悬吊结构空间平转耦联运动建模与控制方案分析

摘要

单摆是最古老的科学模型之一，伽利略最早利用心率对单摆周期进行过研究。此后在很长时间内摆都是世界范围内科学研究的重要问题之一，直到现在广义摆仍是世界性的热点研究问题。本文针对浮式起重机吊钩摆振控制问题，将研究对象简化为空间运动的锥摆模型，利用基于被动控制调谐吸振减振原理设计而成的对回转运动控制有效的调谐转动惯量阻尼器(Tuned Rotary Inertia Damper,TRID)作为吊钩摆振运动的控制系统，研究系统的运动模型建立、控制方案效果分析与参数优化，最终将为大型起重铺管船吊钩减摇止摆控制实际问题基于被动控制原理研究解决策略奠定理论基础。
　　首先，基于拉格朗日函数原理，建立了吊点任意运动下悬吊结构的锥摆运动模型，结合对悬吊结构直接进行的受力分析，验证了模型的正确性。通过受力分析，明确了模型中各分力的物理意义，锥摆运动模型实际上是悬吊结构在两个方向上的力矩平衡方程。
　　其次，针对悬吊结构在不同初始条件或不同吊点激励作用下（相当于自由振动和受迫振动）所表现出的截然不同的两种运动形式(平面摆振、空间锥摆运动)，研究了悬吊结构作平面摆振运动的充要条件。在分析两种运动形式区别的过程中发现悬吊结构锥摆运动相对平面摆运动会出现摆角倍频响应的现象，通过受力分析和方程数值分析解释了倍频响应的原因，总结了吊点激励对两种运动形式摆角响应频率的影响规律，从而为被动控制系统的参数选取提供依据。
　　再次，建立了TRID系统控制的悬吊结构摆振模型。分析了吊点激励下TRID系统对悬吊结构两种运动形式的摆振控制效果及其影响因素。结果表明，在共振区TRID系统参数为最优参数时，对平面摆振的控制效果较为理想，但是对锥摆摆振的控制效果与预期相差较大，甚至出现控制效果为负的现象。分析了该现象产生的原因，提出了改进的TRID-TMD联合控制系统，结果表明联合控制系统能克服上述缺陷。
　　最后，结合蓝疆号大型起重铺管船的实际问题，对其吊钩摆振进行控制方案设计，分析了参数影响规律以及实现代价等，最后对方案的可行性进行评价。

目录

悬吊结构空间平转耦联运动建模与控制方案分析

Modeling and Control Scheme Analysis on Spatial Planar-Rotational Coupling Motions of Suspensory Structures

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 结构被动控制(TMD)的研究及应用概况

1.2.1 TMD发展历史

1.2.2 TMD工作原理

1.2.3 TMD工程应用

1.3 国内外对悬吊结构体系摆振控制的研究现状

1.4 本文的研究工作

第2章 悬吊结构体系运动建模与运动特性分析

2.1 引言

2.2 吊点任意激励下悬吊结构体系运动建模

2.2.1 悬吊结构体系摆振运动建模

2.2.2 悬吊结构体系模型受力分析

2.3 悬吊结构平面摆运动与锥摆运动特性研究

2.3.1 吊点无激励作用时平面摆运动与锥摆运动的理论分析

2.3.2 吊点无激励作用时平面摆运动与锥摆运动的数值分析

2.3.3 吊点无激励作用时平面摆运动与锥摆运动摆角频率关系

2.3.4 吊点激励作用下悬吊结构作平面摆运动的条件

2.3.5 吊点激励作用下平面摆运动与锥摆运动的摆角频率关系

2.3.6 吊点z向激励对悬吊结构摆角响应频率的影响

2.3.7 吊点x向与y向激励比例变化对摆角响应频率的影响

2.3.8 悬吊结构体系锥摆运动转角频率分析

2.4 阻尼对悬吊结构锥摆运动特性的影响

2.4.1 阻尼对悬吊结构平面摆振运动摆角频率的影响

2.4.2 阻尼对悬吊结构锥摆运动摆角频率的影响

2.5 本章小结

第3章 附加控制系统的悬吊结构运动建模与控制方案分析

3.1 引言

3.2 悬吊结构体系-TRID控制系统运动建模

3.3 TRID系统参数优化

3.4 悬吊结构平面摆振运动TRID控制效果分析

3.4.1 TRID调频比对控制效果的影响

3.4.2 TRID阻尼比对控制效果的影响

3.5 悬吊结构锥摆运动TRID控制效果分析

3.5.1 TRID调频比对控制效果的影响

3.5.2 悬吊结构摆长变化对控制效果的影响

3.6 悬吊结构锥摆运动TRID-TMD控制方案分析

3.6.1 悬吊结构-TRID-TMD控制系统建模

3.6.2 悬吊结构TRID-TMD控制方案分析

3.7 TRID、TRID-TMD控制效果及适用范围讨论

3.8 本章小结

第4章 篮疆号起重铺管船吊钩摆振控制方案研究

4.1 引言

4.2 海上调研实测数据

4.2.1 吊钩摆角测量

4.2.2 船体摇摆角度测量

4.3 海上起重船舶起重机吊钩吊点激励分析

4.4 篮疆号起重铺管船吊钩减摆控制方案分析

4.4.1 吊点激励频率及吊钩受控模型

4.4.2 TRID-TMD 控制系统参数分析

4.4.3 篮疆号起重铺管船吊钩减摆控制方案数值分析

4.5 本章小结

参考文献

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致谢