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1、2007年第2期液压与气动15基于联合仿真技术的深海采矿升沉补偿装置控制系统的研究1121郭圣敏,刘少军,朱浩,汤展跃TheStudyoftheDeepSeaMiningHeaveCompensatedControlSystemBasedonUnitedSimulation1121GUOSheng-min,LIUShao-jun,ZHUHao,TANGZhan-yue(1.中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;2.湖南大学机械汽车学院,湖南长沙410082)摘要:该文联合虚拟样机技术和控制系统仿真技术对深海采矿升沉补偿系统进
2、行了设计研究,建立了基于液压动力源的升沉补偿系统采矿船多刚体机械动力学模型,并针对该模型设计了模糊自整定PID控制器。联合仿真研究结果表明,模糊自整定PID控制策略能很好地对升沉补偿装置进行有效的位移补偿控制,补偿率可达到40%~45%,从而提高了深海采矿系统的稳定性。关键词:深海采矿;升沉补偿;虚拟样机;模糊自整定PID;联合仿真中图分类号:TP391.9;TP273文献标识码:B文章编号:1000-4858(2007)02-0015-041前言随着陆地矿产资源的日趋枯竭,丰富的海底矿产资源将成为今后经济发展的有力补充。在众多的
3、海洋矿产资源中,位于深海海底表层的多金属结核富含锰、铜、钴和镍,具有很高的经济价值。经过多年的研究,国内外公认的最适合商业开采的多金属结核采矿系统[1]是流体提升式采矿系统,如图1所示。由于深海采矿船所处的环境十分复杂,受到海洋风、浪、流、潮的影响,不可避免地产生显著的升沉摇摆运动,而其所牵引的扬矿管随船身运动会受到很大的交变应力,容易导致扬矿管以及管系连接间的疲劳损坏,严重影响采矿装置的稳定性和可靠性。为此,在扬矿管的上部与采矿船之间需要安装一套升沉补偿系统,以保证深海采图1流体提升式深海采矿系统[2]矿的顺利进行。本文在机械系
4、统动力学分析软件ADAMS软件中深海采矿扬矿管的升沉补偿装置是一个承受重建立了深海采矿装置升沉补偿系统的虚拟样机,并通载、结构复杂、技术难度大的大型装备,且要求在环境过ADAMS/Control模块输出到MATLAB控制系统多变的深海大洋区域运行,决定了该系统应具有极高中,将机械系统仿真与智能控制系统仿真结合起来,实的稳定性。由于深海矿藏资源开采技术的研究难以频现机电液一体化系统的联合仿真分析。繁地进行海试,而基于虚拟样机技术的仿真研究可实时模拟深沉补偿系统在不同海洋环境中的工作状态,收稿日期:2006-07-06在缩短研究周期、
5、降低开发成本、提高设计质量等方面基金项目:国务院大洋专项(DY105-3-2-2)起到十分重要的作用,并为升沉补偿设备的研制和开作者简介:郭圣敏(1982)),男,江西吉水人,硕士研究生,主采试验提供重要的理论依据和技术参考。要研究领域:机电液工程的虚拟仿真及智能控制。16液压与气动2007年第2期2主动型升沉补偿系统原理糊控制器的控制目标。故选择升沉平台的位移以及位本文设计的大洋多金属结核开采中试系统采用主移变化率作为模糊自整定PID控制器的输入量,这样动液压升沉补偿系统,其原理如图2所示。采矿船的可以直接检测控制目标的变化情况
6、,选择电液比例方安装塔座与升沉平台之间装设起升沉补偿作用的双缸向阀的输入电压为模糊自整定PID控制器对升沉平悬吊装置,并通过2套完全相同的液压伺服回路分别台的输出量,这样可实现实时根据控制目标的变化调对双液压缸进行控制。节控制目标。3.2变量隶属度函数的确定将位移偏差e和偏差变化率ec变化范围定义为模糊集上的论域{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},其模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。$Kp、$Ki、$Kd也定义为模糊集上论域{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,
7、4,5,6},其模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},子集中元素分别代表负大,负中,负小,零,正小,正中,正大。隶属度函数曲线有正态分布曲线、梯形曲线、三角形曲线等,由于三角形曲线形状简单容易实现,而且也能满足一般控制系统的精度要求,所以本文以图2主动液压升沉补偿系统原理图三角函数建立隶属度函数。当采矿船带动液压缸上升(下沉)时,泵通过电液3.3控制参数整定规则及模糊规则表的设计比例方向阀对悬吊双液压缸的无杆(有杆)腔供油,同针对不同的e和ec,Kp、Ki、Kd的整定原则为:时有杆(无杆)腔的油流回油箱,从而使连
8、接活塞杆的(1)当
9、e
10、较大时,为使升沉补偿系统具有较好的升沉平台所受的影响可相对减小,相对于船体和液压补偿性能,提高响应速度,应该取较大的Kp和较小的缸保持在一定的范围内小幅震荡,从而实现补偿升沉Kd,同时为了避免系统响应出现较大的超调,应对积的
