具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法及系统，包括：建立双摆海上起重机的动力学模型；引入吊臂的仰角、吊钩重心到吊臂顶端之间的缆绳长度、吊钩的摆角以及吊物的摆角状态变量，将所述动力学模型转换为新的动力学模型；定义双摆海上起重机的机械能，根据所述机械能的导数以及新的动力学模型，得到控制信号有界的非线性控制器；通过所述控制器实现对具有双摆特性的海上起重机的稳定控制。本发明专利技术充分考虑船体横摇运动和升沉运动引起的扰动以及执行器的饱和问题，设计了控制信号有界的非线性控制器，在面对非零初始摆角、外部扰动、海风干扰以及复杂船体运动时，控制器仍然具有很强的鲁棒性。

Stability control method and system of offshore crane with double pendulum characteristics

【技术实现步骤摘要】
具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法及系统
本专利技术涉及海上起重机稳定控制
，尤其涉及一种具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。随着海洋勘探和海洋资源开发逐步走向深海，海上起重机在海上运输方面的应用也越来越广泛。海上起重机是安装在船上的一种特殊起重机，该类型起重机通常工作于海上环境，用于将货物放置于某个特定位置。与陆地起重机类似，海上起重机在工作过程中也会出现吊物摆动的情况。但是，海上起重机具有比陆地起重机更加复杂的动力学特性。而且海上起重机遭受持续的船体运动引入的扰动。这些扰动有可能激励起潜在的动力学特性，进而导致起重机系统震荡，对整个设备和操作人员的安全造成极大的威胁。基于以上原因，设计高性能的海上起重机控制器具有极大的意义。近些年来，国内外学者提出了很多陆地起重机控制方法。这些方法主要可分为两部分，即开环控制方法和闭环控制方法。开环方法主要包括输入整形、自适应输入整形以及指令平滑等。闭环控制方法主要包括线性控制、滑模控制、自适应控制、最优控制以及各种各样的智能控制方法例如模糊控制、神经网络控制等。由于海上起重机在工作过程中会受到持续的船体运动引入的扰动的影响，陆地起重机的控制方法不能直接应用于海上起重机。尽管多年以来受到了相当多的关注，高性能海上起重机控制器的设计仍然是亟待解决的问题。现有技术对各类型的海上起重机动力学模型进行了分析，比如：现有技术对海上起重机的模型进行了线性化，基于线性化后的模型设计反馈控制器来实现吊物的精准吊装；然而这类基于线性化模型的控制器仅能在平衡点附近小范围内取得较好的控制效果。对于具有双摆特性的陆地起重机的控制问题，国内外学者开展了广泛的研究并取得了一定的成果。但是这些成果仍然不能直接应用于双摆海上起重机。目前，据专利技术人了解，现有技术对于具有双摆特性的海上起重机的稳定控制问题的研究，并没有考虑船的升沉运动，并且也没有考虑执行器的饱和问题。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决现有技术的不足，提出了一种具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法及系统，充分考虑船体横摇运动和升沉运动引起的扰动以及执行器的饱和问题，设计了控制信号有界的非线性控制器，在面对非零初始摆角、外部扰动、海风干扰以及复杂船体运动时，控制器仍然具有很强的鲁棒性。在一些实施方式中，采用如下技术方案：一种具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法，包括：在存在船体横摇和升沉运动引起的扰动的情况下，以将吊钩与吊物稳定于大地坐标系下的某个特定位置为控制目标，建立双摆海上起重机的动力学模型；引入大地坐标系下吊臂的仰角、吊钩重心到吊臂顶端之间的缆绳长度、吊钩的摆角以及吊物的摆角状态变量，将所述动力学模型转换为新的动力学模型；定义双摆海上起重机的机械能，根据所述机械能的导数以及新的动力学模型，得到控制信号有界的非线性控制器；通过所述控制器实现对具有双摆特性的海上起重机的稳定控制。在另一些实施方式中，采用如下技术方案：一种具有双摆特性的海上起重机稳定控制系统，包括：用于在存在船体横摇和升沉运动引起的扰动的情况下，将吊钩与吊物稳定于大地坐标系下的某个特定位置为控制目标，建立双摆海上起重机的动力学模型的装置；用于引入大地坐标系下吊臂的仰角、吊钩重心到吊臂顶端之间的缆绳长度、吊钩的摆角以及吊物的摆角状态变量，将所述动力学模型转换为新的动力学模型的装置；用于定义双摆海上起重机的机械能，根据所述机械能的导数以及新的动力学模型，得到控制信号有界的非线性控制器的装置；用于通过所述控制器实现对具有双摆特性的海上起重机的稳定控制的装置。在另一些实施方式中，采用如下技术方案：一种海上起重机稳定控制器，具体为：其中，kα1，kα2，kβ1，kβ2，γ1，γ2，kδ1，kδ2以及kγ均为正的控制器参数，τ为吊臂俯仰控制力矩，F为调节缆绳长度的控制力，mhc表示吊钩的质量与吊物的质量之和，mj表示吊臂的质量，e1，e2，e3，e4分别为吊臂仰角误差，缆绳长度误差，吊钩摆角误差以及吊物摆角误差；分别表示ei的一阶导数。在另一些实施方式中，采用如下技术方案：一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法。在另一些实施方式中，采用如下技术方案：一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术利用拉格朗日方法，建立了具有双摆特性的海上起重机的动力学模型。该模型充分考虑了船体横摇和升沉运动引起的扰动。此外，通过引入一些新的状态变量，将原模型转变为一种新的形式。2)本专利技术基于转换后的新动力学模型，在未对模型进行任何线性化的情况下，提出了一种控制信号有界的非线性控制器完成对海上起重机的稳定控制，该控制器能够渐进地将吊钩和吊物调节至期望位置并能有效地抑制摆动。3)利用李雅普诺夫理论以及拉萨尔不变集原理对系统的闭环稳定性进行了严密的证明，并通过多个仿真实验证明了控制器的有效性。附图说明图1是本专利技术实施例一中具有双摆特性的海上起重机结构示意图；图2是本专利技术控制器与PID控制器的实验结果对比；图3是本专利技术控制器初始摆角不为零时的仿真实验结果；图4是本专利技术控制器下存在外界扰动情况下的仿真实验结果；图5是本专利技术控制器下存在海风影响的仿真实验结果；图6是本专利技术控制器下恶劣海况下船体的横摇角度；图7是本专利技术控制器下恶劣海况下船体的升沉高度；图8是本专利技术控制器下复杂船体运动情形下的仿真实验结果。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。实施例一在一个或多个实施方式中，公开了一种具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法，包括以下过程：(1)在存在船体横摇和升沉运动引起的扰动的情况下，以将吊钩与吊物稳定于大地坐标系下的某个特定位置为控制目标，建立双摆海上起重机的动力学模型；(2)引入大地坐标系下吊本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法，其特征在于，包括：/n在存在船体横摇和升沉运动引起的扰动的情况下，以将吊钩与吊物稳定于大地坐标系下的某个特定位置为控制目标，建立双摆海上起重机的动力学模型；/n引入大地坐标系下吊臂的仰角、吊钩重心到吊臂顶端之间的缆绳长度、吊钩的摆角以及吊物的摆角状态变量，将所述动力学模型转换为新的动力学模型；/n定义双摆海上起重机的机械能，根据所述机械能的导数以及新的动力学模型，得到控制信号有界的非线性控制器；/n通过所述控制器实现对具有双摆特性的海上起重机的稳定控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法，其特征在于，包括：
在存在船体横摇和升沉运动引起的扰动的情况下，以将吊钩与吊物稳定于大地坐标系下的某个特定位置为控制目标，建立双摆海上起重机的动力学模型；
引入大地坐标系下吊臂的仰角、吊钩重心到吊臂顶端之间的缆绳长度、吊钩的摆角以及吊物的摆角状态变量，将所述动力学模型转换为新的动力学模型；
定义双摆海上起重机的机械能，根据所述机械能的导数以及新的动力学模型，得到控制信号有界的非线性控制器；
通过所述控制器实现对具有双摆特性的海上起重机的稳定控制。


2.如权利要求1所述的一种具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法，其特征在于，利用拉格朗日方法建立双摆海上起重机的动力学模型。


3.如权利要求1所述的一种具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法，其特征在于，将所述动力学模型转换为新的动力学模型，具体为：



其中，向量ξ＝[ξ1,ξ2,ξ3,ξ4]T，和分别表示向量ξ的二阶和一阶导数；ξi(i＝1,2,3,4)分别表示在大地坐标系下吊臂的仰角、吊钩重心到吊臂顶端之间的缆绳长度，吊钩的摆角和吊物的摆角；M(ξ)为惯性矩阵，为科里奥利与离心力矩阵，为扰动向量，U＝[τ,F,0,0]T为控制输入向量。


4.如权利要求1所述的一种具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法，其特征在于，定义双摆海上起重机的机械能，具体为：



其中，mhc表示吊钩的质量与吊物的质量之和，mc为吊物的质量，g为重力加速度常数，L2表示吊钩和吊物重心之间的距离。


5.如权利要求1所述的一种具有双摆特性的海上起重机稳定控制方法，其特征在于，根据所述机械能的导数以及新的动力学模型，得到控制信号有界的非线性控制器，具体为：






其中，kα1，kα2，kβ1，kβ2，γ1...

【专利技术属性】
技术研发人员：马昕，李轾，李贻斌，宋锐，荣学文，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37