二次调节主动升沉补偿系统的控制策略研究

Active heave compensation system (AHCS) can be used to remove the marine crane's disturbance caused by the vertical motion of the vessel and improve the efficiency of marine operations, which has important significance for marine resources development. But due to its nonlinearity, large inertia, time-delay and hydrodynamic effects when the load contacts with the water, the control of AHCS has become a highly challenging task. This research aims at developping AHCS for deep sea cranes. The actuating device is constructed by using the technology of static fluid secondary regulation and the complete mathematical model of the AHCS is established. In order to compensate the time delay between the sensors and actuators, an indirect adaptive robust controller based on the prediction motion of the vessel is proposed to compensate the vertical motion disturbance. This controller can assure the modularity of the controller-identifier pair by using the adaptive backstepping design method. For the anti-slack requirements when the load is transfered through the splash zone, a parallel force/position control strategy which has been used in robotics successfully is introduced to control the hydraulic winch. Comparing with other wave synchronization technology, this method is more convenient to be used in engineering practice due to its no need for measuring wave height. At last, an test bed, which is constructed by install the hydraulic winch on an existing 6-DOF Steward platform, is used to demonstrate the validity of the methods introduced in this research.

主动升沉补偿系统能够克服船舶垂向运动对船用吊机的扰动，提高海上作业效率，对海洋资源开发具有重要意义。但由于系统本身的非线性、大惯性、时延以及货物浸水时受到的水动力干扰，导致主动升沉补偿系统的控制成为一个极具挑战性的课题。本研究面向深海作业起重机主动升沉补偿系统，基于静液二次调节技术构建了系统驱动装置，建立了完整的系统数学模型；为解决惯性测量单元与驱动器间的时滞问题，提出了基于舰船运动预报的间接自适应鲁棒控制策略，该控制策略采用自适应反步法，可以实现参数辨识器和控制器的模块化设计；针对货物通过水溅区时的防松要求，将在机器人领域获得成功应用的力/位混合控制策略引入到绞车控制中来，该方法由于不需要货物落水处的浪高数据，与其它波浪同步技术相比更便于工程应用。最后在现有的六自由度Steward平台上安装二次单元驱动的液压绞车，建成一具有升沉补偿功能的船用吊机仿真实验平台，以验证所提方法的有效性。

具有升沉补偿功能的船用吊机广泛应用在海上吊装、物资补给等领域中，对提高海上作业效率具有重要意义。本项目对主动升沉补偿系统的动力学建模、间接自适应鲁棒控制、舰船运动预报、货物过浪溅区时的力/位控制、集成优化设计等进行了理论研究和试验分析。基于静液二次调节技术构建了系统驱动装置以提升其能源利用率与响应速度。提出了驱动信号激励水平未知情况下的时变参数辨识新算法，通过对最小二乘辨识算法中协方差矩阵最大特征值的敏感度分析来判断驱动信号激励水平的变化趋势，根据该变化趋势构造了最小二乘法和梯度法之间的切换策略，当系统驱动信号满足持续激励条件时，辨识算法采用最小二乘法精确辨识时变参数，否则，辨识算法切换为梯度法以保证算法稳定。随后利用该算法建立了升沉补偿系统的完整数学模型。为解决惯性测量单元与驱动器间的时滞问题，提出了基于舰船运动预报的间接自适应鲁棒控制策略，实现了参数辨识器和控制器的模块化设计，使得升沉补偿吊机在作业过程中不仅能获得良好的控制性能还能实时监测系统状态；进一步构建了基于经验模态分解的自回归预报模型，提高了舰船在不规则波作用下的运动预报精度。针对货物通过水溅区时的防松要求，设计了一种阻抗控制器以实现轨迹跟踪和货物的阻抗调节，该方法由于不需要货物落水处的浪高数据，与其它波浪同步技术相比更便于工程应用。最后利用粒子群算法对二次调节主动升沉补偿系统进行了集成优化设计，在六自由度Steward平台上安装二次单元驱动的液压绞车，建成了具有升沉补偿功能的船用吊机模拟实验平台，在该平台上进行了带时滞的主动升沉补偿系统的非线性控制验证。