广东省特种设备检测研究院珠海检测院 519002
摘要：本文大致分析有关船舶上的吊重系统动力学，重点分析其防摆控制，分别为逆动力学与机械防摆装置的两个部分，前者根据假设的问题展开探讨，后者针对具体的防摆装置架构简单阐述。以供相关人士参考。
关键词：吊重；动力学；防摆控制
引言：船用起重机属于船载的搬运装置，主要负责的任务有舰船补给、吊装物品等，是有关工程及行业的重要技术设备之一。近些年，该船载装置多使用回转旋臂结构，在受到海洋中的各类荷载干扰，会产生摇摆[1]。
一、船用起重机吊重系统动力学研究
其一，船舶横摇激励在吊重摆动方面的影响。在探究各船舶的横摇频率期间，需全面地分析动力学的响应状况。通过提取系统参数，能对比在横摇频率不断提高的过程中，吊重的实际摆动会先随之提高，达到一定值后，逐渐下降。如果横摇的频率是系统特征值，吊重的响应极为强烈，会出现大范围的摆动，最大的摆动幅度能达到
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。而后探究各船舶的横摇幅度，在动力学层面上的响应效果。经过总体对比效果，在横摇的幅值提升的过程中，吊重相应的摆动幅度会随之提高，二者基本是同一趋势变动。
其二，起重机的基座所处点位在吊重摆动方面的干扰性。分析基座在不同坐标中的变化，在
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的坐标上提升中，吊重的摆动通常不会出现明显的变化，而若在
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的坐标上提升位置数值，吊重的摆动幅度会随之提高[2]。
二、船用起重机吊重系统防摆控制分析
（一）逆动力学及模型参考
1.问题分析
假设
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是吊重摆动的幅度，
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表示吊重头的实际目标速度，
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是指模型的参考区域对应目标的角速度，
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表示在逆动力学中，吊臂需要达到目标的角速度，
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对应吊臂头的现实加速度，
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是指吊臂的运动加速度，
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对应吊臂的角角速度，
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表示吊臂的力矩，
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则对应吊绳的张力，
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对应船舶的横摇加速度。假设在前馈控制区域可以直接抵消船舶所有的机座运动，
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的对应值是0，通过逆动力学的正确变化，能确定前馈控制区域此时的目标角速度
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以及相应的角加速度。
根据逆动力学及模型参考，在船舶的防摆控制装置中会包含参考控制模块以及对运动的控制单元，本文此处主要以后者为例。可以在原有的控制器结构上加以改良，添加前馈部分，用于抵消基座部分产生的运动，并确定具体的辅助控制量。对应的运算等式如下：
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式中，
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表示辅助控制量；
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对应反馈控制实际输出的目标角速度；
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表示前反馈的控制，输出角速度；
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表示吊臂对应的角加速度；
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对应比例增益；
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表示反馈区域的微分增益；
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则是前馈区域的微分增益。
2.仿真结果
单就定增益方式的仿真而言，在吊臂的控制装置中，
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与
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实际的调节难度较高，为此进行系列式的仿真，以求可以得出优化的方式。在仿真分析期间，先确定模型的各个参数对应数值。并设置初始的摆动角度以及特定船舶对应横摇运动情况，以及升沉运动。通过一系列的调试，确定模型参考的控制装置，对应的参数设定是
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。而吊臂运动的控制装置相应的参数是
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。基于此，开展相应的仿真实验，其中第一次把
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的变化数值，作为衡量控制效果的主要影响因素，第二组则把变化幅度看作对防摆动的控制效果影响主因。
在第一组的试验中，共分出三个情景，
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对应的数值分别是
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。查看仿真试验结果，如果吊重设定的初始摆动角度是
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，在该种情况下，
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对应的三种情景，均能保证系统稳定，对应的控制时长是
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，过程中形成的误差值是
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。在吊重整体稳定后，
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的波动范畴是
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，总体来说，在初始角度设定为
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时，三种情景在对摆动的控制情况方面，没有明显的差距。经过对试验结果的分析，能总结出，在
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逐渐增大的过程中，相应的调节控制时长会随之下降，而稳态误差值会有所提升，在吊重完全稳定后，
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随之波动的范畴，会逐渐扩大。由此不难看出，如果把
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设置成固定值，无论此项数值的变化情景如何，无法使上调节时长以及稳态误差均保持在最小的状态。
在第二组仿真试验中，同样分成三个情景，
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分别对应
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。查看仿真试验结果，如果吊重设定的初始摆动角度是
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，在该种情况下，
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的三个情景中，均能使吊重逐渐稳定下来，分别对应的调节时长是
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，在稳态误差方面的实际表现是
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，在总体均稳定后，
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的波动范畴是
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，与第一组试验相同，在三种情景下，控制力矩没有出现明显的波动。经过简单分析试验结果能得到，在
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的数值逐渐提高的过程中，控制调节时长会随之提高，而稳态误差值却呈相反变动，在完全稳定后，
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的浮动范畴同样缩小。由此不难看出，如果将
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设置成固定值，则在此数据的任何情形中，均无法保证控制调节时长以及稳态误差的防摆动需要。
（二）机械防摆装置
1.防摆装置试验建立
试验过程分成三个阶段，其一，把吊盘安设于吊绳的中间部分，采取一根提升索针对升降部分进行把控，而其他两根则负责制约整体的摆动。其二，把吊盘安设于吊钩上，并配备两根牵引索制约摆动幅度[3]。该机械结构相比于上一种，更为简便，且防摆动的成效也有所增强，但二者相同的弊端是仅有两根负责侧向制约的牵引绳，导致吊绳会倾向于总体机器的内侧，可能会干扰起吊工作，并缩小设备可覆盖的范围。在二者的基础上加以改进，形成第三类的装置结构，对应，把吊盘设置于吊钩上[4]，增加一根侧向的牵引索，用于控制摆动。
2.装置框架设计方案
在试验过程中，装置的结构涉及到船舶的仿真运动平台以及其中装置[5]、防摆部分、角度测量设备。其中防摆部分有折臂以及牵引索、吊盘。吊盘是直接与吊钩的外边连接，形成环状结构，采取焊接的连接方式，吊盘上会设置三个吊环。折臂采取液压缸为动力，并在顶部设施导向环。整个结构的运行原理是：吊重因为外部因素的扰动出现摆动的情况，主吊绳带起吊臂摆动，促使角度传感装置随之变化，继而获得试验信号，将数据传输到上位机，完成对各角的处理[6]。
结束语：起重设备的驱动性不明显，且基座属于非线性激励，有关研究人员已经对该吊重的动力学以及防摆方面加以关注。通过本文的浅显分析，了解各数值在控制效果层面形成的影响规律。本文先阐述本课题有关的表层内容，今后会继续加以完善。
参考文献：
[1]吴俊杰. 船用起重机减摇控制系统设计与试验研究[D]. 大连海事大学, 2019.
[2]陆飞.船用起重机减摇装置液压系统设计与试验研究[J].机电信息,2020,(32):38-39.
[3]吴俊杰, 张人之, 陈海泉,等. 船用起重机减摇控制系统设计与试验研究[J]. 船舶工程, 2018, 40(07):49-54.
[4]吴俊杰, 吉阳, 陈海泉,等. 船用起重机吊盘式机械防摇系统的设计与试验[J]. 船舶工程, 2018(5).
[5]王生海, 吴俊杰, 陈海泉,等. 船用起重机机械防摆装置动力学分析与实验[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2019, v.40;No.277(11):62-68.
[6]吉阳.船用起重机牵引索式减摇装置优化设计与试验研究[D].导师：陈海泉.大连海事大学,2020.