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原文传递船载吊车防摆控制研究

论文题名：	船载吊车防摆控制研究
关键词：	船载吊车;塔式起重机;欠驱动系统;观测器;非线性控制
摘要：	塔式起重机由于其操作灵活、作业范围广等特点，被广泛应用于民用和军事众多领域。塔式起重机与货船等运载工具相配合组成的船载吊车，可以高效解决海岸港口以及海面上大件货物的转移运输问题。然而,由于海风和海浪等外部因素的影响，会对船体稳定产生干扰，导致船载吊车作业效率低下，甚至存在安全隐患。同时，从控制的角度上讲，塔式起重机本身就是一个典型的欠驱动系统，使得船载吊车系统具有更强的变量耦合特性和更复杂的运动特性，这给系统控制设计提出了新的挑战。　　针对以上问题，本文对吊车平移与旋臂回转的快速定位、负载摆动抑制以及船体三维扰动进行了深入研究。从船载吊车实验平台搭建出发,构建系统动力学模型，分析其动力学特征。在此基础上分类设计了两种船载吊车的控制算法，并进行了数值仿真和硬件实物实验。　　本文的主要研究内容包括: 　　1、硬件实验平台搭建与动力学建模。本课题参照实际工作场景搭建了船载吊车实验平台，该平台由塔式起重机实验平台与船体模拟器共同组成。其中，塔式起重机实验平台负责模拟船载吊车对货物的转运，船体模拟器负责模拟海面扰动。该平台实现了船体模拟、运动模拟与数据交互的功能。在此基础上，利用拉格朗日方程建立了能反应出系统运动特性的塔式起重机和船载吊车动力学模型。建模过程中解决了现有船载吊车纵摇方向建模缺失的问题，两类模型的建立为控制设计奠定了基础。　　2、船体微小扰动下的塔式起重机控制设计。在一些小型近港区域，由于船体相对固定，船载吊车受外部海风海浪等干扰因素小。在控制设计过程中将船体摆动看作系统的外部扰动，对塔式起重机进行控制设计。本文基于塔式起重机吊运模型，从系统的稳定性出发，设计了耦合误差辅助函数和基于李雅普诺夫函数的非线性控制器，实现了吊车/旋臂运动和负载摆动的全过程解耦和同步控制。　　3、船体三维扰动下的船载吊车控制设计。在一些大型港口或者距海岸线较远的海面上，船载吊车受到的海风海浪影响不可忽略，控制设计过程要将其作为主要影响因素。本文采用一种全状态观测器来对船体扰动进行在线观测，该观测器可以根据系统所使用的控制器结构改变自身结构形式，并保证观测的稳定性与最优性。基于系统的欠驱动特性，本文采用了反演控制算法，通过与全状态观测器的配合，实现了系统精准定位与抑制摆动的控制目标。　　4、数值仿真与实物实验。针对上述两类船载吊车系统的控制方案，进行了大量的数值仿真、模拟实验和硬件实物实验。由对比结果可以得到，本文提出的控制算法在系统的吊车平移、旋臂回转的快速定位与负载摆动的快速抑制方面表现出优越性能。
作者：	赵子豪
专业：	电子信息
导师：	黄静雯;孟凡东
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京化工大学
学位年度：	2023