CN101713982A

CN101713982A - 一种主动式波浪补偿控制系统

Info

Publication number: CN101713982A
Application number: CN200910044705A
Authority: CN
Inventors: 董睿; 陶利民; 陈仲生; 陈循; 胡永攀; 徐小军; 李岳; 何平
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2010-05-26

Abstract

本发明公开了一种主动式波浪补偿控制系统，包括船舶运动参数检测模块、DSP控制模块和执行模块；其中运动参数检测模块包括加速度传感器、倾角传感器、第一旋转编码器、第二旋转编码器以及信号调理电路，执行模块包括主、副液压伺服系统和差动式行星传动卷扬机。本发明具有如下特点：一是反馈控制和前馈控制方式相结合；二是通过检测和预测船舶的运动参数实现重物下放速度的主动式补偿；三是利用倾角传感器将船舶横倾和纵倾运动转化为升沉方向的运动，实现横倾、纵倾和升沉三个自由度的波浪补偿；四是利用差动式行星传动卷扬机实现反馈控制和前馈控制的速度合成。

Description

一种主动式波浪补偿控制系统

技术领域

本发明属于船舶海上补给时的波浪补偿控制系统，特别提供一种三自由度的主动式波浪补偿控制系统。

背景技术

船舶在海上航行或作业时，消耗的物资需要在海上得到不间断的补给。在有风浪的情况下，海浪的起伏会引起补给船和被补给船之间的相对运动。如果使用常规的船用起重机进行海上补给时，可能会因为冲击和碰撞引发严重事故。波浪补偿系统就是针对海上补给提出的，它通过控制执行机构补偿两船的相对运动，实现物资的安全吊装补给。因此，波浪补偿系统对提高海上补给作业的安全性、高效性和可靠性具有重要意义和应用价值。

波浪使船舶上下运动，引起吊绳上载重的变化。根据补偿环节发生在载重变化的前后顺序，波浪补偿控制系统主要划分为被动式和主动式两大类。被动式补偿控制系统是在载重发生变化后，根据载重的变化大小来调节控制参数，载重变化通常是总载重的8％～12％，因此控制系统体积比较庞大、操作和维护相对复杂，对操作人员的技能要求高。而主动式补偿控制系统根据两船的相对运动参数来调节控制参数，载重变化通常是总载重的1％～2％，因此控制系统体积小、智能化程度高、操作容易，是波浪补偿控制系统的重要发展方向。

目前，国内针对波浪补偿控制系统的研究主要集中在被动式补偿方式，比如气液混合型补偿系统、随动补偿系统，缺乏主动式补偿系统的研制，而国外主动式补偿系统主要采用反馈控制。由于海浪运动随机性强，导致单纯的反馈控制难以提高补偿精度。如果能够提前预测海浪的运动，则可以大大提高补偿精度。为此，迫切需要一种反馈控制和预测前馈控制相结合的新型主动式波浪补偿控制系统。

发明内容

本发明提供一种船舶海上补给时可以明显提高波浪补偿速度和精度的主动式波浪补偿控制系统。

本发明的主动式波浪补偿控制系统，包括船舶运动参数检测模块、DSP控制模块和执行模块；其中运动参数检测模块包括加速度传感器、倾角传感器、第一旋转编码器、第二旋转编码器以及信号调理电路，执行模块包括主、副液压伺服系统和差动式行星传动卷扬机；所述加速度传感器、倾角传感器用于检测船舶运动参数并通过信号调理电路输入DSP控制模块，第一旋转编码器、第二旋转编码器分别检测主、副液压伺服系统的马达转速，并通过信号调理电路输入DSP控制模块计算重物的下放速度，DSP控制模块向主、副液压伺服系统输出控制信号，由主、副液压伺服系统控制差动式行星传动卷扬机吊放重物。

本发明的主动式波浪补偿控制系统，包括如下过程：传感器检测两船和重物的运动参数，控制模块根据这些实时运动参数数据计算补偿的速度大小，产生相应控制信号作用在主液压伺服系统上进行反馈控制；同时，控制模块根据实时运动参数数据对船舶未来短期内的运动参数进行主动预测，计算出补偿速度的修正量，产生相应控制信号作用在副液压伺服系统上进行前馈控制；反馈控制的补偿速度和前馈控制的修正补偿速度通过差动式行星传动卷扬机完成速度的合成，实现对吊绳的控制，保持重物下放与被补给船之间的相对速度恒定，最终完成主动式波浪补偿功能。

本发明具有如下特点：一是反馈控制和前馈控制方式相结合；二是通过检测和预测船舶的运动参数实现重物下放速度的主动式补偿；三是利用倾角传感器将船舶横倾和纵倾运动转化为升沉方向的运动，实现横倾、纵倾和升沉三个自由度的波浪补偿；四是利用差动式行星传动卷扬机实现反馈控制和前馈控制的速度合成。

附图说明

图1是本发明控制系统示意图。

图2是本发明速度补偿控制基本过程。

图3是本发明硬件设计框图。

图4是本发明中横倾和纵倾运动引起的升沉方向速度示意图。

图5是本发明中倾角传感器与DSP连接示意图。

图6是本发明中旋转编码器与DSP连接示意图。

图7是本发明控制系统结构框图。

图8是本发明中模糊PID控制示意图。

图9、图10分别是本发明中模糊控制量隶属度函数示意图。

图11是本发明中差动式行星轮系示意图。

具体实施方式

本发明的主动式波浪补偿控制系统如图1所示，包括船舶运动参数检测模块、DSP控制模块和执行模块；其中运动参数检测模块包括加速度传感器、倾角传感器、第一旋转编码器、第二旋转编码器以及信号调理电路，执行模块包括主、副液压伺服系统和差动式行星传动卷扬机；所述加速度传感器、倾角传感器用于检测船舶运动参数并通过信号调理电路输入DSP控制模块，第一旋转编码器、第二旋转编码器分别检测主、副液压伺服系统的马达转速，并通过信号调理电路输入DSP控制模块计算重物的下放速度，DSP控制模块向主、副液压伺服系统输出控制信号，由主、副液压伺服系统控制差动式行星传动卷扬机装卸重物(由滑轮吊放)。

信号调理电路用于对传感器输出信号进行抗干扰处理，并将其转化为满足DSP控制器输入要求的电信号。DSP控制模块用于读取传感器数据、执行反馈和前馈控制算法、输出控制量。

本发明的主动式波浪补偿控制包括如下过程：利用加速度传感器检测船舶升沉方向的加速度，再通过时间积分计算升沉方向的速度；利用倾角传感器检测船舶甲板的横倾和纵倾角度，计算横倾和纵倾运动造成的升沉方向上位移变化，再对该位移进行微分计算升沉方向的速度，上述三个速度合成为船舶最终升沉方向的速度；旋转编码器检测主、副液压马达的转速，通过该转速计算重物下放的速度；反馈控制算法根据船舶升沉方向运动速度和和重物下放速度计算补偿的速度大小，产生相应控制信号作用在主液压伺服系统上。同时，预测控制算法根据实时运动参数数据对船舶未来短期内的运动参数进行主动预测，计算出补偿速度的修正量，产生相应控制信号作用在副液压伺服系统上。最终，反馈控制的补偿速度和前馈控制的修正补偿速度通过差动式行星传动卷扬机进行速度合成，实现对吊绳的控制，保持重物下放与被补给船之间的相对速度恒定，完成主动式波浪补偿功能。

本发明进一步的说明如下：

1)“反馈+预测”控制速度补偿基本过程

如图2所示，记补给船和被补给船升沉方向实际的运动速度分别为v_A和v_B、预测的运动速度分别为v′_A和v′_B，补给船和被补给船之间的相对运动速度为v_BA，起重机补给速度为v_S，重物下放速度为v_M，无补偿和有补偿时重物相对被补给船的速度分别为v_BM和v′_BM，则补给系统在无速度补偿时有

v_{BM} = v_{M} - v_{B}

= v_{S} + v_{A} + v_{A}^{'} - v_{B} - v_{B}^{'} - - - (1)

\overset{Δ}{=} v_{S} + v_{BA}

假设补给系统允许的两船相对速度为v₀，则有补偿时的速度补偿目标为

V′_BM＝V₀ (2)

设补偿速度为v_C，补偿后重物速度v′_M，则加入速度补偿后的重物速度为

V′_M＝V_S+V_C+V_A+V′_A (3)

重物相对被补给船的速度为

v_{BM}^{'} = v_{M}^{'} - v_{B}

= v_{S} + v_{C} + v_{A} + v_{A}^{'} - v_{B} - v_{B}^{'}

\overset{Δ}{=} v_{S} + v_{C} + v_{BA} - - - (4)

根据式(2)速度补偿要求，可得到补偿速度与船舶升沉运动速度的关系为

V_C＝V₀-V_s-V_BA (5)

根据式(5)就可以实现升沉方向的波浪补偿功能。

2)主动式波浪补偿控制系统的硬件设计

对主动式波浪补偿过程来说，控制响应时间是一个重要的技术指标，它必须满足补偿的时间小于波浪运动的时间。为此，控制系统的硬件设计必须实现快速的传感器信号检测和高速的控制量计算。如图3所示，本发明的硬件设计以DSP芯片TMS320LF2407A作为控制核心，外部硬件包括高精度加速度传感器、倾角传感器和第一、第二旋转编码器，信号调理电路，高速同步串口D/A转换电路和控制面板。本发明利用DSP丰富的配置资源和高速的运算速度，方便快速地获取传感器数据，实现对船舶运动参数快速准确的检测；同时，实时运行反馈控制和预测控制算法，通过D/A接口输出控制量。

本发明目的是实现垂直方向上的主动式波浪补偿，因此需要对船舶垂直方向的运动速度进行检测。船舶垂直方向的运动由直接的升沉运动、横倾和纵倾引起的间接升沉运动叠加而成。直接的升沉运动速度通过对加速度传感器信号进行积分得到；间接的升沉运动速度利用倾角传感器进行检测，如图4所示，记船舶重心位置为O，重物的下放位置为O′，O-O′间距离为d，倾角传感器角度为α，a为重物的几何尺寸，则由三角形公式可得到升沉方向的位移为h＝(d+a)×tgα，对该位移进行微分即可得到横倾或纵倾引起的升沉运动速度。本发明利用DSP定时器1的中断方式，启动AD转换读取加速度传感器数据。

本发明中倾角传感器的输出为SCI串口输出，输出形式为RS232格式电平，与DSP中SCI输入接口的TTL电平不兼容，因此需要进行电平转换。图5是本发明中倾角传感器与DSP的连接示意图，采用Maxim公司的MAX232芯片进行电平转换，倾角传感器的SCI端口通过MAX232与DSP的SCI端口相连，通过设置DSP中与SCI端口相关的寄存器，即可获取倾角传感器的检测数据，再对该数据进行处理得到倾斜角度。

主、副伺服系统液压马达的转速利用旋转编码器来检测，本发明采用的光电式旋转编码器输出为脉冲输出，输出形式为RS422格式电平，与DSP中QEP模块输入接口的TTL电平不兼容，因此需要进行电平转换。图6是本发明中旋转编码器与DSP的连接示意图，采用Maxim公司的MAX490芯片进行电平转换，A、B分别为相位相差90°的两路输出。旋转编码器通过MAX490与DSP相连。本发明利用DSP定时器3和QEP模块实现液压马达转速和转向检测，首先设置DSP中与QEP模块相关的寄存器；然后启动定时器3，在一定时间内对QEP进行计数和辨向；最后对计数数据进行处理得到转速大小和方向，并关闭定时器3。

3)波浪补偿控制系统的控制流程

本发明的控制系统结构如图7所示，主要包括重物与被补给船相对速度的反馈控制和船舶运动速度预测的前馈控制。本发明中反馈控制采用了模糊PID控制算法，前馈控制采用了自回归(AR)模型预测控制算法。

模糊PID反馈控制：如图8所示，模糊PID反馈控制的关键是确定模糊控制规则。记输入偏差为E，偏差变化为E_c＝dE/dt，本发明选取偏差绝对值|E|和偏差变化绝对值|E_c|为输入语义变量，值域为{大(B)，中(M)，小(S)}，其隶属函数如图9、图10所示，分别记作u_be{|E|}，u_me{|E|}，u_se{|E|}，u_bec{|E_c|}，u_mec{|E_c|}，u_sec{|E_c|}。为了满足在不同|E|和|E_c|时良好的动静态控制性能，且计算量小易于在DSP中实现，本发明根据|E|和|E_c|的不同状态将其分成下面i)～v)五种状态：

i)|E|＝B；ii)|E|＝M且|E_c|＝B；iii)|E|＝M且|E_c|＝M；

iv)|E|＝M且|E_c|＝S；v)|E|＝S。

每种状态的隶属度可用下面i)～v)式计算：

i)u₁(|E|，|E_c|)＝u_be(|E|)；ii) u₂(|E|，|E_c|)＝u_me(|E|)∧u_bec(|E_c|)；

iii)u₃(|E|，|E_c|)＝u_me(|E|)∧u_mec(|E_c|)；iv) u₄(|E|，|E_c|)＝u_me(|E|)∧u_sec|E_c|)；

v)u₅(|E|，|E_c|)＝u_se(|E|)。

然后根据实际的|E|和|E_c|测量值，可由式(6)在线整定出PID控制的K_P，K_I，K_D三个参数，从而实现模糊PID反馈控制。

K_{P} = \frac{[Σ_{i = 1}^{5} u_{i} (| E |, | E_{c} |) \times K_{Pi}]}{[Σ_{i = 1}^{5} u_{i} (| E |, | E_{c} |)]}

K_{I} = \frac{[Σ_{i = 1}^{5} u_{i} (| E |, | E_{c} |) \times K_{Ii}]}{[Σ_{i = 1}^{5} u_{i} (| E |, | E_{c} |)]}

K_{D} = \frac{[Σ_{i = 1}^{5} u_{i} (| E |, | E_{c} |) \times K_{Di}]}{[Σ_{i = 1}^{5} u_{i} (| E |, | E_{c} |)]} - - - (6)

式中K_Pi、K_Ii和K_Di(i＝1，2，…，5)为参数K_P、K_I和K_D在不同状态下的加权值，可利用常规PID参数整定法来确定。

AR模型预测前馈控制：本发明的主动式波浪补偿系统固有时滞性强，要求预测步长较长、精度高和实时性好，为此本发明采用了基于AR(p)模型的船舶运动速度预测方法。假设{x(n)}，(n＝1，...，N)为船舶升沉运动速度的观测序列，则船舶升沉运动的p阶AR(p)模型可表示为：

Σ_{i = 0}^{p} a_{i} x (n - i) = e (n) - - - (7)

式中，a₀＝1，a_i(i＝1，2，...，p)为自回归参数，p为自回归序列模型阶次，{e(n)}为高斯白噪声。

基于AR(p)模型的舰船升沉运速度预测步骤可概括为：

Step1)对观测序列进行预处理，包括零均值、归一化；

Step2)采用常用快速定阶递推算法确定模型的阶次p；

Step3)采用常用递推最小二乘法估计模型的参数a_i；

Step4)一步预测结果为

\hat{x} (N + 1) = - Σ_{i = 1}^{p} {\hat{a}}_{i} x (N + 1 - i) - - - (8)

Step5)设预测步数为l，依此类推，当预测步数1＜l＜p时，把部分预测结果作为观测值用于后步预测，则l步预测结果为

\hat{x} (N + l) = - Σ_{i = 1}^{l - 1} {\hat{a}}_{i} \hat{x} (N + l - i) - Σ_{i = l}^{p} {\hat{a}}_{i} x (N + l - i) - - - (9)

当预测步数l≥p时，把全部预测结果作为观测值用于后步预测，则l步预测结果为

\hat{x} (N + l) = - Σ_{i = 1}^{p} {\hat{a}}_{i} \hat{x} (N + l - i) - - - (10)

最终，控制算法根据速度反馈量和预测量分别产生控制输出量，再通过外部D/A转换芯片DAC7731输出模拟电压，作用在主、副液压伺服系统上。

4)反馈和前馈控制的速度合成

本发明中反馈和前馈控制的速度合成通过图11所示的差动式行星轮系来实现的，由太阳轮、内齿圈和行星架三个构件组成，其中a为太阳轮，将其作为反馈控制输入，b为内齿圈，将其作为预测控制输入，c为行星轮，H为行星架作为合成速度输出，O、O_c为齿轮的圆心。

记三个构件的齿数分别为z_a、z_b和z_H，定轴轮系部分的传动比为u₀，反馈控制转速、预测控制转速和合成输出转速分别为n_a、n_b和n_H，则有如下关系式：

n_{H} = \frac{n_{a} - u_{0} n_{b}}{1 + u_{0}} - - - (11)

可见，合成输出的转速n_H大小和方向由反馈和预测控制转速确定，最终作用在卷扬机上，补偿重物的下放速度。

综上所述，利用本发明控制系统和装置，用户只需在控制面板上通过简单的按钮控制，就可以实现船舶升沉、横倾和纵倾三个自由度的主动式波浪补偿，降低了对操作人员技术水平的依赖性。

Claims

1.一种主动式波浪补偿控制系统，其特征是包括船舶运动参数检测模块、DSP控制模块和执行模块；其中运动参数检测模块包括加速度传感器、倾角传感器、第一旋转编码器、第二旋转编码器以及信号调理电路，执行模块包括主、副液压伺服系统和差动式行星传动卷扬机；所述加速度传感器、倾角传感器用于检测船舶运动参数并通过信号调理电路输入DSP控制模块，第一旋转编码器、第二旋转编码器分别检测主、副液压伺服系统的马达转速，并通过信号调理电路输入DSP控制模块计算重物的下放速度，DSP控制模块向主、副液压伺服系统输出控制信号，由主、副液压伺服系统控制差动式行星传动卷扬机吊放重物。