【技术实现步骤摘要】
本专利技术提出了一种高可靠性的海上过驳装置控制系统及控制方法，所属为船舶系统与设备。
技术介绍
1、目前，海上过驳装置安装在海洋船舶上，用于船舶与固定海上平台之间或船舶与船舶之间的人员过驳和物资转运。海上过驳的主要困难在于船舶在风浪影响下不可避免地存在复杂动荡，过驳吊篮在靠近其他船舶或海上固定平台时，如不能有效预判船体的大致运动，极有可能发生意外碰撞造成安全事故。海况愈高这种风险愈大，业主单位为避免发生安全事故，不得不降低船舶和人员外出海况等级，这也导致了如海上风电运维等不少具有过驳需求的海上作业窗口期大大缩短。为了解决这一问题，需要具有波浪补偿功能的海上过驳装置。
2、目前波浪补偿方式可大致分为主动波浪补偿和被动波浪补偿。被动波浪补偿系统结构简单、技术成熟，但受限于系统结构补偿精度较差，难以应用于海上过驳装置尤其是具有人员过驳功能的装置上。主动波浪补偿系统补偿精度高，但其控制系统往往由控制器、驱动器和多种传感器构成，且控制器中运行的主动波浪补偿算法也较为复杂，整个控制系统故障点多，且补偿过程中控制系统一旦发生故障过驳装置的运动将不可预见，极易造成安全事故，因此在实际应用过程中应充分考虑控制系统的可靠性。
技术实现思路
1、本专利技术是要提出一种高可靠性的海上过驳装置控制系统及控制方法，适用于海工、风电、船舶引航等领域的海上过驳装置。本专利技术能够显著提高海上过驳装置的可靠性。
2、为实现上述目的。本专利技术的技术方案是：一种高可靠性的海上过驳装置控制系统，
3、备用传感器组件采用和主传感器组件相同或具有相同功能不同类型的传感器，并采集和主传感器组件相同的信息数据发送至控制器作为备用；当控制器检测到一个或多个传感器数据失效或发生较大阶跃变化时，将切换为备用传感器组件，利用备用传感器组件测量数据解算驱动信号。
4、控制器与备用控制器之间相互通信，当控制器发生故障时，控制器将故障信号发送给备用控制器，此时备用控制器替代控制器进行驱动信号解算；驱动器与备用驱动器之间相互通信，当驱动器发生故障时，驱动器将故障信号发送给备用驱动器，此时备用驱动器替代驱动器控制伺服阀开度；驱动器根据控制器输出的驱动信号和系统正解算法估计海上过驳装置位姿，当发现在该驱动信号下装置位姿异常时将报警信号回传至控制器，同时不采用控制器输出驱动信号而是根据算法保持过驳装置位于安全位姿。
5、一种高可靠性的海上过驳装置控制方法，用于高可靠性的海上过驳装置控制系统，包括以下步骤：
6、s1，基于运动学分析，建立海上过驳装置运动学方程；
7、s2，根据运动学方程求解海上过驳装置逆解算方程；
8、s3，利用系统辨识方法，建立海上过驳装置传递函数模型；
9、s4，构建海上过驳装置的分层终端滑模面；
10、s5，利用分层终端滑模控制方法，分别得到由等效控制和切换控制构成的海上过驳装置的分层终端滑模控制模型；
11、s6，以逆解算控制方法实现过驳装置波浪补偿和主动操作，同时以分层终端滑模控制器输出修正过驳装置末端位置。
12、步骤s1，基于运动学分析，建立海上过驳装置运动学方程为：
13、
14、其中，q是过驳装置末端广义坐标矩阵，q＝[q1…qm]t可通过布置在过驳装置末端的mru传感器测量得到；l为过驳装置各油缸位移矩阵，l＝[l1…ln]t通过油缸位移传感器测量得到；j为过驳装置的雅可比矩阵。
15、步骤s2，根据运动学方程求解海上过驳装置逆解算方程，假设雅可比矩阵j是可逆的，则可得出过驳装置逆解算方程为：
16、
17、由式(2)可得出逆解控制器油缸输出，当雅可比矩阵不可逆时，采用雅可比矩阵广义逆求解方法即可。
18、步骤s3，利用系统辨识方法，建立海上过驳装置传递函数模型：通过试验获得各驱动油缸位移数据集lt和对应的过驳装置末端姿态数据集qt，利用系统辨识方法，求得该mimo系统动力学线性微分方程为
19、
20、其中，gij为微分方程系数项，为通过辨识得到的微分方程估计的过驳装置末端姿态加速度矩阵，ul＝[ul1…uln]t为各液压缸加速度输入。
21、步骤s4，构建海上过驳装置的分层滑模面，在过驳作业中，由于传感器测量误差、系统机械结构形变等因素，过驳装置末端实际姿态会与期望姿态之间存在误差，该误差通过输入期望姿态值与过驳装置末端mru实际测量值之间的差值得到，定义末端姿态误差矩阵为：
22、
23、其中，[q1d…qmd]t为期望姿态坐标，进一步定义系统终端滑模面函数为：
24、
25、式中，c1i，c2i为正实数，pi，qi为正奇整数，且满足1<pi/qi<2，该描述中i＝1…m。
26、步骤s5，利用分层滑模控制方法，采用趋近率满足滑模面的到达条件，有
27、
28、式中，ω>0，ρ>0。为了避免滑模抖振现象，可采用如下饱和函数替代符号函数
29、
30、式中，k＝1/δ，δ为边界层厚度。
31、联立式(4)和(6)可得
32、
33、利用系统辨识得到的估计量替代上式中的得到方程
34、
35、最终，联立式(3)和(9)即可建立各油缸修正控制器分层终端滑模控制模型为
36、
37、稳定性证明：定义李雅普诺夫函数为
38、
39、对上式进行微分可得
40、
41、由于根据lasalle’s不变引理可证明修正控制器系统稳定。
42、步骤s6，以逆解算控制方法实现过驳装置波浪补偿和主动操作，同时以分层滑模控制器输出修正过驳装置末端位置，由式(2)和(10)得到了逆解算控制器模型和滑模修正控制器模型，按照控制系统框图即可实现过驳装置波浪补偿与末端位置修正。
43、本专利技术的有益效果是：
44、1)高可靠性的海上过驳装置控制系统采用逆解算与分层终端滑模修正控制算法，实现过驳装置快速、高精度地进行主动波浪补偿和过驳作业，有效地增加了海上过驳装置工作窗口期。
45、2)控制系统采用高冗余设计，保证了在单个或多个设备故障时，过驳装置仍可正常工作，极大的提高了海上过驳作业的安全性，尤其是本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高可靠性的海上过驳装置控制系统，其特征在于：包括传感器组件、备用传感器组件、控制器、备用控制器、驱动器、备用驱动器、伺服阀组、执行机构，其中，传感器组件和备用传感器组件用于采集船舶运动姿态和海上过驳装置执行机构运动状态信息，包括液压缸长度、回转机构回转角度、过驳装置末端绝对位置；控制器和备用控制器接收并处理传感器组件信号，利用主动波浪补偿逆解算与修正算法解算得到各执行机构驱动信号；驱动器将控制器解算得到的驱动信号转换为控制伺服阀开度信号从而驱动执行机构完成主动波浪补偿和海上过驳作业。
2.根据权利要求1所述的高可靠性的海上过驳装置控制系统，其特征在于：备用传感器组件采用和主传感器组件相同或具有相同功能不同类型的传感器，并采集和主传感器组件相同的信息数据发送至控制器作为备用；当控制器检测到一个或多个传感器数据失效或发生较大阶跃变化时，将切换为备用传感器组件，利用备用传感器组件测量数据解算驱动信号。
3.根据权利要求1所述的高可靠性的海上过驳装置控制系统，其特征在于：控制器与备用控制器之间相互通信，当控制器发生故障时，控制器将故障信号发送给备用控制器，
4.一种高可靠性的海上过驳装置控制方法，用于高可靠性的海上过驳装置控制系统，其特征在于：包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的高可靠性的海上过驳装置控制方法，其特征在于：步骤S1，基于运动学分析，建立海上过驳装置运动学方程为：
6.根据权利要求4所述的高可靠性的海上过驳装置控制方法，其特征在于：步骤S2，根据运动学方程求解海上过驳装置逆解算方程，假设雅可比矩阵J是可逆的，则可得出过驳装置逆解算方程为：
7.根据权利要求4所述的高可靠性的海上过驳装置控制方法，其特征在于：步骤S3，利用系统辨识方法，建立海上过驳装置传递函数模型：通过试验获得各驱动油缸位移数据集LT和对应的过驳装置末端姿态数据集QT，利用系统辨识方法，求得该MIMO系统动力学线性微分方程为
8.根据权利要求4所述的高可靠性的海上过驳装置控制方法，其特征在于：步骤S4，构建海上过驳装置的分层滑模面，在过驳作业中，由于传感器测量误差、系统机械结构形变等因素，过驳装置末端实际姿态会与期望姿态之间存在误差，该误差通过输入期望姿态值与过驳装置末端MRU实际测量值之间的差值得到，定义末端姿态误差矩阵为：
9.根据权利要求4所述的高可靠性的海上过驳装置控制方法，其特征在于：步骤S5，利用分层滑模控制方法，采用趋近率满足滑模面的到达条件，有
10.根据权利要求4所述的高可靠性的海上过驳装置控制方法，其特征在于：步骤S6，以逆解算控制方法实现过驳装置波浪补偿和主动操作，同时以分层滑模控制器输出修正过驳装置末端位置，由式(2)和(10)得到了逆解算控制器模型和滑模修正控制器模型，按照控制系统框图即可实现过驳装置波浪补偿与末端位置修正。
...【技术特征摘要】
1.一种高可靠性的海上过驳装置控制系统，其特征在于：包括传感器组件、备用传感器组件、控制器、备用控制器、驱动器、备用驱动器、伺服阀组、执行机构，其中，传感器组件和备用传感器组件用于采集船舶运动姿态和海上过驳装置执行机构运动状态信息，包括液压缸长度、回转机构回转角度、过驳装置末端绝对位置；控制器和备用控制器接收并处理传感器组件信号，利用主动波浪补偿逆解算与修正算法解算得到各执行机构驱动信号；驱动器将控制器解算得到的驱动信号转换为控制伺服阀开度信号从而驱动执行机构完成主动波浪补偿和海上过驳作业。
2.根据权利要求1所述的高可靠性的海上过驳装置控制系统，其特征在于：备用传感器组件采用和主传感器组件相同或具有相同功能不同类型的传感器，并采集和主传感器组件相同的信息数据发送至控制器作为备用；当控制器检测到一个或多个传感器数据失效或发生较大阶跃变化时，将切换为备用传感器组件，利用备用传感器组件测量数据解算驱动信号。
3.根据权利要求1所述的高可靠性的海上过驳装置控制系统，其特征在于：控制器与备用控制器之间相互通信，当控制器发生故障时，控制器将故障信号发送给备用控制器，此时备用控制器替代控制器进行驱动信号解算；驱动器与备用驱动器之间相互通信，当驱动器发生故障时，驱动器将故障信号发送给备用驱动器，此时备用驱动器替代驱动器控制伺服阀开度；驱动器根据控制器输出的驱动信号和系统正解算法估计海上过驳装置位姿，当发现在该驱动信号下装置位姿异常时将报警信号回传至控制器，同时不采用控制器输出驱动信号而是根据算法保持过驳装置位于安全位姿。
4.一种高可靠性的海上过驳装置控制方法，用于高可靠性的...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏明辉，屠伟，林金国，谢松莲，范琦，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇四研究所，
类型：发明
国别省市：
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