EP0394147B1

EP0394147B1 - Dispositif de contrôle automatique de la position et des oscillations d'une charge suspendue durant son transfert au moyen d'un appareil de levage

Info

Publication number: EP0394147B1
Application number: EP90420187A
Authority: EP
Inventors: Jean Lucien Rozinoer; Jacques Rapin; Patrick Perrard; Bernard Caron
Original assignee: Reel SAS
Current assignee: Reel SAS
Priority date: 1989-04-14
Filing date: 1990-04-12
Publication date: 1993-09-22
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: EP0394147A1; ATE94850T1; FR2645846A1; FR2645846B1; DE69003432D1

Description

La présente invention concerne un dispositif de contrôle automatique de la position et des oscillations d'une charge suspendue durant son transfert, notamment au moyen d'un appareil de levage.
L'invention peut être adaptée à des engins de levage de types variés, tels que par exemple des portiques, des ponts roulants ou des grues. La manutention d'une charge par un engin de levage entraîne des balancements de la charge qu'il est souhaitable d'amortir aussi complètement que possible afin de pouvoir déposer sans difficulté la charge en un endroit précis. De plus, dans le cadre de manutention de charges dangereuses pour l'environnement, il est souhaitable de transférer les dites charges en un temps relativement court et surtout, en prenant soin que celles-ci restent dans un plan parfaitement stable et vertical.
Actuellement, seuls les grutiers ayant une longue expérience arrivent à obtenir une stabilisation tout à fait relative des oscillations de la charge . Toutefois, ces stabilisations ne sont pas satisfaisantes car elles demandent généralement du temps pour les obtenir.
On a également fait appel à des mâts rigides ou des mâts télescopiques solidaires d'un chariot mobile en translation. Toutefois, ce type d'installation reste coûteux et encombrant, car il implique l'aménagement d'un volume situé au-dessus du chariot afin de permettre le passage du mât. Donc, si cette réalisation est satisfaisante sur le plan technique, en revanche, elle n'est pas compatible avec une industrialisation de masse adaptée à toute situation.
On a également proposé de haubanner la charge au moyen de câbles inclinés symétriques. Ce haubannage se révèle long et fastidieux à mettre en place, et n'est donc pas adapté à un transfert de charge répétitif.
Dans le brevet français FR-A-2 399 378, on a proposé un dispositif d'anti-balancement de charge du type en question, dans lequel l'organe de transfert subit des lois d'accélération sinusoïdales déterminées. Toutefois, si cette loi est valable pour une période donnée, c'est-à-dire pour une longueur de câble donnée, en revanche, elle n'est pas adaptée à une variation de la dite longueur de câble.
Dans la demande de brevet française FR-A-2 598 141, on a décrit un système piloté en temps minimum. Dans ce système, la charge subit une accélération dans les deux sens pour compenser les balancements. De fait, on ne s'occupe pas des oscillations pendant le transfert, mais uniquement au départ et à l'arrivée. Or comme déjà dit, ces oscillations sont rédhibitoires pour certaines applications, notamment dans le cadre de l'environnement et de la sécurité du personnel.Un tel système a en outre été décrit dans le brevet allemand DE-A-3 513 007, qui comme dans le cas précédent, fonctionne en boucle ouverte, autrement dit, ne présente pas de dispositif d'asservissement, tant sur la position que sur l'angle d'oscillation de la charge pendulaire, et donc ne permet pas un controle et un amortissement continus des oscillations pendant le transfert.
Le brevet britannique GB-A-2 030 727 décrit un système du type en question, dans lequel on ne se préoccupe que de l'absence d'oscillations résiduelles au lieu de transfert final de la charge pendulaire. Pour ce faire, il propose d'adjoindre à l'installation un simulateur analogique, destiné à calculer de manière répétitive la vitesse à imposer à l'organe de transfert, et ce en fonction des données introduites initialement, à savoir les coordonnées des positions initiales et finales de la charge à transférer. Comme dans les cas précédents, il n'existe pas d'asservissement simultané sur la position et sur l'oscillation de la charge, de sorte que l'on retrouve les mêmes inconvénients .
Dans le document DE-A-2 005 323, on propose également un système du type en question, dans lequel on procède à l'asservissement de l'oscillation de la charge. Néanmoins, on ne se préoccupe en aucun cas de l'asservissement en position, de sorte que l'on ne peut aboutir avec ce type d'installation à un transfert de charges couplant à la fois la rapidité de la phase proprement dite du transfert, et le maintien de la charge dans un strict plan vertical.
La présente invention vise à pallier ces inconvénients. Elle propose un dispositif d'asservissement pour transférer rapidement et avec de faibles oscillations une charge suspendue comprenant :

au moins un moyen de guidage sur lequel se déplace un chariot mobile en translation actionné par un moteur, auquel est accroché un câble (ou une tige) à l'autre extrêmité duquel (de laquelle) est suspendue la dite charge à transférer ;
au moins un capteur de position destiné à repérer en permanence la position du chariot par rapport à un point déterminé, et à fournir un signal dit de position correspondant à ce repérage ;
un capteur angulaire disposé sur le chariot, destiné à mesurer la valeur de l'angle que forme le câble ou la tige par rapport à la verticale, et à fournir un signal dit angulaire correspondant à cette mesure ;
une première boucle d'asservissement comprenant :
- . un premier comparateur destiné à fournir l'écart angulaire entre le signal angulaire ainsi déterminé et une valeur angulaire de référence prédéterminée, au moyen d'un modèle de référence, en fonction de la destination de la charge et de la vitesse de translation désirée ;
- . un correcteur proportionnel destiné à multiplier l'écart ainsi déterminé par une constante fixée à l'avance ;

La présente invention se caractérise en ce que le dit dispositif comprend :

une seconde boucle d'asservissement dite de position, comprenant :
- . un second comparateur destiné à fournir l'écart entre le signal de position et une position théorique de référence prédéterminée par le même modèle de référence, en fonction des mêmes données ;
- . un correcteur proportionnel et intégral destiné d'une part, à multiplier le dit écart par une constante prédéterminée et d'autre part, à intégrer le dit écart par rapport au temps sur un intervalle également prédéterminé ;
un sommateur, relié respectivement à la sortie du correcteur proportionnel, du correcteur proportionnel et intégral et d'un amplificateur destiné à amplifier la valeur de la vitesse de référence, également déterminée au moyen du dit modèle de référence, en fonction des mêmes données, le dit sommateur étant destiné à sommer les valeurs issues de ces sorties pour délivrer un signal apte à actionner le moteur de commande du chariot.

En d'autres termes, la présente invention se caractérisé en ce que l'on munit le dispositif de transfert de charge de deux boucles d'asservissement reliées d'une part à des capteurs mesurant respectivement l'angle formé par le câble ou la tige par rapport à la verticale et la position du chariot, et d'autre part à l'organe de commande du moteur actionnant le chariot, l'asservissement étant effectué en fonction des valeurs déterminées par un modèle de référence tenant compte de la vitesse désirée et du point de transfert de charge.
Selon la présente invention, les valeurs de référence déterminées par le modèle dit de référence, à savoir la position angulaire, la vitesse et la position, sont issues de la loi suivante : ${Γ = ϑ'' (l}_{o} + vt) + 2vϑ' + gϑ$

où ϑ, ϑ' et ϑ'' désignent respectivement l'angle, la vitesse angulaire et l'accélération angulaire, g désigne l'accélération de la pesanteur, l_o la longueur initiale du câble (ou de la tige), v la vitesse constante de variation de la longueur du câble (ou de la tige), et Γ l'accélération du chariot.
Dans un cas particulier de la présente invention, pour lequel la longueur du pendule défini par la charge ne varie pas, les valeurs de référence déterminées par le modèle de référence sont issues de la loi suivante : ${Γ = ϑ''l}_{o} + gϑ$
Avantageusement, en pratique :

le chariot est mobile en direction sur un premier moyen de guidage rectiligne, lui-même mobile en translation sur un second moyen de guidage rectiligne, coplanaire mais selon une direction perpendiculaire à celle du dit premier moyen de guidage, le dit second moyen de guidage étant actionné au moyen d'un moteur également asservi au moyen de deux boucles d'asservissement (en position et en angle) de même nature que celles précédemment décrites pour le mouvement en direction, l'asservissement étant fonction d'un modèle de référence qui est propre au dit moteur ;
le chariot est mobile sur un pont roulant ;
le chariot est mobile selon un mouvement radial sur un premier moyen de guidage, lui-même mobile en rotation au moyen d'un organe de rotation, actionné au moyen d'un moteur également asservi par l'intermédiaire d'une boucle d'asservissement en fonction d'un modèle de référence qui lui est également propre ;
le chariot est mobile le long de la flèche horizontale d'une grue ;
les calculs d'asservissement sont réalisés environ vingt fois par seconde au moyen d'un organe de calcul numérique.

La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif mais non limitatif, à l'appui des figures annexées.
La figure 1 représente un chariot de transfert guidé par un rail unidirectionnel.
La figure 2 représente le même chariot susceptible de se déplacer selon deux directions différentes et coplanaires, tel qu'un pont roulant.
La figure 3 est un schéma représentant le déplacement plan de la charge au moyen d'un pont roulant, en accord avec la présente invention.
La figure 4 représente une grue munie de sa charge susceptible de se déplacer également selon au moins deux directions différentes et coplanaires.
La figure 5 est un graphique représentant en regard l'une de l'autre les courbes caractéristiques respectivement de l'accélération, de la vitesse, de l'angle et de la position communiquées au chariot selon le modèle de référence conforme à l'invention pour une longueur fixe du pendule défini par la charge, correspondant à la longueur initiale l_o.
La figure 6 est un schéma du principe de fonctionnement et de l'asservissement du dispositif conforme à l'invention.
La figure 7 est un schéma de principe de la détermination des valeurs de référence au moyen du modèle de référence conformément à la présente invention.
La figure 8 est un graphique représentant deux courbes en regard l'une de l'autre correspondant respectivement à la variation angulaire et à la position de la charge en fonction du temps, dont la longueur varie au cours du transfert, l'appareil de levage auquel est suspendu la charge étant asservi conformément à l'invention.
Les figures 9 et 10 représentent une courbe correspondant au signal d'accélération fourni par le modèle de référence à l'appareil de levage auquel est suspendue la charge, dans lesquelles respectivement, la longueur du pendule constitué par la charge varie jusqu'à la fin du transfert, ou est stoppée avant la fin de celui-ci.
Le dispositif conforme à l'invention va tout d'abord être décrit dans le cas d'un déplacement rectiligne unidirectionnel d'une charge (5) (voir figure 1), suspendue au moyen d'un câble (4) à un chariot (1). Le chariot (1) se déplace sur des rails (2) indéformables, au moyen d'un moteur non représenté. Le chariot (1) comporte en outre un cylindre enrouleur (3) susceptible de faire varier la hauteur de la charge (5).
Le moteur provoquant le déplacement du chariot (1) est un moteur à vitesse variable, dont on commande la vitesse par un dispositif communément appelé "variateur électronique de vitesse", sur lequel on applique une consigne de vitesse définie par une tension appliquée entre deux points, la dite tension étant proportionnelle à cette vitesse.
Au cours du déplacement, la charge suspendue (5) présente une déviation angulaire ϑ par rapport à la verticale. De manière tout à fait connue, la théorie donne comme valeur de la période des oscillations : $T = 2π \sqrt{\frac{1}{g}}$

où g est l'accélération de la pesanteur et l la longueur du pendule.
Le chariot (1) présente un capteur angulaire non représenté, situé dans le plan vertical défini par le mouvement, et destiné à mesurer l'angle ϑ. Ce capteur angulaire du type potentiomètre est bien connu pour cette application.
Le dispositif conforme à l'invention présente également un capteur de la position réelle du chariot sur les rails (2) par rapport à une position d'origine prédéterminée. Ce capteur non représenté peut être constitué par une crémaillère solidaire des rails (2), sur laquelle engrène un codeur numérique solidaire du chariot (1). De la sorte, la position réelle du chariot est définie avec précision et connue instantanément.
Afin de limiter les oscillations de la charge suspendue (5) lors du transfert tout en effectuant celui-ci à une vitesse palier prédéterminée par l'opérateur, le moteur d'actionnement du chariot (1) est doublement asservi. La position réelle mesurée comme précédemment décrit, est comparée à une position de référence déterminée au moyen d'un modèle de référence qui sera décrit ultérieurement. L'écart obtenu au niveau d'un comparateur (20) est alors soumis à un traitement au niveau d'un correcteur proportionnel et intégral (21). Ce traitement consiste de manière connue, d'une part à multiplier l'écart ainsi obtenu par une constante prédéterminée fonction des caractéristiques du système, et d'autre part, à ajouter à cette valeur l'intégrale par rapport au temps du dit écart de position, le signal de sortie dudit correcteur (21) étant de la forme : ${K₁(pos.réf.-pos.réelle) + K₂ ∫}_{o}^{t} (pos.réf.- pos. réelle)dt$

où K₁ et K₂ désignent les dites constantes prédeterminées.
De même, la valeur réelle mesurée de l'angle ϑ que forme la charge suspendue avec la verticale, est également comparée au moyen d'un comparateur (22) avec un angle de référence également déterminé au moyen du modèle de référence. L'écart angulaire ainsi déterminé subit un traitement dans un correcteur proportionnel (23). Le traitement suivi dans le correcteur proportionnel consiste en une simple multiplication par une constante prédéterminée également fonction des caractéristiques du système de la valeur du dit écart.
Les deux valeurs ainsi déterminées, issues des correcteurs (23) et (21) sont additionnées dans un sommateur (24) à une troisième valeur correspondant à la vitesse de référence issue du modèle de référence, laquelle est multipliée préalablement par une constante dans l'amplificateur (25).
Le signal issu du sommateur (24) est alors transformé en signal analogique au moyen d'un convertisseur numérique analogique non représenté, puis transféré au moteur d'actionnement du chariot (1). Les deux boucles d'asservissement sont ainsi complètement décrites.
De manière avantageuse, les comparateurs (20,22) ainsi que les deux correcteurs (21,23) et l'amplificateur (25), de même que le sommateur (24) et le convertisseur numérique analogique, sont concentrés dans une même carte de traitement électronique. La dite carte est gérée au moyen d'un microprocesseur saisissant les mesures d'angle et de position réelle ainsi que les commandes d'asservissement quelques vingt fois par seconde. De la sorte, les oscillations éventuelles de la charge sont rigoureusement contrôlées et immédiatement compensées par les dites boucles d'asservissement.
Le même dispositif est appliqué dans le cadre d'un transfert plan. Comme on peut le voir dans la figure 2, le chariot (1) se déplace en direction (Y) sur les rails (2), ces derniers se déplaçant eux-mêmes en translation (X) coplanaire et perpendiculaire à la direction (Y) du chariot (1). Les rails (2) solidaires entre eux sont guidés sur des rails rectilignes (6), également indéformables.
Le dispositif conforme à l'invention implique un déplacement de la charge dans un plan vertical, notamment représenté dans la figure 3. De la sorte, le mouvement de la charge résulte de la composante de deux mouvements en translation d'une part, en direction d'autre part. L'opérateur définit lui-même les vitesses en palier pour chacun des mouvements V_X et V_Y. En fonction des espaces à parcourir P_X et P_Y, les temps respectifs P_X/V_X et P_X/V_Y ne sont pas nécessairement égaux. Le mouvement le plus lent impose sa loi au mouvement résultant et de fait, la vitesse du deuxième est ajustée pour réaliser le mouvement dans le même temps et avoir ainsi une synchronisation des deux mouvements qui se traduit par un mouvement situé dans un plan vertical passant par les points de départ et d'arrivée de la charge.
Les deux mouvements selon (X) et (Y) sont indépendants et virtuellement découplés notamment pour l'asservissement, en dehors du fait que les vitesses sont calculées au préalable afin d'obtenir un déplacement selon un plan vertical fixe contenant les deux points de départ et de destination de la charge.
Il en résulte donc deux lois.de mouvements simultanés, l'une suivant l'axe X, l'autre suivant l'axe Y. A chacune, correspond un modèle de référence et un asservissement. Le microprocesseur réalise les calculs pour les deux à chaque période de temps, c'est-à-dire environ vingt fois par seconde. De la sorte, il y a deux boucles d'asservissement pour chacune des deux composantes du mouvement, respectivement une boucle d'asservissement en position en association avec un capteur de position, et une boucle d'asservissement angulaire en association avec un capteur angulaire. Il y a donc finalement quatre boucles d'asservissement.
Dans cette forme de réalisation, les capteurs angulaires sont situés selon deux plans perpendiculaires, à savoir l'un défini par le plan vertical de translation, et l'autre par le plan vertical de direction.
Dans une autre forme de réalisation, le dispositif est adapté au transfert d'une charge suspendue à une grue (voir figure 4). De manière connue, les mouvements d'une grue sont respectivement radiaux le long de la poutre portante (10) et circulaires autour de son axe de pivotement (11). Comme dans les deux cas précédents, le déplacement de la charge est effectué selon un plan vertical, de la position P₁ située à la distance R₁ de l'axe de pivotement, et formant un angle α₁ par rapport à l'axe de référence OX, à une position P₂, distante de l'axe de pivotement (11) d'une distance R₂, formant avec l'axe de référence OX un angle α₂. De la sorte, ce déplacement en ligne droite nécessite au préalable de calculer dans l'espace cartésien OX-OY l'équation de la dite droite, de déterminer en projection sur les axes OX-OY les lois du mouvement avec les modèles de référence et asservissements comme précédemment, et ensuite de retransformer les équations cartésiennes en équations polaires correspondant respectivement au mouvement circulaire et au mouvement radial. De fait, le microprocesseur effectue donc simplement une étape supplémentaire de transformation de coordonnées cartésiennes en coordonnées polaires, et ce au moyen d'un convertisseur approprié.
Il va être décrit maintenant plus en détail le modèle de référence conforme à la présente invention. Dans les différentes étapes de calcul qui vont suivre, on va assimiler la charge suspendue à un pendule simple de masse m.
g représente l'accélération de la pesanteur ;
l_o la longueur initiale du pendule ;
v la vitesse constante de variation de la longueur du support de la charge ;
ϑ l'angle du câble avec la verticale ;
Γ l'accélération du point P représentant le chariot.
La théorie du pendule suffisamment connue pour ne pas être développée davantage ici, permet d'arriver avec la théorie de LAGRANGE à l'expression suivante : $2mll'ϑ' + ml²ϑ'' = mΓlcosϑ - mglsinϑ$

où les symboles ' et '' représentent respectivement la dérivée première et la dérivée seconde de la variable correspondante par rapport au temps.
L'angle ϑ par rapport à la verticale restant suffisamment faible, il est raisonnable de linéariser cette équation par rapport à ϑ : $2l'ϑ' + lϑ'' + gϑ = Γ$
La variation de l est supposée linéaire à partir de l_o. On peut donc écrire : ${l = l}_{o} + vt$

d'où finalement l'expression suivante : ${ϑ''(l}_{o} + vt) + 2vϑ' + gϑ = Γ (Ω)$

qui correspond à une équation différentielle linéaire variable. Dans le cas le plus simple où la longueur du pendule reste constante, et en utilisant la transformée de LAPLACE pour résoudre l'équation précédente, on trouve que pour une accélération Γ constante, la période T d'oscillation du pendule est égale à : $T = 2π \sqrt{\frac{1}{g}}$
Ces différents résultats sont répertoriés au sein de la figure 5 dans laquelle la courbe I représente l'accélération Γ constante, la courbe II représente la variation de la vitesse, la courbe III représente la variation de l'angle et enfin, la courbe IV celle de la position et ce, pour différentes phases, respectivement la phase A de montée en vitesse, la phase B qui correspond à un palier correspondant à la vitesse maximum, et la phase C correspondant à la descente en vitesse. L'accélération Γ est constante pendant un temps T égal à la période du pendule et la décélération de même valeur pendant la même durée. De fait, les trois autres courbes II, III et IV s'en déduisent. Comme on peut le voir, pour une accélération constante, la montée en vitesse est linéaire. En revanche, lorsque l'accélération stoppe, on obtient un palier de vitesse. De même, la décélération étant constante, on observe une descente de vitesse symétrique par rapport à la montée.
La courbe de position est obtenue par simple intégration de celle de la vitesse par rapport au temps.
La valeur de l'angle est une fonction sinusoïdale du temps, qui s'annule pendant le palier et devient symétrique pendant la décélération par rapport à sa valeur lors de la phase d'accélération.
Pour chaque mouvement, l'opérateur fixe les données du système qui sont :

la valeur prédéterminée de la vitesse en palier du chariot ;
la longueur du pendule ;
les coordonnées du point d'arrivée.

Ces trois données permettent de calculer les trois références en fonction du temps, respectivement la vitesse du chariot v, l'angle de déviation ϑ et la position du chariot P. De fait, la loi est ainsi parfaitement définie par ce modèle de référence. Si le pendule est parfait, correctement identifié,si le moteur actionnant le chariot n'a pas de dynamique et que son gain est égal à 1, et en l'absence de perturbation , le comportement réel du pendule est celui du modèle de référence.
Toutefois, du fait des écarts observés et mesurés entre la réalité et la théorie, on associe au modèle un asservissement, dont le principe de fonctionnement est représenté sur la figure 6.
L'asservissement appliqué au moteur permet de suivre au plus près les valeurs définies par le modèle de référence pour arriver à une déviation angulaire nulle au point d'arrivée de la charge en corrigeant les écarts entre la théorie et la réalité. De plus, les effets d'éventuelles perturbations sont également atténués, par exemple les oscillations du départ lors de la prise de la charge et les chocs imprévus en cours de transfert.
Comme déjà dit, le microprocesseur effectue les différents calculs environ 20 fois par seconde afin de réajuster à chaque fois la valeur de consigne de vitesse du chariot.
L'asservissement en fin de mouvement est maintenu jusqu'à ce que la position soit atteinte avec la tolérance exigée et que l'oscillation soit amortie pour arriver à une valeur maximum dans la tolérance exigée.
Dans le cas général où la longueur du pendule est variable, par exemple pour éviter un obstacle, l'asservissement reste le même, mais le modèle de référence est légèrement plus complexe. Le point de départ redevient l'équation vue plus haut référencée Ω : ${ϑ''(l}_{o} + vt) + 2vϑ' + gϑ = Γ (Ω)$
Le principe de la commande est de générer une loi d'accélération Γ telle que le comportement du pendule constitué par la charge soit celui du pendule de longueur constante l_o. Il devient alors possible d'utiliser le dispositif décrit dans le cas de la commande d'un pendule de longueur constante. Les termes linéaires variables sont alors compensés en générant une commande du type : ${Γ = τ}_{P} + termes de compensation$

le terme τ_P sera défini ultérieurement.
Les termes de compensation sont fonctions de la variation de la longueur l du pendule et permettent de transformer le pendule de longueur variable en un pendule de longueur constante l_o dont la période est : $T = 2π \sqrt{\frac{l_{o}}{g}}$
Les termes de compensation sont pris sur le modèle de référence déjà utilisé dans le cas du pendule de longueur constante, ce modèle donnant ainsi ϑ'_ref, ϑ''_ref en dérivant ϑ_ref.
La montée de la charge commence en même temps que la translation du chariot, mais du fait que cette montée peut se terminer soit au cours de la montée en vitesse du chariot, soit pendant le palier, soit même pendant la décélération, cinq cas différents peuvent se présenter pour lesquels l'équation précédente s'écrit différemment.
L'exemple qui suit illustre un cas particulier de variation de longueur du pendule, mais il est bien entendu que l'on peut généraliser ce type de calcul à n'importe quel type de variation de longueur.

1/ Pendant la mise en vitesse du chariot et alors que la longueur du pendule varie avec une vitesse v, l'équation de commande devient : ${Γ = ϑ''}_{ref} {.vt + 2vϑ'}_{ref} {+ τ}_{P}$
pour t ≦ T ou t ≦ t_e, t_e représentant le temps de variation de la longueur du pendule.
L'équation Ω devient alors : ${ϑ''l}_{o} {+ gϑ = τ}_{P}$
dans le cas où ϑ' = ϑ'_ref et ϑ'' = ϑ''_ref
2/ Pendant la mise en vitesse du chariot et après la variation de longueur du pendule (si celle-ci est différente de l_o), la commande devient : ${Γ = ϑ''}_{ref} {(l}_{e} {- l}_{o} {) + τ}_{P}$
pour t_e ≦ t ≦ T et l_e longueur finale du pendule en t_e.
L'équation Ω devient alors : ${ϑ''l}_{o} {+ gϑ = τ}_{P} {si ϑ'' = ϑ''}_{ref}$
3/ Pendant le palier et quelle que soit la variation de longueur du pendule, la commande a pour valeur :
Γ = O
4/ Pendant la décélération du chariot et alors que la longueur du pendule varie avec une vitesse v', la commande est donnée par : ${Γ = ϑ''}_{ref} {.v't + 2v'ϑ'}_{ref} {+ ϑ''}_{ref} {(l}_{e} {- l}_{o} {) + τ}_{P}$
après translation de l'origine des temps en t = t_d, instant de début de décélération.
L'équation Ω qui vaut dans ce cas : ${ϑ''(l}_{e} + v't) + 2v'ϑ' + gϑ = Γ$
devient alors : ${ϑ''l}_{o} {+ gϑ = τ}_{P} {si ϑ'' = ϑ''}_{ref} {et ϑ' = ϑ'}_{ref}$
5/ Pendant la décélération du chariot et alors que la variation de la longueur du pendule est arrêtée en : ${t = t}_{d} {+ t'}_{e}$
et qu'elle est égale à l_o + vt_e + v't'_e, la commande est donnée par : ${Γ = ϑ''}_{ref} {(vt}_{e} {+ v't'}_{e} {) + τ}_{P}$
l'équation Ω devient alors : ${ϑ''l}_{o} {+ gϑ = τ}_{P} {si ϑ''}_{ref} = ϑ''$

La position atteinte en fin de trajectoire est donnée par l'intégrale double de Γ. A partir du résultat de ce calcul, il suffit de choisir la constante τ_P pour que la position atteinte en fin de trajectoire soit celle désirée. Par exemple :
si v = V de 0 à t_e avec t_e = T_e
et v' = -V de t_d à t'_e + t_d avec t'_e = T_e
on montre que : $τ_{P} = \frac{V_{ref.max}}{T + \frac{V}{g} (cos2π \frac{T_{e}}{T} - 1)}$
Pour T_e = T ou T_e > T, il n'y a pas de changement par rapport au pendule à longueur constante : $τ_{P} = \frac{V_{max}}{T}$
Le modèle de référence correspond à celui représenté sur la figure 7, laquelle résume les cinq cas répertoriés précédemment, et pour laquelle les fonctions f et h dépendent de la situation considérée comme le montre le tableau ci-dessous, dans lequel v désigne la vitesse de montée du pendule, c'est à dire la vitesse de diminution de la longueur du pendule, et v' sa vitesse de descente.
Les fonctions f et h sont respectivement homogènes à une longueur et à une vitesse, qui multipliées respectivement par une accélération angulaire ϑ'' et une vitesse angulaire ϑ', deviennent alors homogènes à une accélération. L'expression suivante, schématisée au sein de la figure 7, constitue alors les termes de compensation mentionnés précédemment, associés à la valeur de τ_P :
h.ϑ' + f.ϑ'' : termes de compensation
Ainsi, selon la figure 7, le modèle de référence pour un pendule linéaire de longueur l_o (30) détermine les valeurs ϑ_ref, ϑ'_ref et ϑ''_ref . Les modules (31) et (32) déterminent respectivement les valeurs des fonctions h et f, en fonction des différentes phases du transfert de la charge. Les fonctions f et h ainsi déterminées sont alors multipliées respectivement à ϑ''_ref et ϑ'_ref, les expressions ainsi obtenues étant alors sommées et ajoutées à la valeur de τ_P au moyen d'un sommateur (33), la dite valeur de τ_P étant calculée préalablement en fonction de la position de destination de la charge.
De la sorte, le signal de sortie du sommateur (33) correspond à la valeur de Γ, c'est à dire au signal d'accélération communiqué à la charge, par l'intermédiaire du dispositif de levage. La valeur de Γ est corrigée en moyenne 20 fois par seconde, afin de tenir compte d'une part des éventuelles perturbations susceptibles d'intervenir en cours de transfert, et d'autre part, en fonction des différentes phases de transfert.
Le signal Γ est intégré successivement deux fois, au moyen des intégrateurs (34) et (35), afin de donner les valeurs de v_ref et de la position de référence.
De manière avantageuse, l'ensemble des intégrateurs et sommateurs est intégré au sein du même microprocesseur assurant le calcul du modèle de référence.
On a représenté au sein de la figure 8 un exemple de la conséquence de l'asservissement sur les oscillations angulaires en fonction du temps sous la forme d'une courbe. Afin de mieux refléter les différentes phases du transfert, on a représenté également en regard de cette courbe la courbe représentative de la position de la charge pendant son transfert en fonction du temps.
On distingue de fait nettement trois phases successives, correspondant respectivement à l'accélération en début de transfert, générant une oscillation d'amplitude relativement réduite (l'échelle des ordonnées est graduée en radians), la dite amplitude étant rapidement amortie au moyen de l'asservissement . On passe ensuite à une phase d'oscillations quasiment négligeables, correspondant à la phase à vitesse palier. Puis une nouvelle phase d'amplitude inverse plus importante, correspondant à la décélération apparaît. Le point de destination de la charge est alors atteint. De fait, il existe une phase supplémentaire, consécutive au passage de la charge par la position finale, au cours de laquelle elle est soumise à l'asservissement décrit ci-dessus, afin justement d'amortir les oscillations résiduelles.
Dans les figures 9 et 10, on a représenté sous forme de courbes deux signaux d'accélération Γ fournis au dispositif de levage et résultant du traitement ci-dessus décrit, d'une part, dans le cas où la durée de variation de la longueur du pendule défini par la charge correspond à celle du transfert, et d'autre part, dans le cas où cette durée est inférieure à la durée de transfert.
Comme on peut le voir, dans le premier cas, lors des phases d'accélération et de décélération les signaux correspondants sont globalement symétriques, la phase à vitesse constante générant bien entendu un signal nul.
En revanche, dans le second cas, pour lequel la variation de la longueur du pendule est interrompue pendant la phase de décélération, on observe l'apparition d'un palier dans le signal Γ, correspondant au signal appliqué dans le cas d'un pendule de longueur constante, tel que représenté dans la figure 5.
Ainsi, le dispositif conforme à l'invention permet-il d'obtenir une stabilisation systématique et rapide des oscillations et autres perturbations susceptibles d'entraîner des oscillations au cours du transfert d'une charge suspendue. Le double asservissement tant en déviation angulaire qu'en position est donc particulièrement adapté à tout transfert de charge suspendue, notamment dans le cadre d'activités requérant des précautions particulières, telles que par exemple l'industrie nucléaire, etc.

Claims

Dispositif de contrôle automatique de la position et des oscillations d'une charge suspendue durant son transfert par un appareil de levage comprenant :
- un moyen de guidage (2,6) sur lequel se déplace un chariot (1) mobile en translation actionné par un moteur, auquel est accroché un câble (4) (ou une tige) à l'autre extrémité duquel (de laquelle) est suspendue la charge à transférer (5) ;

- un capteur de position, destiné à repérer en permanence la position du chariot (1) par rapport à un point déterminé et à fournir un signal dit de position correspondant à ce repérage,

- un capteur angulaire, disposé sur le chariot (1), destiné à mesurer la valeur de l'angle ϑ que forme le câble (ou la tige) par rapport à la verticale et à fournir un signal dit angulaire correspondant à cette mesure ;

- une première boucle d'asservissement comprenant :
. un premier comparateur (22) destiné à fournir l'écart angulaire entre le signal angulaire ainsi déterminé et une valeur angulaire de référence prédéterminée au moyen d'un modèle de référence, en fonction de la destination de la charge (5) et de la vitesse de translation désirée ;

. un correcteur proportionnel (23) destiné à multiplier l'écart ainsi mesuré par une constante prédéterminée ;

caractérisé en ce qu'il comprend :
- une seconde boucle d'asservissement dite de position, comprenant :
. un second comparateur (20) destiné à fournir l'écart entre le signal de position et une position théorique de référence prédéterminée par le même modèle de référence, en fonction des mêmes données ;

. un correcteur proportionnel et intégral (21) destiné d'une part, à multiplier le dit écart par une constante prédéterminée et d'autre part, à intégrer le dit écart par rapport au temps sur un intervalle également prédéterminé ;

- un sommateur (24), relié respectivement à la sortie du correcteur proportionnel (23) correcteur proportionnel et intégral (21) et d'un amplificateur (25) destiné à amplifier la valeur de la vitesse de référence, également déterminée au moyen du dit modèle de référence, en fonction des mêmes données, le dit sommateur (24) étant destiné à sommer les valeurs issues de ces sorties pour délivrer un signal apte à actionner le moteur (26) de commande du chariot (1).
Dispositif d'asservissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs de référence déterminées par le modèle de référence, à savoir, la position angulaire, la vitesse et la position, sont issues de la loi suivante : ${Γ = ϑ'' (l}_{o} + vt) + 2vϑ' + gϑ$
par intégration successive, où ϑ, ϑ' et ϑ'' désignent respectivement l'angle, la vitesse angulaire et l'accélération angulaire, g désigne l'accélération de la pesanteur, l_o la longueur initiale du câble (ou de la tige), v la vitesse de variation de la longueur du câble (ou de la tige), et Γ l'accélération du chariot.
Dispositif d'asservissement selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur du pendule défini par la charge est constante, les valeurs de référence déterminées par le modèle de référence étant issues de la loi suivante : ${Γ = ϑ''l}_{o} + gϑ.$
Dispositif d'asservissement selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le chariot (1) est mobile en direction sur un premier moyen de guidage rectiligne (2), lui-même mobile en translation sur un second moyen de guidage rectiligne (6), coplanaire mais selon une direction perpendiculaire à celle du dit premier moyen de guidage, le dit premier moyen de guidage étant actionné au moyen d'un moteur également asservi au moyen de deux boucles d'asservissement respectivement en position et en angle, en fonction d'un modèle de référence qui lui est propre.
Dispositif d'asservissement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le chariot (1) est mobile sur un pont roulant.
Dispositif d'asservissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chariot (1) est mobile en translation sur un premier moyen de guidage, lui-même mobile en rotation au moyen d'un organe de rotation, actionné au moyen d'un moteur également asservi par l'intermédiaire de deux boucles d'asservissement en fonction d'un modèle de référence qui lui est également propre.
Dispositif d'asservissement selon la revendication 6, caractérisé en ce que le chariot (1) est mobile le long de la flèche horizontale (10) d'une grue .
Dispositif d'asservissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les calculs d'asservissement sont réalisés environ vingt fois par seconde, au moyen d'un organe de calcul numérique.