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基于非线性模型的主动式升沉补偿系统级联控制研究

摘要

升沉补偿装置对于负载的升沉运动的补偿最为可行，而在海上吊装负载作业时船用

起重机会受到海上风浪的影响，船体的位姿会发生六个自由度的运动，其中母船的升沉

运动对于作业的影响最大。其中，主动式升沉补偿系统对于较小的吊装负载的升沉位移

的补偿精度高补偿效果好。本文根据海况及负载等技术需求，提出了一种应用于船用起

重机的主动式升沉补偿系统，并通过系统液压方案设计、系统非线性模型建立、系统级

联控制设计以及仿真分析进行展开研究，具体的工作内容如下：

（1）对国内外升沉补偿装置的研究发展以及研究成果进行总结，针对四级海况下

吊装50吨级负载的船用起重机的主动式升沉补偿系统的设计方案进行研究。对升沉补

偿系统采用液压技术实现，并设计相应的液压回路以及关键元件的选型，通过仿真分析

得出该方案对升沉补偿的有效性，为后续升沉补偿系统的研究提供了基础。

（2）依据升沉补偿系统的设计方案建立应用于船用起重机的主动式升沉补偿系统

的动力学模型，并对补偿液压缸以及电液伺服阀建立非线性数学模型，最终建立升沉补

偿系统的非线性数学模型。通过与传统的线性模型对比分析得出非线性模型的准确性以

及优越性，为后续的控制策略的研究提供了非线性数学模型基础。

（3）针对主动式升沉补偿模型的非线性及模型不确定性进行了分析研究，提出了

基于反步法的非线性自适应鲁棒控制器（ARNC-BC），通过反步法将系统化为n个子系

统来进行级联性的控制，将系统的活塞杆位移状态作为控制外环，压力状态作为控制内

环，设计自适应控制律对系统模型中的不确定参数以及未知干扰进行估计，并引入鲁棒

控制器保证系统的稳定性。经仿真验证得出设计的控制器具有很好的跟踪补偿性能。

（4）针对实际应用中存在的传感器测量噪声、加速度信号难以获取等问题，对系

统的输出反馈控制进行研究，将升沉补偿系统的不确定项扩展成系统的新的状态量设计

扩展状态观测器作为系统的反馈控制。并通过反步法进行级联控制，设计基于扩展状态

观测器的鲁棒滑模控制器，通过仿真分析得出所设计的观测器对于系统的状态量能够进

行很好的估计。

关键词：主动式升沉补偿系统；非线性模型；反步法自适应控制；级联控制

基于非线性模型的主动式升沉补偿系统级联控制研究

Abstract

Duringtheoffshoreliftingloadoperation,themarinecranewillbeaffectedbythewind

andwavesatsea,andthepostureofthehullwillmoveinsixdegreesoffreedom.Amongthem,

theheavemotionofthemothershiphasthegreatestimpactontheoperation.Theheave

compensationdeviceisthemostfeasibleforthecompensationoftheheavemotionoftheload,

andtheactiveheavecompensationsystemhasagoodcompensationeffectforthecompensation

oftheheavedisplacementofthesmallerliftingload.Accordingtothetechnicalrequirements

ofseaconditionsandloads,thispaperproposesanactiveheavecompensationsystemfor

marinecranes,andconductsresearchbasedonsystemschemedesign,systemmodel

establishment,controllerdesignandsimulationanalysis.Th