新型升沉补偿试验系统的仿真设计

坐标系而言的 , 故得相应的旋转矩阵: RX YZ ( , , ) = RZ ( ) Ry ( ) Rx ( ) = C C S C - S C S S - S C S S S + C C C S C S C + S S S S C - C S C C ( 1)
式中 : C = cos ; S = sin ( = , , ) 。 91
p= R , T , P 转动矩阵与平移矩阵转置; 固定坐标系与动坐标系下的向量。
T
T
R, T 的具体计算式如下。 RX YZ ( , , ) 0 R= 0 RX YZ ( , , ) T= 0 D= 式中 : I 式为 l = ( x p i - x o i ) + ( y p i - y o i ) + ( z p i - z ot ) 式中 : li 各缸对应长度, ( i= 1, 2 ,
式中 : K P Ti Td e 其中 : SP PV
比例系数 ; 积分参数 ; 微分系数; 偏差, e= SP - P V。 期望值; 输入值。
PID 调节器在应用于单输入- 单输出非时变 线性系统时具有较好的效果而在非线性、 多输入 的场合, 效果不是太理想。 PID 控制技术在处理 线性时不变系统时效果较理想, 而人工神经元网 络方法, 如基于 RBF 的模糊预测控制 , 采用离 线辨识, 多步递推, 模糊性能测量及控制决策输出 对复杂过程的有效控制 , 对非线性对象得到了较 好的控制效果, 但必须已知受控系统的阶数及其 他一些先验的知识 , 神经网络在软件中的实现速 度较慢, 影响到控制系统的实时控制效果。 采取经过改进的广义预测控制算法 ( GPC) , 则可以解决非线性系统自适应控制的问题。实践 经验表明 , 受控系统阶数一般不会超过 10, 而且 波浪的模型阶数在一定时间内不会发生跳变, 故 在实际控制中没有必要对模型阶数一直进行辨识 求解 , 具体程序结构见图 5。
第3期
船
海
工
程
第 40 卷
进行坐标系转换时, 有关系式 : 式中 : R 、 T P、 p
T T
任意时刻 A 点在动系下的 ax , ay , az 坐标为常 数, 但 A 点在定系下的坐标随船的位姿变化 , 重物 与 A 点之间绳的长度为 lg , 重物某一时刻的垂向坐 标表示成 z ( t) 。在船体做横摇、 纵摇运动时, 如果 考虑到由于介质的阻力和重物的惯性, 重物的运动 将会延迟于 A 点, 产生倒摆运动。为消除这种摆 动, 在 A 点加装防摆装置 , 使重物位移只在垂向上 发生变化。则由船波运动引起的重物速度为 v g = z ( t ) - ax cos ( t ) + y ( cos ( t) cos ( t) sin ( t) sin ( t ) ) + z ( - sin ( t) co s ( t) - co s ( t) sin ( t ) ) - v J ( 7) 式中 : v J 绞车的速度。 当 v J = 0 时 , 为使重物 G 在定坐标中 Z 向位 置不变, 通过液压缸伸缩来补偿由船升沉引起的 重物速度 , 见图 3 。液压缸的速度 v = - v g / 2。
第 40 卷 第 3 期 2011 年; OCEA N ENG IN EERI NG
V ol. 40 N o. 3 Jun. 2011
DOI: 10. 3963/ j. issn. 1671 7953. 2011. 03. 026
新型升沉补偿试验系统的仿真设计
王圣利 , 邢继峰 , 吕帮俊, 陈 佳
图5
程序结构
3. 2
人机界面设计 LabVIEW 不但能完成一般的的数学运算与
一种深海采矿双波浪 补偿系统自适应跟踪控制
鲁克明
系统 之 间的 跟踪 位 移差 就 能够 稳 定地 控 制在 0 02 m 之内 , 满足上下补偿系统的同步要求, 从 而实现管道布放同步对接。
证了采用双波浪补偿系统的可行性。
y+
z
(s
x
c
新型升沉补偿试验系统的仿真设计
王圣利 , 邢继峰 , 吕帮俊 , 陈
佳
集位移传感器的数据。 3. 1 补偿控制器设计 PID 调节器的控制信号是由参考输入和系统
逻辑运算和输入输出功能 , 它还带有专门的用于 数据采集和仪器控制的库函数和开发工具 , 并且 还有专业的数 学分析程序包[ 7] 。本文 采用 Lab V IEW 设计的系统人机界面。 3. 3 控制器仿真结果 为验证控制器的控制效果, 选取预测模型阶
[ 6]
图6
补偿前后对照
结果显示 , 所设计控制器能够有效地进行液 压缸 速度的跟踪, 并能得到 较理想的补偿效果。 需要指出的是 , 补偿系统具有滞后特性 , 向前预报 时间的长短, 采用不同的数据采样间隔和预报步 数直接影响补偿的效果。经调试, 系统采取提前 两步、 采样间隔为 50 ms 的预报方法。
参考文献 [ 1] 刘少军 , 李 力, 王 刚 , 等 . 中国 深海 采矿系 统虚 拟
4
结论
为了检验跟踪效果, 基于 Simulink 建立其跟
样机研究 [ J] . 数字制造科学 , 2003( 4) : 245 255. [ 2] 徐 昱 , 刘少军, 龙江志 . 基于 ADAMS 的深海采矿系统 的布放回收模拟 [ J] . 计算机仿真 , 2004, 21( 3) : 67 70. [ 3] 肖 体 兵 . 深 海 采 矿 装 置 智 能 升 沉 补 偿 系 统 的 研 究 [ D ] . 广州 : 广东工业大学 , 2004. [ 4] 鲁 纯 . 深海 采矿波浪升沉补偿系统控制方法研究 及 建模仿真 [ D] . 武汉 : 武汉理工大学 , 2009.
4
结论
波浪运动补偿系统技术含量高、 结构复杂, 在
远离海岸的深海运作, 各项技术指标要求高。但 由于其造价昂贵, 不可能建造实物模型来进行试 验。仿真技术既经济又有效。 该试验系统具有模拟波浪补偿系统工作环境 及检验控制器补偿效果的功能, 是实际系统有效 的简化模型。从试验结果可以看出, 通过预测和 PID 控制 , 系统达到了一定的补偿效果。但也有 一定的不足: 一方面受到数字液压缸精度的影响; 另一方面 St ew ar t 平台在模 拟船舶升沉运动时, 在一定程度上叠加了一些机械振动, 在一定程度 上影响了平台模拟的相似度。在实际工作时由于 受到各种非线性因素的影响, 系统的滞后时间特 性数值很难精确地确定。如何最大限度地克服这 些不利因素是后续研究的重点。 ( 下转第 97 页) 93
波浪补偿是指因海面起伏引起作业装备产生 波动而进行的补偿校正。通过波浪补偿 , 可以增 强海上作业的安全性、 高效性和可靠性[ 1] 。波浪 补偿技术研究的核心是波浪补偿系统控制 , 目前 国内外在试验波浪升沉补偿控制系统时均采用单 缸模拟系统或船模进行试验, 前者试验结果易于 测得 , 但仿真相似度不是很高 , 不能准确地模拟舰 船在海浪中的运动。后者虽然能较好验证控制系 统, 但设计比较复杂 , 成本较高 , 而且补偿系统的 安装调试比较困难, 且只能在航模池试验, 试验环 境受到了限制 [ 2] 。为此 , 考虑 设计基 于 St ew art 机构的新型升沉补偿系统实验仿真系统。
1
Stew art 平台模拟运动
舰船在水中的运动一般可分为移动和转动, 移动有纵荡 x 、 横荡 y 、 垂荡 z , 转动有横摇 、 纵摇 y、 艏摇 y 。 Stew art 机构由 6 根驱动杆和上下两 个平台组成并联机构。与串联机构相比 , 这种结 构形式具有结构布局合理、 精度高、 刚度大、 运动 速度高的特点。 所采用的六自由度船舶运动模拟台
[ 3]
结构见
图 1, 该运动模拟台可以模拟的船舶 6 自由度运 动的最大幅值分别为横摇 40 、 纵摇 40 。
收稿日期 : 2010 05 11 修回日期 : 2010 06 10 作者简介 : 王圣利 ( 1982 ) , 男 , 硕士生。 研究方向 : 机电液压控制与仿真 E mail: heiying 2000@ tom. co m.
z x T
图 4 补偿缸运动示 意
3
系统组成
c s s +
c s c s
y
y
(c
s s ) s s )
z
s - s s + c c
c )+ c )+
(c
x
c+ s ay ( s c + c c s +
控制系统的组成 : 上位机工控机, 下位机松下 PL CFP - X、 数字液压系统、 位 移传感器、 系统控 制软件等。 系统控制软件的设计: 上位机完成上平台位 姿信号的给定、 计算平台运行过程中各缸位置及 重物升沉、 整个系统状态监控 , 实时进行模式识 别、 记录监控的数据 , 与下位机 P LC 的交互通信 等功能。下位机 PL C 向数字液压缸发送脉冲、 采
图 1 Stewart 结构示意
取上平台及其负载相对于固定坐标系 Ox y z 沿坐标轴的平动 T = [ x y z ] T 和绕坐标轴的 转动 R= [ ] T 6 个量, X= [ TR] T 作为描述 上平台运动的广义坐标。此处建立的固定坐标系 和局部坐标系分别见图 1。其中 : Ox y z 为固定坐 标系 , 坐标原点选在下平台铰链中心点外接圆的 圆心 ; Px y z 为 与上平台及其负载的 三个惯性主 轴平行的局部坐标系 , 原点 P 为上平台铰点外接 圆的圆心 ; 为将局部坐标系的向量转移至固定坐 标系 下 , 拟 采 用 R P Y ( r oll pit ch y aw ) 角 描 述。 RP Y 角描述上平台坐标系 P x y z 方 位的法则如 下: P x y z 的初始方位与参考系 Ox y z 重合。首先 将 Px y z 绕 Ox 轴转 角 , 再绕 Oy 轴转 角, 最 后绕 Oz 轴 转 角。 因为三 次旋 转都 是 相对 固定