CN107145070B - 一种用于高海况作业浮吊的模糊变结构波浪补偿方法 - Google Patents

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Abstract

针对恶劣海况影响集装箱起吊、打捞救援、采矿船施工作业的难题，提出通过模糊变结构方法调节电液比例方向阀输出流量的方法，控制变幅机构补偿伸缩臂角度变化的策略，并重点研究了模糊变结构方法。模糊变结构方法包括模糊输入、模糊规则、变结构输出三方面，在模糊规则方面，单独使用E(角度偏差)和EC(角度偏差变化率)，其中E起着主调作用，EC起着微调作用，将模糊规则由49条减少为14条，缩小了模糊推理时间，提高了快速响应性；在模糊输入方面：角度偏差是当前角度偏差与偏差变化速率之和，提前预报偏差；在模糊输出方面，设置PID输出值的上下限和死区界限，降低执行机构的惯性和电液比例方向阀死区滞后的影响。通过以上方法提高了高海况作业下的稳定性。

Description

一种用于高海况作业浮吊的模糊变结构波浪补偿方法
技术领域
本发明涉及一种高海况浮吊的模糊变结构波浪补偿方法，尤其是为恶劣的六级海况下的的作业提供一种波浪补偿方案，属于海洋集装箱起吊、打捞救援、海洋矿物资源采集等恶劣海况下作业的领域。
背景技术
高海况作业浮吊是工程机械与船舶结合进行海面起吊作业的装备，救援设备包括变幅机构、伸缩机构、回转机构、卷扬机构。而浮吊作业臂跟随船体左右摇晃，影响海洋作业，因此通过变幅机构油缸来调整机械臂的角度稳定，提高作业的成功率。
目前国内外的科研机构研究了很多波浪补偿算法，有学者在PID算法的基础上提出了很多改进的算法，比如神经网络算法、遗传算法，也有学者提出了模糊算法。以上算法大多应用在控制卷扬机构来补偿两只船舶间起吊重物时的高度波动，或者用于调整船舶自身的姿态角度，但在高海况浮吊中应用并不多见；而且以上算法的波浪补偿效果的快速响应性和鲁棒性有待进一步提高。
发明内容
本发明主要提供一种波浪补偿方法，使得高海况浮吊不受海况影响而实现稳定作业。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高海况作业下的模糊变结构波浪补偿方法，为海洋集装箱起吊、打捞救援、海洋矿物资源采集等提供保障，其特征是：
通过电液比例方向阀控制变幅油缸的伸缩运动，补偿浮吊臂架的角度波动。
通过模糊变结构方法控制电液比例方向阀的输出流量，达到调整浮吊臂架角度恒定的方法，模糊变结构方法包括模糊规则、模糊输入和模糊输出。
相对于传统模糊PID算法，模糊变结构方法在模糊规则、模糊输入、模糊输出三方面做了改进：在模糊规则方面，提出角度偏差E和角度偏差变化率EC单独使用方案，其中角度偏差E起着主调作用，EC起着微调作用，缩小了模糊推理时间，提高了快速响应性；在模糊输入方面：角度偏差是当前角度偏差与偏差变化速率之和，提前预报偏差，提高了快速响应特性；在模糊输出方面，考虑到执行机构的惯性因素和电液比例方向阀的反向死区因素，设置PID输出值的上下限和死区界限，减弱超调和滞后现象。
所述的模糊变结构方法的三个方面，其模糊输入选取目标控制量，模糊输入目标控制量的选取有两种方案，
方案一：由传感器直接测得臂架的当前角度值作为控制目标量，或者；
方案二：通过建立坐标系，计算臂架某一点坐标(X，Y，Z)的Z值作为目标量，具体计算如下图1所示
臂架上各点的坐标计算
式中是坐标系1相对坐标系0的位姿，是坐标系2相对坐标系1的位姿，是坐标系3相对坐标系2的位姿，是坐标系,4相对坐标系3的位姿，P4是臂架上的点在坐标系4中的坐标。
通过方案一或者方案二选取并计算目标控制量后，实际模糊输入的目标量按公式(2)计算，即当前目标量的角度反馈值(或者点的坐标)与当前时刻目标量的变化率之和，通过提前预报目标量，进一步避免了超调。
其中ec是某一采集时刻的角度值相对于上一时刻采集的角度值的变化量，i-2、i-1、i、i+1是相邻的几次目标采集或计算点。
所述的模糊变结构方法的三个方面，其模糊规则：求得当前角度与目标的角度偏差E和角度偏差变化率EC，由角度偏差E和角度偏差变化率EC求得pid参数的三个参数值(p、i、d)，角度偏差E起主要调节作用，角度偏差变化率EC起着辅助调节作用，将模糊规则由49条减少为14条，缩小了模糊推理时间，角度偏差E和角度偏差变化率EC单独作用，降低了模糊推理时间，提高响应速率。
所述的模糊变结构方法的三个方面，其模糊输出，输出的pid控制值有输出上下限，并跨越电液比例方向阀的死区阶段，避免响应滞后和超调,其pid输出的计算公式如下式(3)所示
其中a是超调上限，b是死区，c是超调下限,其中c<b<0<a。
本发明的有益效果是：
模糊变结构方法提高了装备的的快速响应性和鲁棒性，提升了模糊PID算法的控制效果。波浪补偿方法带有阀的死区补偿方案，抑制执行机构的惯性滞后，保持浮吊作业臂的角度稳定，作业更加方便，提高效率。
附图说明
图1浮吊坐标系。
图2是浮吊臂架的变幅油缸调节方案图。
图3是模糊规则调整示意图。
图4是模糊输入调整示意图。
图5是模糊输出调整示意图。
图6是波浪补偿的应用环境。
具体实施方式
在图2中，船体受海浪的影响，浮吊臂架跟随船体摇晃，通过电液比例方向阀调控变幅油缸的伸缩运动，补偿臂架角度恒定。方案一：通过传感器测得角度值作为目标量；方案二：通过图示坐标系计算点坐标(X，Y，Z)的Z值作为目标量。
图3是模糊规则。模糊推理过程中，e和ec的模糊论集各有7个，总的模糊规则有49条，模糊规则复杂，模糊推理过程中占用较多时间，但只有一条规则起作用，因此应快速推理，使得E和EC单独使用，模糊规则由49条变为14条，提高计算速度。
图4是输入控制。e是偏差，ec是偏差变化率。在模糊PID控制过程中，响应速度过慢的原因还有模糊输入滞后，导致超调，因此通过提前预报的方法提前得知偏差变化，从而在偏差较大前提前做出调节。
图5是输出控制。受变幅机构自身惯性的影响，执行机构延时动作，导致PID的输出瞬间增大，当动作开始执行时，增大后的PID输出导致超调；改变模糊推理的输出值，设置PID输出的上下极限[a,c]，实现输出变结构控制。由于电液比例方向阀的磁滞现象，电液比例方向阀存在死区，即当处于反向小范围输出时，电液比例方向阀不动作，在模糊推理输出结果为[b,0]时变结构输出，跳过死区[b,0]。

Claims (3)

1.一种高海况作业下的模糊变结构波浪补偿方法，其特征是：通过电液比例方向阀控制变幅油缸的伸缩运动，补偿浮吊臂架的角度波动；
通过模糊变结构方法控制电液比例方向阀的输出流量，达到调整浮吊臂架角度恒定的方法，模糊变结构方法包括模糊规则、模糊输入和模糊输出；
相对于传统模糊PID算法，模糊变结构方法在模糊规则、模糊输入、模糊输出三方面做了改进：在模糊规则方面，提出角度偏差E和角度偏差变化率EC单独使用方案，其中角度偏差E起着主调作用，角度偏差变化率EC起着微调作用，缩小了模糊推理时间，提高了快速响应性；在模糊输入方面：角度偏差是当前角度偏差与偏差变化速率之和，提前预报偏差，提高了快速响应特性；在模糊输出方面，考虑到执行机构的惯性因素和电液比例方向阀的反向死区因素，设置PID输出值的上下限和死区界限，减弱超调和滞后现象；
所述的模糊变结构方法的三个方面，其模糊输入选取目标控制量，模糊输入目标控制量的选取有两种方案，
方案一：由传感器直接测得臂架的当前角度值作为控制目标量，或者；
方案二：通过建立坐标系，计算臂架某一点坐标(X，Y，Z)的Z值作为目标量，具体计算
臂架上各点的坐标计算
式中是坐标系1相对坐标系0的位姿，是坐标系2相对坐标系1的位姿，是坐标系3相对坐标系2的位姿，是坐标系4相对坐标系3的位姿，P4是臂架上的点在坐标系4中的坐标；
通过方案一或者方案二选取并计算目标控制量后，实际模糊输入的目标量按公式(2)计算，即当前目标量的角度反馈值与当前时刻目标量的变化率之和，通过提前预报目标量，进一步避免了超调；
其中ec是某一采集时刻的角度值相对于上一时刻采集的角度值的变化量，i-2、i-1、i、i+1是相邻的几次目标采集或计算点。
2.根据权利要求1所述的高海况作业下的模糊变结构波浪补偿方法，其特征是：所述的模糊变结构方法的三个方面，其模糊规则：求得当前角度与目标的角度偏差E和偏差变化率EC，由角度偏差E和角度偏差变化率EC求得pid参数的三个参数值p、i、d，角度偏差E起主要调节作用，角度偏差变化率EC起着辅助调节作用，将模糊规则由49条减少为14条，缩小了模糊推理时间，角度偏差E和角度偏差变化率EC单独作用，降低了模糊推理时间，提高响应速率。
3.根据权利要求1所述的高海况作业下的模糊变结构波浪补偿方法，其特征是：所述的模糊变结构方法的三个方面，其模糊输出，输出的pid控制值有输出上下限，并跨越电液比例方向阀的死区阶段，避免响应滞后和超调,其pid输出的计算公式如下式(3)所示
其中a是超调上限，b是死区，c是超调下限,其中c<b<0<a。
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