海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统及控制方法，所述控制系统包括热备冗余控制器、变频器组、交流变频电机、传动行星轮系、铠装脐带缆、卷筒和信号检测传感器，所述信号检测传感器采集卷筒的转速、母船的升沉加速度，信号检测传感器的信号输出端与热备冗余控制器相连，将采集到的信号送入热备冗余控制器中，热备冗余控制器经变频器组与交流变频电机相连，交流变频电机通过减速器与传动行星轮系连接，所述传动行星轮系固接在卷筒的一端，所述铠装脐带缆卷绕在卷筒上，铠装脐带缆的自由端与深海作业装备相连。本发明的控制系统结构简单，具有主动升沉补偿功能。
【专利说明】 海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及海洋船载绞车领域，特别涉及一种海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]随着人口急剧膨胀、陆地资源日益枯竭，世界各国聚焦蕴藏着丰富的石油、天然气资源以及矿产资源的海洋。新世纪以来，许多国家纷纷制定海洋发展战略，将开发海洋资源、发展海洋经济、控制海洋能力作为国家的重要战略决策，把建设海洋强国作为增强综合国力的重要措施。为了实现海洋资源勘探和开发，必须有专门的海洋工程设备来完成，而海洋船载绞车是实现资源勘探和开发设备收放的关键甲板机械装备，主要依托科学考察船、海洋资源勘探船、海洋工程辅助船等母船，广泛地应用于海洋资源勘探与深海作业。在深海区域，海面的海况条件非常恶劣，母船受风浪、涌流的影响而做不规则的上下起伏运动，4级海况海浪浪高可到达2.5m，致使船载绞车及其收放的海洋资源勘探和开发设备随之升沉，由于海洋资源勘探和开发设备是下放到深海环境进行作业，而海水介质具有较大阻尼、铠装脐带缆较长(3000-4500m)、滚筒惯量大，因此整个船载绞车收放系统具有较强的滞后性，当母船随海浪上升，铠装脐带缆张力增大，最危险的情况铠装脐带缆直接被拉断，当母船随海浪下降，铠装脐带缆张力减少，最危险的情况可使被吊设备处于游离状态，由于被收放设备都较为贵重，这些状况的出现都会造成相当大的经济损失，即使不会出现上述最危险情况，铠装脐带缆内的应力会随母船的升沉而不变化，致使铠装脐带缆产生疲劳破坏，缩短其使用寿命、影响到作业的安全性。
[0003]绞车的驱动方式主要有柴油机驱动、液压驱动和电驱动等三类。其中，柴油机驱动的绞车，大都采用多轴和链条传动的方式，结构较为复杂逐渐被淘汰；液压驱动绞车目前仍然为船用绞车的主流形式，液压驱动绞车具有结构紧凑、功率重量比高、驱动力矩大、起动平稳、调速方便、使用安全可靠等优点，但控制系统相对落后、耗能大、响应速度慢；电驱动绞车包括直流电驱动和交流电驱动，直流电驱动绞车具有调速性能好、效率高、响应速度快、驱动力矩大的优点，但存在电刷火花隐患、结构复杂，而随着大功率交流变频调速技术的发展，交流变频驱动绞车具有更好的发展前景。
[0004]升沉补偿系统主要有被动升沉补偿、主动升沉补偿和半主动升沉补偿三类。被动升沉补偿系统不需要外界提供能量，直接依靠储能器吸收和释放能量，从而反馈母船升沉运动负荷所消耗的能量，系统相对比较简单，但补偿性能不稳定、滞后性较大、补偿精度低。主动升沉补偿系统是在传统绞车的基础上，增加检测环节和控制器，实时检测母船升沉运动状态、载荷等数据，经过控制器处理后输出控制信号控制驱动马达的转速及转向来实现主动升沉补偿，具有抗干扰能力强、适应性好、补偿精度高、补偿性能稳定等特点，不需要增加额外的设备，而且占用作业船甲板空间少。半主动升沉补偿系统结合了两者的优点，保持较高的补偿精度又降低能耗，但结构较为复杂。
[0005]为了减少母船升沉运动对水下作业的影响，国内外众多专家也对不同类型海洋绞车的升沉补偿、恒张力控制方法等方面进行了大量的研宄。研宄主要集中在液压驱动绞车的各类升沉补偿、张力控制方法，而在电驱动绞车的补偿方法研宄很少，只有黄鲁蒙等在《主动式海洋钻井升沉补偿绞车设计与仿真研宄》中提出一种电动海洋绞车主动式升沉补偿绞车方案，采用单台交流变频电机直接驱动绞车滚筒正反转来实现升沉补偿。而采用前馈-模糊PI控制方法进行控制，克服了前馈控制的不足，在一定程度上提高了系统抗干扰能力与稳定性。为了确保设备收放免受母船升沉运动的影响，减少铠装脐带缆在收放过程中应力变化，提高船载绞车的使用寿命和深海作业的安全性，开发一种具有主动升沉补偿功能的海洋船载交流变频驱动绞车控制系统具有重要意义。
【发明内容】
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、具有主动升沉补偿功能的海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统，并提供控制系统的控制方法。
[0007]本发明解决上述问题的技术方案是:一种海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统，包括热备冗余控制器、变频器组、交流变频电机、传动行星轮系、铠装脐带缆、卷筒和信号检测传感器，所述信号检测传感器采集卷筒的转速、母船的升沉加速度，信号检测传感器的信号输出端与热备冗余控制器相连，将采集到的信号送入热备冗余控制器中，热备冗余控制器经变频器组与交流变频电机相连，交流变频电机通过减速器与传动行星轮系连接，所述传动行星轮系固接在卷筒的一端，所述铠装脐带缆卷绕在卷筒上，铠装脐带缆的自由端与深海作业装备相连。
[0008]上述海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统中，所述信号检测传感器包括角度编码器和加速度传感器，角度编码器安装在卷筒外圆周上，加速度传感器安装在母船上。
[0009]上述海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统中，所述热备冗余控制器包括主控制器和备控制器。
[0010]上述海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统中，所述变频器组包括变频器1、变频器II和变频器III，变频器1、变频器II和变频器III中，每台变频器拖动2台交流变频电机。
[0011]上述海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统中，所述传动行星轮系包括6个行星齿轮和一个内齿圈，内齿圈与卷筒一端固接，6个行星齿轮呈环形分布于内齿圈内圆周上并与内齿圈上的齿相啮合，每台交流变频电机通过减速器与一个行星齿轮相连，行星齿轮在交流变频电机的作用下运转，带动与之固接的卷筒转动。
[0012]一种海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统的控制方法，通过超前预测前馈控制与多输入单输出反馈控制的复合控制方法输出控制量，对3台变频器进行控制，进而控制6台交流变频电机驱动卷筒的运动。
[0013]上述海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统的控制方法中，超前预测前馈控制的具体步骤包括:加速度传感器检测母船随海浪升沉的加速度，然后进行数字积分获得升沉运动的速度、位移，运用时间序列分析方法，建立母船升沉速度和位移的自回归时间序列预测模型，对母船升沉运动下一时刻运动的速度、位移进行预测，实现超前预测前馈控制。
[0014]上述海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统的控制方法中，多输入单输出反馈控制的具体步骤包括:通过角度编码器检测卷筒转速，将转速变换后获得负载速度；采集变频器输出至变频电机的电流，将电流变换后获得缆绳张力，把负载速度与缆绳张力作为反馈，并与设定值进行比较，经多输入单输出内模PID鲁棒控制算法进行反馈控制。
[0015]上述海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统的控制方法中，卷筒的转速结合母船升沉速度，获得负载的收放速度；通过采集变频器输出至变频电机的电流，然后通过减速器与行星轮系减速比可以得出卷筒的驱动转矩，从而推导出缆绳张力。
[0016]本发明的有益效果在于:
[0017]1、本发明的控制系统结构简单，具有主动升沉补偿功能，控制系统中控制器热备冗余、拖动绞车的交流变频电机冗余配备6台，在复杂恶劣的海洋工作环境下，如果主控器出故障或其中1-3台电机出现故障，剩余的电机正常工作仍然能保证海洋绞车安全可靠运行，确保贵重设备的安全回收；
[0018]2、本控制系统的控制方法通过超前预测前馈控制与多输入单输出反馈控制的复合控制方法输出控制量，对3台变频器进行控制，进而控制6台交流变频电机驱动卷筒的运动，控制过程简单，操作方便，能够确保设备收放免受母船升沉运动的影响，减少了铠装脐带缆在收放过程中应力变化，提高了船载绞车的使用寿命和深海作业的安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明控制系统的结构示意图；
[0020]图2为本发明控制方法的原理图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
[0022]如图1所示，本发明的控制系统包括热备冗余控制器1、变频器组4、交流变频电机8、传动行星轮系、铠装脐带缆11、卷筒12和信号检测传感器，所述信号检测传感器采集卷筒12的转速、母船的升沉加速度，信号检测传感器包括角度编码器13和加速度传感器14，角度编码器13安装在卷筒12主轴上，加速度传感器14安装在母船上，角度编码器13和加速度传感器14的信号输出端与热备冗余控制器I相连，将采集到的信号送入热备冗余控制器I中，热备冗余控制器I包括主控制器2和备控制器3，热备冗余控制器I经变频器组4与交流变频电机8相连，所述变频器组4包括变频器I 5、变频器II 6和变频器III 7，变频器I 5、变频器II 6和变频器III 7中，每台变频器拖动2台交流变频电机8，所述传动行星轮系包括6个行星齿轮9和一个内齿圈10，内齿圈10与卷筒12 —端固接，6个行星齿轮9对称分布于内齿圈10内圆周上并与内齿圈10上的齿相啮合，每台交流变频电机8通过减速器与一个行星齿轮9相连，所述铠装脐带缆11卷绕在卷筒12上，铠装脐带缆11的自由端与深海作业装备16相连，用于起吊深海作业装备16、供给深海作业装备16电源、与海作业装备16进行通信，行星齿轮9在交流变频电机8的作用下运转，带动与之固接的卷筒12转动，从而控制卷筒12上铠装脐带缆11的升沉。
[0023]本控制系统采用3台变频器+6台交流变频异步电机+行星轮系组成驱动系统，由主控制器2控制变频器驱动交流变频电机，再通过行星轮系驱动绞车卷筒，通过控制交流变频电机8的正反转实现铠装脐带缆11的收放，从而实现绞车主动升沉补偿。
[0024]一种海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统的控制方法，通过超前预测前馈控制与多输入单输出反馈控制的复合控制方法输出控制量，对3台变频器进行控制，进而控制6台交流变频电机驱动卷筒的运动。
[0025]由于海洋船载绞车卷筒容绳量大(3000-5000m)、工作载荷大(安全工作载荷为20吨)、深海海洋作业环境复杂等特点，其是一个大负载、大惯量、大滞后、非线性时变系统，而由海浪引起母船升沉扰动具有随机性，为了克服补偿系统大滞后性、扰动的随机性，海洋绞车的主动升沉补偿是反向跟踪由海浪造成母船升沉运动来实现，由于海洋绞车具有大惯量性、滞后性，如果采用单纯事后控制(反馈控制)，会引起较大的系统跟踪误差，达不到理想的升沉补偿效果，因此本控制方法采用超前预测前馈控制，其具体步骤包括:加速度传感器检测母船随海浪升沉的加速度，然后进行数字积分获得升沉运动的速度、位移，运用时间序列分析方法，建立母船升沉速度和位移的自回归时间序列预测模型，对母船升沉运动下一时刻运动的速度、位移进行预测，实现超前预测前馈控制，提高海洋绞车反向跟踪母船随机升沉运动的响应速度与精度。
[0026]由于海洋船载绞车的主动升沉补偿系统非线性特性，综合考虑铠装脐带缆弹性、水介质等非线性影响因素，建立起计入负载、铠装脐带缆、滚筒、水介质的大惯性、大滞后的非线性负载动力学方程。本发明采用3台变频器，并且I台变频器拖动2台交流异步电机的多台变频器、多台交流异步电机的多轴拖动系统，建立恒压频的交流变频电机的机械特性方程、多轴拖动运动方程，进而建立起海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统的传递函数。多输入单输出反馈控制的具体步骤包括:通过角度编码器检测卷筒转速，卷筒的转速结合母船升沉速度，获得负载的收放速度；采集变频器输出至变频电机的电流，然后通过减速器与行星轮系减速比可以得出卷筒的驱动转矩，从而推导出缆绳张力，把负载速度与缆绳张力作为反馈，并与设定值进行比较，经多输入单输出内模PID鲁棒控制算法进行反馈控制。
[0027]本发明采用3台变频器驱动6台交流变频异步电机，首先建立在多轴同步旋转d_q坐标系下的交流电机数学模型，然后综合考虑交流变频异步电机的非线性和强耦合特性，采用相邻交叉耦合多电机同步控制结构，运用自适应滑模变结构控制器进行多台交流变频电机同步控制。
【权利要求】
1.一种海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统，其特征在于:包括热备冗余控制器、变频器组、交流变频电机、传动行星轮系、铠装脐带缆、卷筒和信号检测传感器，所述信号检测传感器采集卷筒的转速、母船的升沉加速度，信号检测传感器的信号输出端与热备冗余控制器相连，将采集到的信号送入热备冗余控制器中，热备冗余控制器经变频器组与交流变频电机相连，交流变频电机通过减速器与传动行星轮系连接，所述传动行星轮系固接在卷筒的一端，所述铠装脐带缆卷绕在卷筒上，铠装脐带缆的自由端与深海作业装备相连。
2.如权利要求1所述的海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统，其特征在于:所述信号检测传感器包括角度编码器和加速度传感器，角度编码器安装在卷筒主轴上，加速度传感器安装在母船上。
3.如权利要求2所述的海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统，其特征在于:所述热备冗余控制器包括主控制器和备控制器。
4.如权利要求3所述的海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统，其特征在于:所述变频器组包括变频器1、变频器II和变频器III，变频器1、变频器II和变频器III中，每台变频器拖动2台交流变频电机。
5.如权利要求4所述的海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统，其特征在于:所述传动行星轮系包括6个行星齿轮和一个内齿圈，内齿圈与卷筒一端固接，6个行星齿轮对称分布于内齿圈内圆周上并与内齿圈上的齿相啮合，每台交流变频电机通过减速器与一个行星齿轮相连，行星齿轮在交流变频电机的作用下运转，带动与之固接的卷筒转动。
6.一种权利要求5所述的海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统的控制方法，其特征在于:通过超前预测前馈控制与多输入单输出反馈控制的复合控制方法输出控制量，对3台变频器进行控制，进而控制6台交流变频电机驱动卷筒的运动。
7.如权利要求6所述的海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统的控制方法，其特征在于:超前预测前馈控制的具体步骤包括:加速度传感器检测母船随海浪升沉的加速度，然后进行数字积分获得升沉运动的速度、位移，运用时间序列分析方法，建立母船升沉速度和位移的自回归时间序列预测模型，对母船升沉运动下一时刻运动的速度、位移进行预测，实现超前预测前馈控制。
8.如权利要求6所述的海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统的控制方法，其特征在于:多输入单输出反馈控制的具体步骤包括:通过角度编码器检测卷筒转速，将转速变换后获得负载速度；采集变频器输出至变频电机的电流，将电流变换后获得缆绳张力，把负载速度与缆绳张力作为反馈，并与设定值进行比较，经多输入单输出内模PID鲁棒控制算法进行反馈控制。
9.如权利要求8所述的海洋船载交流变频绞车主动升沉补偿控制系统的控制方法，其特征在于:卷筒的转速结合母船升沉速度，获得负载的收放速度；通过采集变频器输出至变频电机的电流，然后通过减速器与行星轮系减速比可以得出卷筒的驱动转矩，从而推导出缆绳张力。
【文档编号】B66D1/12GK104495672SQ201510001086
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月4日 优先权日:2015年1月4日
【发明者】赵延明, 刘德顺, 黄良沛, 张小平, 李成, 刘厚才 申请人:湖南科技大学