海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)及控制方法，所述控制系統(tǒng)包括熱備冗余控制器、變頻器組、交流變頻電機、傳動行星輪系、鎧裝臍帶纜、卷筒和信號檢測傳感器，所述信號檢測傳感器采集卷筒的轉速、母船的升沉加速度，信號檢測傳感器的信號輸出端與熱備冗余控制器相連，將采集到的信號送入熱備冗余控制器中，熱備冗余控制器經(jīng)變頻器組與交流變頻電機相連，交流變頻電機通過減速器與傳動行星輪系連接，所述傳動行星輪系固接在卷筒的一端，所述鎧裝臍帶纜卷繞在卷筒上，鎧裝臍帶纜的自由端與深海作業(yè)裝備相連。本發(fā)明的控制系統(tǒng)結構簡單，具有主動升沉補償功能。
【專利說明】 海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)及控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋船載絞車領域，特別涉及一種海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)及控制方法。

【背景技術】
[0002]隨著人口急劇膨脹、陸地資源日益枯竭，世界各國聚焦蘊藏著豐富的石油、天然氣資源以及礦產(chǎn)資源的海洋。新世紀以來，許多國家紛紛制定海洋發(fā)展戰(zhàn)略，將開發(fā)海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟、控制海洋能力作為國家的重要戰(zhàn)略決策，把建設海洋強國作為增強綜合國力的重要措施。為了實現(xiàn)海洋資源勘探和開發(fā)，必須有專門的海洋工程設備來完成，而海洋船載絞車是實現(xiàn)資源勘探和開發(fā)設備收放的關鍵甲板機械裝備，主要依托科學考察船、海洋資源勘探船、海洋工程輔助船等母船，廣泛地應用于海洋資源勘探與深海作業(yè)。在深海區(qū)域，海面的海況條件非常惡劣，母船受風浪、涌流的影響而做不規(guī)則的上下起伏運動，4級海況海浪浪高可到達2.5m，致使船載絞車及其收放的海洋資源勘探和開發(fā)設備隨之升沉，由于海洋資源勘探和開發(fā)設備是下放到深海環(huán)境進行作業(yè)，而海水介質(zhì)具有較大阻尼、鎧裝臍帶纜較長(3000-4500m)、滾筒慣量大，因此整個船載絞車收放系統(tǒng)具有較強的滯后性，當母船隨海浪上升，鎧裝臍帶纜張力增大，最危險的情況鎧裝臍帶纜直接被拉斷，當母船隨海浪下降，鎧裝臍帶纜張力減少，最危險的情況可使被吊設備處于游離狀態(tài)，由于被收放設備都較為貴重，這些狀況的出現(xiàn)都會造成相當大的經(jīng)濟損失，即使不會出現(xiàn)上述最危險情況，鎧裝臍帶纜內(nèi)的應力會隨母船的升沉而不變化，致使鎧裝臍帶纜產(chǎn)生疲勞破壞，縮短其使用壽命、影響到作業(yè)的安全性。
[0003]絞車的驅(qū)動方式主要有柴油機驅(qū)動、液壓驅(qū)動和電驅(qū)動等三類。其中，柴油機驅(qū)動的絞車，大都采用多軸和鏈條傳動的方式，結構較為復雜逐漸被淘汰；液壓驅(qū)動絞車目前仍然為船用絞車的主流形式，液壓驅(qū)動絞車具有結構緊湊、功率重量比高、驅(qū)動力矩大、起動平穩(wěn)、調(diào)速方便、使用安全可靠等優(yōu)點，但控制系統(tǒng)相對落后、耗能大、響應速度慢；電驅(qū)動絞車包括直流電驅(qū)動和交流電驅(qū)動，直流電驅(qū)動絞車具有調(diào)速性能好、效率高、響應速度快、驅(qū)動力矩大的優(yōu)點，但存在電刷火花隱患、結構復雜，而隨著大功率交流變頻調(diào)速技術的發(fā)展，交流變頻驅(qū)動絞車具有更好的發(fā)展前景。
[0004]升沉補償系統(tǒng)主要有被動升沉補償、主動升沉補償和半主動升沉補償三類。被動升沉補償系統(tǒng)不需要外界提供能量，直接依靠儲能器吸收和釋放能量，從而反饋母船升沉運動負荷所消耗的能量，系統(tǒng)相對比較簡單，但補償性能不穩(wěn)定、滯后性較大、補償精度低。主動升沉補償系統(tǒng)是在傳統(tǒng)絞車的基礎上，增加檢測環(huán)節(jié)和控制器，實時檢測母船升沉運動狀態(tài)、載荷等數(shù)據(jù)，經(jīng)過控制器處理后輸出控制信號控制驅(qū)動馬達的轉速及轉向來實現(xiàn)主動升沉補償，具有抗干擾能力強、適應性好、補償精度高、補償性能穩(wěn)定等特點，不需要增加額外的設備，而且占用作業(yè)船甲板空間少。半主動升沉補償系統(tǒng)結合了兩者的優(yōu)點，保持較高的補償精度又降低能耗，但結構較為復雜。
[0005]為了減少母船升沉運動對水下作業(yè)的影響，國內(nèi)外眾多專家也對不同類型海洋絞車的升沉補償、恒張力控制方法等方面進行了大量的研宄。研宄主要集中在液壓驅(qū)動絞車的各類升沉補償、張力控制方法，而在電驅(qū)動絞車的補償方法研宄很少，只有黃魯蒙等在《主動式海洋鉆井升沉補償絞車設計與仿真研宄》中提出一種電動海洋絞車主動式升沉補償絞車方案，采用單臺交流變頻電機直接驅(qū)動絞車滾筒正反轉來實現(xiàn)升沉補償。而采用前饋-模糊PI控制方法進行控制，克服了前饋控制的不足，在一定程度上提高了系統(tǒng)抗干擾能力與穩(wěn)定性。為了確保設備收放免受母船升沉運動的影響，減少鎧裝臍帶纜在收放過程中應力變化，提高船載絞車的使用壽命和深海作業(yè)的安全性，開發(fā)一種具有主動升沉補償功能的海洋船載交流變頻驅(qū)動絞車控制系統(tǒng)具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種結構簡單、具有主動升沉補償功能的海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)，并提供控制系統(tǒng)的控制方法。
[0007]本發(fā)明解決上述問題的技術方案是:一種海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)，包括熱備冗余控制器、變頻器組、交流變頻電機、傳動行星輪系、鎧裝臍帶纜、卷筒和信號檢測傳感器，所述信號檢測傳感器采集卷筒的轉速、母船的升沉加速度，信號檢測傳感器的信號輸出端與熱備冗余控制器相連，將采集到的信號送入熱備冗余控制器中，熱備冗余控制器經(jīng)變頻器組與交流變頻電機相連，交流變頻電機通過減速器與傳動行星輪系連接，所述傳動行星輪系固接在卷筒的一端，所述鎧裝臍帶纜卷繞在卷筒上，鎧裝臍帶纜的自由端與深海作業(yè)裝備相連。
[0008]上述海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)中，所述信號檢測傳感器包括角度編碼器和加速度傳感器，角度編碼器安裝在卷筒外圓周上，加速度傳感器安裝在母船上。
[0009]上述海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)中，所述熱備冗余控制器包括主控制器和備控制器。
[0010]上述海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)中，所述變頻器組包括變頻器1、變頻器II和變頻器III，變頻器1、變頻器II和變頻器III中，每臺變頻器拖動2臺交流變頻電機。
[0011]上述海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)中，所述傳動行星輪系包括6個行星齒輪和一個內(nèi)齒圈，內(nèi)齒圈與卷筒一端固接，6個行星齒輪呈環(huán)形分布于內(nèi)齒圈內(nèi)圓周上并與內(nèi)齒圈上的齒相嚙合，每臺交流變頻電機通過減速器與一個行星齒輪相連，行星齒輪在交流變頻電機的作用下運轉，帶動與之固接的卷筒轉動。
[0012]一種海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)的控制方法，通過超前預測前饋控制與多輸入單輸出反饋控制的復合控制方法輸出控制量，對3臺變頻器進行控制，進而控制6臺交流變頻電機驅(qū)動卷筒的運動。
[0013]上述海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)的控制方法中，超前預測前饋控制的具體步驟包括:加速度傳感器檢測母船隨海浪升沉的加速度，然后進行數(shù)字積分獲得升沉運動的速度、位移，運用時間序列分析方法，建立母船升沉速度和位移的自回歸時間序列預測模型，對母船升沉運動下一時刻運動的速度、位移進行預測，實現(xiàn)超前預測前饋控制。
[0014]上述海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)的控制方法中，多輸入單輸出反饋控制的具體步驟包括:通過角度編碼器檢測卷筒轉速，將轉速變換后獲得負載速度；采集變頻器輸出至變頻電機的電流，將電流變換后獲得纜繩張力，把負載速度與纜繩張力作為反饋，并與設定值進行比較，經(jīng)多輸入單輸出內(nèi)模PID魯棒控制算法進行反饋控制。
[0015]上述海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)的控制方法中，卷筒的轉速結合母船升沉速度，獲得負載的收放速度；通過采集變頻器輸出至變頻電機的電流，然后通過減速器與行星輪系減速比可以得出卷筒的驅(qū)動轉矩，從而推導出纜繩張力。
[0016]本發(fā)明的有益效果在于:
[0017]1、本發(fā)明的控制系統(tǒng)結構簡單，具有主動升沉補償功能，控制系統(tǒng)中控制器熱備冗余、拖動絞車的交流變頻電機冗余配備6臺，在復雜惡劣的海洋工作環(huán)境下，如果主控器出故障或其中1-3臺電機出現(xiàn)故障，剩余的電機正常工作仍然能保證海洋絞車安全可靠運行，確保貴重設備的安全回收；
[0018]2、本控制系統(tǒng)的控制方法通過超前預測前饋控制與多輸入單輸出反饋控制的復合控制方法輸出控制量，對3臺變頻器進行控制，進而控制6臺交流變頻電機驅(qū)動卷筒的運動，控制過程簡單，操作方便，能夠確保設備收放免受母船升沉運動的影響，減少了鎧裝臍帶纜在收放過程中應力變化，提高了船載絞車的使用壽命和深海作業(yè)的安全性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明控制系統(tǒng)的結構示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明控制方法的原理圖。

【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。
[0022]如圖1所示，本發(fā)明的控制系統(tǒng)包括熱備冗余控制器1、變頻器組4、交流變頻電機8、傳動行星輪系、鎧裝臍帶纜11、卷筒12和信號檢測傳感器，所述信號檢測傳感器采集卷筒12的轉速、母船的升沉加速度，信號檢測傳感器包括角度編碼器13和加速度傳感器14，角度編碼器13安裝在卷筒12主軸上，加速度傳感器14安裝在母船上，角度編碼器13和加速度傳感器14的信號輸出端與熱備冗余控制器I相連，將采集到的信號送入熱備冗余控制器I中，熱備冗余控制器I包括主控制器2和備控制器3，熱備冗余控制器I經(jīng)變頻器組4與交流變頻電機8相連，所述變頻器組4包括變頻器I 5、變頻器II 6和變頻器III 7，變頻器I 5、變頻器II 6和變頻器III 7中，每臺變頻器拖動2臺交流變頻電機8，所述傳動行星輪系包括6個行星齒輪9和一個內(nèi)齒圈10，內(nèi)齒圈10與卷筒12 —端固接，6個行星齒輪9對稱分布于內(nèi)齒圈10內(nèi)圓周上并與內(nèi)齒圈10上的齒相嚙合，每臺交流變頻電機8通過減速器與一個行星齒輪9相連，所述鎧裝臍帶纜11卷繞在卷筒12上，鎧裝臍帶纜11的自由端與深海作業(yè)裝備16相連，用于起吊深海作業(yè)裝備16、供給深海作業(yè)裝備16電源、與海作業(yè)裝備16進行通信，行星齒輪9在交流變頻電機8的作用下運轉，帶動與之固接的卷筒12轉動，從而控制卷筒12上鎧裝臍帶纜11的升沉。
[0023]本控制系統(tǒng)采用3臺變頻器+6臺交流變頻異步電機+行星輪系組成驅(qū)動系統(tǒng)，由主控制器2控制變頻器驅(qū)動交流變頻電機，再通過行星輪系驅(qū)動絞車卷筒，通過控制交流變頻電機8的正反轉實現(xiàn)鎧裝臍帶纜11的收放，從而實現(xiàn)絞車主動升沉補償。
[0024]一種海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)的控制方法，通過超前預測前饋控制與多輸入單輸出反饋控制的復合控制方法輸出控制量，對3臺變頻器進行控制，進而控制6臺交流變頻電機驅(qū)動卷筒的運動。
[0025]由于海洋船載絞車卷筒容繩量大(3000-5000m)、工作載荷大(安全工作載荷為20噸)、深海海洋作業(yè)環(huán)境復雜等特點，其是一個大負載、大慣量、大滯后、非線性時變系統(tǒng)，而由海浪引起母船升沉擾動具有隨機性，為了克服補償系統(tǒng)大滯后性、擾動的隨機性，海洋絞車的主動升沉補償是反向跟蹤由海浪造成母船升沉運動來實現(xiàn)，由于海洋絞車具有大慣量性、滯后性，如果采用單純事后控制(反饋控制)，會引起較大的系統(tǒng)跟蹤誤差，達不到理想的升沉補償效果，因此本控制方法采用超前預測前饋控制，其具體步驟包括:加速度傳感器檢測母船隨海浪升沉的加速度，然后進行數(shù)字積分獲得升沉運動的速度、位移，運用時間序列分析方法，建立母船升沉速度和位移的自回歸時間序列預測模型，對母船升沉運動下一時刻運動的速度、位移進行預測，實現(xiàn)超前預測前饋控制，提高海洋絞車反向跟蹤母船隨機升沉運動的響應速度與精度。
[0026]由于海洋船載絞車的主動升沉補償系統(tǒng)非線性特性，綜合考慮鎧裝臍帶纜彈性、水介質(zhì)等非線性影響因素，建立起計入負載、鎧裝臍帶纜、滾筒、水介質(zhì)的大慣性、大滯后的非線性負載動力學方程。本發(fā)明采用3臺變頻器，并且I臺變頻器拖動2臺交流異步電機的多臺變頻器、多臺交流異步電機的多軸拖動系統(tǒng)，建立恒壓頻的交流變頻電機的機械特性方程、多軸拖動運動方程，進而建立起海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。多輸入單輸出反饋控制的具體步驟包括:通過角度編碼器檢測卷筒轉速，卷筒的轉速結合母船升沉速度，獲得負載的收放速度；采集變頻器輸出至變頻電機的電流，然后通過減速器與行星輪系減速比可以得出卷筒的驅(qū)動轉矩，從而推導出纜繩張力，把負載速度與纜繩張力作為反饋，并與設定值進行比較，經(jīng)多輸入單輸出內(nèi)模PID魯棒控制算法進行反饋控制。
[0027]本發(fā)明采用3臺變頻器驅(qū)動6臺交流變頻異步電機，首先建立在多軸同步旋轉d_q坐標系下的交流電機數(shù)學模型，然后綜合考慮交流變頻異步電機的非線性和強耦合特性，采用相鄰交叉耦合多電機同步控制結構，運用自適應滑模變結構控制器進行多臺交流變頻電機同步控制。
【權利要求】
1.一種海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)，其特征在于:包括熱備冗余控制器、變頻器組、交流變頻電機、傳動行星輪系、鎧裝臍帶纜、卷筒和信號檢測傳感器，所述信號檢測傳感器采集卷筒的轉速、母船的升沉加速度，信號檢測傳感器的信號輸出端與熱備冗余控制器相連，將采集到的信號送入熱備冗余控制器中，熱備冗余控制器經(jīng)變頻器組與交流變頻電機相連，交流變頻電機通過減速器與傳動行星輪系連接，所述傳動行星輪系固接在卷筒的一端，所述鎧裝臍帶纜卷繞在卷筒上，鎧裝臍帶纜的自由端與深海作業(yè)裝備相連。
2.如權利要求1所述的海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)，其特征在于:所述信號檢測傳感器包括角度編碼器和加速度傳感器，角度編碼器安裝在卷筒主軸上，加速度傳感器安裝在母船上。
3.如權利要求2所述的海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)，其特征在于:所述熱備冗余控制器包括主控制器和備控制器。
4.如權利要求3所述的海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)，其特征在于:所述變頻器組包括變頻器1、變頻器II和變頻器III，變頻器1、變頻器II和變頻器III中，每臺變頻器拖動2臺交流變頻電機。
5.如權利要求4所述的海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)，其特征在于:所述傳動行星輪系包括6個行星齒輪和一個內(nèi)齒圈，內(nèi)齒圈與卷筒一端固接，6個行星齒輪對稱分布于內(nèi)齒圈內(nèi)圓周上并與內(nèi)齒圈上的齒相嚙合，每臺交流變頻電機通過減速器與一個行星齒輪相連，行星齒輪在交流變頻電機的作用下運轉，帶動與之固接的卷筒轉動。
6.一種權利要求5所述的海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:通過超前預測前饋控制與多輸入單輸出反饋控制的復合控制方法輸出控制量，對3臺變頻器進行控制，進而控制6臺交流變頻電機驅(qū)動卷筒的運動。
7.如權利要求6所述的海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:超前預測前饋控制的具體步驟包括:加速度傳感器檢測母船隨海浪升沉的加速度，然后進行數(shù)字積分獲得升沉運動的速度、位移，運用時間序列分析方法，建立母船升沉速度和位移的自回歸時間序列預測模型，對母船升沉運動下一時刻運動的速度、位移進行預測，實現(xiàn)超前預測前饋控制。
8.如權利要求6所述的海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:多輸入單輸出反饋控制的具體步驟包括:通過角度編碼器檢測卷筒轉速，將轉速變換后獲得負載速度；采集變頻器輸出至變頻電機的電流，將電流變換后獲得纜繩張力，把負載速度與纜繩張力作為反饋，并與設定值進行比較，經(jīng)多輸入單輸出內(nèi)模PID魯棒控制算法進行反饋控制。
9.如權利要求8所述的海洋船載交流變頻絞車主動升沉補償控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:卷筒的轉速結合母船升沉速度，獲得負載的收放速度；通過采集變頻器輸出至變頻電機的電流，然后通過減速器與行星輪系減速比可以得出卷筒的驅(qū)動轉矩，從而推導出纜繩張力。
【文檔編號】B66D1/12GK104495672SQ201510001086
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月4日 優(yōu)先權日:2015年1月4日
【發(fā)明者】趙延明, 劉德順, 黃良沛, 張小平, 李成, 劉厚才 申請人:湖南科技大學