船用起重機的動力學與控制研究.pdf

1、船用起重機系統(tǒng)是一類安裝與船體之上，在海上環(huán)境下，實現負載運輸定位作業(yè)的吊車系統(tǒng)，在運輸與海洋工程方面有著廣泛的應用。該類系統(tǒng)與陸上吊車系統(tǒng)類似，為提高安全性與工作效率，需要抑制因操作動作和意外碰撞等外部干擾對負載擺動的激勵作用，與此同時，更重要的一點是要抑制由于海浪、流等造成的船體本身運動對負載帶來的巨大不利影響，這一點是船用起重機系統(tǒng)負載防擺控制的關鍵所在。而這類任務對操縱人員與作業(yè)環(huán)境的要求很高，因此有必要開發(fā)針對該類裝置的自動控

2、制系統(tǒng)。從系統(tǒng)動力學的角度看，該類吊車系統(tǒng)是一種典型的欠驅動系統(tǒng)，系統(tǒng)自由度大于控制輸入的維數。同時，船體的持續(xù)運動的影響直接進入系統(tǒng)的不可直接驅動部分，即負載擺動動力學部分。所以此類控制涉及欠驅動系統(tǒng)對持續(xù)不匹配擾動的抑制，并在非慣性系下的欠驅動控制問題中有一定的代表性，在控制理論上亦有較高的研究價值。本文意在對船用起重機系統(tǒng)的自動控制做初步研究，包括系統(tǒng)動力學建模，控制器設計與輔助機構設計與控制。
　　 (1)船用起重機系統(tǒng)

3、動力學建模，該部分首先分析了船一吊車一負載系統(tǒng)各部分運動狀態(tài)與運動關系，而后利用拉格朗日方程建立動力學方程，在吊車坐標系下描述負載受船體6自由度運動和吊車系統(tǒng)3維操縱量對負載2維擺動的影響，同時考慮船體運動對吊車系統(tǒng)的運動影響。在此基礎上，得到較為簡潔的動力學方程形式，方便對其動力學特性進行分析與控制器設計。同時得到橋式與臂式吊車系統(tǒng)的橫向動力學模型。而后，設計了仿真平臺，可以有效模擬該系統(tǒng)的運動過程，觀察狀態(tài)量變化。而后設計了基于模型

4、動力學結構的實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效模仿船體運動對負載造成的影響，方便控制器的實現與性能驗證。
　　 (2)對于船用起重機負載定位控制器的設計。該部分意在設計控制器實現在船體運動擾動下的吊車系統(tǒng)負載定位任務，具體包含兩種控制策略：基于滑模面合成的負載定位控制器與基于內動態(tài)平衡點跟蹤方法的負載定位控制器。前者針對船體運動與模型參數首先規(guī)劃吊車系統(tǒng)狀態(tài)量參考軌跡，而后定義誤差滑模面，并引入權重指數，設計控制器，使旋臂俯仰與負載擺動誤差

5、保持在與擾動量相關的界限之內；后者將針對欠驅動非最小相位系統(tǒng)的基于內動態(tài)平衡點跟蹤的控制策略在船用吊車系統(tǒng)上加以實現，根據船體運動與臺車定位誤差得到實時的擺動動態(tài)平衡點及其導數，而后設計控制器對其跟蹤，對于跟蹤問題實現系統(tǒng)誤差狀態(tài)有界，而對于鎮(zhèn)定問題可以達到漸近收斂。
　　 (3)輔助機構的設計與控制。該部分基于所得船用橋式吊車動力學模型的欠驅動特性，設計了一種索具系統(tǒng)，用以牽引負載，實現對負載擺動轉矩的直接影響，使系統(tǒng)在一定程