[发明专利]一种考虑绳长变化的船用吊艇系统减摆控制方法

说明书

本发明公开一种考虑绳长变化的船用吊艇系统减摆控制方法。解决大型舰船的吊艇系统减摆控制存在响应速度慢和位移饱和而导致传统位置控制效果不佳的问题。包括：首先构建考虑绳长变化和海浪横摇运动的动力学模型，对其部分反馈线性化，设计位置控制模式，减小强干扰带来的误差，但其使系统频繁减摆导致柔顺性下降，其次构建含有期望刚度、期望阻尼和期望质量的二阶环境耦合动力学模型，引入隐形弹力函数，补偿接触力信息；但因环境刚度受到强干扰时变，需要在线调整参数，为了避免参数动态变化引起系统震荡，最后设计环境补偿函数与自适应律，保证系统柔顺性与稳定性。该方法可有效减小摆角，保证工作艇位姿稳定，提高收放效率。

技术领域

本发明属于船舶特辅装置运动控制领域，特别涉及一种考虑绳长变化的船用吊艇系统减摆控制方法。

背景技术

工作艇是大型舰船联络通讯、运送人员、维护保养、航道测量和供应补给的重要设备。船用吊艇系统是舰船上存放、降落和回收工作艇的装置。如何在海洋强干扰环境下减小摆角，解决响应速度慢和位移饱和导致传统位置控制效果不佳的问题，成为亟待解决的难点。

论文《一类欠驱动机械系统的非线性控制研究》虽然也提出了绳长变化的起重机模型，但是没有考虑海浪横摇运动对吊艇系统与工作艇的位姿影响，只是将外界干扰处理成白噪声；而论文《非结构环境下的机器人自适应变阻抗力跟踪控制方法》模拟实际接触力时，没有引用隐性弹力函数，只用环境刚度代替，且只使用单一阻抗闭环控制，没有设计位置控制，没有考虑力/位混合控制，也没有提高系统柔顺性。

而专利《一种船用减摇起重机》、《一种单参数调整的欠驱动吊车作业全过程自抗扰控制方法》和《多段匀变速起重机智能防摇摆控制方法》等均采用起重机或小车作为控制对象，相比于本发明所控制的机械臂，没有形成多自由度闭环反馈控制系统，不能通过运动学逆解解算出需要补偿的角度，也不能利用舵机控制关节，形成多自由度闭环反馈控制。控制系统的状态量与减摆工作机理不同，因而本发明并不是上述文献所提出的方法的简单结合。

发明内容

发明目的在于提供一种可考虑绳长变化、响应度速快、无位移饱和、避免频繁减摆和在线调参的船用吊艇系统减摆控制方法，其具体步骤如下：

S1：根据动力学方程与运动学方程，对船用吊艇系统进行建模，并考虑绳长变化和海浪横摇对船用吊艇系统的运动影响规律；

S2：根据SAO公约制定的摆角安全范围，对船用吊艇系统的动力学方程进行线性化；

S3：针对船用吊艇系统的欠驱动系统特性，利用部分线性反馈化原理，进一步对线性化的动力学方程处理，为控制律的设计提供理论依据；

S4：设计PD控制律，实现位置控制模式，根据运动学逆解，解算出各个关节需要补偿的角度，并通过运动学正解，得到实际位置，减小摆角；

S5：设计柔顺阻抗控制律，实现力/位混合控制模式，模拟实际接触力，引入环境刚度和参考力，补偿力信息，提高系统柔顺性；

S6：设计自适应律，针对海浪横摇运动，进行在线阻抗参数调整，预估外界环境变化，并减小因修改惯性系数引起的系统震荡，进行动态补偿。

实际船用吊艇系统受到海浪强干扰而产生摆角，为了便于分析，对实际船用吊艇系统的运动进行抽象，并建立其三维拉格朗日方程：