CN112938756A - 一种起重船吊物系统空间摆振的主动控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种起重船吊物系统空间摆振的主动控制方法及系统，属于振动控制技术领域，方法包括：S1、获取吊物系统在x、y、z三个方向的摆角以及吊物系统顶点的位移，所述摆角由安装在吊钩上的角度传感器测得，所述位移由安装在吊物系统顶点处的位移传感器测得；S2、根据时滞τ秒前的摆角及实时位移数据，计算安装在吊物系统顶部的作动器应实现的位移；S3、基于所述作动器应实现的位移，控制所述作动器推动吊物系统顶点移动，从而控制吊物系统摆角。如此，本发明通过安装在吊物系统顶部的作动器推动吊物系统顶部移动从而控制吊物系统摆角，实现了起重船在复杂海况条件下的吊物系统摆振控制，能大幅度提升吊装的工作效率，具有较强的实用性。

Description

一种起重船吊物系统空间摆振的主动控制方法及系统
技术领域
本发明属于振动控制技术领域，更具体地，涉及一种起重船吊物系统空间摆振的主动控制方法及系统。
背景技术
在海上或者港口的起重船作业时往往会遇到由于波浪和风载作用下导致船体摇晃从而使吊物系统摆动的情况，这样会使吊装作业难以进行下去，根据相关研究，中国沿海的吊装船根据海文条件通常只有两三个月的时间可以正常工作，这无疑是极大的浪费，所以寻找一种控制吊物系统摆动的方法是十分有必要的。
现有技术中研究了起重船通过吊臂摆动来面内控制摆角的方法，但这种方法实施困难，而且吊臂整个移动会对船体的重心产生较大的影响反而会导致船体失稳从而影响安全，并且只考虑了面内的控制。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种起重船吊物系统空间摆振的主动控制方法及系统，通过安装在吊物系统顶部的作动器推动吊物系统顶部移动从而控制吊物系统摆角，有效减小吊物系统摆角从而保证吊装工作时的安全性，提高工作效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种起重船吊物系统空间摆振的主动控制方法，包括以下步骤：
S1、获取吊物系统在x、y、z三个方向的摆角以及吊物系统顶点的位移，所述摆角由安装在吊钩上的角度传感器测得，所述位移由安装在吊物系统顶点处的位移传感器测得；
S2、根据时滞τ秒前的摆角及实时位移数据，计算安装在吊物系统顶部的作动器应实现的位移；
S3、基于所述作动器应实现的位移，控制所述作动器推动吊物系统顶点移动，从而控制吊物系统摆角。
进一步地，所述步骤S2中，
由控制方程
Figure BDA0002923883780000021
计算安装在吊物系统顶部的作动器应实现的位移；
其中，xp(t)、yp(t)分别为作动器在x方向和y方向应实现的位移，x0(t)、y0(t)分别为位移传感器测得的吊物系统顶部在x方向和y方向的位移，k为增益，l为吊物系统的吊索长度，α、β分别为吊索与竖直方向的夹角和吊索在水平面上的投影与x轴的夹角，τ是时滞。
进一步地，
基于摆角方程组
Figure BDA0002923883780000022
确定最优增益和最优时滞；
其中，T为吊物系统的吊索内力，ax、ay、az分别是吊索与x、y、z轴的夹角，m是吊物系统吊钩的质量，l是吊索长度，
Figure BDA0002923883780000023
分别是吊物系统顶点在x、y、z方向的加速度。
进一步地，令zp＝0，az＝α，
Figure BDA0002923883780000024
得到无控下的吊物系统摆角微分方程组：
Figure BDA0002923883780000031
将所述无控下的吊物系统摆角微分方程组与所述控制方程结合，并令x0(t)、y0(t)均为0，求出α的均方根值；遍历不同的增益k和时滞τ，并以α的均方根值为z轴，增益和时滞为x、y轴画出三维图，找出最低点对应的增益和时滞作为所述最优增益和最优时滞。
另一方面，本发明还提供了一种起重船吊物系统空间摆振的主动控制系统，包括：
获取模块，用于获取吊物系统在x、y、z三个方向的摆角以及吊物系统顶点的位移，所述摆角由安装在吊钩上的角度传感器测得，所述位移由安装在吊物系统顶点处的位移传感器测得；
计算模块，用于根据时滞τ秒前的摆角及实时位移数据，计算安装在吊物系统顶部的作动器应实现的位移；
控制模块，用于基于所述作动器应实现的位移，控制所述作动器推动吊物系统顶点移动，从而控制吊物系统摆角。
进一步地，执行所述计算模块时，
由控制方程
Figure BDA0002923883780000032
计算安装在吊物系统顶部的作动器应实现的位移；
其中，xp(t)、yp(t)分别为作动器在x方向和y方向应实现的位移，x0(t)、y0(t)分别为位移传感器测得的吊物系统顶部在x方向和y方向的位移，k为增益，l为吊物系统的吊索长度，α、β分别为吊索与竖直方向的夹角和吊索在水平面上的投影与x轴的夹角，τ是时滞。
进一步地，
基于摆角方程组
Figure BDA0002923883780000041
确定最优增益和最优时滞；
其中，T为吊物系统的吊索内力，ax、ay、az分别是吊索与x、y、z轴的夹角，m是吊钩的质量，l是吊索长度，
Figure BDA0002923883780000042
分别是吊物系统顶点在x、y、z方向的加速度。
进一步地，令zp＝0，az＝α，
Figure BDA0002923883780000043
得到无控下的吊物系统摆角微分方程组：
Figure BDA0002923883780000044
将所述无控下的吊物系统摆角微分方程组与所述控制方程结合，给体系一个扰动，并令x0(t)、y0(t)均为0，求出α的均方根值；遍历不同的增益k和时滞τ，并以α的均方根值为z轴，增益和时滞为x、y轴画出三维图，找出最低点对应的增益和时滞作为所述最优增益和最优时滞。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过安装在吊物系统顶部的作动器推动吊物系统顶部移动从而控制吊物系统的空间摆角，实现了起重船在复杂海况条件下吊物系统摆振的有效控制，能大幅度减小吊物系统的摆动，有效地提升吊装的工作效率，具有较强的实用性。
(2)本发明中作动器只推动吊物系统顶点的平面运动，当位移限制在0.5米内，几乎不会影响船体的稳定性。
(3)本方法安装简便，控制效果好，可靠性高。
附图说明
图1是本发明提供的起重船吊物系统空间摆振的主动控制方法的流程图；
图2是本发明提供的计算示意简图；
图3是本发明提供的现场实验时的实验平台；
图4是本发明提供的实验时作动器安装示意图；
图5是本发明提供的无控下吊钩运动轨迹投影；
图6是本发明提供的有控下吊钩运动轨迹投影，从20秒后开始控制；
图7是本发明提供的有控与无控下吊物系统与竖直方向摆角对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参阅图1，结合图2，本发明提供了一种起重船吊物系统空间摆振的主动控制方法，由倾角仪和位移传感器读取的数据传入中控电脑，然后电脑控制作动器推动吊点移动从而控制摆角。
具体的，由控制方程
Figure BDA0002923883780000051
计算安装在吊物系统顶部的作动器应实现的位移；
其中，xp(t)、yp(t)分别为作动器在x方向和y方向应实现的位移，x0(t)、y0(t)分别为位移传感器测得的吊物系统顶部在x方向和y方向的位移，k为增益，l为吊索长度，α、β分别为吊索与竖直方向的夹角和吊索在水平面上的投影与x轴的夹角，τ是时滞。
首先，要确定控制方程中的增益k和时滞τ的最优值。
具体的，基于以下摆角方程组，确定最优增益和最优时滞。
摆角方程组：
Figure BDA0002923883780000061
其中，T为吊索内力，ax、ay、az分别是吊索与x、y、z轴的夹角，m是吊钩的质量，l是吊索长度，
Figure BDA0002923883780000062
分别是吊物系统顶点在x、y、z方向的加速度。
进一步地，令摆角方程组中zp＝0，az＝α，
Figure BDA0002923883780000063
得到无控下的吊物系统摆角微分方程组：
Figure BDA0002923883780000064
将所述无控下的吊物系统摆角微分方程组与所述控制方程结合，给体系一个扰动，并令x0(t)、y0(t)均为0，通过Matlab等软件求出α的均方根值，然后编程遍历不同的增益k和时滞τ，并以α的均方根值为z轴，增益和时滞为x、y轴画出三维图，找出最低点对应的增益和时滞作为所述最优增益和最优时滞，理论上最优增益和时滞只与吊索长度有关，所以可以画出吊索长度与最优增益和时滞的对应关系表，在设计时可通过查表获得对应的时滞和增益。
通过无控下的吊物系统摆角微分方程组，可以知道摆角微分方程的解只与其初值以及摆长l有关，因此我们可以得出一张最优参数与摆长的表格，实际应用时可以通过查表获得。相关参数的含义如图2所示。
确定了增益和时滞后，在做实验之前我们先用数值模拟来进行可行性验证，图5至图7是有控与无控下吊钩的运动轨迹以及吊物系统摆角对比图。实验表明，当作动器位移无限制时能达到80％以上的控制效果，当作动器位移限制在±0.5米时控制效果也有50％-70％，这样可以有效减小吊物系统摆角从而保证吊装工作时的安全性，大大提高工作效率；并且作动器只推动吊物系统顶点运动，且位移限制在0.5米内时，也保证了几乎不会影响船体的稳定性。
在电脑上数值模拟验证了控制效果后，开始进行现场实验。图3是6自由度实验平台，用来模拟起重船；图4是作动器安装示意图。
本发明还提供了一种起重船吊物系统空间摆振的主动控制系统，包括：
获取模块，用于获取吊物系统在x、y、z三个方向的摆角以及吊物系统顶点的位移，所述摆角由安装在吊钩上的角度传感器测得，所述位移由安装在吊物系统顶点处的位移传感器测得；
计算模块，用于根据时滞τ秒前的摆角及实时位移数据，计算安装在吊物系统顶部的作动器应实现的位移；
控制模块，用于基于所述作动器应实现的位移，控制所述作动器推动吊物系统顶点移动，从而控制吊物系统的摆角。
上述起重船吊物系统空间摆振的主动控制系统中各个模块的划分仅用于举例说明，在其他实施例中，可将起重船吊物系统空间摆振的主动控制系统按照需要划分为不同的模块，以完成上述起重船吊物系统空间摆振的主动控制系统的全部或部分功能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种起重船吊物系统空间摆振的主动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取吊物系统在x、y、z三个方向的摆角以及吊物系统顶点的位移，所述摆角由安装在吊钩上的角度传感器测得，所述位移由安装在吊物系统顶点处的位移传感器测得；
S2、根据时滞τ秒前的摆角及实时位移数据，计算安装在吊物系统顶部的作动器应实现的位移；
S3、基于所述作动器应实现的位移，控制所述作动器推动吊物系统顶点移动，从而控制吊物系统摆角。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，
由控制方程
Figure FDA0002923883770000011
计算安装在吊物系统顶部的作动器应实现的位移；
其中，xp(t)、yp(t)分别为作动器在x方向和y方向应实现的位移，x0(t)、y0(t)分别为位移传感器测得的吊物系统顶部在x方向和y方向的位移，k为增益，l为吊物系统的吊索长度，α、β分别为吊索与竖直方向的夹角和吊索在水平面上的投影与x轴的夹角，τ是时滞。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，
基于摆角方程组
Figure FDA0002923883770000012
确定最优增益和最优时滞；
其中，T为吊物系统的吊索内力，ax、ay、az分别是吊索与x、y、z轴的夹角，m是吊钩的质量，l是吊索长度，
Figure FDA0002923883770000013
分别是吊物系统顶点在x、y、z方向的加速度。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，
令zp＝0，az＝α，
Figure FDA0002923883770000021
得到无控下的吊物系统摆角微分方程组：
Figure FDA0002923883770000022
将所述无控下的吊物系统摆角微分方程组与所述控制方程结合，并令x0(t)、y0(t)均为0，求出α的均方根值；遍历不同的增益k和时滞τ，并以α的均方根值为z轴，增益和时滞为x、y轴画出三维图，找出最低点对应的增益和时滞作为所述最优增益和最优时滞。
5.一种起重船吊物系统空间摆振的主动控制系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取吊物系统在x、y、z三个方向的摆角以及吊物系统顶点的位移，所述摆角由安装在吊钩上的角度传感器测得，所述位移由安装在吊物系统顶点处的位移传感器测得；
计算模块，用于根据时滞τ秒前的摆角及实时位移数据，计算安装在吊物系统顶部的作动器应实现的位移；
控制模块，用于基于所述作动器应实现的位移，控制所述作动器推动吊物系统顶点移动，从而控制吊物系统摆角。
6.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，执行所述计算模块时，
由控制方程
Figure FDA0002923883770000023
计算安装在吊物系统顶部的作动器应实现的位移；
其中，xp(t)、yp(t)分别为作动器在x方向和y方向应实现的位移，x0(t)、y0(t)分别为位移传感器测得的吊物系统顶部在x方向和y方向的位移，k为增益，l为吊物系统的吊索长度，α、β分别为吊索与竖直方向的夹角和吊索在水平面上的投影与x轴的夹角，τ是时滞。
7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，
基于摆角方程组
Figure FDA0002923883770000031
确定最优增益和最优时滞；
其中，T为吊物系统的吊索内力，ax、ay、az分别是吊索与x、y、z轴的夹角，m是吊钩的质量，l是吊索长度，
Figure FDA0002923883770000032
分别是吊物系统顶点在x、y、z方向的加速度。
8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，
令zp＝0，az＝α，
Figure FDA0002923883770000033
得到无控下的吊物系统摆角微分方程组：
Figure FDA0002923883770000034
将所述无控下的吊物系统摆角微分方程组与所述控制方程结合，并令x0(t)、y0(t)均为0，求出α的均方根值；遍历不同的增益k和时滞τ，并以α的均方根值为z轴，增益和时滞为x、y轴画出三维图，找出最低点对应的增益和时滞作为所述最优增益和最优时滞。
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