陳 琦, 李格倫

(中國科學院沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室， 沈陽 110016)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，國際數(shù)據(jù)通信量迅猛增加，對跨洋海底通信光纜的需求也急劇增加.海底光纜的造價非常昂貴，在鋪設(shè)過程中必須保證安全性和高效性，因此海底電纜埋設(shè)技術(shù)成為了海洋工程領(lǐng)域重點研究的技術(shù)[1-2].海底光纜的埋設(shè)由布纜船完成[3]，在海底光纜埋設(shè)作業(yè)中，埋纜機與拖曳絞車通過拖曳纜繩連接，拖曳纜繩上端連接拖曳絞車，下端連接埋纜機的牽引點.埋纜機在拖曳絞車的牽引下進行埋纜作業(yè)，在作業(yè)過程中需要對拖曳纜繩的張力進行控制.如果拖曳纜繩張力過大則會造成埋纜機側(cè)翻或者損壞，而拖曳纜繩張力過低則會造成拖曳纜繩松弛，從而容易導致拖曳纜繩與需要埋設(shè)的光纜及埋纜機的臍帶纜發(fā)生纏繞，造成光纜或者臍帶纜損壞.由于傳統(tǒng)的布纜船拖曳絞車控制系統(tǒng)智能化水平較低，控制精度差，拖曳絞車主要依賴人工操作，不僅影響了布纜作業(yè)的效率，也增加了因人員疲勞而引起事故，所以對于新型布纜船，亟需研發(fā)具備更加先進的恒張力控制功能和自動排纜功能的拖曳絞車控制系統(tǒng).

自動排纜系統(tǒng)能夠有效提高纜繩壽命，是絞車控制系統(tǒng)重要的組成部件.傳統(tǒng)的排纜機構(gòu)抗干擾能力差，響應(yīng)速度慢，文獻[4]采用速度和力矩控制，實現(xiàn)了絞車減張力機構(gòu)和排纜機構(gòu)的速度同步，但是結(jié)構(gòu)較為復雜.恒張力控制功能屬于力的控制問題，力的控制是過程控制領(lǐng)域較為復雜的問題.對于張力的控制問題在冶金等領(lǐng)域的研究較多[5-7]，針對船用絞車的張力控制研究成果相對較少，文獻[8]設(shè)計了基于比例-積分-微分(PID)控制器的船舶輔助系泊系統(tǒng)，通過控制系泊纜繩張力來控制船舶系泊位置，但是沒有考慮真實海洋環(huán)境下海浪等干擾因素.大功率船用拖曳絞車一般采用液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)存在大慣性、時變性等非線性因素，而且在惡劣海況下，絞車控制過程受到的干擾更為復雜，導致拖曳絞車恒張力控制更為復雜.尤其是針對布纜船這樣的復雜系統(tǒng)，恒張力控制的研究與應(yīng)用還不夠成熟，控制系統(tǒng)普遍采用PID控制器，在惡劣海況下恒張力控制效果難以令人滿意.

本文以中國科學院沈陽自動化研究所最新研制的布纜船拖曳絞車的控制系統(tǒng)為研究對象，將基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用于布纜船拖曳絞車控制，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時傳輸，并開發(fā)了自動排纜功能和恒張力控制功能，有效地提高了拖曳絞車控制效果和布纜作業(yè)的智能化水平.通過海上試驗驗證了設(shè)計的拖曳絞車控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)惡劣海況，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，自動排纜和恒張力功能能夠滿足海上布纜作業(yè)安全性和高效性的要求，對提高海洋工程技術(shù)具有實際意義.

1 控制系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)的拖曳絞車系統(tǒng)采用單絞車結(jié)構(gòu)，拖曳絞車對埋纜機進行拖曳作業(yè)時，拖曳纜繩的張力較大，導致單絞車會出現(xiàn)纜繩壓層現(xiàn)象.因此本文設(shè)計的拖曳絞車采用雙絞車結(jié)構(gòu)：一個儲纜絞車和一個拖曳絞車.如圖1所示，儲纜絞車用來儲存拖曳纜繩，纜繩在拖曳絞車上多圈纏繞后通過過輪連接至埋纜機，拖曳絞車為雙卷筒結(jié)構(gòu)，卷筒上加工出多道平行繩槽，拖曳纜繩在繩槽內(nèi)從一個卷筒跨繞到另一個卷筒，通過摩擦力產(chǎn)生拖曳埋纜機所需要的牽引力.這種雙絞車結(jié)構(gòu)將拖曳工作和纜繩收卷工作分開，能夠有效提高拖曳纜繩的使用壽命.拖曳絞車在整個布纜施工作業(yè)過程中發(fā)揮著重要的作用，如果以手動操控方式完成整個操作過程，則其難度非常大，而且容易發(fā)生危險.因此必須設(shè)計一種實時性好、集成度高、智能化強的拖曳絞車控制系統(tǒng).

圖1 拖曳絞車系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the towing winch system

拖曳絞車的自動控制功能對控制系統(tǒng)實時性要求很高，基于Windows或Linux的PC系統(tǒng)難以滿足要求，可編程邏輯控制器(PLC)嵌入了一個具有專用處理器的實時操作系統(tǒng)，針對輸入/輸出(IO)端口的更新和采樣、過程控制進行了優(yōu)化，可以達到微秒級的實時性[9].因此本文設(shè)計的拖曳絞車控制系統(tǒng)采用了基于工業(yè)以太網(wǎng)的PLC，如圖2所示，整個控制系統(tǒng)包括以下主要部分：主控制臺單元節(jié)點、機側(cè)控制臺單元節(jié)點、甲板遙控盒單元節(jié)點、電動機啟動柜單元節(jié)點、儲纜絞車單元節(jié)點、拖曳絞車單元節(jié)點、液壓站單元節(jié)點等.主控制臺單元負責整個拖曳絞車系統(tǒng)的控制及人機界面顯示，控制器運行著自動排纜和恒張力控制算法等系統(tǒng)主要功能，是整個控制系統(tǒng)的主站單元，觸摸屏運行著人機界面，顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)；其他單元節(jié)點均是從站單元，機側(cè)控制臺可以對儲纜絞車和拖曳絞車進行手動操控；甲板遙控盒可以在甲板便攜式移動，便于在甲板對埋纜機的布防回收操作；電動機啟動柜單元主要負責電動機的啟?？刂?；儲纜絞車單元、拖曳絞車單元和液壓站單元主要負責各自的傳感器信號采集及執(zhí)行機構(gòu)控制.所有單元節(jié)點都是通過工業(yè)以太網(wǎng)進行連接，提高了信號傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，對控制效果的提升起到了重要作用.

圖2 拖曳絞車控制系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of the towing winch control system

2 自動排纜系統(tǒng)

2.1 自動排纜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了增加纜繩的使用壽命，儲纜絞車需要保證纜繩能在絞車卷筒上整齊排列，因此本文設(shè)計的儲纜絞車增加了自動排纜功能.如圖3所示，自動排纜系統(tǒng)由支撐光杠，驅(qū)動絲杠，導向輪，偏角檢測裝置，滑動體，液壓馬達等部件組成.纜繩穿過固定在滑動體上的導引輪纏繞在絞車卷筒上，纜繩在纏繞過程中進入導向輪的角度將發(fā)生偏轉(zhuǎn).此時，需要導向輪能夠快速地跟隨纜繩偏角進行運動，從而避免纜繩纏繞不整齊.因此在纜繩進入導向輪的入口處安裝了偏角檢測機構(gòu)，纜繩穿過偏角檢測裝置后再進入導向輪.當偏角檢測裝置監(jiān)測到纜繩與導向輪出現(xiàn)偏角時，控制器就會根據(jù)偏角控制液壓馬達轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速，液壓馬達驅(qū)動絲杠帶動滑動體橫向移動，保證纜繩在收放過程中與導向輪保持零偏角，使纜繩在絞車卷筒上可以排列整齊，這樣既保護了纜繩，又保護了導向輪.

圖3 自動排纜系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of the automatic cable arrangement system

2.2 自動排纜控制器

埋纜作業(yè)時，儲纜絞車會在收纜和放纜狀態(tài)下經(jīng)常變換，纜繩的收放速度也會時刻變化.當收放纜繩速度較慢時，需要自動排纜系統(tǒng)平緩跟隨絞車運動，避免排纜系統(tǒng)運動過快，導致系統(tǒng)超調(diào)，液壓馬達反復振蕩，降低液壓馬達使用壽命.在惡劣海況下工作，纜繩的張力會受到海浪的影響突然增大，為了避免纜繩斷裂，控制系統(tǒng)會控制絞車快速放纜，從而降低纜繩張力.由于纜繩放纜速度突然增加，滑動體會快速橫向移動，從而帶動纜繩偏角快速增加，這種問題在實際作業(yè)過程中會經(jīng)常發(fā)生.這時需要自動排纜系統(tǒng)能夠快速跟隨絞車運動，避免纜繩偏角過大，導致纜繩排列不整齊，降低纜繩使用壽命，這對自動排纜控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力提出了很高的要求.PID控制器有著良好的動態(tài)響應(yīng)能力，非常適合運動控制，因此本文設(shè)計的自動排纜控制器采用了增量PID控制，算法如下所示：

u(k)=u(k-1)+[1+Δe(k)/a]{KPΔe(k)+

KIe(k)+KD[Δe(k)-Δe(k-1)]}

(1)

式中：u(k)為液壓馬達控制量；e(k)為纜繩角度偏差值；Δe(k)為纜繩角度偏差變化率；a為動態(tài)調(diào)節(jié)系數(shù)；k為采樣序號；KP為比例項系數(shù)；KI為積分項系數(shù)；KD為微分項系數(shù).與常規(guī)PID不同的是，為了增加系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性，本文設(shè)計的控制器增加了PID參數(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)系數(shù)a，當纜繩角度偏差突然增大時，控制器輸出較大的控制量，提高排纜系統(tǒng)的跟隨速度；當纜繩角度偏差降低時，控制器輸出較小的控制量，可抑制系統(tǒng)的超調(diào)，避免液壓馬達振蕩.增加PID參數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)能力可以在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能，有效提高了纜繩使用壽命.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 自動排纜控制系統(tǒng)組成示意圖Fig.4 Schematic diagram of the automatic cable arrangement system

3 恒張力控制系統(tǒng)

3.1 拖曳絞車結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的拖曳絞車采用雙卷筒結(jié)構(gòu)，如圖5所示，拖曳纜繩一端經(jīng)導向輪進入儲纜絞車，另一端在拖曳絞車上纏繞多圈后經(jīng)甲板過輪與埋纜機連接，2個絞車卷筒在4個液壓馬達驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，卷筒和拖曳纜繩之間的摩擦力產(chǎn)生拖動埋纜機的牽引力.

拖曳絞車由液壓系統(tǒng)驅(qū)動，拖曳絞車液壓系統(tǒng)的原理如圖6所示，系統(tǒng)由液壓泵、電控比例方向閥、4個液壓馬達和減速機組成.液壓泵為液壓回路提供一定壓力和流量的油源，控制方式為負載敏感型液壓泵系統(tǒng)，油源的壓力隨負載而變化.電控比例方向閥可以改變液壓泵供給到液壓馬達的液壓油流量，當電控比例方向閥的輸入控制信號為正電壓時，液壓回路的液壓油流動方向為A口出，B口回，當輸入控制信號為負電壓時，液壓回路的液壓油流動方向為B口出，A口回.液壓油的流量基本上正比于閥的控制信號(±10 V)，電壓絕對值越大，比例閥閥芯開啟量越大，通過液壓馬達的流量越大，馬達的轉(zhuǎn)動速度越快.

圖5 拖曳絞車結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of the towing winch

圖6 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of the hydraulic system

3.2 拖曳絞車系統(tǒng)建模

拖曳絞車的液壓系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)，比例方向閥的壓力-流量系數(shù)會隨著工作點和輸入控制信號的變化而動態(tài)變化.油源的泄露導致的流量波動、油溫的變化導致的液壓油黏性變化以及管道對油壓造成的損失都會導致系統(tǒng)具有滯后性、大慣量和參數(shù)時變的特性.為了研究拖曳絞車恒張力控制算法，首先要建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型，分析影響液壓系統(tǒng)非線性特性的變量.通過在操作點對非線性項進行線性化處理得到比例閥流量方程：

ΔQL=KqΔXv+KcΔPL

(2)

式中：QL為比例方向閥的負載流量；Xv為比例方向閥的閥芯位移；PL為比例方向閥的負載壓力；Kq為比例方向閥的流量增益；Kc為壓力增益.

馬達流量連續(xù)性方程表示通過液壓馬達的液壓流量與馬達排量及馬達轉(zhuǎn)速等參數(shù)之間的關(guān)系，其通常表示為

(3)

式中：Dm為液壓馬達排量；θm為液壓馬達轉(zhuǎn)角；Ctm為總泄露系數(shù)；βe為有效容積彈性模量；Vt為總壓縮體積；t為時間.

馬達與負載的力平衡方程反映了馬達轉(zhuǎn)速受到負載的影響，其通常表示為

(4)

式中：Jt為液壓馬達和負載折算到馬達軸上的總慣量；Bm為液壓馬達和負載的黏性阻尼系數(shù)；G為負載的扭轉(zhuǎn)彈簧剛度；TL為作用在馬達軸上的外負載.

上述微分方程組通過拉普拉斯變換后可以用傳遞函數(shù)來分析液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性.由式(2)～(4)可以得到閥控液壓馬達的3個拉普拉斯變換式：

QL=KqXv-KcPL

(5)

(6)

DmPL=Jts2θm+Bmsθm+Gθm+TL

(7)

由以上3個拉斯變換式可得出絞車轉(zhuǎn)動的角速度與比例方向閥位移的傳遞函數(shù)G1(s)和絞車轉(zhuǎn)動的角速度與負載轉(zhuǎn)矩的傳遞函速G2(s)：

(8)

(9)

式中：Kce為總流量-壓力系數(shù)；Kce=Kc+Ctm；ωh為液壓固有頻率；ξh為液壓阻尼比.

(10)

(11)

比例閥輸入的控制電壓Ue和比例閥位移Xv之間近似為線性比例關(guān)系，其傳遞函數(shù)為

Xv=KeUe

(12)

(13)

(14)

本文將拖曳纜繩看作是彈性系數(shù)恒定的剛體，根據(jù)胡克定律，纜繩受到的徑向拉力F和纜繩彈性形變ΔL之間的關(guān)系式為

F=EAΔL/L

(15)

式中：A為纜繩橫截面積；E為彈性模量；L為纜繩長度.負載轉(zhuǎn)矩可以表示為

TL=FR

(16)

由以上各式可得出拖曳絞車恒張力控制系統(tǒng)的方框圖如圖7所示(FS為張力預(yù)設(shè)值).

圖7 恒張力控制系統(tǒng)方框圖Fig.7 Block diagram of the constant tension controller

3.3 基于模糊自適應(yīng)P+ID的恒張力絞車控制系統(tǒng)

上一代的恒張力絞車控制系統(tǒng)采用的是常規(guī)PID控制器，由于拖曳絞車的非線性特性，導致惡劣海況時控制效果差.模糊控制算法和常規(guī) PID 結(jié)合的控制器被用在許多非線性、大滯后的系統(tǒng)，并取得了良好的控制效果[10-11].文獻[12]提出了混合模糊P+ID控制器，用于解決具有非線性特性的機械臂控制，采用模糊控制項替代常規(guī)PID的比例項，保留了積分項和微分項，不僅提高了系統(tǒng)的魯棒性，而且由于只有一個參數(shù)需要設(shè)計，簡化了模糊控制器的設(shè)計，取得了良好的控制效果.本文針對拖曳絞車的特點，增加了自適應(yīng)系數(shù)，設(shè)計了模糊自適應(yīng)P+ID控制器.

增量型PID控制器可以表示為

Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIte(k)-

KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]/t

(17)

式中：e(k)和Δe(k)分別代表了系統(tǒng)誤差和誤差變化率；u(k)為控制系統(tǒng)的輸出.常規(guī)PID控制器用在非線性控制對象時，難以達到理想的控制效果.

混合模糊P+ID控制器可以表示為

Δu(k)=h(k)+KIte(k)-

KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]/t

(18)

式中：KI和KD與常規(guī)PID控制器相同；h(k)為模糊P+ID控制器的輸出，用于替代常規(guī)PID的比例項.對于拖曳絞車恒張力系統(tǒng)，張力預(yù)設(shè)值需要根據(jù)作業(yè)要求取不同的值，因此控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠根據(jù)張力預(yù)設(shè)值的不同取值，進行控制變量的適度調(diào)整，從而提高系統(tǒng)的適應(yīng)性.比例項對系統(tǒng)超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間和控制精度的影響最大，因此本文在模糊P+ID控制器上增加了比例項自適應(yīng)系數(shù)，可以根據(jù)張力設(shè)定值的不同，動態(tài)調(diào)整模糊控制器在整個控制系統(tǒng)中的權(quán)重，增強了控制器魯棒性.模糊自適應(yīng) P+ID控制器如下：

Δu(k)=KFh(k)+KIte(k)-

KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]/t

(19)

式中：KF為自適應(yīng)系數(shù)，取值主要與張力預(yù)設(shè)值FS相關(guān)，其表達式如下：

KF=0.25FS+12.5

(20)

模糊自適應(yīng)P+ID控制器的閉環(huán)控制方框圖如圖8所示.

模糊控制器的輸入量為拖曳纜繩預(yù)設(shè)張力和測量張力的差值及差值的變化率.誤差e(k)、誤差增量Δe(k)以及輸出量h(k)的模糊集分別為[-30,30] kN、[-3,3] kN和[-1,1] V，為了簡化隸屬度函數(shù)MFs計算復雜度，將模糊集歸一化為[-1，1].輸入變量和輸出變量由隸屬度函數(shù)MFs(Neg, Zero, Pos)進行劃分，Neg代表負值，Zero代表零，Pos代表正值.由于電控比例方向閥輸入特性近似成比例，所以模糊域的劃分采用均勻分布，如圖9所示.

通過大量仿真和試驗的研究，得到了恒張力絞車控制系統(tǒng)的規(guī)則庫，如表1所示.

圖8 模糊自適應(yīng)P+ID控制器方框圖Fig.8 Block diagram of the fuzzy adaptive P+ID controller

圖9 模糊控制器隸屬度函數(shù)Fig.9 Membership functions of the fuzzy controller

h(k)e(k)NegZeroPosNegNegNegZeroΔe(k)ZeroNegZeroPosPosZeroPosPos

例如規(guī)則“ife(k)=Pos，并且Δe(k)=Neg，那么h(k)=Zero”表示的是如果拖曳纜繩張力誤差為正，則纜繩張力的測量值小于設(shè)定值，與此同時，纜繩誤差變化率為負，則纜繩張力變化的趨勢是逼近設(shè)定值，那么如果絞車處于收纜狀態(tài)，則絞車收纜的速度小于負載的速度，而且速度差在減小，這就需要維持拖曳纜繩回收的速度，從而使纜繩的張力能夠接近預(yù)設(shè)值，因此電控比例方向閥的控制變量保持不變.而如果絞車處于放纜狀態(tài)，則絞車放纜的速度大于負載的速度，而且速度差在減小，這就需要維持拖曳纜繩放出的速度，從而使纜繩的張力能夠接近預(yù)設(shè)值，因此電控比例方向閥的控制變量保持不變.

得到輸出變量的模糊值后需要經(jīng)過解模糊化的過程將其轉(zhuǎn)化為精確的控制量，對于增量模糊控制器，最常用的解模糊化方法為“重心法”：

(21)

式中：vi為第i條規(guī)則的輸出變量值；μi(vi)為對應(yīng)的輸入變量的隸屬度值；m為規(guī)則數(shù)量.

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

恒張力控制功能和自動排纜功能對控制系統(tǒng)實時性要求很高，因此設(shè)計控制系統(tǒng)程序時，將實時性要求高的過程控制算法等功能運行在PLC上，將參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲等實時性要求不高的功能運行在觸摸屏上.本文設(shè)計的控制系統(tǒng)軟件分為過程控制程序和人機界面程序兩大部分.其中過程控制程序包括了網(wǎng)絡(luò)通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及自動排纜和恒張力控制等功能模塊，運行在主站PLC上，人機界面程序包括了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示模塊、報警信息查詢模塊以及運行數(shù)據(jù)存儲模塊，運行在觸摸屏上.

在編程語言上可以選擇梯形圖語言LD(Ladder Diagram)以周期性掃描的方式執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，適合邏輯時序命令的執(zhí)行，而且在設(shè)計時可以與電氣原理圖對應(yīng)，具有良好的直觀性和可靠性，控制算法采用結(jié)構(gòu)文本ST(Structured Text)進行編寫，可以提高程序執(zhí)行效率.軟件結(jié)構(gòu)如圖10所示.

圖10 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure diagram of the control software system

各功能模塊主要完成的功能如下：

(1) 網(wǎng)絡(luò)通信模塊：與從站及觸摸屏進行通信，為數(shù)據(jù)交換提供通信程序接口；

(2) 數(shù)據(jù)采集模塊：負責各IO點數(shù)據(jù)的輸入、輸出及診斷等；

(3) 自動排纜功能模塊：完成儲纜絞車自動排纜功能；

(4) 恒張力控制功能模塊：完成拖曳絞車恒張力控制功能；

(5) 參數(shù)設(shè)置模塊：通過面板對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置；

(6) 狀態(tài)顯示模塊：通過面板將系統(tǒng)運行狀態(tài)以儀表盤等人性化的圖形顯示出來；

(7) 報警信息查詢模塊：可以顯示系統(tǒng)的報警信息和處理結(jié)果，并對歷史報警信息進行查詢；

(8) 數(shù)據(jù)存儲模塊：將系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)存儲在觸摸屏的SD卡中，可以通過觸摸屏進行查詢，也可以將SD卡插入電腦進行查詢.

5 仿真及海上試驗

本文設(shè)計的拖曳絞車控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于中國科學院沈陽自動化研究所最新研制的3套布纜船吊放拖曳裝置中，在近海水下光纖鋪設(shè)作業(yè)中取得了良好的使用效果，達到了國外同類裝備的最新技術(shù)水平.

圖11 絞車速度和纜繩偏角試驗曲線Fig.11 Experimental curve of winch speed and cable deflection

5.1 自動排纜功能試驗

為了驗證本文設(shè)計的自動排纜功能是否能夠有效地跟蹤儲纜絞車的收放纜繩運動，針對該功能進行了大量海上試驗，圖11所示為埋纜機下放過程中，纜繩計數(shù)裝置測得的儲纜絞車速度曲線和自動排纜機構(gòu)檢測到的纜繩偏角曲線.

從曲線中可以得出，在埋纜機下放過程中，儲纜絞車的收放纜繩速度是時刻變化的.在初始運動階段，絞車轉(zhuǎn)動速度逐漸增加，當接近水面時，需要保持埋纜機平穩(wěn)下降，一旦入水后，需要快速下放，當快接近海底時，又要緩慢觸底.在這一過程中，纜繩偏角能夠保持在5° 以內(nèi)，而且當儲纜絞車收放纜繩快速變化時，自動排纜機構(gòu)能夠快速響應(yīng)，精確跟隨，表明自動排纜控制器具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能.

5.2 恒張力控制功能試驗

5.2.1仿真實驗 通過仿真實驗比較兩種控制器的控制效果和魯棒性.為了更好地驗證兩種控制系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力，將采用階躍響應(yīng)仿真實驗進行驗證，MATLAB/Simulink被用來作為仿真模糊自適應(yīng)P+ID控制器和傳統(tǒng)PID控制器的工具.

首先通過仿真取得張力預(yù)設(shè)值為30 kN時模糊P+ID控制器的最優(yōu)控制參數(shù)值，然后將張力設(shè)定值變?yōu)?0 kN，計算機仿真模糊自適應(yīng)P+ID控制器和模糊P+ID控制器的控制效果，結(jié)果如圖12所示.增加了自適應(yīng)系數(shù)后，模糊控制器的超調(diào)量減少2 kN.這是因為隨著張力預(yù)設(shè)值增大，自適應(yīng)系數(shù)增加了模糊控制比例項在整個控制器中的權(quán)重，而比例項對控制系統(tǒng)的超調(diào)量有著重要的作用，動態(tài)調(diào)整比例項權(quán)重可以有效降低不同工況下系統(tǒng)的超調(diào)量.仿真實驗證明增加自適應(yīng)系數(shù)對模糊P+ID控制器的控制效果有一定提高.

圖12 模糊自適應(yīng)P+ID控制器與模糊P+ID控制器的控制效果Fig.12 Control results of the fuzzy adaptive P+ID controller and the fuzzy P+ID controller

同時將模糊自適應(yīng)P+ID與上一代恒張力控制系統(tǒng)使用的PID控制器進行了對比實驗.拖曳纜繩張力的設(shè)定值作為控制系統(tǒng)的輸入變量被分別設(shè)置成30和50 kN.拖曳纜繩張力的控制復雜性很大程度與海況等級和拖曳纜繩收放的速度有關(guān).本系統(tǒng)研制的拖曳絞車最大速度為0.6 m/s，所以為了驗證兩種控制器在極限條件下的控制效果，液壓絞車的速度被設(shè)置成 0.6 m/s.在對絞車模型進行分析時得出流量-壓力系數(shù)Kce是時變的參數(shù)，也是導致整個液壓絞車系統(tǒng)呈現(xiàn)非線性動態(tài)特性的主要因素.因此在仿真實驗中將研究當Kce=2.1×10-11、5×10-11和8.5×10-11時的控制器仿真效果.通過大量的仿真實驗反復調(diào)整后，得到了模糊自適應(yīng) P+ID控制器和PID控制器的最優(yōu)控制參數(shù)，如表2所示.

表2 PID控制器和模糊自適應(yīng)P+ID控制器的參數(shù)

Tab.2 Parameters of the PID controller and the fuzzy adaptive P+ID controller

控制器參數(shù)FS/kNKPKFKIKDPID3015-12105018-1010模糊自適應(yīng)P+ID30-20121050-251010

將PID控制器和模糊自適應(yīng)P+ID控制器的參數(shù)分別代入計算機仿真模型中，并將Kce分別設(shè)置成2.1×10-11、5×10-11和8.5×10-11來進行仿真實驗.這樣就可以通過Kce不同取值時，控制系統(tǒng)的控制效果來驗證模糊自適應(yīng)P+ID控制器在應(yīng)用于具有參數(shù)時變特性的非線性系統(tǒng)時的良好魯棒性.結(jié)果如圖13 和圖14 所示，模糊自適應(yīng)P+ID 控制器相比 PID 控制器在應(yīng)用于具有參數(shù)時變特性的非線性系統(tǒng)時具有更加良好的魯棒性.

對于階躍響應(yīng)來說，調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量以及穩(wěn)態(tài)誤差是3個最主要的評價指標，通過分析這3個指標可以判斷出控制系統(tǒng)的效果和性能.從圖13和圖14的仿真結(jié)果中可以看出，PID控制器和模糊自適應(yīng)P+ID控制器的穩(wěn)態(tài)誤差都能夠達到很好的效果，但是在調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量這兩個指標上模糊自適應(yīng)P+ID控制器要優(yōu)于PID控制器，而且當流量-壓力系數(shù)Kce變化時，模糊自適應(yīng)P+ID控制器的控制效果也要優(yōu)于PID控制器.因此下面對PID控制器和模糊自適應(yīng)P+ID控制器階躍響應(yīng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量進行了對比分析，結(jié)果如表3所示.由表3可見，在過渡暫態(tài)過程中模糊自適應(yīng) P+ID控制器的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量要明顯地少于PID控制器.特別是絞車作為非線性系統(tǒng)，當Kce變化時，PID控制器的調(diào)節(jié)時間以及超調(diào)量這兩個指標就會變差，而模糊自適應(yīng)P+ID控制器則在參數(shù)Kce變化時調(diào)節(jié)時間以及超調(diào)量這兩個指標依然能夠保持穩(wěn)定.

圖13 FS=30 kN時拖曳纜繩張力的階躍響應(yīng)Fig.13 Step responses of towing cable tension when FS=30 kN

圖14 FS=50 kN時拖曳纜繩張力的階躍響應(yīng)Fig.14 Step responses of towing cable tension when FS=50 kN

表3 PID控制器和模糊自適應(yīng)P+ID控制器的仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of the PID controller and the fuzzy adaptive P+ID controller

5.2.2海上試驗 為了驗證在實際作業(yè)條件下，模糊自適應(yīng)P+ID控制器與上一代PID控制器的控制效果，我們開展了海上應(yīng)用試驗.惡劣海況下，海浪、海流會對拖曳纜繩產(chǎn)生較大的拖曳力和升沉浮力，增加了拖曳纜繩張力控制的難度.

海況等級越高，對恒張力的控制難度越大.表4描述了各種等級海況的定義，其中典型浪高表示最高的1/3部分海浪的平均高度，平均周期表示所有海浪的平均周期.

表4 海況等級定義Tab.4 Sea state definitions

在4級海況下，浪高能夠達到1.5～2.0 m，海浪的運動能夠?qū)銖埩刂圃斐珊艽蟾蓴_，因此在這種海況下進行試驗，可以有效驗證控制系統(tǒng)的有效性和魯棒性.我們將兩種控制器的控制程序分別下載到拖曳絞車控制系統(tǒng)中，并且將拖曳纜繩張力設(shè)定值分別設(shè)成30和50 kN來驗證在海上實際使用條件下，模糊自適應(yīng)P+ID控制器和PID控制器的控制效果和魯棒性，并將控制結(jié)果進行對比分析.海上試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖15和圖16所示.

圖15 FS=30 kN時拖曳纜繩張力Fig.15 Towing cable tension when FS=30 kN

圖16 FS=50 kN時拖曳纜繩張力Fig.16 Towing cable tension when FS=50 kN

從圖15和圖16中可以看出，纜繩張力在模糊自適應(yīng)P+ID控制器控制下的穩(wěn)定性要優(yōu)于PID控制器.表5列出了兩種控制器作用下拖曳纜繩張力的超調(diào)量和均方誤差.

可以看出模糊自適應(yīng)P+ID控制器的控制效果要明顯優(yōu)于PID控制器.當FS=30 kN時，模糊自適應(yīng)P+ID控制器能夠比PID控制器減少58%的超調(diào)量.當FS=50 kN時，模糊自適應(yīng)P+ID控制器能夠比PID控制器減少60%的超調(diào)量.在均方誤差這項指標上，當FS=30 kN時，模糊自適應(yīng)P+ID控制器能夠比PID控制器減少了39%，當FS=50 kN時，模糊自適應(yīng)P+ID控制器能夠比PID控制器減少了57%.根據(jù)海上試驗結(jié)果能夠充分證明在惡劣海況下，模糊自適應(yīng)P+ID控制器比PID控制器在拖曳絞車恒張力控制上有著更好的有效性和魯棒性.

表5 海上試驗結(jié)果Tab.5 Sea trial results

6 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)、具有智能控制功能的拖曳絞車控制系統(tǒng)，并應(yīng)用于我國最新研制的布纜船，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)狀態(tài)集中監(jiān)控及自我狀態(tài)診斷.為提高系統(tǒng)的智能化水平和控制效果，設(shè)計了自動排纜系統(tǒng)和基于模糊自適應(yīng)P+ID的恒張力控制器，并應(yīng)用于拖曳絞車控制系統(tǒng)，并取得了良好的控制效果.實際海上試驗驗證了控制系統(tǒng)的有效性和魯棒性，并且該控制系統(tǒng)的架構(gòu)和設(shè)計模式已經(jīng)應(yīng)用于中國科學院沈陽自動化研究所正在研制的新一代收放系統(tǒng)中.