回转旋臂式船用起重机系统动力学建模与非线性控制

An offshore boom crane is a typical underactuated system which suffers from such persistent disturbance as waves and ocean currents during its operation. The study for an offshore boom crane benefits in both theoretical and application aspects. This project aims to implement some thorough researches for the modeling and control problem of an offshore boom crane working in the ocean environment. Specifically, considering its characteristics of multi-states and strong coupling, we will employ Lagrange method to set up a composite model which successfully includes the effects of such factors as waves and ocean currents. Based on the obtained model, the control problem is then broken up into two steps of path planning and tracking controller design. For the path planning sub-task, with the location objective and the underactuated behavior fully considered, intelligent strategies will be combined with empirical knowledge to construct a proper path. For the tracking controller design step, to meet the requirements including effective disturbance rejection for persistent ocean currents, some nonlinear strategies, such as sliding-mode algorithm, will be adopted to achieve asymptotic stability for the tracking errors. The performance of the designed offshore boom crane control system will be theoretically analyzed by Lyapunov techniques. Besides, an offshore boom crane platform will be developed to test the performance of the designed control system through various experiments.

回转旋臂式船用起重机是一类典型的欠驱动系统，且在工作过程中受到海浪等持续扰动的影响，对其进行研究兼具理论和实际应用两方面的意义。本项目拟对工作在海洋等环境下的船用起重机系统的建模与控制问题展开深入研究。具体而言，考虑到船用起重机变量多、耦合强等特性，将采用拉格朗日方法为其建立一个能综合考虑海浪等因素影响，相对全面的数学模型。在此基础上，针对其非线性欠驱动的特性，把控制任务分解为轨迹规划和跟踪控制两个步骤。在轨迹规划时，着重考虑系统的定位目标和欠驱动特性，将智能方法和操作经验相结合来构造目标轨迹。在设计跟踪控制器时，深入考虑跟踪误差，海浪持续扰动抑制等方面的要求，采用滑模等非线性控制方法来实现跟踪误差渐近收敛，系统暂态性能优良等目标。本项目将采用李雅普诺夫方法来理论分析所设计的回转旋臂式起重机系统的稳定性。此外，我们还将开发船用起重机原理性平台，对所设计的控制系统的性能进行综合测试。

随着我国经济的快速发展，生产制造工业不断进步，海上运输对我国的对外贸易起着极其重要的作用。回旋臂式船用吊车作为海上运输中最常用的运输工具，它的工作效率将直接决定着我国海上运输的效率及能力。因此，为其设计安全且高效的控制方法，对于我国经济保持快速健康的发展，有着十分重要的意义。作为典型的欠驱动系统，回旋臂式船用吊车具有非线性、强耦合等特性，且工作环境为非惯性系，同时易受各种外界干扰的影响，这均导致船用吊车系统控制难度极大。基于此，本项目进行了如下的研究工作：1、复杂海浪及大风影响下的船用吊车系统动力学建模；2、考虑负载摆动抑制及运送世间最优问题的吊车系统轨迹规划设计；3、针对海浪等外部干扰抑制问题的滑模鲁棒控制方法设计；4、处理系统模型不确定及参数未知问题的自适应控制设计；5、基于自适应等方法的轨迹跟踪控制器设计；6、针对系统安全性的控制方法设计。.本项目取得了如下的研究成果：1、自主搭建船用回旋臂吊车实验样机，并建立动力学模型，利用MATLAB/Simulink设计对应的软件仿真平台，可以准确的模拟实际的船用吊车系统特性；2、深入分析系统状态量的耦合关系，考虑相关约束，设计了三种离线轨迹规划方法；3、为处理无法避免的外部干扰，利用滑模控制的思想，设计一系列控制策略，对干扰进行有效抑制；4、针对系统模型不确定性及参数不确定性的问题，提出了相关的自适应控制方法，可对包括负载质量在内的相关参数进行有效估计；5、为实现对规划轨迹的有效跟踪，提高系统的鲁棒性，设计基于自适应等方法的跟踪控制器；6、为保证系统的绝对安全性，当运送液体负载时，提出一种基于模型预测控制的控制策略，可有效约束负载摆角；此外，应对突发情况，提出了基于模糊的紧急制动策略，可在保证系统制动的同时，有效抑制负载摆动。对所得研究成果，课题组进行了大量的仿真与实验测试，验证了相关方法的有效性及良好的性能，有望在工业领域进行推广与应用。