一種用於拖曳纜繩張力恆定的控制方法與流程
2023-05-24 16:02:51 1
本發明涉及海洋平臺用拖曳絞車的主動式恆張力控制系統，具體地說是一種用於拖曳纜繩張力恆定的控制方法。
背景技術：
海洋平臺用拖曳絞車恆張力控制系統是海洋工程技術的重點研究對象，因為水下拖曳系統作為人類探索海洋的一種重要工具，在海洋學研究、海底資源開發、海洋打撈救助以及水下目標探測等方面具有廣泛的應用。其應用領域包括拖動拖曳式探測聲納以及拖曳式CTD剖面儀等民用及軍事用途的海洋探測傳感器設備。在這些應用過程中都需要對拖纜的張力進行控制，以免由於張力過大造成拖纜或者海洋儀器損壞，或者張力過小造成拖曳纜繩與海洋儀器的通訊電纜發生纏繞。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的上述不足之處，本發明要解決的技術問題是提供一種能實現穩定、準確、可靠地將海洋平臺用拖曳絞車纜繩上的張力維持在恆定值的控制方法。
本發明為實現上述目的所採用的技術方案是：一種用於拖曳纜繩張力恆定的控制方法，包括以下步驟：
步驟1：實時檢測纜繩張力測量值Fc(k)，並採用數字濾波器進行處理，得到纜繩張力實際值Fr(k)；
步驟2：纜繩張力實際值Fr(k)與纜繩張力設定值FS進行差值運算，得出k時刻纜繩張力誤差e(k)及張力誤差變化率△e(k)：
e(k)＝Fs-Fr(k)；
△e(k)＝e(k)-e(k-1)；
步驟3：設計混合模糊P+ID控制器，並將纜繩張力誤差e(k)及張力誤差變 化率△e(k)作為輸入信號，輸出信號為拖曳絞車的電控比例方向閥控制信號u(k)。
所述步驟1具體為：
採用的數字濾波器為：Fr(k)＝H(k)Fc(k)，
傳遞函數為：
得到纜繩張力實際值：
Fr(k)＝0.999556Fc(k)-1.999112Fc(k-1)+0.999556Fc(k-2)+1.999111Fr(k-1)-0.999112Fr(k-2)。
所述混合模糊P+ID控制器為：
u(k)＝u(k-1)+△u(k),
其中，△u(k)為拖曳絞車的電控比例方向閥控制信號u(k)的增量，T為採樣周期，KI是積分控制項係數，KD是微分控制項係數，KFP是比例控制項係數；f(k)是模糊P+ID控制器的輸出，e(K)為k時刻纜繩張力誤差。
所述f(k)的計算具體包括：
S1：採用模糊隸屬度函數(Neg,Zero,Pos)，將混合模糊P+ID控制器的兩個輸入纜繩張力誤差e(k)和張力誤差變化率△e(k)，及輸出信號f(k)同時映射到區間[-m，m]，得到：e(k)的隸屬度μ(ei(k))、△e(k)的隸屬度μ(△ei(k))；
S2：根據模糊規則庫中的規則得到輸出變量fi(k)；
採用MAX-MIN推理方法μi(fi(k))＝min(μ(ei(k)),μ(△ei(k)))計算輸出信號f(k)的隸屬度μi(fi(k))：
S3：採用「center of mass」方法計算f(k)；
其中，m為預設整數；Neg代表負值，Zero代表零，Pos代表正值；模糊規則庫中有N條規則，i為N的索引。
所述e(k)的隸屬度μ(ei(k))分別為：
(1)e(k)屬於Pos取值的隸屬度為
(2)e(k)屬於Zero取值的隸屬度為
(3)e(k)屬於Neg取值的隸屬度為
所述△e(k)的隸屬度μ(△ei(k))分別為：
(1)△e(k)屬於Pos取值的隸屬度為
(2)△e(k)屬於Zero取值的隸屬度為
(3)△e(k)屬於Neg取值的隸屬度為
所述模糊規則庫中有9條規則，分別為：
i＝1時：If e(k)屬於Neg並且變化率△e(k)屬於Neg，則fi(k)取值為Neg；
i＝2時：If e(k)屬於Neg並且變化率△e(k)屬於Zero，則fi(k)取值為Neg；
i＝3時：If e(k)屬於Neg並且變化率△e(k)屬於Pos，則fi(k)取值為Zero；
i＝4時：If e(k)屬於Zero並且變化率△e(k)屬於Neg，則fi(k)取值為Neg；
i＝5時：If e(k)屬於Zero並且變化率△e(k)屬於Zero，則fi(k)取值為Zero；
i＝6時：If e(k)屬於Zero並且變化率△e(k)屬於Pos，則fi(k)取值為Pos；
i＝7時：If e(k)屬於Pos並且變化率△e(k)屬於Neg，則fi(k)取值為Zero；
i＝8時：If e(k)屬於Pos並且變化率△e(k)屬於Zero，則fi(k)取值為Pos；
i＝9時：If e(k)屬於Pos並且變化率△e(k)屬於Pos，則fi(k)取值為Pos。
本發明具有以下優點及有益效果：
1.本發明的控制系統是一種主動式恆張力控制系統，與傳統的被動式恆張力控制系統相比，具有控制精度高，系統發熱量小的優點。
2.本發明的控制系統可以直接移植到現有被動式恆張力絞車控制系統上，只需安裝一個軸銷式張力傳感器，改造成本低，擴展性強。
3.本發明的混合模糊P+ID的控制器的恆張力控制系統，用模糊控制器代替了傳統PID的比例項，改善了傳統PID在用於液壓絞車這類的非線性系統時，控制精度低，魯棒性差的不足之處，同時保留了傳統PID控制器的積分項和微分項，起到了消除穩態誤差和改善動態特性的作用。而相比其它模糊PID控制器，本方法只有一個模糊輸出變量，簡化了模糊規則庫及模糊隸屬度函數的建立過程。
4.本發明的混合模糊P+ID控制器的恆張力控制系統，由於只用模糊控制器代替了傳統PID的比例項，因此不會改變控制系統的線性關係。
附圖說明
圖1為本發明方法方框圖；
圖2為本發明方法中混合模糊P+ID的控制器傳遞函數框圖；
圖3為本發明方法中模糊隸屬度函數示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。
如圖1所示，本發明將纜繩張力實際值作為反饋變量與纜繩張力設定值一同給到控制器輸入端，由控制器輸出控制信號給到液壓閥控馬達系統的雙向電控比例閥，該控制信號將驅動液壓馬達，並經過減速機降低轉動速度後，驅動拖曳纜繩進行收放運動。
步驟一，對纜繩張力進行實時檢測，得出纜繩張力測量值Fc(k)，採用數字濾波器對其進行處理，濾波器的傳遞函數為通過設計的濾波器進行處理後，得到k時刻的纜繩張力實際值Fr(k)。濾波器的輸出數列為Fr(k)＝H(k)Fc(k)，其中
Fr(k)＝0.999556Fc(k)-1.999112Fc(k-1)+0.999556Fc(k-2)+1.999111Fr(k-1)-0.999112Fr(k-2)
其中Fc(k)為測量的數據，Fr(k)為濾波後得到的數據。
步驟二，所述的纜繩張力實際值Fr(k)與纜繩張力設定值Fs進行差值運算，得出兩者的差值e(k)及差值變化率△e(k)。計算方法如下：
e(k)＝Fs-Fr(k)
△e(k)＝e(k)-e(k-1)
步驟三，所述基於混合模糊P+ID的恆張力控制方法如下：
圖2所示為混合模糊P+ID的控制器的控制方框圖，該模糊控制器有兩個輸入信號纜繩張力誤差e(k)和纜繩張力誤差的變化率△e(k)，輸出為拖曳絞車的電控比例方向閥控制信號u(k)，控制方程如下：
u(k)＝u(k-1)+△u(k),
其中，△u(k)為拖曳絞車的電控比例方向閥控制信號u(k)的增量，T為採樣周期，KI是積分控制項係數，KD是微分控制項係數，KFP是比例控制項係數；f(k)是模糊P+ID控制器的輸出，e(K)為k時刻纜繩張力誤差。
為了方便計算，本方法將輸入變量和輸出變量同時映射到區間[-1，1]，然後採用模糊隸屬度函數(Neg,Zero,Pos)將模糊P+ID控制器的兩個輸入張力誤差e(k)和張力誤差的變化率△e(k)，及輸出信號f(k)進行模糊處理，得到：e(k)的隸屬度μ(ei(k))、△e(k)的隸屬度μ(△ei(k))。圖3所示為輸入變量及輸出變量的模糊隸屬度函數，Neg代表負值，Zero代表零，Pos代表正值。
所述e(k)的隸屬度μ(ei(k))分別為：
(1)e(k)屬於Pos取值的隸屬度為
(2)e(k)屬於Zero取值的隸屬度為
(3)e(k)屬於Neg取值的隸屬度為
所述△e(k)的隸屬度μ(△ei(k))分別為：
(1)△e(k)屬於Pos取值的隸屬度為
(2)△e(k)屬於Zero取值的隸屬度為
(3)△e(k)屬於Neg取值的隸屬度為
則第i個規則時，模糊規則庫由輸入變量ei(k)、△ei(k)及輸出變量fi(k)組成，可表示為：If ei(k)is Ai and △ei(k)is Bi then fi(k)is Ci,
其中Ai、Bi分別為在規則i時的輸入變量ei(k)、△ei(k)的模糊子集，Ci為在規則i時的輸出變量fi(k)的模糊子集；通過大量仿真和試驗的研究，本文設計的恆張力絞車控制系統包含9個規則，i的取值範圍i＝1，2，3，…，9的整數；具體規則庫見表一所示。根據模糊規則庫中的規則得到輸出變量fi(k)；
9個規則如下所示：
規則1：If e(k)屬於Neg並且變化率△e(k)屬於Neg，則fi(k)取值為Neg；
規則2：If e(k)屬於Neg並且變化率△e(k)屬於Zero，則fi(k)取值為Neg；
規則3：If e(k)屬於Neg並且變化率△e(k)屬於Pos，則fi(k)取值為Zero；
規則4：If e(k)屬於Zero並且變化率△e(k)屬於Neg，則fi(k)取值為Neg；
規則5：If e(k)屬於Zero並且變化率△e(k)屬於Zero，則fi(k)取值為Zero；
規則6：If e(k)屬於Zero並且變化率△e(k)屬於Pos，則fi(k)取值為Pos；
規則7：If e(k)屬於Pos並且變化率△e(k)屬於Neg，則fi(k)取值為Zero；
規則8：If e(k)屬於Pos並且變化率△e(k)屬於Zero，則fi(k)取值為Pos；
規則9：If e(k)屬於Pos並且變化率△e(k)屬於Pos，則fi(k)取值為Pos。
表一
採用MAX-MIN推理方法得出：
μi(fi(k))＝min(μ(ei(k)),μ(△ei(k)))
其中，μi(fi(k))是輸出變量fi(k)的隸屬度，μ(ei(k))、μ(△ei(k))分別是輸入變量ei(k)、△ei(k)的隸屬度值。
解模糊化採用「center of mass」方法。如下所示：
其中，μi(fi(k))是輸出變量fi(k)的隸屬度，fi(k)是相應的控制器輸出變量，N是規則數量，i為N的索引。通過解模糊化運算可以得到控制變量的精確值，得出f(k)後將其帶入模糊P+ID控制器後即可求解出輸出到電控液壓比例閥的控制變量u(k)。