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恶劣海况下船舶起重机转运建模及防摆控制策略研究
| 论文题名： | 恶劣海况下船舶起重机转运建模及防摆控制策略研究 |
| 关键词： | 船舶起重机;恶劣海况;分级补偿;虚拟约束;辅臂结构;转运建模 |
| 摘要： | 随着海洋工程的快速发展，大型集装箱和货物的运输主要依靠海上船舶。因此，固定在船舶甲板上的船载起重机系统越来越受到重视，它具有灵活性高、能耗低等优点，是完成货物装载、货物运输和定位的有用工具。因此，船用起重机系统具有广泛的实际应用价值和发展前景。但是船舶起重机通常是固定在船舶甲板上进行海上货物运输，这与陆地固定起重机有很大的不同。由于海浪的干扰，有效载荷的位置很难精确控制。设计减摇补偿系统在目前实际的海洋工程领域具有重要意义。 首先，针对海上作业的船舶起重机，对起吊机构进行设计改进，即在末端加装三自由度的起重机辅助臂机构，通过控制起重机辅臂机构在空间上三个方向的运动变化，提高起重机在恶劣海况下对货物摇摆的控制能力，抵消货物发生的不规则晃动，显著提升船舶起重机吊物的平稳性。此外，起重机欠驱动非线性系统的稳定控制是一项具有挑战性的任务，现有货物转运升沉补偿装备存在结构复杂、补偿范围有限、造价昂贵等局限性，因此本文提出了一种三自由度悬臂补偿机构，结合主-辅臂补偿算法实现货物的转运补偿。 其次，在传统船用起重机上加装辅助臂机械机构后，对起重机以及起重机辅助臂结构进行数学建模，通过搭建起重机系统数学模型分析海况对起重机转运货物的影响。而后，基于补偿液压驱动原理搭建了分级补偿液压系统模型，用于后期的控制系统设计和建模。 再次，根据主臂和辅臂的特性，提出基于虚拟约束的分级补偿控制策略，利用主臂与辅臂的优势实现高效率、高精度的转运消摆控制。其中，主臂采用基于PID控制的补偿方案，利用转盘回转运动及臂架变幅运动调节吊重位置，增大调节范围。辅臂则采用速度补偿技术，通过变幅液压缸改变辅臂侧向偏载的变幅角度、俯仰变幅角度及伸缩长度，实现悬吊货物调节，具有响应快、实时精度高等优点。分级补偿控制策略既增大起重机的调节范围，也保证系统的高响应和高补偿精度，使得消摆时间缩短15％，能够更有效地解决恶劣海况下转运的消摆补偿问题。 最终，搭建分级补偿缩比样机试验平台验证分级补偿控制理论。基于Simulink和VS的方式建立分级补偿控制模型，采用TCP/IP方式建立ABB机械臂设备和工控机通讯。实验过程中通过控制ABB机械臂、卷扬机和伸缩电动缸的运动，设计一种特定的船舶摇晃幅度进行补偿船舶摇晃实验，验证了分级补偿控制理论的有效性。 |
| 作者： | 车思儒 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 陈英龙 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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