本发明属于桥吊防摇运动控制，具体涉及一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法及系统。
背景技术：
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
2、船用起重机以其灵活性和实用性在海上运输业中得到了广泛的应用。然而，海洋环境中存在复杂的外部扰动，如不规则的海浪、变化无常的海风等，这些都不可避免的降低了起重机的控制效率。此外，船用起重机的复杂非线性特性使控制系统的设计更具挑战性。
3、船用起重机在海浪的影响下会进行横摇、纵摇、艏摇等六自由度运动，此时起重机将工作在非惯性坐标系下。实际船用起重机往往通过同时控制悬臂的起伏与旋转，进而提高运输效率，而悬臂三维空间内的运动将更明显的受到海浪的影响，导致其控制系统的设计异常困难。另外，实际系统中吊钩与负载之间的绳长不可完全忽略，并且吊钩与负载的质量差异较大，因此它们呈现出明显的双摆特性，这使负载的定位与消摆更加困难。近十年来，学者们对于船用起重机控制系统的设计进行了大量的研究，但它们大多局限二维空间的控制系统，即仅对悬臂的起伏进行控制，这不可避免的限制了对应控制器的应用范围。船用起重机时时刻刻都会受到海浪引起的复杂船体运动的影响，现有研究常常仅考虑了船体横摇的影响，并且在起重机建模时将吊钩负载等效成了一个质点，忽略了吊钩-负载的双摆特性。此外，现有控制器大多需要精确的状态量速度作为反馈信号，而实际应用中的速度往往无法直接被测量，普通数值微分器也会对速度信号中的噪声进行放大，这将对控制系统的稳定性与安全性造成影响。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本发明提出了一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法及系统，通过建立船用起重机模型，并设计相应的自适应控制器，实现悬臂负载的定位，以及负载的晃动抑制。
2、根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法，采用如下技术方案：
3、一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法，包括：
4、获取船用起重机系统参数，考虑船体横摇和纵摇运动建立三维船用起重机系统动态模型；
5、基于三维船用起重机系统动态模型构造总能量函数，根据船用起重机系统总能量变化率描述能量变化；
6、结合三维船用起重机系统动态模型，构造辅助变量用以替代控制器中的状态量速度信号；
7、结合反三角饱和函数以及辅助变量构造无需速度反馈的自适应控制器；
8、利用所述自适应控制器进行控制，实现船用起重机系统的定位与消摆。
9、进一步地，结合实际应用中存在的风阻与海浪扰动，利用拉格朗日建模方程构建三维船用起重机系统动态模型；
10、所述三维船用起重机系统动态模型，具体为：
11、
12、其中：m(ζ)是质量矩阵，是向心-柯氏力矩阵，g(ζ)是重力向量，u是输入向量，f是风阻及摩擦力向量，ζ是状态变量，和分别是状态变量的速度和加速度。
13、进一步地，基于三维船用起重机系统动态模型构造总能量函数，根据船用起重机系统总能量变化率描述能量变化，具体为：
14、基于三维船用起重机系统动态模型，考虑船用起重机系统能量包括势能和动能，构造动能和势能的总能量函数；
15、再对总能量函数进行求导得到能量函数变化率；
16、船用起重机系统的能量在控制过程中，其总值会发生变化，只要最后船用起重机系统的能量稳定，就说明整个船用起重机系统稳定，对能量的变化率进行分析来描述船用起重机系统的能量变化。
17、进一步地，所述基于三维船用起重机系统动态模型构造能量函数，具体为：
18、
19、其中，m(ζ)是质量矩阵，ζ是状态变量，和分别是状态变量的速度和加速度，m1是吊钩质量，m2是负载质量，l1是吊绳的长度，l2是吊钩和负载间的距离，g为重力加速度，ζ1、ζ2、ζ3和ζ4是吊钩和负载的摆角，t是转置。
20、进一步地，所述辅助变量的表达式，具体为：
21、
22、其中，e5＝ζ5-ζ5d,e6＝ζ6-ζ6d，ζ5d是惯性坐标系下悬臂的目标起伏角度，ζ6d是对应的悬臂旋转角度，ζ5和ζ6是分别是悬臂的起伏角和旋转角，kd5和kd6为正增益参数，和是辅助变量的位置量，和是辅助变量的速度量。
23、进一步地，所述结合反三角饱和函数以及辅助变量构造无需速度反馈的自适应控制器，具体为：
24、
25、其中：e5＝ζ5-ζ5d,e6＝ζ6-ζ6d，ζ5d是惯性坐标系下悬臂的目标起伏角度，ζ6d是对应的悬臂旋转角度，ζ5和ζ6是分别是悬臂的起伏角和旋转角，kp5和kp6误差相关控制系数，kd5和kd6为误差微分相关控制系数；h1和h2均是正对角矩阵，s5，s6，c5，c6分别表示sinζ5，sinζ6，cosζ5，cosζ6。
26、进一步地，所述利用所述自适应控制器进行控制，实现船用起重机系统的定位与消摆，具体为：
27、自适应控制器的控制表达式包括悬臂起伏电机和旋转的力矩表达式；
28、采用力矩控制模式对起伏电机进行控制，实现船用起重机系统的定位与消摆。
29、根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制系统，采用如下技术方案：
30、一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制系统，包括：
31、模型构建模块，被配置为获取船用起重机系统参数，考虑船体横摇和纵摇运动建立三维船用起重机系统动态模型；
32、能量分析模块，被配置为基于三维船用起重机系统动态模型构造总能量函数，根据船用起重机系统总能量变化率描述能量变化；
33、辅助变量模块，被配置为结合三维船用起重机系统动态模型，构造辅助变量用以替代控制器中的状态量速度信号；
34、控制器设计模块，被配置为结合反三角饱和函数以及辅助变量构造无需速度反馈的自适应控制器；
35、自适应控制模块，被配置为利用所述自适应控制器进行控制，实现船用起重机系统的定位与消摆。
36、根据一些实施例，本发明的第三方案提供了一种计算机可读存储介质。
37、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一个方面所述的一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法中的步骤。
38、根据一些实施例，本发明的第四方案提供了一种计算机设备。
39、一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一个方面所述的一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法中的步骤。
40、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
41、本发明公开了一种船用起重机的自适应控制方法及系统，建立了一种同时考虑船体横摇与纵摇运动的三维船用起重机模型，并针对此模型设计了一种自适应控制方法。首先利用拉格朗日建模方法，建立了船用起重机模型，基于该模型构造了包含势能以及动能的李雅普诺夫能量函数。随后基于能量函数的一阶导，推导出了自适应控制器的基本形式，并将用设计的辅助变量替换控制器中的速度信息。所设计的控制器可以实现悬臂和负载的定位，并对负载的晃动有较好的抑制效果。
1.一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法，其特征在于，结合实际应用中存在的风阻与海浪扰动，利用拉格朗日建模方程构建三维船用起重机系统动态模型；
3.如权利要求1所述的一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法，其特征在于，基于三维船用起重机系统动态模型构造总能量函数，根据船用起重机系统总能量变化率描述能量变化，具体为：
4.如权利要求3所述的一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法，其特征在于，所述基于三维船用起重机系统动态模型构造能量函数，具体为：
5.如权利要求1所述的一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法，其特征在于，所述辅助变量的表达式，具体为：
6.如权利要求1所述的一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法，其特征在于，所述结合反三角饱和函数以及辅助变量构造无需速度反馈的自适应控制器，具体为：
7.如权利要求1所述的一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法，其特征在于，所述利用所述自适应控制器进行控制，实现船用起重机系统的定位与消摆，具体为：
8.一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制系统，其特征在于，包括：
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法中的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的一种无需速度反馈的船用起重机自适应控制方法中的步骤。
