CN105174104A - 一种新型纯电动主动式波浪补偿控制系统及其控制方法 - Google Patents

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周晓春
周敦庆
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Abstract

本发明提供一种新型纯电动主动式波浪补偿控制系统及控制方法，控制系统包括起升绞车卷筒、滑轮组、控制装置、驱动装置、张力传感器、姿态传感器MRU；其中起升绞车卷筒用于升、降探测设备或者重物；滑轮组用于缠绕起升钢丝绳；控制装置用于采集张力传感器、姿态传感器MRU检测信号及驱动装置的反馈信号，经处理后发出控制指令，传递至驱动装置；驱动装置用于接收控制装置发出的控制指令，驱动变频电机，使绞车升、降吊放载荷进行波浪补偿；张力传感器用于实时检测钢丝绳的动态张力；姿态传感器MRU用于实时采集船舶升、沉信号。本发明结构简单，操作性强，补偿精度高，适用于不同海况作业。

Description

一种新型纯电动主动式波浪补偿控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于海上重工领域的波浪补偿系统及控制方法，尤其涉及一种纯电动主动式波浪补偿系统及控制方法。
背景技术
船舶在海上航行或者作业时，由于受到风浪的影响，船舶会随着海浪做不规律的起伏运动，导致吊放的货物或探测设备受到冲击和撞击而损坏或极易丢失，造成重大的经济损失。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相对运动，实现物质的安全吊装补给。波浪补充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，此控制系统体积庞大、操作和维护相对复杂。主动式补偿控制系统根据相对运动参数来调节控制参数，操作系统体积小，智能程度高、操作容易，是波浪补偿控制系统的重要发展方向。
目前国际上主动式波浪补偿控制系统主要采用液压控制，但该控制系统结构复杂，响应较慢、还存在死区等问题。本发明针对液压控制方法存在的一些缺点，提出了一种新型的纯电动主动升沉波浪补偿控制系统及控制方法。
发明内容
本发明通过以下技术方案实现：该波浪补偿系统包括起升绞车卷筒、滑轮组、控制装置、驱动装置、张力传感器、姿态传感器MRU。
其中起升绞车卷筒用于升、降探测设备或者重物，采用刚性连接的3台电机进行拖动，3台电机分别由3台主从式控制方式的单传动变频器进行驱动，其中主变频器采用速度控制模式，从变频器采用力矩控制模式。
滑轮组用于缠绕起升钢丝绳，作为力和运动的直接反映体。
控制装置是整个系统的中枢控制单元，用于采集张力传感器、姿态传感器MRU检测信号及驱动装置的反馈信号，经处理后发出控制指令，传递至驱动装置。该控制装置采用主从站分布式结构，由PLC主站和从站组成，采用Profibus-DP工业现场总线进行通讯。
驱动装置用于接收控制装置发出的控制指令，驱动变频电机，使绞车升、降吊放载荷进行波浪补偿，该驱动装置采用AFE整流方式的变频器。驱动装置与控制装置采用Profibus-DP工业现场总线进行通讯。
所述控制系统采用PID算法进行闭环控制，主动补偿。
张力传感器用于实时检测钢丝绳的动态张力。
姿态传感器MRU用于实时采集船舶升、沉信号，主要是加速度信号和位移信号，通过加速度信号可以判断起升绞车是处于上升状态还是下降状态，该传感器还可以对其他自由度方向的数据进行采集，但不进行控制。
该系统还包括CMS系统，用于实时显示起升绞车张力、加速度、速度、位移，能准备得知船舶和各设备所处状态，并实时进行诊断，还可以显示当前故障及历史故障，有效预防事故的发生或者为事故的处理提供有力的证据。
整个波浪补偿系统采用PID算法进行闭环控制，主动进行补偿。
本发明还提供一种纯电动主动式波浪补偿控制方法：包括以下步骤：
(1)当船舶处于升沉状态时，姿态传感器MRU采集船舶升、沉信号并将其传递给控制装置；
(2)当船舶处于升沉状态时，钢丝绳上张力也处于动态变化过程中，张力传感器实时检测钢丝绳的动态张力信号并将其传递给控制装置；
(3)控制装置基于船舶升沉运动的状态空间模型，通过采集到的张力传感器、姿态传感器MRU检测信号及驱动装置的反馈信号，运用PID控制算法计算得出补偿控制命令并将其传递给驱动装置；
(4)驱动装置读取控制装置发出的补偿控制命令，驱动电机实现升沉补偿，同时将电机的实时状态信息反馈至控制装置。
本发明的有益效果：采用纯电动主动式控制系统，系统体积轻便，能够主动进行补偿，输出响应迅速快，具有优异的随动特性，满足波浪控制的要求，且整个系统具有高的安全性和稳定性。
附图说明
图1是一种新型纯电动主动波浪补偿控制系统的单线图(案例采用ABB独立的变频器驱动，可延伸到SIEMENS等)。
图2是一种新型纯电动主动波浪补偿控制系统的通讯网络图。
图3是一种新型纯电动主动波浪补偿控制系统的控制流程图。
图4是一种新型纯电动主动波浪补偿控制系统的驱动器流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
结合图1，本发明是一种新型的纯电动主动升沉波浪补偿电控系统，驱动装置为采用单传动变频器，分三步方案进行控制：
第一步：先进行GROUP1单个卷筒(3台电机控制)进行纯电动的主动升沉控制，适用于浅海；
第二步：进行GROUP1和GROUP2二只卷筒(6台电机控制)进行纯电动的主动升沉控制，适用于浅海；
第三步：进行GROUP1单个卷筒和储缆卷简及排绳装置进行纯电动的主动升沉控制，适
用于深海；结合图2，本发明是一种新型的纯电动主动升沉波浪补偿电控系统，采用主
从控制模式，
控制装置与驱动装置采用Profibus-DP工业现场总线通讯网络技术，实现对各个机构的控制；同时通过以太网通讯方式与CMS系统进行实时通讯；
结合图3、图4通过软件完成对各个机构控制。

Claims (8)

1.一种新型纯电动主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：包括起升绞车卷筒、滑轮组、控制装置、驱动装置、张力传感器、姿态传感器MRU；其中所述起升绞车卷筒用于升、降探测设备或者重物；所述滑轮组用于缠绕起升钢丝绳；所述控制装置用于采集张力传感器、姿态传感器MRU检测信号及驱动装置的反馈信号，经处理后发出控制指令，传递至驱动装置；所述驱动装置用于接收控制装置发出的控制指令，驱动变频电机，使绞车升、降吊放载荷进行波浪补偿；所述张力传感器用于实时检测钢丝绳的动态张力；所述姿态传感器MRU用于实时采集船舶升、沉信号。
2.根据权利要求1所述的一种新型纯电动主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：所述控制装置采用主从站分布式结构，由PLC主站和从站组成，采用Profibus-DP工业现场总线进行通讯。
3.根据权利要求1所述的一种新型纯电动主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：所述驱动装置采用AFE整流方式的变频器。
4.根据权利要求3所述的一种新型纯电动主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：所述驱动装置与所述控制装置采用Profibus-DP工业现场总线进行通讯。
5.根据权利要求1所述的一种新型纯电动主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：所述波浪补充控制系统采用PID算法进行闭环控制，主动补偿。
6.根据权利要求1所述的一种新型纯电动主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：所述起升绞车卷筒采用刚性连接的3台电机进行拖动，所述3台电机分别由3台主从式控制方式的单传动变频器进行驱动，其中主变频器采用速度控制模式，从变频器采用力矩控制模式。
7.根据权利要求1所述的一种新型纯电动主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：该系统还包括CMS系统，用于设定系统所需参数、实时显示控制系统的运行状态及其故障信息。
8.一种纯电动主动式波浪补偿控制方法，该方法包括：
(1)当船舶处于升沉状态时，姿态传感器MRU采集船舶升、沉信号并将其传递给控制装置；
(2)当船舶处于升沉状态时，钢丝绳上张力也处于动态变化过程中，张力传感器实时检测钢丝绳的动态张力信号并将其传递给控制装置；
(3)控制装置基于船舶升沉运动的状态空间模型，通过采集到的张力传感器、姿态传感器MRU检测信号及驱动装置的反馈信号，运用PID控制算法计算得出补偿控制命令并将其传递给驱动装置；
(4)驱动装置读取控制装置发出的补偿控制命令，驱动电机实现升沉补偿，同时将电机的实时状态信息反馈至控制装置。
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