であり、ｕ０は単位ステップ関数である。
そして、ｖ０１(ｔ)の項を見ると、α１(ｔ)はトロリ速度指令値そのもの、α２(ｔ)、α３(ｔ)は荷振れ速度であり、α４(ｔ)が制動距離増加の原因となる余剰速度となっている。

【0044】

そこで、本実施形態においては、常にα４(ｔ)を零とすればよく、次式を満たすようにωｃ、ζｃを決定すればよい。つまり、次式の関係を満たすようにすればよいことを特徴としている。
Ｖ／Ｔａ(２ζｃ＾２・ωｒ－２ζｒ・ζｃ・ωｃ－ωｒ)／
(ｓｑｒｔ(１－ζｃ＾２)ωｒ・ωｃ)＝０…（１３）
そして、この式をζｃについて解くと、次式にようになる。
ζｃ＝δ・ζｒ／２＋ｓｑｒｔ((δ・ζｒ／２)＾２＋１／２)…（１４）
ここで、δ＝ωｃ／ωｒである。また、ωｃは水平移動装置の速度指令値が速度・加速度の制限値を超えない値とし、これはトロリ４の性能から決定する。

【0045】

図８に本発明により決定された制御パラメータωｃ、ζｃを用いる場合の構成を示している。また、図９に本発明の荷振れ抑制制御を行った場合のトロリ速度、荷振れ、減速開始時の位置を基準としたトロリ位置の時間応答の例を示している。本発明の荷振れ抑制制御によっても、加速後、及び減速・停止後の荷振れは抑制されている。また、トロリ位置を見ると、本発明により制動距離は先行技術より短縮しており、より従来に近い操作性にすることができている。

【0046】

以上のように、荷振れ抑制制御の制御パラメータωｃ、ζｃを決定することにより、荷振れを抑制しながらも制動距離を短縮し、操作性を改善することができる。尚、巻上げ、巻下げ操作の時間が短く、巻上速度による荷振れの影響が小さいと想定する場合には、ζｃ＝ｓｑｒｔ（１／２）≒０．７１としてもよい。

【0047】

また、横行方向の吊荷目標速度指令値と走行方向の吊荷目標速度指令値を合成した合成吊荷目標速度指令値、あるいは、任意の方向の吊荷目標速度指令値に対して本発明の荷振れ抑制制御を適用し、その結果得られた速度指令値を横行方向の速度指令値と走行方向の速度指令値に分配して、トロリとガーダを駆動するようにしてもよい。

【実施例2】

【0048】

次に、本発明の第２の実施形態を図１０に基づいて説明する。尚、上述の実施例と共通する構成、動作については、必要がない場合は重複する説明を省略する。

【0049】

図１０は本発明の第２の実施形態における制御ブロックの構成を示すブロック図である。第１の実施形態では、トロリ４の速度が速度指令値に追従する、すなわち、トロリ４の速度が速度指令値に一致する、と想定している。

【0050】

しかしながら、トロリ４やガーダ３が大型、または、吊荷の重量が大きい時は、トロリ４の速度が速度指令値に追従しない場合がある。この場合には、電動モータ制御装置３００、トロリ４を含めた吊荷目標速度指令値４００に対するトロリ速度４０２の伝達関数Ｇ２(ｓ)が荷振れを抑制する特性を持つようにする。

【0051】

すなわち、伝達関数Ｐ(ｓ)の分母が零となる極を相殺する項として、１／ωｒ＾２・(ｓ＾２＋２ζｒ・ωｒ・ｓ＋ωｒ＾２)を分子に持ち、吊荷目標速度指令値４００へのトロリの追従性、安定性を確保するために、分母に分子と同じ次数となるように、１／ωｃ＾２・(ｓ＾２＋２ζｃ・ωｃ・ｓ＋ωｃ＾２)を持てばよい。ここで、上述したように、「ωｃ」、「ζｃ」は制御パラメータである。

【0052】

よって、伝達関数Ｇ２(ｓ)は次式のようにすればよい。
Ｇ２(ｓ)＝ωｃ＾２／ωｒ＾２・(ｓ＾２＋２ζｒ・ωｒ・ｓ＋ωｒ＾２)／
（ｓ＾２＋２ζｃ・ωｃ・ｓ＋ωｃ＾２)…（１５）
このζｃは、実施例１の関係式(１４)により決定し、ωｃは水平移動装置の速度指令値が速度・加速度の制限値を超えない値とし、トロリ４の性能から決定する。

【0053】

これより、吊荷目標速度指令値４００に対する速度指令値４０１の伝達関数Ｇ(ｓ)は、トロリの速度指令値４０１に対する速度４０２までの伝達関数であるＤＭ(ｓ)＝Ｄ(ｓ)・Ｍ(ｓ)の逆特性を含めた次式のようにすればよい。
Ｇ（ｓ）＝Ｇ２（ｓ）／ＤＭ（ｓ）…（１６）
ここで、Ｄ(ｓ)は電動モータ制御装置の伝達関数、Ｍ(ｓ)はトロリの伝達関数である。

【0054】

以上のようすれば、トロリが大型、または、吊荷の重量が大きい時にトロリの速度が速度指令値に一致しない場合でも、荷振れを抑制しながらも制動距離を短縮し、操作性を改善することができる。

【0055】

なお、本発明は上記したいくつかの実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。各実施例の構成について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

【符号の説明】

【0056】

１…クレーン、２…ランウェイ、３…ガーダ、４…トロリ、５…ロープ、６…フック、７…ワイヤー、８…吊荷、１００…速度指令値演算装置、１１０…荷振れ抑制制御装置、２００…操作入力装置、３００…電動モータ制御装置、４００…吊荷目標速度、４０１…トロリ速度指令値、４０２…トロリ速度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】