船用起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)與控制研究.pdf

1、船用起重機(jī)系統(tǒng)是一類安裝與船體之上，在海上環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)負(fù)載運(yùn)輸定位作業(yè)的吊車系統(tǒng)，在運(yùn)輸與海洋工程方面有著廣泛的應(yīng)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(dòng)作和意外碰撞等外部干擾對負(fù)載擺動(dòng)的激勵(lì)作用，與此同時(shí)，更重要的一點(diǎn)是要抑制由于海浪、流等造成的船體本身運(yùn)動(dòng)對負(fù)載帶來的巨大不利影響，這一點(diǎn)是船用起重機(jī)系統(tǒng)負(fù)載防擺控制的關(guān)鍵所在。而這類任務(wù)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(dòng)控

2、制系統(tǒng)。從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的角度看，該類吊車系統(tǒng)是一種典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)自由度大于控制輸入的維數(shù)。同時(shí)，船體的持續(xù)運(yùn)動(dòng)的影響直接進(jìn)入系統(tǒng)的不可直接驅(qū)動(dòng)部分，即負(fù)載擺動(dòng)動(dòng)力學(xué)部分。所以此類控制涉及欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對持續(xù)不匹配擾動(dòng)的抑制，并在非慣性系下的欠驅(qū)動(dòng)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(jià)值。本文意在對船用起重機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)控制做初步研究，包括系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模，控制器設(shè)計(jì)與輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制。
　　 (1)船用起重機(jī)系統(tǒng)

3、動(dòng)力學(xué)建模，該部分首先分析了船一吊車一負(fù)載系統(tǒng)各部分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)關(guān)系，而后利用拉格朗日方程建立動(dòng)力學(xué)方程，在吊車坐標(biāo)系下描述負(fù)載受船體6自由度運(yùn)動(dòng)和吊車系統(tǒng)3維操縱量對負(fù)載2維擺動(dòng)的影響，同時(shí)考慮船體運(yùn)動(dòng)對吊車系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)影響。在此基礎(chǔ)上，得到較為簡潔的動(dòng)力學(xué)方程形式，方便對其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析與控制器設(shè)計(jì)。同時(shí)得到橋式與臂式吊車系統(tǒng)的橫向動(dòng)力學(xué)模型。而后，設(shè)計(jì)了仿真平臺，可以有效模擬該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程，觀察狀態(tài)量變化。而后設(shè)計(jì)了基于模型

4、動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效模仿船體運(yùn)動(dòng)對負(fù)載造成的影響，方便控制器的實(shí)現(xiàn)與性能驗(yàn)證。
　　 (2)對于船用起重機(jī)負(fù)載定位控制器的設(shè)計(jì)。該部分意在設(shè)計(jì)控制器實(shí)現(xiàn)在船體運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)下的吊車系統(tǒng)負(fù)載定位任務(wù)，具體包含兩種控制策略：基于滑模面合成的負(fù)載定位控制器與基于內(nèi)動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)跟蹤方法的負(fù)載定位控制器。前者針對船體運(yùn)動(dòng)與模型參數(shù)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(quán)重指數(shù)，設(shè)計(jì)控制器，使旋臂俯仰與負(fù)載擺動(dòng)誤差

5、保持在與擾動(dòng)量相關(guān)的界限之內(nèi)；后者將針對欠驅(qū)動(dòng)非最小相位系統(tǒng)的基于內(nèi)動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)跟蹤的控制策略在船用吊車系統(tǒng)上加以實(shí)現(xiàn)，根據(jù)船體運(yùn)動(dòng)與臺車定位誤差得到實(shí)時(shí)的擺動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)及其導(dǎo)數(shù)，而后設(shè)計(jì)控制器對其跟蹤，對于跟蹤問題實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)誤差狀態(tài)有界，而對于鎮(zhèn)定問題可以達(dá)到漸近收斂。
　　 (3)輔助機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制。該部分基于所得船用橋式吊車動(dòng)力學(xué)模型的欠驅(qū)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)了一種索具系統(tǒng)，用以牽引負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載擺動(dòng)轉(zhuǎn)矩的直接影響，使系統(tǒng)在一定程