船用起重机自动控制实验系统技术方案

一种船用起重机自动控制实验系统，包括起重机模拟装置(用于模拟真实起重机的运动特性，也是整个系统的控制主体)、船体运动模拟装置(用于模拟真实船体在海上工作时的运动状况，并作为起重机模拟装置的工作环境)、运动状态测量装置(用于测量起重机和船体模拟装置的实时运动信息，并发送给控制系统作为反馈信号)、控制系统(用于实时处理各类反馈信号，合成相应的控制命令并将其发送至伺服电机，从而使得起重机和船体模拟装置产生期望的运动)。本发明专利技术能够真实地体现船用起重机在海面工作环境下的运动特性，并且方便各种相应控制算法的实验验证。

【技术实现步骤摘要】
船用起重机自动控制实验系统
本专利技术属于非线性欠驱动系统自动控制的
，特别是涉及一种船用起重机的自动控制实验系统。
技术介绍
船用起重机是一种安装在船体上的特殊的大型起重运输设备，现在被广泛应用于港口货物装卸，海洋工程的实施，海上补给等。近年来，随着海洋事业的蓬勃发展，对于船用起重机的需求越来越高，其相应的研究工作也变得极为紧迫。但是，由于船用起重机系统的结构十分复杂，其工作环境也十分恶劣，相关研究具有极高的挑战性，进展也较为缓慢，这极大地限制了海上货物装卸运输的能力。截至目前为止，已有船用起重机大都采用人工操作，其定位精度往往很差，难以准确将货物运送至目标位置，对货物的消摆效果也不理想，容易和周围的工作人员或者货物发生碰撞，造成危险；此外，人工操作的效率也非常低下，需要通过视觉信息的反馈，反复调节各驱动装置，造成能源的极大浪费；在有些较为极端的情况下(例如海况较为恶劣)，操作人员还不得不终止操作以保证安全，甚至有可能因为操作人员经验的不足，酿成严重的安全事故。另一方面，训练有经验的船用起重机操作员往往需要投入大量的时间和成本，这也不利于船用起重机的大量普及。因此，迫切需要研究人员对船用起重机的动力学特性进行深入研究，并进一步提出有效的自动控制方法，切实解决相关实际问题。近年来，船用起重机的自动控制问题引起了国内外学者的广泛注意。具体而言，部分研究人员期望通过起重机结构的改进来改善其整体运作性能，如著名的马里兰索具系统。但是这种系统只能提供被动的补偿，而无法主动去消除海上干扰的影响。此外，这种机械上的改动往往使得起重机系统更加复杂，因此也不利于实际应用。很多研究人员从理论上对船用起重机进行了数学建模，并初步提出了一系列控制算法。具体而言，[1,2]等将船用起重机系统当做一类特殊的陆地起重机系统，并采用学习控制率等估计外界干扰，从而消除其影响。但是这种方法的弊端在于无法完全消除系统欠驱动部分的干扰，从而只能得到状态有界的结论，无法满足实际应用需求。在文献[3]中，Masoud等人对船吊模型进行了线性化，并基于此提出了一种延时反馈控制器。但是当系统状态远离平衡点时，控制器的性能将无法保证。Ismail等人[4]提出了一种基于二阶滑模的轨迹跟踪消摆控制器，其控制器结构复杂，并且也无法保证渐近稳定。此外，一些研究人员提出用智能控制方法来控制船用起重机[5,6]，已经取得了初步的成果，但目前来说还不是很成熟。截至目前为止，现有的关于船用起重机的研究成果大都还停留在理论分析阶段，其实际控制效果无法得到有效验证。为了解决这一问题，在专利[7]中，研究人员率先设计了一类船用起重机自动控制系统，但相关实验平台较为笨重且结构复杂，难以复制，不方便进行调试和相关实验。此外，由于该实验系统的传动系统较为复杂，使得相关的传动精度大打折扣，不适用于精度较高的实验操作。因此，为了更深入地研究船用起重机的动力学特性，并验证相关控制算法的可靠性，需要设计搭建一种结构精简的、高精度的、能够真实地体现船用起重机在海面工作环境下运动特性的自动控制实验系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决实际船用起重机运动特性研究和相关控制方法的验证问题，提供一套能真实反映船用起重机运动特性，方便验证各种不同控制方法有效性的自动控制实验系统，切实推动相关研究的发展，并推广船用起重机在实际生产中的应用。本专利技术提供的船用起重机自动控制实验系统，包括起重机模拟装置、船体运动模拟装置、运动状态测量装置以及控制系统；其中，起重机模拟装置：是整个系统的被控主体，用于模拟真实起重机的运动特性，包括；起重机吊臂的俯仰运动与回转运动，以及负载的升降与摆动；船体运动模拟装置，作为起重机模拟装置的工作环境，用于模拟真实船体在海上工作时的运动状况，包括船体的升降和倾斜；运动状态测量装置，用于测量起重机和船体运动模拟装置的实时运动状态信号，并发送给控制系统作为反馈信号；所需要测量的运动状态信号包括：吊臂的俯仰角φ，回转角负载的空间径向摆角θ1和切向摆角θ2，吊绳长度l，船体翻转角α和船体上升高度h；控制系统，用于实时处理各类反馈信号，合成相应的控制命令并发送至相应装置中的伺服电机，从而使得起重机模拟装置和/或船体运动模拟装置产生期望的运动；所述控制系统包括数据采集卡和上位机，其中，数据采集卡用于采集所述运动状态测量装置中测量的各种运动状态信号，然后将这些信号传到上位机，在基于MATLAB软件中RTW(RealTimeWorkshop)模块的实时环境下，根据预先设定好的控制器合成相应的控制输入，最终，这些控制信号还将由上位机通过数据采集卡传送到起重机模拟装置和/或船体运动模拟装置中，产生相应的控制动作。所述的起重机模拟装置包括吊臂2，吊臂上安装有布线滑轮1，其功能是作为吊绳5的排布线路，吊绳的末端为负载6，吊臂与俯仰转轴18固定并安装于俯仰电机安装架10上，俯仰转轴18可由俯仰电机安装架10上安装的俯仰伺服电机11驱动并产生转动运动，从而带动吊臂2产生俯仰运动，在吊臂2的尾端固定有卷绳电机安装架13，并在卷绳电机安装架上安装有卷绳伺服电机12和传动轴19，传动轴19上安装有卷绳轮17，吊绳的起始端固定在卷绳轮上，通过卷绳轮的转动从而牵引吊绳5使其产生长度变化即负载的升降，俯仰电机安装架10安装于回转支撑板16上，止推轴承8的上片与回转支撑板16固接，止推轴承8的下片与支撑板7固接，这样，回转支撑板16可以在回转伺服电机15的驱动下与支撑板7产生相对的转动，其中，回转伺服电机15通过回转电机安装架14与支撑板7固接，回转伺服电机15的电机轴则与回转支撑板16固接并带动其转动，而支撑板7下面安装有起重机支撑柱9；所述起重机模拟装置通过支撑柱9固定安装在船体运动模拟装置上。所述的船体运动模拟装置：包括翻转支撑板20，翻转支撑板下表面两侧的安装脚分别通过翻转轴21与翻转支架22铰接，两个翻转支架22固定在升降支撑板24上，翻转支撑板20位于两个翻转支架22连线的一侧上设置有滑轨35，滑杆29可在滑轨35上自由滑动，滑杆29的下端通过转轴25与螺母套30的上端铰接，也即，滑杆29与螺母套30可相对转轴25转动，螺母套30与螺杆31螺纹连接，螺杆31的下端与固定于升降支撑板24上的翻转伺服电机28的输出轴连接，螺杆31可发生转动，从而进一步驱动螺母套30产生升降运动，进而撑起翻转支撑板20的一侧并使其绕着翻转轴21发生翻转倾斜运动，升降伺服电机23固定在升降支撑板24上，升降螺杆33与升降伺服电机23的输出轴固定并与底层板26上固定的螺母32配合，底层板26由底层支柱34支撑于地面上，当升降伺服电机23驱动升降螺杆33并使其发生旋转运动时，由于底层板26是相对地面静止的，那么将会促使升降支撑板24产生升降运动，固定于升降支撑板24下表面上的同步滑杆27穿过底层板26上的导向定位孔，并可在底层板26上的导向定位孔中自由上下运动，其主要目的是为了确保实际操作过程中升降支撑板24的各个部位都同步上升。所述的运动状态测量装置中：所述吊臂的俯仰角φ由俯仰伺服电机11的内置编码器测量，吊臂的回转角由回转伺服电机15的内置编码器测量，吊绳长度l由卷绳伺服电机12的内置编码器测量，船体翻转角α由翻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种船用起重机自动控制实验系统，其特征在于包括起重机模拟装置、船体运动模拟装置、运动状态测量装置以及控制系统；其中，起重机模拟装置，是整个系统的被控主体，用于模拟真实起重机的运动特性，包括；起重机吊臂的俯仰运动与回转运动，以及负载的升降与摆动；船体运动模拟装置，作为起重机模拟装置的工作环境，用于模拟真实船体在海上工作时的运动状况，包括船体的升降和倾斜；运动状态测量装置，用于测量起重机和船体运动模拟装置的实时运动状态信号，并发送给控制系统作为反馈信号；所需要测量的运动状态信号包括：吊臂的俯仰角φ，回转角

【技术特征摘要】
1.一种船用起重机自动控制实验系统，其特征在于包括起重机模拟装置、船体运动模拟装置、运动状态测量装置以及控制系统；其中，起重机模拟装置，是整个系统的被控主体，用于模拟真实起重机的运动特性，包括；起重机吊臂的俯仰运动与回转运动，以及负载的升降与摆动；船体运动模拟装置，作为起重机模拟装置的工作环境，用于模拟真实船体在海上工作时的运动状况，包括船体的升降和倾斜；运动状态测量装置，用于测量起重机和船体运动模拟装置的实时运动状态信号，并发送给控制系统作为反馈信号；所需要测量的运动状态信号包括：吊臂的俯仰角φ，回转角负载的空间径向摆角θ1和切向摆角θ2，吊绳长度l，船体翻转角α和船体上升高度h；控制系统，用于实时处理各类反馈信号，合成相应的控制命令并发送至相应装置中的伺服电机，从而使得起重机模拟装置和/或船体运动模拟装置产生期望的运动；所述控制系统包括数据采集卡和在Windows7或Windowsxp系统下运行的上位机，其中，数据采集卡用于采集所述运动状态测量装置中测量的各种运动状态信号，然后将这些信号传到上位机，在基于MATLAB软件中RTW(RealTimeWorkshop)模块的实时环境下，根据预先设定好的控制器合成相应的控制输入，最终，这些控制信号还将由上位机通过数据采集卡传送到起重机模拟装置和/或船体运动模拟装置中，产生相应的控制动作。2.根据权利要求1所述的船用起重机自动控制实验系统，其特征在于所述的起重机模拟装置包括吊臂(2)，吊臂(2)上安装有布线滑轮(1)，布线滑轮的功能是作为吊绳(5)的排布线路，吊绳(5)的末端为负载(6)，吊臂(2)与俯仰转轴(18)固定并安装于俯仰电机安装架(10)上，俯仰转轴(18)由俯仰电机安装架(10)上安装的俯仰伺服电机(11)驱动并产生转动运动，从而带动吊臂(2)产生俯仰运动，在吊臂(2)的尾端固定有卷绳电机安装架(13)，在卷绳电机安装架(13)上安装有卷绳伺服电机(12)和传动轴(19)，传动轴(19)上安装有卷绳轮(17)，吊绳(5)的起始端固定在卷绳轮(17)上，通过卷绳轮(17)的转动牵引吊绳(5)产生长度变化即负载的升降，俯仰电机安装架(10)安装于回转支撑板(16)上，止推轴承(8)的上片与回转支撑板(16)固接，止推轴承(8)的下片与支撑板(7)固接，回转伺服电机(15)通过回转电机安装架(14)与支撑板(7)固接，回转伺服电机(15)的电机轴则与回转支撑板(16)固接并带动其转动，支撑板(7)下面安装有起重机支撑柱(9)；所述起重机模拟装置通过支撑柱(9)固定安装在...

【专利技术属性】
技术研发人员：方勇纯，卢彪，王翔宇，孙宁，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12