船用起重機吊重系統(tǒng)動力學分析與防擺控制研究.pdf

1、船用起重機是一種船舶自備的工程搬運設備，被廣泛應用于艦船補給、風車安裝、貨物吊裝、水下機器人布放與回收等海上作業(yè)，屬于船舶與海洋工程領域核心技術裝備之一。然而，由于船舶的非線性基座激勵，加之起重機本身的欠驅動特性，吊重會不可避免的產生擺動，使其可能和周圍的其它物體或操作人員發(fā)生碰撞，導致財物損失甚至人員傷亡，同時也極大地降低了吊裝作業(yè)的工作效率。為此，隨著自動控制技術的高速發(fā)展，船用起重機吊重系統(tǒng)動力學與防擺控制問題受到了國內外眾多研究

2、人員的廣泛關注，已成為當今機器人與自動控制領域的一個研究熱點。
　　盡管國內外研究人員開展了大量相關研究，取得很多有意義的研究成果，但目前仍然存在一些開放性的難題，如多自由度剛柔耦合機器人系統(tǒng)的建模與分析問題、雙擺吊重的防滑與防擺控制、機械防擺裝置對起重機本身作業(yè)造成干擾等實際問題，尚未得到有效解決。圍繞這些開放性難題，本文主要開展了以下幾個方面的工作:首先，提出一種三繩牽引機械防擺裝置，并針對有無基座運動、有無防擺機構等不同情形

3、，建立了不同復雜程度的一系列動力學模型;第二，在動力學模型基礎之上，進行了系統(tǒng)而深入的動力學分析;第三，進行了無基座激勵條件下起重機吊重防擺控制研究，一方面開展了橋式起重機雙擺吊重的最優(yōu)控制和單擺吊重的模型參考控制，另一方面開展了基于逆運動學和模型參考的旋臂式起重機防擺控制;最后，進行了船用起重機吊重防擺控制研究，一方面開展了基于逆運動學和模型參考的電子式防擺控制，另一方面進行了基于三繩牽引的機械防擺控制。完成上述研究工作，本文的主要貢

4、獻包括以下幾個方面:
　　(1)綜合運用牛頓-歐拉迭代方法和拉格朗日方法，建立了配備穩(wěn)定平臺的船用起重機吊重系統(tǒng)動力學模型，解決了剛柔耦合機器人系統(tǒng)自由度太多難以采用傳統(tǒng)單一方法建立動力學模型的問題;同時，針對船舶運動直接補償(DSMC)方案能耗大的不足之處，提出一種船舶運動組合補償(CSMC)方案，并通過動力學分析證明了CSMC方案在能耗方面的優(yōu)勢。
　　(2)提出一種三繩牽引機械防擺裝置和基于阻尼原理的張力設定方法，系統(tǒng)

5、地建立了機械防擺裝置的運動學模型、靜力學模型和動力學模型，得到了牽引索的張力約束條件，從理論上解決了三根牽引索的位置同步和張力設定的問題。
　　(3)進行了船用起重機吊重機械防擺實驗研究，驗證了所提基于阻尼原理的張力設定方法的有效性，得到張力設定值和張力閾值對防擺效果的影響規(guī)律;同時，提出張力/位置混合控制方法，解決了機械防擺裝置對起重機本身作業(yè)造成干擾的問題。
　　(4)將雙擺吊重單點起吊全過程分為受約束階段和自由懸掛階段