CN103350926B - 一种柔性管道自动收放控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性管道自动收放控制系统及方法，其中，所述柔性管道自动收放控制系统包括管道张力测量模块、管道长度测量模块以及用于控制张力调整电机的智能控制模块；所述管道张力测量模块用于采集当前悬浮状态下的管道张力，并发送给智能控制模块；所述管道长度测量模块用于获得管道伸出长度，发送相关信息给智能控制模块；所述智能控制模块用于接收管道张力测量模块和管道长度测量模块的数据信息，并分析处理数据，向张力调整电机发送控制指令。本发明弥补了目前已有张力控制技术未能在喷施管道运用的空白，能根据实况下的车距实时调节管道张力，调整管道伸出长度，使管道处于较佳的悬浮状态。

Description

一种柔性管道自动收放控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电机闭环控制技术，具体涉及一种柔性管道自动收放控制系统及方法。

背景技术

我国是农业大国，农作物病虫草鼠害情况严重。由于受植保机械落后的影响，一方面，喷施器械落后和农业资源有效利用率低下，不仅直接造成了经济上的巨大损失，我国每年因各种病虫害而造成的粮食损失多达4000万吨，约占全国粮食总产量的8.8％；另一方面，在采用常规方法喷施农药时，撒出去的农药只有25％-50％能沉积在作物叶片上，其余50-75％的农药则以挥发、飘移等形式散失，也带来了水土资源污染、生态系统失衡、人们的健康受到威胁等问题。因此，加强水稻生产植保机具研究，提高喷施作业效率和精度，意义重大。

目前，全国使用的植保机械以手动和小型机(电)动喷雾机为主，其中手动施药药械、背负式机动药械分别占国内植保机械保有量的93.07％和5.53％，拖拉机悬挂式植保机械约占0.57％。喷施器械落后和农业资源有效利用率低下，植保机械的整体落后情形与我国粮食大国地位极不相称，农药研发创新不断的格局也与喷施机具的研发改进缓慢状况不协调，因此发展植保机械，加强植保机械技术研发势在必行。

为了精确地使用农药，改善农药的中靶率，有效降低施药造成的浪费和带来的污染，提高作业效率，20世纪70年代以后，一些先进的喷施技术陆续在国内外应用，主要包括自动对靶喷雾、风送低量喷雾、风送远程喷雾、静电喷雾、回收循环喷雾、防雾滴飘移喷雾(用防飘喷头和风幕技术)、航空施药、大型喷杆喷雾等。但这些技术都存在不同的局限，一些技术尚处于试验阶段，未见大规模的市场推广应用；一些技术虽已推广应用，但在施药的作业成本、效率、精确度、可靠性以及区域适应性等方面很难取得平衡。尤其是水田作物，例如风送式，手持式、背负式喷药喷幅内远近梯度很难实现药液的均匀给药，也难实现精确对靶，重喷漏喷严重；过远的喷幅需要大的喷施压力，但也容易对幼苗造成伤害；常规喷药方法由于水稻，行距小，而且当水稻生长至封行期后，行垄不清晰，采用喷杆喷雾等传统机械难以进入田块实现喷药作业；喷杆式机具进入田间后由于田块局部不同，易造成喷杆颠簸倾斜等；飞机喷药价格高昂，高度和精度控制，易出现雾滴漂移和漏喷、叠喷现象等问题。因此，着力研究适应水田作业的高效率、高精度喷施作业的机理势在必行。

公开号为CN101507428B的发明专利提出了一种悬浮式管道喷施系统及其控制方法，用于在稻田中进行超宽幅农药高效精确喷施作业。该系统的原理如图1所示。

参见图1，该系统主要包括用于喷施的柔性管道1、肥料和农药供给控制器2、管道自动收放控制器3、鼓风机4以及用于挂载喷施系统的拖拉机5、6，其中，管道两端悬挂在两辆拖拉机上，管道的其中一端设置自动收放控制器，用于自动收放管道，另一端连接肥料和农药的供给装置。

此喷施系统从作物上方喷撒雾化的药液，喷洒高度可调，具有药液喷洒均匀的优势，同时具有其他作业机具无法比拟的超宽幅的优势，悬浮管道喷施作业方式不需要进入水稻田块，弥补了其他喷药机具由于进入行距小的水稻田而毁坏农作物的不足，真正适用于稻田农药高效喷施作业。

悬浮管道喷施作业方式的前提是管道悬浮，管道的自动收放是管道悬浮的关键。基于管道张力检测的自动收放系统是超宽幅稻田农药高效精确喷施作业机具的重要组成部分，实时调整管道的长度，保持一定的张力可实现在喷施作业过程中管道自动保持张紧状态，是增加稻田农药喷施作业幅宽、提高农药喷施作业效率的前提和基础。

所以管道的自动收放是整个喷药效果的关键。在自动喷药技术中，运用管道张力的自动收放控制技术进行精准喷药的研究未见报道。对于张力控制研究大多局限在纸张印刷工业、纺织工业和用于起重作业的钢丝上，未见有在自动喷药技术中对药液管道张力的控制的先例。

张力的自动控制一是要求传感器能在其工作场合灵敏准确测出张力，二是要求信息反馈后，执行机构执行，张力保持等一些列动作的控制流程精准、稳定、快速。在特定稻田喷施作业环境下，压力检测具有以下特点：用拖拉机拖动喷施机具作业，拖拉机振动较大，采用传统的压力检测，干扰因素太大；悬浮管道为较软的扁平材料，和纱线和钢丝的张力检测有很多区别，如何均匀检测压力，设计压力检测装置，精准地反应悬浮管道的张紧度十分关键。对张力的控制，也与纱线，钢丝的传统张力控制不同，目前张力控制的实例大部分是控制恒定张力。悬浮管道自动收放控制系统不是恒定系统，而是随动系统。悬浮管道的张力控制目标是随管道伸出长度变化的，并且其张力的变化是非线性的，这就有别于常规的张力控制方法。

要达到两车间的喷施管道有较好的悬浮效果，就要准确、快速、稳定的控制好管道的张力，必须保证检测、分析、控制、执行各个环节设计合理，在管道的张力的自动控制中，具体说来有如下特殊要求：

(1)张力的控制目标是连续变化的，因为车距随时变化，管道悬浮的对张力的要求也就随时变动，因此整个控制系统是个随动系统。这就区别于在一般场合下张力控制目标值固定的情形。

(2)下垂的管道曲线符合悬链公式，在每一个车距下，管道从下垂到崩紧为近乎直线，卷扬器所能收卷的长度并不一样，其随着车距增加而减小，这就要求比例控制中的比例系数随时变动。

(3)一般场合的张力控制为两端静止固定，此应用场合两车随时变化，张力控制的目标随之变动。张力是通过管道伸出长度调整的，管道伸出长度调整改变了当前张力大小，管道伸出长度调整的同时也反过来改变了张力控制目标区域，产生了新的张力控制目标区域。所以为双闭环控制，与一般场合调节材质长度只改变张力当前值不改变控制目标值的单闭环控制区别较大。

(4)需要实时监测扁形柔软材质的管道张力，尽可能的去除田间承载机具振动和其他带来的干扰，所以要求尽可能高频率的检测信息、尽可能高的模数转换速度、系统运算速度等，减少闭环控制的反应时间。

(5)需要实时测量当前伸出卷扬器的管道长度。

现有技术中的张力自动控制无法达到上述的要求。例如：公开号为CN202670908U的发明专利公开了一种自动调节纱线张力的调节器，但该装置只适用于小张力的纱线，不能用于本发明所述的管道悬浮喷施作业；公开号为CN102897597A的实用新型专利公开了一种对钢丝绳张力自动调节的装置，其控制的扭矩较大，但其是控制在预先设定了的一个张力范围，而本发明所需场合要求张力的控制目标是连续变化的。公开号为CN201998525U的的实用新型专利公开了一种报纸印刷机的纸卷张力自动控制系统，测量的是类似于本发明的扁质型材的张力控制，其主要通过制动器来实现放出纸张过程中的张力控制，而悬浮式管道喷施系统喷施管道既有“收”也有“放”。检索到的相关专利都未能达到以上具体列出的特殊要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种能实时检测管道悬浮状态信息，对管道进行张力控制使管道处于较佳的悬浮状态的柔性管道自动收放控制系统及装置。

本发明实现上述目的的技术方案为：

一种柔性管道自动收放控制系统，包括管道张力测量模块、管道长度测量模块以及用于控制张力调整电机的智能控制模块；其中，

所述管道张力测量模块用于采集当前悬浮状态下的管道张力，并发送给智能控制模块；

所述管道长度测量模块用于获得当前管道伸出长度，发送相关信息给智能控制模块；

所述智能控制模块用于接收管道张力测量模块和管道长度测量模块的数据信息，并分析处理数据，向张力调整电机发送控制指令。

所述管道张力测量模块包括压力传感器、滤波和信号放大模块、模数转换模块以及安装支架；其中，所述压力传感器用于采集承载管道的轴承向下给压力传感器的压力；所述滤波和信号放大模块用于接收压力传感器信号后滤去振动干扰，再放大信号；模数转换模块用于把信号进行模数转换，并发送给智能控制模块；所述安装支架用于安装压力传感器，并把管道张力转变成为压在压力传感器上的压力；所述承载管道的轴承设置于安装支架上，所述压力传感器设置于轴承的下部。

所述安装支架包括两块竖直设置的支撑板，每一支撑板上设有多组高度不同的螺栓孔；每一支撑板上设有一个用于承载管道的轴承，两轴承之间设有转轴，所述管道悬挂在该转轴上；所述轴承设置在轴承座上，该轴承座固定在连接板上，该连接板通过螺栓以及其中一组螺栓孔固定连接在支撑板上。

所述管道长度测量模块包括霍尔传感器、比较器、多个磁珠以及支架；其中，所述多个磁珠沿圆周方向均匀设置在卷扬器的卷筒上，所述霍尔传感器设置于支架上，且当卷筒转动时，所述多个磁珠依次对准霍尔传感器；霍尔传感器用于检测磁珠转过的信号，该信号经过比较器整理后发送给智能控制模块。

所述智能控制模块包括微控制器、数据储存器、电池模块以及电机正反调速控制器；其中，所述微控制器用于在接收管道长度测量模块和管道张力测量模块采集的信息后进行分析并发出指令给电机正反调速控制器，最终由电机正反调速控制器控制张力调整电机的正反转和速度来调整管道张力；所述数据储存器用来储存管道长度测量模块和管道张力测量模块获取的数据。进一步地，还可以包括稳压模块、电池电量检测模块、按键模块、屏显模块、无限远程遥控模块和电池电量检测模块等。

所述压力传感器是角位移式、差动变压器式、电阻应变片式、电感式或电容式压力传感器；所述电机正反调速控制器包括用于实现电机正反转的H桥电路或者继电器控制电路；所述的张力调整电机为有刷直流电机、无刷直流电机或者交流电机；张力调整电机与卷扬器之间通过链传动机构、齿轮传动机构或者带传动机构连接。

一种应用上述柔性管道自动收放控制系统实现的柔性管道自动收放控制方法，包括以下步骤：

(1)根据压力传感器检测到的压力以及该压力与管道张力之间的矢量关系，算得当前管道张力F；同时，根据霍尔传感器实时监测掠过的磁珠来往次数，得出卷扬器角位移，进而计算出当前管道伸出长度L；

(2)根据当前管道伸出长度L，并依据管道伸出长度与张力目标域的关系数据库确定当前管道伸出长度L下允许的管道张力最大值和张力最小值；进而判断当前管道张力是否落在该控制目标区域内，如果落入，则控制张力调整电机停止转动，并重新执行步骤(1)，如果没有落入，则继续进行下面的步骤；

(3)微控制器采用比例控制的方法对张力调整电机进行控制，张力调整电机的控制速度通过以下方式确定：根据管道伸出长度与张力目标域的关系数据库确定当前管道伸出长度L下的最佳管道张力FE，可得张力偏差e(t)＝F-FE，根据控制系统比例系数与管道伸出长度的关系数据库确定当前管道伸出长度下的控制系统比例系数Kp，可得张力调整电机的控制速度v＝e(t)·Kp；张力调整电机的转动方向与张力偏差e(t)有关，e(t)为正时，张力调整电机朝放松管道的方向转动，e(t)为负时，张力调整电机朝收紧管道的方向转动；

(4)系统以一定的频率重复进行步骤(1)～(3)。

所述管道伸出长度与张力目标域的关系数据库通过实验获得，实验方法是：选取一定长度的管道，该管道一端固定，另一端游动；当管道松弛成弧形，最低点下垂至离两端竖直距离达到最大允许值时，所测得的管道张力为该管道伸出长度下的张力最小值，当管道由松弛的弧形状态绷紧至近乎直线状态时，所测得的管道张力为该管道伸出长度下的张力最大值，所述张力最小值和张力最大值之间的中间值为张力最佳值；依次对不同长度下的管道的张力最小值和张力最大值进行测量，最终形成管道伸出长度与张力目标域的关系数据库。

所述控制系统比例系数通过实验获得，实验方法如下：

(1)建立张力目标域值与管道伸出长度的关系数据库；

(2)测定管道长度可调域与管道伸出长度的关系数据库；

(3)结合张力目标域值与管道伸出长度的关系数据库和管道长度可调域与管道伸出长度关系数据库，通过实验整定获得控制系统比例系数与管道伸出长度的关系数据库。

所述管道长度可调域与管道伸出长度的关系数据库通过以下方法测得：实验性地让管道伸出一定长度并做好记录，然后卷扬器端锁死，另一端水平左右游动使得管道最低点下垂至离两端竖直距离达到最大允许值，此时此端锁定固定不动，之后卷扬器端收卷管道至近乎直线，测得卷扬器所能收卷长度；重复以上步骤，依次对不同管道伸出长度下卷扬器所能收卷长度进行测量，形成管道长度可调域，进而获得管道长度可调域与管道伸出长度的关系数据库。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

本发明提供了一种柔性管道自动控制系统，弥补了目前已有张力控制技术未能在喷施管道运用的空白，能根据实况下的车距实时调节管道张力，调整管道伸出长度，使管道处于较佳的悬浮状态。

上述有益效果能实现悬浮管道喷施作业机具的作业，也能进一步探明被测柔性悬浮管道的相关参数，为下一步改进机具及其作业方式提供理论依据。例如，掌握不同材料，不同浓度药液下的管道悬浮特性，这些有助于决策出更佳的管道悬浮效果，为悬浮管道喷施作业机具的发展提供更多理论依据。

附图说明

图1为现有技术中悬浮式管道喷施系统的结构示意图。

图2为本发明的柔性管道自动收放控制系统的总体结构示意图。

图3为本发明的柔性管道自动收放控制系统的硬件框架示意图。

图4为本发明的安装支架的结构示意图。

图5为本发明的柔性管道自动收放控制系统的软件的功能框架示意图。

图6为本发明的柔性管道自动收放控制方法的算法框架图。

图7为本发中卷扬器圈数与管道收卷长度的关系图。

图8为本发明中管道张力与管道伸出长度的关系图。

图9为本发明中张力目标域值与管道伸出长度的关系图。

图10为本发明中管道伸出长度可调域与管道伸出长度的关系图。

图11本发明中系统比例系数与管道伸出长度的关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图2和图3，本发明的柔性管道自动收放控制系统包括管道张力测量模块7、管道长度测量模块8以及用于控制张力调整电机10的智能控制模块9。其中：所述管道张力测量模块7用于采集当前悬浮状态下的管道张力，并发送给智能控制模块9；所述柔性管道长度测量模块8用于获得当前管道伸出长度，发送卷扬器收卷信息给智能控制模块9；所述智能控制模块9用于接收管道张力测量模块7和管道长度测量模块8的数据信息，并分析处理数据，向张力调整电机10发送控制指令。

参见图2～图4，所述管道张力测量模块7包括压力传感器、滤波和信号放大模块、模数转换模块以及安装支架。其中，压力传感器用于采集承载管道1的轴承18向下给压力传感器的压力，该压力传感器采用广州电测仪器厂YZC-1B电阻应变片式压力传感器。滤波和信号放大模块用于接收压力传感器信号后滤去振动干扰，再放大信号，采用低噪声可编程放大器，可增益放大32、64、128倍数。模数转换模块用于把信号进行模数转换，并发送给智能控制模块9，采用HX77芯片，频率达到80Hz，精度达到24位，根据实际需求采用16位，通过串口I2C发送数据。参见图4，安装支架用于安装压力传感器，并把管道张力转变成为压在压力传感器上的压力；所述承载管道1的轴承18设置于安装支架上，所述压力传感器设置于轴承18的下部。该安装支架包括两块竖直设置的支撑板13，每一支撑板13上设有多组高度不同的螺栓孔14；每一支撑板13上设有一个用于承载管道1的轴承18，两轴承18之间设有转轴19，所述管道1悬挂在该转轴19上；所述轴承18设置在轴承座17上，该轴承座17固定在直角形的连接板16上，该连接板16通过螺栓15以及其中一组螺栓孔14固定连接在支撑板13上。该安装支架中，所述轴承18可以设置在支撑板13的不同高度上，从而改变压在压力传感器上的压力与管道张力之间的夹角大小，这样作用在压力传感器上的压力也可以通过调节轴承18的设置高度来调整，从而适应压力传感器量程的要求，例如，当管道张力过小时，可以将轴承18设置得更高些，这样作用在压力传感器上的压力会变大，使压力传感器能更敏感地捕获管道张力。

参见图2和图3，所述管道长度测量模块8包括霍尔传感器、比较器、36颗磁珠11以及支架，图2中只显示了部分磁珠。其中，所述36颗磁珠11沿圆周方向均匀设置在卷扬器的卷筒12的边缘上。所述霍尔传感器设置于支架上，且当卷筒12转动时，所述36颗磁珠11依次对准霍尔传感器；该霍尔传感器用于检测磁珠11转过的信号，该信号经过比较器整理后发送给智能控制模块9。所述比较器22采用LM393芯片。其工作原理是：当磁珠11随卷筒12转动而越过霍尔传感器时，霍尔传感器通过磁感应检测到该信号，并输出低电平，通过串口发送给智能控制模块9；智能控制模块9通过统计磁珠11越过的次数便可得到卷筒12转过的角位移(包括整圈数和不足一圈的角位移)，进而通过查表获得管道收卷长度。进而用管道总长度减去管道收卷长度，得出管道伸出长度。

参见图3，所述智能控制模块9包括微控制器、数据储存器、电池模块、稳压模块、电池电量检测模块、电机正反调速控制器、按键模块、屏显模块以及无线远程遥控模块等。其中，微控制器用于在接收管道长度测量模块8和管道张力测量模块7采集的信息后进行分析并发出指令给电机正反调速控制器，最终由电机正反调速控制器控制张力调整电机10的正反转和速度来调整管道张力。本实施例中，微控制器采用STC12C5A60S单片机，电机正反调速控制器采用H桥直流电机驱动器，微控制器通过当前管道伸出长度值查阅管道悬浮的张力最大值和张力最小值，再比对当前管道张力值，计算得出电机控制相关值，通过输出PWM的占空比，调节H桥直流电机驱动器控制电机的转速；另外，H桥直流电机驱动器可实现电机的正转、反转、停转。所述数据储存器采用24c08模块，用来储存管道长度测量模块8和管道张力测量模块7获取的数据。按键模块用来设定系统参数。屏显模块用来显示系统信息，采用1602显示屏和四个按钮实现翻看储存数据，设定相关功能。无线远程遥控模块分为发射和接收模块，用于无线远程设定系统参数，采用非锁型四键无线远程遥控，开阔地控制距离达到200m。电池模块为拖拉机供电；电池电量检测模块用以监视电池模块电量并反映在屏显模块；稳压模块采用LM2576芯片的三段稳压电路，将12V的拖拉机电源稳定在5V单片机所需电压，转换效率为75％到88％；同时为管道张力测量模块7和管道长度测量模块8等其他模块供电。

本实施方式中，张力调整电机10为蜗轮蜗杆减速有刷直流电机，直流马达220W，额定电压24V，额定电流15A，转速是112r/min扭矩是200kg·cm，减速箱减速比是15。电机及减速器效率达60％，具有断电自锁功能。电机自带蜗轮蜗杆减速器输出轴装链轮，卷扬器和减速器通过链条传动，卷扬器半径4cm，所用管道1为不漏风的帆布质材料。

参见图6，本发明的应用上述柔性管道自动收放控制系统实现的柔性管道自动收放控制方法包括以下步骤：

(1)根据压力传感器检测到的压力以及该压力与管道张力之间的矢量关系，算得当前管道张力F；同时，根据霍尔传感器实时监测掠过的磁珠来往次数，得出卷扬器角位移，进而计算出管道收卷长度(即当前收卷在卷扬器上的管道长度)，进而间接得出当前管道伸出长度L(管道总长度减去管道收卷长度)；

(2)根据当前管道伸出长度L，并依据管道伸出长度与张力目标域的关系数据库确定当前管道伸出长度L下允许的管道张力最大值和张力最小值，即获得控制目标域；进而判断当前管道张力是否落在控制目标域内，如果落入，则控制张力调整电机停止转动，并重新执行步骤(1)，如果没有落入，则继续进行下面的步骤；

(3)微控制器采用比例控制方法对张力调整电机进行控制，张力调整电机的控制速度通过以下方式确定：根据管道伸出长度与张力目标域的关系数据库确定当前管道伸出长度L下的最佳管道张力FE，可得张力偏差e(t)＝F-FE，根据控制系统比例系数与管道伸出长度的关系数据库确定当前管道伸出长度下的控制系统比例系数Kp，可得张力调整电机的控制速度v＝e(t)·Kp；张力调整电机的转动方向与张力偏差e(t)有关，e(t)为正时，张力调整电机朝放松管道的方向转动，e(t)为负时，张力调整电机朝收紧管道的方向转动；

(4)系统以80Hz的频率重复进行步骤(1)～(3)。

参见图2和图4，压在压力传感器上的压力与管道张力的矢量关系可事先确定，因此通过检测压力传感器上的压力便可算得当前管道张力。

参见图7，该图为卷扬器收卷圈数与管道收卷长度的关系图，该数据通过实际测量获得，为步骤(1)中计算当前管道伸出长度提供了数值依据。

参见图8，该图为管道伸出长度与张力目标域的关系图。该数据通过实验获得，实验方法是：选取一定长度的管道，该管道一端固定，另一端游动；当管道松弛成弧形，最低点下垂至离两端竖直距离达到55cm时，所测得的管道张力为该管道伸出长度下的张力最小值，当管道由松弛的弧形状态绷紧至近乎直线状态时，所测得的管道张力为该管道伸出长度下的张力最大值，所述张力最小值和张力最大值之间的中间值为张力最佳值；依次对不同长度下的管道的张力最小值和张力最大值进行测量，最终形成步骤(2)中的管道伸出长度与张力目标域的关系数据库。实验所用管道为帆布材质，长49.1m，宽13cm，通过实验，测量管道从0.6m到49.1m各处的张力最小值和张力最大值。张力最小值和张力最大值对应管道的最佳悬浮状态，为控制目标区域。当管道张力小于张力最小值时，代表管道过于松弛；当管道张力大于张力最大值时，代表管道过紧，直至崩断，超过张力最大值和张力小于最小值都为本系统管道的非正常状态。

上述步骤(3)中，所述控制系统比例系数通过实验获得，该控制系统比例系数与两辆拖拉机之间的管道伸出长度有关，不同的管道伸出长度，对应不用的张力目标域值和不同的管道伸出长度可调域，而不同的张力目标域值和不同的管道长度可调域对控制系统比例系数有直接的影响。具体实验方法如下：

(1)建立张力目标域值与管道伸出长度的关系数据库。参见图9，该图为张力目标域值与管道伸出长度的关系图，该图由图8变换获得，张力目标域值是指图8中张力最大值和张力最小值的差值；不同的管道伸出长度对应着不同的张力目标域值。

(2)测定管道长度可调域与管道伸出长度的关系数据库。方法如下：实验性地让管道伸出一定长度并做好记录，然后卷扬器端锁死，另一端水平左右游动使得管道最低点下垂至离两端竖直距离达到最大允许值时，此时此端锁定固定不动，之后卷扬器端收卷管道至近乎直线，测得卷扬器所能收卷长度；重复以上步骤，依次对不同管道伸出长度下卷扬器所能收卷长度进行测量，形成管道长度可调域，进而获得管道长度可调域与管道伸出长度的关系数据库。该实验方法的原理是：因为管道下垂曲线符合悬链公式，本控制系统实验所得的管道长度可调域约为其悬链曲线长与曲线两端点之间的弦长的差值(管道下垂曲线类似悬链曲线，管道拉直成直线类似曲线两端点之间的弦长)。在该理论基础上，考虑实际管道的形变以及材质等误差影响，通过上述实验，获得如图10所示的具体数值，为控制系统提供数值依据。

(3)结合张力目标域值与管道伸出长度的关系数据库和管道长度可调域与管道伸出长度的关系数据库，通过实验整定获得控制系统比例系数与管道伸出长度的关系数据库。在比例控制中，控制系统比例系数代表着响应速度，保证合理的控制系统比例系数才能确保系统响应快速，不同的管道伸出长度有不同的控制系统比例系数。从图9可以看出，管道伸出长度越大，张力目标域值越大，从图10可以看出，管道伸出长度越大，管道长度可调域越小，亦即当管道伸出长度较小时，需要收放较长的管道来调节管道张力，而当管道伸出长度较大时，只要收放较短的管道便可调整管道张力，相应地，当管道伸出长度较小时，控制系统比例系数要大些，当管道伸出长度较大时，控制系统比例系数要小些，这样能够保证系统快速响应，控制张力调整电机以较合理的速度进行调整。因此，结合图9和图10，经实验整定可行后得图11的控制系统比例系数与管道伸出长度的关系图。

参见图5，该图为本发明的柔性管道自动收放控制系统软件的功能框架示意图，主菜单选项为四个模式：数据检测模式、数据显示模式、自动运行模式和手动控制模式。其中数据检测模式，通过放开管道，测量出管道悬浮松紧对应的张力最大值和张力最小值，即是数据检测模式所获得的数据表格；它是系统正式工作前期准备，作为参照数据，用于后期实时比对。数据显示模式用于查看储存的历史数据，对系统检查和改进提供帮助，自动控制模式是系统正式工作的模式，是算法(见图6)的实现过程，显示模块同时显示当前的张力值、偏差值、管道伸出长度、可调域、电机的正反转状况、电机速度、电池电量等。手动控制模块是作业完毕后，对管道进行收卷，或者作业暂停对管道伸出长度进行人工调整，在管道的调整过程中，管道伸出长度检测模块一直工作计量，以便于随时切换进入其他模式，例如再次进入自动运行模式时，系统计量的管道的长度与实际管道伸出长度没有因为停止自动运行模式而产生偏差。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种柔性管道自动收放控制系统，其特征在于，包括管道张力测量模块、管道长度测量模块以及用于控制张力调整电机的智能控制模块；其中，

所述管道张力测量模块用于采集当前悬浮状态下的管道张力，并发送给智能控制模块；

所述管道长度测量模块用于获得当前管道伸出长度，发送相关信息给智能控制模块；

所述智能控制模块用于接收管道张力测量模块和管道长度测量模块的数据信息，并分析处理数据，向张力调整电机发送控制指令；

所述管道张力测量模块包括压力传感器、滤波和信号放大模块、模数转换模块以及安装支架；其中，所述压力传感器用于采集承载管道的轴承向下给压力传感器的压力；所述滤波和信号放大模块用于接收压力传感器信号后滤去振动干扰，再放大信号；模数转换模块用于把信号进行模数转换，并发送给智能控制模块；所述安装支架用于安装压力传感器，并把管道张力转变成为压在压力传感器上的压力；所述承载管道的轴承设置于安装支架上，所述压力传感器设置于轴承的下部；

所述管道长度测量模块包括霍尔传感器、比较器、多个磁珠以及支架；其中，所述多个磁珠沿圆周方向均匀设置在卷扬器的卷筒上，所述霍尔传感器设置于支架上，且当卷筒转动时，所述多个磁珠依次对准霍尔传感器；霍尔传感器用于检测磁珠转过的信号，该信号经过比较器整理后发送给智能控制模块；

所述智能控制模块包括微控制器、数据储存器、电池模块以及电机正反调速控制器；其中，所述微控制器用于在接收管道长度测量模块和管道张力测量模块采集的信息后进行分析并发出指令给电机正反调速控制器，最终由电机正反调速控制器控制张力调整电机的正反转和速度来调整管道张力；所述数据储存器用来储存管道长度测量模块和管道张力测量模块获取的数据。

2.根据权利要求1所述的柔性管道自动收放控制系统，其特征在于，所述安装支架包括两块竖直设置的支撑板，每一支撑板上设有多组高度不同的螺栓孔；每一支撑板上设有一个用于承载管道的轴承，两轴承之间设有转轴，所述管道悬挂在该转轴上；所述轴承设置在轴承座上，该轴承座固定在连接板上，该连接板通过螺栓以及其中一组螺栓孔固定连接在支撑板上。

3.根据权利要求1所述的柔性管道自动收放控制系统，其特征在于，所述压力传感器是角位移式、差动变压器式、电阻应变片式、电感式或电容式压力传感器；所述电机正反调速控制器包括用于实现电机正反转的H桥电路或者继电器控制电路；所述的张力调整电机为有刷直流电机、无刷直流电机或者交流电机；张力调整电机与卷扬器之间通过链传动机构、齿轮传动机构或者带传动机构连接。

4.一种应用权利要求1所述的柔性管道自动收放控制系统实现的柔性管道自动收放控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据压力传感器检测到的压力以及该压力与管道张力之间的矢量关系，算得当前管道张力F；同时，根据霍尔传感器实时监测掠过的磁珠来往次数，得出卷扬器角位移，进而计算出当前管道伸出长度L；

(2)根据当前管道伸出长度L，并依据管道伸出长度与张力目标域的关系数据库确定当前管道伸出长度L下允许的管道张力最大值和张力最小值；进而判断当前管道张力是否落在该控制目标区域内，如果落入，则控制张力调整电机停止转动，并重新执行步骤(1)，如果没有落入，则继续进行下面的步骤；

(3)微控制器采用比例控制的方法对张力调整电机进行控制，张力调整电机的控制速度通过以下方式确定：根据管道伸出长度与张力目标域的关系数据库确定当前管道伸出长度L下的最佳管道张力FE,可得张力偏差e(t)＝F-FE，根据控制系统比例系数与管道伸出长度的关系数据库确定当前管道伸出长度下的控制系统比例系数Kp，可得张力调整电机的控制速度v＝e(t)·Kp；张力调整电机的转动方向与张力偏差e(t)有关，e(t)为正时，张力调整电机朝放松管道的方向转动，e(t)为负时，张力调整电机朝收紧管道的方向转动；

(4)系统以一定的频率重复进行步骤(1)～(3)。

5.根据权利要求4所述的柔性管道自动收放控制方法，其特征在于，所述管道伸出长度与张力目标域的关系数据库通过实验获得，实验方法是：选取一定长度的管道，该管道一端固定，另一端游动；当管道松弛成弧形，最低点下垂至离两端竖直距离达到最大允许值时，所测得的管道张力为该管道伸出长度下的张力最小值，当管道由松弛的弧形状态绷紧至近乎直线状态时，所测得的管道张力为该管道伸出长度下的张力最大值，所述张力最小值和张力最大值之间的中间值为张力最佳值；依次对不同长度下的管道的张力最小值和张力最大值进行测量，最终形成管道伸出长度与张力目标域的关系数据库。

6.根据权利要求5所述的柔性管道自动收放控制方法，其特征在于，所述控制系统比例系数通过实验获得，实验方法如下：

(1)建立张力目标域值与管道伸出长度的关系数据库；

(2)测定管道长度可调域与管道伸出长度的关系数据库；

(3)结合张力目标域值与管道伸出长度的关系数据库和管道长度可调域与管道伸出长度关系数据库，通过实验整定获得控制系统比例系数与管道伸出长度的关系数据库。

7.根据权利要求6所述的柔性管道自动收放控制方法，其特征在于，所述管道长度可调域与管道伸出长度的关系数据库通过以下方法测得：实验性地让管道伸出一定长度并做好记录，然后卷扬器端锁死，另一端水平左右游动使得管道最低点下垂至离两端竖直距离达到最大允许值，此时此端锁定固定不动，之后卷扬器端收卷管道至近乎直线，测得卷扬器所能收卷长度；重复以上步骤，依次对不同管道伸出长度下卷扬器所能收卷长度进行测量，形成管道长度可调域，进而获得管道长度可调域与管道伸出长度的关系数据库。