[发明专利]基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法和系统

说明书

本发明公开了一种基于状态观测的船用吊车消摆定位控制方法和系统，包括以下步骤：基于船用吊车系统动力学模型构造包括控制目标、绳长限制的能量函数及状态观测器，根据所述能量函数设计驱动吊杆和吊绳运动的非线性动态反馈控制方法；接收设定的船用吊车系统的系统参数；获取吊杆俯仰角、吊绳长度以及负载的摆角的测量值；根据所述非线性动态反馈控制方法得到控制吊杆和吊绳运动的输入信号；根据所述输入信号实现负载的准确定位并快速消除其残余摆动。本发明可以处理速度信号无法被直接测量的情况，同时实现负载的准确定位与快速消摆。

技术领域

本发明属于海洋机械系统自动控制领域，适用于受到海浪干扰并且无法直接对速度信号进行准确测量的非线性船用吊车系统负载的准确定位和有效的消摆控制。

背景技术

目前，大型货物的进出口贸易主要依赖于海上运输。因此，作为一类典型的非线性控制系统，船用吊车有着十分重要的应用价值。不同于传统的人工操作，自动控制可以有效地减少人力损耗并进一步提高运输效率。可是，对于非线性船用吊车系统，其复杂的机械结构和恶劣的工作环境将给自动控制策略的设计与分析带来很多挑战。具体来讲，船用吊车系统的主要控制任务为通过同时调节吊杆俯仰角及吊绳长度，使负载稳定于指定位置，并快速消除其残余摆动，这也就意味着可直接驱动的控制输入数目要少于系统独立的状态变量数目。因此，船用吊车可被看作一类典型的欠驱动系统，其可控变量的缺失在一定程度上增加了控制器设计的难度。

如今，很多研究者对欠驱动系统表现出极大的兴趣。特别地，相对于船用吊车系统，陆地吊车系统的研究成果要更加成熟。具体来讲，现有的适用于陆地吊车系统的控制方法可被大致分为两类：开环控制及闭环控制。在实际应用中，开环控制器可以降低硬件损耗并且避免不准确的反馈信息对控制输入的影响，而闭环控制对抵抗外部未知干扰更加有效，具有较强的鲁棒性。

然而大多数情况下，由于系统更加复杂的非线性耦合特性，很难将上述控制方法直接应用于船用吊车。并且，若未对负载进行有效的控制，吊杆的俯仰运动将会导致其产生较大幅度的摆角及残余摆动。另外，船用吊车通常被应用于海洋中的大型货轮上，海浪引起的外部干扰必须被充分考虑并尽量被消除。于是，船用吊车系统的自动控制十分具有挑战性，并得到了外界的广泛关注。为消除海浪干扰，Mahl等人提出了一些方法可对船体的运动进行补偿，进而有效地实现负载定位。类似地，基于所设计的自适应观测器，Messineo等提出一种闭环控制方法对外部干扰进行补偿。另外，Liu等人除对海浪干扰施加补偿之外，还利用模糊控制对控制增益进行调节。除此之外，一些基于滑模控制的策略被提出，进而完成吊杆/台车的准确定位及负载的快速消摆。Raja Ismail等设计了一种控制方法可实现具有鲁棒性的轨迹跟踪，并有效抵抗外部干扰。在滑模控制的基础上，Ngo等结合模糊控制方法，进一步提高船用吊车系统的消摆及定位效果。除了现有的闭环控制器，基于输入整形的开环控制策略可在充分考虑海浪干扰的情况下，解决船用吊车的控制问题。不同于传统的控制方法，一系列智能算法能够对控制增益进行在线调节。

尽管现有控制方法在一定程度上可以实现吊杆定位及负载消摆等基本目标，但是针对船用吊车系统的相关研究仍处于起步阶段。可以发现，运输过程中的控制性能还需被进一步提高，一些尚未解决的热点问题仍值得被深入研究。

首先，线性化操作被广泛应用于复杂的非线性系统(如船用吊车系统)的研究中，进而可以降低控制器设计和稳定性分析的难度。然而，在大多数情况下，线性化后的动力学模型将忽略某些船用吊车系统的非线性特性。例如，一旦负载摆角在未知扰动的影响下远离平衡点，简化后的线性模型将无法准确地反映系统特性，很大程度上降低了控制效果。其次，在实际应用中，速度信号通常作为反馈信息被应用于闭环控制中。不过，考虑到安装速度传感器只会增加硬件损耗以及整个系统的重量和体积，大多数机械系统的硬件结构中仅保留位移/角度传感器以获得状态变量的反馈值，而速度信号是无法被直接测量的，仅可通过数值微分操作计算得到。但是，上述操作将引入额外的噪声而使原始信号失真，对控制性能产生不可忽略的影响。除此之外，基于数值微分而获得速度信号的方法很难在理论上保证整个闭环系统的稳定性。