起重船吊物系统的动态特性分析及其防摆控制研究

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起重船在开发海洋资源的过程中占据着十分重要的地位,在海洋油气资源的钻探和开发、海洋平台模块安装、货物运转以及水上事故救援等方面有广泛应用。由于起重船漂浮在复杂的海洋环境之下,起重船会不可避免地随风浪发生波动,吊物系统也会因此发生摆动使得起吊作业无法进行。当海况恶化时,将会给起重船的运行带来危险,造成人员伤亡和财产损失。针对起重船海上作业中面临的实际问题,如何保证吊物系统的稳定控制,提高起重船对恶劣海况的抵抗能力,具有相当重要的意义。本文主要内容如下:以回转式起重船为研究对象,分析船体在波浪作用下的六自由度运动响应,建立吊物系统的数学模型,并基于拉格朗日动力学方程推导了吊物系统的动力学方程,以及吊绳的张力方程。通过四阶龙格库塔法分析吊绳长度、激励频率、起吊速度三个因素对吊物摆动的影响,并得到吊物在上升过程中摆动最大的起吊速度,这也是实际中需要避免的起吊速度。根据回转式起重船和吊物系统的运动学特性,推导吊物防摆系统的控制方程。基于PID控制策略,结合粒子群算法和模糊控制理论,提出了起重船吊物防摆控制的模糊PID方法。在Simulink平台上搭建吊物防摆控制系统的模型,研究吊物系统在共振和非共振两种情况下的防摆控制。将本文提出的控制方法与PID和粒子群PID进行对比分析,结果表明了本文防摆控制方法的优越性。根据某双8000t回转式起重船的运行数据,结合Jonswap海浪谱,得到船体在波浪中的六自由度运动响应。以船体的运动响应作为吊物系统的激励,采用本文提出的控制算法对吊物进行防摆控制,结果表明吊物的摆动明显降低。通过与无控状态和PID控制状态下吊物摆动情况进行对比分析,进一步验证了本文提出的模糊PID控制方法的优越性。
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