船用起重机多柔索减摇系统的动力学分析与工程应用

针对船用起重机在高海况下普遍存在的工作效率低、风险大、吊装定位精度低等问题,设计出一种船用起重机多柔索减摇系统。将多柔索减摇系统简化成船舶运动和风载荷激励的约束摆模型,利用MATLAB/Simulink对多柔索减摇系统的动力学特性进行仿真分析,并在船用起重机多柔索减摇系统的实验样机上进行了验证。实验结果表明,多柔索减摇系统的平均减摆比可达78%,证明了多柔索减摇系统的有效性。

船用起重机磁流变防摆装置动力学分析和实验验证

为了解决船用起重机在执行吊装转运作业时,货物出现摆动降低工作效率且极易造成安全事故的问题,将磁流变技术引入船用起重机防摆领域,设计了一种机械式防摆装置。推导了船-起重机-吊点-防摆装置-吊重的三维动力学模型。对装置的防摆效果进行分析,结果表明,当输入给磁流变防摆装置恒定电流时,随着电流增大,防摆效果愈加明显,在设定工作背景下,当给定电流2 A时,对面内角及面外角的抑制分别为75%、82%。为了优化控制策略,降低能耗,提高防摆的鲁棒性,设计了变论域模糊PID(variable universe fuzzy PID,VUFPID)控制器。采用VUFPID控制器时,防摆装置对吊重摆动的面内角及面外角的抑制分别为85%和83%,能耗约为113 J;采用A组恒定电流时,防摆装置对吊重摆动的面内角及面外角的抑制分别为60%和68%,能耗约为140 J;采用B组恒定电流时,防摆装置对吊重摆动的面内角及面外角的抑制分别为50%和58%,能耗约为110 J。可见采用VUFPID后,能实现低能耗、效果明显的防摆作用。最后搭建实物样机,验证了磁流变防摆装置的有效性。

桥式起重机分布式质量吊重系统双摆滑模控制

随着吊装作业的多元化发展,起重机吊装对象也从传统的质点式吊重向分布式质量吊重方向发展。针对桥式起重机在吊装分布式质量吊重时吊重的大摆角抑制和小车定位控制问题,提出了两种基于滑模控制理论的、用于吊重消摆和小车快速定位的方法。首先,综合考虑了桥式起重机吊装对象的结构特征、小车电机的驱动特性、摩擦阻力以及环境中的随机扰动对吊装作业的影响,建立了桥式起重机分布式质量吊重系统的非线性双摆动力学模型;然后,设计了桥式起重机分布式质量吊重系统的非线性双摆动力学普通滑模控制器(OSMC)和分层滑模控制器(HSMC),采用Lyapunov函数和Barbalat引理证明了闭环系统的稳定性;最后,利用数值仿真研究了OSMC和HSMC在分布式质量吊重减摆控制方面的性能差异。仿真及研究结果表明:与OSMC相比,采用HSMC不仅可以在12 s内实现小车精确定位目的,而且可以实现对分布式质量吊重在5°~9°摆动范围下的快速抑制目的,完成了对系统状态变量的有效控制;同时,对比结果表明HSMC对起重机系统内部和外部扰动变化有很强的鲁棒性和抗干扰性。

船用起重机四索吊装系统动力学分析与控制策略研究

由于恶劣的海浪、洋流、海风等所产生的不同扰动且持续的影响,船用起重机难以实现精准快速吊装作业。因此,该研究提出了船用起重机四索吊装系统(four anti-swing cable system,FASCS),设计了张力控制方法通过设置四根柔性减摇索的张力约束条件来抑制吊重摆动。同时,为了实现减摇索间的协同运动,设计了改进趋近律的自适应滑模控制器(adaptive synovial controller with improved reaching law,ASC-IRL)控制减摇索绳长和绳速变化,防止发生过载甚至断裂。利用MATLAB/Simulink软件对控制效果进行仿真分析。结果表明,有张力控制时吊重摆角抑制效果平均达80.1%,吊重摆动区域面积减少约61.0%。此外,减摇索绳长误差和绳速误差均在8 s内趋近于0,ASC-IRL控制下减摇索最大误差相比于模糊比例-积分-微分减小75.0%以上,减摇索抖振现象相比于传统的滑模控制明显削弱,验证了ASC-IRL控制减摇索协同运动的强鲁棒性,研究结果对进一步探究FASCS的吊重减摇机理和减摇索协同控制具有重要意义。

船用起重机四旋翼减摇吊钩动力学特性

【目的】设计一种船用起重机减摇装置并探究其防摆机理,以期解决当前船用起重机吊装过程的摇摆问题。【方法】设计一种船用起重机四旋翼减摇吊钩装置,建立船舶-起重机-四旋翼减摇吊钩的动力学模型,并考虑风载荷的影响。设计自适应模糊比例-积分-微分(PID)控制策略应用于四旋翼减摇吊钩控制器,根据摆角偏差量控制相应电机转动产生抑制吊重摆动的推力,实现摆角在线实时控制。通过动力学仿真分析和实验验证,探究其减摇特性和运动规律。【结果】在船舶激励下吊重面内和面外摆角分别减少约66.8%和69.7%,吊重摆动投影在x和y轴最大偏移量平均降低62.5%。自适应模糊PID控制策略下的四旋翼减摇吊钩较PID控制响应速度提高25.0%,稳态性能提升13.0%。通过实验与仿真对比分析,吊重摆角曲线趋势基本吻合,在16 s时吊重趋近于稳定,验证了四旋翼减摇吊钩动力学模型的准确性。【结论】四旋翼减摇吊钩能有效抑制吊重摆动,可为船用起重机轻载吊装防摆研究提供新的可行性减摇方案。

基于自适应分层滑模的塔式起重机防摆与定位控制

针对三维空间中呈现二级摆结构的塔式起重机的防摆与定位控制问题,考虑变幅回转联合运行工况,提出了一种自适应分层滑模控制方案。首先将塔式起重机系统分为定位子系统、一级摆角子系统和二级摆角子系统,设计了分层滑模控制律;然后设计了自适应律,提高了系统对参数的适应性和对外在干扰的抑制性能;最后验证了系统的稳定性并对系统进行了仿真。仿真结果表明,系统在受到瞬时扰动时,自适应律可估算出扰动大小,控制器能快速做出反应,调整控制力/力矩以抵消瞬时扰动,使瞬时扰动不对系统的位置以及吊钩和负载的摆角造成明显影响。该文自适应分层滑模控制器能在一定程度上抑制瞬时扰动造成的吊钩和负载的摆动,具有较好的鲁棒性。

带有双球面摆和变绳长效应的桥式起重机轨迹规划

带有双球面摆和变绳长效应的桥式起重机具有多输入多输出以及欠驱动的动力学特性,目前仍缺乏有效的控制策略.在台车移动、桥架移动、负载升降同步作业过程中,吊钩和负载两级球面摆动特性更为复杂,各状态量之间的非线性耦合关系更强,桥式起重机的防摆控制更具挑战性.不仅如此,现有方法无法保证桥式起重机系统全状态量的暂态控制性能.为解决上述问题,提出一种基于多项式的优化轨迹规划方法.首先,在未进行近似简化的前提下,使用拉格朗日方法建立带有双球面摆和变绳长效应的7自由度(Seven degree-of-freedom,7-DOF)桥式起重机的精确动力学模型.在此基础上,构造一组包含各状态量的辅助信号,将施加在台车、桥架、绳长以及吊钩、负载摆动上的约束转化为对辅助信号的约束,从而将桥式起重机的轨迹规划问题转化为与辅助信号相关的时间优化问题,并使用二分法求解.该轨迹规划方法不仅缩短了吊运时间,而且确保了全状态量满足约束条件.最后,仿真结果证明了动力学模型的准确性和轨迹规划方法的有效性.

三维运动模式下的桥式吊车神经网络滑模控制

三维运动模式下的桥式吊车具有更高的生产效率,但其定位与防摆控制也更具挑战性.针对该问题,本文提出一种基于最小参数学习的神经网络滑模控制方法.首先,建立了包含机械摩擦力和空气阻力的全驱动动力学模型,解决了系统由于欠驱动特性导致控制器难以设计的问题;随后,设计了基于指数趋近律的滑模控制器,引入径向基函数(radial basis functions,RBF)神经网络的最小参数学习法对系统的不确定性模型进行逼近;并对控制器的稳定性进行了严格的数学证明.仿真与实验结果表明,本文所提控制方法在有/无外界干扰的情况下,都能实现吊车的精确定位与负载摆动的有效抑制.

基于磁流变技术的船用起重机防摆装置设计及仿真分析

针对船用起重机在海上作业时,受到耦合激励致使吊重难以定位的问题,将具有半主动控制特性的磁流变阻尼器引入船用起重机防摆领域,设计一种机械结构简单、阻尼连续可调且响应速度快的机械防摆装置。针对特定的船舶工况设计了磁流变阻尼器,仿真验证了磁流变阻尼器磁路设计的合理性。建立船-起重机-吊点-防摆装置-吊重的三维动力学模型。基于ADAMS搭建虚拟样机并联合MATLAB进行仿真分析,验证了方案的可行性。结果表明:该防摆装置对吊重的摆动有良好的抑制效果,在设定海况下,吊重在面内摆动幅度减小85%,吊重在面外摆动幅度减小87%。研究成果可为船用起重机机械防摆提供参考。

考虑钢丝绳抖振情况下的塔式吊车消摆控制方法

塔式吊车系统负载摆角的抑制对于其安全运行至关重要,现有的消摆控制方法在抑制摆角方面取得了不错的效果,但这些控制方法均未考虑钢丝绳连同负载发生抖振的情况,存在安全隐患。针对此问题,提出一种考虑钢丝绳抖振情况下的塔式吊车系统摆角抑制方法。具体而言,首先建立塔式吊车水平运动时的非线性抖振机理模型,计算出系统发生抖振后传导到电机主轴上的非线性抖振力矩,并将该抖振力矩等值反向作为补偿力矩。其次,利用陷波器滤除补偿力矩外的其他干扰,再将补偿力矩与一种滑模消摆控制律计算出的控制力矩相叠加,控制驱动电机力矩输出。最后,仿真和实验结果表明提出的消摆方法对于摆角的抑制具有更好的控制效果。

基于磁流变技术的AUV收放防摆装置设计与仿真

针对高海况下水下机器人(AUV)布放回收作业中存在的负载摇摆幅度过大的问题,设计一种基于磁流变阻尼器的AUV半主动式布放回收防摆装置,将其布置于船舶A型架上。分析摆角与磁流变阻尼器的动态力学关系,建立船舶在横摇和纵摇工况下的防摆装置动力学模型。利用Simulink-Adams软件进行联合仿真,结果显示,在设定的3种工作场景下,时变电流策略控制下的防摆装置平均摆动抑制率相比无防摆措施均提升70%以上,能耗相比定电流策略下降50%以上。仿真结果表明该防摆装置有效,研究成果可供下一步试验参考。

基于粒子群算法的船用起重机防摆装置结构优化设计

船用起重机在海上作业时因风浪引起吊重摆动导致作业风险较高,需要对起重机加装相应的防摆装置,而在起重机上加装防摆装置会增加起重机负荷影响工作效率,因此需要对船用起重机防摆装置结构进行轻量化设计。针对船用起重机防摆装置,以装置结构重量最小作为优化目标建立结构优化数学模型。使用粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)对船用起重机防摆装置进行结构优化设计并对算法参数进行改进。经过优化后,结构总重量较优化前降低了28.64%。对优化过程和结果的分析表明,与结构优化中常用的遗传算法进行比较,PSO算法相比遗传算法可以快速收敛到全局最优解,求解精度高且算法运行稳定,优化后效果满足工程实际应用的需求。验证了PSO算法在船用起重机防摆装置结构优化设计中具有可行性和有效性。

船载起重机防摆装置及其动态特性的仿真与实验研究

针对船载起重机吊重系统的摆动问题,建立了船载起重机防摆装置的数学模型,采用Simulink-AMESim联合仿真方法,对防摆过程中的船载起重机吊重系统的动态特性进行了研究。首先,建立了防摆装置传递函数、吊重系统动力学的数学模型,分析了液压系统工况与吊重系统动力学响应之间的动态耦合关系,提出了防摆装置液压马达的控制策略;然后,采用MATLAB/Simulink和AMESim软件,对防摆装置的动态特性进行了联合仿真分析,研究了船舶运动激励条件下船载起重机的吊重摆动特性、防摆绳索张力输出特性和液压马达压力变化特性;最后,利用液压驱动防摆装置实验平台,进行了硬件实验,并对比分析了实验与仿真结果,对防摆装置数学模型的正确性以及联合仿真结果的有效性进行了验证。研究结果表明:利用液压驱动防摆装置可将起重机吊重摆动角度限制在3°以内,摆动幅度抑制效果达到77.6%,验证了该液压驱动防摆方案和液压马达控制策略的有效性,也验证了上述数学模型和仿真分析的正确性。该研究成果可以为液压驱动防摆装置的控制器设计提供依据,同时为液压驱动防摆装置的进一步实船应用提供理论和实验基础。

基于视觉伺服的四旋翼吊挂抗摆控制方法

四旋翼吊挂飞行时载荷的摆动会显著影响无人机的操纵性和稳定性,无人机运动会引起负载振荡,严重威胁控制系统的安全。针对无人机从起飞阶段加速跟踪远距离时变期望轨迹,尤其是弧形轨迹的过渡过程中,吊挂载荷摆动频率较高的问题,提出了一种基于视觉伺服的三闭环轨迹跟踪和载荷抗摆控制方法,通过对期望姿态角指令进行修正,减小载荷摆动对无人机的影响。对不同吊挂载荷质量以及载荷质量突变的情况进行了分析,仿真和飞行实验结果表明,该抗摆控制策略不但可以极大地降低吊挂载荷的摆动频率,还能使无人机平稳跟踪期望飞行轨迹。

基于波动控制的直升机吊挂鲁棒减摆技术

直升机在运输重型货物从平飞到悬停的机动过程中,会产生许多稳定性问题,减小吊挂摆角幅度具有重要意义。基于波动控制的方法为直升机吊挂系统设计一种减摆控制器;采用拉格朗日分析力学法,建立直升机吊挂耦合系统四自由度非线性纵向运动模型,采用小扰动的方法在平衡点处对所建模型进行线性化;在此基础上,基于特征值配置法设计状态反馈控制器;设计波动控制器来减小摆角控制具有良好的动态性能和稳态性能。在仿真中对吊挂载荷质量进行拉偏,证明所设计波动控制器具有较强的鲁棒性,结果表明:所设计波动控制器有效。

基于轨迹规划的欠驱动桥式起重机防摆控制

针对桥式起重机的台车在启动时出现较大振动冲击的现象,以及台车在水平移动时伴有负载的升降而造成负载摆动过大等安全隐患问题,提出了一种基于轨迹规划的耦合跟踪防摆控制器。首先,规划S形位移轨迹作为参考轨迹;其次,构造含有台车位移和负载摆角的未知形式的耦合函数;最后,利用能量法设计非线性耦合跟踪防摆控制器来实现对参考轨迹的跟踪。该控制器减小了台车启动时的冲击,保证了台车运行的平稳性和准确性,有效地抑制并消除了负载的摆动。仿真和实验结果表明,该控制器的控制效果优于耦合控制器和自适应跟踪控制器,并且该控制器具有较强的鲁棒性。

桥式起重机防摆控制仿真研究

为研究桥式起重机的防摆和定位方法,本文基于小车吊重系统动力学方程,运用Matlab软件对起重机在力控制和加速度控制这2种控制策略下的加速、匀速和减速阶段的运动特性进行了仿真分析。仿真结果表明:采用加速度控制,吊重做单摆运动,而采用力控制时小车受到吊重摆动的影响,小车和吊重做复摆运动。0初始摆动下,无论采用力控制还是加速度控制,加减速时间等于吊重摆动周期的整数倍时,摆角和角速度同时为0,以此确定加速时间和减速时间可以保证小车匀速阶段和小车停止后摆动最小。无扰动情况下,采用力控制和加速度控制均能较好地消除吊重摆动;而在有扰动情况下,采用力控制可能增加系统的控制难度,而采用加速度控制则相对简单,可以较好地消除扰动和摇摆。

塔式起重机负载能量耦合下消摆控制方法仿真

由于塔式起重机的启动和制动过程对吊绳影响较大,致使吊钩上负载发生一定的摆动,无法快速将负载运送到目标位置,降低了工作效率。现提出一种负载能量耦合下的塔式起重机消摆控制方法。构建塔式起重机结构图,对其分析后得到动力学模型和其对应能量函数;加强壁架小车与负载间的能量耦合,求导能量函数;计算吊钩负载与目标位置间的误差信号,选取另外5种不同的误差信号,将求导后的能量函数与误差信号结合起来,得到控制塔式起重机旋转的驱动力,在加入一定控制增益后,实现塔式起重机消摆控制。对所提控制方法展开性能实验测试,结果表明,所提控制方法可在最短的时间内,完成精度最高、效果最好、最稳定的消摆控制,使吊钩负载可以稳定的运送到目标位置。

基于模糊滑模的港口桥式起重机吊重防摆控制

模糊滑模控制方法能够自适应地调整滑模面的参数,更好地适应不同工况下的防摆需求。为此,研究基于模糊滑模的港口桥式起重机吊重防摆控制方法,提高桥式起重机的工作稳定性和安全性。通过分析港口桥式起重机动力学模型,发现小车位置与吊重摆角是影响起重机工作稳定性的主要因素;依据小车位置与吊重摆角,定义起重机吊重防摆控制滑模面,结合模糊控制算法,设计模糊滑模控制器,得到起重机吊重防摆控制力矩,消除控制力矩的抖振问题,完成起重机吊重防摆控制。实验证明,该方法可有效实现港口桥式起重机吊重防摆控制,且无抖振问题;在不同小车运行速度时,应用该方法后,均可有效降低吊重摆角,具备较优的起重机吊重防摆控制效果。

基于改进双闭环模糊PID控制算法的桥式起重机控制系统

针对起重机在吊装作业时产生的负载摇摆以及行车定位的问题,提出了一种改进双闭环模糊PID控制算法,利用拉格朗日方程建立工业起重机防摇摆及行车定位控制系统数学模型。将该算法运用在建立的模型中,并在Simulink仿真平台上分别设计了PID控制系统、模糊PID控制系统和改进双闭环模糊PID控制系统进行对比实验。仿真实验的结果表明,与PID控制系统以及模糊PID控制系统相比,改进双闭环模糊PID控制系统对摆角的抑制能力分别提高了32.6%、16.5%,对小车的位置调节时间分别减少了5.442、2.743 s,且无超调量。改进双闭环模糊PID控制系统的精确性更好、稳定性更强,可以更好地满足桥式起重机系统的控制要求。