基于自适应外部模型的海上起重机控制外文翻译资料

 2022-09-29 10:21:21

基于自适应外部模型的海上起重机控制

摘要: 提出了一种适用于深海作业的起重机的自适应控制器。控制的目的是为了减少在水进入月池的有效载荷作用下水动力砰击载荷，同时让负载沿给定速度曲线分布。所采用的解决方案依赖于使用的自适应观测器和两个自适应外部模型的干扰，采用恢复不可用的信息的错误被调节。结果，该闭环系统相对于该装置的参数和影响该系统的谐波干扰的频率呈现自适应。一个利用估计的参数和重建的跟踪误差确定性等价控制器被提出，整体方案的性能被比例模型实验证明了。结果显示了明显的改善比以前基于观测器内部模型控制固定结构的方法。

关键词:海上建筑物、自适应控制、抗扰、输出反馈控制

1.介绍

近海海洋重型运输业务，一个重要的问题是如何安全地安装一个有效载荷在海底。这个任务可以通过主动控制放置在一个船上的起重机和通过降低通过船体上被称为月池的井的有效载荷来完成的。根据Faltinsen (1990)记录，最关键的阶段是在入水时；事实上，有效载荷被波击中，脉冲砰击载荷可以严重破坏有效载荷，尤其是在恶劣的海洋条件。在有效载荷穿过月池期间，准确的控制载荷速度以防止钢丝张力超过安全极限是重要的，从而避免高抓举载荷可能断丝。保持有效载荷紧紧调节到设定值的速度，以减少由于张力的变化导致的导线的应力。所考虑的问题已经被利用机器人控制系统的标准工具Sagatun (2002) and SkaaRe and Egeland (2006)所解决。在Johansen, Fossen, Sagatun, and Nielsen (2003)有一种不同的方法被追求，它提出了一种两相控制方法。在第一阶段，有效载荷是在空气和距离月池足够远时，升沉补偿就会被应用；目标是将导线张力控制在一个等于负载的重量恒定的值。在第二阶段，当有效载荷接近月池时开始，被称为“波同步”。如在Faltinsen and Zhao (1997)所示，影响有效载荷入水的脉冲流体冲击力随波和有效载荷之间的相对速度的增加而增加；因此，这一阶段的控制目标是降低通过入水区的有效载荷而保持相对速度常数等于规定值。对每一个阶段，约翰森等人（2003年）提出了前置补偿器来实现控制目标。

在Messineo, Celani, and Egeland (2008)中，一个基于FRancis and Wonham (1975)内部模型原理双阶段反馈补偿器被提出。当输出变量跟踪一个参考信号，同时抵抗波引起的干扰，控制目标被计算。一个重大的挑战是基于内部模型的设计所考虑的问题是要调节的跟踪误差是不直接提供给控制器应用，这是借用FRancis and Wonham (1975)的术语–测量输出的误差是不可读。一个确定性等价的方法是为估计调节误差设计固定结构观测器。为此，提出了一些简化的假设，包括模型参数的完整知识和频率的谐波引起的干扰的数量和频率。出于需要放宽这些限制性的假设，本文提出了一种新的控制方法，克服了Messineo等人 (2008)固定结构内部模型设计的弊端。特别是，这里所提出的控制器是自适应波引起的干扰的的对象参数和频率的。由于问题的性质决定的，控制方法依赖于确定性等价的原则，即，它利用的跟踪误差的渐近重建。为此，一个标准的自适应观测器来估计有效载荷的速度连同很多对象参数。然而对波浪的扰动的重建，经典的内部模型方法已经被遗弃，以外部模型为基础的设计(SeRRani, 2006; Tomizuka, Chew, amp; Yang, 1990; ZaRikian amp; SeRRani, 2007)被支持。具体而言，该设备提供的干扰估计是放置在稳定控制回路之外。在其他的好处，相比基于自适应内部模型的方法(SeRRani, IsidoRi, amp; MaRconi, 2001)，在这项工作中提出的方法克服了需要一个扰动模型的最小参数化，即，它只需要一个上限的干扰的不同的谐波的数目。

月池相对于静水位的波振幅

月池相对于参考船的波振幅

盆地相对于静水位的波振幅

有效载荷相对于参考船的位置

有效载荷相对于月池水位的位置

参考船相对于静水位的位置

钢丝张力

滑轮相对于参考滑轮的位置

滑轮质量

滑轮阻尼系数

弹簧刚度

有效载荷的质量

重力加速度

伺服电机转速

伺服电机指令速度

在有效载荷作用下的水动力

升沉补偿和波同步阶段的控制器被设计为一个稳定的观测员提供的消失的观测误差。此外，相对于Messineo（2008）等人的工作线性近似的使用，非线性流体动力模型的在同步相位控制器的开发中被使用。这导致了一个非线性的鲁棒设计，而不是一个线性的。从理论上和在一个滑动的带月池起重机船比例模型进行的实验验证证明了该设计的有效性。与Messineo等人（2008）的结果比较分析，证明目前建议的方法的好处。

本文结构安排如下：第2节描述了该模型及其数学模型。第3节介绍了自适应外部模型和自适应观测器。第4节提出的升沉补偿和波同步控制方法的设计。在第5节对实验结果进行了讨论，其次是结束语。

2.建模与问题制定

图1（a）的比例模型由一个2.2千瓦的无刷异步伺服电机连接到一个尺寸为1.1 m times; 0.67 m times; 0.69 m的浮动容器组成。伺服电机配有一个内部控制回路。一个球形负载由一个越过一个滑轮悬挂弹簧导线被连接到电机；在一个真实的起重机容器中，弹簧被插入来表示导线的弹性。该比例模型是在两个负载和容器配备垂直加速度计和测量的导线张力的力环。电机的位置是由一个编码器的装置测量。在月池，水位是由波仪采用两平行电极浸入水部分电导率测量的。起重机船的总质量为157公斤。波发生器（一个装在一个盆地的皮瓣）是用来产生波的。该瓣可以在不同的频率移动产生不同的波谱。在模型中使用的坐标系统是描绘在图1（b），其中静水面是一个接地的固定框架，而“船舶参考”是固定的本身。有效载荷相对于静水位的运动参照系统坐标系，

（1）

m表示的有效载荷质量，g重力加速度，为有效载荷在月池的动力，为张力，假设有界。通过定义，关于滑轮参照系的运动方程可以写成

（2）

在是滑轮的质量，是阻尼系数，和是弹簧刚度。由于滑轮动力学固有频率远离结构的共振频率（Fossen； Johansen,2001），并在盆地海浪产生的激励结构，类似于Skaare and Egeland (2006)完成的，方程（2）是由关系近似

（3）

控制输入u作为伺服电机命令的速度。下面的和u之间的传递函数一阶模型是在Messineo等人（2008）采用的。/u =lambda;m/(s lambda;m)，lambda;m=33.33Rad/s。然而，对于考虑的频率范围，为了lambda;m/(s lambda;m)=1和=u的简化可以使用，快速电机的动态变化可以忽略。结果，从方程（1）和（3），三阶控制系统可以按照如下表示：

（4）

并规定z=（z，，），控制输入u和测量输出y=（，，Ft，zeta;0，）。在公式（4）中，是z和的函数，和g作为外部干扰。假设模型参数和是不确定的，并只达到标称值。另一方面，当有效载荷在空气中时，有效载荷的质量m可以通过方程（1）测量（在开始降低操作前）；因此，为控制设计的m的值被假定为可用的。

2.1水动力和波浪引起的扰动

当有效载荷在月池时，水动力的最重要的贡献来自于由粘性和线性阻力，浮力，和砰击力。保留这些项目，fz的模型可以被写作：

（5）

这里，。在公式（5）右边第一项代表的是粘性阻力，这里表示水的密度，非线性阻力系数，是有效载荷在垂直方向上的有效阻力投影面积；

a.比例模型 b.尺寸模型

图1 比例模型、尺寸模型和坐标定义图

跟踪误差测器

升沉补偿

波同步

自适应外部模型

自适应观测器

图2. 控制器的示意图

第二项是线性阻力；第三项代表浮力，这里是有效载荷淹没部分的体积，d是有效载荷的直径；第四项是计算砰击力的，这里是位置相关的有效载荷的附加质量。下面的属性将被用于控制设计：

2.1水动力特性

（1）当有效载荷位于空气中时，，，有界的，非负的空李氏函数（zrlt;0），当有效载荷完全浸没时，值是连续的（zrgt;d）；

（2）当zrlt;0或者zrgt;d时，是有界的，非负的空李氏函数。

按照Messineo等人（2008），表示为谐波干扰的形式起重船的升沉运动z0（t）和波高zeta;0(t)都是由盆地中的波浪运动xi;s(t)引起的。

（6）

这里pge;1并且频率omega;igt;0，i=1，hellip;，p是不同的。谐波的确切数目以及的振幅、相位、和频率的值是未知的。然而，一个上边界假定q ge; p是可用的，下一个基于事实的假设是，只有谐波频率omega;i在一个封闭区间时，月池结构的共振频率需要考虑：

假设2.1：公式（6）的安全自然频率，omega;iisin;[omega;min,omega;max], omega;min gt; 0，对所有的i = 1，hellip;，P。

2.2控制目标

与Johansen等人（2003）和Messineo等人（2008）相似，控制目标包括2个不同的阶段，升沉补偿与波同步。在每一个阶段，问题是制定一个强大的控制律来调节升沉跟踪误差和同步跟踪误差，分别定义为：

（7）

这里cgt;0一个期望的恒定速度参考，值得注意的是，在（7）跟踪误差不可用以反馈，并且必须由控制器重构。为此，使用一个利用一对自适应外部模型的干扰和一个植物状态的自适应观测估计。此外，观测器产生不确定模型参数的估计。控制方案如图2所示。

3自适应观测器设计

在这一节中，它示出如何恢复谐波引起的干扰和设备的z和收敛估计。外部模型结构提供来自测量值的估计值和详细介绍。而的外部模型，和以及对和的自适应观测器做了简要讨论。

3.1自适应外部模型的干扰

在参考（6）的顶部方程，注意是被测量，然而它的内部和不是。一个产生这些信号的状态空间模型如下：任意选择和，为了是赫尔维茨以及（，）是可控的一对。众所周知（参见Chen, 1984; NikifoRov, 1998; SeRRani 等人，2001,Thm 7.10）存在一个独特向量以便于，和能被如下给出：

（8）

这里，特别的（）={plusmn;jomega;1，hellip;，plusmn;jomega;p }，并且一对（，）是可观测的。矩阵取决于谐波未知频率，而谐波的不确定性的振幅和相位的未知初始条件与omega;p(0)相关。按照SeRRani (2006)，考虑以下自适应外部模型：

（9）

这里，yisin;R并且。在系统（9）中，和是标量增益，并且被选为了（F，G） 是可控的一对和F是赫尔维茨。假设qgt;p，这是更有趣的场景，外系统（8）是由（9）参数化。q = p是常规的情况，因此是不明确。而重建状态似乎与这个信号测量无关，它提供了一种估计它的导数和第一个积分的方法。以下命题，建立技术成果将用 ，外部模型，它的证据能在Serrani (2006)被找到。

命题1：存在gt;0，对于任意的和，系统（8）-（9）从任何初始条件的轨迹是有界的。用任意轨迹的Omega;极限任意表示、选择初始条件。然而，相应的解决办法完全在，满足，，并且对于所有的tge;0，，对于某些满秩矩阵，这是独立的初始条件。此外，下面的

（10）

因此，，，并且。结果，。

在一个很快被移除的附加的假设下，这样的结果是用来从系统（9）估计和。

定理2 假设（9）的解决方案是为了对于所有的tge;0，对于一些0lt; 满足特征值。所以系统（9）的输出可以定义为：

（11）

和的收敛估计。

证明 选取任意的，考虑集值映射1：，。由于的条件限制，其不变子集是一对一的。它服从。利用这个恒等式，从方程（10）得到。此外，从方程（10）可以看出恒等式也存在。因此，并且。这意味着，凭借命题1，和，符合要求。

定理2中的限制性假设通过诉诸一个混合的自适应律去除的。

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