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原文传递船用起重机的动力学与控制研究

论文题名：	船用起重机的动力学与控制研究
关键词：	船用起重机系统;动力学建模;非线性控制;欠驱动系统;内动态平衡点跟踪
摘要：	船用起重机系统是一类安装与船体之上，在海上环境下，实现负载运输定位作业的吊车系统，在运输与海洋工程方面有着广泛的应用。该类系统与陆上吊车系统类似，为提高安全性与工作效率，需要抑制因操作动作和意外碰撞等外部干扰对负载摆动的激励作用，与此同时，更重要的一点是要抑制由于海浪、流等造成的船体本身运动对负载带来的巨大不利影响，这一点是船用起重机系统负载防摆控制的关键所在。而这类任务对操纵人员与作业环境的要求很高，因此有必要开发针对该类装置的自动控制系统。从系统动力学的角度看，该类吊车系统是一种典型的欠驱动系统，系统自由度大于控制输入的维数。同时，船体的持续运动的影响直接进入系统的不可直接驱动部分，即负载摆动动力学部分。所以此类控制涉及欠驱动系统对持续不匹配扰动的抑制，并在非惯性系下的欠驱动控制问题中有一定的代表性，在控制理论上亦有较高的研究价值。本文意在对船用起重机系统的自动控制做初步研究，包括系统动力学建模，控制器设计与辅助机构设计与控制。　　 (1)船用起重机系统动力学建模，该部分首先分析了船一吊车一负载系统各部分运动状态与运动关系，而后利用拉格朗日方程建立动力学方程，在吊车坐标系下描述负载受船体6自由度运动和吊车系统3维操纵量对负载2维摆动的影响，同时考虑船体运动对吊车系统的运动影响。在此基础上，得到较为简洁的动力学方程形式，方便对其动力学特性进行分析与控制器设计。同时得到桥式与臂式吊车系统的横向动力学模型。而后，设计了仿真平台，可以有效模拟该系统的运动过程，观察状态量变化。而后设计了基于模型动力学结构的实验系统，该系统可有效模仿船体运动对负载造成的影响，方便控制器的实现与性能验证。　　 (2)对于船用起重机负载定位控制器的设计。该部分意在设计控制器实现在船体运动扰动下的吊车系统负载定位任务，具体包含两种控制策略：基于滑模面合成的负载定位控制器与基于内动态平衡点跟踪方法的负载定位控制器。前者针对船体运动与模型参数首先规划吊车系统状态量参考轨迹，而后定义误差滑模面，并引入权重指数，设计控制器，使旋臂俯仰与负载摆动误差保持在与扰动量相关的界限之内；后者将针对欠驱动非最小相位系统的基于内动态平衡点跟踪的控制策略在船用吊车系统上加以实现，根据船体运动与台车定位误差得到实时的摆动动态平衡点及其导数，而后设计控制器对其跟踪，对于跟踪问题实现系统误差状态有界，而对于镇定问题可以达到渐近收敛。　　 (3)辅助机构的设计与控制。该部分基于所得船用桥式吊车动力学模型的欠驱动特性，设计了一种索具系统，用以牵引负载，实现对负载摆动转矩的直接影响，使系统在一定程度上失去欠驱动特性。而后提出了一种控制方法，通过摆动力矩的控制使该系统动力学与陆上桥式吊车等价，而后通过PD控制实现负载与台车的定位功能。
作者：	王鹏程
专业：	控制理论与控制工程
导师：	方勇纯
授予学位：	硕士
授予学位单位：	南开大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文