CN104110050A - 基于数字信号处理器的挖泥船专用控制器 - Google Patents

Abstract

基于数字信号处理器的挖泥船专用控制器，硬件部分工控机通过以太网接口和数字信号处理器相连，进行数据交换。可编程控制器通过串行接口RS-232和数字信号处理器相连进行数据传输。以太网通讯接口、串行接口RS232、串行接口RS485和数据采集接口通过相应的接口电路和数字信号处理器进行连接。信号调理电路直接将调理后的信号输入到数据采集接口再进一步由数字信号处理器处理。电源模块直接将相应的电源信号通过导线连接到数字信号处理器、串行接口RS232、串行接口RS485、数据采集接口、信号调理电路等电路中。软件部分采用可编程控制器（PLC）交流变频驱动和智能控制算法，控制起重机的起升机构按照预定的轨迹运行，实现对抓斗的控制，使抓斗能够实现平挖功能，挖掘后的海床平整度精度达到±10cm的疏浚施工要求。

Description

基于数字信号处理器的挖泥船专用控制器

技术领域

本发明涉及一种专用控制器，特别是涉及一种基于数字信号处理器的挖泥船专用控制器。 

背景技术

抓斗挖泥船是目前国际上进行航道疏浚、水底施工挖掘的专用机械设备。目前国内外使用的抓斗挖泥船均采用可编程控制器(PLC)进行控制。挖泥船上的起重机部分通常由操作人员进行手动操作，通过人眼的观察，控制抓斗的开斗、闭斗、起升、下降的操作，在挖泥船进行水下定深挖掘和水底平挖操作时，由于作业区水浑浊无法观察，因此无法保证质量和无法进行平挖作业。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数字信号处理器的挖泥船专用控制器，可以在抓斗处于水下部分无法通过视频方式进行监视的情况下，控制挖泥船的起升机构按照预定的轨迹运行，实现对抓斗的控制，使抓斗能够进行平挖。 

本发明实现上述目的的技术方案是：硬件部分包括工控机(PC)、可编程控制器(PLC)、数字信号处理器(DSP)、以太网通讯接口(EI)、串行接口RS232、串行接口RS485、数据采集接口(AD)、信号调理电路(TC)、电源模块(Power)、传感器(Sensor)以及控制按钮和指示灯。工控机(PC)通过以太网接口(EI)和数字信号处理器(DSP)相连，进行数据交换；可编程控制器(PLC)通过串行接口RS-232和数字信号处理器(DSP)相连进行数据传输；以太网通讯接口(EI)、串行接口RS232、串行接口RS485和数据采集接口(AD)通过相应的接口电路和数字信号处理器(DSP)进行连接；信号调理电路(TC)直接将调理后的信号输入到数据采集接口(AD)再进一步由数字信号处理器(DSP)处理；电源模块(Power)直接将相应的电源信号通过导线连接到数字信号处理器(DSP)、 串行接口RS232、串行接口RS485、数据采集接口(AD)、信号调理电路(TC)等电路中。 

软件部分通过对抓斗平挖运动学分析和抓斗平挖控制模型理论研究，采用可编程控制器(PLC)交流变频驱动和智能控制算法，最终实现抓斗挖泥船的平挖功能。 

按上述方案，所述的以太网采用了标准的用户数据包协议(UDP)、互联网TCP/IP协议。串行接口RS232、串行接口RS485支持可编程控制器(PLC)厂家专用协议。 

按上述方案，所述的感器(Sensor)包括测速编码器和力矩限制器，测速编码器通过键安装在电机轴上，力矩限制器安装在起重机定滑轮轴下。 

按上述方案，所述的数字信号处理器(DSP)、以太网通讯接口(EI)、串行接口RS232、串行接口RS485和数据采集接口(AD)集成在同一个电路板上，然后和信号调理电路(TC)、电源模块(Power)固定在一个专用控制盒中。控制按钮和指示灯均安装在该专用控制盒上面，方便操作和显示相应的状态。 

按上述方案，所述的工控机(PC)安装在司机室操作台内，方便操作；可编程控制器(PLC)安装在司机室电气柜中；专用控制盒固定在司机室方便操作的位置。 

本发明采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，在外围分别搭建有以太网接口和串行接口，通过内部控制程序，能够通过外围设计的通讯接口和起重机构的可编程控制器(PLC)进行通讯连接，控制起升机构自动运行，实现自动挖掘功能。能够通过以太网和工控机(PC)进行通讯，接受上位机的控制命令、位置信息以及将控制器检测数据发送给工控机(PC)进行数据实时显示和数据记录。 

本发明的优点是：本发明安装在起重机控制系统中，通过计算，将控制指令通过通讯的方式发送给起重机的可编程控制器(PLC)，控制起重机的起升机构按照预定的轨迹运行，实现对抓斗的控制，使抓斗能够实现平挖功能，挖掘后的海床平整度精度达到±10cm的疏浚施工要求。同时，采用标准的通讯接口和可编程控制器(PLC)进行双向数据交换，能够适应国际上多数的可编程控制器(PLC)，采用通讯接口与工控机(PC)交换数据。 

附图说明

图1为本发明的系统结构框图。 

图2为本发明以太网通讯接口原理图。 

图3为本发明的信号调理电路原理图。 

图4为本发明串口通讯接口原理图。 

具体实施方式：

如图1、图2、图3、图4所示，包括工控机(PC)、可编程控制器(PLC)、数字信号处理器(DSP)、以太网通讯接口(EI)、串行接口RS232、串行接口RS485、数据采集接口(AD)、信号调理电路(TC)、电源模块(Power)、传感器(Sensor)以及控制按钮和指示灯。工控机(PC)通过以太网接口(EI)和数字信号处理器(DSP)相连，进行数据交换；可编程控制器(PLC)通过串行接口RS-232和数字信号处理器(DSP)相连进行数据传输；以太网通讯接口(EI)、串行接口RS232、串行接口RS485和数据采集接口(AD)通过相应的接口电路和数字信号处理器(DSP)进行连接；信号调理电路(TC)直接将调理后的信号输入到数据采集接口(AD)再进一步由数字信号处理器(DSP)处理；电源模块(Power)直接将相应的电源信号通过导线连接到数字信号处理器(DSP)、串行接口RS232、串行接口RS485、数据采集接口(AD)、信号调理电路(TC)等电路中。 

智能控制算法主要是传统的比例-积分-微分控制(即PID)控制和模糊PID 相结合的控制方式。PID控制的控制算式为： 

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(t\right)\mathrm{dt}+K_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{t}---\left(1\right)$

式中u(t)为时间t时刻的PID控制器的输出量；e(t)为t时刻的给定输入量与输出量的误差；dt是微分符号；是在0～t时刻内对误差e(t)求积分；是t时刻对误差e(t)求微分；K_P、K_i和K_d分别为比例系数、积分系数和微分系数。 

从PID控制特点知道：比例作用强，系统超调大，响应快，但稳态误差大；积分作用强，静差小，但响应时间长；微分作用强，系统稳定性好，超调小，但抑制干扰能力下降。针对不同阶段的位置偏差和位置偏差变化率，比例系数K_P、积分系数K_i和微分系数K_d整定可以按凑试法进行整定。 

模糊PID控制器的系统结构主要由参数可调PID和模糊控制器两部分组成，采用模糊推理方法对PID参数K_P、K_i和K_d进行在线整定，以满足不同的位置偏差和位置偏差变化率对控制器参数的不同要求，而使被控对象具有良好的动态、静态性能。模糊控制器输入为2路、输出为3路，模糊控制涉及的两个输入是钢丝绳位置的偏差绝对值θ_e和偏差绝对值变化率Δθ_e，输出量是PID参数K_P、K_i和K_d。设定θ_e、Δθ_e以及PID参数K_P、K_i和K_d的模糊控制论域，采用7种不同的模糊语言变量进行描述： 

θ_e的论域为[-3，3]，Δθ_e的论域为[-1，1]，K_P的论域为[50，60]，K_i的论域为[0.5，1.5]，K_d的论域为[5，15]，输入输出量都定义7个语言变量值{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(Z)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，根据实验数据确定模糊规则，隶属度函数采用高斯函数并在论域范围采用均匀对称分布。模糊控制规则用θ_e、Δθ_e、K_P、K_i、K_d描述，模糊控制规则表如表1所示。模糊控制规则编写如下，例如θ_e＝NB、Δθ_e＝NB对应的规则具有以下的形 式。 

Ifθ_e＝NBandΔθ_e＝NB then(K_P＝NB)(K_i＝NB)(K_d＝NB)    (2) 

此语句的意思是：如果θ_e＝NB并且Δθ_e＝NB，那么K_P＝NB、K_i＝NB、K_d＝NB，其他情况依次类推即可。 

表1模糊控制规则 

本实用新型的工作过程是这样的： 

本控制器系统上电后，数字信号处理器(DSP)进行自检，通过自检以后进入待命状态。起重机操作人员通过工控机(PC)对控制器进行设定，包括深度、速度等。操作人员将起重机抓斗移动到抓取位置，按下运行按钮，数字信号处理器(DSP)自动完成一个抓斗抓取流程。 

在抓取过程中，数字信号处理器(DSP)自动检测起升重量和抓斗实际高度，实现定深挖或平挖功能。同时整个运行过程，通过以太网发送给工控机(PC)进行实时显示和记录。 

Claims (5)

1.一种基于数字信号处理器的挖泥船专用控制器，其特征在于：硬件部分包括工控机（PC）、可编程控制器（PLC）、数字信号处理器（DSP）、以太网通讯接口(EI)、串行接口RS232、串行接口RS485、数据采集接口（AD）、信号调理电路（TC）、电源模块（Power）、传感器（Sensor）以及控制按钮和指示灯；工控机（PC）通过以太网接口（EI）和数字信号处理器（DSP）相连，进行数据交换；可编程控制器（PLC）通过串行接口RS-232和数字信号处理器（DSP）相连进行数据传输；以太网通讯接口（EI）、串行接口RS232、串行接口RS485和数据采集接口（AD）通过相应的接口电路和数字信号处理器（DSP）进行连接；信号调理电路（TC）直接将调理后的信号输入到数据采集接口（AD）再进一步由数字信号处理器（DSP）处理；电源模块（Power）直接将相应的电源信号通过导线连接到数字信号处理器（DSP）、串行接口RS232、串行接口RS485、数据采集接口（AD）、信号调理电路（TC）等电路中；

    软件部分采用可编程控制器（PLC）交流变频驱动和智能控制算法，实现抓斗挖泥船的平挖功能，使挖掘后的海床平整度精度达到疏浚施工要求。

2.根据权利要求1所述的基于数字信号处理器的挖泥船专用控制器，其特征在于：所述的感器（Sensor）包括测速编码器和力矩限制器，测速编码器通过键安装在电机轴上，力矩限制器安装在起重机定滑轮轴下。

3.根据权利要求1或2所述的基于数字信号处理器的挖泥船专用控制器，其特征在于：所述的数字信号处理器（DSP）、以太网通讯接口（EI）、串行接口(RS232、RS485)和数据采集接口（AD）集成在同一个电路板上，然后和信号调理电路（TC）、电源模块（Power）固定在一个专用控制盒中；控制按钮和指示灯均安装在该专用控制盒上面，方便操作和显示相应的状态。

4.根据权利要求3所述的基于数字信号处理器的挖泥船专用控制器，其特征在于：所述的以太网采用了标准的用户数据包协议(UDP)、互联网TCP/IP协议；串行接口RS232、串行接口RS485支持可编程控制器（PLC）厂家专用协议。

5.根据权利要求4所述的基于数字信号处理器的挖泥船专用控制器，其特征在于：所述的工控机（PC）安装在司机室操作台内，方便操作；可编程控制器（PLC）安装在司机室电气柜中；专用控制盒固定在司机室方便操作的位置。