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原文传递基于时滞滤波器的桥式卸船机的定位和防摆控制研究

论文题名：	基于时滞滤波器的桥式卸船机的定位和防摆控制研究
关键词：	时滞滤波器;桥式卸船机;负载;鲁棒性;设计;小车运行;控制方案;作业效率;系统输出;时间最优;残留振荡;桥式抓斗卸船机;建模误差;信号;集装箱;运行过程;响应时间;软件;控制方法;级联控制
摘要：	在经济全球化的背景下,国际贸易的蓬勃发展带动了海上大宗散货和集装箱运输量的快速增长。因此,近些年来港口卸船机械的市场需求量变得越来越大。其中,作为散货码头生产作业主要机械的桥式抓斗卸船机以及作为专业化集装箱码头装卸船舶主要设备的岸边集装箱起重机都可以归纳为桥式卸船机的范畴。然而,在桥式卸船机的工作过程中,在负载提升、小车运行和定位卸货时,由于小车的加减速和负载提升等因为会引起负载的来回摆动,这不但增加了事故发生的可能性,而且造成卸货时定位困难。传统的控制方法是操作人员通过经验进行手动调节,作业效率比较低,不能满足现代化大型作业的要求。为了适应货运量增长和船舶大型化对快速装卸的要求,装卸过程迫切需要实现自动化作业。　　国内对自动卸船技术的研究起步较晚,还未有成熟稳定的国产自动卸船系统投入实际使用,所以目前几乎所有的卸船机自动作业系统均为引进设备。因此,通过对桥式卸船机现有技术和资料的借鉴和总结,开发出一套具有自身特点,适合卸船机实际操作的卸船机自动控制方案,是一个很有理论意义和实用价值的研究课题。　　本文的主要创新工作有: 　　 1、提出多峰极不灵敏和完全不灵敏型鲁棒最优随机时滞滤波器。　　基本的最优随机时滞滤波器(OATF)是利用最优控制理论设计的一种时滞滤波器。该方法对建模误差(滤波器的建模值和系统的实际值)的鲁棒性较差,影响了实际应用。　　本文在频域,利用零点配置方法,通过在系统极点附近配置多个滤波器零点,设计了多峰极不灵敏(EI)鲁棒OATF以及对频率和阻尼误差均有较强鲁棒性的完全不灵敏(TI)鲁棒OATF。设计的鲁棒OATF在小车运行和负载提升复合动作的桥式卸船机定位和防摆控制中进行应用,性能良好。与基本的OATF进行比较,本文设计的鲁棒OATF能够实现小车定位的同时,对绳长的变化具有更好的鲁棒性,能更好地抑制负载的残留振荡。　　 2、提出桥式卸船机的时变时滞滤波器控制方法。　　基本的时滞滤波器对建模误差的鲁棒性的提高是以延长滤波器的时间长度为代价的。针对这一问题,本文研究了一种在保持较短的滤波器时间长度基础上增强鲁棒性的方法,即设计了抑制时变系统残留振荡的时变时滞滤波器。　　在进行卸船机的复合运行过程的控制时,该时变滤波器通过在线反馈卸船机的振动频率和阻尼,实时地调节滤波器中脉冲的时间位置和幅值。与基本的鲁棒时滞滤波器进行比较,该时变时滞滤波器对绳长变化具有更好的鲁棒性,能更有效地抑制负载的残留振荡；同时能更快地实现小车定位和负载防摆,有利于提高作业效率。　　 3、提出带有尾部信号的多峰EI和TI型鲁棒时间最优时滞滤波器以及带尾部信号的正幅值时滞滤波器。　　首先,在带尾部信号的时间最优时滞滤波器的基础上,设计了对建模误差鲁棒性更强的多峰EI鲁棒时间最优时滞滤波器以及TI型鲁棒时间最优时滞滤波器。这种鲁棒性的设计不仅可以用于复数极点,也适用于实数极点。　　其次,设计了带尾部信号的正幅值时滞滤波器。该时滞滤波器将基本正幅值时滞滤波器可以和任意输入作用的优点与带尾部信号的时滞滤波器可以减小系统输出响应时间的特性有机地结合起来。通过与基本鲁棒时滞滤波器进行级联控制,可以应用到桥式卸船机的复合运行过程中。和基本鲁棒时滞滤波器控制方案比较,该级联控制方案能更快地同时实现小车定位和负载防摆,有利于作业效率的进一步提高。　　 4、提出桥式卸船机的基于时滞滤波器的模糊控制方案。　　考虑到负脉冲滤波器能够减小系统输出的响应时间,在前面设计的鲁棒OATF的基础上,利用负脉冲时滞滤波器的这种优点来有效地抑制负载振动,并可提供小车的参考速度曲线,同时可控制小车的位置和负载的摆角；此外,在此基础上,再设计一个简单的模糊控制器来进一步完全消除负载残留振荡,从而保证定位精度,同时克服系统的非线性和外部干扰对系统性能的影响。本混合控制方案能够允许更大的负载提升距离,可同时实现小车的定位和负载的完全消摆,并可有效地抑制负载的瞬时振荡,有利于安全作业。并且,该混合方案对参数变化(主要对绳长)和外部干扰(如初始摆角)具有较好的鲁棒性能。　　 5、基于Lab Windows/CVI的自动卸船软件的人机界面的设计与开发。　　结合软件工程的思想,在Lab Windows/CVI开发环境下设计开发了自动卸船软件的人机交互界面。该软件以桥式抓斗卸船机为设计对象,可实现人工输入船型参数,模拟显示自动卸船作业过程,同时提供小车和抓斗的实时动作曲线等功能。
作者：	王晓军
专业：	控制理论与控制工程
导师：	邵惠鹤
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文