CN111025893A - 基于广义pid控制的深海采矿水面支持协同控制系统 - Google Patents

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潘登
李源
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Abstract

本发明公开了一种基于广义PID控制算法的采矿船的水面支持协同控制系统，包括A架子系统、绞车系统和上位机，A架子系统、绞车系统分别设置各自的广义PID模块和PID控制器。每个子系统控制采用广义预测控制(Generalized Predictive Control,GPC)对各线缆PID回路进行参数整定，实现采矿车布放控制以及各绞车与A架的协同控制，保证集矿车、中间仓与提升泵等水下系统的平稳下潜，从而到达面对复杂的海域情况下达到有效提升系统鲁棒性，进而保证恒张力模式下采矿船各子系统的高效协同。

Description

基于广义PID控制的深海采矿水面支持协同控制系统
技术领域
本发明涉及海洋采矿工程技术领域，尤其涉及到一种适用于采矿平台的水面支持协同控制系统。
背景技术
海洋采矿作业中，需要各绞车与A架等水面设备协同控制，保证集矿车、中间仓与提升泵等水下系统的平稳下潜。c海洋采矿水面支持系统是深海采矿船的水面设备协同控制的重要支撑。目前，常用的水面支持系统存在不可消除的偏差，且控制规则有限，使得其在实际应用过程中存在一定缺陷。广义PID算法作为一种改良型的智能控制算法，其机理是通过广义规则优化PID参数，此法在一定程度上弥补了传统控制算法及传统PID算法的不足。在复杂的海域情况的多种设备的协同工作，需要更加智能、鲁棒的协同控制系统帮助深海采矿作业。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对目前水面协同缺乏有效鲁邦的控制系统，运算速度慢、有效性差等技术问题，提供了一种安全可靠、鲁棒性强、面对复杂海域情况的深海采矿船的水面设备协同控制系统，有效实现非线性运动状态下的水面协同控制。
为解决上述技术问题，本发明提出的基于广义PID控制算法的深海采矿的水面支持协同控制系统，包括A架子系统、绞车系统和上位机，所述A架子系统、绞车系统分别设置各自的广义PID模块和PID控制器；
所述广义PID模块，用于对其对应的A架子系统、绞车系统的PID回路进行参数辨识、整定后，将参数反馈至其对应的A架子系统、绞车系统的PID控制器；
所述PID控制器，用于回馈控制其对应的A架子系统、绞车系统；
所述上位机，用于数据参数的发送端，实现A架子系统、绞车系统的PID控制器的参数设定及当前所受扰动量的输入。
所述广义PID模块，包括参数辨识模块和参数整定模块；参数辨识模块用于采集、辨识线缆PID回路的实时参数，实时参数经参数整定模块对参数整定后反馈其对应的PID控制器。
所述绞车系统包括绞车1系统、绞车2系统、绞车3系统，采矿车在艉部与A架通过线缆实现连接，采矿车软管与脐带缆与绞车1连接；中间仓软管与脐带缆与绞车2连接；提升泵软管与脐带缆与绞车3连接。
更进一步的，船外波浪补偿装置的扰动信号通过前馈补偿后分别接入各PID控制器。
本发明在面对复杂的海域情况下，采用广义预测控制(Generalized PredictiveControl,GPC)对各线缆PID回路进行参数整定，实现各绞车与A架的协同控制，保证集矿车、中间仓与提升泵等水下系统的平稳下潜，有效提升系统鲁棒性，保证各子系统的高效协同控制。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为发明具体广义预测PID的参数整定算法框图。
图2为发明系统的功能框图。
具体实施方式
结合图1、图2所示，基于广义PID控制算法的深海采矿的水面支持协同控制系统，包括A架子系统、绞车系统和上位机，A架子系统、绞车系统分别设置各自的广义PID模块和PID控制器；
广义PID模块用于对其对应的A架子系统、绞车系统的PID回路进行参数辨识、整定后，将参数反馈至其对应的A架子系统、绞车系统的PID控制器；
PID控制器用于回馈控制其对应的A架子系统、绞车系统；
上位机用于数据参数的发送端，实现A架子系统、绞车系统的PID控制器的参数设定及当前所受扰动量的输入。
广义PID模块包括参数辨识模块和参数整定模块；参数辨识模块用于采集、辨识线缆PID回路的实时参数，实时参数经参数整定模块对参数整定后反馈其对应的PID控制器。
A架子系统、绞车系统、塔吊等设备通过I/O接口与各自控制箱的PID控制器和执行机构连接，各设备通过其控制箱的IEEE 802.3硬件接口、OPC(OLE for Process Control,用于过程控制的OLE)软件接口采用以太网总线进行通信。绞车系统包括绞车1系统、绞车2系统、绞车3系统，采矿车在艉部与A架通过线缆实现连接，采矿车软管与脐带缆与绞车1连接；中间仓软管与脐带缆与绞车2连接；提升泵软管与脐带缆与绞车3连接。
由水面协同控制受到风、浪、流干扰而时刻处于不稳定状态，故须在过程中进行水面协同控制信号适当的校正与调节。船外波浪补偿装置则通过IEEE802.3接口直接与以太网连接，所采用软接口是TCP/UDP协议。船外波浪补偿装置的扰动信号通过前馈补偿后分别接入各PID控制器。
下面详细描述基于广义PID控制算法的深海采矿的水面支持协同控制系统的工作过程。
上位机控制A架系统与绞车1暂停；硬管下放，相应的电缆布放绞车(中间仓下放时为绞车2，提升泵下放时为绞车3)以恒张力模式随动。
电缆绞车系统实时向上位机发送状态字及监控信号，包括：绞车1电缆下放长度、绞车2电缆下放长度、绞车3电缆下放长度、绞车1电缆速度、绞车2电缆速度、绞车3电缆速度、绞车1电缆张力、绞车2电缆张力、绞车3电缆张力、绞车1本地控制恒张力设置值、绞车2本地控制恒张力设置值、绞车3本地控制恒张力设置值；
上位机监控系统由上位机监控软件、通信服务器以及显示台组成。通信服务器通过IEEE 802.3硬件接口和OPC软件接口与各设备控制箱进行通信。上位机通过以太网向电缆绞车系统发送“协调控制请求”指令，等待电缆绞车系统应答。若应答允许，则上位机实现电缆绞车系统控制权接管；若应答无响应，则再次发送指令直至获取控制权；若应答不允许，则暂停作业，上位机界面指示“电缆绞车系统启动异常”；
上位机实现A架系统控制权接管；若应答无响应，则再次发送指令直至获取控制权；若应答不允许，则暂停作业，上位机界面指示“A架系统启动异常”。
采矿车在艉部与A架系统通过线缆实现连接，同时，采矿车软管与脐带缆与绞车1连接。当上位机系统成功获取A架系统及绞车1控制权后，启动采矿车入水程序。此时，上位机系统控制A架系统及绞车1以速度模式工作，平稳下放采矿车，当到达一定深度后，上位机将A架系统与绞车1的控制模式切换为恒张力模式。
采矿车下潜至预定深度后，上位机控制A架系统与绞车1暂停，待中间仓准备完毕(中间仓与硬管实现连接，同时，中间仓软管与脐带缆与绞车2连接)，操纵中间仓于月池入水，并启动中间仓入水程序，此时A架系统与绞车2以恒张力模式工作。塔吊控制各级硬管与中间仓平稳下放，绞车2随动。每一级硬管下放至末端后，由动力卡瓦抱紧该级硬管，暂停塔吊与绞车2，同时启动A架系统下放采矿车一定深度后暂停，随后连接下一级硬管，松开动力卡瓦，开启塔吊与绞车2继续下放中间仓。
采矿车与中间仓下潜至预定深度后，上位机控制A架系统与绞车2暂停，待提升泵准备完毕(提升泵与硬管实现连接，同时，提升泵软管与脐带缆与绞车3连接)，操纵提升泵于月池入水，并启动提升泵入水程序。提升泵下放的协同控制流程与中间仓下放过程类似，此过程A架系统与绞车3以恒张力模式工作。
当采矿车距离海底小于设定深度时，上位机系统将A架控制模式切换为速度模式。当采矿车到达海底后，上位机系统停止A架和其他布放设备工作。
艉部A架和电缆绞车各配置一套PLC为PID控制器，艉部A架PID控制器与电缆绞车PID控制器分别通过无源触点和工业以太网与上位机进行数据通讯，以便上位机进行协调控制。工业以太网采用OPC通讯协议。
A架子系统发送至上位机信号：艉部A架系统通过以太网将相关状态信息及上位机需实时监控的信号发送至上位机系统。
上位机发至A架子系统信号：上位机通过无源触点和以太网将控制指令发给艉部A架子系统。
电缆绞车系统发送至上位机信号：电缆绞车系统通过以太网将相关状态信息发给上位机系统。
上位机发送至电缆绞车信号：上位机通过无源触点和以太网将控制指令发给电缆绞车系统。上位机实时比较A架子系统发来的线缆下放长度信号，当其与某一预设值相等后，上位机发送至A架子系统与电缆绞车系统的控制字的Bit1置1，A架与绞车1切换为恒张力模式工作。检验动力卡瓦提升信号，若设备重力状态正常进行下一步，不正常，人工干预排查故障。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于广义PID控制算法的深海采矿的水面支持协同控制系统，包括A架子系统、绞车系统，其特征在于，还设有上位机，所述A架子系统、绞车系统分别设置各自的广义PID模块和PID控制器；
所述广义PID模块，用于对其对应的A架子系统、绞车系统的PID回路进行参数辨识、整定后，将参数反馈至其对应的A架子系统、绞车系统的PID控制器；
所述PID控制器，用于回馈控制其对应的A架子系统、绞车系统；
所述上位机，用于数据参数的发送端，实现A架子系统、绞车系统的PID控制器的参数设定及当前所受扰动量的输入。
2.根据权利要求1所述的基于广义PID控制算法的深海采矿的水面支持协同控制系统，其特征在于，所述广义PID模块，包括参数辨识模块和参数整定模块；参数辨识模块用于采集、辨识线缆PID回路的实时参数，实时参数经参数整定模块对参数整定后反馈其对应的PID控制器。
3.根据权利要求1所述的基于广义PID控制算法的深海采矿的水面支持协同控制系统，其特征在于，所述绞车系统包括绞车1系统、绞车2系统、绞车3系统，采矿车在艉部与A架通过线缆实现连接，采矿车软管与脐带缆与绞车1连接；中间仓软管与脐带缆与绞车2连接；提升泵软管与脐带缆与绞车3连接。
4.根据权利要求1所述的基于广义PID控制算法的深海采矿的水面支持协同控制系统，其特征在于，船外波浪补偿装置的扰动信号通过前馈补偿后分别接入各PID控制器。
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