[發明專利]一種考慮繩長變化的船用吊艇系統減擺控制方法

有效

• 申請號: 202110890976.0
• 申請日: 2021-08-04
• 公開（公告）號: CN113608440B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 孫明曉;王萬鵬;欒添添;姬長宇;胡占永;謝春旺;付強;原張杰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G06F30/17;G06F30/20;G06F111/10;G06F119/14
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本發明公開一種考慮繩長變化的船用吊艇系統減擺控制方法。解決大型艦船的吊艇系統減擺控制存在響應速度慢和位移飽和而導致傳統位置控制效果不佳的問題。包括：首先構建考慮繩長變化和海浪橫搖運動的動力學模型，對其部分反饋線性化，設計位置控制模式，減小強干擾帶來的誤差，但其使系統頻繁減擺導致柔順性下降，其次構建含有期望剛度、期望阻尼和期望質量的二階環境耦合動力學模型，引入隱形彈力函數，補償接觸力信息；但因環境剛度受到強干擾時變，需要在線調整參數，為了避免參數動態變化引起系統震蕩，最后設計環境補償函數與自適應律，保證系統柔順性與穩定性。該方法可有效減小擺角，保證工作艇位姿穩定，提高收放效率。

技術領域

本發明屬于船舶特輔裝置運動控制領域，特別涉及一種考慮繩長變化的船用吊艇系統減擺控制方法。

背景技術

工作艇是大型艦船聯絡通訊、運送人員、維護保養、航道測量和供應補給的重要設備。船用吊艇系統是艦船上存放、降落和回收工作艇的裝置。如何在海洋強干擾環境下減小擺角，解決響應速度慢和位移飽和導致傳統位置控制效果不佳的問題，成為亟待解決的難點。

論文《一類欠驅動機械系統的非線性控制研究》雖然也提出了繩長變化的起重機模型，但是沒有考慮海浪橫搖運動對吊艇系統與工作艇的位姿影響，只是將外界干擾處理成白噪聲；而論文《非結構環境下的機器人自適應變阻抗力跟蹤控制方法》模擬實際接觸力時，沒有引用隱性彈力函數，只用環境剛度代替，且只使用單一阻抗閉環控制，沒有設計位置控制，沒有考慮力/位混合控制，也沒有提高系統柔順性。

而專利《一種船用減搖起重機》、《一種單參數調整的欠驅動吊車作業全過程自抗擾控制方法》和《多段勻變速起重機智能防搖擺控制方法》等均采用起重機或小車作為控制對象，相比于本發明所控制的機械臂，沒有形成多自由度閉環反饋控制系統，不能通過運動學逆解解算出需要補償的角度，也不能利用舵機控制關節，形成多自由度閉環反饋控制。控制系統的狀態量與減擺工作機理不同，因而本發明并不是上述文獻所提出的方法的簡單結合。

發明內容

發明目的在于提供一種可考慮繩長變化、響應度速快、無位移飽和、避免頻繁減擺和在線調參的船用吊艇系統減擺控制方法，其具體步驟如下：

S1：根據動力學方程與運動學方程，對船用吊艇系統進行建模，并考慮繩長變化和海浪橫搖對船用吊艇系統的運動影響規律；

S2：根據SAO公約制定的擺角安全范圍，對船用吊艇系統的動力學方程進行線性化；

S3：針對船用吊艇系統的欠驅動系統特性，利用部分線性反饋化原理，進一步對線性化的動力學方程處理，為控制律的設計提供理論依據；

S4：設計PD控制律，實現位置控制模式，根據運動學逆解，解算出各個關節需要補償的角度，并通過運動學正解，得到實際位置，減小擺角；

S5：設計柔順阻抗控制律，實現力/位混合控制模式，模擬實際接觸力，引入環境剛度和參考力，補償力信息，提高系統柔順性；

S6：設計自適應律，針對海浪橫搖運動，進行在線阻抗參數調整，預估外界環境變化，并減小因修改慣性系數引起的系統震蕩，進行動態補償。

實際船用吊艇系統受到海浪強干擾而產生擺角，為了便于分析，對實際船用吊艇系統的運動進行抽象，并建立其三維拉格朗日方程：