CN104216291B - 一种工程船的动能和动量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程船的运动和动量控制方法，通过1)在施工区域，进行一个周期的施工，通过变频模块的获取数据，测定施工区域的参数；2)根据步骤1)测得的参数，对运动头的施工深度和时间进行计算，并调整输入变频驱动模块的控制信号，控制施工的动能和动量，实现第二个施工周期的准确控制；以此类推，在第N‑1个施工周期的参数基础上，实现第N个施工周期的准确控制。控制系统包括设置于工程船上的牵引组件、运动头、变频驱动模块和控制模块。本发明通过控制模块调整输入变频驱动模块的控制信号调节电机的牵引力，通过数学模型进行准确计算，可提高施工精度，实现预期施工目标，具有提高能源利用率、降低成本的有益效果。

Description

一种工程船的动能和动量控制方法

技术领域

本发明涉及动能和动量控制系统及其控制方法，尤其是指一种工程船的运动和动量控制系统及其控制方法，属于船舶建设技术领域。

背景技术

在现在工程船中，如抓斗式泥船或打桩船，在进行挖泥或打桩的施工过程中，都是依靠高空物体自身的动能和动量来进行作业。由于该方式是简单且机械式地重复将动力物体提至最高的高度，并在重力的作用下自由落体进行施工。在每次挖沙或打桩前，不能较准确地确定挖沙或打桩的深度，并且无法通过计算后来进行精确性的施工控制，使得无法对任务完成所需的工作时间进行分析、预估和确定。由于施工控制的随意性和不准确性，导致无法以尽量少时间和能源消耗来完成所需的施工量，特别在有海线光缆的特殊区域还可能会造成损坏地下设备的情况，从而造成能源浪费、利用率低，施工成本高。

因此，提供一种工程船的运动和动量控制方法，且可以满足系统热量需求，也可以有效提高船舶电网的稳定性和能源的使用效率，有利于提高船舶的总体综合性能。

发明内容

本发明的目的，是为了解决现有工程船施工作业存在无法通过控制动能和动量来准确完成任务，造成能源浪费、施工成本高的问题，提供一种稳定、可控的动能和动量控制方法，可提高施工的精度，实现预期施工目标，具有提高能源利用率、降低成本的特点。

本发明的目的可以通过以下技术方案达到：

一种工程船的动能和动量控制系统，其特征在于：包括设置于工程船上的牵引组件、运动头、变频驱动模块和控制模块，所述牵引组件的动力输入端与变频驱动模块的输出端相连接，其动力输出端与运动头的上端相连接，所述变频驱动模块的控制输入端连接到控制模块的控制输出端。

进一步地，所述牵引组件包括滑轮组件、刚丝绳、电机和套接并固定于电机输出轴上的卷引轮，刚丝绳的一端通过滑接于滑轮组件与运动头的上端相连接，另一端与卷引轮固定连接。

一种工程船的动能和动量控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)确定施工区域的数据

在施工区域，控制系统进行一个周期的施工，通过变频驱动模块的获取电机数据，测定施工区域的参数；

2)准确控制施工

2.1)根据步骤1)测得的参数，对运动头的施工深度和时间进行计算和确定，并调整输入变频驱动模块的控制信号，控制施工的动能和动量，实现第二个施工周期的准确控制；

2.2)以此类推，在第N-1个施工周期的参数的基础上，对运动头的施工深度和时间进行计算和确定，并调整输入变频驱动模块的控制信号，控制施工的动能和动量，实现第N个施工周期的准确控制，所述N＝1，2，3……N。

作为一种优选方案，所述步骤1)的具体步骤如下：

1.1)在运动头第一次施工的周期中，运动头处于入泥前的阶段时，根据力学原理，得结果：

F＝MG-F_电-F_浮-F_阻 (1)

其中，MG为运动头的重力，F_浮＝ρgV_排，ρ为液体密度，V_排为运动头排开的液体的体积，F_电通过控制模块从变频驱动模块获取；

而运动头在加速过程中，动量计算式为：

FT＝MV (2)

其中，F为运动头的合力，T为运动头入泥前所用的时间，可通过控制模块从变频驱动模块获取；MG为运动头的重力，V为运动头下降到相应位置时的速 度；通过式(1)和(2)可得到F_阻；

1.2)运动头在入泥减速阶段，根据力学原理，得结果：

F’＝MG-F_电-F_浮-F’_阻 (3)

其中，F’为运动头的合力，MG为运动头的重力，F_浮＝ρgV_排，ρ为液体密度，V_排为运动头排开的液体的体积，F_电通过控制模块从变频驱动模块获取；

而运动头在加速阶段和入泥减速阶段中，可得：

FS＝0.5MV² (4)

F’S’＝0.5MV² (5)

由式(2)、(4)和(5)，得到：

其中，T和T’分别为运动头入泥前和入泥后所用的时间；F和F’分别为运动头入泥前和入泥后的合力，S和S’分别为运动头入泥前和入泥后移动的深度，M为运动头的质量，V为运动头入泥前的速度；通过式(3)和(4)可计算得到F’_阻。

作为一种优选方案，所述步骤2)的具体内容如下：

2.1)以步骤1.1)和1.2)计算得到运动头在入泥前和入泥后的阻力F_阻和F’_阻，确定为该区域的参数，代入式1)、2)和4)，则可通过控制模块调整输入变频驱动模块的控制信号控制电机的牵引力F_电；可得到运动头第二次施工周期的参数：

在步骤1.1)加速阶段,由式(1)和(4)可得：

F₁S₁＝(MG-F_电-F_浮-F_阻)S₁＝0.5MV² (6)

其中，F₁为运动头入泥前的合力，S₁为运动头入泥前的位移，V为入泥前的 速度；

在步骤1.2)入泥阶段，由式(3)和(4)可得：

F₁’S₁’＝(MG-F_电-F_浮-F’_阻)S₁’＝0.5MV² (7)

其中，F₁’为运动头入泥后的合力，S₁’为运动头入泥的深度，V为入泥前的速度；即由式(6)和(7)得运动头第二次施工的结果：

S₁’＝(MG-F_电-F_浮-F_阻)(S+S’)/(MG-F_电-F_浮-F’_阻)

2.2)以此类推，运动头第N次施工的结果为：

S_N-1’＝(MG-F_电-F_浮-F_阻)(S+S’+……S’_N-1)/(MG-F_电-F_浮-F’_阻)

其中，T_N-1和T_N-1’分别为运动头第N次入泥前和入泥后所用的时间，所述N＝1，2，3……N，F_电可通过控制模块调整输入变频驱动模块的控制信号进行调节；根据施工需求，在第N-1次施工的基础上，设定第N次施工的预期入泥深度S_N-1，根据需求S_N-1和入泥阻力F’_阻计算出所需要的动能，并通过控制模块输出控制信息控制驱动模块，调节电机的牵引力F_电，可以精度控制入泥前的抓斗的功能，从而实现对第N次施工的入泥深度S_N-1的精度控制。

本发明具有如下突出的有益效果：

本发明的控制方法采用的数学模型可以根据不同的施工区域的特性，利用一个周期的施工，预先测定该区域的阻力参数，然后通过控制模块调整输入变频模块的控制信号控制电机的牵引力，以实现对下一次施工的挖入深度和时间的分析、预估和控制，保证施工的准确和安全，以保护地下设备的安全和减少能源消耗，具有施工控制准确、提高能源利用率和降低成本的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是具体实施例控制系统的结构示意图。

图2是具体实施例控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施例1：

如图1所示，本实施例涉及一种工程船的动能和动量控制系统，其特征在于：包括设置于工程船上的牵引组件1、运动头2、变频驱动模块和控制模块，所述牵引组件1的动力输入端与变频驱动模块的输出端相连接，其动力输出端与运动头2的上端相连接，所述变频驱动模块的控制输入端连接到控制模块的控制输出端。

进一步地，所述牵引组件1包括滑轮组件1-1、刚丝绳1-2、电机1-3和套接并固定于电机输出轴上的卷引轮，刚丝绳1-2的一端通过滑接于滑轮组件1-1与运动头2的上端相连接，另一端与卷引轮固定连接。

如图2所示，本实施例还提供一种工程船的动能和动量控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)确定施工区域的数据

在施工区域，控制系统进行一个周期的施工，通过变频驱动模块的获取数据，测定施工区域的参数；

1.1)在运动头第一次施工的周期中，运动头处于入泥前的阶段时，根据力学原理，得结果：

F＝MG-F_电-F_浮-F_阻 (1)

其中，MG为运动头的重力，F_浮＝ρgV_排，ρ为液体密度，V_排为运动头排开的液体的体积，F_电通过控制模块从变频驱动模块获取；

而运动头在加速过程中，动量计算式为：

FT＝MV (2)

其中，F为运动头的合力，T为运动头入泥前所用的时间，可通过控制模块从变频驱动模块获取；MG为运动头的重力，V为运动头下降到相应位置时的速度；通过式(1)和(2)可得到F_阻；

1.2)运动头在入泥减速阶段，根据力学原理，得结果：

F’＝MG-F_电-F_浮-F’_阻 (3)

其中，F’为运动头的合力，MG为运动头的重力，F_浮＝ρgV_排，ρ为液体密度，V_排为运动头排开的液体的体积，F_电通过控制模块从变频驱动模块获取；

而运动头在加速阶段和入泥减速阶段中，可得：

FS＝0.5MV² (4)

F’S’＝0.5MV² (5)

由式(2)、(4)和(5)，得到：

其中，T和T’分别为运动头入泥前和入泥后所用的时间；F和F’分别为运动头入泥前和入泥后的合力，S和S’分别为运动头入泥前和入泥后移动的深度，M为运动头的质量，V为运动头入泥前的速度；通过式(3)和(4)可计算得到 F’_阻；

2)准确控制施工

2.1)以步骤1.1)和1.2)计算得到运动头在入泥前和入泥后的阻力F_阻和F’_阻，确定为该区域的参数，代入式1)、2)和4)，则可通过控制模块调整输入变频驱动模块的控制信号控制电机的牵引力F_电；可得到运动头第二次施工周期的参数：

在步骤1.1)加速阶段,由式(1)和(4)可得：

F₁S₁＝(MG-F_电-F_浮-F_阻)S₁＝0.5MV² (6)

其中，F₁为运动头入泥前的合力，S₁为运动头入泥前的位移，V为入泥前的速度；

在步骤1.2)入泥阶段，由式(3)和(4)可得：

F₁’S₁’＝(MG-F_电-F_浮-F’_阻)S₁’＝0.5MV² (7)

其中，F₁’为运动头入泥后的合力，S₁’为运动头入泥的深度，V为入泥前的速度；即由式(6)和(7)得运动头第二次施工的结果：

S₁’＝(MG-F_电-F_浮-F_阻)(S+S’)/(MG-F_电-F_浮-F’_阻)

2.2)以此类推，运动头第N次施工的结果为：

S_N-1’＝(MG-F_电-F_浮-F_阻)(S+S’+……S’_N-1)/(MG-F_电-F_浮-F’_阻)

其中，T_N-1和T_N-1’分别为运动头第N次入泥前和入泥后所用的时间，所述N＝1， 2，3……N，F_电可通过控制模块调整输入变频驱动模块的控制信号进行调节。

根据施工需求，在第N-1次施工的基础上，设定第N次施工的预期入泥深度S_N-1，根据需求S_N-1和入泥阻力F’_阻计算出所需要的动能，并通过控制模块输出控制信息控制驱动模块，调节电机的牵引力F_电，可以精度控制入泥前的抓斗的功能，从而实现对第N次施工的入泥深度S_N-1的精度控制。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种工程船的动能和动量控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)确定施工区域的数据

在施工区域，控制系统进行一个周期的施工，通过变频驱动模块获取电机数据，测定施工区域的阻力数据；

2)准确控制施工

2.1)根据步骤1)测得的参数，对运动头的施工深度和时间进行计算并确实，调整输入变频驱动模块的控制信号，控制施工的动能和动量，实现第二个施工周期的准确控制；

2.2)以此类推，在第N-1个施工周期的参数的基础上，对运动头的施工深度和时间进行计算和确定，并调整输入变频驱动模块的控制信号，控制施工的动能和动量，实现第N个施工周期的准确控制，所述N＝1，2，3……N。

2.根据权利要求1所述的一种工程船的动能和动量控制方法，其特征在于：所述步骤1)的具体步骤如下：

1.1)在运动头第一次施工的周期中，运动头处于入泥前的阶段时，根据力学原理，得结果：

F＝MG-F_电-F_浮-F_阻 (1)

其中，MG为运动头的重力，F_浮＝ρgV_排，ρ为液体密度，V_排为运动头排开的液体的体积，F_电通过控制模块从变频驱动模块获取；

而运动头在加速过程中，动量计算式为：

FT＝MV (2)

其中，F为运动头的合力，T为运动头入泥前所用的时间，可通过控制模块从变频驱动模块获取；MG为运动头的重力，V为运动头下降到相应位置时的速度；通过式(1)和(2)可得到F_阻；

1.2)运动头在入泥减速阶段，根据力学原理，得结果：

F’＝MG-F_电-F_浮-F’_阻 (3)

其中，F’为运动头的合力，MG为运动头的重力，F_浮＝ρgV_排，ρ为液体密度，V_排为运动头排开的液体的体积，F_电通过控制模块从变频驱动模块获取；

而运动头在加速阶段和入泥减速阶段中，可得：

FS＝0.5MV² (4)

F’S’＝0.5MV² (5)

由式(2)、(4)和(5)，得到：

$T=\sqrt{2MS/F}$

$T^{,}=\sqrt{2{\mathrm{MS}}^{\′}/F^{\′}}$

其中，T和T’分别为运动头入泥前和入泥后所用的时间；F和F’分别为运动头入泥前和入泥后的合力，S和S’分别为运动头入泥前和入泥后移动的深度，M为运动头的质量，V为运动头入泥前的速度；通过式(3)和(4)可计算得到F’_阻。

3.根据权利要求1所述的一种工程船的动能和动量控制方法，其特征在于：所述步骤2)的具体内容如下：

2.1)以步骤1.1)和1.2)计算得到运动头在入泥前和入泥后的阻力F_阻和F’_阻，确定为该区域的参数，代入式1)、2)和4)，则可通过控制模块调整输入变频驱动模块的控制信号控制电机的牵引力F_电；可得到运动头第二次施工周期的参数：

在步骤1.1)加速阶段,由式(1)和(4)可得：

F₁S₁＝(MG-F_电-F_浮-F_阻)S₁＝0.5MV² (6)

其中，F₁为运动头入泥前的合力，S₁为运动头入泥前的位移，V为入泥前的速度；

在步骤1.2)入泥阶段，由式(3)和(4)可得：

F₁’S₁’＝(MG-F_电-F_浮-F’_阻)S₁’＝0.5MV² (7)

其中，F₁’为运动头入泥后的合力，S₁’为运动头入泥的深度，V为入泥前的速度；即由式(6)和(7)得运动头第二次施工的结果：

S₁’＝(MG-F_电-F_浮-F_阻)(S+S’)/(MG-F_电-F_浮-F’_阻)

2.2)以此类推，运动头第N次施工的结果为：

S_N-1’＝(MG-F_电-F_浮-F_阻)(S+S’+……S’_N-1)/(MG-F_电-F_浮-F’_阻)

其中，T_N-1和T_N-1’分别为运动头第N次入泥前和入泥后所用的时间，所述N＝1，2，3……N，F_电可通过控制模块调整输入变频驱动模块的控制信号进行调节；根据施工需求，在第N-1次施工的基础上，设定第N次施工的预期入泥深度S_N-1，根据需求S_N-1和入泥阻力F’_阻计算出所需要的动能，并通过控制模块输出控制信息控制驱动模块，调节电机的牵引力F_电，可以精度控制入泥前的抓斗的功能，从而实现对第N次施工的入泥深度S_N-1的精度控制。