[发明专利]船用起重机自动控制实验系统

说明书

一种船用起重机自动控制实验系统，包括起重机模拟装置(用于模拟真实起重机的运动特性，也是整个系统的控制主体)、船体运动模拟装置(用于模拟真实船体在海上工作时的运动状况，并作为起重机模拟装置的工作环境)、运动状态测量装置(用于测量起重机和船体模拟装置的实时运动信息，并发送给控制系统作为反馈信号)、控制系统(用于实时处理各类反馈信号，合成相应的控制命令并将其发送至伺服电机，从而使得起重机和船体模拟装置产生期望的运动)。本发明能够真实地体现船用起重机在海面工作环境下的运动特性，并且方便各种相应控制算法的实验验证。

技术领域

本发明属于非线性欠驱动系统自动控制的技术领域，特别是涉及一种船用起重机的自动控制实验系统。

背景技术

船用起重机是一种安装在船体上的特殊的大型起重运输设备，现在被广泛应用于港口货物装卸，海洋工程的实施，海上补给等。近年来，随着海洋事业的蓬勃发展，对于船用起重机的需求越来越高，其相应的研究工作也变得极为紧迫。但是，由于船用起重机系统的结构十分复杂，其工作环境也十分恶劣，相关研究具有极高的挑战性，进展也较为缓慢，这极大地限制了海上货物装卸运输的能力。

截至目前为止，已有船用起重机大都采用人工操作，其定位精度往往很差，难以准确将货物运送至目标位置，对货物的消摆效果也不理想，容易和周围的工作人员或者货物发生碰撞，造成危险；此外，人工操作的效率也非常低下，需要通过视觉信息的反馈，反复调节各驱动装置，造成能源的极大浪费；在有些较为极端的情况下(例如海况较为恶劣)，操作人员还不得不终止操作以保证安全，甚至有可能因为操作人员经验的不足，酿成严重的安全事故。另一方面，训练有经验的船用起重机操作员往往需要投入大量的时间和成本，这也不利于船用起重机的大量普及。因此，迫切需要研究人员对船用起重机的动力学特性进行深入研究，并进一步提出有效的自动控制方法，切实解决相关实际问题。

近年来，船用起重机的自动控制问题引起了国内外学者的广泛注意。具体而言，部分研究人员期望通过起重机结构的改进来改善其整体运作性能，如著名的马里兰索具系统。但是这种系统只能提供被动的补偿，而无法主动去消除海上干扰的影响。此外，这种机械上的改动往往使得起重机系统更加复杂，因此也不利于实际应用。很多研究人员从理论上对船用起重机进行了数学建模，并初步提出了一系列控制算法。具体而言，[1,2]等将船用起重机系统当做一类特殊的陆地起重机系统，并采用学习控制率等估计外界干扰，从而消除其影响。但是这种方法的弊端在于无法完全消除系统欠驱动部分的干扰，从而只能得到状态有界的结论，无法满足实际应用需求。在文献[3]中，Masoud等人对船吊模型进行了线性化，并基于此提出了一种延时反馈控制器。但是当系统状态远离平衡点时，控制器的性能将无法保证。Ismail等人[4]提出了一种基于二阶滑模的轨迹跟踪消摆控制器，其控制器结构复杂，并且也无法保证渐近稳定。此外，一些研究人员提出用智能控制方法来控制船用起重机[5,6]，已经取得了初步的成果，但目前来说还不是很成熟。

截至目前为止，现有的关于船用起重机的研究成果大都还停留在理论分析阶段，其实际控制效果无法得到有效验证。为了解决这一问题，在专利[7]中，研究人员率先设计了一类船用起重机自动控制系统，但相关实验平台较为笨重且结构复杂，难以复制，不方便进行调试和相关实验。此外，由于该实验系统的传动系统较为复杂，使得相关的传动精度大打折扣，不适用于精度较高的实验操作。因此，为了更深入地研究船用起重机的动力学特性，并验证相关控制算法的可靠性，需要设计搭建一种结构精简的、高精度的、能够真实地体现船用起重机在海面工作环境下运动特性的自动控制实验系统。

发明内容

本发明的目的是解决实际船用起重机运动特性研究和相关控制方法的验证问题，提供一套能真实反映船用起重机运动特性，方便验证各种不同控制方法有效性的自动控制实验系统，切实推动相关研究的发展，并推广船用起重机在实际生产中的应用。

本发明提供的船用起重机自动控制实验系统，包括起重机模拟装置、船体运动模拟装置、运动状态测量装置以及控制系统；其中，