专利名称：船尾液压工作平台升降的同步控制方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用于船舶制造技术领域的控制方法，特别是一种船尾液压工作平台升降的同步控制方法。
背景技术：
舵叶和螺旋桨是船舶主要部件，位于船尾底部，它们的特征是螺旋桨的直径大(≥Φ8米)，最大单件净重≥100吨，螺旋桨安装定位时的叶片外缘离船尾底面的空间距离小(小于螺旋桨半径)。舵叶的空间尺寸大(≥11米×8米×2.4米)，最大单件净重≥130吨。在安装过程中，为了实现舵叶和螺旋桨与安装销孔之间的精准定位和装配，必须保证主平台的高精度同步升降(同步升降精度控制在5mm以内)，这对于提高安装的精度和效率至关重要。随着现代数字控制技术的发展，采用数字闭环控制技术将大大提高平台的同步升降精度。舵叶和螺旋桨的安装都在船尾进行，即安装空间受船尾结构的限制，不能采用大型船台或船坞门吊进行安装。
随着现代装备技术的发展，采用专用的桨舵安装设备成为提高安装效率的关键，目前对于平台的同步升降采用的方式基本一样，即在平台的四个角设计四个主顶升油缸，通过四个主顶升油缸的同时升降来实现主平台的同步升降。如韩国的SHANG MIN、水山特工(SOOSAN)以及渤海船舶重工等研制的大型船尾桨舵安装设备。而采用不同的同步控制技术，使其同步控制精度在各个厂家的产品有很大的不同。
经对现有的技术查新发现，韩国水山特工(SOOSAN)的船尾工作平台装置，其主平台的同步升降采用3位四通换向阀控制顶升油缸的升降，采用四个恒流并联泵实现四个主顶升油缸的流量控制，在油缸升降时，保证四个油缸的油量相同，从而实现主平台的同步升降控制。由于四个油缸的油量一样，所以基本上能做到一个较好的同步精度。但当四个液压缸中任何一个缸内部或外部管路出现渗漏油现象时，由于四缸的供油系统不变，就会出现到达液压缸的油量产生偏差，造成油缸行程速度的不一致，平台非同步上升，严重时可能会损坏平台的机械结构。上述的同步方式，在使用初期，可以实现主平台较高精度的同步升降，但缺点是由于是开环控制，当负载发生变化或外部管路出现渗漏而致使阻尼发生变化时，其同步精度必然会发生变化，因此这种仅仅通过物理上的开环控制很难实现液压多缸的高精度同步，其动态品质和自适应性差，不能自动适应负载及外界环境的变化，同步精度低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供一种船尾液压工作平台升降的同步控制方法，使其取代传统的开环控制方法，实现数字化精密检测、补偿和闭环控制，实现平台的高精度同步升降且不受外界环境的变化。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明首先采用拉绳式位移传感器配合比例伺服阀建立液压顶升油缸升降的闭环控制，然后构建基于主/从(Master/Slave)控制策略的液压多缸闭环同步控制技术，再进行液压多缸同步升降系统的零点漂移控制，最后基于模糊推理实现PID参数的自适应在线自整定。
所述的采用拉绳式位移传感器配合比例伺服阀建立液压顶升油缸升降的闭环控制，是指液压平台的四个主顶升油缸采用拉绳式位移传感器，拉绳固定于活塞杆运动部件上，传感器安装在箱体外壳上，当油缸活塞上下运动时，带动拉绳作往复直线运动，其位置信号由传感器编码脉冲输出，位移信号通过PLC计数并进行分析计算，按照同步控制策略计算出相应的调节量，由PLC输出模拟信号控制比例伺服阀，对进入四个油缸的液压油流量进行实时调整，实现四个主顶升油缸的同步升降。
所述的基于主/从控制策略的液压多缸闭环同步控制技术，是指以其中一个油缸为主油缸，其它三个油缸为从油缸，从油缸以主油缸的运动位移为基准，相对于主油缸作跟随运动，在工作平台升降时，位移传感器实时监测顶升油缸的位移量，各个从油缸的位移传感器与主油缸的位移传感器的值相比较，其误差值经各自的PID控制器运算后控制比例伺服阀，相应地调节各个顶升油缸的流量，从而实现主平台的液压多缸的同步升降。
对于各个从油缸相对于主油缸的跟随运动，采用带死区的PID控制算法来实现运动的实时纠偏。由于负载的变化，油的渗漏，负载的不均性等都会影响系统的同步精度，为了提高系统的抗干扰能力，采用模糊推理实现PID参数的在线自整定。当系统的跟踪误差大于一定值时，系统根据当前误差及误差的变化率按照模糊控制规则在线对PID参数进行实时自整定，从而保证系统的同步不受外部环境的变化。
所述的液压多缸同步升降系统的零点漂移控制，是指由于比例伺服阀是非常精密的器件，在平台工作过程中，如果长时间处于通电状态，比例阀受温度等的影响，阀芯位置可能会发生零点漂移，这就导致即使控制系统没给它信号，顶升油缸可能会由于比例阀的零点漂移，也会发生缓慢的移动，这对实际操作过程的危害是相当大的。由于阀芯的零漂信号极小，如果通过建立阀芯位置的实时监测和反馈的小信号闭环控制策略，无疑会较大的增加系统的控制成本。为此提出了比例伺服阀的“即用即开，即停即关”的控制思想，即仅当要对四个主顶升油缸的任何一个进行操作时，才对其相应的伺服放大器供电，一旦操作完毕，即自行断开比例阀放大器的供电，这样就有效地防止了由于器件零点漂移带来的影响，保证了系统的可靠性和稳定性。
所述的基于模糊推理实现PID参数的自适应在线自整定，具体为在每一个调整周期，根据从油缸相对于主油缸的位移误差以及位移误差的变化率，先通过模糊推理对相应油缸的PID参数KP、KI，、Kd进行在线自整定，然后PID控制器再依据整定的PID控制参数进行误差调节量计算，然后经相应的比例伺服阀调节顶升油缸的流量，实现工作平台液压多缸的动态同步。实际运行表明自适应PID控制器能有效地改善系统的动态品质，提高了系统的自适应能力和抗干扰能力，对运行状态改变时模型变化的鲁棒性有较大的提高。
本发明具有以下特点拉绳式位移传感器配合比例伺服阀形成闭环控制，解决了开环控制的同步精度不高的问题，其控制精度直接由具体的控制算法决定，减少了油路路径、油的渗漏、负载变化等外部因素对系统控制特性的影响，保证了控制系统在长期运行时控制特性的一致性和稳定性。
基于Master/Slave的主/从同步控制策略控制思想新颖，思路简单，有效地解决了液压多缸的高精度同步升降问题。基于模糊推理的PID参数在线自整定有效地提高了系统的动态品质和鲁棒性。而简单而有效的防零漂技术则解决了在静态下的系统的自漂移问题，简单而实用。
采用本发明的液压多缸闭环同步控制技术，船尾液压工作平台在承受约250吨，空间尺寸≥11米×8米×2.4米的负载下，升降的同步精度可以始终控制在±3mm以内(现有技术同类产品最多只能控制在±10mm左右)，而且其闭环控制方式和自适应模糊PID在线自整定技术以及零漂控制技术使得系统的同步精度不受负载变化、液压油渗漏等外部环境的影响。整个系统控制精度高，动态品质好，鲁棒性强，较之现有技术的产品，其稳定性和可靠性都得到进一步提高。
图1为拉绳式编码器与比例伺服阀构成闭环控制原理2为本发明的液压工作平台主/从同步控制原理3为基于模糊推理的自适应PID控制图表1为自适应PID控制参数在线自整定模糊规则表具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例在250吨船尾液压工作平台上进行实施。如图1和2所示，本实施例采用西门子S7-300系列PLC作为系统的控制核心，模拟输出模块SM332的输出控制比例伺服阀，拉绳式直线位移传感器固定在活塞杆的运动部件上，传感器安装在箱体外壳上，当油缸活塞上下运动时，带动拉绳作往复直线运动，其精确位置信号由传感器编码脉冲输出。位移信号通过PLC计数并进行分析计算，按照液压多缸的同步控制策略由PLC输出模拟信号控制比例伺服阀，对进入四个油缸的液压油流量进行实时调整，实现四个主顶升油缸的精确同步。
假定以1#油缸为Master主油缸，而2～4#油缸为Slave从油缸。当工作平台升降时，各个高精度的拉绳式直线位移传感器实时测量四个油缸的运动位移，控制器S7-300按恒定的采样周期进行采样，读取各个编码器的脉冲量，以1#主油缸的运动位移为标准，计算各个从油缸相对于主油缸的运动位移偏差。如果从油缸的运动位移小于主油缸，则主控制器S7-300控制比例伺服阀增大油缸流量，提高从油缸的运动速度。如果从令油缸的运动位移大于主油缸，则主控制器S7-300控制比例伺服阀减小油缸流量，从而降低油缸的运动速度。当从油缸与主油缸的运动位移偏差小于设定的死区阈值，为维护运动的稳定性，避免进入运动振荡，控制系统不作调节。当位移偏差超出了系统允许的极限值，则系统报警输出，油缸同步运动停止。
在PID控制算法上，各个从油缸先与主油缸进行相对位移偏差比较，根据偏差量的大小以及相对于上一次的偏差变化率首先基于模糊控制规则对PID参数KP、KI，、Kd进行在线自整定，然后偏差量再通过PID控制算法以后，得到相应的数字控制量经D/A(数/模)转换以后直接控制相应的比例伺服阀，从而实现对各个从油缸的相对位移精细调节。
图2所示为根据各个从油缸相对于主油缸的相对位移偏差，控制器根据偏差和相对于上一次的偏差变化率通过模糊推理对PID参数的在线自整定，然后控制量再通过PID控制算法以后，经过D/A模块转化为模拟量进而控制比例伺服阀，实现对各个从油缸相对位移的精细调节，从而实现平台的高精度同步升降。显然，虽然四个油缸分布对称，但由于油路路径长短不同，四个角负载的变化等，每个油缸的PID控制器的PID参数和调节量也不尽相同，但在采用了基于主/从同步控制策略和自适应模糊PID控制器的条件下，系统能够克服外界各种因素的影响，实现系统的高精度同步。
为防止零点漂移，仅当在控制主平台升降时，才打开相应的比例伺服阀的电源，而在停止操作的时候，则立即自动断开相应的比例伺服阀的电源。采用这种“即用即开，即停即关”的控制策略，较为有效的防止了伺服阀零漂的发生，提高了系统的稳定性和可靠性。
如图3所示，为本发明基于模糊推理的自适应PID控制图。舵叶和螺旋桨由于其结构的特殊性，对平台四个顶升油缸来说，其负载不可能是均布的。显然对于这种大负载且分布不均的情况，通常要实现四缸的高精度同步，其调节时间是比较长的，采用自适应的PID控制是一种较好的解决方案。
由于负载的变化或外部干扰的影响，其对象特性参数或结构发生改变，导致整定的PID参数并不能很好的跟踪设定值以及抗干扰能力较差，为了提高系统的自适应能力，本实施例采用基于规则驱动的模糊控制实现PID参数的在线自整定。它由一个标准的PID控制器和一个模糊Fuzzy自调整机构组成，模糊自调整机构以误差e和误差的变化率ec作为输入，通过Fuzzy推理做出相应的决策，在线整定PID参数KP、KI，、Kd，以期获得满意的控制效果。
自适应模糊PID控制器可以满足不同时刻的误差e和误差的变化率ec对PID参数自整定的要求。设e和ec的模糊子集选取如下词集e，ec＝{NB，NM，NS，0，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。比例系数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。KP越大，响应速度越快，调节精度越高，但易超调，甚至会导致系统不稳定。KP过小，则会降低调节精度，响应速度变慢，从而延长调节时间，系统的静态、动态特性变坏。积分作用系数KI的作用是消除系统的稳态误差。KI越大，静态误差消除越快，但KI过大，在初期易产生积分饱和现象，引起响应过程的较大超调，但KI过小，系统静态误差难以消除，影响系统调节精度。微分作用系数KD的作用是改善系统的动态特性，主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向变化，对偏差的变化进行提前预报。但KD过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，降低系统的抗干扰性能。
从系统的稳定性，响应速度，超调量和稳态精度等各方面综合考虑，对PID控制参数KP、KI，、Kd分别建立了如下表1的实时模糊控制规则表1自适应PID控制参数在线自整定模糊规则表
从表1中可以看出，当误差e及误差的变化率ec都为负大的时候，表明实际位移值与期望的目标值相差较大，而且正在加剧这种变化趋势，显然为尽快缩小与目标值的差距，这个时候应使比例系数KP为正大，而为消除静态误差的影响，积分参数KI为负大，由于比例系数为正大，为改善系统的动态响应特性，防止超调，微分系数Kd应为正小，其它情况类似分析。
设误差e和误差变化率ec的论域为e，ec＝{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，e，ec和KP、KI，、Kd的模糊子集的隶属函数均服从正态分布的高斯函数，根据表1的模糊控制规则应用模糊合成推理并采用重心法进行逆模糊化后，得到PID参数的模糊矩阵查询表。在线运行过程中，控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算，完成对PID参数的在线自整定。自整定公式如下KP=KP′+{ei,eci}pKI=KI′+{ei,eci}iKD=KD′+{ei,eci}d]]>式中{ei，eci}p，{ei，eci}i，{ei，eci}d为根据模糊规则得到的PID参数修正值。Kp，Kt，Kd为在线自整定后新的PID控制参数的取值。
使用本发明实现了船尾液压工作平台的液压多缸的高精度同步，其同步精度控制在±3mm以内，动态控制品质高，鲁棒性强，平台的同步升降基本不受外界环境的影响，使用本发明进行船舶螺旋桨和舵叶的安装，使生产周期大大缩短，原安装一套螺旋桨和舵叶需一周的时间，现只需一天时间就能完成，同时操作的安全性也大大增加。
权利要求
1.一种船尾液压工作平台升降的同步控制方法，其特征在于首先采用拉绳式位移传感器配合比例伺服阀建立液压顶升油缸升降的闭环控制，然后构建基于主/从控制策略的液压多缸闭环同步控制技术，再进行液压多缸同步升降系统的零点漂移控制，最后基于模糊推理实现PID参数的自适应在线自整定。
2.根据权利要求1所述的船尾液压工作平台升降的同步控制方法，其特征是，所述的采用拉绳式位移传感器配合比例伺服阀建立液压顶升油缸升降的闭环控制，是指液压平台的四个主顶升油缸采用拉绳式位移传感器，拉绳固定于活塞杆运动部件上，传感器安装在箱体外壳上，当油缸活塞上下运动时，带动拉绳作往复直线运动，其位置信号由传感器编码脉冲输出，位移信号通过PLC计数并进行分析计算，按照同步控制策略由PLC输出模拟信号控制比例伺服阀，实时调整四个主顶升油缸的液压油流量，从而实现四个主顶升油缸的同步升降。
3.根据权利要求1所述的船尾液压工作平台升降的同步控制方法，其特征是，所述的基于主/从控制策略的液压多缸闭环同步控制技术，是指以其中一个油缸为主油缸，其它三个油缸为从油缸，从油缸以主油缸的运动位移为基准，相对于主油缸作跟随运动，在平台升降时，位移传感器实时监测顶升油缸的位移量，各个从油缸位移与主油缸的位移实时比较，其误差值经各自的PID控制器运算后控制比例伺服阀，实时调节各主顶升油缸的流量，实现工作平台的同步升降。
4.根据权利要求3所述的船尾液压工作平台升降的同步控制方法，其特征是，所述的基于主/从控制策略的液压多缸闭环同步控制技术，具体为假定以1#油缸为主油缸，而2～4#油缸为从油缸，当工作平台升降时，各个高精度的拉绳式直线位移传感器实时测量四个油缸的运动位移，主控制器按恒定的采样周期进行采样，读取各个编码器的脉冲量，以1#主油缸的运动位移为标准，计算各个从油缸相对于主油缸的运动位移偏差；如果从油缸的运动位移小于主油缸，则主控制器控制比例伺服阀增大油缸流量，提高从油缸的运动速度；如果从令油缸的运动位移大于主油缸，则主控制器控制比例伺服阀减小油缸流量，从而降低油缸的运动速度；当从油缸与主油缸的运动位移偏差小于设定的阈值时，控制系统不作调节；当位移偏差超出了系统允许的极限值，则系统报警输出，油缸同步运动停止。
5.根据权利要求1所述的数字化船尾液压工作平台的多缸同步控制方法，其特征是，所述的液压多缸同步升降系统的零点漂移控制，采用“即用即开，即停即关”的策略，即仅当要对四个主顶升油缸的任何一个进行操作时，才对其相应的伺服放大器供电，一旦操作完毕，即自行断开比例阀放大器的供电。
6.根据权利要求1所述的数字化船尾液压工作平台的多缸同步控制方法，其特征是，所述的基于模糊推理实现PID参数的自适应在线自整定，具体为在每一个调整周期，系统先根据的从油缸本次相对于主油缸的位移误差以及相对于上次的误差变化率，先通过模糊推理实现相应油缸的PID参数的在线自整定，然后PID控制器在根据整定的PID控制参数进行误差调节量计算，然后经相应的比例伺服阀调节顶升油缸的流量，实现工作平台的动态同步升降。
全文摘要
一种用于船舶制造技术领域的船尾液压工作平台升降的同步控制方法，首先采用拉绳式位移传感器配合比例伺服阀建立液压顶升油缸升降的闭环控制，然后构建基于Master/Slave主/从控制策略的液压多缸闭环同步控制技术，再进行液压多缸同步升降系统的零点漂移控制，最后基于模糊推理实现PID参数的自适应在线自整定。使用本发明实现了船尾液压工作平台的液压多缸的高精度同步，其同步精度控制在±3mm以内，动态控制品质高，鲁棒性强，平台的同步升降基本不受外界环境的影响，使用本发明进行船舶螺旋桨和舵叶的安装，使生产周期大大缩短，原安装一套螺旋桨和舵叶需一周的时间，现只需一天时间就能完成，同时操作的安全性也大大增加。
文档编号G05D3/20GK101054154SQ20071004147
公开日2007年10月17日 申请日期2007年5月31日 优先权日2007年5月31日
发明者张轲, 胡永强, 金鑫, 俞海良, 涂宝新, 杨海澜, 石忠贤 申请人:上海交通大学