液壓絞車柔性牽引的水下運動體的速度控制方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于液壓絞車牽引的水下運動體的速度控制方法，包括：(1)確定主閥閥芯開度的設定值；(2)速度控制器獲取當前的閥芯開度反饋值，并計算閥芯開度比；(3)若閥芯開度比不大于閾值，則以單調過阻尼的方式逐漸增大閥芯開度給定值值至閥芯開度設定值，若閥芯開度比大于閾值，則根據速度設定值與反饋速度值的差值以及閥芯開度反饋值,實時給定閥芯開度給定值；(4)液壓絞車根據主閥閥芯的開度牽引柔性水下運動體以對應速度運動；(5)循環執行步驟(2)-(4)，直至小車速度達到設定值。本發明還公開了對應的控制系統。本發明的方法和系統通過雙閉環控制對水下運動體的速度進行控制，從而保證液壓牽引系統控制的穩定性、精確性及快速性。
【專利說明】液壓絞車柔性牽引的水下運動體的速度控制方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明屬于水下運動體的速度控制領域，具體涉及一種基于液壓絞車柔性牽引的水下運動體的速度控制方法及系統。
【背景技術】
[0002]隨著人類對于海洋資源的探索，海洋實力的發展越來越得到各國的重視。水下運動體譬如水下輪式小車等具有操控性好，水下通過性強等多種優點而被廣泛應用于水下探礦，水下作業及水下試驗等多個領域。針對水下運動體的工作特點，常選用液壓絞車作為驅動設備，其具有工作效率高，負載能力強、密封問題易于解決等優點。
[0003]圖1為一種典型的利用液壓絞車作為驅動設備柔性牽引水下運動體即水下小車的示意圖。其中，液壓泵站，電磁先導閥，主閥和液壓絞車滾筒101順序連接，水下小車通過兩根固定于滾筒中間的鋼絲繩柔性牽引。通過對于電磁先導閥的控制，可以調節驅動液壓絞車系統液壓油的流量大小和方向，進而控制液壓絞車的轉動速度及方向，實現液壓絞車驅動水下小車在水下導軌上以一定的速度作往復間隙運動，1號導輪103和2號導輪104起到改變鋼絲繩運動方向及施加張緊力的作用。
[0004]由于水下運動體主要用于水下科學研究活動，其在水下的運動速度的穩定性(精確性)和可靠性非常重要，運動速度必須實時跟蹤并進行精確控制，以確保運動機構的速度精確性和穩定性。
[0005]目前，對于液壓絞車驅動的運動機構的速度控制，一般采用以速度為直接控制對象的單閉環控制方法，小車速度控制器依據速度設定值與測量值的差值基于模糊？10的控制策略產生控制信號，利用電磁先導閥的開閉控制主閥閥芯開度，進而實現對于液壓絞車驅動的運動機構的速度控制。這種控制方法引入了模糊控制的思想，可以在一定程度上減小液壓系統非線性對速度控制精度所帶來的影響。
[0006]但是由于基于液壓絞車柔性牽引的水下運動體，譬如通過鋼絲繩牽引運動的水下小車的特點，上述基于模糊的控制方法對其速度控制的精確性和穩定性還存在很大缺陷。具體來說，首先，由于鋼絲繩為柔性牽引介質，這會降低液壓牽引系統的剛度和穩定性，使系統呈現柔性特性，抗干擾能力較差；另外，液壓伺服系統多為欠阻尼系統，使得液壓系統極易震蕩，穩定性較差；而且，液壓系統通常采用閥控流量控制，其持續工作會導致系統發熱，液壓油溫度升高，而液壓系統特性會隨液壓油溫度的變化而變化，故液壓系統具有參數時變性；最后，由于液壓系統管路具有一定長度，液壓主閥響應電磁先導閥控制指令動作和液壓絞車建立工作壓力均需要一定時間，故液壓系統具有時滯特性。現有模糊控制根據水下小車速度誤差控制閥芯開度，閥芯開度的波動會在不穩定且具有遲滯的牽引系統中引起小車牽引系統震蕩甚至失穩，使得其無法適應這種基于液壓絞車柔性牽引的水下運動體的速度精確控制的需要。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是針對液壓絞車柔性牽引水下運動體控制方法和系統所存在的剛度不足、非線性，參數時變性及時滯性等問題和缺陷，提出一種液壓絞車牽引的水下運動體的速度控制方法和系統，其將閥芯開度作為中間變量，通過雙閉環控制對水下運動體的速度進行控制，從而保證液壓牽引系統控制的穩定性、精確性及快速性。
[0008]按照本發明一個方面，提供一種基于液壓絞車牽引的水下運動體的速度控制方法，用于對液壓絞車柔性牽引水下運動體從當前運行速度調速至需要的設定速度的控制，實現水下運動體速度調整的精確平穩和快速控制，其特征在于，該方法包括如下步驟:
[0009](1)水下運動體的速度控制器根據水下運動體的速度設定值確定主閥閥芯開度的設定值[8 ；
[0010](2)所述速度控制器獲取當前的閥芯開度反饋值1?，并計算閥芯開度比其中1(0 = 1(1:/1(8 ；
[0011](3)根據所述閥芯開度比。的大小采取不同的控制策略，以相應地使伺服閥控制器閉環控制主閥閥芯打開至設定值仏，即若所述閥芯開度比。不大于閾值，則以單調過阻尼的方式逐漸增大閥芯開度給定值似值至閥芯開度設定值仏，若閥芯開度比。大于閾值，則根據所述速度設定值與反饋速度值的差值化對閥芯開度進行微調；
[0012](4)液壓絞車根據主閥閥芯的開度獲得相應的驅動力以牽引柔性水下運動體以對應速度運動，并通過速度傳感器將所述水下運動體的速度反饋值%實時反饋給所述速度控制器；
[0013](5)循環執行上述步驟(2)-(4)，直至水下運動體達到速度設定值，完成對液壓絞車柔性牽弓I水下運動體速度的精確控制。
[0014]作為本發明的改進，所述閾值范圍優選為90% -98%，更優選為95%。
[0015]作為本發明的改進，所述水下運動體為水下小車，其通過通過鋼絲繩牽引在水下導軌上作往復運動。
[0016]按照本發明的另一方面，提供一種基于液壓絞車牽引的水下運動體的速度控制系統，用于對液壓絞車柔性牽引水下運動體從當前運行速度調速至需要的設定速度的控制，實現水下運動體速度調整的精確平穩和快速控制，其特征在于，該系統為內環由伺服閥控制器，電磁先導閥，主閥及設置在其上的閥芯開度傳感器組成閥芯開度控制環，和外環由速度控制器，液壓絞車，水下運動體及速度傳感器組成速度控制環組成的雙閉環控制系統，其中，所述速度控制器用于根據閥芯開度設定值1(8和利用所述閥芯開度傳感器獲取當前的閥芯開度反饋值XI:，計算閥芯開度比其中= 1(1:/1(8,并根據該閥芯開度比。的大小采取不同的控制策略，即若所述閥芯開度比。不大于閾值，則以單調過阻尼的方式利用所述伺服閥控制器控制所述電磁先導閥逐漸增大閥芯開度給定值似值至閥芯開度設定值1(8，若閥芯開度比仏大于閾值，則根據所述速度設定值與反饋速度值的差值76利用所述伺服閥控制器控制所述電磁先導閥對閥芯開度進行微調，直至速度達到設定值；所述液壓絞車根據主閥閥芯的開度獲得相應的驅動力以牽引柔性水下運動體以對應速度運動，并通過速度傳感器將所述水下運動體的速度反饋值%實時反饋給所述速度控制器；
[0017]通過循環執行直至水下運動體達到速度設定值，即可完成對液壓絞車柔性牽引水下運動體速度的精確控制。
[0018]作為本發明的改進，所述主閥閥芯開度的設定值1(8由速度控制器根據水下運動體的速度設定值確定。
[0019]作為本發明的改進，所述閾值范圍優選為90% -98%，更優選為95%。
[0020]作為本發明的改進，所述水下運動體為水下小車，其通過通過鋼絲繩牽引在水下導軌上作往復運動。
[0021]本發明中的基于液壓絞車柔性牽引的水下小車速度控制系統為雙閉環控制結構，內環由伺服閥控制器，電磁先導閥，主閥及閥芯開度傳感器組成閥芯開度控制環，外環由小車速度控制器，液壓絞車，液壓泵站，小車及速度傳感器組成速度控制環。其中，小車速度控制器根據小車速度設定值與速度反饋值的差值及閥芯開度反饋值，給出主閥閥芯開度的設定值，伺服閥控制器閉環調整主閥閥芯開度，進而實現對于液壓絞車柔性牽引水下小車的速度控制。速度傳感器將水下小車的運動速度反饋給小車速度控制器，實現小車速度控制系統的閉環。與現有技術相比，本發明的有益效果在于:
[0022]本發明針對牽引系統的柔性特性，提出了將閥芯開度作為液壓絞車柔性牽引系統控制中間變量的控制方法，利用模糊+PID相結合的控制策略:實時計算閥芯開度反饋值與閥芯開度設定值的比值并與設定的開度比閾值進行比較，當小于開度比閾值時，依據“閥芯開度-小車速度模糊對照表”得出閥芯開度的設定值，控制閥芯開度過阻尼線性增加至設定值，閥芯開度的穩定增加克服了使系統具備過阻尼特性，避免柔性系統振蕩，保證了液壓牽引系統控制的穩定性及快速性；當大于開度比閾值時，速度控制器依據小車速度設定值和反饋值的差值信息，利用PID控制算法對閥芯開度進行微調，保證了液壓牽引系統控制的準確性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是液壓絞車柔性牽引水下小車的示意圖；
[0024]圖2是按照本發明實施例的水下小車速度控制系統框圖；
[0025]圖3是本發明的水下小車速度控制方法流程圖。
【具體實施方式】
[0026]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0027]本實施例中，以液壓絞車柔性牽引的水下小車為例對本發明的水下運動體的速度控制進行說明，但本發明的水下運動體并不限于水下小車，液壓絞車柔性牽引的水下運動體均可適用。
[0028]如圖1所示，本實施例的液壓絞車柔性牽引水下小車通過液壓絞車驅動，液壓絞車101通過鋼絲繩105牽引水下小車102在水下導軌上作往復間隙運動，I號導輪103和2號導輪104起到改變鋼絲繩運動方向及施加張緊力的作用，絞車滾筒為單層滾筒，兩根牽引鋼纜固定在滾筒中間，牽引水下小車時，鋼纜從滾筒兩端收放纜。
[0029]圖2是本發明實施例的水下小車速度控制系統框圖。該系統采用雙閉環控制結構，內環由伺服閥控制器202，電磁先導閥203，主閥204及閥芯開度傳感器208組成閥芯開度控制環。外環由小車速度控制器201，液壓絞車205，液壓泵站207，小車206及速度傳感器209組成速度控制環。其中，小車速度控制器201根據小車速度設定值與速度反饋值的差值及閥芯開度反饋值，給出主閥閥芯開度的設定值，伺服閥控制器202閉環調整主閥閥芯開度，進而實現對于液壓絞車柔性牽引水下小車的速度控制。速度傳感器209將水下小車的運動速度反饋給小車速度控制器，實現小車速度控制系統的閉環。
[0030]圖3是本發明實施例的水下小車速度控制方法流程圖，所述控制方法步驟如下:
[0031](I)控制系統初始化；
[0032](2)小車速度控制器給定速度設定值Vs，讀取速度反饋值Vt ；
[0033](3)小車速度控制器讀取“閥芯開度-小車速度模糊對照表”，依據小車的設定速度Vt得到閥芯開度設定值Ks;
[0034](4)小車速度控制器讀取閥芯開度反饋值Kt，并計算閥芯開度比Kc(Kc = Kt/Ks*100% )；
[0035](5)小車速度控制器判斷閥芯開度比Kc是否大于一定閾值(本實施例中優選為95% )
[0036](6)若不滿足條件(5)，則小車速度控制器以單調過阻尼的方式逐漸增大閥芯開度給定值Kd值至閥芯開度設定值Ks，伺服閥控制器閉環控制主閥閥芯線性打開至閥芯開度設定值；
[0037](7)若滿足條件(5)，小車速度控制器根據小車設定速度與反饋速度的差值Vc及閥芯開度反饋值Kt，對閥芯開度進行微調；
[0038](8)液壓絞車柔性牽引小車運動，小車速度隨主閥閥芯開度的變化而變化；
[0039](9)速度傳感器測量速度反饋值Vt，并發送給速度控制器；
[0040](10)返回到步驟(4)，循環執行，直至小車速度到達設定值。
[0041]本發明中，“閥芯開度-小車速度模糊對照表”實質是一個閥芯開度與運動機構速度之間的對應關系，即水下運動體以一定速度運動時其液壓驅動系統中主閥閥芯對應的開度，該對應關系一般通過液壓建模計算并輔以試驗完善，具有本領域普通技術知識的人可以計算獲得該對應關系，因其不屬于本發明的重點，在本發明中不作贅述。
[0042]本發明中，對于用于與閥芯開度比Kc作為比較對象的閾值，可以根據實際需要進行具體確定，例如90% -98%范圍內均可，本實施例中優選為95%。
[0043]本發明提出的一種模糊控制+PID (非線性+線性)的控制算法對液壓絞車柔性牽引運動機構的運行速度進行控制，將對水下運動體速度作為直接控制對象轉為以主閥閥芯開度作為控制中間變量，利用雙閉環控制結構實現對水下運動體的速度的精確控制。
[0044]具體地，首先，找出絞車速度與閥芯開度的對應關系，即獲取“閥芯開度-小車速度模糊對照表”;
[0045]其次，實時計算閥芯開度反饋值與閥芯開度設定值的比值并與設定的開度比閾值進行比較，大于開度比閾值的，采取外環速度反饋、內環閥芯控制的控制結構，外環速度控制器依據速度反饋與設定速度計算閥芯開度增量，通過內環伺服閥控制器對閥芯開度進行微調；小于開度比閾值的，采取外環閥芯開度規劃、內環閥芯控制的控制結構，外環速度控制器以單調過阻尼的方式逐漸增大閥芯開度給定值，通過內環伺服閥控制器控制閥芯跟隨閥芯開度給定值；
[0046]另外本發明針對現有液壓柔性牽引系統的特點將閥芯開度作為控制的中間變量引入控制算法中，通過對于閥芯開度的穩定控制，減小了由于其波動產生的對于小車速度穩定性的影響，較傳統將速度作為控制對象的控制算法，控制精度提高。
[0047]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于液壓絞車牽引的水下運動體的速度控制方法，用于實現對液壓絞車柔性牽引水下運動體從當前運行速度調速至設定速度的控制，其特征在于，該方法包括如下步驟: (1)水下運動體的速度控制器根據水下運動體的速度設定值確定主閥閥芯開度的設定值Ks ； (2)所述速度控制器獲取當前的閥芯開度反饋值Kt，并計算閥芯開度比Kc，其中Kc=Kt/Ks ； (3)根據所述閥芯開度比Kc的大小采取不同的控制策略，即若所述閥芯開度比Kc不大于閾值，則以單調過阻尼的方式逐漸增大閥芯開度給定值Kd值至閥芯開度設定值Ks，若閥芯開度比Kc大于閾值，則根據所述速度設定值與反饋值的差值Ve對閥芯開度進行微調； (4)液壓絞車根據主閥閥芯的開度獲得相應的驅動力以牽引柔性水下運動體以對應速度運動，并通過速度傳感器將所述水下運動體的速度反饋值Vt實時反饋給所述速度控制器； (5)循環執行上述步驟(2)-(4)，直至水下運動體達到設定速度值，完成對液壓絞車柔性牽引水下運動體速度的精確穩定控制。
2.根據權利要求1所述的一種基于液壓絞車牽引的水下運動體的速度控制方法，其中，所述閾值范圍優選為90% -98%，更優選為95%。
3.根據權利要求1或2所述的一種基于液壓絞車牽引的水下運動體的速度控制方法，其中，所述水下運動體為水下小車，其通過通過鋼絲繩牽引在水下導軌上作往復運動。
4.一種基于液壓絞車牽引的水下運動體的速度控制系統，用于實現對液壓絞車柔性牽引水下運動體從當前運行速度調速至需要的設定速度的控制，其特征在于，該系統為內環由伺服閥控制器(202)，電磁先導閥(203)，主閥(204)及設置在其上的閥芯開度傳感器(208)形成閥芯開度控制環，和外環由速度控制器(201)，液壓絞車(205)，水下運動體(206)及速度傳感器(209)形成速度控制環組成的雙閉環控制系統，其中， 所述速度控制器(201)用于根據閥芯開度設定值Ks和利用所述閥芯開度傳感器(208)獲取的當前閥芯開度反饋值Kt，計算閥芯開度比Kc，其中Kc = Kt/Ks，并根據該閥芯開度比Kc的大小采取不同的控制策略，即若所述閥芯開度比Kc不大于閾值，則以單調過阻尼的方式利用所述伺服閥控制器(202)控制所述電磁先導閥(203)逐漸增大閥芯開度給定值Kd值至閥芯開度設定值Ks，若閥芯開度比Kc大于閾值，則根據所述速度設定值與反饋速度值的差值Ve，利用所述伺服閥控制器(202)控制所述電磁先導閥(203)對閥芯開度進行微調； 所述液壓絞車(205)根據主閥閥芯的開度獲得相應的驅動力以牽引柔性水下運動體(206)以對應速度運動，并通過速度傳感器(209)將所述水下運動體的速度反饋值Vt實時反饋給所述速度控制器(201)； 通過循環執行直至水下運動體到達速度設定值，即可完成對液壓絞車柔性牽引水下運動體(206)速度的精確控制。
5.根據權利要求4所述的一種基于液壓絞車牽引的水下運動體的速度控制系統，其中，所述主閥閥芯開度的設定值Ks由速度控制器(201)根據水下運動體(206)的速度設定值確定。
6.根據權利要求4或5所述的一種基于液壓絞車牽引的水下運動體的速度控制系統，其中，所述閾值范圍優選為90% -98%，更優選為95%。
7.根據權利要求4-6中任一項所述的一種基于液壓絞車牽引的水下運動體的速度控制系統，其中，所述水下運動體(206)為水下小車，其通過通過鋼絲繩牽引在水下導軌上作往復運動。
【文檔編號】G05D13/62GK104391516SQ201410553965
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月17日 優先權日:2014年10月17日
【發明者】徐國華, 趙寅, 陳鶯, 夏英凱, 畢健, 季增勝 申請人:華中科技大學