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一种减张同步控制和保护方法

阅读:1046发布:2020-05-08

专利汇可以提供一种减张同步控制和保护方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种减张 力 同步控制和保护方法,主要包括减 张力 系统、同步控制层、分系统控制层、被控对象层,减张力系统主要由前端减张力系统、后端绞车系统和中间的排缆机构构成,同步控制层包括同步控制单元,分系统控制层设置有前端减张力速度控制单元、排缆控制单元、后端张力控制单元分别控制被控对象层的减张力系统、排缆机构、后端绞车系统。本发明可以有效避免前端和后端绞车系统之间的 钢 缆张力急剧增加或减少,可以有效改善前端和后端绞车系统的工况、系统内 载荷 分配、钢缆的使用寿命和作业任务目标的完成;可以平稳实现收放作业目标、保护拖曳物和回收释放装置。,下面是一种减张同步控制和保护方法专利的具体信息内容。

1.一种减张同步控制和保护方法,其特征在于:主要包括减张力系统(5)、同步控制层(27)、分系统控制层(28)、被控对象层(29),减张力系统(5)主要由前端减张力系统(15)、后端绞车系统(7)和中间的排缆机构(6)构成,由同步控制层(27)、分系统控制层(28)、被控对象层(29)构成分层的控制结构实现减张力系统(5)的同步控制。
2.根据权利要求1所述的减张力同步控制和保护方法,其特征在于:所述的同步控制层(27)包括同步控制单元(1),同步控制单元(1)根据实际的同步控制要求,根据动态补偿的原则分解确定分系统控制层(28)的控制目标,同步控制单元(1)接收作业任务参数,自动获取被控系统反馈的前端和后端绞车运转速度、绞车驱动达进口和出口压力,并输出前端减张力系统(15)的设定速度、后端绞车系统(7)的目标压差。
3.根据权利要求1所述的减张力同步控制和保护方法,其特征在于:所述的分系统控制层(28)设置有前端减张力速度控制单元(2)、排缆控制单元(3)、后端张力控制单元(4),分别实现对减张力系统(5)、排缆机构(6)、后端绞车系统(7)的控制,并在同步控制层(27)的协调下独立自主运行,后端张力控制单元(4)采集液压马达驱动器的进口和出口压力,并根据进出口压力差对进口压力或背压进行调节,维持压差稳定,并采用自适应压差控制策略,前端减张力速度控制单元(2)根据实际测量的编码器值和机械传动系统的速度比计算减张力系统(5)的运动速度,采用预测控制策略实现速度调节,排缆控制单元(3)自动检查排缆机构(6)自身的运动位置和后端绞车的旋转位置,采用自适应PID跟随控制策略实现排缆功能。
4.根据权利要求1所述的减张力同步控制和保护方法,其特征在于:所述的被控对象层(29)主要包括减张力系统(5)、排缆机构(6)、后端绞车系统(7),减张力系统(5)通过传感器测量减张力绞车的位置和马达进出口压差并反馈到前端减张力速度控制单元(2)和同步控制单元(1),后端绞车系统(7)通过传感器测量绞车马达进出口压力和绞车位置,并反馈到后端张力控制单元(4)和同步控制单元(1),排缆机构(6)通过传感器测量机构的左右极限位置和机构的横向位置,并反馈到排缆控制单元(3),排缆控制单元(3)跟随后端张力控制单元(4)运动。
5.根据权利要求1所述的减张力同步控制和保护方法,其特征在于:所述同步控制层(27)的输入包括收放动作选择、收放速度选择、测量分系统中前端和后端绞车运转速度、绞车驱动马达进口和出口压力,同步控制层(1)在分解子系统控制目标时采用两种提升控制性能的策略:
1)对于输入目标速度的阶跃变化,基于最大加速度限制原则进行平滑,避免系统剧烈冲击和振荡;
2)对于后端张力,在不直接测量缆张力的前提下,根据预先拟合的“速度-摩擦力”补偿曲线,结合实际的绞车速度和当前的计算张力,直接生成后端张力系统控制的进出口压差控制目标值。
6.根据权利要求1所述的减张力同步控制和保护方法,其特征在于:所述被控对象层(29)主要包括液压驱动系统和绞车机械结构,实现向上层控制单元反馈状态信息的功能,在如下位置布置传感器:
1)前端减张力系统(15)在绞车中心轴布置编码器(16)测量绞车的运动位置并通过差分计算的方法测量绞车的速度;
2)在前端绞车驱动液压马达的进口和出口设置压力传感器检测绞车压差;
3)在排缆机构(6)中设置左右端极限位置传感器,同时配置编码器(16)、直线位移传感器测量排缆机构(6)的位置;
4)在后端张力系统的绞车中心轴配置编码器(16),测量绞车的运动位置;
5)在后端张力绞车驱动液压马达的进口和出口侧配置压力传感器测量进出口压力并通过计算得到压差值。

说明书全文

一种减张同步控制和保护方法

技术领域

[0001] 本发明涉及控制系统的领域,具体涉及一种减张力同步控制和保护方法。

背景技术

[0002] 海洋工程机械在海洋科学考察、军事装备、海洋建设工程中有广泛的应用。各种载荷的回收和释放装置是海洋工程机械中最为主要的一种设备。在大型的海洋回收释放设备中,一般将系统设计为前端-后端配合的模式,前端装置承担主要的载荷力,后端装置则主要存放收放的缆、缆绳、链等连接拖曳物和收放系统的柔性物。
[0003] 在重载荷的海洋收放装置中,平稳实现收放作业目标、保护拖曳物和回收释放装置的安全是非常重要的、根本性的要求。在实现重载荷的回收释放装置控制功能的过程中,同步控制和张力分配是非常关键的技术问题。所谓同步控制,就是要求前端系统和后端系统必须按照预定的要求同步运转,如果前端装置和后端装置运转不一致,则可能导致连接前端和后端的钢缆松弛或承受超出设计范围的张力,直接后果是导致拖体的滑移、振荡或拖曳设备的损坏。为了实现同步控制,现有的控制策略为前端-后端速度跟随控制方案,即让前端或后端一个作为速度基准,另一个装置则采用控制算法跟随运动,这种控制策略实际效果不好,容易振荡。此外也有不同单位提出过力控制和速度控制配合的模式,在实际应用中取得了一定的效果。重载荷的回收释放装置另一个重要的控制要求是载荷的分配控制,控制目标是实现实际载荷的作用力分配到前后两个工作装置上,避免其中一个控制装置承受过大的力或力矩。
[0004] 实际海洋工程回收释放装置的工作速度、承载的力和力矩与机械、液压系统较多的非线性因素有关,尤其在低速运动、启动、停止、变速调整等工作模式下,系统摩擦力的变化对载荷力的分配、速度控制的稳定性均有重要影响。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术存在的不足,而提供一种减张力同步控制和保护方法。
[0006] 本发明的目的是通过如下技术方案来完成的:这种减张力同步控制和保护方法,主要包括减张力系统、同步控制层、分系统控制层、被控对象层,减张力系统主要由前端减张力系统、后端绞车系统和中间的排缆机构构成,系统设计由同步控制层、分系统控制层、被控对象层构成分层的控制结构实现减张力系统的同步控制。
[0007] 所述的同步控制层包括同步控制单元,同步控制单元根据实际的同步控制要求,根据动态补偿的原则分解确定分系统控制层的控制目标,同步控制单元接收作业任务参数,自动获取被控系统反馈的前端和后端绞车运转速度、绞车驱动达进口和出口压力,并输出前端减张力系统的设定速度、后端绞车系统的目标压差。
[0008] 所述的分系统控制层设置有前端减张力速度控制单元、排缆控制单元、后端张力控制单元,分别实现对减张力系统、排缆机构、后端绞车系统的控制,并在同步控制层的协调下独立自主运行,后端张力控制单元采集液压马达驱动器的进口和出口压力,并根据进出口压力差对进口压力或背压进行调节,维持压差稳定,并采用自适应压差控制策略,前端减张力速度控制单元根据实际测量的编码器值和机械传动系统的速度比计算减张力系统的运动速度,采用预测控制策略实现速度调节,排缆控制单元自动检查排缆机构自身的运动位置和后端绞车的旋转位置,采用自适应PID跟随控制策略实现排缆功能。
[0009] 所述的被控对象层主要包括减张力系统、排缆机构、后端绞车系统,减张力系统通过传感器测量减张力绞车的位置和马达进出口压差并反馈到前端减张力速度控制单元和同步控制单元,后端绞车系统通过传感器测量绞车马达进出口压力和绞车位置,并反馈到后端张力控制单元和同步控制单元,排缆机构通过传感器测量机构的左右极限位置和机构的横向位置,并反馈到排缆控制单元,排缆控制单元跟随后端张力控制单元运动。
[0010] 所述同步控制层的输入包括收放动作选择、收放速度选择、测量分系统中前端和后端绞车运转速度、绞车驱动马达进口和出口压力,同步控制层在分解子系统控制目标时采用两种提升控制性能的策略:
[0011] 1)对于输入目标速度的阶跃变化,基于最大加速度限制原则进行平滑,避免系统剧烈冲击和振荡;
[0012] 2)对于后端张力,在不直接测量钢缆张力的前提下,根据预先拟合的“速度-摩擦力”补偿曲线,结合实际的绞车速度和当前的计算张力,直接生成后端张力系统控制的进出口压差控制目标值。
[0013] 所述被控对象层主要包括液压驱动系统和绞车机械结构,实现向上层控制单元反馈状态信息的功能,在如下位置布置传感器:
[0014] 1)前端减张力系统在绞车中心轴布置编码器测量绞车的运动位置并通过差分计算的方法测量绞车的速度;
[0015] 2)在前端绞车驱动液压马达的进口和出口设置压力传感器检测绞车压差;
[0016] 3)在排缆机构中设置左右端极限位置传感器,同时配置编码器、直线位移传感器测量排缆机构的位置;
[0017] 4)在后端张力系统的绞车中心轴配置编码器,测量绞车的运动位置;
[0018] 5)在后端张力绞车驱动液压马达的进口和出口侧配置压力传感器测量进出口压力并通过计算得到压差值。
[0019] 本发明的有益效果为:本发明可以有效避免前端和后端绞车系统之间的钢缆张力急剧增加或减少,可以有效改善前端和后端绞车系统的工况、系统内载荷分配、钢缆的使用寿命和作业任务目标的完成;可以平稳实现收放作业目标、保护拖曳物和回收释放装置。附图说明
[0020] 图1为本发明的基本结构示意图。
[0021] 图2为本发明的后端张力的速度-摩擦力动态补偿示意图。
[0022] 图3为本发明的基于最大加速度限制的前端速度平滑示意图。
[0023] 图4为本发明的前端减张力速度控制示意图。
[0024] 图5为本发明的后端绞车的张力控制示意图。
[0025] 图6为本发明的排缆机构的自适应跟随控制示意图。
[0026] 附图标记说明:同步控制单元1、前端减张力速度控制单元2、排缆控制单元3、后端张力控制单元4、减张力系统5、排缆机构6、后端绞车系统7、计算张力-速度曲线8、实测张力- 速度曲线9、张力差ΔT-速度曲线10、曲线A11、曲线B12、速度13、自适应预测控制器14、前端减张力系统15、编码器16、差分变换17、后端压差18、自适应控制器19、运算单元21、后端绞车位置22、机构换算系数23、自适应跟随控制器24、计算单元26、同步控制层27、分系统控制层28、被控对象层29。

具体实施方式

[0027] 下面将结合附图对本发明做详细的介绍:
[0028] 实施例:如附图所示,这种减张力同步控制和保护方法,主要包括减张力系统5、同步控制层27、分系统控制层28、被控对象层29,减张力系统5主要由前端减张力系统15、后端绞车系统7和中间的排缆机构6构成,(减张力系统5进行同步控制的目标是实现前端和后端的绞车同步运转,不存在显著的速度差;如果出现了较大的速度差,则前端和后端绞车系统7之间的钢缆张力将急剧增加或减少,钢缆张力的剧烈变化对于前端和后端绞车系统7的工况、系统内载荷分配、钢缆的使用寿命和作业任务目标都会有非常不利的影响,)系统设计由同步控制层27、分系统控制层28、被控对象层29构成分层的控制结构实现减张力系统5 的同步控制,同步控制层27包括同步控制单元1,同步控制单元1根据实际的同步控制要求,根据动态补偿的原则分解确定分系统控制层28的控制目标,同步控制单元1接收作业任务参数(主要包括收/放动作选择、收放速度),自动获取被控系统反馈的前端和后端绞车运转速度、绞车驱动马达进口和出口压力,并输出前端减张力系统15的设定速度、后端绞车系统
7 的目标压差,分系统控制层28设置有前端减张力速度控制单元2、排缆控制单元3、后端张力控制单元4,分别实现对减张力系统5、排缆机构6、后端绞车系统7的控制,并在同步控制层27的协调下独立自主运行,后端张力控制单元4采集液压马达驱动器的进口和出口压力,并根据进出口压力差对进口压力或背压进行调节,维持压差稳定,并采用自适应压差控制策略,前端减张力速度控制单元2根据实际测量的编码器值和机械传动系统的速度比计算减张力系统5的运动速度,采用预测控制策略实现速度调节,排缆控制单元3自动检查排缆机构 6自身的运动位置和后端绞车的旋转位置,采用自适应PID跟随控制策略实现排缆功能,被控对象层29主要包括减张力系统5、排缆机构6、后端绞车系统7,减张力系统5通过传感器测量减张力绞车的位置和马达进出口压差并反馈到前端减张力速度控制单元2和同步控制单元1,后端绞车系统7通过传感器测量绞车马达进出口压力和绞车位置,并反馈到后端张力控制单元4和同步控制单元1,排缆机构6通过传感器测量机构的左右极限位置和机构的横向位置,并反馈到排缆控制单元3,排缆控制单元3跟随后端张力控制单元4运动。
[0029] 同步控制层27的输入包括收放动作选择、收放速度选择、测量分系统中前端和后端绞车运转速度、绞车驱动马达进口和出口压力,同步控制层1在分解子系统控制目标时采用两种提升控制性能的策略:
[0030] 1)对于输入目标速度的阶跃变化,基于最大加速度限制原则进行平滑,避免系统剧烈冲击和振荡;
[0031] 2)对于后端张力,在不直接测量钢缆张力的前提下,根据预先拟合的“速度-摩擦力”补偿曲线,结合实际的绞车速度和当前的计算张力,直接生成后端张力系统控制的进出口压差控制目标值。
[0032] 被控对象层29主要包括液压驱动系统和绞车机械结构,为实现向上层控制单元反馈状态信息的功能,在如下位置布置传感器:
[0033] 1)前端减张力系统15在绞车中心轴布置编码器16测量绞车的运动位置并通过差分计算的方法测量绞车的速度;
[0034] 2)在前端绞车驱动液压马达的进口和出口设置压力传感器检测绞车压差;
[0035] 3)在排缆机构6中设置左右端极限位置传感器,同时配置编码器16、直线位移传感器测量排缆机构6的位置;
[0036] 4)在后端张力系统的绞车中心轴配置编码器16,测量绞车的运动位置;
[0037] 5)在后端张力绞车驱动液压马达的进口和出口侧配置压力传感器测量进出口压力并通过计算得到压差值。
[0038] 本发明具体实现:
[0039] 后端张力速度-摩擦力动态补偿策略的实施如附图2所示。在控制系统投入使用前,通过直接在前端减张力和后端绞车系统7之间安装张力传感器,测量张力和后端绞车速度和马达的进出口压力。根据马达的进出口压差,结合绞车的机械结构尺寸和传动系统速度比获得计算张力,可绘制图2-A中的计算张力-速度曲线8和实测张力-速度曲线9。通过计算张力-速度曲线8和实测张力-速度曲线9,计算出张力差ΔT-速度曲线10,见图2-B。张力差ΔT-速度曲线10为同步控制单元1进行张力补偿的主要依据。在同步控制单元1计算压差时,根据设定的张力、张力差ΔT-速度曲线10和绞车速度计算得到实际所需的张力,并结合机械结构尺寸、系统传动比计算出马达压差控制目标。
[0040] 附图3表示了基于最大加速度限制的前端速度平滑策略的实现,设期望的速度为阶跃曲线A11,实际的输出给前端减张力速度控制单元2的速度值为曲线B12,曲线B12在满足加速度限制(单位时间内速度增量小于设定值ΔV)的前提下,在最短时间内趋近曲线A11。
[0041] 如附图4所示的前端减张力速度控制策略的实现方式,以通过同步控制单元1计算得到的设定速度13作为分系统控制的目标值,自适应预测控制器14根据设定速度13和反馈的实际运转速度计算控制量,并输出到前端减张力系统15,然后驱动系统运动。同时通过前端减张力系统15中绞车上安装的编码器16测量绞车运动,经过差分变换17后形成反馈控制所需的反馈速度。
[0042] 如附图5所示的后端绞车张力控制的实现方式,以通过同步控制单元1计算得到的后端压差18作为系统控制目标值,自适应控制器19根据目标控制值和实际压差之间的误差计算控制输出,并驱动后端绞车系统7运动,后端绞车系统7上在驱动马达进口和出口上安装的压力传感器测量进口压力和出口压力,通过运算单元21计算得到控制所需的实际压差反馈值。
[0043] 如附图6所示的排缆机构6自适应跟随控制的实现方式,排缆机构6控制目标由安装在后端绞车系统7中的编码器16测量得到的后端绞车位置22经过运算处理后得到。所测编码器16值乘以一个机构换算系数23后即为排缆运动控制的目标值。自适应跟随控制器24以目标值和实际跟随反馈位置的误差为基础,计算得到排缆机构6的控制量,并驱动排缆机构6 运动。安装在排缆机构6上的左右极限位置传感器可以测量排缆机构6的往返次数,编码器 16可测量机构的横向运动位置,经过位置跟随计算单元26计算后可得到控制所需的跟随位置反馈值。
[0044] 可以理解的是,对本领域技术人员来说,对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
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