專利名稱：拖網漁船曳綱絞機半實物仿真試驗平臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及遠洋拖網漁船捕撈絞機試驗裝置，尤其涉及拖網曳綱絞機半實物仿真試驗平臺。
背景技術：
大型遠洋拖網漁船進行拖網捕撈作業時，拖網的控制是十分關鍵的，其控制水平 直接影響到捕撈效果，然而拖網曳綱絞機距離拖網網具達上千米，遠距離及非線性因素的 影響大大提高了拖網網具的控制難度，同時波浪的升沉作用會直接導致拖網網口及曳綱張 力的變化，拖網網口的變化會導致拖網掃海面積的減小，曳綱的張力變化會導致拖網網具 的變形，因此，拖網曳綱絞機的控制不當不僅會導致漁獲降低，嚴重時甚至會造成曳綱斷裂 以及捕撈設備的損壞，可見，拖網曳綱絞機必須根據工況特點及作業要求實時調整曳綱收、 放速度以獲得合適的拖網位置及曳綱張緊力。為提高拖網捕撈作業中拖網的控制性能，提 升拖網控制系統的可靠性與安全性，曳綱絞機系統的設計與試驗應充分考慮復雜海況條 件，然而曳綱絞機系統進行海上試驗的機會少、成本高，具有較大的風險，這給曳綱絞機系 統的設計和試驗帶來了很大的困難，因此模擬真實海上環境，搭建曳綱絞機陸上測試試驗 平臺是十分必要的。基于RT-LAB實時仿真環境，通過宿主機-目標機模式，搭建了硬件在回路的半 實物仿真試驗平臺，在宿主機中建立拖網曳綱及網具離散數學模型及控制器的數學模型， 編譯為實時C代碼后下載到目標機內存中，并在目標機上實時運行得到曳綱張力及網位信 息，通過數據采集卡控制試驗平臺纜繩張力實現拖網負載的模擬。基于硬件在回路的負載 模擬方法建立的拖網曳綱絞機半實物仿真試驗平臺，可用于曳綱絞機液壓系統及控制器的 設計和試驗，曳綱絞機半物理仿真試驗平臺的搭建縮短了拖網曳綱絞機控制系統的設計周 期，簡化了曳綱絞機設計流程，大大降低了試驗成本，提高了拖網曳綱絞機的可靠性，具有 很強的實用價值。
發明內容
本發明的目的在于提供一種拖網漁船曳綱絞機半實物仿真試驗平臺，用于拖網漁 船曳綱絞機系統的設計和試驗，可解決傳統海上試驗的風險大、成本高的問題，縮短了曳綱 絞機電液系統的開發周期。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是包括宿主機、兩臺目標機、數據采集卡、轉角編碼器、扭矩傳感器、液壓絞機、液壓 馬達、安全閥、四個單向閥、伺服比例閥、纜繩、液壓源、油箱；宿主機和第一臺目標機和第二 臺目標機通過以太網連接，第一臺目標機與第二臺目標機通過IEEE 1394火線連接，第一 臺目標機PCI插槽內安裝有數據采集卡，數據采集卡的輸入端分別與轉角編碼器和扭矩傳 感器連接，數據采集卡的輸出端與伺服比例閥連接，液壓源的出油口與伺服比例閥進油口 P1連通，伺服比例閥出油口 A1與液壓馬達的a腔、第一單向閥的進油口及第三單向閥的出油口連通，伺服比例閥出油DB1與液壓馬達的b腔、第二單向閥的進油口及第四單向閥的 出油口連通，伺服比例閥回油口 T1與油箱連通，安全閥的進油口 P2與第一單向閥的出油口 及第二單向閥的出油口連通，安全閥的出油口 T2與第三單向閥的進油口及第四單向閥的進 油口連通回油箱，纜繩的一端與液壓絞機連接，纜繩的另一端與被試拖網曳綱絞機電液控 制系統中的曳綱絞機連接。所述的宿主機中建立拖網曳綱及網具的離散數學模型及液壓系統控制器數學模 型，編譯為實時C代碼并經RT-LAB軟件進行節點配置后，拖網曳綱及網具的離散數學模型 實時代碼下載至第二臺目標機內存中，控制器數學模型實時代碼下載至第一臺目標機內存 中。本發明具有的有益效果是 (1)本發明基于RT-LAB實時環境，采用雙目標節點配置方式進行實時仿真，一個 目標節點用于計算拖網曳綱阻力和拖網網位，另一個目標節點控制伺服比例閥閥口開度實 現曳綱張力的實時模擬，采用硬件在回路的實時仿真方法搭建的陸上試驗平臺，有效解決 了拖網漁船曳綱絞機海上試驗難的問題。(2)本發明建立的曳綱絞機半實物仿真試驗平臺，可用于曳綱絞機收、放拖網工況 下拖網負載的模擬，并可模擬真實海況下的拖網網位。(3)本發明可通過修改宿主機中的曳綱及網具數學模型，實現不同工況下捕撈過 程的模擬，還可用于其它捕撈絞機的試驗，具有很好的通用性。
圖1是本發明的工作原理圖。圖2是本發明目標機模型圖。圖3是本發明曳綱及網具離散數學模型求解流程圖。圖中1、宿主機；2-1，2-2、目標機；3、數據采集卡；4、轉角編碼器；5、扭矩傳感器； 6、液壓絞機；7、液壓馬達；8-1，8-2、安全閥；9-1，9-2，9-3，9-4、單向閥；10、伺服比例閥； 11、纜繩；12、液壓源；13、油箱；14、曳綱絞機。
具體實施例方式如圖1所示，本發明包括宿主機1、兩臺目標機2-1，2-2、數據采集卡3、轉角編碼 器4、扭矩傳感器5、液壓絞機6、液壓馬達7、安全閥8、四個單向閥9-1，9-2，9-3，9_4、伺服 比例閥10、纜繩11、液壓源12、油箱13 ；宿主機1和第一臺目標機2-1和第二臺目標機2_2 通過以太網連接，第一臺目標機2-1與第二臺目標機2-2通過IEEE 1394火線連接，第一臺 目標機2-1 PCI插槽內安裝有數據采集卡3，數據采集卡3的輸入端分別與轉角編碼器4 和扭矩傳感器5連接，數據采集卡3的輸出端與伺服比例閥10連接，液壓源12的出油口與 伺服比例閥10進油口 P1連通，伺服比例閥10出油口 A1與液壓馬達7的a腔、第一單向閥 9-1的進油口及第三單向閥9-3的出油口連通，伺服比例閥10出油口 B1與液壓馬達7的b 腔、第二單向閥9-2的進油口及第四單向閥9-4的出油口連通，伺服比例閥10回油口 T1與 油箱13連通，安全閥8的進油口 P2與第一單向閥9-1的出油口及第二單向閥9-2的出油 口連通，安全閥8的出油口 T2與第三單向閥9-3的進油口及第四單向閥9-4的進油口連通回油箱13，纜繩11的一端與液壓絞機6連接，纜繩11的另一端與被試拖網曳綱絞機電液控 制系統中的曳綱絞機14連接。所述的宿主機1中建立拖網曳綱及網具的離散數學模型及液壓系統控制器數學 模型，編譯為實時C代碼并經RT-LAB軟件進行節點配置后，拖網曳綱及網具的離散數學模 型實時代碼下載至第二臺目標機2-2內存中，控制器數學模型實時代碼下載至第一臺目標 機2-1內存中，數據采集卡3采集轉角編碼器4和扭矩傳感器5的信號，采集的數據經PCI 總線由第一臺目標機2-1調用，第二臺目標機2-2通過IEEE 1394火線與第一臺目標機2_1 進行數據傳輸并獲得角位移信息，并根據采集的數據對離散模型進行實時解算，得到拖網 曳綱張力及網位信息，第一臺目標機2-1通過數據采集卡3的輸出對伺服比例閥10閥口開 度進行調節，控制液壓馬達7的a、b腔壓差，實現對纜繩11張力的控制，進而實現曳綱絞機 14拖網阻力的實時模擬，第一臺目標機2-1計算結果經以太網傳輸至宿主機1進行實時監 測。 拖網漁船曳綱絞機半實物仿真試驗平臺進行收網試驗時，試驗平臺液壓系統模擬 收網時拖網阻力工況，曳綱絞機14主動轉動并經纜繩11拉動液壓絞機6轉動，液壓馬達7 受迫轉動，此時伺服比例閥10處于左位，進油口 P1和出油口 A1連通，回油口 T1和出油口 B1 連通，液壓源12油液流入伺服比例閥10進油口 P1,經伺服比例閥10出油口 A1流出，流出 的液壓油進入液壓馬達7的a腔，液壓馬達7的b腔液壓油承受高壓作用，液壓馬達7的b 腔液壓油進入伺服比例閥10出油口 B1,經伺服比例閥10回油口 T1流回油箱13，液壓馬達 7a、b腔壓差由伺服比例閥10調定，油箱13對液壓馬達7的a腔進行補油，防止液壓馬達7 的a腔發生吸空。拖網漁船曳綱絞機半實物仿真試驗平臺進行放網試驗時，試驗平臺液壓 系統模擬放網時拖網阻力工況，液壓絞機6主動轉動并經纜繩11拉動曳綱絞機14轉動，此 時伺服比例閥10處于右位，進油口 P1和出油口 B1連通，回油口 T1和出油口 A1連通，液壓源 12油液流入伺服比例閥10進油口 P1,經伺服比例閥10出油口 B1流出，流出的液壓油進入 液壓馬達7的b腔，液壓馬達7的a腔液壓油進入伺服比例閥10出油口 A1,經伺服比例閥 10回油口 T1流回油箱，液壓馬達7a、b腔壓差由伺服比例閥10調定。當液壓馬達7的b腔 油壓高于安全閥壓力時，油液經第一單向閥9-1流入安全閥8進油口 P2,經安全閥8回油口 T2流回油箱13。如圖2所示，曳綱及網具離散數學模型以及液壓系統控制器數學模型分別在第一 臺目標機2-1和第二臺目標機2-2中實時運行，第二臺目標機2-2根據數據采集卡3采集 到的轉角編碼器4數據對離散模型參數進行更新，并實時解算得到曳綱張力及拖網網位信 息，計算結果通過IEEE 1394火線傳遞給第一臺目標機2-1，第一臺目標機2-1內控制器數 學模型將數據采集卡3采集到的扭矩信息與計算得到扭矩數值進行比較，比較結果經控制 補償后輸出給數據采集卡3，數據采集卡3通過調整伺服比例閥10閥口開度，實現對液壓馬 達7的a、b腔壓差的控制，進而實現對纜繩11張力的控制，最終實現收、放網工況拖網阻力 的模擬。基于MATLAB/Simulink軟件環境，采用C-MEX語言編寫了曳綱及網具的離散數學 方程，封裝為S-Fimction模塊后在Simulink中進行調用，拖網曳綱及網具離散數學模型如 下建立拖網曳綱慣性坐標系0-i jk及微元局部坐標系P-tnb，0為拖點位置，0i, Oj分別平行于船首向和船舶右舷正橫方向，Ok垂直水面向下；P為曳綱上某一點，Pt為曳綱某 點的切線方向，Pb在水平面上，Pn垂直Pt、Pb平面，慣性坐標系o-ijk經過三次旋轉與局 部坐標系P-tnb重合。a)曳綱動力平衡方程根據d' Alembert原理，拖網曳綱微元ds的矢量平衡方程為
(2) e = 1/(ΕΑ)(4)
B = -{mF + ρΑ[ - ( · 0]}*(5)
(6)
T = Tt(7)b)曳綱運動平衡方程
(F'). = (F)'(8)由曳綱的動力平衡方程及運動平衡方程構造平衡方程的矩陣形式為
A^' = Np + q(9)
y = (T,vt,vn,vb,0^)T(10)
"10 0 00 0
010 0vb cos φ-νη
00 10- vb sin φvt
—00 0 1-ν, cos沴+ ν sin盧 0(H)
0 0 0 0-T 狐 φ0
0 0 0 00T Iii1 = m+ P A(14)對偏微分方程組(9)在時間和空間上做中心差分，可得非線性方程組 去( 曳綱首節點運動速度應為拖船船速與曳綱絞機收放速度的復合速度，則有 為提高仿真模型的實時性，將網具簡化為與曳綱尾部連接的質點，可得到曳綱尾 節點網具邊界條件 以上各式中，θ、ψ、Φ-慣性坐標系與局部坐標系轉換的旋轉角，f-曳綱微元的 張力，伊_曳綱微元水中重量，戶-曳綱微元受到的流體動力，云-曳綱微元受到的慣性水動 力，S-曳綱微元長度，E-曳綱彈性模量，A-曳綱橫截面面積，m-單位長度曳綱質量，P -流體 密度，dQ-曳綱直徑，g-重力加速度，F-曳綱微元的位置矢量，Ct、Cn-曳綱的切向阻力數及法 向阻力系數，ut、un、ub-流體與曳綱相對速度在局部坐標系下各坐標軸的分量，vt,vn,vb-曳 綱對地速度在局部坐標系下各坐標軸的分量，Jt、Jn、Jb-流體速度在局部坐標系下各坐標軸 的分量，vlt, vln, Vlb-曳綱首節點速度在局部坐標系下各坐標軸的分量，vti, Vtj, Vtk-曳綱首 節點速度在慣性坐標系下各坐標軸的分量，vw-曳綱收放速度，d/a-網口部分網線直徑與網目目腳長度之比，L-拖網網衣總長度，C-網口周長，V-拖網速度，fm-網具阻力，Gm-網具重 量，^網具受到的慣性水動力，巧-曳綱尾節點張力，At-迭代時間步長，As-曳綱微元 長度。
如圖3所示，第二臺目標機2-2實時運行拖網曳綱及網具的離散數學模型，并進 行非線性方程組(15)的牛頓迭代求解，初始時刻，對曳綱及網具模型各節點參數進行初始 化，得到i時刻拖網阻力，i+Ι時刻時曳綱及網具模型接收轉角編碼器4信號，并對曳綱首節 點速度參數進行更新，將i時刻其余各節點參數值作為i+Ι時刻牛頓迭代的初始值，在牛頓 迭代過程中當各節點參數值前后兩次迭代的誤差絕對值小于設定誤差值或達到最大迭代 步數，那么停止迭代，并將得到的曳綱首節點張力輸出至第一臺目標機2-1，實現對i+Ι時 刻拖網阻力的模擬，若此時到達仿真結束時刻，那么仿真停止，否則將進入下一時刻拖網阻 力的計算循環。
權利要求
一種拖網漁船曳綱絞機半實物仿真試驗平臺，其特征在于包括宿主機(1)、兩臺目標機(2-1，2-2)、數據采集卡(3)、轉角編碼器(4)、扭矩傳感器(5)、液壓絞機(6)、液壓馬達(7)、安全閥(8)、四個單向閥(9-1，9-2，9-3，9-4)、伺服比例閥(10)、纜繩(11)、液壓源(12)、油箱(13)；宿主機(1)和第一臺目標機(2-1)和第二臺目標機(2-2)通過以太網連接，第一臺目標機(2-1)與第二臺目標機(2-2)通過IEEE 1394火線連接，第一臺目標機(2-1)PCI插槽內安裝有數據采集卡(3)，數據采集卡(3)的輸入端分別與轉角編碼器(4)和扭矩傳感器(5)連接，數據采集卡(3)的輸出端與伺服比例閥(10)連接，液壓源(12)的出油口與伺服比例閥(10)進油口P1連通，伺服比例閥(10)出油口A1與液壓馬達(7)的a腔、第一單向閥(9-1)的進油口及第三單向閥(9-3)的出油口連通，伺服比例閥(10)出油口B1與液壓馬達(7)的b腔、第二單向閥(9-2)的進油口及第四單向閥(9-4)的出油口連通，伺服比例閥(10)回油口T1與油箱(13)連通，安全閥(8)的進油口P2與第一單向閥(9-1)的出油口及第二單向閥(9-2)的出油口連通，安全閥(8)的出油口T2與第三單向閥(9-3)的進油口及第四單向閥(9-4)的進油口連通回油箱(13)，纜繩(11)的一端與液壓絞機(6)連接，纜繩(11)的另一端與被試拖網曳綱絞機電液控制系統中的曳綱絞機(14)連接。
2.根據權利要求1所述的一種拖網漁船曳綱絞機半實物仿真試驗平臺，其特征在于 所述的宿主機(1)中建立拖網曳綱及網具的離散數學模型及液壓系統控制器數學模型，編 譯為實時C代碼并經RT-LAB軟件進行節點配置后，拖網曳綱及網具的離散數學模型實時 代碼下載至第二臺目標機(2-2)內存中，控制器數學模型實時代碼下載至第一臺目標機 (2-1)內存中。
全文摘要
本發明公開了一種拖網漁船曳綱絞機半實物仿真試驗平臺。它包括宿主機、目標機、數據采集卡、轉角編碼器、扭矩傳感器、液壓絞機、液壓馬達、安全閥、單向閥、伺服比例閥、纜繩、液壓源和油箱。宿主機建立拖網曳綱及網具的離散數學模型以及液壓系統控制器數學模型，編譯為C代碼后下載至目標機內存中，目標機對數據采集卡采集到的絞機扭矩及角位移信號進行解算，得到拖網曳綱張力及網位等信息，目標機通過控制液壓絞機纜繩張力進而實現曳綱絞機拖網阻力的模擬。本發明通過對拖網漁船拖曳系統進行半實物仿真，實現了拖網作業過程拖網阻力及網位的模擬，可用于曳綱絞機液壓系統及控制器的試驗研究，為拖網漁船曳綱絞機陸上試驗開辟了途徑。
文檔編號G01M99/00GK101871848SQ201010140099
公開日2010年10月27日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者周華, 楊華勇, 陳英龍 申請人:浙江大學