（控制理论与控制工程专业论文）深海集矿机集矿头高度控制技术研究.pdf

中南大学硕七学伊论文摘要 摘要 深海采矿足一个极其复杂的过程，整个采矿系统以运行于6 0 0 0 m 深海极限工况环境的集矿机为随动中心作业，位于集矿机前端的集矿 头完成对深海底表层金属结核的捕获收集，集矿头高度参数直接影响 能否捕获结核及结核收集效率，间接影响对深海沉积物的扰动程度， 该参数的控制是整个采矿控制系统的关键之一。开展集矿头高度控制 技术研究，对提高集矿头高度参数稳态和动态品质，进而保证集矿安 全、高效及保护海底环境等，具有重要意义。 本文以深海集矿机为背景，首先介绍了水力式集矿机集矿原理及 集矿装置组成。针对集矿头高度控制液压系统的非对称性特点，分别 建立了集矿头上升和下降时液压系统数学模型，并在模型中引入摩擦 阻力，分析了集矿头上升和下降时液压系统数学模型的异同。在此基 础上，利用m a t l a b 软件建立了集矿头高度控制系统仿真模型。由于 集矿头高度采用电液比例阀控液压缸结构，是复杂的非对称、非线性 系统，本文在分析基于传统p i d 和模糊控制算法优缺点的基础上，提 出带死区补偿的非对称模糊p i d 控制算法：采用死区补偿策略减小电 液比例换向阀和液压缸壁与活塞间摩擦产生的影响，采用非对称结构 的模糊控制规则表以补偿液压系统的非对称性，仿真结果验证了算法 的有效性。 论文最后利用u m l 对集矿头高度控制模块进行了分析和设计， 用v c 和a c c e s s 实现了软件和数据库的开发工作。 关键词：深海采矿，集矿机，集矿头，高度，模糊p i d 中南大学硕士学付论文a b s t r a ( 了r a b s t r a c t t h ed e e p s e am i n i n gs y s t e m , w h i c ho p e r a t e si nt h ea d v e r s e c i r c u m s t a n c ew i t had e p t h6 0 0 0 mb e l o wt h eo c e a ns u r f a c e ，i sa c o m p l i c a t e ds y s t e m w h o l es y s t e mf o l l o w st h et r a c t o ra si t st r i c k i n g c e n t e r t h ec o l l e c t o r , w h i c hl i e sa tt h eh e a do ft h ev e h i c l e ，c o m p l e t e s t h ec a p t u r ea n dc o l l e c t i o no nt h em u l t i p l y m e t a lm o d u l e s w e a t h e rt o c a p t u r et r i u m p h a n t l yo rn o ta n dc o l l e c t i n ge f f i c i e n c ya r eh e a v i l y a f f e c t e db yt h ec o l l e c t o r sh e i g h tp a r a m e t e r , a n dt h ed i s t u r b i n gd e g r e e o nt h ed e e p s e as e d i m e n ti sa l s oi n d i r e c t l ye f f e c t e d t h e r e f o r e ，t h e c o n t r o lo nt h eh e i g h tp a r a m e t e ro c c u p i e so n eo ft h ek e ys e c t o r s i ti s s i g n i f i c a n tt h a ts t a b l ea n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n c r e a s e d ， s a f e t y a n d e f f i c i e n c y c o l l e c t i o na r e g u a r a n t e e d ，a n dd e e p s e a e n v i r o n m e n ti sp r o t e c t e db y d e v e l o p i n gh e i g h tc o n t r o lt e c h n o l o g y t h i s p a p e ri n t r o d u c e s ，f i r s t l y , t h ec o l l e c t i n gt h e o r y a n d c o n s t i t u t i o nt ot h e h y d r a u l i c c o l l e c t o r t ot h e n o n s y m m e t r i c a l p e c u l i a r i t yf r o mh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m , t w om o d e l sf o rc o l l e c t o r h e i g h tc o n t r o l ，o n ef o r c o l l e c t o r s l i f t i n g u p a n da n o t h e rf o r d e s c e n d i n g - d o w n ，a r eb u i l tu p a l lb o t hm o d e l si n c l u d et h ef r i c t i o n t h e i rd i f f e r e n c ei s a n a l y s e di nd e t a i l b a s e da b o v e ，as i m u l a t i n g m o d e lf o rh e i g h tc o n t r o l o nc o l l e c t o ri ss e t u pw i t hm a t l a bt 0 0 1 b e c a u s et h e s ee l e m e n t s ，s u c ha se l e c t r i c h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e a n dc y l i n d e r ，a r eu s e d ，t h es y s t e mm o d e lg i v e sas t r o n gn o r d i n e a ra n d c o m p l i c a t e dn o n s y m m e t r i c a lp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rp r e s e n t s a c o n t r o la l g o r i t h m , w h i c hi n c l u d e st h ec o m p e n s a t i o no nt h ed e a d a r e a ， d e p e n d i n go nt h es t r o n g p o i n t a n ds h o r t c o m i n gc o m p a r eb e t w e e n t r a d i t i o n a lp i da n d f u z z y c o n t r o lm e t h o d s t h ef r i c t i o ne f f e c t b e t w e e np i s t o na n dw a l lo ft h ec y l i n d e ri sr e d u c e d b yac o m p e n s a t i n g s t r a t e g y o nd e a d - a r e a n o n s y m m e t r i c a lf r o mh y d r a u l i cs y s t e mi s c o m p e n s a t e dt h r o u g hf u z z yc o n t r o lw i t har u l et a b l ei nw h i c ht h e r e i san o n s y m m e t r i c a lc o n s t r u c t i o n f i n a l l y , t h ec o n t r o l l i n gm o d u l e so nc o l l e c t o rh e i g h ta r ed e s i g n e d a n da n a l y s e dt h r o u g hu m l t h es o f t w a r ea n dd a t a b a s ef o rc o l l e c t i n g 中南大学硕+ 学位论文a b 警限a c r c o n t r o la r ed e v e l o p e db a s e do nv ca n da c c e s st 0 0 1 k e y w o r d s ：d e e p s e am i n i n g ，m i n i n gv e h i c l e ，n o d u l e sc o l l e c t o r , h e i g h t ，f u z z y - p i d 中南人学硕卜学伊论史 原刨件声明 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。论文主要足自己的研究所得，除了已注明 的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者笛名：盔毖日期：拉z 年卫月丛日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学 位论文；学校叮根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。 对以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者签名建址翮签名 日期：三生年j l 月 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 第一章绪论 研究深海底集矿机集矿头高度控制技术，对于提高深海集矿效率、降低采矿 成本以及对海底沉积物的扰动，提高深海采矿系统的整体性能将具有重要的现实 意义。 1 1 研究背景 2 1 世纪是人类开发利用海洋的“海洋世纪”。据联合国采矿专家组预测，最 早实现大洋多金属结核资源开采的时间可能是2 0 2 0 年以后。届时深海采矿很有 可能形成- i - 高新技术产业，它的形成与发展将对世界海洋经济、文化及人类海 洋意识产生积极深远的影响【l - 6 1 。 1 9 9 1 年，根据联合国海洋法公约的有关规定，我国成为先驱投资者之 一，在国际海底区域获得1 5 万平方公里的开辟区【7 l ，并最终圈定了一块7 5 万平 方公里的“战略金属资源基地”，今后享有这一区域的开采优先权。经过十年 努力，我国自行研制成功流体提升式采矿系统深海采矿中试系统，在某些方 具有创新和自主知识产权，达到国际先进水平，为我国深海技术发展奠定了坚 ! 的基础。 深海采矿是一个复杂的工业过程。与陆地采矿不同，其具有工艺流程长、作 业环境恶劣、采矿成本高等特点，每次深海采矿工作都需要耗费大量的人力，物 力和财力。作为深海采矿系统的核心装置，集矿头工作在6 0 0 0 米的深海底，承 担最复杂，最危险的集矿任务。由于海底运行环境恶劣，干扰因素多，对集矿头 工作参数的控制优劣，不仅严重影响集矿效率，而且影响海底环境。因此对深海 采矿工艺过程来说，如何控制好集矿头的工作状态，是具有全局意义的研究课题。 正是在这一前提下，本课题受“中国大洋矿产资源研究开发十五深海资 源研究开发专项集矿机动力系统改造与控制技术研究课题资助，进行深海集 矿机集矿头高度控制系统的研制和开发，期望通过对多种控制方法集成应用，以 适应深海集矿过程，为提高系统的可靠性和集矿效率提供一种可行的方法。 1 2 常见的集矿方式 目前国内外常采用的集矿方式主要有以下几种 g l ： 1 ) 机械式集矿 在集矿器前部安装带有漏斗的滚筒，旋转的滚筒带动漏斗从海底刮取锰结核 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 和沉积物并送到网状的皮带输送机上。在皮带输送的同时，从喷嘴中喷出的水流 把沉积物冲去，通过皮带上的网孔滤去。被冲洗干净的锰结核被送到储存槽内。 机械式集矿效率高，但由于结构较为复杂，使得可靠性及能源效率降低。 2 ) 水力式集矿 水力集矿机构利用双排喷嘴水射流相对向斜下方冲击底面，此时水流改变方 向，产生向上的高速水流使得结核周围的流场分布改变，举起结核，再利用附壁 喷嘴射流产生的负压将结核吸送到一定的高度。这种集矿机构，具有机构简单的 突出优点。整个设备只有喷嘴，管路和潜水泵，没有其他的运动部件，故运转的 可靠性高，挖掘阻力小，但流场作用对集矿机构的离地高度有限制，否则会影响 集矿效率。 3 ) 混合式集矿 当集矿头在海底移动时，表层的沉积物及其中的锰结核被刮铲板铲起并进入 输送管，喷嘴中喷出的水流把沉积物和锰结核的混合物送到分离网进行分离，然 后把分离后的锰结核送入提升输送管。 1 3 研究意义 我国采用水力式集矿机，研究水力式集矿机集矿头的高度控制技术有着相 当重要的意义。 o h f r o ) 图1 i 喷嘴距地高度h 与采集率之间的关系 根据文献【9 】，集矿机采集作业时，在射流压力及射流喷嘴内径一定的条件 下，集矿头水射流喷嘴距沉积物高度h 与采集率，7 之间有图l - i 所示关系。显然， 高度h 调节范围为c d ，在a b 段，采集率才不至于显著降低。 由于海底沉积物微地形的变化，如不及时调节集矿头距沉积物的上下高度位 置，就会使射流场得不到最佳分布。一方面可能使升举结核失败，降低采集率； 另一方面，可能会吹起大量海底沉积物，严重扰动海底生物的生存条件，破坏海 2 中南大学硕士学付论文 第一章绪论 底环境。 此外，集矿机集矿作业跨越障碍时，亦需要及时监测和控制集矿头距沉积物 之高度，以保证集矿头升举到安全高度，可靠安全地跨越0 5 m 高度以下的障碍 物。越障后，应及时把集矿头恢复到预定高度的集矿作业位置，进行高效集矿。 由上述分析可见，适时地调整集矿头距沉积物的高度，不但能保证集矿机以 高的采集率集矿作业，而且还能保护海底环境，显然是十分重要的控制环节。 1 4 研究现状 1 4 1 国外研究现状 深海集矿机集矿头是集矿机在海底采集结核的装置，为深海底采矿系统中关 键部分之一。其技术难点在于如何保证采矿车在6 0 0 0 米深海未知环境中正常并 高效的采集结核。目前已有许多国家从事此方面的研究，具有代表性的例子有： 1 ) 美国o m c o 研制的采矿车 美国海洋矿产公司( o m c o ) 研制，于1 9 7 8 年在夏威夷以南海域进行了实 验，并成功收集结核【l o l 。参见图1 2 。 图1 - 2 美国o m c o 研制的采矿车图1 - 3 机械集矿头示意图 集矿方式：采用转轮和链带机械集矿( 见图1 3 ) 。由两根铲斗链把多金属结 核铲起，通过输矿皮带传输到贮矿罐。其优点为结构简单，耗能低。缺点为集矿 效率不高、转速较高时，结核有随水流漂浮现象，一些用圆柱齿制作的工作表面 易被细泥堵塞。由于采用机械集矿方式，此法不存在高度控制要求。 3 中南大学硕士学付论文第一章绪论 2 ) 德国锡根大学研制的采矿车 德国从上世纪七十年代就开始了深海底采矿机器车的研制。经历几十年的研 究，形成了具有德国特色的采矿系统i n l 。图l _ 4 为德国锡根大学研制的采矿车。 该车的改进型于1 9 9 9 年7 月在印度的浅海实验成功。 集矿方式：高压水射流集矿( 图1 5 ) 。 图1 _ 4 德国锡根大学研制的采矿车 图1 5 水力集矿头示意图 集矿时，前排射流将结核从沉积层上冲起，后排反向射流挡住冲起的结核往 后的去路，并与前排射流产生一向上的合流将结核抬起，并冲向后部的输送机构。 实验表明，该集矿头可在集矿高度1 0 0 2 0 0 毫米内工作，但集矿时集矿头高度不 变，采集效率较低。 1 4 2 国内研究现状 国内深海采矿控制技术研究始于“八五”计划。“八五”期间，我国在综合 研究国外集矿机作业行走机构的基础上，长沙矿山研究院在“八五”期间研制了 一台自行式履带车模型机【1 2 l ( 图1 - 6 ) ，该车采用近似渐开线高齿橡胶履带，双 浮动悬架和横向摆动梁，双泵全功率供油，液压马达分别驱动，电液比例控制， 采用水力机械复合集矿方式，外形尺寸4 6 3 0 x 2 1 m ，重8 t ，行驶速度旷l m s 。 结合深海采矿模型集矿机的研制和实验室研究，于9 5 年成功开发了稀软底履带 行走式集矿机控制系统，浅水试验初获成功，取得了阶段性研究成果。同时暴露 了控制系统水下仪表和执行机构多根电缆和信号缆相互间的缠绕扭曲严重、密水 接头过多、主要依赖观测手动操作等薄弱环节，为“九五”扩大研究奠定了基础。 “九五”期间，由我国自行设计，与法国c e b y n e t i c 公司合作，研制了第二 代集矿机川( 图l 7 ) 。主要改进表现为采用尖三角齿特种合金履带扳，提高了 集矿机在深海稀软底环境下的可靠性和可行驶性：改用全水力集矿方式，进一步 提高了集矿机的集矿效率；增加了控制密水箱和相关传感器，提高了集矿机的可 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 操作性。该集矿机达到了牵引特性理想、牵引力大、承载能力强、跨越或绕过海 底障碍容易、能适应软海底行走的预期目标。研究重点集中于深海中试集矿机控 制和供电技术的研究开发，旨在打通深海采矿主要子工艺系统的控制流程。基于 技术设计和实验室研究，采用国际合作的技术路线，各控制环节初步形成，于 2 0 0 0 年研制出我国第二代集矿机控制系统。控制系统基于c o m p a c t p c i - i p c 组成d c s 层次结构，控制功能较为完善。开发了基于p l c 的硬管扬矿监控装置、 基于研华一体化i p c 的软管控制装置。各子工艺流程虽基本满足工艺实验室试验 要求，但控制系统功能有待继续完善。并于2 0 0 1 年成功进行了1 3 0 m 水深湖试。 由于自身和外部环境等因素，集矿头高度采用预先设定值，集矿时集矿头高度不 变，采集效率较低。因此，“十五”期间，6 0 0 0 m 深海底集矿头高度控制技术研 究被列为国家大洋协会“十五”攻关的重点之一。 图l - 6 第一代集矿机图1 - 7 第二代集矿机 深海采矿系统的方案主要有三种【1 4 】：连续绳斗式开采系统、自动穿梭式采 矿车采矿系统、集矿机加管道输送采矿系统。我国采用的采矿系统方案足深海复 合式水力提升采矿系统，属于集矿机加管道输送采矿系统中的一种。如图1 - 8 所 示，该系统由自行式集矿子系统、水力提升子系统、水面支持子系统和监控与动 力子系统等组成。 集矿机工作在6 0 0 0 m 深的海底表面，将散布在海底表面的多金属结核扰动、 捕获，经过脱泥后输送到破碎机构的料仓中。破碎机构将多金属结核破碎成满足 扬矿输送要求大小的矿石颗粒，然后通过数百米的软管输送至中继料仓，再由中 继仓的给料机送至扬矿硬管，最后由位于离海面8 0 0 米和4 0 0 米的两台多级矿浆 泵提升到海面采矿船上。 深海采矿集矿子系统主要由集矿机和与之相配套的控制系统及动力配置系 统构成。集矿机主要包括自行式履带作业车、集矿机构、破碎机构、液压系统、 控制系统、动力装置、软管连接装置。 整个集矿机行走、姿态调整、采集、破碎的动力都由液压系统提供，采用2 台高压水下电机驱动油泵提供压力油。 中南大学硕士学付论文第一章绪论 图卜8 我国深海采矿系统工艺流程图 集矿机足履带式的自行走作业车，采用高尖齿的履带行走，两条履带由安装 在后轮上的两台液压马达分别驱动，用变量泵调节速度。同时，为了在集矿机收 放时控制其姿态，防止其旋转，在集矿机的前后各安装了一台液压马达驱动的螺 旋桨。 集矿机构安装在作业车的前端，由前后两排相对斜向海底射流的喷嘴、附壁 喷嘴、封闭输送管道和排泥隔栅等组成。采用低压大流量水力冲抬输送原理采集 结核，压力水由液压马达驱动的水泵提供。 基于以上对深海采矿工艺流程的分析，集矿头是整个深海采矿系统的随动中 心。集矿头高度控制质量的优劣，影响整个采矿系统的安全性、可靠性和效率。 因此，本文重点针对集矿头高度控制进行研究，设计用于控制集矿头高度的 控制器，保证集矿头正确地执行命令。 1 4 3 液压传动技术 集矿头高度控制采用液压系统。近代液压控制技术的发展起源于第二次世界 大战。1 9 4 0 年底在飞机上首先出现了电液伺服系统，其滑阀由伺服电机驱动， 伺服电机的惯量很大，成为限制系统动态特性的主要环节。5 0 年代出现了出现 了以喷嘴挡板阀为先导级的电液伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应最快，控 制精度最高的系统。7 0 年代集成电路技术的发明和由此而出现的微处理器更进 一步促进了电液伺服技术的发展。 同其他类型的控制系统相比较，电液伺服控制具有很多独特的特性。具有很 6 中南大学硕t 学付论文 第一章绪论 高的输出力重量比，一个体积比较小的油缸可以输出很大的力。而且电液伺 服系统的动态响应速度和刚性都比电系统高。因此在许多地方液压伺服系统的地 位是其他系统无法代替的【墙】。 液压系统仿真是计算机技术在液压系统中的一种应用。国外在7 0 年代开始 液压系统和元件的计算机数字仿真研究，由于受计算机性能的限制，仅能进行动 态特性的数字仿真，输入数据复杂。随着液压流体力学、控制理论的发展，特别 是计算机运算能力的提高，通过理论或试验的方法建立液压系统的分析数学模 型，利用计算机进行仿真，对有关参数进行优化和预测系统的性能，从而给液压 系统的设计提供了有利的工具。 1 4 4 液压位置伺服控制 从本质上来说，集矿头高度控制属于液压位置伺服控制系统，国内外学者对 液压位置伺服控制做了大量的研究工作。我国的深海采矿研究起步较晚，目前对 集矿头的高度控制还处于研究阶段。 很多采用p i d 控制算法。在p i e 控制中积分、比例和微分实际上是基于控 制误差的过去、现在和将来的信息，由于传统p i d 控制设计具有简单且耗费小 等优点，在工业过程控制中，p i d 类型的控制技术仍然占有主导地位，特别是在 化工、冶金过程控制中。但对于集矿头高度控制系统来说，这种控制很难适应海 洋的复杂环境。各种干扰量多，且集矿头属于液压系统，存在强烈的非线性特性 【1 6 】，很难取得较好的控制效果。 随着模糊控制技术的发展，基于模糊控制策略的位置伺服控制系统越来越被 广泛应用【1 7 2 4 】，模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语占 形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的 一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统，模糊控制无须建立精确的数学模 型，对非线性系统具有良好的适用性。具有较快的动态响应，但同时具有控制精 度不高，容易产生稳态误差等缺点。 对于p i d 和模糊控制各自的优缺点，许多学者开发并研制出许多采用模糊 逻辑的非常规p i d 控制器。采用模糊p i d 不仅可以解决简单线性系统的控制问 题，而且对于许多复杂非线性、高阶等系统具有很好的效果 2 3 2 7 。但大多没考 虑死区影响，由文献【2 8 】可知。液压元件特别是电液比例阀常常存在动作死区， 因此可以预见采用常规的模糊p i d 控制并不能很好的解决集矿头高度控制问题。 7 中南大学硕士学伊论文 第一章绪论 1 5 研究内容难点及技术路线 根据课题背景和研究现状分析提出以下研究内容： 首先，建立深海集矿机集矿头高度调节液压系统数学模型，分析高度调节液 压系统的非对称特性。讨论电液比例换向阀动作死区及液压缸与活塞间的摩擦对 高度调节动态性能的影响，为研究集矿头高度控制算法提供依据。 其次，在建立的集矿头高度调节液压系统数学模型基础上，考虑海水等随即 干扰因素对集矿头高度控制的影响，研究集矿头高度控制算法，减小或消除因电 液比例换向阀动作死区和液压缸与活塞问摩擦引起的低速爬行等对动态性能不 利的问题，以获得良好的动态性能。 针对上面的两个内容，本文采用的技术路线大致如下： 1 ) 建立集矿头高度调节液压系统数学模型 集矿头在上升和下降时，其数学模型并不相同。一方面，集矿头高度调节采 用 对称液压缸，集矿头上升和下降时液压缸进油腔面积、流量系数等关键参数 有所不同，另一方面，从受力方面看，集矿头上升时所受的阻力远大于下降时所 受阻力。因此，本文分别建立集矿头上升和下降时的数学模型。另外，考虑到电 液比例换向阀动作死区及液压缸与活塞间的摩擦，本文将对其产生的死区、稳态 误差及低速时的爬行现象作深入探讨。 2 ) 集矿头高度控制算法 为保证采集结核效率的稳定性和集矿安全，集矿头高度控制必须具有的动态 性能，针对集矿头高度调节液压系统的非对称性，本文采用带死区补偿的非对称 模糊p i d 控制算法。采用非对称模糊控制规则表以补偿液压系统的非对称性，使 集矿头在上升和下降时具有相同的动态性能。当误差较大时，采用模糊控制算法 获得较快的响应时间。当误差较小但大于容许误差时，结合p i d 控制算法消除静 差，同时采用死区补偿策略，减小因摩擦和电液比例阀动作死区产生的死区、稳 态误差及爬行现象。 1 6 论文组成 本文总共五个大的部分，分六章进行论述。绪论为第一部分，安排在第一章， 主要对课题的研究背景、研究内容与难点、国内外研究现状以及已有研究成果进 行简要介绍。第二章和第三章为本文的第二部分，主要针对集矿头高度控制系统 及其液压系统展开论述。第二章主要介绍了集矿头高度控制系统构成以及集矿头 高度检测的原理。第三章是全文的重点之一，针对集矿头高度调节液压系统的非 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 对称特性，分别建立了集矿头上升和下降时液压系统的数学模型，同时分析了电 液比例阀动作死区以及液压缸壁与活塞间摩擦对系统动态性能的影响。第四章是 本文的第三部分，重点研究集矿头高度控制算法，提出了带死区补偿的非对称模 糊p i d 控制算法，并对算法仿真结果进行了分析。本文的第四部分是集矿头高 度控制软件的设计和实现，安排在第五章完成。第六章为本文最后一部分，对课 题研究进行了全面总结，并对后续工作进行了探讨和展望。 9 中南大学硕十学位论文第二章深海集矿机集矿头高度控制系统 第二章深海集矿机集矿头高度控制系统 深海开采足一项高难度的综合技术，深海集矿机工作环境极为恶劣。上百至 几百个大气压，流塑状海底沉积物，1 4 0 c 低温，无自然光，以及不均匀的海流 作用等，集矿头在海底的控制性能要求较高。深海微光环境给海底观测带来困难， 对海底设备的控制就更难。 集矿机除了要适应海底恶劣环境外，还需要适应海底地形地貌的变化，以保 障集矿安全。本章针对2 0 0 1 年抚仙湖湖试系统中集矿头液压驱动系统，重点研 究集矿装置组成、集矿头高度控制原理及高度检测原理。 2 1 集矿装置组成 作为整个深海采矿系统的核心，集矿机承担了深海采矿最复杂，最危险的任 务。集矿机主要包括：行走机构，集矿机构，破碎机构，液压机构，控制系统， 动力装置及软管连接装置等。其主要部分结构如图2 一l 所示： - 1 集矿头2 测障声纳3 摄像头4 照明灯5 支承连接装置6 破碎机7 麦克风8 输送软管9 动力站1 0 着地平衡装置1 1 电子仑1 2 履带1 3 图2 - i 集矿机结构示意图 其中集矿装置主要有以下几部分组成： 1 ) 集矿头：由水射流采集头和机械输送分区装置两部分组成。它不接触海底， 通过低压水射流的冲动举升结核矿石，使之进入倾斜刮板输送装置，从而送往料 1 0 中南大学硕士学位论文第二章深海集矿机集矿头高度控制系统 仓，并在输送过程中进一步脱泥。 2 ) 支承连接装置：由四连杆机械组成。在实现集矿头与底盘稳固连接的同时， 能平行上升和前后摆动以适应海底微地形变化，实现顺利越障。另外还可以调节 集矿口离底高度，以达到最佳集矿要求 3 ) 集矿头高度调节液压系统，为集矿头的升降及摆角提供动力，这也是本章 重点所在。 主要性能参数如下表2 - l ： 表2 - 1 集矿装置主要性能参数 2 2 集矿机液压驱动系统 深海集矿机液压驱动系统采用二台高压电机分别驱动二台变量泵带二辅助 泵系统。 由于履带行走所需流量较大，而其他执行元件所需流量相对较小，主泵采用 闭式系统提供履带行走马达或着地平衡装置螺旋桨马达所需压力和流量，辅助泵 采用开式系统分别提供机器车马达破碎机和四个集矿头高压水泵及集矿头姿态 调节液压缸所需压力和流量。 深海集矿机液压系统框图见图2 - 2 。各种液压回路的构成分别为： 供油回路：两台液压马达分别驱动两条履带，功率大，压力高，因此采用主 泵和溢流阀组成的供油回路。每台主泵上连接两辅助泵，分别与溢流阀组成供油 回路，向集矿头水泵马达，破碎机马达和排料装置油缸，张紧油缸，集矿头升降 和摆角油缸供油。 平衡回路：采用单向节流阀实现执行元件保持一定的背压，以便与重力负载 平衡，防止液压缸急速下降和下坡时机器车跑车 中南大学硕十学付论文 第二章深海集矿机集矿头高度控制系统 图2 - 2 深海集矿机液压系统框图 锁紧回路：采用双向液控单向阀锁紧，切断执行元件的进油口和出油口，使 其定位在规定的位置上，并满足执行元件可靠、迅速、平稳、持久的要求。 2 3 集矿头高度控制系统构成 集矿头高度控制系统原理框图如图2 - 3 所示。深海集矿机高度控制以基于工 控机的两层控制系统为主体。其中，水上监控子系统位于水面采矿船上，包括集 矿机监视与控制主操作台及计算机、图像声纳的监视计算机、视频信号监视器和 录像机等。水下测控子系统位于集矿机上，包括电子仓、传感器及其执行机构、 视频摄像头、结核流麦克风、图像声纳头等。 监控子系统主要负责：集矿机高度控制及参数显示；声纳图像的显示与记录； 视频信号的显示与记录；与水下测控子系统通信；发出控制命令；对海底环境进 行监控并实时显示及其它功能。 测控子系统主要负责：集矿机各种参数的检测、高度控制算法的实现及执行 机构的控制；视频信号、图像声纳信号及传感器数据的实时采集及处理；与水上 监控子系统进行通信，准确执行发送来的控制命令。 监控子系统与测控子系统问利用6 0 0 0 米复合缆通信，该复合缆包含：传送 视频信息和音频信号的同轴电缆、传送数据的基于r s 4 8 5 的双绞线经由集线盒 中南大学硕士学位论文 第二章深海集矿机集矿头高度控制系统 接至光端机，复合为光信号后，通过光纤通信。在水下经光端机分解后接入电子 仓，与水下摄像头、结核流麦克风、以及图像声纳头构成通道。 水上控制面板 f o 接口板( 3 0 0 # ，3 0 1 聋3 0 2 q开关量( 0 - 2 4 v ) ，2 8 个，模拟量( o q o v ) ，5 t 模拟吗面显示 l t 控机 l 历史趋势图 ： 参数显示 监控系统光端水上 报警显示 一一一一一一一一一一一一l 一一一一一一一 测控系统光端 焉 水下 f o 接口板( 3 0 6 拳，3 0 1 # 、3 0 2 孝，3 0 5 # 、3 0 6 掌，5 5 1 孝) 开关量 集矿头高度两油缸控il 集矿头高度检测 制3 7 0 帝5 3 1 睾l 图2 3 深海集矿机集矿头高度控制系统原理 2 4 集矿头高度控制原理 集矿头高度控制原理框图如图2 _ 4 所示。其中为高度设定值，y 为集矿头 高度反馈值，控制部分采用智能控制器，其以给定高度和反馈高度的差值作为输 入，输出为电液比例阀控制电压值。 图2 - 4 集矿头高度控制原理框图 驱动部分采用液压传动，主要由电液比例换向阀、定量泵、液压缸组成。工 作原理为：利用控制器输出的控制电压信号实现电液比例换向阀的变流量功能。 中南大学硕+ 学付论文第二章深海集矿机集矿头高度控制系统 当输入电信号时，电压信号经处理放大后向电液比例控制阎的电磁铁输入直流电 流，电磁铁产生与输入电流成一定比例的电磁力，作用于电液比例换向阀的阀芯 上，改变阀口的开口度，使变量机构的活塞杆移动，从而改变流经电液比例换向 阀的流量。因此流经电液比例阀的流量能连续按比例地随输入信号的大小而改 变。流出电液比例换向阀的流量直接调节进入液压缸的流量。因此，通过调节输 入控制电压信号大小，可以改变电液比例阀的电流，便可调节进入液压缸的流量， 从而改变液压缸活塞杆的运动速度，实现集矿头高度的可调特性。 2 5 集矿头高度检测原理 集矿头距地高度监控原理框图如图2 - 5 所示。 时日】基准卜叫发射功放 r j 电路 声纳换能器 前置放大检波罄形 时筹测量 电液比例换向阀 显示 l 竺! 竺竺竺竺! = 塞兰篓呈= ：= 爿= = 兰燮 图2 - 5 集矿头距地高度监控原理框图 在时间基准电路的规划切换下，发射功放电路驱动安装在集矿头上的声纳换 能器，向被铡海底发射特定工作频率的卢脉冲信号，该信号经过水介质传播遇到 海底后，声波反射回来，由同一声纳换能器接收，经过放大、检波、整形处理， 计算出发射声波与回射声波之间的时间差，该时间差与被测集矿头距地高度成正 比高度信号一路送入数字显示，以方便测高数据处理电路硬件及性能测试，另 一路传送至集矿机控制器。控制器对高度信号进行刖d 转换，数值处理后，一 方面执行高度控制算法，并将控制电压通过输出接口输送至电液比例换向阀，同 时将数据送到上位机数据库进行图像、数据链接后，进行集中管理。 中南大学硕士学付论文 第二章深海集矿机集矿头高度控制系统 2 5 1 声纳换能器 本系统使用的声纳换能器是一种主动声纳，且发射换能器和接收换能器为一 体，用一个主动声纳兼作发射和接收。首先，它通过发射系统，向被测海底辐射 声波信号，当声波信号在传播途中遇到被测海底时，便产生声能反向散射。反向 散射所形成的微弱信号和背景干扰一起加到声纳接收系统，处理电路从干扰背景 中有效地提取回波信号所包含的有用信息。声纳换能器结构如图2 6 所示。 l - 诂钛酸钳( p z t ) 换能材料2 一屏蔽铝合金外壳3 ，4 一换能用激励接收元件 5 一水密材料；6 信号电缆 图2 - 6 声纳换能器结构 图2 - 6 中，换能器为一中空圆柱形状，碚钛酸铅换能材料在外加交交电场窟 作用下，产生的相对形变为： 丝。e2(2-1) f 若外加交变电场为正弦交变形式，即 e=sinwt(2-2) 则： 竽o c ( c os i n 耐= 譬( 1 - s i n 2 w t ) ( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 证明换能材料形变量和输入交变电场呈非线性关系。当输入角频 率为w 的正弦信号时，形变量则两倍于角频。为改善这一性能，需对换能材料在 直流电场下进行极化处理。因此，外加交变电场如下形式： e=ek+eosinwt(2-4) 则： 了a l 。c ( e 出+ s i n w t ) 2 ( 2 - 5 ) 中南大学硕士学位论文第二章深海集矿机集矿头高度控制系统 由于k 为直流强电场，e 出 e o ，故e ： 爵s i n 2 w t ，故式( 2 5 ) 可以 忽略不计同时考虑到直流电场并不产生二次形变。 成下列线性关系： 了a l o c2 e 女e os i n w f 因此，了a l 耽, 与外加交变电场 ( 2 6 ) 从而使输入交交频率与材料相对形变振动频率一致。 换能材料的机械振动，以声能的形式，通过水介质定时地将声脉冲发射出去， 在水中声速c = 1 5 0 0 m s 已知的情况下瑚，接受系统测出发射脉冲至回波脉冲返 回的时间间隔t ，即可测定集矿头距被测海底的高度距离h ； h ：c t (2-7) 2 其工作原理示意如图2 7 所示。圆形换能器的空白j 指向性使其在z 轴方向出 现波束最大值，这样可使声能聚集于z 轴方向，从而获取了较大的接受空间增益。 p 1 ll，。 乾匕l1 一 粥l 苎苎，； p l 一定时脉冲p 2 - 发射脉冲 p 一回波脉冲 图2 - 7 声纳测高示意图 2 5 2 前置放大、检波、整形 集矿头距地高度检测声纳处于干扰背景下工作，例如；集矿机行走时机器引 起的噪声、其他声纳设备在海底引发的震荡回波、混响干扰等。欲提高于扰背景 下提取有用信号的能力，就必须设法提高检测系统的处理增益。其途径有 3 0 l ： 加大信号能量，提高系统的信噪比；加宽脉冲宽度，增加信号能量；但是，增大 发射功率，会受到空化的限制，加宽脉冲宽度，距离分辨率就会降低。 另外，受集矿机集矿头可调高度的限制，检测高度范围为0 0 2 - 1 m ，这样， 混响就成为主要的干扰源，而且，混响强度随着信号功率的增加而增加，靠增加 发射功率是达不到抑制混响目的的。从抑制混响和干扰的角度出发，选择脉冲内 的波形形状，充分利用混响和回波信号之间存在的差别，提高系统处理的信噪比 1 6 中南大学硕士学位论文第二章深海集矿机集矿头高度控制系统 的提高。 声纳换能器将回波信号转换成为弱电信号，达到前置放大电路，进行小信号 放大。显然，此幅频特性的放大电路仅抑制了频差较大的干扰噪声。这样设计， 是兼顾由于集矿机行走而引起的小多普勒位移现象，不至于损失太多有用信号 放大后的回波信号，达到匹配滤波器一正交处理器。本系统中，回波信号是 已知信号，其出现的时间( 即相位) 随集矿头距地高度变化而不同，设信号形式 可表示为：p ( o = a ( t ) c o s ( w t + 中) ，式中口( f ) 是信号幅度，在某一处理周期内不 会发生大的变化，w = 2 月r f o ，为已知角频率，o 是表示离地高度的未知相位。 设噪声干扰为n ( t ) ，则e ( t ) 改为： p ( f ) = a ( t ) c o s ( w t + m ) + 竹o ) 在同相通道中； j i = p ( t ) c o s w t ( 2 8 ) = 4 ( f ) c o s w t c o s ( w t + ) + 玎( f ) c o s 坩 ：l a ( t ) c o s c d + j l d ( t ) c o s ( 2 们+ o ) + h ( t ) c o s ( w o 经低通滤波后： 1 2 = a ( t ) c o s 中+ 艿 ( 2 9 ) 式中占是n ( t ) c o s w t 经低通滤波后残存的微小噪声厶经平方积分后得到： j ，= c o s 2 r 4 2 ( t ) d t + 8 ( 2 一1 0 ) 同样可求得正交通道的输出信号为： 岛= s i n 2 。f 4 2 ( f ) 出+ 万 ( 2 1 1 ) 将，3 和岛两组正交输出信号相加，得到该电路的最终输出为： 只；j 3 + 岛= f 4 2 ( t ) d t + 8 a 2 ( r ) r ( 2 1 2 ) 显而易见，输出e 仅与输入信号幅度有效紧密地联系，基本与噪声无关。上 述输出只送至整形电路整形后，驱动时差电路。 在试验池底为膨润土，含水率5 0 0 - 2 0 0 ，水( o 时有： 卜g 慨莎二 1 q 2 ：q 峨莎； 式中： w ：窗口面积梯度； e ：流量系数； p ：液体密度； p 。：油源压力； p o ：回油压力； p 。：无杆液压腔内压力； p 2 ：有杆液压腔内压力； 当阀芯位移毛( o 时： 卜q 眠莎鬲 【q ：2 一c w 耳，吾c p ，一p ：， 在稳态运行情况下，液压缸的流量方程可表示为： ( 3 - 7 ) 中南大学硕十学位论文 第二章集矿头高度控制液压系统建模 瞄q 意p 筠善 9 ， l2 = q ( p l 一2 ) 一巳p 2 一半一等+ 导 q 1 _ j( 3 - 1 2 ) q!i：生：f(3-13) q 2a