基于PI建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略

摘要

海上起重船受风、浪、涌影响会产生剧烈的船舶姿态变化，造成起重机和货物的位姿变化，对货物和人员存在安全隐患，波浪补偿平台的稳定性控制能有效减少复杂海况下船舶运动对海上作业安全性、稳定性和精准性的影响，对浮式起重船海上设备精准装载作业极其重要。针对补偿平台的迟滞非线性导致的建模困难和控制不精确问题，本文提出基于PI(Prandtle–Ishlinskii)建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略。首先，通过实验得到补偿系统的迟滞效应曲线，分析系统迟滞环建立PI迟滞模型，并采用递推最小二乘法辨识模型的各个参数，从而求得系统模型。然后，基于李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性设计反步控制补偿方法，并结合滑模控制规律加快初始控制速度。最后，将反步滑模法应用于补偿系统，采用MATLAB软件仿真在规则波和不规则波下的响应来验证算法和模型的正确性，并在工控机中用C#编写控制程序，驱动运动控制卡控制伺服电机带动电缸进行补偿运动，同时通过传感器采集系统运动的实时数据，并反馈给工控机形成闭环，以期验证补偿平台在补偿规则波和不规则波下的补偿效果。实验结果表明，所建立的斯图尔特（Stewart）浮式平台中，PI迟滞模型具有良好的精度，反步终端滑模控制算法在Stewart平台的实际控制中能够很好地补偿波浪运动，相比比例–积分–微分控制（PID）、反步法、强化学习等控制方法，反步终端滑模方法能快速较好跟踪期望位移，补偿精度达到0.972 9。

关键词

主动波浪补偿 / PI迟滞模型 / 反步终端滑模控制 / 斯图尔特浮式平台

基金资助

国家自然科学基金项目（NSFC52105466）