Brevet FR2708920A1 — publié le 19950217

La présente invention concerne un procédé de contrôle du balancement d'une charge pendulaire. Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Dans le domaine de la manutention et de levage des charges, notamment pour le déplacement de conteneurs à l'aide de grues ou portiques à conteneurs, il est très important de réaliser avec précision le déplacement des charges d'un point à un autre, et plus particulièrement d'obtenir un balancement nul de la charge en fin de trajet. Une charge, telle qu'un conteneur, suspendue par l'intermédiaire de câbles à un support mobile, constitué par exemple d'un chariot motorisé adapté à se déplacer horizontalement le long des rails d'un portique, forme un pendule qui est soumis généralement à de grands balancements du fait des vitesses élevées d'utilisation, pouvant atteindre 3 mètres par seconde, et de la grande longueur des câbles de levage, comprise entre 10 et 40 mètres. Dans la réalité, il existe un amortissement provoqué par le frottement des câbles sur les poulies, par la déformation élastique des câbles, par le frottement de l'air ambiant... Toutefcis, cela ne suffit pas à amortir totalement le mouvement d'oscillation de la charge et à obtenir en fin de trajectoire un balancement nul de celle-ci. On connaît dans la demande de brevet FR 90-09145 un procédé de contrôle de déplacement d'une charge pendulaire dans lequel la position réelie de la charge pendulaire est asservie à une position théorique, cette dernière satisfaisant à une loi théorique assurant un balancement nul de la charge en fin de parcours. Ce procédé implique par conséquent que le déplacement du support mobile suive également une loi théorique déduite du déplacement théorique de la charge et du balancement théorique de celle-ci. La consigne de déplacement du support mobile est donc imposée et le procédé d'asservissement n'est donc pas utilisable pour une conduite manuelle et un déplacement quelconque du support mobile. De plus, la loi théorique du déplacement de la charge doit répondre à des conditions de continuité et de dérivabilité qui, associées aux conditions aux limites de la trajectoire, restreignent les possibilités de choix de cette loi. Le procédé d'asservissement connu n'est donc pas applicable à des lois de déplacement quelconque de la charge et du support mobile. Enfin, la condition de nullité du balancement de la charge n'est requise que pour la fin de la trajectoire et n'est a priori pas assurée au cours du déplacement de la charge. Le ballant de la charge peut donc rester très important pendant son déplacement. La présente invention a pour but de résoudre les inconvénients précités et d'apporter de nombreux avantages dans le domaine du déplacement de charges suspendues, notamment par des engins de levage portuaires. Elle permet notamment d'assurer le déplacement d'une charge pendulaire en limitant au mieux le balancement de celle-ci tout en supprimant toutes contraintes dans le déplacement du support mobile. L'invention a pour objet un procédé de contrôle du balancement d'une charge pendulaire suspendue à un support mobile, dans lequel le déplacement du support mobile est commandé par une consigne de vitesse quelconque du support. Selon l'invention, ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'asservissement de la valeur réelle du ballant de la charge pendulaire à une consigne de ballant nulle et une étape de régulation de la consigne de vitesse du support en fonction d'une valeur de correction déterminée pendant I t étape d'asservissement du ballant. Ainsi, grâce au procédé de l'invention, la vitesse du support mobile est régulée en continu de manière à maintenir constamment un balancement faible de la charge pendulaire. L'asservissement du ballant permet de prendre en compte, pendant le déplacement de cette charge, tous les effets dramortissement ou de déviations qui sont susceptibles d'écarter cette charge de sa position verticale. De plus, le déplacement de ce système pendulaire ne nécessite pas de modèle de référence. Seule la consigne du ballant de la charge est nulle, c'est-àdire que le pendule constitué par la charge suspendue au support mobile reste vertical, ni le support, ni la charge ne suivant une loi théorique prédéterminée de déplacement. Le procédé selon l'invention peut donc permettre de contrôler le balancement de la charge même pour une conduite manuelle. Selon une version avantageuse de l'invention, le procédé de contrôle comprend en outre une étape de lecture d'une consigne manuelle de vitesse du support mobile, la consigne manuelle étant régulée en fonction de la valeur de correction déterminée lors de l'étape d'asservissement du ballant. La charge pendulaire peut par conséquent être déplacée grâce à une commande manuelle actionnée par un conducteur, la consigne de vitesse donnée par le conducteur pouvant être quelconque et étant régulée automatiquement par le procédé selon l'invention de manière à assurer un balancement nul de la charge en fin de trajectoire. Selon une autre version de l'invention, le procédé comprend une seconde étape d'asservissement de la position réelle du support mobile à une consigne de position, simultanée à la première étape d'asservissement du ballant de la charge, la consigne de vitesse du support mobile étant régulée en fonction de la valeur de correction déterminée pendant l'étape d'asservissement du ballant et d'une seconde valeur de correction déterminée pendant la seconde étape d'asservissement de position. La consigne de position du support mobile peut par conséquent être quelconque, le procédé permettant grâce à deux boucles d'asservissement en parallèle, de réguler la vitesse du support mobile de manière à obéir à la consigne de position du support et à la consigne de balancement nul de la charge. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de contrôle du balancement d'une charge pendulaire suspendue à un support mobile pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, comprend un engin de levage possédant des moyens de levage de la charge et des moyens de déplacement du support mobile et des moyens de contrôle et de traitement adaptés à recevoir des informations représentatives de la longueur du pendule, de l'angle de ballant de la charge pendulaire et de la position réelle du support mobile provenant respectivement de moyens d'acquisition de longueur, de moyens d'acquisition d'angle, et de moyens d'acquisition de position. Selon l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce que les moyens de contrôle et de traitement sont adaptés à recevoir en outre des informations représentatives d'une consigne manuelle de vitesse du support mobile ou d'une consigne de position du support mobile et à émettre en retour une consigne régulée de vitesse du support mobile à destination d'un système de contrôle-commande, par exemple un variateur de vitesse dudit support mobile. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ciaprès. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est une vue générale d'un engin de levage pouvant être équipé du dispositif selon l'invention; - la figure 2 est un schéma illustrant des variables géométriques utilisées dans le procédé selon l'invention; - la figure 3 est un schéma bloc illustrant le procédé selon l'invention; et - la figure 4 est une vue schématique d'une réalisation d'un dispositif selon l'invention. On va tout d'abord décrire, en référence notamment aux figures 1 et 4, un exemple de réalisation d'un dispositif qui autorise la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le dispositif selon l'invention a pour objet de permettre de réaliser le contrôle du balancement d'une charge pendulaire mobile 13 telle que représentée dans un exemple d'application pratique à la figure 1. Les charges 13 qui doivent être déplacées d'un point à un autre, notamment lors du chargement et du déchargement de navires, sont généralement transportées par l'intermédiaire d'engins de levage portuaires 10 tels que des grues ou des portiques à conteneurs. Ces charges 13 sont suspendues par le biais de câbles 15 à un support mobile 14, semblable à un chariot 14 adapté à se déplacer horizontalement le long d'un rail 11, par exemple grâce à des galets roulant le long du rail. Les câbles de levage 15 ont une longueur variable grâce à des treuils généralement embarqués sur le chariot mobile 14. Ainsi, la charge 13 est soulevée de son point de départ, transportée sous le rail 11 puis redéposée à la fin de sa trajectoire. Lors du déplacement de cette charge 13, celleci peut être soumise à de fortes oscillations autour de sa position verticale, au droit du support mobile 14. Le dispositif selon l'invention a donc pour but principal de contrôler et d'éviter ce balancement de la charge suspendue 13 ou de l'outil suspendu 42 qui constitue ainsi un pendule 12. Comme illustré à la figure 4, le dispositif comprend un engin de levage 45 de la charge 13, constitué de manière connue de plusieurs treuils 45 sur lesquels peuvent s'enrouler les câbles de levage 15 de manière à modifier la longueur du pendule 12. Le support mobile 14 peut se déplacer sur le rail horizontal 11 grâce à des galets 40 pouvant rouler le long du rail 11. Des moyens de déplacement 48, 47 comprenant de manière classique un moteur 47 couplé à un réducteur 48 permettent de déplacer en translation le support 14. Les moyens de contrôle et de traitement CPU proprement dit sont constitués d'une unité centrale dans laquelle est stocké le programme de régulation qui permet de réaliser une partie des étapes du procédé selon l'invention qui sera décrit plus loin. Les moyens de contrôle et de traitement CPU sont adaptés à recevoir des informations représentatives de la longueur 1 du pendule 12, de l'angle a de ballant de la charge pendulaire 13 et de la position réelle x du support mobile 14 le long du rail, ainsi que des informations logiques (par exemple un arrêt d'urgence). Ces variables géométriques 1, a et x sont illustrées sur la figure 2. La longueur 1 correspond à la distance séparant la charge suspendue 13 du support mobile 14 et est donc variable lorsque la longueur des câbles de levage 15 est modifiée. L'angle a est représentatif du ballant de la charge 13 autour de son axe vertical. Le but de la présente invention est de maintenir cet angle a faible et nul en fin de trajectoire. La position x du chariot 14 le long du rail 11 varie entre la position initiale de la trajectoire, à laquelle est accrochée la charge 13 devant être déplacée, et une position finale à laquelle le conducteur de l'engin souhaite déposer la charge 13. Ces données géométriques 1, a et x sont mesurées grâce à des moyens d'acquisition, puis sont transmises aux moyens de traitement CPU. Les moyens d'acquisition 46 de la longueur 1 du pendule 12 peuvent être constitués de manière connue d'un générateur d'impulsions lié mécaniquement à l'un des treuils de levage 45 sur lesquels une longueur variable de câble 15 est enroulée. Les moyens d'acquisition 41 de la position x du chariot mobile 14 peuvent également être constitués d'un générateur d'impulsions lié mécaniquement à une roue du chariot et permettant de comptabiliser la distance parcourue par ce dernier le long du rail 11. Les impulsions générées, représentatives de la longueur 1 et de la position x, sont transmises aux moyens de traitement CPU au niveau de deux entrées de comptage rapide. La mesure de l'angle a de ballant de la charge 13 est réalisée par des moyens d'acquisition d'angle 43, 44 qui comprennent une caméra infrarouge 44 installée sur le chariot mobile 14 et dirigée vers le bas, en direction de la charge suspendue 13. Un émetteur 43 ou balise infrarouge est posé au niveau de la charge 13, par exemple sur l'outil de préhension, tel qu'un portepoulies dans le cas des portiques à conteneurs. Cet émetteur est dirigé vers le haut de manière à envoyer un rayon infrarouge en direction de la caméra 44, cette dernière étant adaptée à analyser le rayon émis et notamment son angle d'incidence par rapport à la verticale. La mesure de l'angle a est alors transmise par liaison série aux moyens de contrôle et de traitement CPU. Ces derniers sont également adaptés à recevoir des informations représentatives soit d'une consigne manuelle CVM de vitesse du support mobile 14, soit d'une consigne de position xc de ce support 14. En pratique, les moyens de traitement CPU comportent des entrées distinctes pour les deux types d'informations mentionnés ci-dessus et sont adaptés à lire les informations provenant de l'une ou de l'autre entrée. Un bouton de commande peut être disposé sur l'engin de levage pour permettre au conducteur de sélectionner l'une ou l'autre des entrées qui devra être prise en compte par le logiciel de traitement et de contrôle. Les informations relatives à la consigne manuelle CVM de vitesse du chariot 14 sont acquises par les moyens de traitement et de contrôle CPU grâce à une entrée analogique, du type + 10 volts par exemple, reliée à un combinateur 50 commandé manuellement par le conducteur de l'engin. La consigne manuelle de vitesse CVM du support mobile 14 est donc issue d'un levier de commande 50 de déplacement du support mobile 14, actionné manuellement. Le dispositif selon l'invention comporte également des moyens d'acquisition et de mémorisation 51 de la consigne de position xc du support mobile 14, tels qu'un pupitre de commande sur lequel le conducteur de l'engin de levage peut programmer la position finale désirée du pendule 12 comme consigne de position xc. Cette dernière est ensuite mise en mémoire dans le dispositif pour être utilisée par les moyens de traitement et de contrôle CPU. Ces derniers sont adaptés à émettre en outre une consigne régulée de vitesse CV du support mobile 14 à destination d'un système de contrôle-commande, tel qu'un variateur 34 de vitesse de ce support mobile. L'émission de la consigne de vitesse CV est réalisée grâce à une sortie analogique du type + 10 volts qui permet le pilotage du système de contrôle-commande 34. Suivant la consigne de vitesse CV transmise, le système de contrôle-commande 34 agit sur le moteur 47 commandant le déplacement du support mobile 14 pour accélérer ou ralentir celui-ci. Un dynamo-tachymètre 49 permet de mesurer au niveau du moteur 47 la vitesse de celui-ci et de retourner au dispositif, par l'intermédiaire d'une entrée analogique, une mesure de la vitesse du support mobile afin de réguler le fonctionnement du système de contrôlecommande 34. Cette rétroaction sur la vitesse réelle du support permet de s'assurer que celle-ci est bien égale à la consigne de vitesse CV transmise au système de contrôle-commande 34. Le dispositif comporte également une alimentation en courant 220 volts 50 Hz et un bouton M/A du type Marche/Arrêt permettant de mettre en fonctionnement le dispositif. Le fonctionnement de ce dispositif va maintenant être décrit pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, en référence notamment à la figure 3. Le procédé selon l'invention contrôle le balancement de la charge pendulaire 13 suspendue à un support mobile 14, le déplacement de ce dernier étant commandé par une consigne de vitesse CV. Le procédé comprend une étape d'asservissement AS1 de la valeur réelle du ballant de la charge pendulaire 13 à une consigne de ballant nulle et une étape de régulation 37 de la consigne de vitesse CV dudit support 14 en fonction d'une valeur de correction El déterminée pendant l'étape d'asservissement du ballant ASI. L'étape d'asservissement du ballant AS1 est une boucle d'asservissement proportionnelle et dérivée. A partir de la mesure réelle du ballant de la charge, c'est-à-dire à partir d'une étape d'acquisition 31 de l'angle a de ballant et d'une étape d'acquisition 30 de la longueur 1 du pendule 12, et de la comparaison de la mesure du ballant à une valeur nulle (correspondant à un angle a de 0 degré), on détermine une valeur de correction El tel que: E1 = K1 x P(ballant) + K2 x D(ballant) où P et D sont respectivement une fonction proportionnelle et une fonction dérivée et où K1 et K2 sont des coefficients déterminés par l'expérience, qui dépendent de la masse de la charge à déplacer, de la géométrie du pendule 12. La valeur de correction El est donc égale à la somme d'un premier élément proportionnel à la valeur réelle du ballant de la charge 13 et d'un deuxième élément proportionnel à la dérivée sur le temps de la valeur réelle du ballant. L'étape de régulation 37 est réalisée grâce à un sommateur 37 qui permet de réguler la valeur de la consigne de la vitesse CV en ajoutant la valeur de correction El calculée à la consigne de vitesse. Lors d'un fonctionnement manuel assisté par le procédé selon l'invention, le conducteur commande luimême la vitesse du support 14 par l'intermédiaire du combinateur 50. Le procédé comporte alors une étape de lecture 38 de la consigne manuelle CVM de vitesse du support mobile 14. Cette consigne de vitesse manuelle CVM est régulée par le sommateur 37 en fonction de la valeur de correction El de manière à transmettre au système de contrôle-commande 34 une consigne de vitesse régulée CV telle que CV = CVM + El. Lors d'un fonctionnement automatique du dispositif, le procédé comprend une seconde étape d'asservissement AS2 de la position réelle x du support mobile 14 à une consigne de position xc, simultanée à la première étape d'asservissement AS1 du ballant de la charge 13. La consigne de position xc du support mobile est de préférence égale à une position finale prédéterminée à laquelle on souhaite déposer la charge 13. La position réelle x du support mobile 14 est mesurée lors d'une étape d'acquisition 32 de cette position grâce à des moyens d'acquisition 41 décrits précédemment. L'étape d'asservissement en position AS2 est une boucle d'asservissement de type proportionnel au cours de laquelle une deuxième valeur de correction E2 est déterminée de la manière suivante: E2 = K3 P (box) où P est une fonction proportionnelle, x correspond à la différence entre la position réelle x mesurée du support mobile et la consigne de position xc, et K3 est un coefficient d'expérience prenant en compte des paramètres du procédé, tels que la masse de la charge, la géométrie du pendule... La consigne de vitesse CV du support mobile est, lors de ce fonctionnement automatique, régulée en fonction de la valeur de correction El déterminée pendant l'étape d'asservissement ASI du ballant et de la seconde valeur de correction E2 déterminée pendant la seconde étape d'asservissement AS2 de position. Cette régulation est mise en oeuvre grâce au sommateur 37 de sorte que la consigne de vitesse CV soit égale à la somme de El et E2. Suivant le choix du fonctionnement, manuel ou automatique, le sommateur effectue la régulation de la consigne de vitesse CV, soit en considérant la consigne de vitesse manuelle CVM donnée par le conducteur, soit la valeur de correction E2 déterminée à partir de la consigne de position finale xc du support mobile. Le procédé comporte en outre une étape de limitation 33, en amont du système de contrôle-commande 34, de la vitesse et de l'accélération du support mobile 14, respectivement à une vitesse maximale et à une accélération maximale. Au-delà des valeurs maximales de vitesse et d'accélération, la consigne de vitesse CV n'est limitée de manière à ne pas dépasser les valeurs limites imposées. La consigne de vitesse est ensuite adressée au système de contrôle-commande 34 qui commande la vitesse de rotation du moteur 47 comme déjà décrit précédemment en référence au dispositif selon l'invention. Une étape de régulation 35 de la vitesse permet de comparer en continu la vitesse réelle du moteur 47 et la consigne de vitesse CV adressée au système de contrôle-commande, et d'ajuster la vitesse du moteur 47 de manière à respecter au mieux la consigne de vitesse CV. Ce système de régulation permet d'amortir vigoureusement et rapidement le ballant quelle que soit la consigne de vitesse CVM du chariot demandée par le conducteur, même pour des vitesses du chariot atteignant 3 m/s par exemple, et cela quels que soient le couple résistant et la masse de la charge 13 à déplacer. De plus, la régulation est efficace même avec une variation de longueur 1 du pendule 12 pendant le déplacement du chariot et de la charge. L'asservissement sur la valeur du ballant permet d'obtenir un balancement faible de la charge pendant toute la durée de la trajectoire, tout en tenant compte des amortissements existant déjà dans le dispositif, dus au vent, aux frottements.. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus, et de nombreuses modifications peuvent être apportées à celuici sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, les moyens d'acquisition d'angle a, de longueur 1 ou de portions x du chariot peuvent être quelconques. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle du balancement d'une charge pendulaire (13) suspendue à un support mobile (14), dans lequel le déplacement du support mobile (14) est commandé par une consigne de vitesse (CV) quelconque dudit support (14), caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'asservissement (AS1) de la valeur réelle du ballant de la charge pendulaire (13) à une consigne de ballant nulle et une étape de régulation (37) de la consigne de vitesse (CV) dudit support (14) en fonction d'une valeur de correction (El) déterminée pendant ladite étape d'asservissement du ballant (AS1). 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'acquisition (30) de la longueur réelle (1) du pendule (12) constitué de la charge (13) suspendue au support mobile (14) et une étape d'acquisition (31) de l'angle de ballant (a) existant entre ledit pendule (12) et un axe vertical. 3. Procédé conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la valeur de correction (E1) est égale à la somme d'un premier élément proportionnel à la valeur réelle du ballant de la charge (13) et d'un deuxième élément proportionnel à la dérivée sur le temps de la valeur réelle du ballant de la charge (13). 4. Procédé conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de lecture (38) d'une consigne manuelle (CVM) de vitesse du support mobile (14), ladite consigne manuelle (CVM) étant régulée en fonction de ladite valeur de correction (El). 5. Procédé conforme à lune des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde étape d'asservissement (AS2) de la position réelle (x) du support mobile (14) à une consigne de position (xc), simultanée à la première étape d'asservissement (AS1) du ballant de la charge (13), la consigne de vitesse (CV) du support mobile (14) étant régulée en fonction de ladite valeur de correction (El) déterminée pendant l'étape d'asservissement (AS1) du ballant et d'une seconde valeur de correction (E2) déterminée pendant la seconde étape d'asservissement (AS2) de position. 6. Procédé conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que la consigne de position (xc) du support mobile (14) est égale à une position finale prédéterminée. 7. Procédé conforme à l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape d'acquisition (32) de la position réelle (x) du support mobile (14). 8. Procédé conforme à l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la seconde valeur de correction (E2) est proportionnelle à la différence entre la position réelle (x) du support mobile (14) et la consigne de position (xc). 9. Procédé conforme à lune des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de limitation (33) de la vitesse et de l'accélération du support mobile (14) respectivement à une vitesse maximale et à une accélération maximale. 10. Dispositif de contrôle du balancement d'une charge pendulaire (13) suspendue à un support mobile (14), pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une des revendications précédentes, comprenant un engin de levage (10) possédant des moyens de levage (45) de la charge (13) et des moyens de déplacement (48, 47) du support mobile (14), et des moyens de contrôle et de traitement (CPU) adaptés à recevoir des informations représentatives de la longueur (l) du pendule (12), de l'angle de ballant (a) de la charge pendulaire (13) et de la position réelle (x) du support mobile (14) provenant respectivement de moyens d'acquisition de longueur (46), de moyens d'acquisition d'angle (43, 44), et de moyens d'acquisition de position (41), caractérisé en ce que les moyens de contrôle et de traitement (CPU) sont adaptés à recevoir en outre des informations représentatives d'une consigne manuelle (CVM) de vitesse du support mobile (14) ou d'une consigne de position (xc) du support mobile (14) et à émettre en retour une consigne régulée de vitesse (CV) du support mobile (14) à destination d'un système de contrôle-commande (34) dudit support mobile (14). 11. Dispositif conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que la consigne manuelle de vitesse (CVM) du support mobile (14) est issue d'un levier de commande (50) de déplacement du support mobile (14), actionné manuellement. 12. Dispositif conforme à la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'acquisition et de mémorisation (51) de la consigne de position (xc) du support mobile (14).