CN104391516A - 液压绞车柔性牵引的水下运动体的速度控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液压绞车牵引的水下运动体的速度控制方法，包括：(1)确定主阀阀芯开度的设定值；(2)速度控制器获取当前的阀芯开度反馈值，并计算阀芯开度比；(3)若阀芯开度比不大于阈值，则以单调过阻尼的方式逐渐增大阀芯开度给定值值至阀芯开度设定值，若阀芯开度比大于阈值，则根据速度设定值与反馈速度值的差值以及阀芯开度反馈值,实时给定阀芯开度给定值；(4)液压绞车根据主阀阀芯的开度牵引柔性水下运动体以对应速度运动；(5)循环执行步骤(2)-(4)，直至小车速度达到设定值。本发明还公开了对应的控制系统。本发明的方法和系统通过双闭环控制对水下运动体的速度进行控制，从而保证液压牵引系统控制的稳定性、精确性及快速性。

Description

液压绞车柔性牵引的水下运动体的速度控制方法及系统

技术领域

本发明属于水下运动体的速度控制领域，具体涉及一种基于液压绞车柔性牵引的水下运动体的速度控制方法及系统。

背景技术

随着人类对于海洋资源的探索，海洋实力的发展越来越得到各国的重视。水下运动体譬如水下轮式小车等具有操控性好，水下通过性强等多种优点而被广泛应用于水下探矿，水下作业及水下试验等多个领域。针对水下运动体的工作特点，常选用液压绞车作为驱动设备，其具有工作效率高，负载能力强、密封问题易于解决等优点。

图1为一种典型的利用液压绞车作为驱动设备柔性牵引水下运动体即水下小车的示意图。其中，液压泵站,电磁先导阀，主阀和液压绞车滚筒101顺序连接，水下小车通过两根固定于滚筒中间的钢丝绳柔性牵引。通过对于电磁先导阀的控制，可以调节驱动液压绞车系统液压油的流量大小和方向，进而控制液压绞车的转动速度及方向，实现液压绞车驱动水下小车在水下导轨上以一定的速度作往复间隙运动，1号导轮103和2号导轮104起到改变钢丝绳运动方向及施加张紧力的作用。

由于水下运动体主要用于水下科学研究活动，其在水下的运动速度的稳定性(精确性)和可靠性非常重要，运动速度必须实时跟踪并进行精确控制，以确保运动机构的速度精确性和稳定性。

目前，对于液压绞车驱动的运动机构的速度控制，一般采用以速度为直接控制对象的单闭环控制方法，小车速度控制器依据速度设定值与测量值的差值基于模糊PID的控制策略产生控制信号，利用电磁先导阀的开闭控制主阀阀芯开度，进而实现对于液压绞车驱动的运动机构的速度控制。这种控制方法引入了模糊控制的思想，可以在一定程度上减小液压系统非线性对速度控制精度所带来的影响。

但是由于基于液压绞车柔性牵引的水下运动体，譬如通过钢丝绳牵引运动的水下小车的特点，上述基于模糊PID的控制方法对其速度控制的精确性和稳定性还存在很大缺陷。具体来说，首先，由于钢丝绳为柔性牵引介质，这会降低液压牵引系统的刚度和稳定性，使系统呈现柔性特性，抗干扰能力较差；另外，液压伺服系统多为欠阻尼系统，使得液压系统极易震荡，稳定性较差；而且，液压系统通常采用阀控流量控制，其持续工作会导致系统发热，液压油温度升高，而液压系统特性会随液压油温度的变化而变化，故液压系统具有参数时变性；最后，由于液压系统管路具有一定长度，液压主阀响应电磁先导阀控制指令动作和液压绞车建立工作压力均需要一定时间，故液压系统具有时滞特性。现有模糊PID控制根据水下小车速度误差控制阀芯开度，阀芯开度的波动会在不稳定且具有迟滞的牵引系统中引起小车牵引系统震荡甚至失稳，使得其无法适应这种基于液压绞车柔性牵引的水下运动体的速度精确控制的需要。

发明内容

本发明的目的是针对液压绞车柔性牵引水下运动体控制方法和系统所存在的刚度不足、非线性，参数时变性及时滞性等问题和缺陷，提出一种液压绞车牵引的水下运动体的速度控制方法和系统，其将阀芯开度作为中间变量，通过双闭环控制对水下运动体的速度进行控制，从而保证液压牵引系统控制的稳定性、精确性及快速性。

按照本发明一个方面，提供一种基于液压绞车牵引的水下运动体的速度控制方法，用于对液压绞车柔性牵引水下运动体从当前运行速度调速至需要的设定速度的控制，实现水下运动体速度调整的精确平稳和快速控制，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)水下运动体的速度控制器根据水下运动体的速度设定值确定主阀阀芯开度的设定值Ks；

(2)所述速度控制器获取当前的阀芯开度反馈值Kt，并计算阀芯开度比Kc，其中Kc＝Kt/Ks；

(3)根据所述阀芯开度比Kc的大小采取不同的控制策略，以相应地使伺服阀控制器闭环控制主阀阀芯打开至设定值Ks，即若所述阀芯开度比Kc不大于阈值，则以单调过阻尼的方式逐渐增大阀芯开度给定值Kd值至阀芯开度设定值Ks，若阀芯开度比Kc大于阈值，则根据所述速度设定值与反馈速度值的差值Vc对阀芯开度进行微调；

(4)液压绞车根据主阀阀芯的开度获得相应的驱动力以牵引柔性水下运动体以对应速度运动，并通过速度传感器将所述水下运动体的速度反馈值Vt实时反馈给所述速度控制器；

(5)循环执行上述步骤(2)-(4)，直至水下运动体达到速度设定值，完成对液压绞车柔性牵引水下运动体速度的精确控制。

作为本发明的改进，所述阈值范围优选为90％-98％，更优选为95％。

作为本发明的改进，所述水下运动体为水下小车，其通过通过钢丝绳牵引在水下导轨上作往复运动。

按照本发明的另一方面，提供一种基于液压绞车牵引的水下运动体的速度控制系统，用于对液压绞车柔性牵引水下运动体从当前运行速度调速至需要的设定速度的控制，实现水下运动体速度调整的精确平稳和快速控制，其特征在于，该系统为内环由伺服阀控制器，电磁先导阀，主阀及设置在其上的阀芯开度传感器组成阀芯开度控制环，和外环由速度控制器，液压绞车，水下运动体及速度传感器组成速度控制环组成的双闭环控制系统，其中，所述速度控制器用于根据阀芯开度设定值Ks和利用所述阀芯开度传感器获取当前的阀芯开度反馈值Kt，计算阀芯开度比Kc，其中Kc＝Kt/Ks，并根据该阀芯开度比Kc的大小采取不同的控制策略，即若所述阀芯开度比Kc不大于阈值，则以单调过阻尼的方式利用所述伺服阀控制器控制所述电磁先导阀逐渐增大阀芯开度给定值Kd值至阀芯开度设定值Ks，若阀芯开度比Kc大于阈值，则根据所述速度设定值与反馈速度值的差值Ve利用所述伺服阀控制器控制所述电磁先导阀对阀芯开度进行微调，直至速度达到设定值；所述液压绞车根据主阀阀芯的开度获得相应的驱动力以牵引柔性水下运动体以对应速度运动，并通过速度传感器将所述水下运动体的速度反馈值Vt实时反馈给所述速度控制器；

通过循环执行直至水下运动体达到速度设定值，即可完成对液压绞车柔性牵引水下运动体速度的精确控制。

作为本发明的改进，所述主阀阀芯开度的设定值Ks由速度控制器根据水下运动体的速度设定值确定。

作为本发明的改进，所述阈值范围优选为90％-98％，更优选为95％。

作为本发明的改进，所述水下运动体为水下小车，其通过通过钢丝绳牵引在水下导轨上作往复运动。

本发明中的基于液压绞车柔性牵引的水下小车速度控制系统为双闭环控制结构，内环由伺服阀控制器，电磁先导阀，主阀及阀芯开度传感器组成阀芯开度控制环，外环由小车速度控制器，液压绞车，液压泵站，小车及速度传感器组成速度控制环。其中，小车速度控制器根据小车速度设定值与速度反馈值的差值及阀芯开度反馈值，给出主阀阀芯开度的设定值，伺服阀控制器闭环调整主阀阀芯开度，进而实现对于液压绞车柔性牵引水下小车的速度控制。速度传感器将水下小车的运动速度反馈给小车速度控制器，实现小车速度控制系统的闭环。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明针对牵引系统的柔性特性，提出了将阀芯开度作为液压绞车柔性牵引系统控制中间变量的控制方法，利用模糊+PID相结合的控制策略：实时计算阀芯开度反馈值与阀芯开度设定值的比值并与设定的开度比阈值进行比较，当小于开度比阈值时，依据“阀芯开度-小车速度模糊对照表”得出阀芯开度的设定值，控制阀芯开度过阻尼线性增加至设定值，阀芯开度的稳定增加克服了使系统具备过阻尼特性，避免柔性系统振荡，保证了液压牵引系统控制的稳定性及快速性；当大于开度比阈值时，速度控制器依据小车速度设定值和反馈值的差值信息，利用PID控制算法对阀芯开度进行微调，保证了液压牵引系统控制的准确性。

附图说明

图1是液压绞车柔性牵引水下小车的示意图；

图2是按照本发明实施例的水下小车速度控制系统框图；

图3是本发明的水下小车速度控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例中，以液压绞车柔性牵引的水下小车为例对本发明的水下运动体的速度控制进行说明，但本发明的水下运动体并不限于水下小车，液压绞车柔性牵引的水下运动体均可适用。

如图1所示，本实施例的液压绞车柔性牵引水下小车通过液压绞车驱动，液压绞车101通过钢丝绳105牵引水下小车102在水下导轨上作往复间隙运动，1号导轮103和2号导轮104起到改变钢丝绳运动方向及施加张紧力的作用，绞车滚筒为单层滚筒，两根牵引钢缆固定在滚筒中间，牵引水下小车时，钢缆从滚筒两端收放缆。

图2是本发明实施例的水下小车速度控制系统框图。该系统采用双闭环控制结构，内环由伺服阀控制器202，电磁先导阀203，主阀204及阀芯开度传感器208组成阀芯开度控制环。外环由小车速度控制器201，液压绞车205，液压泵站207，小车206及速度传感器209组成速度控制环。其中，小车速度控制器201根据小车速度设定值与速度反馈值的差值及阀芯开度反馈值，给出主阀阀芯开度的设定值，伺服阀控制器202闭环调整主阀阀芯开度，进而实现对于液压绞车柔性牵引水下小车的速度控制。速度传感器209将水下小车的运动速度反馈给小车速度控制器，实现小车速度控制系统的闭环。

图3是本发明实施例的水下小车速度控制方法流程图，所述控制方法步骤如下：

(1)控制系统初始化；

(2)小车速度控制器给定速度设定值Vs，读取速度反馈值Vt；

(3)小车速度控制器读取“阀芯开度-小车速度模糊对照表”，依据小车的设定速度Vt得到阀芯开度设定值Ks；

(4)小车速度控制器读取阀芯开度反馈值Kt，并计算阀芯开度比Kc(Kc＝Kt/Ks*100％)；

(5)小车速度控制器判断阀芯开度比Kc是否大于一定阈值(本实施例中优选为95％)

(6)若不满足条件(5)，则小车速度控制器以单调过阻尼的方式逐渐增大阀芯开度给定值Kd值至阀芯开度设定值Ks，伺服阀控制器闭环控制主阀阀芯线性打开至阀芯开度设定值；

(7)若满足条件(5)，小车速度控制器根据小车设定速度与反馈速度的差值Vc及阀芯开度反馈值Kt,对阀芯开度进行微调；

(8)液压绞车柔性牵引小车运动，小车速度随主阀阀芯开度的变化而变化；

(9)速度传感器测量速度反馈值Vt,并发送给速度控制器；

(10)返回到步骤(4)，循环执行，直至小车速度到达设定值。

本发明中，“阀芯开度-小车速度模糊对照表”实质是一个阀芯开度与运动机构速度之间的对应关系，即水下运动体以一定速度运动时其液压驱动系统中主阀阀芯对应的开度，该对应关系一般通过液压建模计算并辅以试验完善，具有本领域普通技术知识的人可以计算获得该对应关系，因其不属于本发明的重点，在本发明中不作赘述。

本发明中，对于用于与阀芯开度比Kc作为比较对象的阈值，可以根据实际需要进行具体确定，例如90％-98％范围内均可，本实施例中优选为95％。

本发明提出的一种模糊控制+PID(非线性+线性)的控制算法对液压绞车柔性牵引运动机构的运行速度进行控制，将对水下运动体速度作为直接控制对象转为以主阀阀芯开度作为控制中间变量，利用双闭环控制结构实现对水下运动体的速度的精确控制。

具体地，首先，找出绞车速度与阀芯开度的对应关系，即获取“阀芯开度-小车速度模糊对照表”；

其次，实时计算阀芯开度反馈值与阀芯开度设定值的比值并与设定的开度比阈值进行比较，大于开度比阈值的，采取外环速度反馈、内环阀芯控制的控制结构，外环速度控制器依据速度反馈与设定速度计算阀芯开度增量，通过内环伺服阀控制器对阀芯开度进行微调；小于开度比阈值的，采取外环阀芯开度规划、内环阀芯控制的控制结构，外环速度控制器以单调过阻尼的方式逐渐增大阀芯开度给定值，通过内环伺服阀控制器控制阀芯跟随阀芯开度给定值；

另外本发明针对现有液压柔性牵引系统的特点将阀芯开度作为控制的中间变量引入控制算法中，通过对于阀芯开度的稳定控制，减小了由于其波动产生的对于小车速度稳定性的影响，较传统将速度作为控制对象的控制算法，控制精度提高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于液压绞车牵引的水下运动体的速度控制方法，用于实现对液压绞车柔性牵引水下运动体从当前运行速度调速至设定速度的控制，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)水下运动体的速度控制器根据水下运动体的速度设定值确定主阀阀芯开度的设定值Ks；

(2)所述速度控制器获取当前的阀芯开度反馈值Kt，并计算阀芯开度比Kc，其中Kc＝Kt/Ks；

(3)根据所述阀芯开度比Kc的大小采取不同的控制策略，即若所述阀芯开度比Kc不大于阈值，则以单调过阻尼的方式逐渐增大阀芯开度给定值Kd值至阀芯开度设定值Ks，若阀芯开度比Kc大于阈值，则根据所述速度设定值与反馈值的差值Ve对阀芯开度进行微调；

(4)液压绞车根据主阀阀芯的开度获得相应的驱动力以牵引柔性水下运动体以对应速度运动，并通过速度传感器将所述水下运动体的速度反馈值Vt实时反馈给所述速度控制器；

(5)循环执行上述步骤(2)-(4)，直至水下运动体达到设定速度值，完成对液压绞车柔性牵引水下运动体速度的精确稳定控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于液压绞车牵引的水下运动体的速度控制方法，其中，所述阈值范围优选为90％-98％，更优选为95％。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于液压绞车牵引的水下运动体的速度控制方法，其中，所述水下运动体为水下小车，其通过通过钢丝绳牵引在水下导轨上作往复运动。

4.一种基于液压绞车牵引的水下运动体的速度控制系统，用于实现对液压绞车柔性牵引水下运动体从当前运行速度调速至需要的设定速度的控制，其特征在于，该系统为内环由伺服阀控制器(202)，电磁先导阀(203)，主阀(204)及设置在其上的阀芯开度传感器(208)形成阀芯开度控制环，和外环由速度控制器(201)，液压绞车(205)，水下运动体(206)及速度传感器(209)形成速度控制环组成的双闭环控制系统，其中，

所述速度控制器(201)用于根据阀芯开度设定值Ks和利用所述阀芯开度传感器(208)获取的当前阀芯开度反馈值Kt，计算阀芯开度比Kc，其中Kc＝Kt/Ks，并根据该阀芯开度比Kc的大小采取不同的控制策略，即若所述阀芯开度比Kc不大于阈值，则以单调过阻尼的方式利用所述伺服阀控制器(202)控制所述电磁先导阀(203)逐渐增大阀芯开度给定值Kd值至阀芯开度设定值Ks，若阀芯开度比Kc大于阈值，则根据所述速度设定值与反馈速度值的差值Ve，利用所述伺服阀控制器(202)控制所述电磁先导阀(203)对阀芯开度进行微调；

所述液压绞车(205)根据主阀阀芯的开度获得相应的驱动力以牵引柔性水下运动体(206)以对应速度运动，并通过速度传感器(209)将所述水下运动体的速度反馈值Vt实时反馈给所述速度控制器(201)；

通过循环执行直至水下运动体到达速度设定值，即可完成对液压绞车柔性牵引水下运动体(206)速度的精确控制。

5.根据权利要求4所述的一种基于液压绞车牵引的水下运动体的速度控制系统，其中，所述主阀阀芯开度的设定值Ks由速度控制器(201)根据水下运动体(206)的速度设定值确定。

6.根据权利要求4或5所述的一种基于液压绞车牵引的水下运动体的速度控制系统，其中，所述阈值范围优选为90％-98％，更优选为95％。

7.根据权利要求4-6中任一项所述的一种基于液压绞车牵引的水下运动体的速度控制系统，其中，所述水下运动体(206)为水下小车，其通过通过钢丝绳牵引在水下导轨上作往复运动。