采矿车布放回收系统的控制方法和装置与流程

本发明涉及船用机械领域，特别涉及一种采矿车布放回收系统的控制方法和装置。

背景技术：

在深海采矿过程中，需要采用布放回收系统将采矿车下放至作业海底。布放回收系统安装在工程船上，当工程船在海浪的作用下摇摆时，采矿车在布放和回收过程中会与工程船一同摇摆。当采矿车接近海底时，采矿车存在撞击海底的危险，对采矿车造成破坏。

技术实现要素：

为了降低采矿车在布放和回收过程中降低海底的可能性，本发明实施例提供了一种采矿车布放回收系统的控制方法和装置。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种采矿车布放回收系统的控制方法，所述控制方法包括：

获取由船体摇摆所产生的在升沉方向上相对于海平面的摇摆位移和摇摆速度；

确定采矿车升沉速度目标指令所指示的目标速度；

当所述目标速度为0时，根据所述摇摆位移确定采矿车的实际目标速度；

当所述目标速度不为0时，根据所述目标速度与所述摇摆速度确定采矿车的实际目标速度；

按照所述实际目标速度控制所述采矿车的升降。

进一步地，所述根据所述目标速度与所述摇摆速度确定采矿车的实际目标速度，包括：

确定当前的绞车绕绳直径；

根据所述当前的绞车绕绳直径和所述摇摆速度计算采矿车的补偿速度；

将所述补偿速度和所述目标速度之和作为所述实际目标速度。

进一步地，所述根据所述摇摆位移确定采矿车的实际目标速度，包括：

确定采矿车在升沉方向上相对于目标位置的位移量；

基于所述相对于目标位置的位移量和所述摇摆位移，采用不含积分的经典比例-积分-微分算法，确定所述实际目标速度。

更进一步地，所述基于所述相对于目标位置的位移量和所述摇摆位移，采用不含积分的经典比例-积分-微分算法，确定所述实际目标速度，采用以下公式：

f₂(x₂,x₃)＝k_p(x₃-x₂)+k_d[(x₃^/-x₂^/)-(x₃-x₂)]，

其中，k_p和k_d为设定系数，x₂为摇摆位移，x₃为采矿车在升沉方向上相对于目标位置的位移量，x₂^/为上一周期的x₂，x₃^/为上一周期的x₃，D_dja为实时的绞车绕绳直径，I为马达与绞车的转速比。

其中，所述采矿车在升沉方向上相对于目标位置的位移量等于钢丝绳当前缠绕在绞车上的长度与接收到启动主动波浪补偿指令的时刻时钢丝绳缠绕在绞车上的长度之差。

另一方面，本发明实施例还提供了一种采矿车布放回收系统的控制装置，所述控制装置包括：

获取单元，用于获取由船体摇摆所产生的在升沉方向上相对于海平面的摇摆位移和摇摆速度；

处理单元，用于确定采矿车升沉速度目标指令所指示的目标速度；当所述目标速度为0时，根据所述摇摆位移确定采矿车的实际目标速度；当所述目标速度不为0时，根据所述目标速度与所述摇摆速度确定采矿车的实际目标速度；按照所述实际目标速度控制所述采矿车的升降。

进一步地，所述处理单元用于当所述目标速度不为0时，确定当前的绞车绕绳直径；根据所述当前的绞车绕绳直径和所述摇摆速度计算采矿车的补偿速度；将所述补偿速度和所述目标速度之和作为所述实际目标速度。

进一步地，所述处理单元用于当所述目标速度为0时，确定采矿车在升沉方向上相对于目标位置的位移量；基于所述相对于目标位置的位移量和所述摇摆位移，采用不含积分的经典比例-积分-微分算法，确定所述实际目标速度。

更进一步地，所述处理单元用于，采用以下公式确定所述实际目标速度：

f₂(x₂,x₃)＝k_p(x₃-x₂)+k_d[(x₃^/-x₂^/)-(x₃-x₂)]，

其中，k_p和k_d为设定系数，x₂为摇摆位移，x₃为采矿车在升沉方向上相对于目标位置的位移量，x₂^/为上一周期的x₂，x₃^/为上一周期的x₃x₃，D_dja为实时的绞车绕绳直径，I为马达与绞车的转速比。

其中，所述采矿车在升沉方向上相对于目标位置的位移量等于钢丝绳当前缠绕在绞车上的长度与接收到启动主动波浪补偿指令的时刻时钢丝绳缠绕在绞车上的长度之差。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例通过获取由船体摇摆所产生的在升沉方向上相对于海平面的摇摆位移和摇摆速度，并根据获取到的摇摆位移和摇摆速度，确定采矿车的实际目标速度，以对船体随波浪摇摆所带来的采矿车在升沉方向上的位移和/或速度进行补偿，减小采矿车撞击海底的危险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的采矿车布放回收系统的结构图；

图2是本发明实施例提供的采矿车布放回收系统的控制方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的采矿车布放回收系统的工作过程示意图；

图4是本发明实施例提供的采矿车布放回收系统的控制装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了便于理解本发明实施例，下面先结合图1简单介绍采矿车布放回收系统的结构和工作过程。如图1所示，采矿车布放回收系统安装在工程船上，一般包括：控制装置1、绞车2、门架3和钢丝绳4，门架3的底部、控制装置1和绞车2均设置在工程船的甲板a上。钢丝绳4的一端固定并缠绕在绞车2上，另一端绕过甲板a上的定滑轮5和门架3顶部的出绳滑轮6后与采矿车7连接。绞车2在控制装置1的控制下转动，通过绞2车上的钢丝绳4的缠绕和释放实现采矿车7的升降。

进一步地，门架3的底部铰接在甲板a上，门架3上还配置有伸缩油缸3a，伸缩油缸3a的伸缩端与门架3的中部铰接，伸缩油缸3a的固定端铰接在甲板a上。伸缩油缸3a的伸缩杆的伸出与缩进，可以控制采矿车7与工程船在水平方向上的距离。

当工程船随海浪摇摆时，采矿车在布放和回收过程中会随着船体一同摇摆，当采矿车接近海底时，采矿车存在撞击海底的危险，对采矿车产生破坏。为避免此危险，本发明实施例提供了一种采矿车布放回收系统的控制方法和装置，通过获取由船体随波浪摇摆而产生的采矿车在升沉方向上的相对于海平面的位移和速度(下文中被称为摇摆位移和摇摆速度，仅用于区分，并不作为对本发明实施例的限制)，并根据获取到的位移和速度来对绞车的驱动马达进行控制，从而对该位移和/或速度进行主动补偿，尤其适用于深海采矿车布放回收系统。

图2为本发明实施例提供的采矿车布放回收系统的控制方法的流程图。该控制方法可以由前述控制装置实现，如图2所示，该控制方法可以包括：

S201：获取由船体摇摆所产生的在升沉方向上相对于海平面的摇摆位移和摇摆速度。

结合图1，实现时，门架3的顶部可以安装有船体姿态传感器(Motion Reference Unit，MRU)8(参见图1)。摇摆位移和摇摆速度可以由MRU 8检测得到，并反馈给控制装置1。

进一步地，所述MRU 8的中心点在门架3上所述出绳滑轮6的正上方。MRU 8的中心点始终保持在门架3上出绳滑轮6的正上方，能够更使得MRU 8测得的数据更加精准。在本实施例中，MRU可以采用SMC公司的型号为IMU-106规格的MRU。

S202：确定采矿车升沉速度目标指令所指示的目标速度；当所述目标速度为0时，执行步骤S203；当所述目标速度不为0时，执行步骤S204。

实现时，控制装置接收操作手柄发出的采矿车升沉速度目标指令，并确定该采矿车升沉速度目标指令所指示的目标速度。

具体地，操作手柄发出的采矿车升沉速度目标指令所指示的目标速度，为设置的需要采矿车上升或下放的速度，即在没有海面波动的情况下船体无升沉方向运动时，采矿车上升或下放的速度。

S203：根据所述摇摆位移确定采矿车的实际目标速度。

S204：根据所述目标速度与所述摇摆速度确定采矿车的实际目标速度。

其中，该步骤S204可以包括：

确定当前的绞车绕绳直径；

根据所述当前的绞车绕绳直径和所述摇摆速度计算采矿车的补偿速度；

将所述补偿速度和所述目标速度之和作为所述实际目标速度。

S205：按照所述实际目标速度控制所述采矿车的升降。

图3为本发明实施例中的采矿车布放回收系统的电学原框图。如图3所示，控制装置接收MRU测得的摇摆速度和摇摆位移以及通过控制手柄发出的采矿车升沉速度目标指令，将采矿车升沉速度目标指令所指示的目标速度和补偿速度进行叠加，得到实际目标速度。其中，补偿速度是根据摇摆速度和摇摆位移计算得到的。在得到实际目标速度后，会将该实际目标速度输出给马达驱动器，由马达驱动器按照该实际目标速度控制液压马达运行(例如通过控制绞车的液压马达摆角比例阀)，从而带动绞车转动。通常，马达与绞车通过减速机连接，控制了马达的速度即控制了绞车的转动速度。在控制马达的速度时，可以采用闭环控制马达摆角的方式，具体地，实时检测马达的实际转速，并将马达的实际转速与实际目标转速比较，根据比较结果控制绞车的液压马达摆角比例阀，进而调整马达的实际转速。

需要说明的是，上述控制方法可以在采矿车的整个布放和回收过程中执行，也可以在采矿车接近(包括到达)海底时执行。在采矿车接近海底时执行时，该方法还可以包括：接收主动波浪补偿指令，当接收到主动波浪补偿指令时，按照图2所示控制方法控制采矿车的升降。当没有接收到主动波浪补偿指令时，可以按照操作手柄发出的采矿车升沉速度目标指令所指示的目标速度控制采矿车的升降。其中，主动波浪补偿指令可以由操作人员按下启动主动波浪补偿的按钮触发。

进一步地，控制装置可以按照公式(1)计算马达的实际目标转速。公式(1)的计算结果为转/分。

f(x₁,x₂,x₃,x₄)＝f₁(x₁)+k₁f₂(x₂,x₃)+k₂f₃(x₄) (1)

公式(1)中，x₁为操作手柄开度指令，范围为-100％至+100％，-100％代表需要绞车按照采矿车最大允许速度(相对于海平面)控制采矿车上升，+100％代表需要绞车按照采矿车最大允许速度(相对于海平面)控制采矿车下放，0代表需要采矿车不动(相对于海平面)。x₂为MRU测量的MRU安装点随着船体摇摆而产生在升沉方向相对海平面的位移，单位为mm。x₃为采矿车在升沉方向相对于目标位置(该目标位置可以为接收到启动主动波浪补偿指令的时刻)的位移量，单位为mm。x₄为MRU测量的MRU安装点随着船体摇摆而产生在升沉方向相对海平面的速度，单位为mm/s。

当x₁≠0(即目标速度不为0)时，k₁＝0，k₂＝1，是采矿车还未到底海底时，操作手柄，需要通过控制保证采矿车相对海平面的速度与手柄的目标速度一致，此时，f(x₁,x₂,x₃,x₄)＝f₁(x₁)+f₃(x₄)；当x₁＝0(即目标速度为0)时，k₁＝1，k₂＝0，是采矿车还未到底海底或者到底海底时，不操作手柄，需要通过控制保证采矿车相对海平面的位置不变，此时，f(x₁,x₂,x₃,x₄)＝f₂(x₂,x₃)。

下面分别对f₁(x₁)、f₂(x₂,x₃)、f₃(x₄)进行描述。

f₁(x₁)＝(x₁×V_max)÷(π×D_dja)×I (2)

其中，V_max为采矿车最大允许速度，单位为m/min，为固定值；I为马达与绞车的转速比，为固定值；D_dja为实时的绞车绕绳直径。

f₃(x₄)＝(x₄×60÷1000)÷(π×D_dja)×I (3)

其中，I为马达与绞车的转速比，为固定值；D_dja为实时的绞车绕绳直径。

D_dja＝D_dj+k_djad_s (4)

其中，D_dj为绞车卷筒的底径，为固定值，单位为m。d_s为钢丝绳的直径，为固定值，单位为m。k_dja为实时的满层绕绳层数。

其中，z_djjt为单层圈数，为固定值，函数ceil(x)定义为不小于x的最小整数。

m_djjt为实时相对于绞车压绳块(钢丝绳的起点)的实际缠绕圈数，可以采用多圈绝对值编码器的测量值进行计算，具体可以采用公式(6)计算：

m_djjt＝(E-E₀)÷(2^J) (6)

上式中，E为绞车编码器实时测量数值，E₀为钢丝绳压绳块处的绞车编码器测量数据，为固定值，J为编码器的单圈精度，为固定值。编码器与控制装置1之间采用SSI通讯形式，控制装置直接读取编码器的数值，本装置采用的编码器单圈精度为16位，J为16，则绞车转一圈，控制器读取编码器的数值变化为65536，则数据每变化1，代表变化1/65536圈。

f₂(x₂,x₃)采用不含积分的经典PID算法，公式如下：

f₂(x₂,x₃)＝{k_p(x₃-x₂)+k_d[(x₃^/-x₂^/)-(x₃-x₂)]}×60÷1000÷(π×D_dja)×I (7)

其中，k_p和k_d为设定系数，x₂为摇摆位移，x₃为采矿车在升沉方向上相对于目标位置的位移量，x₂^/为上一周期的x₂，x₃^/为上一周期的x₃，D_dja为实时的绞车绕绳直径，I为马达与绞车的转速比。

实现时，x₂，x₃可以每10ms周期更新一次，更新速度取MRU更新速度和控制器循环计算周期的更大值。k_p和k_d为在进行试验时整定的系数，本系统k_p＝4，k_d＝10。

其中，x₃可以根据钢丝绳放出的长度计算，例如等于钢丝绳当前缠绕在绞车上的长度与接收到启动主动波浪补偿指令的时刻时钢丝绳缠绕在绞车上的长度之差。下面对x₃的计算过程进行详细描述。x₃可以采用以下公式(8)-(15)计算。

x₃＝x₃₁-x₃₀ (8)

其中，x₃₁为采矿车实时相对于门架上出绳滑轮的距离，x₃₀为采矿车在波浪补偿按钮按下时刻，采矿车相对于门架上出绳滑轮的距离。

x₃₁＝L-L0-f₄(E) (9)

x₃₀＝L-L0-f₄(E₃₀) (10)

公式(9)和公式(10)中，L为钢丝绳的总长度，为固定值；L0为钢丝绳绞车出绳端至门架上出绳滑轮的距离，由于主动波浪补偿按钮按下后，门架不允许变动，故两式中的L0相等。f₄(E)为绞车上实时的缠绕钢丝绳长度，可以采用以下公式(11)计算，f₄(E₃₀)为在主动波浪补偿按钮按下时刻，绞车上的缠绕钢丝绳长度，E₃₀为主动波浪补偿按钮按下时刻，绞车编码器测量的数值。

由公式(8)-(10)可得：x₃＝f₄(E)-f₄(E₃₀) (11)

f₄(E)＝f₅(k_dja)+f₆(m_djjt) (12)

f₆(m_djjt)＝π(m_djjt-z_djjt·k_dja)(D_dj+k_dja·d_s) (14)

公式(12)中，f₅(k_dja)计算已缠绕满层的钢丝绳长度，f₆(m_djjt)计算最外层未满层的钢丝绳长度。例如钢丝绳已在第7层，则k_dja＝6，f₅(k_dja)计算前6层总缠绕长度，f₆(m_djjt)计算第7层的缠绕长度。

由公式(11)-(14)可得：

结合前述公式(6)即可计算出f₄(E)的值。f₄(E₃₀)也可以采用相同的方式进行计算，在此省略详细描述。

本发明实施例通过获取由船体摇摆所产生的在升沉方向上相对于海平面的摇摆位移和摇摆速度，并根据获取到的摇摆位移和摇摆速度，确定采矿车的实际目标速度，以对船体随波浪摇摆所带来的采矿车在升沉方向上的位移和/或速度进行补偿，减小采矿车撞击海底的危险。

图4为本发明实施例提供的采矿车布放回收系统的控制装置的结构框图，如图4所示，该控制装置包括：获取单元401和处理单元402。

其中，获取单元401用于获取由船体摇摆所产生的在升沉方向上相对于海平面的摇摆位移和摇摆速度。处理单元402用于确定采矿车升沉速度目标指令所指示的目标速度；当所述目标速度为0时，根据所述摇摆位移确定采矿车的实际目标速度；当所述目标速度不为0时，根据所述目标速度与所述摇摆速度确定采矿车的实际目标速度；按照所述实际目标速度控制所述采矿车的升降。

进一步地，所述处理单元402用于当所述目标速度不为0时，确定当前的绞车绕绳直径；根据所述当前的绞车绕绳直径和摇摆速度计算采矿车的补偿速度；将所述补偿速度和所述目标速度之和作为所述实际目标速度。

进一步地，所述处理单元402用于当所述目标速度为0时，确定采矿车在升沉方向上相对于目标位置的位移量；基于所述相对于目标位置的位移量和所述摇摆位移，采用经典比例-积分-微分算法，确定所述实际目标速度。

其中处理单元确定实际目标速度的方式可以参见前述方法实施例，在此省略详细描述。

需要说明的是：上述实施例提供的采矿车布放回收系统的控制装置在进行采矿车的升降控制时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的采矿车布放回收系统的控制装置与采矿车布放回收系统的控制方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。