本發(fā)明屬于非線性欠驅(qū)動系統(tǒng)自動控制的技術領域，特別是涉及一種船用起重機的自動控制實驗系統(tǒng)。

背景技術：

船用起重機是一種安裝在船體上的特殊的大型起重運輸設備，現(xiàn)在被廣泛應用于港口貨物裝卸，海洋工程的實施，海上補給等。近年來，隨著海洋事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對于船用起重機的需求越來越高，其相應的研究工作也變得極為緊迫。但是，由于船用起重機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十分復雜，其工作環(huán)境也十分惡劣，相關研究具有極高的挑戰(zhàn)性，進展也較為緩慢，這極大地限制了海上貨物裝卸運輸?shù)哪芰Α?/p>

截至目前為止，已有船用起重機大都采用人工操作，其定位精度往往很差，難以準確將貨物運送至目標位置，對貨物的消擺效果也不理想，容易和周圍的工作人員或者貨物發(fā)生碰撞，造成危險；此外，人工操作的效率也非常低下，需要通過視覺信息的反饋，反復調(diào)節(jié)各驅(qū)動裝置，造成能源的極大浪費；在有些較為極端的情況下(例如海況較為惡劣)，操作人員還不得不終止操作以保證安全，甚至有可能因為操作人員經(jīng)驗的不足，釀成嚴重的安全事故。另一方面，訓練有經(jīng)驗的船用起重機操作員往往需要投入大量的時間和成本，這也不利于船用起重機的大量普及。因此，迫切需要研究人員對船用起重機的動力學特性進行深入研究，并進一步提出有效的自動控制方法，切實解決相關實際問題。

近年來，船用起重機的自動控制問題引起了國內(nèi)外學者的廣泛注意。具體而言，部分研究人員期望通過起重機結(jié)構(gòu)的改進來改善其整體運作性能，如著名的馬里蘭索具系統(tǒng)。但是這種系統(tǒng)只能提供被動的補償，而無法主動去消除海上干擾的影響。此外，這種機械上的改動往往使得起重機系統(tǒng)更加復雜，因此也不利于實際應用。很多研究人員從理論上對船用起重機進行了數(shù)學建模，并初步提出了一系列控制算法。具體而言，[1,2]等將船用起重機系統(tǒng)當做一類特殊的陸地起重機系統(tǒng)，并采用學習控制率等估計外界干擾，從而消除其影響。但是這種方法的弊端在于無法完全消除系統(tǒng)欠驅(qū)動部分的干擾，從而只能得到狀態(tài)有界的結(jié)論，無法滿足實際應用需求。在文獻[3]中，Masoud等人對船吊模型進行了線性化，并基于此提出了一種延時反饋控制器。但是當系統(tǒng)狀態(tài)遠離平衡點時，控制器的性能將無法保證。Ismail等人[4]提出了一種基于二階滑模的軌跡跟蹤消擺控制器，其控制器結(jié)構(gòu)復雜，并且也無法保證漸近穩(wěn)定。此外，一些研究人員提出用智能控制方法來控制船用起重機[5,6]，已經(jīng)取得了初步的成果，但目前來說還不是很成熟。

截至目前為止，現(xiàn)有的關于船用起重機的研究成果大都還停留在理論分析階段，其實際控制效果無法得到有效驗證。為了解決這一問題，在專利[7]中，研究人員率先設計了一類船用起重機自動控制系統(tǒng)，但相關實驗平臺較為笨重且結(jié)構(gòu)復雜，難以復制，不方便進行調(diào)試和相關實驗。此外，由于該實驗系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)較為復雜，使得相關的傳動精度大打折扣，不適用于精度較高的實驗操作。因此，為了更深入地研究船用起重機的動力學特性，并驗證相關控制算法的可靠性，需要設計搭建一種結(jié)構(gòu)精簡的、高精度的、能夠真實地體現(xiàn)船用起重機在海面工作環(huán)境下運動特性的自動控制實驗系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決實際船用起重機運動特性研究和相關控制方法的驗證問題，提供一套能真實反映船用起重機運動特性，方便驗證各種不同控制方法有效性的自動控制實驗系統(tǒng)，切實推動相關研究的發(fā)展，并推廣船用起重機在實際生產(chǎn)中的應用。

本發(fā)明提供的船用起重機自動控制實驗系統(tǒng)，包括起重機模擬裝置、船體運動模擬裝置、運動狀態(tài)測量裝置以及控制系統(tǒng)；其中，

起重機模擬裝置：是整個系統(tǒng)的被控主體，用于模擬真實起重機的運動特性，包括；起重機吊臂的俯仰運動與回轉(zhuǎn)運動，以及負載的升降與擺動；

船體運動模擬裝置，作為起重機模擬裝置的工作環(huán)境，用于模擬真實船體在海上工作時的運動狀況，包括船體的升降和傾斜；

運動狀態(tài)測量裝置，用于測量起重機和船體運動模擬裝置的實時運動狀態(tài)信號，并發(fā)送給控制系統(tǒng)作為反饋信號；所需要測量的運動狀態(tài)信號包括：吊臂的俯仰角φ，回轉(zhuǎn)角負載的空間徑向擺角θ₁和切向擺角θ₂，吊繩長度l，船體翻轉(zhuǎn)角α和船體上升高度h；

控制系統(tǒng)，用于實時處理各類反饋信號，合成相應的控制命令并發(fā)送至相應裝置中的伺服電機，從而使得起重機模擬裝置和/或船體運動模擬裝置產(chǎn)生期望的運動；所述控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集卡和上位機，其中，數(shù)據(jù)采集卡用于采集所述運動狀態(tài)測量裝置中測量的各種運動狀態(tài)信號，然后將這些信號傳到上位機，在基于MATLAB軟件中RTW(Real Time Workshop)模塊的實時環(huán)境下，根據(jù)預先設定好的控制器合成相應的控制輸入，最終，這些控制信號還將由上位機通過數(shù)據(jù)采集卡傳送到起重機模擬裝置和/或船體運動模擬裝置中，產(chǎn)生相應的控制動作。

所述的起重機模擬裝置包括吊臂2，吊臂上安裝有布線滑輪1，其功能是作為吊繩5的排布線路，吊繩的末端為負載6，吊臂與俯仰轉(zhuǎn)軸18固定并安裝于俯仰電機安裝架10上，俯仰轉(zhuǎn)軸18可由俯仰電機安裝架10上安裝的俯仰伺服電機11驅(qū)動并產(chǎn)生轉(zhuǎn)動運動，從而帶動吊臂2產(chǎn)生俯仰運動，在吊臂2的尾端固定有卷繩電機安裝架13，并在卷繩電機安裝架上安裝有卷繩伺服電機12和傳動軸19，傳動軸19上安裝有卷繩輪17，吊繩的起始端固定在卷繩輪上，通過卷繩輪的轉(zhuǎn)動從而牽引吊繩5使其產(chǎn)生長度變化即負載的升降，俯仰電機安裝架10安裝于回轉(zhuǎn)支撐板16上，止推軸承8的上片與回轉(zhuǎn)支撐板16固接，止推軸承8的下片與支撐板7固接，這樣，回轉(zhuǎn)支撐板16可以在回轉(zhuǎn)伺服電機15的驅(qū)動下與支撐板7產(chǎn)生相對的轉(zhuǎn)動，其中，回轉(zhuǎn)伺服電機15通過回轉(zhuǎn)電機安裝架14與支撐板7固接，回轉(zhuǎn)伺服電機15的電機軸則與回轉(zhuǎn)支撐板16固接并帶動其轉(zhuǎn)動，而支撐板7下面安裝有起重機支撐柱9；所述起重機模擬裝置通過支撐柱9固定安裝在船體運動模擬裝置上。

所述的船體運動模擬裝置：包括翻轉(zhuǎn)支撐板20，翻轉(zhuǎn)支撐板下表面兩側(cè)的安裝腳分別通過翻轉(zhuǎn)軸21與翻轉(zhuǎn)支架22鉸接，兩個翻轉(zhuǎn)支架22固定在升降支撐板24上，翻轉(zhuǎn)支撐板20位于兩個翻轉(zhuǎn)支架22連線的一側(cè)上設置有滑軌35，滑桿29可在滑軌35上自由滑動，滑桿29的下端通過轉(zhuǎn)軸25與螺母套30的上端鉸接，也即，滑桿29與螺母套30可相對轉(zhuǎn)軸25轉(zhuǎn)動，螺母套30與螺桿31螺紋連接，螺桿31的下端與固定于升降支撐板24上的翻轉(zhuǎn)伺服電機28的輸出軸連接，螺桿31可發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而進一步驅(qū)動螺母套30產(chǎn)生升降運動，進而撐起翻轉(zhuǎn)支撐板20的一側(cè)并使其繞著翻轉(zhuǎn)軸21發(fā)生翻轉(zhuǎn)傾斜運動，升降伺服電機23固定在升降支撐板24上，升降螺桿33與升降伺服電機23的輸出軸固定并與底層板26上固定的螺母32配合，底層板26由底層支柱34支撐于地面上，當升降伺服電機23驅(qū)動升降螺桿33并使其發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動時，由于底層板26是相對地面靜止的，那么將會促使升降支撐板24產(chǎn)生升降運動，固定于升降支撐板24下表面上的同步滑桿27穿過底層板26上的導向定位孔，并可在底層板26上的導向定位孔中自由上下運動，其主要目的是為了確保實際操作過程中升降支撐板24的各個部位都同步上升。

所述的運動狀態(tài)測量裝置中：所述吊臂的俯仰角φ由俯仰伺服電機11的內(nèi)置編碼器測量，吊臂的回轉(zhuǎn)角由回轉(zhuǎn)伺服電機15的內(nèi)置編碼器測量，吊繩長度l由卷繩伺服電機12的內(nèi)置編碼器測量，船體翻轉(zhuǎn)角α由翻轉(zhuǎn)伺服電機28的內(nèi)置編碼器測量，船體上升高度h由升降伺服電機23的內(nèi)置編碼器測量，負載的空間徑向擺角θ₁和切向擺角θ₂由中空式旋轉(zhuǎn)編碼器3和兩個弓形架4組成的擺角測量裝置共同測量，其中，中空式旋轉(zhuǎn)編碼器3安裝于吊臂2的前端上，兩個弓形架正交擺放，其旋轉(zhuǎn)軸位于同一平面，并且兩個弓形架的旋轉(zhuǎn)軸一端與中空式旋轉(zhuǎn)編碼器3的軸端固定連接，旋轉(zhuǎn)軸的另一端與吊臂前端上的圓環(huán)37或旋轉(zhuǎn)孔相連接配合，弓形架可繞自身旋轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動，兩個半圓形的弓形架的圓心重合，并且與吊繩的定位圓孔36重合，定位圓孔36所在的位置也就是吊繩的起擺點。

控制系統(tǒng)采用的控制方法根據(jù)采集到的狀態(tài)信息合成所需的控制信號，該控制方法是針對現(xiàn)有技術中船用起重機控制方法中的任意一種。

本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果

本發(fā)明能夠真實地體現(xiàn)船用起重機在海面工作環(huán)境下的動力學特性，從而方便各種控制算法的實驗驗證，切實推進相關研究的發(fā)展。從機械結(jié)構(gòu)上來說，該實驗平臺的傳動機構(gòu)簡單有效，大大提高了實驗平臺工作的可靠性與實用性，并有利于實驗平臺的維護。此外，該實驗平臺大小適中，并采用輕質(zhì)材料，可以在不犧牲工作能力的前提下，提升了其機械和控制精度。從控制系統(tǒng)來說，該實驗平臺采用基于MATLAB/Simulink RTW的控制環(huán)境，其實時性好，并能夠與Simulink連接，易于學習和操作。

附圖說明

圖1為船用起重機自動控制實驗系統(tǒng)的控制流程示意圖；

圖2為起重機模擬裝置狀態(tài)變量定義示意圖；

圖3為船用起重機自動控制實驗系統(tǒng)的機械主體右視圖；

圖4為船用起重機自動控制實驗系統(tǒng)的機械主體左視圖；

圖5為起重機模擬裝置的機械主體右視圖；

圖6為起重機模擬裝置的機械主體后視圖；

圖7為船體運動模擬裝置的機械主體右視圖；

圖8為船體運動模擬裝置的機械主體左視圖；

圖9為船體運動模擬裝置的機械主體俯視圖；

圖10為船體翻轉(zhuǎn)運動原理示意圖；

圖11為負載空間擺角測量結(jié)構(gòu)示意圖，其中，子圖(a)為負載空間擺角測量結(jié)構(gòu)左視圖，子圖(b)為負載空間擺角測量結(jié)構(gòu)右視圖。

圖中，1布線滑輪，2吊臂，3中空式旋轉(zhuǎn)編碼器，4弓形架，5吊繩，6負載，7支撐板，8止推軸承，9起重機支撐柱，10電機安裝架，11俯仰伺服電機，12卷繩伺服電機，13卷繩電機安裝架，14回轉(zhuǎn)電機安裝架，15回轉(zhuǎn)伺服電機，16回轉(zhuǎn)支撐板，17卷繩輪，18俯仰轉(zhuǎn)軸，19卷繩傳動軸，20翻轉(zhuǎn)支撐板，21翻轉(zhuǎn)軸，22翻轉(zhuǎn)支架，23升降伺服電機，24升降支撐板，25轉(zhuǎn)軸，26底層板，27同步滑桿，28翻轉(zhuǎn)伺服電機，29滑桿，30螺母套，31螺桿，32螺母，33升降螺桿，34底層支柱，35滑軌，36定位圓孔，37圓環(huán)。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作更為詳細的描述。

圖1為本發(fā)明提供的一種船用起重機自動控制實驗系統(tǒng)的控制流程示意圖。該實驗系統(tǒng)包括起重機模擬裝置、船體運動模擬裝置、運動狀態(tài)測量裝置以及控制系統(tǒng)，其中：

起重機模擬裝置：用于模擬真實起重機的運動特性(包括起重機吊臂的俯仰運動與回轉(zhuǎn)運動，以及負載的升降與擺動)，也是整個系統(tǒng)的被控主體；起重機模擬裝置的機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-6所示，包括吊臂2，吊臂上安裝有(多個)布線滑輪1，它作為布線槽可以有效規(guī)劃吊繩5的排布線路，吊繩的末端為負載6，負載通過吊繩懸掛并可在空間中自由擺動，吊臂2與俯仰轉(zhuǎn)軸18固接并安裝于電機安裝架10上，俯仰轉(zhuǎn)軸可由俯仰電機安裝架10上安裝的俯仰伺服電機11驅(qū)動并產(chǎn)生轉(zhuǎn)動運動，從而帶動吊臂產(chǎn)生俯仰運動，在吊臂的尾端還固接了卷繩電機安裝架13，在卷繩電機安裝架上安裝了卷繩伺服電機12和傳動軸19，傳動軸19上安裝有卷繩輪17，吊繩的起始端固定在卷繩輪上，可以通過傳動軸19帶動卷繩輪17轉(zhuǎn)動，從而牽引吊繩5控制吊繩長度變化即負載的升降，俯仰電機安裝架10安裝于回轉(zhuǎn)支撐板16上，為了使吊臂產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)支撐板16與支撐板7通過止推軸承8連接，具體的來說，止推軸承8的上片與回轉(zhuǎn)支撐板16固接，止推軸承8的下片與支撐板7固接，這樣，回轉(zhuǎn)支撐板16可以在回轉(zhuǎn)伺服電機15的驅(qū)動下與支撐板7產(chǎn)生相對的轉(zhuǎn)動，也就帶動了吊臂2產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動，其中，回轉(zhuǎn)伺服電機15通過回轉(zhuǎn)電機安裝架14與支撐板7固接，回轉(zhuǎn)伺服電機15的電機軸則與回轉(zhuǎn)支撐板16固接并帶動其轉(zhuǎn)動，而支撐板7通過起重機支撐柱9固接在船體運動模擬裝置上；

船體運動模擬裝置：用于模擬真實船體在海上工作時的運動狀況(包括船體的升降和傾斜)，并作為起重機模擬裝置的工作環(huán)境；船體運動模擬裝置的機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖7-9所示，包括翻轉(zhuǎn)支撐板20，它直接承接了整個起重機模擬裝置，翻轉(zhuǎn)支撐板下表面兩側(cè)的安裝腳分別通過翻轉(zhuǎn)軸21與翻轉(zhuǎn)支架22鉸接，兩個翻轉(zhuǎn)支架22固定在升降支撐板24上，這樣，翻轉(zhuǎn)支撐板20就可以繞著翻轉(zhuǎn)軸21發(fā)生轉(zhuǎn)動，其具體的翻轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生方式如下：翻轉(zhuǎn)支撐板20位于兩個翻轉(zhuǎn)支架22連線的一側(cè)上設置有滑軌35，滑桿29可在滑軌35上自由滑動，滑桿29的下端通過轉(zhuǎn)軸25與螺母套30的上端鉸接，也即，滑桿與螺母套可相對轉(zhuǎn)軸25轉(zhuǎn)動，螺母套與螺桿螺紋連接，螺母套30內(nèi)壁有螺紋，螺母套的長度也即螺旋運動的行程，螺桿31的下端與固定于升降支撐板24上的翻轉(zhuǎn)伺服電機28的輸出軸連接，螺桿31可發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而進一步驅(qū)動螺母套30產(chǎn)生升降運動，進而撐起翻轉(zhuǎn)支撐板20的一側(cè)使其繞著翻轉(zhuǎn)軸21發(fā)生翻轉(zhuǎn)傾斜運動。對于升降運動的產(chǎn)生方式，升降伺服電機23固接在升降支撐板24上，升降螺桿33與升降伺服電機23的輸出軸固定并與底層板26上固定的螺母32配合，底層板26由底層支柱34支撐于地面上，當升降伺服電機23驅(qū)動升降螺桿33并使其發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動時，由于底層板26是相對地面靜止的，那么將會促使升降支撐板24產(chǎn)生升降運動，固接于升降支撐板24下表面上同步滑桿27穿過底層板26上的導向定位孔，并可在底層板26上的導向定位孔中自由上下運動，其主要目的是為了確保實際操作過程中升降支撐板24的各個部位都同步上升。

運動狀態(tài)測量裝置：用于測量起重機和船體模擬裝置的實時運動狀態(tài)信息，并發(fā)送給控制系統(tǒng)作為反饋信號；所需要測量的運動狀態(tài)信息包括：吊臂的俯仰角φ，回轉(zhuǎn)角負載的空間徑向擺角θ₁和切向擺角θ₂，吊繩長度l，船體翻轉(zhuǎn)角α，船體上升高度h；其中，吊臂的俯仰角φ由俯仰伺服電機11的內(nèi)置編碼器測量，吊臂的回轉(zhuǎn)角由回轉(zhuǎn)伺服電機15的內(nèi)置編碼器測量，吊繩長度l由卷繩伺服電機12的內(nèi)置編碼器測量，船體翻轉(zhuǎn)角α由翻轉(zhuǎn)伺服電機28的內(nèi)置編碼器測量，船體上升高度h由升降伺服電機23的內(nèi)置編碼器測量。如圖11所示，負載的空間擺角θ₁和θ₂由中空式旋轉(zhuǎn)編碼器3和兩個弓形架4組成的擺角測量裝置共同測量，其中，中空式旋轉(zhuǎn)編碼器3安裝于吊臂2的前端(或稱末端)，兩個弓形架正交擺放，兩個弓形架的旋轉(zhuǎn)軸位于同一平面，并且旋轉(zhuǎn)軸一端與中空式旋轉(zhuǎn)編碼器3的軸端相連接(編碼器3的兩個軸端呈十字形正交設置)，旋轉(zhuǎn)軸的另一端與吊臂前端上的圓環(huán)37或旋轉(zhuǎn)孔相連接配合，弓形架可繞其旋轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動，兩個半圓形的弓形架的圓心重合，并且與吊繩的定位圓孔36重合，定位圓孔36所在的位置也就是吊繩的起擺點，值得說明的是，如圖11所示，吊臂2的前端鏤空的，因此吊繩能夠通過該通孔，并穿過在該通孔內(nèi)嵌入的定位圓孔36吊起負載；兩個半圓形弓形架中間設置有一個長槽以便吊繩在長槽之中擺動。

控制系統(tǒng)：用于實時處理各類反饋信號，合成相應的控制命令并將其發(fā)送至各模擬裝置中的對應伺服電機，從而使得起重機模擬裝置和/或船體運動模擬裝置產(chǎn)生期望的運動；控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集卡，上位機(在Windows 7或者Windows xp系統(tǒng)下運行)和相關的實時運行環(huán)境，其中，數(shù)據(jù)采集卡用于采集各個編碼器返回的信號，然后將這些信號傳到上位機，在基于MATLAB軟件中RTW(Real Time Workshop)模塊的實時環(huán)境下，根據(jù)預先設定好的控制器合成相應的控制輸入，最終，這些控制信號還將由上位機通過數(shù)據(jù)采集卡傳送到起重機模擬裝置和/或船體運動模擬裝置中的各個伺服電機中，使之產(chǎn)生相應的控制動作。

本發(fā)明采用的控制系統(tǒng)是MATLAB/RTW實時環(huán)境，其控制周期可以達到1ms，能夠非?？焖俚靥幚砭幋a器所采集到的各種反饋信息。并且，MATLAB/RTW實時環(huán)境能夠與Simulink模塊直接聯(lián)合使用，十分便于學習和相關控制器的搭建。

對于數(shù)據(jù)采集卡，本發(fā)明采用的是固高GTS-800-PV-PCI控制板卡，其采樣頻率可達到1000赫茲，能夠很好地滿足實際應用需求。

在本發(fā)明中，控制系統(tǒng)采用的控制方法根據(jù)采集到的狀態(tài)信息合成所需的控制信號，該控制方法是針對船用起重機控制方法中的任意一種。

在本發(fā)明中，如圖3-4所示，起重機模擬裝置直接安裝在船體運動模擬裝置上，也就是說，船體運動模擬裝置充當?shù)氖瞧鹬貦C模擬裝置的工作環(huán)境，是為了模擬在實際的海上情況下船體所產(chǎn)生的運動，從而對起重機模擬裝置施加一定的干擾。

在本發(fā)明中，起重機模擬裝置是機械被控主體，其相關的俯仰伺服電機11、卷繩伺服電機12、回轉(zhuǎn)伺服電機15均為力矩控制，而船體運動模擬裝置是作為起重機的工作環(huán)境，為其提供一定的外界干擾，因此翻轉(zhuǎn)伺服電機28、升降伺服電機23采用的是位置控制模式。

本發(fā)明中相關的變量定義如圖2所示，設俯仰伺服電機11內(nèi)置編碼器所讀到的脈沖數(shù)為R₁(單位為“個”)，編碼器的分辨率為k₁(單位為“脈沖/轉(zhuǎn)”)，數(shù)據(jù)采集卡的倍頻數(shù)為D₁，相應電機的減速器減速比為n₁:1，則吊臂的俯仰角φ(單位為“弧度”)可測得為

設回轉(zhuǎn)伺服電機15內(nèi)置編碼器所讀到的脈沖數(shù)為R₂(單位為“個”)，編碼器的分辨率為k₂(單位為“脈沖/轉(zhuǎn)”)，數(shù)據(jù)采集卡的倍頻數(shù)為D₁，相應電機的減速器減速比為n₂:1，吊臂的回轉(zhuǎn)角(單位為“弧度”)則可測得為

設卷繩伺服電機12內(nèi)置編碼器所讀到的脈沖數(shù)為R₃(單位為“個”)，編碼器的分辨率為k₃(單位為“脈沖/轉(zhuǎn)”)，數(shù)據(jù)采集卡的倍頻數(shù)為D₁，相應電機的減速器減速比為n₃:1，卷繩輪的半徑為r米，吊繩的長度初值為l₀米，那么吊繩的當前長度l(單位為“米”)可測得為

負載的空間(徑向和切向)擺角θ_i,i＝1,2(單位為“弧度”)由兩個相同的編碼器測量得到，設編碼器所讀到的脈沖數(shù)分別為λ_i,i＝1,2(單位為“個”)，編碼器的分辨率為i＝1,2(單位為“脈沖/轉(zhuǎn)”)，數(shù)據(jù)采集卡的倍頻數(shù)均為D₁，那么空間擺角可測量為

對于船體運動模擬裝置，其翻轉(zhuǎn)運動的原理示意圖如圖10所示，在圖10中，各個部分所指代的關節(jié)都已在圖中標出，設升降支撐板24以上的螺桿加上螺母套的高度為c米，那么船體傾角α與c的關系為

c＝btan(α)+a

其中，a為翻轉(zhuǎn)支架22的高度(單位為“米”)，b為螺桿31到翻轉(zhuǎn)支架22的距離(單位為“米”)。進一步的，設螺桿31的螺距為d₁米，設翻轉(zhuǎn)伺服電機28的減速器減速比為n₄:1，那么讓船體產(chǎn)生一個從0到α(單位為“弧度”)的翻轉(zhuǎn)傾角所需要電機轉(zhuǎn)動的圈數(shù)x₁(單位為“圈”)可計算如下：

對于船體運動模擬裝置的升降運動，設升降螺桿33的螺距為d₂米，升降伺服電機23的減速比為n₅:1，那么要讓船體升高h米需要電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)數(shù)x₂(單位為“圈”)為

以上所述實施方式為本發(fā)明的優(yōu)先方案，需要指出的是，在不脫離上述發(fā)明原理的前提下，對本發(fā)明所做出的改進和潤飾也應視作本發(fā)明的保護范圍。

參考文獻：

[1]Y.Fang,P.Wang,N.Sun and Y.Zhang,Dynamics analysis and nonlinear control of an offshore boom crane,IEEE Transactions on IndustrialElectronics,61(1):414-427,2014.

[2]Y.Qian,Y.Fang,A learning strategy based partial feedback linearization control method for an offshore boom crane,Proceedings ofthe IEEE 54th Annual Conference on Decision and Control(CDC):6737-6742,2015.

[3]Z.Masoud,A.Nayfeh and D.T.Mook,Cargo pendulation reduction of ship-mounted cranes,NonlinearDynamics,35(3):299-311,2004.

[4]R.M.T.R.Ismail,Q.P.Ha,Trajectory tracking and anti-sway control ofthree-dimensional offshore boom cranes using second-order sliding modes,IEEEInternational Conference on Automation Science andEngineering,996-1001,2013.

[5]P.Falat,L.Brzozowska and K.Brzozowski,Application of neural network to control the load motion of an offshore crane,Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems:Technology andApplications:129-132,2005.

[6]S.Liu,Q.Guo,W.Zhao,Research on active heave compensation for offshore crane,The26th Chinese Control andDecision Conference:1768-1772,2014.

[7]方勇純，付一鳴，何博，盧彪，船用起重機自動控制實驗系統(tǒng)，中國發(fā)明專利，申請?zhí)?專利號：2015108849069。