基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置，包括升降平台以及与其连接的波浪能采集机构，还包括多个用于支撑升降平台的桩柱和爬升机构以及控制单元。所述升降平台为工字形，升降平台的4个角分别设置有安装桩柱的通孔，通孔处设置有爬升机构。所述控制单元包括内环控制器和外环控制器，外环控制器包括垂直运动控制器、俯仰运动控制器以及侧倾运动控制器，内环控制器根据升降平台的速度和相对速度输出控制力的控制信号，外环控制器经变量转换器与内环控制器连接。本发明专利技术还公开了相应的控制方法。本发明专利技术的装置升降稳定性，有利于提高波浪能采集机构的能量转换效率；本发明专利技术的控制方法控制精度高，可靠性好。

【技术实现步骤摘要】
基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置及控制方法
本专利技术属于海洋特种装备工程领域，具体涉及一种基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置及控制方法。
技术介绍
随着海洋能源的需求量日益增加，海洋平台的安全性越发得到重视，其升降控制系统的研发显得尤为重要。在恶劣的海洋环境中，平台需通过提升以及下降来保证整个平台的安全稳定。在传统的升降中，普遍存在升降不稳定、工作效率低、能耗损耗大等问题。因此，急需设计一种能够使得平台能够连续同步升降，且控制精度高，稳定性好的海洋平台升降机构同步升降控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题，提供基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置及控制方法，根据需要调节升降平台的高度、俯仰角和侧倾角，使波浪能采集机构处于最合适的高度和角度，实现平台同步升降控制的高稳定性和高精度。本专利技术的技术方案是基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置，包括升降平台以及与其连接的波浪能采集机构，还包括多个用于支撑升降平台的桩柱和与桩柱一一对应的用于升降平台上升或下降的爬升机构以及控制单元，控制单元检测升降平台的俯仰角度、侧倾角度，分别输出控制信号到各桩柱的爬升机构，通过对各桩柱的爬升机构的电机的单独控制，对升降平台的姿态进行控制，提高波浪能采集机构的能量转换效率。所述升降平台为工字形，升降平台的4个角分别设置有安装桩柱的通孔，通孔处设置有爬升机构。所述爬升机构包括电机、齿轮、齿条、滑轮以及导向滑轨，电机的基座、滑轮分别与升降平台固定连接，齿条、导向滑轨分别与桩柱固定连接，齿轮与电机的转轴连接，电机的控制端与控制单元电性连接。所述控制单元包括内环控制器和外环控制器，外环控制器包括垂直运动控制器、俯仰运动控制器以及侧倾运动控制器，内环控制器根据升降平台的速度和相对速度输出控制力的控制信号，外环控制器经变量转换器与内环控制器连接。内环控制器包括分别与升降平台的爬升机构控制端连接的第一桩柱控制器、第二桩柱控制器、第三桩柱控制器、第四桩柱控制器。上述的基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置的控制方法，包括：检测升降平台的俯仰角、侧倾角和垂直位移，作为外环控制器的输入，根据外环控制器输出得到升降平台的垂直、侧倾和俯仰运动控制力；利用解耦器将升降平台的垂直、侧倾和俯仰运动控制力转换为各个爬升机构的分控制力；内环控制器根据升降平台的速度和相对速度，输出各爬升机构的控制力信号；根据解耦器输出的各爬升机构的分控制力和内环控制器输出的各爬升机构的控制力信号，计算得到各爬升机构的理想控制力信号，输入到各爬升机构的控制端，各爬升机构动作，实现升降平台的升降控制。进一步地，基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置的控制方法，包括以下步骤，步骤1：检测升降平台的侧倾角位移θ、俯仰角位移和垂直位移z，作为外环控制器的输入，根据外环控制器输出得到升降平台的垂直运动控制力fz、侧倾运动控制力fθ和俯仰运动控制力步骤2：利用解耦器将垂直运动控制力fz、侧倾运动控制力fθ和俯仰运动控制力转换为升降平台的4个爬升机构的分控制力f1、f2、f3、f4；步骤3：内环控制器根据升降平台的速度和相对速度，输出4个爬升机构的控制力P1、P2、P3、P4；步骤4：根据分控制力f1、f2、f3、f4和控制力P1、P2、P3、P4，合成得到4个爬升机构的理想控制力Fd1、Fd2、Fd3、Fd4，作为控制信号输入到各爬升机构的电机控制端；步骤5：检测4个爬升机构的电机的实际控制力F1、F2、F3、F4，与理想控制力Fd1、Fd2、Fd3、Fd4比较并计算力误差，根据力误差控制各爬升机构的电机，实现升降平台的升降控制。步骤1中，所述外环控制器检测升降平台垂直运动位移z、垂直运动速度侧倾运动角位移θ、侧倾运动角速度俯仰运动角位移以及俯仰运动角位移采用外环控制模型，得到升降平台的垂直运动控制力fz、侧倾运动控制力fθ和俯仰运动控制力外环控制模型包括垂直运动控制模型、俯仰运动控制模型和侧倾运动控制模型。垂直运动控制模型式中Kz为垂直运动的位移控制比例系数，Cz为垂直运动控制器的控制系数，zd为升降平台的理想垂直运动位移。俯仰运动控制模型式中为俯仰运动控制比例系数，为俯仰运动控制器的控制系数，为升降平台的理想俯仰运动角位移。侧倾运动控制模型式中Kθ为侧倾运动控制比例系数，Cθ为侧倾运动控制器的控制系数，θd为升降平台的理想侧倾运动角位移。步骤3中，所述内环控制器采用模糊控制算法，得到4个爬升机构的控制力P1、P2、P3、P4。步骤5中，所述根据力误差控制各爬升机构的电机，当力误差为正且较大时，采用PID控制算法，驱动电机输出较大的控制力；当力误差为负且较大时，控制电机使电机电流置零。所述PID控制算法，力误差ef＝Fd-F，Fd＝[Fd1Fd2Fd3Fd4],F＝[F1F2F3F4]；力误差控制模型其中KP、KD、KI分别为PID控制算法的控制系数。相比现有技术，本专利技术的有益效果包括：1)本专利技术的波浪能采集与转换装置实现了升降平台的多通道升降控制，稳定性好，可根据需要调节升降平台的高度、俯仰角和侧倾角，使波浪能采集机构处于最合适的高度和角度，提高波浪能采集机构的能量转换效率；2)升降平台的爬升机构采用双导向加齿轮齿条三点控制传动设计，此结构使升降平台具有更大承载力以及更高的稳定性；3)采用齿轮齿条传动代替现有液压顶升传动，具有更高的可靠性；4)本专利技术的控制方法结合外环控制与内环控制相结合的基础上，根据力误差对爬升机构的电机进行控制，控制精度高，鲁棒性好。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术实施例的波浪能采集与转换装置的结构示意图。图2为本专利技术实施例的爬升机构的结构示意图。图3为本专利技术实施例的控制方法的控制框图。图4为本专利技术实施例的外环控制与内环控制相结合的示意图。图5为本专利技术实施例的内环控制器的输入输出示意图。图6为本专利技术实施例的垂直运动控制器的输入输出示意图。图7为本专利技术实施例的侧倾运动控制器的输入输出示意图。图8为本专利技术实施例的俯仰运动控制器的输入输出示意图。具体实施方式如图1所示，基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置，包括工字形的升降平台1以及与其连接的波浪能采集机构4，还包括4个用于支撑升降平台的桩柱2和与桩柱一一对应的用于升降平台上升或下降的爬升机构3以及控制单元。如图2所示，爬升机构3包括电机5、齿轮6、齿条7、滑轮9、导向滑轨8、倾角传感器10以及高度传感器11，电机5的基座、滑轮9分别与升降平台1固定连接，齿条7、导向滑轨8分别与桩柱2固定连接，齿轮6与电机5的转轴连接，电机5的控制端与控制单元电性连接，倾角传感器10设置在升降本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置，其特征在于，包括升降平台(1)以及与其连接的波浪能采集机构(4)，还包括多个用于支撑升降平台的桩柱(2)和与桩柱一一对应的用于升降平台上升或下降的爬升机构(3)以及控制单元；/n控制单元检测升降平台的俯仰角度、侧倾角度，分别输出控制信号到各桩柱的爬升机构，通过对各桩柱的爬升机构的电机的单独控制，对升降平台的姿态进行控制，增强升降平台的稳定性，提高波浪能采集机构的能量转换效率。/n

【技术特征摘要】
1.基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置，其特征在于，包括升降平台(1)以及与其连接的波浪能采集机构(4)，还包括多个用于支撑升降平台的桩柱(2)和与桩柱一一对应的用于升降平台上升或下降的爬升机构(3)以及控制单元；
控制单元检测升降平台的俯仰角度、侧倾角度，分别输出控制信号到各桩柱的爬升机构，通过对各桩柱的爬升机构的电机的单独控制，对升降平台的姿态进行控制，增强升降平台的稳定性，提高波浪能采集机构的能量转换效率。


2.根据权利要求1所述的基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置，其特征在于，所述爬升机构(3)包括电机(5)、齿轮(6)、齿条(7)、滑轮(9)以及导向滑轨(8)，电机(5)的基座、滑轮(9)分别与升降平台(1)固定连接，齿条(7)、导向滑轨(8)分别与桩柱(2)固定连接，齿轮(6)与电机(5)的转轴连接，电机(5)的控制端与控制单元电性连接。


3.根据权利要求1所述的基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置，其特征在于，所述升降平台(1)为工字形，升降平台的4个角分别设置有安装桩柱的通孔，通孔处分别设置有爬升机构(3)。


4.根据权利要求3所述的基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置，其特征在于，所述控制单元包括内环控制器和外环控制器，外环控制器包括垂直运动控制器、俯仰运动控制器以及侧倾运动控制器，内环控制器根据升降平台的速度和相对速度输出控制信号到爬升机构，外环控制器经变量转换器与内环控制器连接；内环控制器包括分别与升降平台的爬升机构控制端连接的第一桩柱控制器、第二桩柱控制器、第三桩柱控制器、第四桩柱控制器。


5.根据权利要求1所述的基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置，其特征在于，爬升机构(3)外部分别设置有高度传感器(11)，升降平台(1)中央设置有倾角传感器(10)，倾角传感器(10)、高度传感器(11)均与控制单元连接。


6.权利要求1-5任意一项所述的基于多通道升降控制的波浪能采集与转换装置的控制方法，其特征在于，包括：
检测升降平台的俯仰角、侧倾角和垂直位移，作为外环控制器的输入，根据外环控制器输出得到升降平台的垂直、侧倾和俯仰运动控制力；
利用解耦器将升降平台的垂直、侧倾和俯仰运动控制力转换为各个爬升机构的分控制力；
内环控制器根据升降平台的速度和相对速度，输出各爬升机构的控制力信号；
根据解耦器输出的各爬升机构的分控制力和内环控制器输出的各爬升机构的控制力信号，计算得到各爬升机构的理想控...

【专利技术属性】
技术研发人员：方子帆，洪俊鹏，刘进，谢志恒，谢雪媛，王佳佳，熊飞，吴祖双，孔博，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42