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Anordnung zur selbsttätigen Unterdrückung der Pendelungen einer an
einem Seil hängenden Last, insbesondere eines an einer Laufkatze hängenden Greifers
einer Verladebrücke Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur selbsttätigen Unterdrückung
von Pendelungen einer mittels eines Seiles an einem in waagerechter Ebene bewegbaren
Seilaufhängepunktes hängenden Last bei Bewegung des Seilaufhängepunktes in mindestens
einer waagerechten Koordinate, bei der die Geschwindigkeit des Seilaufhängepunktes
in der waagerechten Ebene durch einen Regelkreis in Abhängigkeit von einer von dem
Auslenkwinkel des Lastseiles gegen das Erdlot abgeleiteten Größe beeinflußt wird,
insbesondere für einen an einer Laufkatze hängenden Greifer einer Verladebrücke.
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Dieses Problem tritt insbesondere bei Verladebrücken mit Greiferbetrieb
auf, bei denen auf der Verladebrücke eine Laufkatze bewegt wird, an der über ein
Seil ein Greifer aufgehängt ist. Durch die Beschleunigung und Verzögerung der Laufkatze
entstehen Pendelungen des Greifers, die wegen der geringen Eigendämpfung des Systems
nur sehr langsam abklingen. Wird die Laufkatze von einem Bedienungs-Mann gesteuert,
so ist es dem Bedienungsmann mit einiger Geschicklichkeit möglich, die Laufkatze
so zu beeinflussen, daß diese Pendelungen weitgehend unterdrückt werden. Abgesehen
davon, daß dieser Umstand für den Bedienungsmann eine starke Belastung darstellt,
ist diese Maßnahme im automatischen Verladebetrieb nicht durchführbar. Es liegt
daher die Aufgabe vor, im Hinblick auf eine anzustrebende hohe Förderleistung, die
Geschwindigkeit der Laufkatze bzw. ihres Fahrwerks durch geej,gnete Maßnahmen automatisch
so zu beeinflussen, daß die Ausbildung von Pendelungen des Greifers bzw. der Last
weitgehend vermieden wird.
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Es ist bereits eine Anordnung zur Lösung der vorstehenden Aufgabe
bekannt, bei der ein Geschwindigkeitsregelkreis für das Katzfahrwerk vorgesehen
ist, dem ein Lageregelkreis für das Einfahren der Laufkatze in die geforderte Stellung
überlagert ist, d. h., aus dem Ausgangswert eines Lagereglers wird eine Führungsgröße
für einen Geschwindigkeitsregelkreis abgeleitet. Bei der bekannten Anordnung wird
der dem Lageregler zugeführten Lageregelabweichung eine von dem Auslenkwinkel der
Pendelung abhängige Größe in der Weise überlagert, daß die Geschwindigkeit der Laufkatze
im Sinne einer Unterdrückung der Pendelungen beeinflußt wird.
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Bei der bekannten Anordnung wird der Auslenkwinkei unmittelbar durch
eine am Greiferseil angebrachte Einrichtung gemessen. Diese unmittelbare Messung
ist jedoch aus verschiedenen Gründen von Nachteil. Der Auslenkwinkel ist eine mechanische
Größe. Die unmittelbare Messung von mechanischen Größen ist immer problematisch,
zumal im vorliegenden Fall die Meßeinrichtung rauhen Betriebs-und Umwelteinflüssen
ausgesetzt ist. Außerdem stört die Meßeinrichtung bei den häufig notwendigen Seilwechseln.
Insbesondere bei Verwendung von Seilzugkatzen ohne bereits vorhandene elektrische
Verbindung zwischen der Laufkatze und dem Bedienungsmann bzw. dem Maschinenhaus
wird darüber hinaus bei mechanischer Winkelmessung eine spezielle elektrische Ubertragungsleitung
für die Meßwertübertragung notwendig.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Anordnung zur
selbsttätigen Unterdrückung von Pendelungen einer mittels eines Seiles an einem
in
waagerechter Ebene bewegbaren Seilaufhängepunktes hängenden Last bei Bewegung
des Seilaufhängepunktes in mindestens einer waagerechten Koordinate, bei der die
Geschwindigkeit des Seilaufhängepunktes in der waagerechten Ebene durch einen Regelkreis
in Abhängigkeit von einer von dem Auslenkwinkel des Lastseiles gegen das Erdlot
abgeleiteten Größe beeinflußt wird, so auszubilden, daß der Auslenkwinkel ohne eine
besondere an der Lastaufhängung anzubringende Einrichtung gemessen werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß
der Auslenkwinkel durch eine Rechenschaltung mittelbar aus anderen MeB-werten gemäß
einer im gegebenen System gültigen Bewegungsgleichung gewonnen wird.
In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele dargestellt, die sich auf eine Verladebrücke
beziehen, auf der eine Laufkatze bewegt wird, an der an einem Seil ein Greifer aufgehängt
ist. Es zeigt F i g. 1 eine schematisch dargestellte Anordnung zur Erläuterung der
Systemgrößen, F i g. 2 einen Regelkreis, in dem die Greifergeschwindigkeit als Regelgröße
verwendet wird, F i g. 3 einen umgeformten Regelkreis nach F i g. 2, F i g. 4 ein
Ausführungsbeispiel einer Rechenschaltung zur Bestimmung des Winkels a in Verbindung
mit einem Regelkreis nach F i g. 3 und F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Rechenschaltung.
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Gemäß F i g. 1 ist ein Greifer an einem Seil einer Laufkatze als Pendel
variabler Länge 1 anzusehen, dessen Masse m punktförmig am Ende des Seiles angenommen
wird. Die Wirkung von Hub- und/oder Schließwerksantrieb wird durch den Kraftvektor
P2 dargestellt. Im Fall konstanter Seillänge muß die Kraft P2 nicht elektrisch aufgebracht
werden, sondern sie kann eine mechanische Zwangskraft im System darstellen. Die
Laufkatze wird ihrerseits durch einen Fahrmotor horizontal angetrieben, was durch
den Kraftvektor P1 dargestellt ist. Hub- und Schließwerk sowie der Fahrmotor für
die Laufkatze können entweder auf der Laufkatze oder an einem anderen Platz angeordnet
sein. Auf die Laufkatze mit der Masse ml wirken die Kräfte P1 und P2 ein. Der Auslenkungswinkel
des Seiles gegen das Erdlot ist mit a bezeichnet, b bedeutet die Beschleunigung
der Laufkatze, vk ihre Geschwindigkeit und g die Erdbeschleunigung. Mit diesen Bezeichnungen
lautet eine wesentliche Bewegungsgleichung des Systems P1 = m1-b+P2-sina. (1) Diese
Gleichung soll für den Fall konstanter Seillänge 1 betrachtet werden und ist die
Grundlage für die in den F i g. 4 und 5 dargestellten Rechenschaltungen zur Feststellung
des Winkels a. Bevor diese mittelbare Bestimmung des Winkels a näher erläutert wird,
soll darauf eingegangen werden, an welcher Stelle der Rechenschaltung die vom Winkel
a abgeleitete Korrekturkomponente zweckmäßig eingespeist wird.
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Der die Kraft P1 ausübende Fahrantrieb für die Laufkatze ist im allgemeinen,
insbesondere im automatischen Betrieb, mit einem Drehzahlregelkreis ausgestattet.-
Die Pendelungen können nun selbsttätig unterdrückt werden, wenn in diesen Regelkreis
eine vom Winkel a abgeleitete Größe eingespeist wird. Dies kann z. B., wie im bekannten
Fall, in der Weise erfolgen, daß eine vom Winkel a abhängige Größe in den dem Geschwindigkeitsregelkreis
überlagerten Lageregelkreis eingeführt wird.
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Im Hinblick auf eine unabhängige Auslegung des Lageregelkreises und
darüber hinaus aus dynamischen Gründen ist es zweckmäßig, wenn man in den Drehzahlregelkreis
des Fahrmotors eine im wesentlichen von der Winkelgeschwindigkeit ü der Pendelung
abhängige Komponente einspeist.
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In beiden Fällen ist daher die Größe des Winkels zu bestimmen, und
zwar ohne eine besondere Winkelmeßeinrichtung. Da die erfindungsgemäß ausgebildete
Anordnung in Verbindung mit einem Regelkreis beschrieben wird, bei dem der Wert
der Winkelgeschwindigkeit a eingespeist wird, sollen zunächst Ausführungsbeispiele
einer derartigen Regelanordnung an Hand der F i g. 2 und 3 näher erläutert werden.
Bei den dort dargestellten Regelkreisen ist die Horizontalkomponente der Greifergeschwindigkeit
uG als Regelgröße angesehen.
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Da die Greifergeschwindigkeit VG bei den gegebenen äußeren
Umständen unmittelbar praktisch nicht gemessen werden kann, wird VG
mittelbar erfaßt. Es gilt die Gleichung VG = VK + VP , (2)
worin
r,-P die Horizontalgeschwindigkeit der reinen Pendelbewegung ist. Die Gleichung
(2) kann auch in der Form VG = VK - ä * 1 " cos a .
(3) geschrieben werden. Demnach müßten Möglichkeiten zur Messung der Größen uK,
1, a und ü vorgesehen werden.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Winkel a im praktischen Betrieb
relativ klein ist (Größenordnung maximal 10°); man kann daher mit guter Näherung
den Faktor cos a als konstant ansehen, also cos a = 1. Somit kann die Bestimmung
von a selbst entfallen, und der Regelkreis erhält eine Ausbildung nach Fig.2.
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In einer Summierungsstelle 1 wird die Regelabweichung gebildet, die
auf den Regler einwirkt. Der Regler selbst beeinflußt über den Katzfahrantrieb die
Regelstrecke, aus der die Größen vK, 1, ü zur Bildung des Istwertes der Greifergeschwindigkeit
VG entnommen werden. In einem Multiplikator wird zunächst das Produkt 1 -
ä gebildet, das an einer Summierungsstelle II von dem Wert der Katzfahrgeschwindigkeit
vK subtrahiert wird, wodurch gemäß der vereinfachten Gleichung (3) der Wert
VG gebildet wird.
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Die Dynamik des Regelkreises nach F i g. 2 läßt sich durch eine dynamische
Störgrößenaufschaltung verbessern, indem man, wie gestrichelt angedeutet, in der
Summierungsstelle I eine zusätzliche Einspeisung anbringt (- K - ü).
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In der praktischen Ausführung kann man sich die Summierungsstelle
1I in F i g. 2 sparen, indem man sie mit der Summierungsstelle I nach üblichen Methoden
zusammenlegt. Es ergibt sich dabei die vorteilhafte Anordnung nach F i g. 3.
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Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß die Seillänge 1 als konstant
angenommen werden kann, weil ihr Einfluß im Rahmen der üblichen Abweichungen von
1, auf die Güte der Ausregelung nicht wesentlich ins Gewicht fällt. Für diesen einfachsten
Fall wird der Multiplikator der F i g. 2 und 3 zu einem die Proportionalität berücksichtigenden
P-Glied. Es müssen dann nur noch die Größen vK und d ermittelt werden. Der Wert
von VK läßt sich auf einfache Weise durch eine Tachomaschine gewinnen. Der Wert
von ü wird durch Differenzieren des Wertes von a gewonnen.
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Die Messung des Winkels a ist das Problem, das der Erfindung zugrunde
liegt. An Stelle einer unmittelbaren Messung mittels eines Meßsystems an der Seilaufhängung
sieht die Erfindung eine Rechenschaltung vor, die den Winkel a fortlaufend aus leicht
meßbaren, einfacher zugänglichen Systemparametern errechnet. Der Aufbau der Rechenschaltung
erfolgt dabei zweckmäßig nach der Bewegungsgleichung (1). Es gilt
Da a relativ klein ist und man daher den sin a durch das Bogenmaß
a mit guter Näherung ersetzen kann, folgt
Für diesen angenäherten Fall hätte man daher eine Rechenschaltung nach F i g. 5
vorzusehen. (Für den exakten Fall hätte man hinter dem multiplikativen Glied ein
arcsin-Glied vorzusehen.) Es zeigt sich nun, daß sich die Größen b, P, und P2 auf
einfache Weise gewinnen lassen. Die Größe b ergibt sich als zeitliche Ableitung
der Katzfahrgeschwindigkeit vK, die ohnehin beim Soll-Istwert-Vergleich im Drehzahlregelkreis
vorhanden sein muß.
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P, ist dem Antriebsmoment Mk und damit dem Ankerstrom JAK des
Katz-Fahrmotors proportional (der Einfluß der Reibung sei hier vernachlässigt).
Entsprechendes gilt für die Beziehung zwischen P2 und den resultierenden Ankerströmen
JAH der Hubeinrichtung. P2 kann für das jeweilige Arbeitsspiel als Konstante (also
unabhängig von a) angesehen werden; genaugenommen ist P2 nur dann eine Konstante,
wenn sich d- jystem Laufkatze-Greifer relativ in Ruhe zueinander befindet. Doch
sind wegen der nur geringen Winkelauslenkung bei den Pendelungen die Schwankungen
um den Ruhewert so gering, daß sie ohne weiteres vernachlässigt werden können. Damit
läßt sich das Strukturbild der Rechenschaltung nach F i g. 5 insofern vereinfachen,
als aus dem multiplikativen Glied ein proportionales P-Glied mit der Konstanten
wird. Der numerische Wert von P2 hängt natürlich von der jeweiligen Belastung ab.
Für den exakten Fall hätte man daher bei elektrisch aufgebrachter Zwangskraft, aus
JAH ein P-Glied P2 abzuleiten und in einem Dividierglied
zu erzeugen. Dieser Wert würde dann zur variablen Einstellung des Verstärkungsfaktors
des aus dem Multiplikator nach F i g. 5 hervorgehenden P-Gliedes dienen. Für den
praktischen Fall kann auch hier eine Vereinfachung vorgenommen werden, da der Wert
von P2 im wesentlichen von den beiden Betriebszuständen abhängt, die sich mit beladenem
und unbeladenem Greifer ergeben. Kennt man die diesbezüglichen Konstanten, die sich
auf einfache Weise bestimmen lassen, so läßt sich im Betrieb durch eine einfache
Vorgabe von Hand oder automatisch immer die zugehörige richtige Verstärkung einstellen.
Im allgemeinen kann man mit der Umschaltung zwischen den beiden genannten Zuständen
auskommen. Ferner ergab sich aus Versuchen, daß zum guten Fuktionieren der Pendelungsunterdrückung
durchaus nicht die echten zeitlichen Ableitungen der Größen vK und a gebildet zu
werden brauchen (was üblicherweise mit erheblichen Schwierigkeiten verknüpft ist),
sondern es genügte jeweils ein Vorhaltglied.
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Eine im vorstehenden Sinne vereinfachte, als vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
zu betrachtende Schal-tung ist in F i g. 4 dargestellt. Die erfindungsgemäß
ausgebildete Rechenschaltung ist in dem gestrichelten Teil dargestellt, wogegen
der andere Teil eine übliche Regelkreisschaltung zeigt (s. hierzu F i g. 3).
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An dem Soll-Istwert-Vergleich in der Summierungsstelle 1 des Drehzahlregelkreises,
ist, gemäß dem Strukturbild nach F i g. 3, vGso", vK und K* - ä einzuspeisen. Die
Rechenschaltung gemäß F i g. 4 liefert den Wert von K* - d. Dazu wird über ein P-Glied
1
aus den Größen MK bzw. JAK der Wert der Kraft P, gewonnen. Uber ein
Vorhaltglied 2 und ein P-Glied 3 mit der Masse ml der Laufkatze als Faktor wird
aus der Laufkatzgeschwindigkeit vK die Größe ml - b ge-
bildet. In einer Summierungsstelle
4 wird die Differenz P, - ml - b ermittelt. Durch das dieser Summierungsstelle
nachgeschaltete P-Glied 5 mit dem einstellbaren Faktor
wird die Größe
gebildet, die gemäß Gleichung (5) dem Winkel a entspricht. Uber ein Vorhaltglied
6 wird ä und über ein P-Glied 7 der Wert K* - d gebildet.
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Die Rechenschaltung läßt sich in bekannter Weise durch elektronische
Verstärker mit RC-Beschaltung realisieren. Da die Größen vK und JAK einfach zu messen
sind, wird durch die Erfindung eine einfache Meßschaltung angegeben, die es ermöglicht,
frei von rauhen Betriebs- und Umwelteinflüssen und frei von den erwähnten Nachteilen
einer mechanischen Meßanordnung den Auslenkungswinkel a in Form einer elektrischen
Größe zu bestimmen. Die Benutzung einer yom Winkel a abgeleiteten Größe ä ermöglicht
den gerätetechnischen Aufbau eines Systems gemäß F i g. 4 und bewirkt, wie experimentelle
Untersuchungen gezeigt haben, eine überaus wirkungsvolle Unterdrückung der Pendelschwingungen.
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Die bisherigen Betrachtungen beschränken sich auf die Bewegung der
Laufkatze in einer Koordinatenrichtung. Die Erfindung kann auch bei solchen Anordnungen
Verwendung finden, bei denen die Laufkatze Bewegungen z. B. in zwei Koordinatenrichtungen
ausführt, wie es z. B. bei Portalkränen der Fall ist. Bei einem derartigen Anwendungsfall
wird daher zweckmäßig für jede Koordinate eine Anordnung gemäß der Erfindung vorgesehen,
die auf die jeweiligen Antriebsmotoren einwirkt.
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Entsprechend der bekannten Anordnung wird dem Regelkreis nach F i
g. 4 zum Zwecke der selbsttätigen Lagefeststellung der Laufkatze noch ein Lageregelkreis
überlagert, der unabhängig von dem Geschwindigkeitsregelkreis eingestellt werden
kann.