一种考虑杆长杆间约束的船载栈桥前馈模糊控制方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑杆长杆间约束的船载栈桥前馈模糊控制方法，旨在解决船载栈桥控制系统时滞性大

【技术实现步骤摘要】
一种考虑杆长杆间约束的船载栈桥前馈模糊控制方法


[0001]本专利技术属于高端海洋工程装备，特别是船载特别辅助装置的控制方法，尤其涉及一种考虑杆长杆间约束的船载栈桥前馈模糊控制方法
。

技术介绍

[0002]船载栈桥稳定平台作为一类高端船载特别辅助装备，具有回转
、
伸缩和变幅等功能，被广泛应用于辅助人员和货物转运
、
海上风电设备检修
、
维护
。
由于海洋风浪会对各类作业与人员安全性产生影响
。
因此，对安装在船舶甲板的船载栈桥稳定平台的摇荡运动进行补偿，保持目标船与船载栈桥稳定平台相对位置恒定，对各类作业的精确性和稳定性具有重要意义
。
[0003]船载栈桥稳定平台能对母船运动就行全补偿，使栈桥能随两船之间的运动而运动，栈桥伸缩
、
回转和变幅都配有单独的传感器，传感器信号传至栈桥监视器后显示栈桥姿态以及报警信息，最后发送给母船控制箱，再由控制箱发出
PLC
控制信号，逆向此过程控制驱动杆
。
其中检测传感器安装在固定栈桥上，从扰动作用在船栈桥平台的驱动杆，被传感器检测到，再到出现偏差需要一定时间，且当偏差产生，偏差传遍整个反馈回路，控制系统产生调节作用去控制电动缸伸缩量，抵消干扰作用的影响又需要时间，反馈作用的调节不及时
。
[0004]船载栈桥的固定部分
、
伸缩部分和俯仰角都有限定范围，在其工作时，母船和目标船会产生相对运动，当运动幅度超过限定范围时，如果没有应急保护机制，船载栈桥很可能会受到破坏，因此对船载栈桥的驱动杆进行杆长
、
杆间和运动学参数进行约束
。
[0005]综上，信号在回路传播所用时间和缺乏分析船载栈桥实际工况这两方因素，使得船载栈桥平台的常规控制系统存在滞后性以及不精确性，以及极大影响海上人员
、
货物转运的安全性
。
[0006]现有文献对船载栈桥稳定平台尚缺乏对于考虑实际工况的精确建模，特别是未考虑杆长
、
杆间约束情况，此外，控制系统模型还存在迟滞性，快速性和稳定性降低，这些影响因素使得常规船载栈桥控制方法不能达到满意的控制效果
。
[0007]论文
《
模糊前馈与模糊
PID
结合的风力发电机组变桨距控制
》
未考虑所建模型自身特性以及驱动杆杆长
、
杆间和运动学约束的问题，使得模型建模不精确；论文
《
基于6‑
DOF
并联机器人主动减摆设计
》
考虑了直线导轨长度并加入速度环
、
位置环等，设计基于加速度传感器的前馈控制方法，但对于模型描述不精确，未考虑实际工作情况下装置的适用情况，且针对加速度干扰先经过两次积分器再经过两次微分又两次积分过程过于冗杂，面对高频海浪干扰减摆性能一般，因此所提出控制方法实用性欠佳
。
[0008]针对上述论文对其控制对象建模不精确，以及船载栈桥平台的常规控制系统存在滞后性的特点，设计一种考虑杆长杆间约束的船载栈桥前馈模糊控制方法，旨在提高模型精确性以及模型控制系统响应快速性
、
稳定性
。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种考虑杆长杆间约束的船载栈桥前馈模糊控制方法
。
本专利技术方法针对船载栈桥稳定平台控制系统具有迟滞性以及模型不精确的特点，考虑船载栈桥实际存在的模型问题和运动学参数，设计多约束条件使模型更具有实际性，同时针对驱动杆模型设计前馈控制器模型，提高系统响应快速性
。
实现船载栈桥稳定平台在不同工况下安全
、
快速地完成作业，提高工作效率
。
[0010]为达到上述目的，本专利技术采用以下具体技术方案予以解决：
[0011]一种考虑杆长杆间约束的船载栈桥前馈模糊控制方法，包括以下步骤：
[0012]S1
：船载栈桥运动学反解模型建立，具体步骤如下：
[0013]S11
：船舶在海面上受到风
、
浪和扰流等荷载的影响，产生六个自由度的位移，分别为升沉
、
横荡
、
纵荡
、
横摇
、
纵摇和艏摇
。
其中，升沉
、
横摇和纵摇是考虑船体波浪补偿主要的三个运动
。
[0014]实现船载栈桥运动的模拟的必要基础条件是需完成运动学建模，分析平台的运动位姿与各个电动缸关节的伸缩位移的映射关系
。
其关键在于控制上下平台之间连接的六根驱动杆，达到控制上下平台位姿的目的
。
下平台固定在船舶甲板上，上平台为运动平台，上下平台之间通过六个装有电动缸的驱动杆连接，通过控制驱动杆的长度，改变上平台的位姿从而控制栈桥姿态
。
[0015]船载栈桥模型下平台六个铰点位置均在铰点所构成的同一平面上，下平台顺时针依次为
A1、A2、A3、A4、A5和
A6，上平台构造和下平台相同，作为连接点的铰点在同一个圆上，依次为
B1、B2、B3、B4、B5和
B6。
[0016]在下平台底面中心点和上平台几何中心定义坐标系
G
，
H
，定义坐标向量
x、y
和
z
为上平台的点相对于下平台的位置，
φ
、
和
γ
为欧拉角，用来描述上平台上的点相对于下平台坐标系的姿态
。R
b
为上平台铰点外接圆半径，
R
a
为下平台铰点外接圆半径，
θ1为下平台相邻铰点与下平台中心点夹角，
θ2为上平台相邻铰点与上平台中心点夹角
。
[0017]定义
θ
x
、
θ
y
和
θ
z
，为上平台经过分别经过
ZXY
旋转变换的三个旋转矩阵，
R
ij
为时间
t
的函数，则上平台坐标系
H
相对于下平台坐标系的旋转变换矩阵可表示为：
[0018][0019]则上平台任意点相对于下平台的坐标矢量可表示为其中为上平台铰点相对于坐标系
H
的位置矢量，为上平台坐标系某点相对于下平台坐标系原点的位置坐标矢量
。
[0020]因此，用
l
i
分别表示六个电动缸所在驱动杆的机械臂长度，为下平台铰点相对于坐标系
G
的位置矢量，表示六根驱动杆长度矢量：
[0021][0022]对取模可得到
l
i
：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种考虑杆长杆间约束的船载栈桥前馈模糊控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
：船载栈桥运动学反解模型建立，具体步骤如下：
S11
：对船载栈桥稳定平台进行运动学建模，分析平台的运动位姿与各个电动缸关节的伸缩位移的映射关系，其关键在于控制上下平台之间连接的六根驱动杆，达到控制上下平台位姿的目的；下平台固定在船舶甲板上，上平台为运动平台，上下平台之间通过六个装有电动缸的驱动杆连接，通过控制驱动杆的长度，改变上平台的位姿从而控制船载栈桥姿态；船载栈桥模型下平台六个铰点的位置，均在铰点所构成的同一平面上，下平台顺时针依次为
A1、A2、A3、A4、A5和
A6，上平台构造和下平台相同，作为连接点的铰点在同一个圆上，依次为
B1、B2、B3、B4、B5和
B6；在下平台底面中心点和上平台几何中心定义坐标系
G、H
，定义坐标向量
x、y
和
z
为上平台的点相对于下平台的位置，
φ
、
和
γ
为欧拉角，用来描述上平台上的点相对于下平台坐标系的姿态；
R
b
为上平台铰点外接圆半径，
R
a
为下平台铰点外接圆半径，
θ1为下平台相邻铰点与下平台中心点夹角，
θ2为上平台相邻铰点与上平台中心点夹角；上平台坐标系
H
相对于下平台坐标系的旋转变换矩阵可表示为：则上平台任意点相对于下平台的坐标矢量可表示为其中为上平台铰点相对于坐标系
H
的位置矢量，为上平台坐标系某点相对于下平台坐标系原点的位置坐标矢量；因此，用
l
i
分别表示六个电动缸所在驱动杆的机械臂长度，为下平台铰点相对于坐标系
G
的位置矢量，表示六根驱动杆长度矢量，对取模可得到
l
i
：
S12
：在船载栈桥稳定平台模型中，驱动杆连杆的活动范围需要保持在某一范围内，其工作空间受到以下约束：
(1)
驱动杆的长度不允许超出杆长允许范围；
(2)
上平台铰点安装万向铰和球铰情况影响，存在最小驱动杆杆长；以两种情况作为驱动杆杆长约束条件，用
l
imin
表示第
i
个驱动杆在海浪作用下出现的最短长度，用
l
imax
表示第
i
个驱动杆在海浪作用下工作时产生的最长长度；
η
为船载栈桥运动至极限位置所产生的最大偏转角，
P
y
为上平台坐标系某点相对于下平台坐标系原点的位置坐标矢量在竖直方向的投影长度，因此：由余弦定理可得：
且驱动杆杆长需满足：
l
imin
≤l
i
≤l
imax
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
驱动杆在波浪补偿工作时，为保证工作期间安全，其杆间也不能发生干涉，需对其进行限制约束，定义：
d
min
＞
2r
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
式中，
d
min
为两个相邻驱动杆轴线段最短空间距离，
r
l
为驱动杆最小包络圆柱体半径，公式
(3)
‑
(6)
为驱动杆杆长和杆间约束条件；
S2、
船载栈桥前馈
‑
反馈运动控制方法设计：
S21
：算子
R
ij
为时间
t
的函数，由式
(1)
可得：对算子
R
ij
对时间求导，与角速度算子矩阵联立即得上平台铰点角速度矩阵
ω
，其中和为欧拉角的一阶导数，再对上平台的角加速度为上平台铰点角速度矩阵
ω
求导，可得到：式中，和为欧拉角的二阶导数，表示为欧拉角的角加速度，定义为沿着驱动杆的单位向量，由可得：对等式两边同时求导并乘以可得：可得：为驱动杆的速度，为位置坐标矢量的一阶导数；上平台铰点
B
i
在坐标系
H
下为
H
B
i
，分别对六根驱动杆以此类推，得到雅克比矩阵为
J
‑1：因此驱动杆的速度可写为：因此驱动杆的速度可写为：为笛卡尔空间坐标的一阶导数，为笛卡尔空间坐标的二阶导数，对等式两边求取时间的一阶导数可得驱动杆的加速度表达式：
S22
：由于电动缸中电机具有加速度上限
a
max
和速度上限
v
max

【专利技术属性】
技术研发人员：孙明晓，张景睿，栾添添，张晓霜，吴宝奇，王楠，李成华，胥静，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：