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船用起重機(jī)是在海上環(huán)境中執(zhí)行運(yùn)輸作業(yè)的一種特殊起重機(jī)，主要用于艦船間貨物的運(yùn)輸轉(zhuǎn)移、海上補(bǔ)給、水下作業(yè)設(shè)備的投放與回收等重要任務(wù)。海上特殊的應(yīng)用環(huán)境給船用起重機(jī)的控制帶來了很大的挑戰(zhàn)性。一方面，類似陸上各種欠驅(qū)動(dòng)吊車設(shè)備，需要控制負(fù)載運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的擺動(dòng)，保障其定位精度與運(yùn)輸效率;另一方面，由于這種起重機(jī)固定于船舶等運(yùn)動(dòng)平臺上，平臺本身的運(yùn)動(dòng)會對負(fù)載運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，且很多情況下，負(fù)載起吊與降落點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)情況與吊車本身的運(yùn)動(dòng)不一致。具體而言，在工作過程中，吊車船與接收船會隨海浪縱搖、橫搖與升沉，這些運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致負(fù)載發(fā)生擺動(dòng);特別是在升降過程中，船舶的此類運(yùn)動(dòng)易導(dǎo)致已吊起的負(fù)載再次與甲板相撞，或使已放下但尚未脫離吊鉤的負(fù)載再次懸空，這些都會威脅作業(yè)的安全。尤其在進(jìn)行艦船間彈藥補(bǔ)給時(shí)，這種耦合運(yùn)動(dòng)可能造成非常嚴(yán)重的后果。
近年來，船用起重機(jī)的控制得到各國軍用、民用海洋工程的普遍關(guān)注，而研究此類非線性、強(qiáng)耦合的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在特殊擾動(dòng)下的控制亦有重要的理論價(jià)值與普遍意義。
船用起重機(jī)的控制主要分為降低船體運(yùn)動(dòng)影響的垂向控制與抑制負(fù)載擺動(dòng)的橫向防擺兩個(gè)方面。對垂向控制而言，常用的方法是通過吊車船上的機(jī)械結(jié)構(gòu)連接接收船，并感知其相對運(yùn)動(dòng)，使吊繩長度變化與接收船升沉運(yùn)動(dòng)同步，從而對兩船的相對運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，在此基礎(chǔ)上完成負(fù)載的起降運(yùn)輸。這種方法對起重機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有特殊要求，對起吊質(zhì)量也有較大限制。Kuchler等學(xué)者對水下設(shè)備升降過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模，他們考慮了吊繩彈性與水動(dòng)力等因素，并基于反饋線性化方法分別設(shè)計(jì)了軌跡跟蹤與擾動(dòng)抑制控制器。Johansen等人采用基于前饋的波浪同步技術(shù)來補(bǔ)償升沉運(yùn)動(dòng)的影響，終對負(fù)載的入水過程實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制。近年來，橫向防擺控制也得到了很多關(guān)注。為了加強(qiáng)對吊繩和負(fù)載的擺動(dòng)控制，部分起重機(jī)上加裝了，即在吊繩中段加入繩索進(jìn)行牽引，以減小負(fù)載的擺動(dòng)。針對這種帶有特殊機(jī)構(gòu)的船用起重機(jī)，近年來連續(xù)提出了多種建模與控制方法。但是，此類機(jī)構(gòu)對起重機(jī)系統(tǒng)的工作空間限制較大，降低了原系統(tǒng)的靈活性。基于這個(gè)原因，很多研究在不改變起重機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用各種傳感器獲得船體、起重機(jī)、負(fù)載的運(yùn)動(dòng)信息，然后通過設(shè)計(jì)合理的旋臂運(yùn)動(dòng)控制器來抑制運(yùn)輸過程中負(fù)載的擺動(dòng)。其中，Parker等人采用指令整形技術(shù)，對吊車旋臂的俯仰回轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，并在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行了驗(yàn)證。McKenna等人對旋臂的俯仰與船身運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模，并通過將前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)與反饋控制策略相結(jié)合來抑制單方向上的負(fù)載擺動(dòng)。Masoud等人采用時(shí)間滯后位置反饋控制方法，通過操縱旋臂的俯仰與回轉(zhuǎn)來減小負(fù)載的兩維擺角。實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種基于多傳感器信息融合的控制方案，它通過控制吊車的運(yùn)動(dòng)來補(bǔ)償船體運(yùn)動(dòng)，較好地抑制了負(fù)載的擺動(dòng)。這種方法在美國海軍系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到了較好的控制效果。隨后，Schaub等人對這種控制方案做了進(jìn)一步改進(jìn)。
