一种考虑绳长变化的船用吊艇系统减摆控制方法与流程

技术特征：
1.一种考虑绳长变化的船用吊艇系统减摆控制方法，其特征在于，包括以下步骤：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，利用部分反馈线性化原理，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：式中：t为拉格朗日算子，x1、y1为工作艇的坐标，m为工作艇质量，l为吊索长度，f
x
、f
y
和f
l
为广义力，θ1、θ2为工作艇受海浪运动影响产生的摆角，考虑到安全性和高效性相关的减摆技术要求，保证工作艇在空间各个方向的摆角均处于sao公约规定范围内(
‑7°
＜θ1，θ2＜7
°
)，故有|θ1|＜＜1
°
，|θ2|＜＜1
°
，则与必然成立，同时，为了研究摆动规律及摆角的影响因素，对拉格朗日方程组进行如下线性化近似为：式中：m为母船质量；设计位置控制的pd控制律：
式中：x
d
，y
d
和l
d
是期望输入，k1～k8是pd控制系统的增益系数；适用于机械臂的减摆控制，不同于其他类型的船用起重机，机械臂可以通过运动学逆解，解算出需要补偿的角度，利用舵机控制关节，形成多自由度闭环反馈控制，pd控制器收到给定的期望位置控制伺服电机，伺服电机带动减速机产生扭矩，控制减摆臂产生角度，减小摆角，最后通过运动学正解得到实际位置；位置控制虽然具有响应速度快特点，由于海浪横摇运动过于强烈，需要频繁减小摆角，导致系统柔顺性下降，减摆臂刚性弯折，引发安全事故。因而需要引入力/位混合控制模式，改善系统柔顺性，由于海浪产生的干扰力较为复杂，造成减摆臂与环境间的接触力跟踪效果较差，因此为更好地描述减摆臂与环境间接触力关系，实现与环境间的接触力跟踪，引入隐性弹力函数f
y
：式中：k
y
为环境刚度，x
m
为位置控制模式的控制输出，x
e
为外界干扰产生位置偏差；由于x与y相互解耦，且不考虑与l耦合关系，x的控制律求解与y相同；则x的控制律求解如下：构建二阶质量
‑
阻尼
‑
刚度与环境耦合的动力学模型：式中：m(x)为减摆臂关节的惯性系数矩阵；m
d
为期望惯性矩阵；为减摆臂关节的向心力与哥式力系数矩阵；g(x)为减摆臂关节的重力系数矩阵；f
a
，f
e
为分别为减摆臂的关节驱动力和外界作用力；力/位混合控制模式先得到船用吊艇系统与环境间接触力信息，由隐形弹力函数力得到实际的接触力f
y
，计算出f
y
与期望力f
r
偏差，输入到阻抗控制模型，修正或补偿船用吊艇系统末端参考位置x
d
，将补偿后参考位置x
z
输入船用吊艇系统控制器，x
z
经过逆运动学求解得各个关节角θ
z
，然后通过位置控制模式控制减摆臂的关节运动，在横纵摇干扰下经船用吊艇系统位置控制系统计算得到的实际关节角度θ
m
，依据运动学正解解算出船用吊艇系统末端实际控制运动的位置x，减摆臂运动到该位置时会产生新的实际接触力信息f
y
，进入下一个力控制计算周期。通过力/位混合控制模式，实现接触力信息的补偿，最终改善系统柔顺性；但是由于k
y
处于动态变化，因此需要对外界环境进行预估，构建预估环境位移函数x
estiamte
和预估环境位置误差函数e
estiamte
为：式中：λ为环境补偿系数，e
x
为位置误差，e＝x
z
‑
x
d
；为了使稳态误差为零，引入自适应阻抗参数来补偿时变的误差，考虑系统的稳定性与
柔顺性，对阻抗参数中的期望惯性矩阵m
d
、期望阻尼矩阵b
d
进行自适应调节，由于m
d
的变化容易引起系统的震荡，破坏系统稳定性，因而需要对m
d
进行动态补偿，动态补偿b
compensate
(t)的时域表达式为：式中：b
d
与e
estiamte
(t)为b
d
和e
estiamte
的时域表达式，ξ(t)为补偿函数，f
y
(t)与f
r
(t)为f
y
和f
r
的时域表达式，σ取10
‑5，防止分母为了零，ε为采样率，α为更新率；则参数更新自适应律为：式中：m
d
为m
d
的时域表达式。

技术总结
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。提高收放效率。提高收放效率。


技术研发人员：孙明晓 王万鹏 栾添添 姬长宇 胡占永 谢春旺 付强 原张杰
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2021.08.04
技术公布日：2021/11/4