论文部分内容阅读
对海洋资源的开发增加了对发展海洋工程技术的需求。船用大功率液压绞车是海洋工程中较为重要的作业工具，主要分为拖曳绞车和收放绞车。对于船用大功率液压绞车的控制主要可以分为两个方面:基于力的控制和基于位置的控制。基于力的控制和基于位置的控制被看作是工程领域较为复杂的控制问题。在海洋环境下，控制过程受到的干扰更为复杂，而且大功率液压绞车自身又具有大惯量、非线性的动态特性，导致船用大功率液压绞车力的控制和位置的控制难度极大。基于力的控制最为复杂的就是恒张力控制。本文针对海缆埋设机恒张力绞车系统进行了研究。在海缆埋设作业中，埋缆机与拖曳绞车通过拖曳缆绳连接，埋缆机在拖曳绞车的牵引下进行埋缆作业。在恒张力模式下，拖曳绞车可以保证拖曳缆绳上的张力恒定。恒张力绞车控制系统是非常重要的，它能够提高在恶劣海况下埋缆作业的安全性和高效性。 基于位置的控制应用中，采用收放绞车的主动式升沉补偿系统是研究的热点。本文针对6000米ROV的升沉补偿系统进行了研究。在ROV进行水下作业时，为了增加ROV作业的时间窗口，升沉补偿系统被用于减少母船升沉运动对ROV的影响。 本文的研究涵盖了船用大功率液压绞车恒张力控制问题和位置控制问题。相关研究成果分别应用于中国科学院沈阳自动化研究所研制的海缆埋设机恒张力绞车和ROV升沉补偿收放绞车。本文的研究具体包括船用大功率液压绞车建模及动态特性分析、海缆埋设机恒张力控制系统研究和基于收放绞车的ROV升沉补偿系统研究。研究内容如下: (1)分析船用大功率液压绞车的动态特性。本文研究的液压绞车属于阀控马达液压系统，是典型的非线性、参数时变系统。本文结合船用大功率液压绞车的应用特点，对液压绞车的压力-流量特性进行了研究。通过对液压系统微分方程组进行理论求解，分析了导致液压系统非线性动态特性的关键变量。 (2)建立船用大功率液压绞车计算机仿真模型。通过采用传递函数的方法建立了液压绞车动力学方程及液压系统仿真模型。建立的液压绞车计算机仿真模型能够方便绞车控制算法的参数整定工作。为了验证所建立模型有效性，本文对建立的液压绞车数学模型进行了验证，并且与真实环境的实验结果进行了对比，证明建立的液压绞车计算机仿真模型能够准确地表达绞车控制信号与绞车输出变量之间的动态关系。 (3)以海缆埋设机恒张力绞车为研究对象，开展了基于自适应模糊P+ID控制算法的船用大功率液压绞车恒张力控制方法研究。由于大功率液压绞车系统具有的非线性、大滞后特性，导致原有的PID控制器难以得到满意的张力控制效果。而自适应模糊P+ID控制系统能够很好地解决非线性控制问题。模糊P+ID控制器仅将传统的PID控制器比例项替换成模糊控制器，不仅能够提高控制效果而且不会改变原系统稳定性。本文增加了自适应系数，使得自适应模糊P+ID控制器能够提高不同张力设定值时的控制效果。 (4)采用MATLAB模拟仿真传统PID控制器、模糊P+ID控制器以及自适应模糊P+ID应用于拖曳绞车恒张力控制的效果。开展了阶跃响应仿真实验和张力突变时控制系统的动态响应实验。仿真数据证明了自适应模糊P+ID控制器比传统PID控制器具备更好的跟踪和抗干扰性能，同时提高了模糊P+ID控制器的自适应能力。为了验证基于自适应模糊P+ID控制器的恒张力绞车实际作业能力，进行了海缆埋设机恒张力绞车海上实验研究。拖曳缆绳的张力会受到船舶升沉、拖曳力及波浪的影响，导致在海洋环境下保持恒张力非常困难。而且布缆船设计的工作海况是4级，所以恒张力绞车的海上试验是在4级海况下进行的。海试结果证明了自适应模糊P+ID控制器能够满足恒张力绞车的设计需求，并且已经取代传统的PID控制器安装在绞车控制系统上用于布缆作业。 (5)开展了基于收放绞车的主动式升沉补偿系统研究，并且应用于ROV作业。该项研究的核心问题就是母船升沉位移的估算和收放绞车的位置控制。首先，采用自适应巴特沃斯滤波器对惯性测量单元(IMU)的数据进行运算得出母船升沉运动位移。在此基础上设计了基于模糊P+ID的升沉补偿控制系统使其可以根据母船升沉位移来控制绞车的转动，从而跟踪母船升沉运动，抵消母船升沉运动对ROV作业的影响。最后通过仿真实验和实验室试验证明了模糊P+ID控制器比传统PID控制器在应用于升沉补偿控制系统时具备更好的鲁棒性。