深水安装升沉补偿反馈控制系统技术方案

本发明专利技术公开了深水安装升沉补偿反馈控制系统，包括控制系统、检测系统、液压驱动系统和机械执行系统；首先检测母船的运动信号，求得起重吊点的升沉运动信号，由安装在绞车上的旋转编码器和安装在缆绳上的非接触式张力传感器分别测得的吊放重物实际升沉速度和缆绳的实际张力值，把所有的检测信号传送到计算机控制系统，通过升沉补偿系统无模型自适应控制器数学模型，控制系统运算得出反馈偏差量，并按给定的控制算法控制绞车的收放运动，进行速度和张力补偿，使吊放重物以相对静止的速度、下放到水下平台，并保证缆绳张力在一定范围内。本发明专利技术的有益效果是能够实现吊放重物在垂直方向上的主动补偿控制功能。

【技术实现步骤摘要】
深水安装升沉补偿反馈控制系统
本专利技术属于船舶制造
，涉及一种深水安装升沉补偿反馈控制系统及算法。
技术介绍
深水安装升沉补偿系统是一个大惯量非线性系统，存在大滞后问题，采用常规的反馈控制很难取得理想的控制效果。为了提高系统的补偿精度和解决大惯量系统的滞后问题，本文采用了母船升沉运动预报和主动控制相结合的控制策略对深水安装升沉补偿系统进行控制。母船起重吊点升沉运动预报在第五章已研究。深水安装主动式升沉补偿控制系统的特点比较突出，第一，整个升沉补偿系统结构庞大、复杂，并且存在机械摩擦等干扰因素，导致整个系统具有严重的非线性；第二，补偿系统的补偿响应发生时刻提前于吊放重物发生变化的时刻，由于起重机械本身以及吊放重物的质量都比较大，使整个系统具有很大的惯性力，导致响应严重滞后。因此，在海况产生突变时，或者系统受到环境干扰等情况，控制系统的性能将受到挑战，控制系统的稳定性、响应快速性、对起重装置进行实时控制性以及控制系统对不同任务与环境的适应性都要研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供深水安装升沉补偿反馈控制系统，本专利技术的有益效果是能够实现吊放重物在垂直方向上的主动补偿控制功能，以削弱母船姿态运动对吊放重物垂向运动的影响，并把缆绳的张力控制在一定范围内。本专利技术所采用的技术方案是包括控制系统、检测系统、液压驱动系统和机械执行系统；首先检测母船的运动信号，求得起重吊点的升沉运动信号，由安装在绞车上的旋转编码器和安装在缆绳上的非接触式张力传感器分别测得的吊放重物实际升沉速度和缆绳的实际张力值，把所有的检测信号传送到计算机控制系统，通过升沉补偿系统无模型自适应控制器数学模型，控制系统运算得出反馈偏差量，并按给定的控制算法控制绞车的收放运动，进行速度和张力补偿，使吊放重物以相对静止的速度、下放到水下平台，并保证缆绳张力在一定范围内。进一步，控制系统由信号检测系统、控制器处理单元及后置驱动系统三大功能模块组成；信号检测系统包括MRU运动参考单元、张力传感器、旋转编码器和前置数据处理模块；前置数据处理模块用于对传感器输出的电压及电流信号进行转换、滤波，最终得到满足控制器I/O端口要求的电流和电压信号；信号检测系统对下列信号进行检测与处理：1)母船姿态运动信号检测采集船舶姿态运动信号的方式多种多样，利用MUR运动参考单元检测工作母船的横倾、纵倾、升沉加速度信号，通过积分得到速度信号，利用所得到的母船姿态运动信号通过坐标变换求得起重吊点的升沉运动信号，作为控制系统的干扰信号；2)补偿反馈信号检测补偿反馈信号是吊放重物的下放速度信号和缆绳张力信号，旋转编码器用于检测液压马达转速，由检测出的液压马达转速计算得到吊放重物实际的垂向运动速度，并与给定的速度信号进行比较，最终得到速度补偿的偏差信号，缆绳的瞬时张力由张力传感器检测得到，并与给定张力值比较得到的张力偏差信号，控制缆绳的张力进行补偿；控制器处理单元包括反馈控制器和预报控制器；反馈控制器采用速度和张力反馈控制和扰动前馈预报控制相结合的复合控制策略，对速度和张力进行反馈控制，预报控制器作用是扰动前馈控制，利用起重吊点升沉运动的预报对系统的扰动信号产生控制作用，削弱扰动信号对被控制量的影响，根据补偿目标和控制系统性能要求，通过预测起重吊点的下一步的运动姿态，有效地产生理想的控制信号，及时修正，克服系统的时滞特性，提高控制系统的动态反映能力和控制精度，以削弱母船姿态运动对吊放重物垂向运动的影响，后置驱动系统包括液压系统及机械执行系统，用以进行执行控制器处理单元的命令。进一步，升沉补偿系统无模型自适应控制器数学模型为：y(k+1)＝f(y(k),L,y(k-ny),u(k),L,u(k-nu))(1)其中，u(k)∈Rm,y(k)∈R分别表示k时刻系统的输入和输出；ny,nu是两个位置的正整数；是未知的时变非线性函数；反馈控制系统的被控对象—缆绳和吊放重物的离散数学模型(1)的每一个采样时刻k，系统输入输出可控制，对任何给定的一致有界的系统期望输出信号，fi(L),i＝1,L,m关于第(ny+2)个变量的每个分量具有连续的偏导数，并且系统(1)满足广义Lipschitz条件，即对任意k1≠k2，k1,k2≥0和u(k1)≠u(k2)有||y(k1+1)-y(k2+1)||≤b||u(k1)-u(k2)||(2)其中，y(ki+1)＝f(y(ki),L,y(ki-ny),u(ki),L,u(ki-nu)),i＝1,2，b＞0是一个常数；如果系统满足以上假设，当||Δu(k)||≠0时，MISO离散时间非线性系统(2)一定存在一个被称为伪梯度的时变参数向量的伪Jacobi矩阵(PJM)Φ(k)，使得Δy(k+1)＝ΦT(k)Δu(k)(3)其中，Δy(k+1)＝y(k+1)-y(k)，Δu(k)＝u(k)-u(k-1)，并且对所有时刻k，Φ(k)是有界的，式(3)是非线性MISO数学模型(1)的折线化等效方程，设定控制输入准则函数为：J(u(k))＝|y*(k+1)-y(k+1)|2+γ|u(k)-u(k-1)|2(4)其中y*(k+1)是系统期望跟踪信号；γ是一个正的权重系数，为了得到良好的控制效果及性能，不同的非线性系统又有不同的取值范围，一般γ值越小，控制系统响应时间越快，但超调量可能变大，系统的稳定性变差，将式(3)代入准则函数(4)中，并使自适应升沉补偿系统的控制律为：其中，步长因子ρ∈(0,1]；u(k)∈Rm,y(k)∈R分别表示k时刻系统的输入和输出；y*(k+1)是系统期望跟踪信号，γ是一个正的权重系数；参数估计的准则函数为：令得到伪偏导数φ(k)的参数估计方程为：其中，因子η∈(0,2]的常数，是PJMΦ(k)的估计值；若或则其中，是的初值。附图说明图1是本专利技术深水安装升沉补偿反馈控制系统结构示意图；图2是主动式升沉补偿系统控制原理图；图3是加入不同干扰噪声后吊放重物升沉运动速度变化示意图；图4是开启补偿器前后吊放重物的垂向运动速度变化；图5是开启补偿器前后缆绳张力变化；图6是采用PID控制开启补偿器前后缆绳张力变化。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术深水安装升沉补偿反馈控制系统由控制系统、检测系统、液压驱动系统和机械执行系统构成。首先检测母船的运动信号，求得起重吊点的升沉运动信号，由安装在绞车上的旋转编码器和安装在缆绳上的非接触式张力传感器分别测得的吊放重物实际升沉速度和缆绳的实际张力值，把所有的检测信号传送到计算机控制系统，通过升沉补偿系统无模型自适应控制器数学模型，控制系统运算得出反馈偏差量，并按给定的控制算法控制绞车的收放运动，进行速度和张力补偿，使吊放重物以相对静止的速度、下放到水下平台，并保证缆绳张力在一定范围内。系统结构如图1所示，由信号检测系统1、控制器处理单元2及后置驱动系统3三大功能模块组成。根据深水安装升沉补偿系统的实际补偿要求，控制系统必须具备的功能：(1)实时检测母船姿态运动，主要是母船的横摇、纵摇和升沉运动；(2)实时检测控制液压马达转速的大小和方向；(3)实时控制缆绳的张力；(4)实时控制重物下放速度；(5)实时记录系统的运行状态；(6)能整个升沉补偿系统硬件连接。(1)信号检测系统1包括MRU运本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.深水安装升沉补偿反馈控制系统，其特征在于：包括控制系统、检测系统、液压驱动系统和机械执行系统；首先检测母船的运动信号，求得起重吊点的升沉运动信号，由安装在绞车上的旋转编码器和安装在缆绳上的非接触式张力传感器分别测得的吊放重物实际升沉速度和缆绳的实际张力值，把所有的检测信号传送到计算机控制系统，通过升沉补偿系统无模型自适应控制器数学模型，控制系统运算得出反馈偏差量，并按给定的控制算法控制绞车的收放运动，进行速度和张力补偿，使吊放重物以相对静止的速度、下放到水下平台，并保证缆绳张力在一定范围内。

【技术特征摘要】
1.深水安装升沉补偿反馈控制系统，其特征在于：包括控制系统、检测系统、液压驱动系统和机械执行系统；首先检测母船的运动信号，求得起重吊点的升沉运动信号，由安装在绞车上的旋转编码器和安装在缆绳上的非接触式张力传感器分别测得的吊放重物实际升沉速度和缆绳的实际张力值，把所有的检测信号传送到计算机控制系统，通过升沉补偿系统无模型自适应控制器数学模型，控制系统运算得出反馈偏差量，并按给定的控制算法控制绞车的收放运动，进行速度和张力补偿，使吊放重物以相对静止的速度、下放到水下平台，并保证缆绳张力在一定范围内。2.按照权利要求1所述深水安装升沉补偿反馈控制系统，其特征在于：所述控制系统由信号检测系统、控制器处理单元及后置驱动系统三大功能模块组成；信号检测系统包括MRU运动参考单元、张力传感器、旋转编码器和前置数据处理模块；前置数据处理模块用于对传感器输出的电压及电流信号进行转换、滤波，最终得到满足控制器I/O端口要求的电流和电压信号；信号检测系统对下列信号进行检测与处理：1)母船姿态运动信号检测采集船舶姿态运动信号的方式多种多样，利用MUR运动参考单元检测工作母船的横倾、纵倾、升沉加速度信号，通过积分得到速度信号，利用所得到的母船姿态运动信号通过坐标变换求得起重吊点的升沉运动信号，作为控制系统的干扰信号；2)补偿反馈信号检测补偿反馈信号是吊放重物的下放速度信号和缆绳张力信号，旋转编码器用于检测液压马达转速，由检测出的液压马达转速计算得到吊放重物实际的垂向运动速度，并与给定的速度信号进行比较，最终得到速度补偿的偏差信号，缆绳的瞬时张力由张力传感器检测得到，并与给定张力值比较得到的张力偏差信号，控制缆绳的张力进行补偿；控制器处理单元包括反馈控制器和预报控制器；反馈控制器采用速度和张力反馈控制和扰动前馈预报控制相结合的复合控制策略，对速度和张力进行反馈控制，预报控制器作用是扰动前馈控制，利用起重吊点升沉运动的预报对系统的扰动信号产生控制作用，削弱扰动信号对被控制量的影响，根据补偿目标和控制系统性能要求，通过预测起重吊点的下一步的运动姿态，有效地产生理想的控制信号，及时修正，克服系统的时滞特性，提高控制系统的动态反映能力和控制精度，以削弱母船姿态运动对吊放重物垂向运动的影响，后置驱动系统包括液压系统及机械执行系...

【专利技术属性】
技术研发人员：武云霞，
申请(专利权)人：青岛农业大学，
类型：发明
国别省市：山东,37