一种船用起重机自动控制实验系统，包括起重机模拟装置(用于模拟实际船用起重机系统的工作状况，它是本实验系统的控制对象)、船体摇摆模拟装置(用于模拟实际船体在复杂海况中的运动状况)、状态测量装置(用于实时测量实验系统的状态量信息，并发送给控制系统)，以及控制系统(用于接收所测量的状态量信息，并按照预定的控制方法实时地计算出相应的控制信号，然后将控制信号发送到伺服电机，从而控制起重机模拟装置及船体摇摆模拟装置按预定要求运行)。本发明专利技术真实反映船用起重机、船体摇摆的运动学和动力学特性，能够验证现有的不同起重机控制方法的实际效果。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于非线性欠驱动机电系统自动控制的
，特别是涉及一种船用起 重机自动控制实验系统。
技术介绍
众所周知，船用起重机是一种十分常见的装配运输工具，它是一类安装于海洋工 程船舶或海上半潜式平台上的起重机系统，是舰船间运送货物、海上建筑修建、沿海工程器 械安装及海难救助事业不可或缺的关键设备。按构造来看，当前最广泛应用的船用起重机 都属于回转式起重机的一种，有俯仰、回转和吊绳长度这三个自由度，通过吊绳的带动实现 负载运送。由于其特殊的机械构造和应用环境，同时实现快速运送和精确定位的难度很大， 其难点在于同时应对系统结构的欠驱动特性和海上环境对起重机系统的干扰。 当前，为了实现船用起重机系统的快速安全操作，起重机操作工人需要接受很长 时间的培训，并在操作过程中不断总结经验以及吸取各种教训。具体在操作过程中，工人需 要利用他们的经验并通过肉眼的观测来估计负载的位置与摆角大小，然后选择合理的动作 序列来有效抑制负载的摆动。在船体经受严酷海况干扰时，由于人体反应速度的限制，不能 保证负载的安全停放，所以起重作业必须停止。因此，现有的起重机系统对起重机操作人员 的技能要求偏高，一般的起重机操作人员无法实现船用起重机系统的安全操作；同时，船用 起重机操作者在起重机操作过程中的劳动强度较大，受到严酷海况干扰时起重作业还必须 中止，使得起重机的工作效率偏低，起重机操作的准确度有时也难以满足要求。 国内外相关领域的学者针对船用起重机的自动控制问题开展了大量的研究工作， 特别是对实际应用中的回转式船用起重机进行了大量结构上的分析 。针对海上移动港 上的龙门起重机，Hong等和1(加等分别进行了动力学分析并设计了相应的实物平台， 该类实物平台将摇摆台和龙门起重机模型组装起来，构成了能提供底座干扰的起重机控制 系统。但是其模拟的海上移动港的摇摆幅度和频率小于遇到同样严酷海况的起重船，同时 也无法描述回转式起重机的工作状况。Ngo 等提出了加强系统耦合的机械结构改装方案， 并设计了一种滑模控制器来达到运送负载的同时抑制摆动的目的。Ismail 等对起重机和 船体运动进行建模，并设计了一种二阶滑模控制器达到相同目的。王鹏程和方勇纯等 研究了回转旋臂式船用起重机的动力学模型，采用了切换控制器保证可控自由度跟踪消摆 轨迹，并进行了有外界干扰条件下的仿真和实验。Neup ert等对水下设备升降过程进行 了动力学建模，并设计了预测控制和轨迹跟踪结合的控制器。1(：1? 5111^通过将前馈补偿 环节与反馈控制策略相结合的方法来抑制单方向上的负载摆动。Me SSine〇等对水下设 备升降过程进行动力学建模，考虑到吊绳弹性与水动力模型的动态补偿，设计出自适应控 制器。Sandia国家实验室采用基于信息融合的方案补偿船体运动带来的影响，采用摆角反 馈和输入整形结合的方法抑制运送过程中的摆动，该方法在美国海军T-ACS的1/24模型和 舰船系统上进行了试验，得到了较好的控制效果。随后有3(^ &1!13等对上述方案做了改 进，减少了感知船体运动所需要传感器的数目。欧阳慧珉 等研究了陆地上回转旋臂式 起重机的建模与离线轨迹规划问题。以上的建模与控制算法方面的研究为本专利技术奠定了相 应的理论基础，证实了船用起重机自动控制实验系统的可行性，也为本实验系统的结构设 计提供了借鉴。马博军等人研制出陆上桥式吊车的自动控制实验系统，可以模拟无摇摆 台的桥式起重机工作过程，但与船用起重机的模拟有重大区别。值得指出的是，现有的研究 成果集中在理论建模、陆上的回转式起重机的仿真试验以及船用龙门起重机实验平台上， 目前还缺乏一种方便、可靠的回转式船用起重机自动控制实验系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一套能真实反映回转式船用起重机运动特性，以验证不同控 制方法的实验系统，推动起重机控制方法在实际生产中的普及应用。 本专利技术提供的船用起重机自动控制实验系统，包括起重机模拟装置、船体摇摆模 拟装置、状态测量装置以及控制系统;其中， 起重机模拟装置：用于模拟实际船用起重机系统的工作状况，它是本实验系统的 控制对象;包括回转传动器(1)、回转中心轴(2)、吊臂安装架(3)、回转轴支撑架(35)以及吊 臂，吊臂安装在吊臂安装架(3)上且包括俯仰传动轴(5)、导轨(6)、闭环同步轮带(7)、台车 、保持导轨(6)间距的导轨固定板（13)、伺服电机(42、43)、卷轴（11)以及配重（12)，此外 还包括俯仰传动器(4)、伺服电机(39)、钢丝吊绳（10)和负载(9);所述回转传动器（1)由蜗 轮蜗杆副(36)和齿轮盒(37)构成，依靠伺服电机(40)提供动力并带动回转中心轴(2)旋转； 回转中心轴(2)底端装有立轴承和侧轴承并安放在船体摇摆模拟装置上，回转中心轴(2)中 端则由回转轴支撑架(35)支撑，使回转中心轴(2)相对所安放的位置不发生倾斜，吊臂安装 架(3)与回转中心轴(2)相固定，起到衔接回转中心轴(2)与吊臂的作用，故伺服电机(40)可 带动上层机构回转;俯仰传动轴(5)通过轴承安装在吊臂安装架(3)上，其中一端与安装在 吊臂安装架(3)侧面上的俯仰传动器(4)连接，俯仰传动器(4)为蜗轮蜗杆副并受伺服电机 (39)驱动，故伺服电机(39)能够通过俯仰传动器(4)、俯仰传动轴(5)带动吊臂俯仰运动;导 轨(6)穿过并固定于俯仰传动轴(5)，上面固定四块导轨固定板（13)，上面分别安装有闭环 同步轮带(7)、卷轴（11)、配重（12)和伺服电机(42、43);闭环同步轮带(7)位于导轨(6)的一 侧并由伺服电机(43)驱动，带动台车(8)沿导轨(6)滑行，需要台车(8)相对吊臂静止时能够 锁定台车(8)的位置;卷轴（11)由伺服电机(42)驱动，钢丝吊绳（10)的一端固定在卷轴（11) 上，另一端绕过台车(8)并用于吊装负载(9);导轨(6)末端上的导轨固定板(13)安装有配重 (12)起到平衡吊臂的作用;各伺服电机内部由一个电机和一个位置编码器构成；船体摇摆模拟装置：用于模拟实际船体在复杂海况中的运动状况，并为起重机模 拟装置引入外界干扰;包括下底座盘（14)和上底座盘（17)以及三套相同的升降机构，升降 机构包括螺母轴（15)、四孔连接器(16)、螺纹轴支撑架（18)、螺纹轴（19)、锥齿轮副(20)、传 动轴(21)和伺服电机(41)，其中四孔连接器(16)套接在螺母轴（15)及上底座盘(17)外露的 连接杠(38)上；由于正交对称的四个孔套在连接杠(38)上，连接杠(38)能够在孔内伸缩和 旋转，故螺母轴（15)旋转被限制并且上底座盘（17)随螺母轴（15) -起升降运动；螺纹轴 (19)的下端安放在下底座盘（14)上，由立轴承、侧轴承及相应的螺纹轴支撑架（18)保证螺 纹轴绕竖直方向旋转，螺纹轴（19)的中下端通过锥齿轮副（20)及传动轴(21)连接侧放于下 底座盘(14)的伺服电机(41)，各伺服电机内部由一个电机和一个位置编码器构成；状态测量装置：用于实时测量起重机模拟装置和船体摇摆模拟装置的状态量信 息，并发送给控制系统;状态量信息包括:船体摇摆装置中三个升降点的运动高度 起重机吊臂的俯仰角知、回转角心，台本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种船用起重机自动控制实验系统，其特征在于包括起重机模拟装置、船体摇摆模拟装置、状态测量装置以及控制系统；其中，起重机模拟装置：用于模拟实际船用起重机系统的工作状况，它是本实验系统的控制对象；包括回转传动器(1)、回转中心轴(2)、吊臂安装架(3)、回转轴支撑架(35)以及吊臂，吊臂安装在吊臂安装架(3)上且包括俯仰传动轴(5)、导轨(6)、闭环同步轮带(7)、台车(8)、保持导轨(6)间距的导轨固定板(13)、伺服电机(42、43)、卷轴(11)以及配重(12)，此外还包括俯仰传动器(4)、伺服电机(39)、钢丝吊绳(10)和负载(9)；所述回转传动器(1)由蜗轮蜗杆副(36)和齿轮盒(37)构成，依靠伺服电机(40)提供动力并带动回转中心轴(2)旋转；回转中心轴(2)底端装有立轴承和侧轴承并安放在船体摇摆模拟装置上，回转中心轴(2)中端则由回转轴支撑架(35)支撑，使回转中心轴(2)相对所安放的位置不发生倾斜，吊臂安装架(3)与回转中心轴(2)相固定，起到衔接回转中心轴(2)与吊臂的作用，故伺服电机(40)能够带动上层机构回转；俯仰传动轴(5)通过轴承安装在吊臂安装架(3)上，其中一端与安装在吊臂安装架(3)侧面上的俯仰传动器(4)连接，俯仰传动器(4)为蜗轮蜗杆副并受伺服电机(39)驱动，故伺服电机(39)能够通过俯仰传动器(4)、俯仰传动轴(5)带动吊臂俯仰运动；导轨(6)穿过并固定于俯仰传动轴(5)，上面固定四块导轨固定板(13)，导轨固定板上面分别安装有闭环同步轮带(7)、卷轴(11)、配重(12)和伺服电机(42、43)；闭环同步轮带(7)位于导轨(6)的一侧并由伺服电机(43)驱动，带动台车(8)沿导轨(6)滑行，需要台车(8)相对吊臂静止时能够锁定台车(8)的位置；卷轴(11)由伺服电机(42)驱动，钢丝吊绳(10)的一端固定在卷轴(11)上，另一端绕过台车(8)并用于吊装负载(9)；导轨(6)末端上的导轨固定板(13)安装有配重(12)起到平衡吊臂的作用；各伺服电机内部由一个电机和一个位置编码器构成；船体摇摆模拟装置：用于模拟实际船体在复杂海况中的运动状况，并为起重机模拟装置引入外界干扰；包括下底座盘(14)和上底座盘(17)以及三套相同的升降机构，升降机构包括螺母轴(15)、四孔连接器(16)、螺纹轴支撑架(18)、螺纹轴(19)、锥齿轮副(20)、传动轴(21)和伺服电机(41)，其中四孔连接器(16)套接在螺母轴(15)及上底座盘(17)外露的连接杠(38)上；由于正交对称的四个孔套在连接杠(38)上，连接杠(38)能够在孔内伸缩和旋转，故螺母轴(15)旋转被限制并且上底座盘(17)随螺母轴(15)一起升降运动；螺纹轴(19)的下端安放在下底座盘(14)上，由立轴承、侧轴承及相应的螺纹轴支撑架(18)保证螺纹轴绕竖直方向旋转，螺纹轴(19)的中下端通过锥齿轮副(20)及传动轴(21)连接侧放于下底座盘(14)的伺服电机(41)，各伺服电机内部由一个电机和一个位置编码器构成；状态测量装置：用于实时测量起重机模拟装置和船体摇摆模拟装置的状态量信息，并发送给控制系统；状态量信息包括：船体摇摆装置中三个升降点的运动高度h1、h2、h3，起重机吊臂的俯仰角δ1、回转角δ2，台车(8)沿导轨(6)方向运动位移L，钢丝吊绳(10)的长度l，以及钢丝吊绳(10)的二维摆角θ1、θ2；具体而言，驱动三个升降点运动的型号、配置完全相同的三台伺服电机(41)，其位置编码器分别测量对应升降点运动高度h1、h2、h3，同时计算机内部程序求出相应的运动速度，据此推出船体摇摆模拟装置的上底座盘(17)及安装在其上的起重机模拟装置的角速度向量NωS和升降速度由与回转传动器(1)连接的伺服电机(40)和与俯仰传动器(4)连接的伺服电机(39)的位置编码器分别测量起重机吊臂的俯仰角δ1和回转角δ2；由与闭环同步轮带(7)连接的伺服电机(43)的位置编码器测量台车(8)沿导轨(6)方向运动位移L；由与卷轴(11)连接的伺服电机(42)的位置编码器测量钢丝吊绳(10)的长度l；由包括旋转编码器(33)的二维摆角检测装置测量钢丝吊绳(10)的二维摆角θ1、θ2；所述的二维摆角测量装置包括安装在台车(8)上的两个半圆弧形摆架，内半圆弧摆架(30)的外径小于外半圆弧摆架(31)的内径，内半圆弧摆架(30)和外半圆弧摆架(31)绕着各自的旋转轴转动，两个半圆弧形摆架的旋转轴位于同一平面上，且相互正交，交点与两个半圆弧圆心重合，并与钢丝吊绳(10)起摆点的定位孔(32)圆心重合，两个半圆弧形摆架的旋转轴各有一端安装旋转编码器(33)，旋转编码器(33)用于测量半圆弧形摆架的旋转角，两个半圆弧摆架中间具有用于使钢丝吊绳(10)通过的光滑开缝(34)，旋...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：方勇纯，付一鸣，何博，卢彪，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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