CN111409781A - 基于pid控制器的船舶调载系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于PID控制器的船舶调载系统，包括依次连接的一观测系统、一计算系统和一执行系统，所述计算系统计算来自所述观测系统的观测数据并根据计算结果控制所述执行系统自动调载。本发明的一种基于PID控制器的船舶调载系统，可实现船舶装载过程中的自动调载，以保证浮托安装工程的安全和高效。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种基于PID控制器的船舶调载系统。
背景技术
PID即：Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)的缩写。顾名思义，PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，它是连续系统中技术最为成熟、应心最为广泛的一种控制算法，该控制算法出现于20世纪30至40年代，适用于对被控对象模型了解不清楚的场合。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到比较满意的效果。
调载技术：指通过调整船舶压载水等方法，调整整船的浮态及吃水，使其达到工程需求的一种技术。船舶压载水指为控制船舶横倾、纵倾、吃水、稳性或应力而加装到船上的水及悬浮物质，通过调整船舶各个压载水舱的压载水体积，可以有效调整船舶的浮态和吃水，以使得船舶安全工作。
在浮托安装工程中，装船过程需要运输船舶保持和码头运输轨道平齐，因此需要在装载设备的过程中动态调整船舶的压载水质量，以保证船舶能够保持浮态的稳定，以及吃水的稳定。目前，尚缺乏一种自动化、智能化和精细化程度高的船舶调载方法。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于PID控制器的船舶调载系统，可实现船舶装载过程中的自动调载，以保证浮托安装工程的安全和高效。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于PID控制器的船舶调载系统，包括依次连接的一观测系统、一计算系统和一执行系统，所述计算系统计算来自所述观测系统的观测数据并根据计算结果控制所述执行系统自动调载。
优选地，所述观测系统包括多个船舶姿态传感器和至少一设备装载进度观测器；
所述船舶姿态传感器用于感知船舶的浮态和吃水，提供实时的船舶状态信息；
所述设备装载进度观测器用于观测待装船设备的运输进度，并实时计算将作用于船舶上的压力和力矩以及其增加的趋势，提供对于船舶将来状态的预测。
优选地，所述船舶姿态传感器采用JY901姿态角度传感器。
优选地，所述计算系统包括一压载水舱预配置计算模块和一PID载荷动态调控模块；
所述压载水舱预配置计算模块用于所述待装船设备装船前的压载水预配置；
所述PID载荷动态调控模块用于在船舶装载过程中动态调整船舶的压载水分布和压载水总量。
优选地，所述计算系统包括Jeston TX2模块。
优选地，所述PID载荷动态调控模块基于一PID算法u(t)：
其中，Kp表示比例系数；e(t)表示控制系统的偏差信号；Ki表示积分系数；Kd表示微分系数。
优选地，所述执行系统包括一多舱压载互补系统和一压载水抽排系统；所述多舱压载互补系统用于动态分配所述船舶各个舱室间的压载水，调节船舶的浮态并保持所述船舶的吃水；所述压载水抽排系统包括所述船舶的向船外的进出水系统，用于调整所述船舶的吃水和总压载水量。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
通过观测系统、计算系统和执行系统的配合，可实现船舶装载过程中的自动调载，保证设备装船的效率和安全性；可缩短准备时间和装船时间，提高码头利用率，降低工期时间，以节省工程成本。
附图说明
图1为本发明实施例的基于PID控制器的船舶调载系统的结构示意图。
具体实施方式
下面根据附图1，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1，本发明实施例的一种基于PID控制器的船舶调载系统，包括依次连接的一观测系统1、一计算系统3和一执行系统2，计算系统3计算来自观测系统1的观测数据并根据计算结果控制执行系统2自动调载。
其中，观测系统1包括多个船舶姿态传感器11和至少一设备装载进度观测器12；船舶姿态传感器11用于感知船舶的浮态和吃水，提供实时的船舶状态信息；设备装载进度观测器12用于观测待装船设备的运输进度，并实时计算将作用于船舶上的压力和力矩以及其增加的趋势，提供对于船舶将来状态的预测。
计算系统3包括一压载水舱预配置计算模块31和一PID载荷动态调控模块32；压载水舱预配置计算模块31用于待装船设备装船前的压载水预配置；PID载荷动态调控模块32用于在船舶装载过程中动态调整船舶的压载水分布和压载水总量。
执行系统2包括一多舱压载互补系统21和一压载水抽排系统22；多舱压载互补系统21用于动态分配船舶各个舱室间的压载水，调节船舶的浮态并保持船舶的吃水；压载水抽排系统22包括船舶的向船外的进出水系统，用于调整船舶的吃水和总压载水量。
在实际使用中，计算系统3通过压载水舱预配置计算模块31进行预配置计算，控制执行系统2提前配置压载水。在设备装船过程中，由观测系统1向计算系统3发送船舶装载状态实时数据，通过PID载荷动态调控模块32实时结算出需要的执行动作，发送给执行系统2进行操作。
本实施例中，船舶姿态传感器11采用JY901姿态角度传感器。
模块集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。
采用先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。
模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度0.01度，稳定性极高，性能甚至优于某些专业的倾角仪。
模块内部自带电压稳定电路，工作电压3v～6v，引脚电平兼容3.3V/5V的嵌入式系统，连接方便。
支持串口和IIC两种数字接口。方便用户选择最佳的连接方式。串口速率2400bps～921600bps可调，IIC接口支持全速400K速率。
最高200Hz数据输出速率。输入内容可以任意选择，输出速率可调节。
保留4路扩展端口，可以分别配置为模拟输入，数字输入，数字输出，PWM输出等功能。
具备GPS连接能力。可接受符合NMEA-0183标准的串口GPS数据，形成GPS-IMU组合导航单元
本实施例中，计算系统3包括Jeston TX2模块。
GPU：NVIDIA PascalTM架构，配有256个NVIDIA CUDA核心；
CPU：双核Denver 2 64位CPU和四核ARM A57 Complex；
内存：4GB 128位LPDDR4、8GB 128位LPDDR4、8GB 128位LPDDR4；
存储空间：16GB eMMC 5.1、32GB eMMC 5.1、32GB eMMC 5.1；
视频编码：2x4K@30(HEVC)；
视频解码：2x4K@30,12-bit support；
连接：需要外部芯片；板载Wifi：需要外部芯片；
千兆以太网；
摄像头：12通道MIPI CSI-2D-PHY 1.2(30Gbps)；
显示器：HDMI 2.0/eDP 1.4/2xDSI/2xDP 1.2；
UPHY：Gen 2|1x4+1x1或2x1+1x2 USB 3.0+USB 2.0；
尺寸：87mmx50mm；
规格尺寸：配有热转印板(TTP)的400针连接器。
本实施例中，PID载荷动态调控模块32基于一PID算法u(t)：
其中，Kp表示比例系数；e(t)表示控制系统的偏差信号；Ki表示积分系数；Kd表示微分系数。
多个船舶姿态传感器11分布于船舶的各个部分。在实际运行过程中将多个船舶姿态传感器11得到的值进行剔除异常数据后加权平均，得到船舶当前运动姿态的四元素角以及角加速度。PID算法输入值为单个四元素角的偏离值，输出值为船舶对应舱室的水泵工况。其中，比例，积分，微分三个环节的系数将由实际观测的装船速度和装备重量、船舶尺寸等因素共同推导得出。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于PID控制器的船舶调载系统，其特征在于，包括依次连接的一观测系统、一计算系统和一执行系统，所述计算系统计算来自所述观测系统的观测数据并根据计算结果控制所述执行系统自动调载。
2.根据权利要求1所述的基于PID控制器的船舶调载系统，其特征在于，所述观测系统包括多个船舶姿态传感器和至少一设备装载进度观测器；
所述船舶姿态传感器用于感知船舶的浮态和吃水，提供实时的船舶状态信息；
所述设备装载进度观测器用于观测待装船设备的运输进度，并实时计算将作用于船舶上的压力和力矩以及其增加的趋势，提供对于船舶将来状态的预测。
3.根据权利要求1所述的基于PID控制器的船舶调载系统，其特征在于，所述船舶姿态传感器采用JY901姿态角度传感器。
4.根据权利要求2所述的基于PID控制器的船舶调载系统，其特征在于，所述计算系统包括一压载水舱预配置计算模块和一PID载荷动态调控模块；
所述压载水舱预配置计算模块用于所述待装船设备装船前的压载水预配置；
所述PID载荷动态调控模块用于在船舶装载过程中动态调整船舶的压载水分布和压载水总量。
5.根据权利要求4所述的基于PID控制器的船舶调载系统，其特征在于，所述计算系统包括Jeston TX2模块。
6.根据权利要求4所述的基于PID控制器的船舶调载系统，其特征在于，所述PID载荷动态调控模块基于一PID算法u(t)：
其中，Kp表示比例系数；e(t)表示控制系统的偏差信号；Ki表示积分系数；Kd表示微分系数。
7.根据权利要求4所述的基于PID控制器的船舶调载系统，其特征在于，所述执行系统包括一多舱压载互补系统和一压载水抽排系统；所述多舱压载互补系统用于动态分配所述船舶各个舱室间的压载水，调节船舶的浮态并保持所述船舶的吃水；所述压载水抽排系统包括所述船舶的向船外的进出水系统，用于调整所述船舶的吃水和总压载水量。
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