Brevet FR2571867A1 — publié le 19860418

Procédé et dispositif pour limiter le ballant d'une charge librement suspendue sous un support mobile. L'invention concerne un procédé et un dispositif pour limiter le ballant d'une charge librement suspendue sous un support mobile sur une trajectoire horizontale, ce support mobile pouvant autre par exemple le chariot d'un pont roulant ou d'une flèche de grue, auquel la charge est accrochée par une suspension à longueur réglable, à câble ou à chaîne, du type palan. Cette charge et la suspension constituent un pendule oscillant non amorti. La charge suspendue au support mobile peut avoir une masse très importante (par exemple de quelques centaines de tonnes dans le cas d'un pont roulant) et elle peut être déplacée sur des distances relativement grandes (par exemple de plusieurs dizaines de mètres ou davantage). Des pontonniers ou des grutiers très expérimentés réussissent à amortir plus ou moins l'oscillation de la charge encon- trôlant les ordres de commande de déplacement du support mobile. Toutefois, cet amortissement dépend de l'habileté et de l'attention des pontonniers ou des grutiers et n'est jamais total, l'oscillation de la charge sous le support mobile provoquant une fatigue importante du système de transport (pont roulant ou grue), créant des risques de chocs sur les obstacles placés au voisinage de la trajectoire de la char ge, et interdisant de façon générale le respect complet des règles de sécurité. L'invention a précisément pour objet un procédé et un dispositif pour limiter automatiquement le ballant d'une telle charge librement suspendue sous un support mobile. De manière générale, l'invention a pour objet un procédé et un dispositif permettant d'automatiser complètement le transport d'une telle charge sans qu'il en résulte une fatigue générale du système de transport, sans risque de chocs sur des obstacles et en respectant de façon permanente les règles de sécurité. L'invention propose à cet effet un procédé pour limiter le ballant d'une charge librement suspendue sous un support mobile sur une trajectoire horizontale, tel par exemple qu'un chariot de pont roulant, celui-ci étant équipé de moteurs de déplacement sur ladite trajectoire et d'un circuit de commande des moteurs, produisant un signal de commande des moteurs correspondant à un ordre de déplacement du support mobile, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser un amortissement actif de l'oscillation de la charge sous le support mobile par contrôle dynamique de l'accélération dudit support mobile. Le procédé selon l'invention est basé sur la constatation qu'il suffit, pour amortir l'oscillation de la charge, de contrôler en permanence l'accélération du support mobile. Selon une autre caractéristique de l'invention, le contrôle de l'accélération du support mobile est réalisé à partir de l'oscillation de la suspension sous le support mobile. De façon générale, ce contrôle consiste à ajouter, au signal produit par le circuit de commande et correspondant à un ordre de déplacement du support mobile, un signal de correction qui est déterminé à partir, dlune part1 de la vitesse ou de l'accélération angulaire de la suspension sous'le support mobile et, d'autre part, de paramètres relatifs à la charge et à sa vitesse ou son accélération angulaire. La vitesse angulaire ou l'accélération angulaire de la suspension sous le support mobile peut être déterminée relativement facilement au moyen de gyromètres ou d'accSléromè- tres montés sur la suspension. Dans certains cas, relativement rares en pratique, il est possible de monter des gyromètres ou des accéléromètres sur la charge pour mesurer les valeurs instantanées de sa vitesse angulaire ou de son accé aération' angulaire.On peut alors, à partir de la masse de la charge et de valeurs approximatives de son moment d'iner- tie par rapport à son centre de gravité et de la distance entre ce centre de gravité et le point d'accrochage de la charge à la suspension, ddterminer de façon assez précise le mouvement de la charge sous le support mobile et, à partir de ce mouvement, déterminer l'accélération instantanée du support mobile qui conduit à l'amortissement de l'oscilla- tion de la charge. Toutefois, dans la plupart des cas, il est impossible de mesurer la vitesse angulaire ou l'accélération angulaire de la charge, en raison des difficultés de montage des gyromètres ou des accéléromètres sur la charge et de transmission des signaux produits par ces capteurs. Par ailleurs, le moment d'inertie de la charge par rapport à son centre de gravité et la distance de ce centre de gravité au point d'accrochage de la charge à la suspension, ne sont pas toujours aisément déterminables, ce qui complique encore les problèmes d'automatisation du système de transport. L'invention prévoit dans ce cas de mesurer la longueur de la suspension sous le support mobile et la masse de la charge suspendue, d'évaluer approximativement le moment d'inertie de la charge par rapport à son centre de gravité et la distance de celui-ci au point d'accrochage de la charge à la suspension et, à partir de ces valeurs approximatives~et de lois connues, de déterminer un mouvement théorique de la charge et de la suspension et de déterminer une valeur instantanée du signal de correction précité à partir de ce mouvement théorique, de comparer le mouvement théorique au mouvement réel de la suspension pour déterminer leur écart, et de réduire cet écart en modifiant les valeurs approximatives précitées pour obtenir une nouvelle valeur instantanée du signal de correction, en procédant par itérations successives pendant toute la durée du déplacement de la charge. Un tel procédé permet d'automatiser complètement un système de transport d'une charge librement suspendue en limitant le ballant de cette charge, et cela même dans les cas où certaines caractéristiques de la charge ne peuvent être déterminées de façon précise et où il est impossible de mesurer la vitesse ou l'accélération angulaire de la charge sous la suspension. Par ailleurs, l'invention consiste également à contrôler dynamiquement, de la façon précitée, l'accélération du support mobile dans la direction de sa trajectoire précitée et son accélération dans une direction transversale, par exemple perpendiculaire à cette trajectoire. Ce procédé permet d'amortir efficacement l'oscillation de la charge dans un plan vertical passant par la trajectoire prédéterminée du support mobile, ainsi que son accélération dans un plan vertical transversal. Pour cela, le procédé selon l'invention consiste à mesurer la vitesse ou l'accélération angulaire de la suspension dans deux plans verticaux, par exemple perpendiculaires, dont l'un contient la trajectoire précitée du support mobile, et à définir, indépendamment l'un de l'autre, deux signaux de correction de l'accélérationdusupport mobile, dont l'un est appliqué aux moteurs de déplacement du support sur sa trajectoire précitée et dont l'autre est appliqué d des moteurs de déplacement du support mobile dans la direction transversale précitée. On automatise ainsi complètement un système de transport de charge suspendue tel qu'un pont roulant ou une grue. L'invention propose également un dispositif pour l'exécution de ce procédé, comprenant un circuit de commande relié aux moteurs de déplacement du support mobile sur une trajectoire prédéterminée, caractérisé en ce que ce circuit de commande comprend un circuit sommateur recevant un signal correspondant à un ordre de déplacement et un signal de correction produit par un circuit de traitement de l'information recevant lui-même les signaux produits par des moyens de mesure de l'accélération du support mobile et par des moyens de mesure de la vitesse angulaire ou de l'accélération angulaire de la suspension sous le support mobile. Le dispositif comprend également des moyens de mesure de la longueur de la suspension et de la masse de la charge, qui sont reliés au circuit de traitement de l'information. De préférence, ce circuit de traitement de l'information est du type d filtre de Kalman, ce qui permet, à partir de valeurs initiales approximatives de certaines caractéristiques de la charge, de faire converger automatiquement, par itérations successives, ces valeurs approximatives vers les valeurs réelles pour la détermination précise du mouvement réel de la charge et son amortissement. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on. se réfère aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique simplifiée d'un système de transport de charge suspendue, tel qu'un pont roulant; - la figure 2 représente schématiquement, sous forme de blocs, un dispositif d'exécution du procédé selon l'invention; - la figure 3 représente schématiquement un filtre de Kalman. On se réfère d'abord à la figure 1, qui représente schématiquement un système de transport d'une charge librement suspendue sous un support mobile, tel qu'un pont roulant par exemple. Ce système de transport comprend un chariot 10 guidé en déplacement sur un support 12 et mobile en mouvement rectiligne le long de l'axe horizontal Ox. Le support 12, tel qu'un portique de pont- roulant, est lui-même déplaçable en mouvement rectiligne le long de l'axe Oy horizontal perpendiculaire à l'axe Cx. Pour ce faire, le chariot 10 et le support 12 sont équipés de moteurs électriques recevant par l'intermédiaire d'un circuit de commande un ordre de déplacement donné par un automate programmable. Le chariot 10 est également équipé d'un treuil à moteur électrique de réglage de la longueur d'une suspension 14 à câbles ou à chaînes, à l'extrémité inférieure de laquelle est accrochée une charge 16. Cette charge 16 peut être déplacée par le pont roulant sur une distance qui peut atteindre quelques dizaines de mètres le long de l'axe Ox, et 100 à 200 mètres le long de l'axe Oy, avec une hauteur de levage de 15 à 20 mètres par exemple parallèlement à l'axe vertical Oz. La charge 16 à transporter est définie par sa masse M, par son moment d'inertie IG par rapport à son centre de gravité G et par la distance 12 entre son centre de gravité G et le point B d'accrochage de la charge 16 à la suspension 14, tandis que la suspension 14 est définie par sa longueur 11 entre le point A du chariot 10 et le point B d'accrochage de la suspension.La charge peut être une poche de coulée remplie ou non de métal en fusion dans une aciérie, un rouleau de feuillard, une poche de coulée de béton, un conteneur, etc, et peut avoir une masse de plusieurs centaines de tonnes. Le mouvement du chariot 10 est défini par la valeur instantanée de son accélération ou accélération du point A le long des axes Ox et Oy, tandis que l'oscillation du pendule double constitué par la suspension 14 et la charge 16 en réponse au déplacement du chariot 10 est définie par l'angle e1 entre la verticale et la suspension 14 et par l'angle 02 entre la verticale et la droite passant par les points B et G (point d'accrochage de la charge à la suspension et centre de gravité de la charge). Un tel pendule double forme un système oscillant non amorti lorsque le chariot 10 est délacé le long de l'axe Ox et/ou de l'axe Oy. L4invention consiste à réaliser un amortissement actif de l'oscillation de la charge 16 sous le chariot 10 par contrôle dynamique de l'accélération du chariot 10 le long de ses deux axes de déplacement Ox et Oy, ce contrôle dynamique étant lui-même réalisé à partir de l'oscillation 01 de la suspension sous le chariot 10. Des capteurs ou des ensembles de capteurs gyrométflques ou accélérométriques 18 sont montés sur la suspension 14 pour transmettre des signaux représentant la vitesse angulaire o oo ou ou de l'accélération angulaire'd1 de la suspension 14 respectivement, dans le plan vertical Oxz et dans un plan vertical parallèleau plan Oyz. Le chariot 10 est équipé, d'une part, de moyens de mesure de la longueur l1 de la suspension et de la masse M de la charge 16 et, d'autre part, de moyens de mesure de son accélération le long de l'axe Ox et de son accélération (celle du support 12) le long de l'axe Oy. Les vitesses angulaires ou accélérations angulaires dans les deux plans verticaux Oxz et Oyz et les accélérations du chariot 10 dans ces deux plans sont traitées de façon indépendante, au moyen de deux dispositifs identiques dont l'un est représenté en figure 2. Dans cette figure, la référence 20 désigne un circuit de commande produisant un signal E de commande des moteurs 22 de déplacement du chariot dans le plan vertical considéré, c'est-à-dire selon l'axe Ox ou selon l'axe Oy, ce signal E correspondant à un ordre de déplacement du chariot donné par un automate programmable. Les moteurs 22 de déplacement du chariot 10 sont par exemple des moteurs couples, et dans ce cas l'accélération A du chariot 10 sur sa très jectoire est proportionnelle à l'intensité du courant d'alimentation des moteurs 22 et peut être ainsi mesurée de façon simple. Un circuit 24 à filtre de Kalman-reçoit en entrée, d'une part, le signal #1 de vitesse angulaire de la suspension 14 dans le plan concerné, fourni par les capteurs gyrométriques 18 correspondants, le signal A d'accélération du chariot 10 dans ce plan, un signal représentant la longueur li de la suspension et un signal représentant la masse M de la charge 16 et, d'autre part, des valeurs initiales approximatives de la distance 12 entre le centre de gravité G de la charge et le point B d'accrochage à la suspension et du moment d'inertie 1G de la charge par rapport à son centre de gravité. Les sorties du circuit 24 sont reliées aux entrées d'un circuit 26 de calcul d'une valeur estimée de la vitesse angulaire #2 de la charge. La sortie de ce circuit 26 est reliée à une entrée d'un circuit 28 de calcul d'un signal de correction C de l'accélération du chariot 10, dont une autre entrée reçoit le signal #1 de vitesse angulaire de la suspension 14 et dont la sortie est reliée aux moteurs 22 du chariot 10 par un circuit sommateur 30 recevant également en entrée le signal E du circuit de commande 20. Un tel dispositif est utilisé de la façon suivante Avant transport de la charge 16, on initialise -le circuit 24 à filtre de Kalman en lui fournissant des valeurs approximatives plausibles des paramètres 12 et 1G relatifs à la charge 16. Ensuite,.un ordre de déplacement du chariot 10 est traduit par le circuit de commande 20 en un signal E appliqué à une entrée du sommateur 30 et transmis par ce lui- ci aux moteurs 22 de déplacement du chariot 10. Le circuit 24 à filtre de Kalman reçoif en entrée les signaux1 de vitesse angulaire de la suspension 14, A d'accélération du chariot 10, 1i de longueur de la suspension et M de masse de la suspension.Le circuit de calcul 26 produit en sortie un signal #2 de vitesse angulaire estimée de la charge 16, qui est appliqué avec le signa 01 de vitesse angulaire de la suspension aux entrées du circuit 28. Celui-ci produit un signal C de correction d'accélération du chariot 10,qui est ajouté au signal E par le sommateur 30, la somme des signaux E et C étant alors appliquée aux moteurs 22 de déplacement du chariot 10 en déterminant une valeur instantanée de son accélération A permettant d'amortir les oscillations e1 de la suspension et e2 de la charge sous le chariot 10. Le circuit 24 à filtre de Kalman permet, par itérations successives en temps réel, de déterminer,à partir des valeurs initiales approximatives des paramètres relatifs à la charge et à son oscillation de nouvelles valeurs de ces paramètres qui tendent à annuler l'écart entre le comportement réel de la charge (et donc de la suspension) et son comportement théorique correspondant à la valeur estimée de la vitesse angulaire #2 de la charge. Ainsi, à chaque pas de calcul, le circuit 26 fournit un signal #2 de vitesse angulaire estimée de la charge qui est de plus en plus proche de sa vitesse angulaire réelle jusqu'à ce qu'il y ait identité entre la valeur estimée et la valeur réelle. La figure 3 représente schématiquement un filtre de Kalman approprié, qui fonctionne sur le principe suivant L'oscillation e1 de la suspension dépend de quatre paramètres A, B, C, D, dont deux sont des paramètres géométriques de la charge (par exemple et B = 12) et dont les aeux autres sont relatits aux conditions initiales de l'oscillation O2 par exemple, C = B.e2(0) et D = B.e2(0)). Les paramètres A, B, C, D peuvent être définis comme les composantes d'un vecteur d'état X > , qui est la variable à identifier. L'équation d'évolution de cette variable est de la forme Xk+1 = Fk.Xk+V, Xk+1 et Xk représentant vecteur d'état aux instants (k+1)#t et k#t, et V représen- tant le bruit. tant le bruit. L'équation d'observation est de la forme #1,k = Hk.Xk Le filtre de Kalman permet de calculer en temps réel la meilleure estimation Xk/3ç du vecteur Xà à partir des bbser- vations e1,1, 01,2' 81,k Le filtre de Kalman reçoit en entrée le signal #1,k de vitesse angulaire mesurée de la suspension et détermine la différence avec la valeur estimée de cette vitesse angulaire. Cette différence multipliée par le gain Kk du filtre, qui est determiné à partir des équations théoriques, est ajoutée à Xk,k-1 (valeur estimée du vecteur d'état à partir des (k-1) observations précédentes) pour obtenir Kk,k (valeur estimée du vecteur d'état à partir de k observations).Cette valeur estimée est d'une part transmise au circuit 26 et, d'autre part, est retardée de #t pour la détermination de la valeur estimée du vecteur d'état Xk+1,k. L'estimation de Xk,k est transmise au circuit 26 qui calcule une valeur estimée de e2 à partir de la relation B/g . #2 + #2 = #1 Le signal de correction est calculé par le circuit 28 sur la base de la relation suivante #A = a(E + b#1 + c#2) où a, b, c sont des paramètres déterminés en fonction du coefficient d'amortissement souhaité. Comme indiqué plus haut, un second dispositif du même type que celui qui vient d'être décrit détermine un signal de correction de l'accélération du chariot dans un deuxième plan vertical, par exemple perpendiculaire au plan vertical considéré précédemment, 9 partir des mesures de la vitesse angulaire de la suspension dans ce deuxième plan. Les deux dispositifs fonctionnent simultanément et indépendamment l'un de l'autre. Dans le cas où les capteurs gyrométriques 18 montés sur la suspension sont remplacés par des capteurs accélérométriques qui fournissent des signaux d'accélération angulaire de la suspension, il suffit d'intégrer ces signaux pour obtenir la vitesse angulaire de la suspension et revenir au cas précédemment décrit. Dans des cas très particuliers où des capteurs gyrométriques ou accélérométriques peuvent être montés sur la charge ellemême, la détermination du signal de correction C est facili tée, car on dispose de la mesure de la vitesse angulaire 62 Oc ou de l'accélération angulaire 62 de la charge, ce qui permet de simplifier le circuit 24 à filtre de Kalman. Dans tous les cas, le signal de correction C est déterminé par calcul, à partir des équations mathématiques connues de mouvement d'un pendule double suspendu à un support mobile. De façon générale, l'invention permet d'amortir le ballant d'une charge librement suspendue sous un support déplaçable dans deux directions perpendiculaires, par détermination de l'accélération instantanée du support dans ces deux direc- tions, lorsque l'ordre de commande du déplacement du support mobile, donné par un automate ou un ordinateur,détermine par exemple des vitesses programmées de déplacement du support dans l'une et l'autre des deux directions perpendiculaires, ainsi qu'une hauteur de levage de la charge, cette hauteur pouvant varier par programmation en cas de besoin. Revendications. 1.,Procédé pour limiter le ballant d'une charge librement suspendue sous un support mobile sur une trajectoire horizontale, tel par exemple qu'un chariot de pont roulant, la charge (16) et sa suspension (14) au support mobile (10) formant un pendule double oscillant non amorti sous le support mobile, celui-ci étant équipé de moteurs (22) de déplacement sur ladite trajectoire et d'un circuit de commande (20) produisant un signal (E) de commande des moteurs correspondant à un ordre de déplacement du support mobile (10), caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser un amortissement actif de l'oscillation de la charge (16) sous le support mobile (10) par contrôle dynamique de l'accélération dudit support mobile. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'accélération du support mobile est contrôlée par l'oscillation de la suspension (14) sous le support mobile (10). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à ajouter, au signal (E) produit par le circuit de commande (20) et correspondant à un ordre de déplacement du support mobile, un signal de correction (C) déterminé à partir, d'une part, de la vitesse angulaire (01) ou de l'accélération angulaire (#1) de la suspension 14 sous le support mobile et, d'autre part, de paramètres (12, IG) relatifs à la charge et à sa vitesse angulaire (02) ou son accélération angulaire (#2). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer la longueur (17) de la suspension (14) sous le support mobile et la masse (M) de la charge (16), à évaluer approximativement le moment d'inertie (IG) de la charge (16) par rapport à son centre de gravité (G) et la distance (12) de celui-ci au point d'accrochage (B) de la charge à la suspension (14) et, à partir de ces valeurs approximatives et de lois connues, à déterminer un mouvement théorique de la charge et de la suspension,à déterminer à partir de ce mouvement théorique une valeur instantande du signal de correction (C), à comparer le mouvement théorique au mouvement réel de la suspens ion pour déterminer leur écart, et à réduire en permanence cet écart en modifiant par itérations successives les valeurs approximatives précitées. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, le support mobile étant déplaçable sur sa trajectoire précitée ainsi que dans une direction tranversale,par exemple perpendiculaire à cette trajectoire, le procédé consiste à contrôler dynamiquement l'accélération du support mobile sur cette trajectoire et son accélération dans ladite direction transversale. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer la vitesse angulaire (#1) ou l'accélération angulaire (#1) de la suspension dans deux plans verticaux, par exemple perpendiculaires, dont l'un passe par la trajectoire du support mobile (10), et à définir,indépendamment l'un de l'autre, deux signaux (C) de correction de l'accélération du support mobile, dont l'un est appliqué aux moteurs (22) de déplacement dudit support sur sa trajectoire précitée et dont l'autre est appliqué à des moteurs de déplacement du support mobile dans ladite direction transversale. 7. Dispositif pour l'exécution du procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant un circuit de commande des moteurs de déplacement du support mobile sur une trajecr toire horizontale, caractérisé en ce que ce circuit de commande comprend un circuit sommateur (28) recevant un signal (E) correspondant à un ordre de déplacement et un signal de correction (C) produit par un circuit (24, 26) de traitement de l'information recevant lui-même les signaux produits par des moyens de mesure de l'accélération du support mobile (10) et par des moyens de mesure de la vitesse angulaire (01) ou de l'accélération angulaire (#1) de la suspension T4 par rapport au support mobile (10). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure comprennent des gyromètres ou des accéléromètres (18) montés sur la suspension (14). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ces moyens de mesure sont montés dans deux plans verticaux perpendiculaires dont l'un passe par la trajectoire prédéterminée du support mobile (10). 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens de mesure de la longueur (lui) de la suspension et de la masse (M) de la charge, reliés aux circuits (24, 26) de traitement de l'information. 11. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le circuit de traitement de l'information comprend un circuit (24) à filtre de Kalman.