CN112678704A - 海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法，具体为：通过检测的母船升沉运动的瞬时加速度求对应于其传动电机的转速及母船升沉运动周期；实时检测传动电机的瞬时转矩，计算该传动电机在当前升沉运动周期中的平均转矩；同时实时检测传动电机在当前采样周期的瞬时转矩，得传动电机在当前采样周期的转矩偏差；计算传动电机在当前采样周期的转速补偿值，对电机当前采样周期的初始给定转速进行补偿，得传动电机在当前采样周期补偿后的给定转速；对传动电机实施高性能调速控制，使其实际转速准确跟踪其给定转速，即可实现海洋绞车主动升沉补偿控制的高精度同步控制目标。本发明具有原理简单、补偿效果好等特点。

Description

海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法

技术领域

本发明涉及海洋绞车主动升沉补偿控制领域，尤其涉及一种海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法。

背景技术

海洋绞车是海洋科学考察与海洋资源勘探及开发的重要收放设备。由于受风浪流强非线性干扰的影响，海洋绞车会随母船作剧烈的升沉运动，不仅严重影响了海洋工程作业的正常进行或水下设施的正常工作，而且会对绞车收放缆绳产生巨大的作用力甚至导致其断裂。因此针对海洋绞车研究开发相应的主动升沉补偿功能，以补偿母船升沉运动对海洋绞车正常作业造成的不利影响具有重要意义。

目前在海洋绞车主动升沉补偿控制方面已开展了大量研究，提出了诸如模型预测控制、自适应滤波控制和滑模控制等多种控制方法，虽取得了不同程度的控制效果，但均未能达到高精度恒张力的控制目标。而要实现上述目标，就必须控制海洋绞车实现与母船升沉运动保持高精度的同步运转；而要实现该同步运转目标，首先必须获得海洋绞车电传动系统的准确给定转速，如此才能通过对电传动系统实施高性能的调速控制，使其实际转速准确跟踪其给定转速，从而达到海洋绞车主动升沉补偿控制的高精度同步控制目标。

然而目前海洋绞车电传动系统的给定转速是通过采集置于母船上加速度传感器的输出信号并进行相关处理得到，由于存在信号采集误差、数据处理延时及各种干扰的影响，上述所得给定转速相对于母船升沉运动的实际转速间总会存在一定的偏差；若海洋绞车主动升沉补偿控制只是针对该给定转速实施调速控制，则无论采用何种控制方法都无法克服因给定转速不准而造成的补偿偏差，而现有各种控制方法均未解决这个造成补偿偏差的源头问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法，可消除因信号采集误差和数据处理延时而导致的补偿偏差，达到海洋绞车主动升沉补偿控制的高精度同步控制目标。

本发明提出的具体技术方案，包括以下步骤：

步骤S1)通过检测的母船升沉运动的瞬时加速度，对所述瞬时加速度求积分得母船升沉运动的速度信号，通过所得速度信号求得母船升沉运动周期；

步骤S2)对步骤S1的速度信号进行运算处理得到海洋绞车主动升沉补偿控制中对应于其传动电机的转速信号，并将其作为传动电机的初始给定转速，实时检测传动电机的瞬时转矩，计算该传动电机在当前升沉运动周期中的平均转矩；

步骤S3)以步骤S2所得平均转矩作为传动电机在下一个升沉运动周期中的参考转矩，同时实时检测传动电机在当前采样周期的瞬时转矩，得传动电机在当前采样周期的转矩偏差；

步骤S4)将步骤S3所得转矩偏差经基于重复控制的复合控制算法处理，得传动电机在当前采样周期的转速补偿值；

步骤S5)将步骤S4所得转速补偿值对传动电机当前采样周期的初始给定转速进行补偿，得传动电机在当前采样周期补偿后的给定转速；

步骤S6)根据步骤S5所得补偿后的给定转速对传动电机实施高性能调速控制，使其实际转速准确跟踪其给定转速，即可实现海洋绞车主动升沉补偿控制的高精度同步控制目标。

优选地，步骤S1)中获得母船升沉运动周期的具体步骤为：

步骤S1-1)通过加速度传感器实时检测母船升沉运动的加速度信号，并通过对该加速度信号进行积分运算处理，得到母船升沉运动对应的速度信号；

步骤S1-2)根据当前采样周期母船升沉运动的速度信号，并将其与上一采样周期的速度信号进行比较，得到相应的速度偏差，具体如下：

Δv(k)＝v(k)-v(k-1) (1)

式中：v(k)和v(k-1)分别为当前采样周期和上一采样周期母船升沉运动的速度信号；

步骤S1-3)判断两相邻速度偏差Δv(k-1)和Δv(k)是否满足：Δv(k-1)小于0且Δv(k)大于0；如果满足该条件，则以下一采样时刻为定位点；

步骤S1-4)当微控制器捕获到定位点时，将控制定时器模块清零并启动定时器模块开始计时，同时继续检测下一个满足上述条件的定位点；当捕获到下一个满足条件的定位点时，记录并保存定时器模块中的时间值T，该时间值即为当前母船升沉运动的周期，同时微控制器将再次控制定时器模块清零并重新启动定时器模块计时，如此周而复始，从而可获得母船升沉运动所对应的所有周期值。

优选地，步骤S2)中得到传动电机在当前母船升沉运动周期中的平均转矩，具体公式为：

式中：T_e ^*为传动电机在当前母船升沉运动周期中的平均转矩，T_ei为当前母船升沉运动周期中采集的第i个瞬时转矩，m为当前母船升沉运动周期中所采集的瞬时转矩个数。

优选地，步骤S3)中得到传动电机在当前采样周期的转矩偏差，具体公式为：

ΔT_e(k)＝T_e(k)-T_e ^* (3)

式中：ΔT_e(k)为当前采样周期的转矩偏差，T_e(k)为前采样周期的瞬时转矩，T_e ^*为当前母船升沉运动周期中的参考转矩。

优选地，步骤S4)中将所得转矩偏差经基于重复控制的复合控制算法处理，得到传动电机在当前采样周期的转速补偿值，具体为：基于重复控制的复合控制算法包括重复控制和数据处理两部分，所述转矩偏差ΔT_e(k)首先经重复控制延时补偿后，再经数据处理部分运算处理得到传动电机在当前采样周期的转速补偿值Δn^*(k)；所述数据处理部分的具体公式为：

式中：T_s为采样周期，ΔT_e1(k)为转矩偏差ΔT_e(k)经重复控制延时补偿后所得转矩偏差，J为电机转动惯量，B为摩擦系数，n(k)和n(k-1)分别为当前采样周期和上一采样周期电机的初始给定转速，Δn^*(k-1)为上一采样周期初始给定转速的补偿值。

优选地，步骤S5)中得到传动电机在当前采样周期补偿后的给定转速，具体公式为：

n^*(k)＝n(k)+Δ^*n(k) (5)

式中：n^*(k)、n(k)和Δn^*(k)分别为传动电机在当前采样周期补偿后的给定转速、初始给定转速和初始给定转速的补偿值。

与现有技术相比，本发明实时检测母船升沉运动的加速度信号，通过对该加速度信号进行处理得到海洋绞车主动升沉补偿控制中对应于其传动电机的转速信号及母船升沉运动周期，并以该转速作为其传动电机的初始给定转速；实时检测传动电机的瞬时转矩并对其进行处理得到该电机在当前升沉运动周期中的平均转矩，并以该平均转矩作为传动电机在下一个升沉运动周期中的参考转矩；根据所得传动电机在当前采样周期的参考转矩，同时实时检测传动电机在当前采样周期的瞬时转矩，得到传动电机在当前采样周期的转矩偏差；将所得转矩偏差经基于重复控制的复合控制算法处理，得到传动电机在当前采样周期的转速补偿值；将所得转速补偿值对电机当前采样周期的初始给定转速进行补偿，得到传动电机在当前采样周期补偿后的给定转速。该方法通过对因信号采集误差和数据处理延时而导致补偿系统存在补偿偏差，从而导致海洋绞车传动电机瞬时转矩波动，并根据其瞬时转矩的变化量并采用基于重复控制的复合控制算法处理，得到其电传动系统给定转速的补偿值，根据该补偿值对电机给定转速进行补偿，可消除上述因信号采集误差和数据处理延时而导致的补偿偏差，达到海洋绞车主动升沉补偿控制的高精度同步控制目标。该方法具有原理简单、补偿效果好等特点。

附图说明

图1为本发明提供的海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法的流程图；

图2为本发明提供的海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法的转速补偿控制原理框图；

图3为本发明提供的海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法基于重复控制的复合控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步具体的说明。

请参见图1～3，按图1所示步骤对海洋绞车主动升沉补偿控制系统中传动电机的初始给定转速进行补偿计算：

(1)采用Matlab/Simulink软件构建开关磁阻电机驱动海洋绞车主动升沉补偿控制系统仿真模型。设母船升沉运动按正弦规律变化，相关参数设置为：母船升沉运动周期取T＝5s，升沉运动幅值取A＝2m，负载质量取m＝1kg，采样周期取T_s＝0.05s；其传动电机以某开关磁阻电机为例，其主要参数如表1所示：

表1开关磁阻电机主要参数

序号	名称	参数
			1	定、转子极数	6/4
2	额定功率	4kW
			3	额定电压	314V
4	转动惯量	0.0013kg·m<sup>2</sup>
			5	摩擦系数	0.02

(2)根据步骤1所设定的参数对主动升沉补偿控制系统实施控制，通过加速度传感器实时检测母船升沉运动的加速度信号，并针对该加速度信号进行梯形积分运算处理，得到当前采样周期和上一采样周期母船升沉运动对应的速度信号v(k)和v(k-1)，通过公式(1)得到相应的速度偏差Δv(k)：

Δv(k)＝v(k)-v(k-1) (1)

式中：v(k)和v(k-1)分别为当前采样周期和上一采样周期母船升沉运动的速度信号。

(3)判断两相邻速度偏差Δv(k-1)和Δv(k)是否满足：Δv(k-1)小于0且Δv(k)大于0；如果满足该条件，则以下一采样时刻为定位点。

(4)当微控制器捕获到步骤3所得定位点时，则控制定时器模块清零并启动定时器模块开始计时，同时继续检测下一个满足上述条件的定位点；当捕获到下一个满足条件的定位点时，记录并保存定时器模块中的时间值T，该时间值T即为当前母船升沉运动的周期T，同时微控制器将再次控制定时器模块清零并重新启动定时器模块计时，如此周而复始，从而可获得母船升沉运动所对应的所有周期值。

(5)实时检测传动电机的瞬时转矩，代入公式(2)得该电机在当前母船升沉运动周期中的平均转矩T_e ^*，并以该平均转矩T_e ^*作为传动电机在下一个升沉运动周期中的参考转矩T_e ^*；

式中：T_e ^*为传动电机在当前母船升沉运动周期中的平均转矩，T_ei为当前母船升沉运动周期中采集的第i个瞬时转矩，m为当前母船升沉运动周期中所采集的瞬时转矩个数。

(6)根据步骤5所得传动电机在当前采样周期的参考转矩T_e ^*，同时实时检测传动电机在当前采样周期的瞬时转矩T_e(k)，代入公式3得传动电机在当前采样周期的转矩偏差ΔT_e(k)；

ΔT_e(k)＝T_e(k)-T_e ^* (3)

式中：ΔT_e(k)为当前采样周期的转矩偏差，T_e(k)为前采样周期的瞬时转矩，T_e ^*为当前母船升沉运动周期中的参考转矩。

(7)将步骤6所得转矩偏差ΔT_e(k)经重复控制延时补偿后，再代入公式(4)得传动电机在当前采样周期的转速补偿值Δn^*(k)；

式中：T_s为采样周期，ΔT_e1(k)为转矩偏差ΔT_e(k)经重复控制延时补偿后所得转矩偏差，J为电机转动惯量，B为摩擦系数，n(k)和n(k-1)分别为当前采样周期和上一采样周期电机的初始给定转速，Δn^*(k-1)为上一采样周期初始给定转速的补偿值。

(8)将步骤7所得转速补偿值Δn^*(k)代入公式(5)对传动电机当前采样周期的初始给定转速进行补偿，得传动电机在当前采样周期补偿后的给定转速n^*(k)；

n^*(k)＝n(k)+Δ^*n(k) (5)

式中：n^*(k)、n(k)和Δn^*(k)分别为传动电机在当前采样周期补偿后的给定转速、初始给定转速和初始给定转速的补偿值。

上述步骤5～8所得计算结果如表2所示：

表2给定转速补偿计算的相关结果

表中：T_e(k)表示第k个采样周期采集的电机瞬时转矩，T_e ^*表示当前采样周期的参考转矩，ΔT_e(k)表示第k个采样周期得到的电机瞬时转矩偏差，n(k)表示第k个采样周期获得的电机初始给定转速，Δn^*(k)表示第k个采样周期获得的转速补偿值，n^*(k)和n₁(k)则分别表示第k个采样周期获得的补偿后电机给定转速及对应于母船升沉运动的真实转速。

(9)根据步骤8所得补偿后的给定转速对传动电机实施高性能调速控制，使其实际转速准确跟踪其给定转速，即可实现海洋绞车主动升沉补偿控制的高精度同步控制目标。

验证实验结果

将表2中所得补偿后的给定转速n^*(k)及对应于母船升沉运动的真实转速n₁(k)进行比较，得到相应的转速偏差Δn(k)及其相对误差δ(k)，转速偏差和相对误差计算公式分别如式6和式7所示，所得结果则见表3。

Δn(k)＝|n₁(k)-n^*(k)| (6)

表3转速偏差及相对误差

可见，采用本发明所提出的方法对海洋绞车主动升沉补偿控制系统中传动电机的给定转速进行实时补偿，经补偿后的给定转速与对应于母船升沉运动的真实转速间的偏差已非常小，其相对误差的平均值仅为0.1502％，从而为实现海洋绞车主动升沉补偿的高精度同步控制奠定了基础。

另外，为说明本发明提出的海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法的效果，采用主动升沉补偿率与目前应用较广泛的模型预测控制方法进行对比分析，其结果如表4所示。主动升沉补偿率是用于表征海洋绞车主动升沉补偿效果的一个常用性能指标，其表达式如式(8)所示。

式中：ξ为主动升沉补偿率，s₁为负载补偿后最大升沉位移，s₂为负载补偿前最大升沉位移。

表4主动升沉补偿率对比表

控制方法	ξ(％)
		本发明提出的方法	90
模型预测控制	87

由表4可见，本发明所提出的方法相对于目前常用的模型预测控制法，其主动升沉补偿率得到了较大提高，从而说明本发明所提出的方法具有较好的补偿控制效果。

Claims (7)

1.一种海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1)通过检测的母船升沉运动的瞬时加速度，对所述瞬时加速度求积分得母船升沉运动的速度信号，通过所得速度信号求得母船升沉运动周期；

步骤S2)对步骤S1的速度信号进行运算处理得到海洋绞车主动升沉补偿控制中对应于其传动电机的转速信号，并将其作为传动电机的初始给定转速，实时检测传动电机的瞬时转矩，计算该传动电机在当前升沉运动周期中的平均转矩；

步骤S3)以步骤S2所得平均转矩作为传动电机在下一个升沉运动周期中的参考转矩，同时实时检测传动电机在当前采样周期的瞬时转矩，得传动电机在当前采样周期的转矩偏差；

步骤S4)将步骤S3所得转矩偏差经基于重复控制的复合控制算法处理，得传动电机在当前采样周期的转速补偿值；

步骤S5)将步骤S4所得转速补偿值对传动电机当前采样周期的初始给定转速进行补偿，得传动电机在当前采样周期补偿后的给定转速；

步骤S6)根据步骤S5所得补偿后的给定转速对传动电机实施高性能调速控制，使其实际转速准确跟踪其给定转速，即可实现海洋绞车主动升沉补偿控制的高精度同步控制目标。

2.根据权利要求1所述的海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法，其特征在于，步骤S1)中获得母船升沉运动周期的具体步骤为：

步骤S1-1)通过加速度传感器实时检测母船升沉运动的加速度信号，并通过对该加速度信号进行积分运算处理，得到母船升沉运动对应的速度信号；

步骤S1-2)根据当前采样周期母船升沉运动的速度信号，并将其与上一采样周期的速度信号进行比较，得到相应的速度偏差，具体如下：

Δv(k)＝v(k)-v(k-1) (1)

式中：v(k)和v(k-1)分别为当前采样周期和上一采样周期母船升沉运动的速度信号；

步骤S1-3)判断两相邻速度偏差Δv(k-1)和Δv(k)是否满足：Δv(k-1)小于0且Δv(k)大于0；如果满足该条件，则以下一采样时刻为定位点；

步骤S1-4)当微控制器捕获到定位点时，将控制定时器模块清零并启动定时器模块开始计时，同时继续检测下一个满足上述条件的定位点；当捕获到下一个满足条件的定位点时，记录并保存定时器模块中的时间值T，该时间值即为当前母船升沉运动的周期，同时微控制器将再次控制定时器模块清零并重新启动定时器模块计时，如此周而复始，从而可获得母船升沉运动所对应的所有周期值。

3.根据权利要求1所述的海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法，其特征在于，步骤S2)中得到传动电机在当前母船升沉运动周期中的平均转矩，具体公式为：

式中：T_e ^*为传动电机在当前母船升沉运动周期中的平均转矩，T_ei为当前母船升沉运动周期中采集的第i个瞬时转矩，m为当前母船升沉运动周期中所采集的瞬时转矩个数。

4.根据权利要求3所述的海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法，其特征在于，步骤S3)中得到传动电机在当前采样周期的转矩偏差，具体公式为：

ΔT_e(k)＝T_e(k)-T_e ^* (3)

式中：ΔT_e(k)为当前采样周期的转矩偏差，T_e(k)为前采样周期的瞬时转矩，T_e ^*为当前母船升沉运动周期中的参考转矩。

5.根据权利要求4所述的海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法，其特征在于，步骤S4)中将所得转矩偏差经基于重复控制的复合控制算法处理，得到传动电机在当前采样周期的转速补偿值，具体为：基于重复控制的复合控制算法包括重复控制和数据处理两部分，所述转矩偏差ΔT_e(k)首先经重复控制延时补偿后，再经数据处理部分运算处理得到传动电机在当前采样周期的转速补偿值Δn^*(k)。

6.根据权利要求5所述的海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法，其特征在于，所述数据处理部分的具体公式为：

式中：T_s为采样周期，ΔT_e1(k)为转矩偏差ΔT_e(k)经重复控制延时补偿后所得转矩偏差，J为电机转动惯量，B为摩擦系数，n(k)和n(k-1)分别为当前采样周期和上一采样周期电机的初始给定转速，Δn^*(k-1)为上一采样周期初始给定转速的补偿值。

7.根据权利要求6所述的海洋绞车主动升沉补偿电传动系统给定转速实时补偿方法，其特征在于，步骤S5)中得到传动电机在当前采样周期补偿后的给定转速，具体公式为：

n^*(k)＝n(k)+Δ^*n(k) (5)

式中：n^*(k)、n(k)和Δn^*(k)分别为传动电机在当前采样周期补偿后的给定转速、初始给定转速和初始给定转速的补偿值。

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