[發明專利]深水安裝升沉補償反饋控制系統

在審

• 申請號: 201811097522.2
• 申請日: 2018-09-20
• 公開（公告）號: CN109917643A
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發明（設計）人: 武云霞
• 申請（專利權）人: 青島農業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 李宏偉

1.深水安裝升沉補償反饋控制系統，其特征在于：包括控制系統、檢測系統、液壓驅動系統和機械執行系統；首先檢測母船的運動信號，求得起重吊點的升沉運動信號，由安裝在絞車上的旋轉編碼器和安裝在纜繩上的非接觸式張力傳感器分別測得的吊放重物實際升沉速度和纜繩的實際張力值，把所有的檢測信號傳送到計算機控制系統，通過升沉補償系統無模型自適應控制器數學模型，控制系統運算得出反饋偏差量，并按給定的控制算法控制絞車的收放運動，進行速度和張力補償，使吊放重物以相對靜止的速度、下放到水下平臺，并保證纜繩張力在一定范圍內。

2.按照權利要求1所述深水安裝升沉補償反饋控制系統，其特征在于：所述控制系統由信號檢測系統、控制器處理單元及后置驅動系統三大功能模塊組成；信號檢測系統包括MRU運動參考單元、張力傳感器、旋轉編碼器和前置數據處理模塊；前置數據處理模塊用于對傳感器輸出的電壓及電流信號進行轉換、濾波，最終得到滿足控制器I/O端口要求的電流和電壓信號；信號檢測系統對下列信號進行檢測與處理：

1)母船姿態運動信號檢測

采集船舶姿態運動信號的方式多種多樣，利用MUR運動參考單元檢測工作母船的橫傾、縱傾、升沉加速度信號，通過積分得到速度信號，利用所得到的母船姿態運動信號通過坐標變換求得起重吊點的升沉運動信號，作為控制系統的干擾信號；

2)補償反饋信號檢測

補償反饋信號是吊放重物的下放速度信號和纜繩張力信號，旋轉編碼器用于檢測液壓馬達轉速，由檢測出的液壓馬達轉速計算得到吊放重物實際的垂向運動速度，并與給定的速度信號進行比較，最終得到速度補償的偏差信號，纜繩的瞬時張力由張力傳感器檢測得到，并與給定張力值比較得到的張力偏差信號，控制纜繩的張力進行補償；

控制器處理單元包括反饋控制器和預報控制器；反饋控制器采用速度和張力反饋控制和擾動前饋預報控制相結合的復合控制策略，對速度和張力進行反饋控制，預報控制器作用是擾動前饋控制，利用起重吊點升沉運動的預報對系統的擾動信號產生控制作用，削弱擾動信號對被控制量的影響，根據補償目標和控制系統性能要求，通過預測起重吊點的下一步的運動姿態，有效地產生理想的控制信號，及時修正，克服系統的時滯特性，提高控制系統的動態反映能力和控制精度，以削弱母船姿態運動對吊放重物垂向運動的影響，后置驅動系統包括液壓系統及機械執行系統，用以進行執行控制器處理單元的命令。

3.按照權利要求1所述深水安裝升沉補償反饋控制系統，其特征在于：所述升沉補償系統無模型自適應控制器數學模型為：

y(k+1)＝f(y(k),L,y(k-n_y),u(k),L,u(k-n_u)) (1)

其中，u(k)∈R^m,y(k)∈R分別表示k時刻系統的輸入和輸出；n_y,n_u是兩個位置的正整數；是未知的時變非線性函數；

反饋控制系統的被控對象-纜繩和吊放重物的離散數學模型(1)的每一個采樣時刻k，系統輸入輸出可控制，對任何給定的一致有界的系統期望輸出信號，f_i(L),i＝1,L,m關于第(n_y+2)個變量的每個分量具有連續的偏導數，并且系統(1)滿足廣義Lipschitz條件，即對任意k₁≠k₂，k₁,k₂≥0和u(k₁)≠u(k₂)有

||y(k₁+1)-y(k₂+1)||≤b||u(k₁)-u(k₂)|| (2)

其中，y(k_i+1)＝f(y(k_i),L,y(k_i-n_y),u(k_i),L,u(k_i-n_u)),i＝1,2，b＞0是一個常數；

如果系統滿足以上假設，當||Δu(k)||≠0時，MISO離散時間非線性系統(2)一定存在一個被稱為偽梯度的時變參數向量的偽Jacobi矩陣(PJM)Φ(k)，使得

Δy(k+1)＝Φ^T(k)Δu(k) (3)

其中，Δy(k+1)＝y(k+1)-y(k)，Δu(k)＝u(k)-u(k-1)，并且對所有時刻k，Φ(k)是有界的，

式(3)是非線性MISO數學模型(1)的折線化等效方程，設定控制輸入準則函數為：

J(u(k))＝|y*(k+1)-y(k+1)|²+γ|u(k)-u(k-1)|² (4)

其中y*(k+1)是系統期望跟蹤信號；γ是一個正的權重系數，為了得到良好的控制效果及性能，不同的非線性系統又有不同的取值范圍，一般γ值越小，控制系統響應時間越快，但超調量可能變大，系統的穩定性變差，將式(3)代入準則函數(4)中，并使自適應升沉補償系統的控制律為：

其中，步長因子ρ∈(0,1]；u(k)∈R^m,y(k)∈R分別表示k時刻系統的輸入和輸出；y*(k+1)是系統期望跟蹤信號，γ是一個正的權重系數；

參數估計的準則函數為：

令得到偽偏導數φ(k)的參數估計方程為：

其中，因子η∈(0,2]的常數，是PJMΦ(k)的估計值；

若或則

其中，是的初值。