[發(fā)明專利]一種考慮繩長變化的船用吊艇系統(tǒng)減擺控制方法

有效

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• 申請日: 2021-08-04
• 公開（公告）號: CN113608440B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫明曉;王萬鵬;欒添添;姬長宇;胡占永;謝春旺;付強(qiáng);原張杰
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G06F30/17;G06F30/20;G06F111/10;G06F119/14
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1.一種考慮繩長變化的船用吊艇系統(tǒng)減擺控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：根據(jù)動力學(xué)方程與運(yùn)動學(xué)方程，對船用吊艇系統(tǒng)進(jìn)行建模，并考慮繩長變化和海浪橫搖對船用吊艇系統(tǒng)的運(yùn)動影響規(guī)律；

S2：根據(jù)SAO公約制定的擺角安全范圍，對船用吊艇系統(tǒng)的動力學(xué)方程進(jìn)行線性化；

S3：針對船用吊艇系統(tǒng)的欠驅(qū)動系統(tǒng)特性，利用部分反饋線性化原理，進(jìn)一步對線性化的動力學(xué)方程處理，為控制律的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)；

S4：設(shè)計(jì)PD控制律，實(shí)現(xiàn)位置控制模式，根據(jù)運(yùn)動學(xué)逆解，解算出各個(gè)關(guān)節(jié)需要補(bǔ)償?shù)慕嵌?，并通過運(yùn)動學(xué)正解，得到實(shí)際位置，減小擺角；

S5：設(shè)計(jì)柔順阻抗控制律，實(shí)現(xiàn)力/位混合控制模式，模擬實(shí)際接觸力，引入環(huán)境剛度和參考力，補(bǔ)償力信息，提高系統(tǒng)柔順性；

S6：設(shè)計(jì)自適應(yīng)律，針對海浪橫搖運(yùn)動，進(jìn)行在線阻抗參數(shù)調(diào)整，預(yù)估外界環(huán)境變化，并減小因修改慣性系數(shù)引起的系統(tǒng)震蕩，進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償；

實(shí)際船用吊艇系統(tǒng)受到海浪強(qiáng)干擾而產(chǎn)生擺角，為了便于分析，對實(shí)際船用吊艇系統(tǒng)的運(yùn)動進(jìn)行抽象，并建立其三維拉格朗日方程：

式中：T為拉格朗日算子，x₁、y₁為工作艇的坐標(biāo)，m為工作艇質(zhì)量，l為吊索長度，f_x、f_y和f_l為廣義力，θ₁、θ₂為工作艇受海浪運(yùn)動影響產(chǎn)生的擺角，考慮到安全性和高效性相關(guān)的減擺技術(shù)要求，保證工作艇在空間各個(gè)方向的擺角均處于SAO公約規(guī)定范圍，即為-7°＜θ₁，θ₂＜7°，故有|θ₁|＜＜1°，|θ₂|＜＜1°，則與必然成立，同時(shí)，為了研究擺動規(guī)律及擺角的影響因素，對拉格朗日方程組進(jìn)行如下線性化近似為：

式中：M為母船質(zhì)量；

設(shè)計(jì)位置控制的PD控制律：

式中：x_d，y_d和l_d是期望輸入，k₁～k₈是PD控制系統(tǒng)的增益系數(shù)；

適用于機(jī)械臂的減擺控制，不同于其他類型的船用起重機(jī)，機(jī)械臂可以通過運(yùn)動學(xué)逆解，解算出需要補(bǔ)償?shù)慕嵌?，利用舵機(jī)控制關(guān)節(jié)，形成多自由度閉環(huán)反饋控制，PD控制器收到給定的期望位置控制伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶動減速機(jī)產(chǎn)生扭矩，控制減擺臂產(chǎn)生角度，減小擺角，最后通過運(yùn)動學(xué)正解得到實(shí)際位置；

位置控制雖然具有響應(yīng)速度快特點(diǎn)，由于海浪橫搖運(yùn)動過于強(qiáng)烈，需要頻繁減小擺角，導(dǎo)致系統(tǒng)柔順性下降，減擺臂剛性彎折，引發(fā)安全事故，因而需要引入力/位混合控制模式，改善系統(tǒng)柔順性，由于海浪產(chǎn)生的干擾力較為復(fù)雜，造成減擺臂與環(huán)境間的接觸力跟蹤效果較差，因此為更好地描述減擺臂與環(huán)境間接觸力關(guān)系，實(shí)現(xiàn)與環(huán)境間的接觸力跟蹤，引入隱性彈力函數(shù)F_y：

式中：K_y為環(huán)境剛度，X_m為位置控制模式的控制輸出，X_e為外界干擾產(chǎn)生位置偏差；由于x與y相互解耦，且不考慮與l耦合關(guān)系，x的控制律求解與y相同；則x的控制律求解如下：

構(gòu)建二階質(zhì)量-阻尼-剛度與環(huán)境耦合的動力學(xué)模型：

式中：M(x)為減擺臂關(guān)節(jié)的慣性系數(shù)矩陣；M_d為期望慣性矩陣；為減擺臂關(guān)節(jié)的向心力與哥式力系數(shù)矩陣；g(x)為減擺臂關(guān)節(jié)的重力系數(shù)矩陣；f_a，f_e為分別為減擺臂的關(guān)節(jié)驅(qū)動力和外界作用力；

力/位混合控制模式先得到船用吊艇系統(tǒng)與環(huán)境間接觸力信息，借由隱形彈力函數(shù)F_y，計(jì)算出F_y與期望力F_r偏差，輸入到阻抗控制模型，修正或補(bǔ)償船用吊艇系統(tǒng)末端參考位置X_d，將補(bǔ)償后參考位置X_z輸入船用吊艇系統(tǒng)控制器，X_z經(jīng)過逆運(yùn)動學(xué)求解得各個(gè)關(guān)節(jié)角θ_z，然后通過位置控制模式控制減擺臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動，在橫縱搖干擾下經(jīng)船用吊艇系統(tǒng)位置控制系統(tǒng)計(jì)算得到的實(shí)際關(guān)節(jié)角度θ_m，依據(jù)運(yùn)動學(xué)正解解算出船用吊艇系統(tǒng)末端實(shí)際控制運(yùn)動的位置X，減擺臂運(yùn)動到該位置時(shí)會產(chǎn)生新的F_y，進(jìn)入下一個(gè)力控制計(jì)算周期，通過力/位混合控制模式，改善系統(tǒng)柔順性；

但是由于K_y處于動態(tài)變化，因此需要對外界環(huán)境進(jìn)行預(yù)估，構(gòu)建預(yù)估環(huán)境位移函數(shù)X_Estiamte和預(yù)估環(huán)境位置誤差函數(shù)E_Estiamte為：

式中：λ為環(huán)境補(bǔ)償系數(shù)，E_x為位置誤差，E_x＝X_z-X_d；

為了使穩(wěn)態(tài)誤差為零，引入自適應(yīng)阻抗參數(shù)來補(bǔ)償時(shí)變的誤差，考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性與柔順性，對阻抗參數(shù)中的期望慣性矩陣M_d、期望阻尼矩陣B_d進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，由于M_d的變化容易引起系統(tǒng)的震蕩，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性，因而需要對M_d進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，動態(tài)補(bǔ)償b_compensate(t)的時(shí)域表達(dá)式為：

式中：b_d與e_Estiamte(t)為B_d和E_Estiamte的時(shí)域表達(dá)式，ξ(t)為補(bǔ)償函數(shù)，f_y(t)與f_r(t)為F_y和F_r的時(shí)域表達(dá)式，σ取10^-5，防止分母為了零，ε為采樣率，α為更新率；

則參數(shù)更新自適應(yīng)律為：

式中：m_d為M_d的時(shí)域表達(dá)式。