CN105584886A - 一种船舶电缆绞车驱动系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种船舶电缆绞车驱动系统的控制方法，用于提高船舶电缆绞车的动态和稳态性能。其技术方案是，所述方法在利用PI控制器对船舶电缆绞车进行控制的同时，利用变论域模糊控制器，采用模糊推理方法对PI控制器的控制参数进行在线调整，实现电缆绞车驱动系统转速和电流的双闭环自适应控制，所述变论域模糊控制器以转矩误差E和转矩误差变化率E_C作为输入，以PI控制器的两个参数P、I的修正△<i>K_p</i>、△K<i>_i</i>作为输出。本发明实现了船舶电缆绞车驱动系统转速和电流的双闭环自适应控制，有效地提高了船舶电缆绞车的控制精度，从而提高了驱动系统的动态和稳态性能，实现了船舶电缆绞车的恒张力控制，延长了船舶电缆绞车的运行寿命。

Description

一种船舶电缆绞车驱动系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种船舶电缆绞车驱动系统的控制方法，属于运输技术领域。

背景技术

大型港口码头是耗油大户，船舶到港后采用燃油辅机发电机供电，给港口带来严重的空气、水域、噪声等污染，因此港口码头将是以电代油的重要应用领域。中国是世界上最大的海运国，港口数量较多，港口码头的污染和能耗问题更加突出。港口智能用电技术是指船舶在停泊码头期间接入码头的岸电电源，获得其泵组、通风、照明、通讯和其他设施所需电力。当前的船舶岸电系统还存在系统线制匹配、相序检测、交流岸电电压稳定、电力传输方式以及电缆管理等急需研究的问题，而电缆连接设备（即连接岸上连接点及船上受电装置间的电缆和设备）如何实现电缆的快速、柔性连接，也是主要的研究方向之一。

为了实现电缆的快速、柔性连接，有必要设计一套结构简单合理、效率高、适应能力强、自动化程度高、使用维护简单的电控电缆收放绞车。而电缆绞车的收放过程是一个时变、非线性和负载干扰的过程。通过研究电缆绞车驱动系统的收放控制算法，有助于减少电缆收放过程中电缆所受的冲击力，实现电缆的快速、平稳收放。尽管传统的PID控制算法具有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点，并已在工业控制领域得到了广泛的应用，但这种控制器过分依赖控制对象的精确数学模型，其适应性较差，对于船舶电缆绞车参数变化范围大且包含非线性环节的时变系统，PID调节器往往难以达到控制要求。因此，研究船舶电缆绞车的收放过程，寻求诸如模糊等先进的智能控制算法，对提高船舶电缆绞车的动态和稳态性能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种船舶电缆绞车驱动系统的控制方法，以提高船舶电缆绞车的动态和稳态性能。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种船舶电缆绞车驱动系统的控制方法，所述方法在利用PI控制器对船舶电缆绞车进行控制的同时，利用变论域模糊控制器，采用模糊推理方法对PI控制器的控制参数进行在线调整，实现电缆绞车驱动系统转速和电流的双闭环自适应控制，所述变论域模糊控制器以转矩误差E和转矩误差变化率E_C作为输入，以PI控制器的两个参数P、I的修正参数△K_p、△K_i作为输出。

上述船舶电缆绞车驱动系统的控制方法，所述方法具体为以下步骤：

a.驱动系统采集船舶电缆绞车卷盘转速ω和电缆张力F的变化值，根据下式计算电缆张力产生的转矩T_F：

$T_F=T_{em}+T_0+J\frac{d\mathrm{\&omega;}}{dt}$

式中：T_em为驱动电机的电磁转矩；T₀为驱动电机及传动机构的空载转矩；t为时间，在本次采样时间将电缆张力产生的转矩T_F作为变论域模糊PI控制器的输入值y(k)；

b.如果变论域模糊PI控制器的输入值y(k)超过了允许的误差范围，变论域模糊PI控制器根据y(k)的变化值进行转矩误差E和转矩误差变化率E_C的量化，其量化的论域为[-6，6]；

c.将量化后的转矩误差E和转矩误差变化率E_C进行模糊化处理，再根据E(k)及Ec(k)的模糊值调整论域的伸缩因子α(x)和β(y)，而α(x)和β(y)计算方法为：

$\mathrm{\&alpha;}\left(x\right)=|\frac{x}{E}{|}^{\mathrm{\&gamma;}},0<\mathrm{\&gamma;}<1$

$\mathrm{\&beta;}\left(y\right)=K_I\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{p}_i{\&Integral;}_0^i{e}_i\left(\mathrm{\&tau;}\right)d\mathrm{\&tau;}+\mathrm{\&beta;}\left(0\right)$

式中：本发明中对于输入论域的量化因子选用γ＝0.7，p_i为常数向量，i＝1,…,n为不同采用时间，β(0)为初始值设为β(0)＝1，K_I为比例常数。

d.变论域模糊PI控制器根据伸缩因子进行相应的模糊推理，得到系统的模糊输出量，再对模糊输出量进行解模糊处理，得到电缆绞车驱动系统的实际电流输出值；

e.电缆绞车驱动系统根据变论域模糊PI控制器发出的电流指令驱动电机旋转，执行电缆张力值的校正动作，使电缆收放过程保持恒定的张力。

上述船舶电缆绞车驱动系统的控制方法，所述变论域模糊控制器的输入E、E_C和输出△K_p、△K_i的模糊子集取为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集中的元素NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB依次代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正大，则输出变量K_p的模糊控制规则如下：

当E为NB，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_p分别为PB、PB、PM、PM、PS、ZO和ZO；

当E为NM，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_p分别为PB、PB、PM、PS、PS、ZO和NS；

当E为NS，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_p分别为PM、PM、PM、PS、ZO、NS和NS；

当E为ZO，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_p分别为PM、PM、PS、ZO、NS、NM和NM；

当E为PS，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_p分别为PS、PS、ZO、NS、NS、NM和NM；

当E为PM，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_p分别为PS、ZO、NS、NM、NM、NM和NB；

当E为PB，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_p分别为ZO、ZO、NM、NM、NM、NB和NB；

输出变量K_i的模糊控制规则如下：

当E为NB，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_i分别为NB、NB、NM、NM、NS、ZO和ZO；

当E为NM，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_i分别为NB、NB、NM、NS、NS、ZO和ZO；

当E为NS，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_i分别为NB、NM、NS、NS、ZO、PS和PS；

当E为ZO，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_i分别为NM、NM、NS、ZO、PS、PM和PM；

当E为PS，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_i分别为NM、NS、ZO、PS、PS、NM和PB；

当E为PM，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_i分别为ZO、ZO、PS、PS、PM、PB和PB；

当E为PB，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_i分别为ZO、ZO、PS、PM、PM、PB和PB。

以上字母NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。

本发明实现了船舶电缆绞车驱动系统转速和电流的双闭环自适应控制，有效地提高了船舶电缆绞车的控制精度，从而提高了驱动系统的动态和稳态性能，实现了船舶电缆绞车的恒张力控制，延长了船舶电缆绞车的运行寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为本发明船舶电缆绞车驱动系统的传动结构图；

图2为本发明船舶电缆绞车驱动电机定子电流矢量图；

图3为本发明变论域模糊PI电缆绞车驱动系统控制器框图；

图4为本发明船舶电缆绞车驱动系统的变论域模糊控制流程图。

文中各符号为：T_F为电缆张力产生的转矩；T_em为驱动电机的电磁转矩；T₀为驱动电机及传动机构的空载转矩；T_D为驱动电机的动态转矩；J为电缆卷和储缆筒的总转动惯量；J_P为电缆卷的转动惯量；J_M为储缆筒的转动惯量；ω为电缆绞车卷盘转速；ω_c为电缆绞车驱动电机的转速；F为电缆张力；D为电缆卷直径；R为电缆卷径；r为储缆筒半径；b为储缆筒长度；ρ为电缆卷的平均密度；d为储缆筒直径；v为电缆线速度；E为转矩误差；E_C为转矩误差变化率；△K_p、△K_i分别为PI控制器的两个参数P、I的修正；和为语言变量；与分别为论域输入变量和输出变量的伸缩因子；为一个常数，数值为0.7。

具体实施方式

如图1所示为船舶电缆绞车驱动系统的传动结构图，可见船舶电缆绞车在收放电缆的过程中，电缆卷径和转动惯量不断变化，为非线性时变参数。为了保证电缆在收放电缆过程中能平稳工作，必须要求电缆的张力和线速度保持恒定。在电缆绞车收放的过程中通过张力传感器检测到电缆所受的张力，并反馈至设计的船舶电缆绞车驱动系统的控制器中，通过改变系统驱动电机的转矩，自动调节电缆卷筒的正反转，实现电缆的收放操作，并在收放过程中使电缆所受的张力与设定值保持一致。

当船舶电缆绞车正常工作时，控制电缆卷盘的驱动电机运动方程为：

式中：T_F为电缆张力产生的转矩；T_em为驱动电机的电磁转矩；T₀为驱动电机及传动机构的空载转矩；T_D为驱动电机的动态转矩。

忽略空载转矩T₀，驱动电机稳速状态下，T_D=0，上式变为：

式中：F为电缆张力；D为电缆卷直径。

上述对船舶电缆绞车张力的分析只是考虑了稳速运行的情况，在实际收放电缆的过程中常有加减速度的需要，此时会因调节不及时而使电缆拉力发生较大的变化，因此有必要在加减速过程中对驱动电机动态转矩的进行补偿。驱动电机运动方程右边的第三部分，即动态转矩为：

式中：J_P为电缆卷的转动惯量；J_M为电缆卷筒的转动惯量。

电缆绞车卷筒的转动惯量J_M不变，而电缆卷的转动惯量J_P随着电缆直径D的减小而变小，因此，必须对它进行计算。

式中：R为电缆卷径；r为电缆卷筒的半径；b为储缆筒长度；ρ为电缆卷的平均密度。

令D=2R，d=2r，则：

又因为

式中：v为电缆线速度，联立上式得：

这样，只要检测到电缆绞车的电缆卷径D和速度变化率dv/dt等动态变量，就可以将船舶电缆绞车加减速过程中驱动电机需要补偿的动态转矩计算出来。根据上面的分析可知，在电缆绞车收放电缆的过程中，为了保持加减速过程中电缆所受的张力恒定不变，电缆绞车在加减速过程中，电磁转矩通过附加动态转矩来进行补偿。可见，对船舶电缆绞车的恒张力控制其实就是对驱动电机电流的控制，即对驱动电机的转矩进行控制。

图2为船舶电缆绞车驱动电机的定子电流矢量图，可见平面下电缆绞车驱动电机的电流极限圆和电压极限圆的轨迹，其中电压极限圆是随着速度的增加而减小。因此驱动电机的电枢电流矢量i应限定在极限圆以内。而船舶电缆绞车的卷盘要求一定的转速和相同的张力卷取电缆，随着电缆卷径的逐渐变大，卷盘的转速也应随之变低，而转矩则必须相应增大。因此为了达到准确转矩控制，系统控制器根据电流、转矩、转速反馈计算给出反馈电流值。

从图中可见当电缆绞车驱动电机的转速升高时，电流矢量将会沿电流极限圆从驱动电机最大转矩轨迹和电流极限圆的交点B移至和最大输出功率轨迹的交点C。此时，电缆绞车驱动电机的转速ω_c就是系统电压达到极限值时能运行于最大输出功率下的电机最低转速。而当驱动电机的电流矢量沿最大轨迹圆从交点C运行到系统电压极限圆的中心点D时，驱动电机的最大输出功率轨迹将会出现在电流极限圆左边，此时，系统的恒功率段也将不复存在。

如图3所示为变论域模糊PI电缆绞车控制器框图，利用变论域模糊自调整控制器采用模糊推理方法对船舶电缆绞车控制参数进行在线调整，以适应复杂工况下对恒张力控制参数的要求。可见用于PI参数调整的模糊控制器采用二输入二输出的形式。该控制器是以转矩误差E和转矩误差变化率E_C作为输入，PI控制器的两个参数P、I的修正△K_p、△K_i作为输出。取输入E和E_C和输出△K_p、△K_i的模糊子集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。其论域为[-6，6]。

考虑变论域模糊控制系统的n输入单输出，令和分别为输入变量和输出变量y的论域，X_i上的模糊划分：

Y上的模糊划分为：

式中：和为语言变量。

设分别为的峰值，分别为的峰值，则形成的模糊推理规则为：

Ifx₁isA_1jandx₂isA_2jandandx_nisA_njthenyisB_j

为了达到满意的系统控制精度，定义输入变量的基本论域为，上的模糊划分为(m=7)；输出变量的基本论域为，将上的模糊划分为，结合系统的模糊推理规则，则：

变论域是指变量X_i与Y可以分别随着x_i与y的变化而进行自动调整，输入变量X_i的基本论域为，输出变量Y的基本论域为，其中，与为论域的伸缩因子。则与的计算方法为：

式中：本发明中对于输入论域的量化因子选用，为常数向量，为不同采用时间，为初始值设为，为比例常数。

而船舶电缆绞车的控制是以转矩误差E和转矩误差变化率E_C作为输入，控制器的两个参数PI的修正△K_p、△K_i、作为输出。取输入E和E_C和输出△K_p、△K_i的模糊子集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集中元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。本文建立的输出变量K_p、K_i的模糊控制规则如表1、2所示。

表1Kp模糊控制规则表

表2Ki模糊控制规则表

如图4所示为船舶电缆绞车驱动系统的变论域模糊控制流程，

第一步，驱动系统采集船舶电缆绞车卷盘转速ω和张力变化值，根据船舶电缆绞车的驱动电机运动方程进行计算

在本次采样时间中计算电缆绞车的转矩值作为变论域模糊PI控制器的输入值y(k)；

第二步，如果计算到电缆绞车的转矩值y(k)超过允许误差的范围后，变论域模糊PI控制器根据变化值进行转矩误差E和转矩误差变化率E_C的量化，其量化的论域为[-6，6]；

第三步，将量化后的转矩误差E和转矩误差变化率E_C进行模糊化处理，再根据E(k)及Ec(k)的模糊值调整变论域模糊控制器的伸缩因子与，而和计算方法为：

式中：本发明中对于输入论域的量化因子选用，为常数向量，为不同采用时间，为初始值设为，为比例常数。

第四步，变论域模糊PI控制器根据伸缩因子进行相应的模糊推理得到系统的模糊输出量，其模糊推理规则如表1、2所示，再对模糊输出量进行解模糊处理得到电缆绞车驱动系统的实际电流输出值；

第五步，电缆绞车驱动系统再根据变论域模糊PI控制器发出的电流指令，当电缆绞车驱动电机的转速升高时，电流矢量将会沿电流极限圆从驱动电机最大转矩轨迹和电流极限圆的交点B移至和最大输出功率轨迹的交点C。此时，电缆绞车驱动电机的转速ω_c就是系统电压达到极限值时能运行于最大输出功率下的电机最低转速。而当驱动电机的电流矢量沿最大轨迹圆从交点C运行到系统电压极限圆的中心点D时，驱动电机的最大输出功率轨迹将会出现在电流极限圆左边。这样通过驱动电机旋转执行电缆张力值的校正动作，使电缆收放过程保持恒定的张力。

相对于已有的船舶电缆绞车驱动系统，本发明有以下优点：

1.该智能控制方法可以有效地提高船舶电缆绞车的控制精度，具有良好的稳定性，并且结构简单，灵活度高，可保证电缆绞车良好的性能指标；

2.所提变论域模糊PI控制方法具有较强的鲁棒性，对船舶电缆绞车的参数变化进行自整定，可广泛应用于复杂的海洋环境；

3.解决了传统控制方法难以兼顾动静态性能和转矩脉动的缺点，不仅控制效果好，且电缆绞车的转矩脉动小；

4.有效减小了船舶电缆绞车驱动系统关键部件的不平衡力矩，降低了这些关键部件的维护成本，提高了船舶电缆绞车的可靠性和寿命。

Claims (3)

1.一种船舶电缆绞车驱动系统的控制方法，其特征是，所述方法在利用PI控制器对船舶电缆绞车进行控制的同时，利用变论域模糊控制器，采用模糊推理方法对PI控制器的控制参数进行在线调整，实现电缆绞车驱动系统转速和电流的双闭环自适应控制，所述变论域模糊控制器以转矩误差E和转矩误差变化率E_C作为输入，以PI控制器的两个参数P、I的修正△K_p、△K_i作为输出。

2.根据权利要求1所述的船舶电缆绞车驱动系统的控制方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

a.驱动系统采集船舶电缆绞车卷盘转速ω和电缆张力F的变化值，根据下式计算电缆张力产生的转矩T_F：

式中：T_em为驱动电机的电磁转矩；T₀为驱动电机及传动机构的空载转矩；t为时间，在本次采样时间将电缆张力产生的转矩T_F作为变论域模糊PI控制器的输入值y(k)；

b.如果变论域模糊PI控制器的输入值y(k)超过了允许的误差范围，变论域模糊PI控制器根据y(k)的变化值进行转矩误差E和转矩误差变化率E_C的量化，其量化的论域为[-6，6]；

c.将量化后的转矩误差E和转矩误差变化率E_C进行模糊化处理，再根据E(k)及Ec(k)的模糊值调整论域的伸缩因子α(x)和β(y)，而α(x)和β(y)计算方法为：

式中：本发明中对于输入论域的量化因子选用γ＝0.7，p_i为常数向量，i＝1,…,n为不同采用时间，β(0)为初始值设为β(0)＝1，K_l为比例常数。

d.变论域模糊PI控制器根据伸缩因子进行相应的模糊推理，得到系统的模糊输出量，再对模糊输出量进行解模糊处理，得到电缆绞车驱动系统的实际电流输出值；

e.电缆绞车驱动系统根据变论域模糊PI控制器发出的电流指令驱动电机旋转，执行电缆张力值的校正动作，使电缆收放过程保持恒定的张力。

3.根据权利要求1或2所述的船舶电缆绞车驱动系统的控制方法，其特征是，所述变论域模糊控制器的输入E、E_C和输出△K_p、△K_i的模糊子集取为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集中的元素NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB依次代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正大，则输出变量K_p的模糊控制规则如下：

当E为NB，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_p分别为PB、PB、PM、PM、PS、ZO和ZO；

当E为NM，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_p分别为PB、PB、PM、PS、PS、ZO和NS；

当E为NS，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_p分别为PM、PM、PM、PS、ZO、NS和NS；

当E为ZO，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_p分别为PM、PM、PS、ZO、NS、NM和NM；

当E为PS，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_p分别为PS、PS、ZO、NS、NS、NM和NM；

当E为PM，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_p分别为PS、ZO、NS、NM、NM、NM和NB；

当E为PB，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_p分别为ZO、ZO、NM、NM、NM、NB和NB；

输出变量K_i的模糊控制规则如下：

当E为NB，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_i分别为NB、NB、NM、NM、NS、ZO和ZO；

当E为NM，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_i分别为NB、NB、NM、NS、NS、ZO和ZO；

当E为NS，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_i分别为NB、NM、NS、NS、ZO、PS和PS；

当E为ZO，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_i分别为NM、NM、NS、ZO、PS、PM和PM；

当E为PS，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_i分别为NM、NS、ZO、PS、PS、NM和PB；

当E为PM，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_i分别为ZO、ZO、PS、PS、PM、PB和PB；

当E为PB，EC分别为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时，△K_i分别为ZO、ZO、PS、PM、PM、PB和PB。