（机械电子工程专业论文）模糊控制在深海采矿升沉补偿模拟系统中的应用研究.pdf

摘要 摘要 随着陆地资源的耗竭，人们将目光投向浩瀚的海洋，水力提升式深海多金属锰结核 采矿技术作为一种前沿的技术在深海采矿中得到广泛应用，在采矿过程中，由于受海洋 风、浪、流、潮的影响，采矿船不可避免地在重力方向上产生显著的升沉运动。如果扬 矿管和采矿船之间是刚性连接，在外载荷作用下扬矿管产生拉伸和弯曲变形，为了提高 扬矿管的稳定性、可靠性和使用寿命以及整个扬矿系统的工作效率和经济性。需在扬矿 管的上部与采矿船之间安装一套扬矿管升沉补偿系统，以保持深海采矿作业能正常进 行。安装扬矿管升沉补偿系统的目的就是当采矿船随波浪升沉时，使扬矿管尽可能地保 持静止不动，使得扬矿管的交变轴向应力和轴向变形尽可能地小。本文针对传统补偿技 术的缺点，提出一种新型的主动式电液伺服补偿系统，该系统的成功研制为我国在锁定 的太平洋海域的深海采矿提供技术储备。 实验系统主要由工控机、比例阀、光栅位移传感器、数据采集卡和d a 卡组成，它 们是本系统实现的硬件基础。本系统采用v b 作为开发工具，将它有效地和v c 、 m a t l a b 、a c c e s s 等软件有机结合起来，采用动态链接库和a c t i v e x 技术开发出一套 测控软件，完成实时控制、图形显示、数据保存以及数据处理等功能，该软件采用模块 化结构，具有可扩展性和可修改性。系统界面简单实用、美观大方。 针对液压系统时变、非线性、数学模型不易确认的特点，提出了模糊控制的思想， 该系统采用三种主要的控制策略，即模糊控制、模糊自整定p i d 控制和模糊p i d 复合控 制，仿真和实验结果表明，它们均比经典p i d 控制具有良好的鲁棒性。在控制中显示出 良好的效果。其中，模糊p i d 复合控制更为优越和实用。 在今后的实验中，需要研制出更加先进的智能控制算法，例如神经网络控制、专家 控制等来完善系统的控制策略。将补偿精度提高到一个新的水平。同时，需要采集采矿 船的在复杂海况下的实测信号作为模拟海况信号验证控制算法的鲁棒性和自适应能力。 关键词：深海采矿；升沉补偿；模糊控制；p i d ： v i s u mb a s i c ：模拟实验 a b s t r a c t w i t ht h ee x h a u s to ft h er e s o u r c e i n m a i n l a n d ，p e o p i ed r a wt h e i ra t t e n t i o n t ot h ee x p a n s i o ns e a ，t h eh y d r a u ii c ii f tm i n i n gs y s t e mi sw i d e l yu s e da san e w t e c h n o i o g y i nt h ed e e ps e ap o i y m e t a iii c m a n g a n e s en o d u i e sm i n i n g d u r i n gt h e m i n i n gp e r i o d ，o w n i n gt ot h ei m p a c to ft h ew i n d 、w a v e 、f l o w 、t i d e ，t h em i n i n g s h i pp r o d u c et h eh e a v em o t i o na l o n gt h eg r a y i t yd i r e c tj o n i n e v i t a b i y i ft h e c o n n e c t i o nb e t w e e nt h em i n i n g s h i pa n d i i f t i n gm i n i n gp i p e li n e i s r i g i d t h e j i f t i n gm i n i n gp i p e li n ew ii lp r o d u c et e n s i o na n db e n dd i s t o r t i o n i no r d e rt o r a i s e t h e s t a b i i i t y 、d e p e n d a b i l i t y 、u s i n gi i f e 、e f f i c i e n c y a n de c o n o m y w en e e d t oi n s t a iias e to f c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n tb e t w e e nu p p e ro f t h ei i f t i n gm i n i n g p i p e ii n ea n dt h em i n i n gs h i p i no r d e rt om a i n t a i nt h en o r m a i d e e ps e am i n i n g p r o c e s s t h e a i mo ft h ei n s t a il a t i o no ft h e i i f t i n gm i n i n gp i p e li n e h e a v e c o m p e n s a t i o ns y s t e m i st om a i n t a i nt h eq uj e s c e n c eo ft h em i n i n gs h i pw h e nt h e i i f t i n gm i n i n gp i p e ii r eh e a v e w i t ht h ew a v ea n dm i n i m i z et h e c h a n g i n ga x i s s t r e s s a n dd i s t o r t i o n p o s s i b l y t h i sp a p e ra i m e da tt h es h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a i c o m p e n s a t io nt e c h n oto g ya n d p u t f o r w a r dan e w t y p e o fa na c tiv eeie c t r o h y d r a uiic s e r v oc o m p e n s a tio ns y s t e m t h es u c c e s s f uid e v eio do ft hiss y s t e mp r o vid et h e t e c h n o i o g ya c c u m u i a t e f o rt h ed e e pm i n i n gi nt h es e aa r e af o ro u r c o u n t r y t h e e x p e r i m e n t s y s t e mi sc o m p o s e d o fi n d u s t r y c o m p u t e r 、p r o p o r t i o n a iv a i v e 、 g r a t i n gd i s p i a c e m e n ts e n s o r 、d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dd ac a r d t h e ya r et h e h a r d w a r er e a ii z a t i o nf o u n d a t i o n g ea p p l yv ba sd e v e i o p m e n tt o o i sa n dc o m b i n e d w i t hv c 、m a t l a b 、a c c e s s v a i i d l y w e a p p l y t h e d l la n da c t i v e x t e c h n o i o g y t or e a i i z e t h ef u n c t i o no fr e a i t i m ec o n t r o i 、g r a p h i cd i s p l a y 、d a t as a v ea n dd a t ap r o c e s s e t c t h es o f t w a r e a d o p t s t h em o d u l e c o n s t r u c t i o nw h i c hi s e x p a n s i b i e a n d r e v i s a b l e t h ei n t e r f a c eo ft h es y s t e mi s s i m p l e 、p r a c t i c a l a n dd e r f e c t o w i n gt ot h e t i m ec h a n g i n g 、n o n ii n e a r 、u n c e r t a i nm a t h e m a t i c sm o d e io ft h e h y d r a u i ics y s t e m 1 eb ri n gf o r w a r df u z z yc o n t r o lid e a t h es y s t e ma d o p tt h r e e m a i nc o n t r o im e t h o di n c i u d i n gf u z z yc o n t r o l 、f u z z ys e i f - a d j u s t m e n t p i dc o n t r o i 、 f u z z y p i d h y b r i dc o n t r 0 1 t h ee x p e r i m e n tr e s u i ta p p r o v et h a tt h e yh a v eg o o d r o b u s tc h a r a c t e rc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ip i dc o n t r 0 1 t h ef u z z yp i dh y h r i d c o n t r o li s s u p e r i o ra n dp r a c t i c a ia m o n gt h e m ， d u r i n g t h ef o ii o w i n ge x p e r i m e n t ，w ea r eu r g e n tt od e v e i o pat y p eo fm o r e a d v a n c e dc o n t r ol m e t h o d ，f o re x a m p ie t h en nc o n t r o i 、e x p e r tc o n t r o it op e r f e c t t h ec o n t r ol w a yo ft h es y s t e ma n d ele v a t et h ec o m p e n s a t ep r e c isio nt oan e w s t a n d a r d a tt h es a m et i m e ，w en e e dt oc o li e c tt h ea c t u a is i g n a io fm i n i n gs h i p u n d e rt h ec o m p i e xs e as t a t u sa st h es i m u i a t es i g n a i t 0t e s tt h er o b u s ta n d s e i f - a d a p t i v ea b i i i t yo ft h ec o n t r o i m e t h o d k e y w o r d s ：d e e ps e al l l i n i n g ：h e a v ec o m p e n s a t e ；f u z z y c o n t r o l ；p i d ；v i s u a ib a s i c ； s i m u i a t ee x p e r i m e n t l i i 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 海洋资源介绍 第一章绪论 海洋占地球2 3 的面积，海洋是生命的摇篮、资源的宝库，在人类社会发展过程中， 海洋起着越来越重要的作用。随着世界人口的不断增长，陆地资源日渐减少，人类不锝 不把目光转向海洋，而位于各国管辖海域之外的国际海底，蕴藏着丰富的大洋多金属结 核矿产资源。因此向深海进军，开发大洋矿产资源，已经成为世界各国的战略目标。 海洋占有大量的资源，如果它们得到合理的开发和利用，那么在几百年内将满足人 类的需要，急剧增长的人口加快地球陆地资源的消耗，海洋有大量的矿物资源，但是由 于技术的局限性开发很少，已经确定的资源有6 亿亿吨之多它们散布在海底，海洋矿产 可以大致分为下列几类：溶于水的元素，例如盐、镁盐、溴、碳酸钾、硼、金、银、铀 等。浅海的海洋矿砂开采最方便，含有大量的黄金和比黄金更有价值的金刚石、石英、 钻石、独居石、钛铁矿、磷钇矿、金红石、磁铁矿等。大陆架沉积了磷矿、海绿石、重 晶石、硅土等矿产。深海储存着多金属结核包括镍、钴、铜、镁、锆、铁、铅、锌等， 多金属硫化物包括包括铁、锌、铜等。多金属结核锰结核就是其中最有经济价值的一种。 多金属锰结核富含铁、锰、镍、铜。富钴锰结壳矿的化学组分与锰结核的基本相同，但 其钴的含量比较高，可以作为提取金属的的矿石资源和净化空气的氧化催化剂。海洋表 面下的储存包括石油、煤、天然气、硫以及矿石等资源。 海洋采矿具有传统陆地采矿不可比拟的优点，大量的海底矿产呈松散状态而不需要 担心开采过度，不需要爆破和昂贵的钻头，利用照相机可以在开采之前被勘探，然而海 洋采矿的“瓶颈”在于缺乏所需要的技术例如开采工具、采矿设备和开采技术。 1 1 2 锰结核分布情况 锰结核主要存在于以褐色粘土为主的海底沉积物表层2 0 c m 以内，向下急剧减少， 1 m 以下只剩表层的三分之一。受地形、底流、沉积速率、形成物质等因素的影响，锰 广东工业大学工学硕士学位论文 结核在各大洋中的分布不均匀，在同一个地区的不同范围内也分布不均匀。太平洋中锰 结核比其他大洋都丰富，在整个洋底上几乎都有，结核丰度变化在0 k g m 2 2 6 k g m 2 之 间，平均丰度为1 0 0 7 k g m 2 ，估计表层储量为1 6 5 6 0 1 亿吨。锰结核平均直径约5 0 8 毫 米，表面不规则，富含锰，铜，镍，钴元素。 据对太平洋结核中主要金属进行的储量估算表明：太平洋中的锰、铜、钴和镍的储 量分别为4 0 0 0 、8 8 、5 8 和1 6 4 亿吨。其储量分别是陆地相应储量的2 0 0 、4 0 、1 2 9 和3 2 8 倍，可见太平洋中的锰结核是锰、铜、镍、钻的巨大资源。据有关海洋专家计算，每年 大洋中锰的沉积量大于现代工业年消耗量的三倍、钴和镍大二倍、铜等于消耗量，可见 锰结核是人类取之不尽的矿产资源。 1 1 3 深海采矿技术介绍 由于以前深水开采都是在3 0 0 到5 0 0 米深度的油气勘探，最深的深度也不过1 0 0 0 米， 而深海采矿的深度一般在5 0 0 0 米左右，设计一个在恶劣环境下的采矿系统非常重要。 采矿技术根据不同的矿床在全部或部分有区别，首先需要调查和开发数据收集和分 析，集矿器，提升和存储，运输，在岸上进行处理然后销售等步骤。不同的采集系统被 用为金属矿物采集，例如连续绳斗式( c l b ) ，拖斗式，流体提升采矿系统和海底遥控 采矿车。1 1 经过长期的实验证明，水力提升式采矿系统最有效和具有工业应用前景。咖9 ， 1 1 4 水力提升式采矿系统简介 深海水力提升式采矿系统主要组成如图1 1 所示，主要由四大部分组成：采矿船、提 升系统、集矿机和监控系统。该系统用一提升管从采矿船连接海底集矿机。以输送集矿 机采集的锰结核到海面采矿船。当采矿船到达采区时，将集矿机和提升管接好并逐步放 入海底。 提升管内径2 0 6 0 c m ，上端悬置于海面采矿船。集矿头用于采集海底沉积物中的锰 结核，在排去过大块结核的同时，将合格块度的锰结核输入提升管底端。用某种方法使 提升管内的水以足够的速度向上流动，进而将锰结核吸入到提升管并输送到海面采矿船 上。水力提升式采矿系统采用液压工作设备，如离心泵、喷射泵或u 形提升管( 钢管或 塑料管两种) ，采集上来的结核或者输送到附近的结核运输船上或存储在采矿船的贮藏 第一章绪论 库里。以保证采矿不间断进行。它具有好的机动性，高采集速率，避免障碍的能力，开 采规模大以及技术实现难度小等优点。m 图1 1 水力提井式采矿系统构造 1 1 5 我国开采锰结核情况及其研制情况 我国对锰结核开采的勘查开始于7 0 年代中期，我国是联合国海洋公约缔约国和国 际海底管理局第一届理事国。2 0 世纪8 0 年代，我国在太平洋国际海底区域对多金属结 核进行了多次系统调查。成立于1 9 9 0 年四月的中国大洋矿产资源研究开发协会( 简称 中国大洋协会) 代表我国政府参加国际海底开发活动。1 9 9 1 年中国大洋协会获准在联合 国登记为继印度、前苏联、法国、日本之后的第五个深海采矿先驱投资国家，获得了1 5 万平方公里的多金属结核开辟区。同年，我国政府将“大洋多金属结核资源勘探开发” 列入国家长远发展项目，制定了大洋多金属结核资源研究第一期( 1 9 9 1 2 0 0 5 ) 发展 规划和大洋多金属结核资源研究开发“八五”计划，并拨出专项资金支持项目实 施。9 0 年代，在国家专项资金的支持下，中国大洋协会集中国内优势力量，在开辟区进 行了1 0 个航次的调查研究工作，优选出7 5 万平方公里、面积和渤海差不多的多金属 结核区，于2 0 0 1 年5 月份正式与国际海底管理局签订了多金属结核资源的勘探合同。 合同的签订，意味着我国对位于太平洋上面积7 5 万平方公里的大洋矿区具有了专属勘 探权，并且在多金属结核进入商业开采时具有优先开发权，标志我国在国际公海上有一 块属于自己的“后备资源基地”。该海域水深4 9 0 0 - - 5 4 0 0 米，初步估算有4 2 亿吨多金 属结核，约有1 1 亿吨锰，4 0 6 万吨铜，5 1 4 万吨镍，9 8 万吨钴等资源量。根据目前的 广东工业大学工学硕士学位论文 条件可满足年产3 0 0 万吨多金属结核开采2 0 年。 我国的深海采矿技术尚处于初级阶段，缺乏人才，资金和技术，尚未形成攻关状态， 和世界先进水平无论在技术上还是经济上存在很大的差距，需要开展战术情报研究以及 开展广泛的国际合作与交流。”1 1 2 升沉补偿系统开发意义 目前最具开发前景的流体管道提升开采系统中，扬矿管是必不可少的组成部分。扬 矿管悬挂在采矿船下端，深入海底约5 0 0 0 米受到海流、海浪产生的液动力作用，由于 受海洋风、浪、流、潮的影响，采矿船不可避免地在重力方向上产生显著的升沉运动。 如果扬矿管和采矿船之间是刚性连接，没有任何补偿装置，在外载荷作用下以及在管道 和缓冲器重量等因素影响下，扬矿管产生拉伸和弯曲变形和相应的轴向拉应力及弯曲应 力，扬矿管的变形和应力的大小直接影响着扬矿管的稳定性、可靠性和使用寿命以及整 个扬矿系统的工作效率和经济性5 1 。 为此，需在扬矿管的上部与采矿船之间安装一套扬矿管升沉补偿系统，以保持深海 采矿作业能正常进行。安装扬矿管升沉补偿系统的目的就是当采矿船随波浪升沉时，使 扬矿管尽可能地保持静止不动，减小甚至消除扬矿管的纵向振动，m 帔得扬矿管的交变 轴向应力和轴向变形尽可能地小，保证扬矿系统工作的稳定性，提高扬矿系统的可靠性 和经济性。n ， 1 3 新型补偿系统研制的必要。l 生 现有的气液式升沉补偿系统并不非常适合用于深海采矿扬矿管的升沉补偿。精度不 是很高。钻柱升沉补偿器和隔水管张紧器补偿都属于力补偿型的，补偿的目的是补偿缸 工作油腔的压力尽可能地不受浮船或平台升沉的影响而保持恒定，主动型升沉补偿系统 的变量泵的控制信号就是补偿缸的压力的变化。由于其存在的响应速度慢，补偿精度低， 开环控制等缺点而不能应用于深海采矿扬矿管的补偿。 因此，为了解决上述问题，有必要研制一种专用的扬矿管的升沉补偿系统。适用 于深海采矿扬矿管升沉补偿的专用的升沉补偿系统，在国外尚无有关报道，在国内还是 4 第一章绪论 空白。电液伺服控制技术由于具有响应快、输出功率大等优点，广泛应用于军事、航空、 冶金、工程机械、农业机械等领域，而其在深海采矿装置上作为升沉补偿伺服系统，在 国内外尚无有关报道。 1 4 电液伺服控制的发展和应用现状 电液伺服控制技术作为一门专集机械、液压、电子和计算机为一体的一门综合科 学，已经有5 0 年的发展历史，电液伺服控制系统作为一门精密、有效的控制方式一 直在工业领域应用。其核心元件就是电液伺服阀，电液伺服阀的动静态性能的好坏直 接影响到整个系统的性能的优劣。 1 4 1 电液伺服控制的优点 液压伺服控制作为- - i 1 新兴学科，形成于2 0 世纪6 0 年代。液压伺服控制系统在 与电气伺服控制系统的竞争中，仍保持有力的竞争地位。与电气伺服系统相比，它具 有体积小，重量轻，驱动力、力矩和功率大，易于实现直线运动的速度，位移和力控 制，响应速度快，控制精度高的优点。其具有以下特点： 1 具有很高的静态精度和快速性。 2 具有一定的抗干扰能力。 3 具有点点跟踪任意非直线型函数益线的能力。 1 4 2 电液伺服控制的应用现状 各行各业对各种机械装备几乎都能见到电液伺服技术的踪迹，其中不少成为主要传 动和控制方式，如长江三峡工程中的超大型闸门、各种启闭机、升船机的都需要新型的 液压伺服系统。隧道底下工程中，凿岩、爆破、出渣等作业采用新型大功率，具有自行 能力、低噪、低粉尘等新型地下液压工程设备。还有海洋开发工程，大型飞机模拟器等 都需要强有力输出为主要特征的液压伺服技术提供支撑。行走机械机器人化的发展也需 广东工业大学工学硕士学位论文 要电液伺服系统。可广泛应用于环保、医疗、冶金、纺织、农林机械、水利电力、工程 机械等。电液伺服技术的发展将成为内涵更丰富的完整的自动化技术。它和计算机技术 相结合大大提高了控制精度和工作可靠性，可以在计算机上实现复杂的智能控制算法。 1 4 3 智能控制在电液伺服控制中应用 智能控制是一种新的控制概念，主要是用来解决传统方难以解决的复杂系统的控制 问题。例如智能机器人系统、复杂工业过程控制系统、交通运输系统等，智能控制向人 们提出一系列的全新的概念、方法、结构和理论。嘲已经提出许多方法，例如专家控制、 模糊控制、神经网络控制、分层递阶控制、拟人智能控制和基因控制等，其目的在于提 高系统的鲁棒性、容错性和解决严重非线性和不确定性问题，具有学习自适应功能，智 能控制的研究对象具备不确定的数学模型，高度的非线性和复杂的任务要求三个特点， 在应用方面主要是系统的智能控制方法，智能控制元件的实现问题。”1 智能控制主要有分层递阶智能控制、专家智能控制、仿人智能控制、自学习智能控 制、基于神经网络的智能控制、模糊控制、组合智能控制以及集成智能控制。其中，模 糊控制、神经网络控制和专家控制是目前智能控制研究中最活跃的领域。神经网络控制 器模拟人脑的结构和功能，并行处理具有实时性，具有很强的自学习能力。模糊控制是 基于模糊集合论，模拟人的模糊推理和决策过程的一直实用的控制方法。基于专家的控 制的原理所设计的控制器对环境的变化有很强的自适应能力和自学习功能，具有高可靠 性及长期运行的连续性，在线控制的实时性等特点。自学习控制系统能在线实时学习， 自动获取知识并将所获得的知识用来不断改善对于一个未知特征过程的控制性能，自学 习控制主要包括学习机，选例器，知识库，推理机和监督器组成。能将各种智能控制技 术有机地结合起来被称为组合智能控制。在非线性，时变的液压控制系统中应用智能控 制具有良好的控制效果。 1 5 模糊控制在现代电液伺服系统的应用 液压技术同现代控制理论及智能控制理论等控制方法的进一步结合应用成为可能 并且发展成为一种趋势。模糊控制技术自1 9 6 5 年扎德教授创立模糊数学理论以来，发 第一章绪论 展的极为迅速，到今天为止，模糊控制技术已在许多工业领域得到了成功的应用，往往 模糊控制已成为体现一个产品智能化的重要标志。模糊控制的突出特点在于： 1 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人 员的经验知识及操作数据。 2 控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系 统。 3 以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识”。 对于那些大时滞、非线性等难以建立精确数学模型的复杂系统，应用模糊控制理论， 通过计算机实现模糊控制，往往能取得满意的控制效果，且所需设备简便，经济效益显 著，其应用前景极为广阔。而对于那些具有较精确数学模型的被控对象，在应用了模糊 控制器后，经过仿真和实验表明，其效果比没加模糊控制器之前的系统，在动态精度、 调整时间、最大超调量以及系统鲁棒性等方面都有较为显著的改善。 液压系统是多变量、非线性的时变系统，很难建立液压系统精确的数学模型，常因 油温、负载等参数变化使输出不稳定而影响系统性能，控制系统的鲁棒性较差。传统的 液压伺服系统大都采用p i d 控制技术，它具有结构简单、可靠、稳定等优点，但它常不 能有效克服负载、模型参数的大范围变化及其非线性因素的影响，因而在高性能、高精 度场合不能满足要求，模糊控制的最大优点是不依赖于被控对象的精确数学模型，能够 克服非线性因素的影响对调节对象的参数变化具有较强鲁棒性。模糊控制以其独到的 优点在液压伺服控制中得到广泛应用。 1 6 本课题的研究内容和意义 升沉补偿系统的设计是一个涉及机、电、液、自动化、计算机等多门学科的研究 课题，本文以海洋工程深海水力提升式采矿系统的机电液补偿系统为研究对象，应用 模糊控制、计算机控制与仿真、模拟试验等技术，解决深海采矿装置升沉补偿的技术 难题，确保深海采矿作业的稳定性，本文包括对轻载和重载两种补偿系统分别进行仿 真和实验，进行各类模糊控制的理论和实验研究，进行技术可行性分析，获得实验数 据、提供实验方法、得出实验结论验证控制算法。利用计算机对电液伺服系统进行反 复仿真和实验，获得最佳控制参数等关键技术。 广东工业大学工学硕士学位论文 本课题的研究，为深海采矿主动型补偿技术提供了新的方法，为即将发展的深海 采矿升沉补偿系统提供软件和硬件方面的技术储备。 1 7 本文的结构安排 本论文来源于广东工业大学机电工程学院吴百海教授主持的国家自然科学基金项 目“深海采矿工程升沉补偿系统的研究”( 项目编号：5 9 9 7 5 0 1 8 ) 。 本文主要研究电液比例控制技术与模糊控制策略相结合实现升沉运动自动补偿的原 理，并且通过模拟试验加以验证。其中，扬矿管升沉补偿系统是本文的主要研究对象。 全文分四章： 第一章主要对课题提出的背景，意义和研究现状进行描述，总结了智能控制的发展 情况，电液伺服技术的发展和模糊控制在电液伺服技术的应用等方面，并提出了本论文 的研究内容。 第二章提出了升沉补偿模拟系统的硬件和计算机控制软件，对系统组成的工控机， 光栅位移传感器，d a 卡，比例控制器，比例方向阀等元器件参数进行设计，用v b 设 计系统的测控软件，利用动态链接库调用v c 的端口操作函数，对d a 卡进行操作，调 用m a t l a b 进行图形绘制，数据处理等工具。调用a c c e s s 数据库，实现实时控制以 及控制策略切换等功能。软件具有简单实用、操作方便等优点。 第三章对升沉补偿模拟系统模糊控制策略进行了深入研究。升沉补偿系统是一个非 线性的参数时变的液压系统，因此要求升沉补偿系统的控制策略在变载荷、变幅值、变 频率的复杂海况下具有较强的鲁棒性和自学习能力。针对轻载和重载两种不同的升沉补 偿系统，提出了模糊控制、模糊p i d 复合控制、模糊自整定p i d 控制三种控制策略。 第四章对实验系统的原理和控制参数设计进行研究，利用m a t l a b 分析实验数据， 比较控制策略优劣，得到所需要的控制策略。通过仿真和模拟试验相结合的方法，对升 沉补偿系统的控制策略的效果进行验证。 第二章升沉补偿模拟系统的结构与控制系统 第二章升沉补偿模拟系统的结构与控制系统 2 1 引言 本章介绍升沉补偿系统控制系统的组成，包括硬件和软件部分，本结构具有结构简 单、操作方便等特点。 2 2 升沉补偿模拟系统硬件组成 升沉补偿模拟实验系统硬件主要由工控机、光栅位移传感器、光栅传感器高速采样 接口卡、d a 卡、比例控制器、油缸、比例方向阀及其外围辅助电路组成如图2 - 1 所示。 图2 - 1 升沉补偿系统硬件组成框图 f i g 2 - 1c o n s t r u c t i o no f t h e h a r d w a r eo _ f h e a v ec o m p e n s a t es y s t e m 2 2 1 光栅位移传感器 移 光栅位移传感器用于检测补偿系统油缸伸出的位移，将其通过光栅信号输入连接线 送到光栅s d c 2 接口卡( 四路光栅传感器高速采样接口卡) ，本系统采用k a - 3 0 0 1 2 0 0 型线性光栅尺，主要由尺体和读数头组成。其栅距为0 0 0 1 m m ，精度可以达到1 p m ， 量程为3 0 0 r a m 。 2 2 2 光栅传感器高速采样接口卡 厂东工业大学工学硕士学位论文 信和光栅数显有限公司生产的s d c 2 ( 四路光栅传感器高速采样接口卡) 是专为光 栅传感器信号采集而设计的，每路采样数据速率高达2 5 m h z ，如采用o 0 0 1 m m 分辨率 的光栅尺，贝9 采样速率可以达到1 2 0 m r a i n 以上，可以用于数控机床( c n c ) 的高速移动位移 检测，在国内具有技术领先地位。此卡的推出大大方便了各种有关检测，定位加控制产 品的开发和生产，缩短了设计和生产周期，可以满足o e m 产品制造及教学实验、科研 机构等各种需要，采用该卡作为液压缸行程检测，采集光栅位移传感器的位移数据。技 术特征为四路光栅数据处理，可用于线性编码器的数据采集，速度高达到2 5 m h z ，i s a 总 线接口，有光栅尺参考点坐标值锁定功能，用于基准点的记忆和恢复i o 地址的选择，采 用跳线方式能够选择从2 0 0 h 到3 f o h 的地址范围，厂家默认地址为3 2 0 h 。 x ：代表x 轴，y ：代表y 轴，z ：代表z 轴，w ：代表w 轴。 j ：表示此轴处于通常信号采集与显示状态。 f ：表示此轴处于光栅尺参考点搜寻状态。 h ：表示此轴己锁定光栅尺参考点坐标。 2 2 3d i a 输出卡 采用的d a 转换卡为研华公司生产的p c l 7 2 6d a 输出卡，该卡可以输出单极性 o 5 v ，0 - 1 0 v 和双极性电压5 5 v ，一1 0 1 0 v ，和4 到2 0 m a 电流，该卡具有六独立d a 输出通道，1 2 位双缓冲d a 转换器，1 6 位输入和1 6 数字输出。在任何双极或单极模式 下复位或电压开后所有d a 输出将会在0 的初始状态。 i o 口基址可以通过8 位d i p 转换开关选择，p c l - 7 2 6 卡需要i o 地址空间内1 6 位 连续地址。从地址2 0 0 h 到3 f o h 有效，出厂时默认地址为2 c o h ，地址可以通过改变跳 线位置调整。数字量分高8 位在相应基地址上加0 和低8 位在相应基地址上加1 相应地 址输出【1 2 l 。 2 。2 。4 电液比例阀电控器 2 b d s e 1 0 0 0 2 0 型比例控制器是一种比例功率放大器。主要由稳压器、斜坡发生器， 阶跃函数发生器、输出电流限制器、2 0 0 h z 正弦震荡器、两路可控恒流发生器组成。其 1 0 第二覃升沉补偿模拟系统的结构与控制系统 电源电压为a c 2 2 0 v ，功率为4 0 v a ，控制电压最小负载电阻为5 0 0 f 2 ，最大输出电流为 8 0 0 1 0 0 0 m a ，最大负载电阻为3 0 f 2 ，先导电流为1 0 0m a ，颤振频率为2 0 0 h z ，电磁铁 初始电流为1 0 0m a ，斜坡时间为1 s 。 其主要功能是接收d a 转换卡的差模电压输出或手动调节的电压输出，进行功率放 大后转换为电流控制比例阀电磁铁a ，b 移动阀芯控制输出流量大小。 2 2 5 比例方向阀 采用力士乐公司的三位四通比例方向阀。型号为4 w 凡姬6 e 1 1 5 2 x g 2 4 k 3 1 a 1 v ， 带内置放大器通径为6 m m ，额定流量为1 5 1 m i n ，给定输入范围为- 1 0 - 1 0 v ，电信号形式 为模拟直流电压或电流，电磁铁的最大电流为2 5 a ，电源电压为2 4 v 。 元件插头的引脚分配：a 接2 4 v 直流，b 接g n d ，d 为输入的c o m 值正负1 0 v 或 者4 2 0 m a ，e 为参考电压端。 工作原理是输入电压经放大器和斜坡发生器后和阶跃函数发生器之和转换成电流对 比例电磁铁进行控制。当电磁铁不带电时，阀芯保持在中位，比例电磁铁得电后会直接 推动阀芯，位移与电信号成比例，电磁铁失电，阀芯重新被推回中位，从而改变流量和 方向。 2 2 6 泵 采用双联泵y b i 1 6 1 6 ，它具有压力脉动小，寿命长等优点。其公称排量 q = 1 6 1 6 m l r ，转速n = 9 6 0 r m i n ，额定压力p = 6 3 m p a ，流量( 额定压力下) 1 3 6 l m i n ， 容积效率”8 5 ，驱动功率w = 2 o k w 。 2 3 升沉补偿模拟系统软件设计 s u a lb a s i c 是由m i c r o s o f t 公司开发的在w m d o w s 9 5 9 8 平台上的一种十分强大和 有生命w i n d o w s 编程语言之一具有易学易用、编程简单、程序集成化程度高及界面可 视化又能实现大多数w i n d o w s 编程目的，具有数据采集和控制等功能，因而一经推出就 风靡全球，本系统采用v i s u a lb a s i c 作为编程工具，结合v c 和m a t l a b 作为辅助语言 进行程序设计。 2 3 1 系统测控软件功能 根据使用要求及其测控需要，本系统具有以下基本功能： 1 文本框内显示光栅位移传感器测量位移数据。 2 p i c t u r e 图片框绘制在线测量数据曲线，生成位移数据文本文件。 3 设置k p 、k i 、k d 、k e 、k e c 、k u 等控制参数子窗口。 4 数据库内保存位移数值、误差、误差变化率、输出电压、误差等级、误差变化率 等级，输出比例系数k p 、积分系数k i 、微分系数k d 及其输出电压等级。 5 调用m a t l a b 在数据库内取数进行数据分析、数据处理、绘制图形等。 6 模拟各种风速下海浪信号。 7 各种智能控制算法。 程序主要由数据采集、数据存储、数据显示、控制参数设置等组成，人机界面良好， 主界面菜单包括数据文件保存、文件打开、自动绘制位移曲线、数据分析、控制参数设 置、退出等。本系统软件结构无论是控制部分还是检测部分，均采用模块化结构，采样 程序、d a 转换程序均采用子程序的形式，便于修改和调用。控制算法程序做成模块化 形式可以根据需要增加或删除。系统软件功能总图如图2 2 所示。 2 3 2 系统测控软件设计 2 3 2 1v b 光栅数据传感器数据采集程序的设计由于v b 缺乏端1 2 输入输出函 数，a p i 也未提供端口输入输出功能，在本实验系统中，需要从光栅位移传感器中获取 数据，并对电液比例阀进行控制，都需要端口输入输出的操作，为了解决上述问题，可 以利用动态链接库d l l ( d y n a m i cl i n kl i b r a r y ) ，动态链接库是一个可以执行的模块， 它包含的函数可以由w i n d o w s 应用程序调用以完成其特殊的任务，它的主要功能是 为应用程序模块提供服务。由于动态链接库是在应用程序运行期间被连接起来的，故称 为动态链接库。动态链接库的模块化性能，使得应用程序的修改更加简单和方便，可以 星三兰茎签! ! 堡堡丝至竺竺丝塑兰丝型至竺 编写各种功能的动态链接库，形成各种结构清楚，修改方便的应用程序。由于在 w i n d o w s 下v c + + 具有端口输入输出函数，因此，可以利用v i s u a l c + + 语言创建有 特殊功能的动态链接库。下面介绍如何用v i s u a lc + + 语言建立动态链接库。1 首先建立一个新的“m f c a p p w i z a r d ( d i d 工程，名字为”p o r t “，在v i s u a l c + + 环境下编辑c p p ，d e f ，h 文件 ( 1 ) 编写p o r t c p p 语言源程序清单 # i n c l u d e ”s t d a f x h ” # i n c l u d e ”p o r t h ” # i n c l u d e ”c o n i o h ” # i n c l u d e ”w i n d o w s h ” # i f d e f _ d e b u g # d e f i n en e wd e b u g _ n e w # u n d e f t h i s _ f i l e s t a t i cc h a rt h i s _ f i l e 口= f i l e _ 一； 图2 - 2 系统软件功能总图 f i g 2 - 2w h o l e f u n c t i o no f s y s t e ms o f t w a r e # e n d i f e x t e r n ”c ”i n t s t d c a l li n p o r t ( i n tp o r t i d ) 厂东工业大学工学硕士学位论文 r e t u r nj n p ( p o r t i d ) ； ) e x t e m ”c ”v o i d s t d c a l lo u t p o r t ( i n tp o r t i d ，i n tb y t e ) o u t p ( p o r t i d ，b y t e ) ； ( 2 ) 编写p o r t d e f 语言源程序清单 ；p o r t d e f ：d e c l a r e st h em o d u l ep a r a m e t e r sf o rt h ed l l l i b r a r y ”p o r t ” d e s c r i p t i o n p o r tw i n d o w sd y n a m i cl i n kl i b r a r y e x p o r t s ；e x p l i c i te x p o r t sc a r lg oh e r e i n p o r t l o u t p o r t 2 然后编译并生成d l l 和l i b 文件，应用程序编译生成d l l 文件可供v i s u a lb a s i c 调用。d l l 文件在d e b u g 目录下。将此d l l 文件拷贝到啪o w s s y s t e m 目录下。 v b 默认在w i n d o w s 、s y s t e m 目录下查找该文件。”1 调用该d l l 文件步骤如下： 首先需要在代码窗口的”通用( g e n e r a l ) ”部分增加一个d e c l a r e 语句。如果该过程返回 一个值，应将其声明为f u n c t i o n ： d e c l a r ef u n c t i o np u b l i c n a m el i b ”l i b n a m e ” a i i a s ”a l i a s ”】【( 【 b y v a l 】v a r i a b l e a st y p e 】 ， b y v a l 】v a r i a b l e a st y p e j 】) 】a st y p e 即写成：p r i v a t ed e c l a r ef u n c t i o ni n p o r tl i b ”p o r t d l l ”( b y v a lp o r t i d ) 如果过程没有返回值，可将其声明为s u b ： d e c l a r es u bp u b l i c n a m el i b ”l i b n a m e ” a l i a s ”a l i a s ”】 ( 【 b y v a l v a r i a b l e a st y p e 】 ，【b y v a l 】 v a r i a b l e 【a st y p e 】) 】 即写成：p r i v a t ed e c l a r es u bo u t p o r tl i b ”p o r t d 1 1 ”y v a lp o r t i d ，b y v a ln b y t e ) 这样就可以调用动态链接库了。可以采用如o u t p o r t p i n ，v a r 和i n p o a ( p i o ) 读写端口命令a 数据采集软件先发送命令字去地址“0 x 3 2 0 ”，然后读该端口，延长段时间后可以读 到四通道采样数据0 1 9 共2 0 个字节，0 ，5 ，1 0 ，1 5 字节是标志状态数据，b i t 0 2 1 代 表为“”