船用起重机是一种船舶自备的工程搬运设备,被广泛应用于舰船补给、风车安装、货物吊装、水下机器人布放与回收等海上作业,属于船舶与海洋工程领域核心技术装备之一。然而,由于船舶的非线性基座激励,加之起重机本身的欠驱动特性,吊重会不可避免的产生摆动,使其可能和周围的其它物体或操作人员发生碰撞,导致财物损失甚至人员伤亡,同时也极大地降低了吊装作业的工作效率。为此,随着自动控制技术的高速发展,船用起重机吊重系统动力学与防摆控制问题受到了国内外众多研究人员的广泛关注,已成为当今机器人与自动控制领域的一个研究热点。尽管国内外研究人员开展了大量相关研究,取得很多有意义的研究成果,但目前仍然存在一些开放性的难题,如多自由度刚柔耦合机器人系统的建模与分析问题、双摆吊重的防滑与防摆控制、机械防摆装置对起重机本身作业造成干扰等实际问题,尚未得到有效解决。围绕这些开放性难题,本文主要开展了以下几个方面的工作:首先,提出一种三绳牵引机械防摆装置,并针对有无基座运动、有无防摆机构等不同情形,建立了不同复杂程度的一系列动力学模型;第二,在动力学模型基础之上,进行了系统而深入的动力学分析;第三,进行了无基座激励条件下起重机吊重防摆控制研究,一方面开展了桥式起重机双摆吊重的最优控制和单摆吊重的模型参考控制,另一方面开展了基于逆运动学和模型参考的旋臂式起重机防摆控制;最后,进行了船用起重机吊重防摆控制研究,一方面开展了基于逆运动学和模型参考的电子式防摆控制,另一方面进行了基于三绳牵引的机械防摆控制。完成上述研究工作,本文的主要贡献包括以下几个方面:(1)综合运用牛顿-欧拉迭代方法和拉格朗日方法,建立了配备稳定平台的船用起重机吊重系统动力学模型,解决了刚柔耦合机器人系统自由度太多难以采用传统单一方法建立动力学模型的问题;同时,针对船舶运动直接补偿(DSMC)方案能耗大的不足之处,提出一种船舶运动组合补偿(CSMC)方案,并通过动力学分析证明了 CSMC方案在能耗方面的优势。(2)提出一种三绳牵引机械防摆装置和基于阻尼原理的张力设定方法,系统地建立了机械防摆装置的运动学模型、静力学模型和动力学模型,得到了牵引索的张力约束条件,从理论上解决了三根牵引索的位置同步和张力设定的问题。(3)进行了船用起重机吊重机械防摆实验研究,验证了所提基于阻尼原理的张力设定方法的有效性,得到张力设定值和张力阈值对防摆效果的影响规律;同时,提出张力/位置混合控制方法,解决了机械防摆装置对起重机本身作业造成干扰的问题。(4)将双摆吊重单点起吊全过程分为受约束阶段和自由悬挂阶段,针对前者提出带速度包络的半自动控制方法,针对后者设计了基于观测器的最优控制器,从理论上解决了起吊全过程的防滑与防摆控制问题。(5)提出基于逆运动学和模型参考的防摆控制方法,该方法需要整定的控制参数较少且具有清晰的物理含义,参数整定相对简单;同时,提出一种变增益策略,解决了反馈部分和前馈部分相互影响的问题。