船用吊运机械臂工况模拟与运动补偿控制研究
发布时间：2021-07-10 03:40
船用吊运机械臂作为货物转运与海洋施工的重要设备,受风浪等海上恶劣环境影响,其末端会出现定位失准和载荷摇摆等问题,严重影响了海上作业的效率以及操纵安全。本文以此为出发点,结合校企合作项目“海洋物流装备智能控制平台研究”（编号2016-WS301）,在实验室环境下搭建了近海船用吊运机械臂的工况模拟与运动补偿平台,并对船舶运动工况模拟与吊运机械臂补偿控制进行深入的研究。首先,本文以六自由度并联平台作为船舶运动工况模拟平台,将六轴工业机械臂改装为吊运机械臂,设计与搭建了吊运机械臂工况模拟和运动补偿平台。其次,建立了海浪谱和船舶刚体运动模型,通过Unigine软件仿真生成船舶模拟平台运动的横摇、纵摇、升沉信号。为实现船舶模拟运动平台控制,建立了六自由度平台正逆运动学模型,其中正运动学采用牛顿-拉夫逊迭代法求解,并通过实例进行解算验证。在平台的单支链电动缸控制方法上,提出了前馈补偿PID位置控制算法,并通过控制理论以及Matlab仿真分析了前馈补偿PID控制算法相对于PID控制在跟踪和响应性能上的优越性。然后,建立了整个系统平台的全局坐标系,通过正运动学齐次变换描述全局坐标系下工况模拟平台激励引起...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
起重机吊运作业
在海洋工程中，海上起重机、集成转载平台等吊运机械臂广泛用于运输、装配维修及并靠补给等海上作业[1]。随着我国海洋经济的发展，吊运机械臂在船舶重作业（如图 1.1 所示）中的应用更加广泛[2]。然而受到风、流、浪等环境因，船舰在恶劣的海洋环境下会产生横荡、纵荡、升沉和横摇、纵摇、艏摇六个运动[3]（如图 1.2 所示），不同于安装在固定底座的吊运机械臂，船舶平台的非，使得机械臂须承受较大的惯性力，引起机械臂的载荷摇摆，影响其定位精度和操纵安全性，一旦操纵失误或机械发生故障很容易造成严重事故[4]。特别是况下发生大浪冲击时，大的惯性使得通过人工操纵来实现机械臂稳定的控制几实现，只能停止操纵作业等待更好的天气条件，而且大量的资源被花费在培训上，会浪费大量的资源和时间成本。因此为了避免或者改善类似情况，充分利及信息技术，设计和研制新一代具有海浪补偿功能海上补给系统和吊运装置，外未来海上工程装备来说具有深远的意义和迫切的需要[5]。
图 1.3 美国 Lakehurst 船舶运动模拟器 图 1.4 360 北极星舰桥模拟此之外，美国 National Biodynamics Laboratory 研制了 MOOG2000E 型船舶模拟器[13]，其动力来源为 6 个大动力的导轨电缸，下平台固定于地基并与虎克铰方式铰接。它能够通过自身的多自由度模拟海浪上6个自由度的随2000E 的最大承载能力为 1 吨，其极限运动参数见表 1.1。表 1.1 MOOG2000E 运动参数横摇 纵摇 艏摇 横荡 纵荡 升沉25° 25° 23° 0.3m 0.28m 0.18m兰应用科学研究组织也开发了一种海浪模拟装置[14]，体积大小为4.0 2.4 压控制系统作为动力源，该运动装置重点在于位移的模拟，在极限位移自留有很大余量，其横摇为 30°，纵摇为 40°，升降为 1m。内基于海浪模拟装置的研究很早，出现了模拟不同海浪和应用目的不同的。哈工大早期针对海洋工程领域船舶的运动规律进行了算法研究，并设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于复合前馈模糊PID的位置伺服系统研究[J]. 郝欢,秦磊,武帅,匡绍龙,季爱明. 测控技术. 2018(12)
[2]基于前馈补偿PID的电机动态测试控制策略研究[J]. 杨冲,杨青. 微特电机. 2018(09)
[3]深海作业起重绞车主动波浪补偿系统载荷响应研究[J]. 王奎,刘火伟,冯正平,萧永明,陈伯扬. 船舶. 2018(03)
[4]海洋工程装备产业发展现状及对策研究[J]. 马勰,慈艳柯,马修水,叶凌箭,胡哲平. 电子世界. 2018(12)
[5]基于干扰观测器与模糊前馈补偿的随动系统PID控制策略[J]. 姜尚,田福庆,梁伟阁,潘林豪,杨波. 火炮发射与控制学报. 2017(02)
[6]基于卡尔曼滤波的主动波浪补偿系统研究[J]. 解迎刚,王晓,曾佳佳,侯金梦. 计算机工程与应用. 2015(21)
[7]一种基于前馈补偿的PID轨压控制设计方法[J]. 李娟. 电子科技. 2014(06)
[8]我国海洋工程装备制造业的发展对策研究[J]. 杜利楠,姜昳芃. 海洋开发与管理. 2013(03)
[9]基于MATLAB的海浪及船舶横摇仿真模型研究[J]. 刘鹏,籍艳,漆随平,王东明,宋文杰,孙佳. 山东科学. 2012(06)
[10]基于改进的PID稳定平台伺服控制系统[J]. 尚举邦,陈永刚. 光电技术应用. 2012(04)
博士论文
[1]六自由度电动运动平台精度分析补偿及控制策略研究[D]. 孙文利.国防科学技术大学 2017
[2]模拟器中车辆动力学与六自由度平台联合仿真技术研究[D]. 魏春雨.浙江大学 2013
[3]动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统设计及控制研究[D]. 李流军.中南大学 2012
硕士论文
[1]海浪补偿模拟系统的优化设计及实验分析[D]. 刘香福.吉林大学 2018
[2]基于信任模型的机器人共享控制研究[D]. 朱厚文.吉林大学 2017
[3]船用起重机主动升沉补偿预报算法与实验研究[D]. 段江哗.湘潭大学 2016
[4]海上过驳平台起重机吊重摆角检测与防摆控制研究[D]. 许军成.江苏大学 2016
[5]四自由度并联平台位姿跟踪控制研究[D]. 程拓.燕山大学 2016
[6]起重船海浪扰动及补偿系统研究[D]. 王盼.哈尔滨工程大学 2016
[7]基于模糊PID控制的船舶摇摆仿真平台研究[D]. 张斌斌.大连海事大学 2015
[8]电液伺服并联六自由度船舶模拟器控制研究[D]. 李继东.燕山大学 2015
[9]并联四自由度舰载稳定平台特性及控制研究[D]. 苏士如.燕山大学 2014
[10]多自由度运动平台控制系统设计[D]. 韩胜男.南京航空航天大学 2014
本文编号：3275112
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
起重机吊运作业
在海洋工程中，海上起重机、集成转载平台等吊运机械臂广泛用于运输、装配维修及并靠补给等海上作业[1]。随着我国海洋经济的发展，吊运机械臂在船舶重作业（如图 1.1 所示）中的应用更加广泛[2]。然而受到风、流、浪等环境因，船舰在恶劣的海洋环境下会产生横荡、纵荡、升沉和横摇、纵摇、艏摇六个运动[3]（如图 1.2 所示），不同于安装在固定底座的吊运机械臂，船舶平台的非，使得机械臂须承受较大的惯性力，引起机械臂的载荷摇摆，影响其定位精度和操纵安全性，一旦操纵失误或机械发生故障很容易造成严重事故[4]。特别是况下发生大浪冲击时，大的惯性使得通过人工操纵来实现机械臂稳定的控制几实现，只能停止操纵作业等待更好的天气条件，而且大量的资源被花费在培训上，会浪费大量的资源和时间成本。因此为了避免或者改善类似情况，充分利及信息技术，设计和研制新一代具有海浪补偿功能海上补给系统和吊运装置，外未来海上工程装备来说具有深远的意义和迫切的需要[5]。
图 1.3 美国 Lakehurst 船舶运动模拟器 图 1.4 360 北极星舰桥模拟此之外，美国 National Biodynamics Laboratory 研制了 MOOG2000E 型船舶模拟器[13]，其动力来源为 6 个大动力的导轨电缸，下平台固定于地基并与虎克铰方式铰接。它能够通过自身的多自由度模拟海浪上6个自由度的随2000E 的最大承载能力为 1 吨，其极限运动参数见表 1.1。表 1.1 MOOG2000E 运动参数横摇 纵摇 艏摇 横荡 纵荡 升沉25° 25° 23° 0.3m 0.28m 0.18m兰应用科学研究组织也开发了一种海浪模拟装置[14]，体积大小为4.0 2.4 压控制系统作为动力源，该运动装置重点在于位移的模拟，在极限位移自留有很大余量，其横摇为 30°，纵摇为 40°，升降为 1m。内基于海浪模拟装置的研究很早，出现了模拟不同海浪和应用目的不同的。哈工大早期针对海洋工程领域船舶的运动规律进行了算法研究，并设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于复合前馈模糊PID的位置伺服系统研究[J]. 郝欢,秦磊,武帅,匡绍龙,季爱明. 测控技术. 2018(12)
[2]基于前馈补偿PID的电机动态测试控制策略研究[J]. 杨冲,杨青. 微特电机. 2018(09)
[3]深海作业起重绞车主动波浪补偿系统载荷响应研究[J]. 王奎,刘火伟,冯正平,萧永明,陈伯扬. 船舶. 2018(03)
[4]海洋工程装备产业发展现状及对策研究[J]. 马勰,慈艳柯,马修水,叶凌箭,胡哲平. 电子世界. 2018(12)
[5]基于干扰观测器与模糊前馈补偿的随动系统PID控制策略[J]. 姜尚,田福庆,梁伟阁,潘林豪,杨波. 火炮发射与控制学报. 2017(02)
[6]基于卡尔曼滤波的主动波浪补偿系统研究[J]. 解迎刚,王晓,曾佳佳,侯金梦. 计算机工程与应用. 2015(21)
[7]一种基于前馈补偿的PID轨压控制设计方法[J]. 李娟. 电子科技. 2014(06)
[8]我国海洋工程装备制造业的发展对策研究[J]. 杜利楠,姜昳芃. 海洋开发与管理. 2013(03)
[9]基于MATLAB的海浪及船舶横摇仿真模型研究[J]. 刘鹏,籍艳,漆随平,王东明,宋文杰,孙佳. 山东科学. 2012(06)
[10]基于改进的PID稳定平台伺服控制系统[J]. 尚举邦,陈永刚. 光电技术应用. 2012(04)
博士论文
[1]六自由度电动运动平台精度分析补偿及控制策略研究[D]. 孙文利.国防科学技术大学 2017
[2]模拟器中车辆动力学与六自由度平台联合仿真技术研究[D]. 魏春雨.浙江大学 2013
[3]动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统设计及控制研究[D]. 李流军.中南大学 2012
硕士论文
[1]海浪补偿模拟系统的优化设计及实验分析[D]. 刘香福.吉林大学 2018
[2]基于信任模型的机器人共享控制研究[D]. 朱厚文.吉林大学 2017
[3]船用起重机主动升沉补偿预报算法与实验研究[D]. 段江哗.湘潭大学 2016
[4]海上过驳平台起重机吊重摆角检测与防摆控制研究[D]. 许军成.江苏大学 2016
[5]四自由度并联平台位姿跟踪控制研究[D]. 程拓.燕山大学 2016
[6]起重船海浪扰动及补偿系统研究[D]. 王盼.哈尔滨工程大学 2016
[7]基于模糊PID控制的船舶摇摆仿真平台研究[D]. 张斌斌.大连海事大学 2015
[8]电液伺服并联六自由度船舶模拟器控制研究[D]. 李继东.燕山大学 2015
[9]并联四自由度舰载稳定平台特性及控制研究[D]. 苏士如.燕山大学 2014
[10]多自由度运动平台控制系统设计[D]. 韩胜男.南京航空航天大学 2014
本文编号：3275112
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