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原文传递三自由度并联船载稳定平台镇定控制研究

论文题名：	三自由度并联船载稳定平台镇定控制研究
关键词：	船载稳定平台;动态不确定;未知外界扰动;镇定控制;超螺旋算法
摘要：	船舶受风、浪等海洋环境的影响会产生横荡、纵荡、升沉、横摇、纵摇和艏摇运动，不可避免地威胁到船用起重机等船载设备的运行安全，船舶动力定位系统可抑制船舶的横荡、纵荡和艏摇运动，并联船载稳定平台可隔离船舶的横摇、纵摇和升沉运动对船载设备的扰动，保证船载稳定平台上船载设备在惯性空间保持稳定，使其作业就像在陆地上一样，提高作业效率并增加可工作时间窗。然而，并联船载稳定平台是一个具有高度非线性、强耦合、变负载的多变量系统，存在动态不确定与未知外界扰动。因此，开展并联船载稳定平台镇定控制研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。　　首先，设计了具有升沉、横摇和纵摇三个自由度的并联船载稳定平台（以下简称船载平台），对所设计的船载平台进行运动学分析，并利用Matlab实现运动学反解计算，利用Adams进行运动学仿真，验证运动学反解的正确性，并为动力学建模奠定基础；进一步，考虑船载平台液压执行机构，根据运动学分析结果并采用虚功原理法，建立船载平台动力学模型，并利用Matlab和Adams验证所建立的动力学模型的正确性及所设计船载平台机构的合理性，为船载平台镇定控制策略的研究奠定基础。　　然后，采用任务空间控制方案，设计船载平台比例-积分-微分（proportional-integral-derivative，PID）控制律，实现船载平台镇定控制；将船载平台存在动态不确定与未知外界扰动视为总扰动，构造超螺旋扩张状态观测器（super-twistingextendedstateobserver，STESO）为船载平台总扰动提供有限时间在线估计，基于此，设计船载平台超螺旋滑模（super-twistingslidingmode，STSM）镇定控制律，保证船载平台镇定控制误差渐近收敛于零。进一步，改进了传统的超螺旋算法，以减轻其固有的抖振，依据改进的超螺旋算法，构造新型自适应STESO，基于此，设计船载平台新型自适应STSM镇定控制律，使得船载平台支撑面被渐近调节于惯性空间中某一期望的位姿。利用Matlab/Simulink，分别在船载平台模型参数摄动及不同海况下进行仿真研究，仿真结果验证了所提出的船载平台镇定控制律的有效性以及对参数摄动和环境扰动的鲁棒性。　　进一步，针对船载平台液压执行机构中的各液压缸设计了分数阶PID力跟踪控制律，并采用无稳态振荡极值搜索算法对所设计的分数阶PID力跟踪控制律进行参数整定，利用AMESim与Matlab/Simulink进行联合仿真，并与PID力跟踪控制器进行仿真比较，仿真结果表明所设计的液压执行机构分数阶PID力跟踪控制律的有效性及较传统PID控制的优越性。　　最后，基于Adams、AMESim与Matlab/Simulink搭建船载平台镇定控制仿真系统，进行联合仿真，仿真结果表明在有义波高2.5m的海况下，进一步验证了所提出的船载平台镇定控制方案使船载平台可有效补偿船舶横摇、纵摇和升沉运动。
作者：	刘文吉
专业：	控制工程
导师：	杜佳璐
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022