基于模糊PID的恒張力控制助力鋪排船航跡跟蹤

夏聲宏 鐘世位 李宗華 王智誠(chéng)

(長(zhǎng)江重慶航道工程局 重慶 400011)

在內(nèi)河航道治理工程中，航道水下導(dǎo)堤、丁壩、潛堤等的主體結(jié)構(gòu)堤身下均用軟體排進(jìn)行護(hù)堤。軟體排鋪設(shè)船(以下簡(jiǎn)稱鋪排船)是航道治理工程中鋪設(shè)土工布軟體排的專用設(shè)備，其作業(yè)目標(biāo)是將結(jié)構(gòu)形式不同、平面尺寸極大(一般為22 m長(zhǎng)、40 m寬)的柔性排體在水下按照計(jì)劃的軌跡鋪展，確保護(hù)底作業(yè)的施工質(zhì)量。因?yàn)殇伵糯氖┕ぷ鳂I(yè)是在拋出5～8個(gè)錨后，通過(guò)對(duì)各錨轎車的收放錨纜實(shí)現(xiàn)移船的同時(shí)將排體沿著計(jì)劃的坐標(biāo)和工作線下放至水底。顯見鋪排船作業(yè)系統(tǒng)的控制對(duì)象不僅分散，而且要求協(xié)調(diào)同步，控制難度大。而水下敷設(shè)排布的施工作業(yè)精度要求高，兩塊排體搭接必須保證在0.5 m。因此鋪排船的自動(dòng)控制系統(tǒng)研究都是從控制錨絞車入手來(lái)提高移船方向和速度，從順?biāo)?、逆水、垂直水流等作業(yè)情況結(jié)合風(fēng)、浪的環(huán)境影響來(lái)考慮控制策略，以實(shí)現(xiàn)鋪排船在不同工況下的高精度鋪排。

本文基于長(zhǎng)時(shí)間對(duì)鋪排船施工作業(yè)質(zhì)量的評(píng)估分析，考慮懸在水中的錨纜張力對(duì)鋪排船控制效果的影響，提出系統(tǒng)中增加控制錨纜張力的思想。并擬通過(guò)應(yīng)用于實(shí)際工程驗(yàn)證其正確性。并用實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證。

1 問題的提出及設(shè)計(jì)思路

鋪排船屬于非自航的錨泊移位型工程船舶，其定位、移船操作主要依靠拖船和拋錨艇協(xié)助。作業(yè)前鋪排船必須由專門配備的1～2艘拖船將其拖至作業(yè)地點(diǎn)，然后按照鋪排作業(yè)計(jì)劃先進(jìn)行拋錨定位。作業(yè)時(shí)則根據(jù)工程計(jì)劃，操縱錨泊設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶的移位和精確定位，同時(shí)完成軟體排的下放和鋪設(shè)。鋪排船作業(yè)的側(cè)視圖見圖1，卷在卷筒上的軟體排在工作平臺(tái)上完成制作后，軟體排通過(guò)協(xié)調(diào)控制多個(gè)錨機(jī)的收、放錨鏈速度及卷筒的放排速度，軟體排通過(guò)主、副滑板憑借其自身重力下滑到水底，一邊放排一邊操縱錨泊設(shè)備移船，實(shí)現(xiàn)軟體排在水底的鋪設(shè)。軟體排根據(jù)施工航道的情況，可制作系袋軟體排、沙肋軟體排、硅軟體排、混凝土聯(lián)鎖塊軟體排。

圖1 鋪排船側(cè)視圖

鋪排船在作業(yè)時(shí)，受到的力既有縱向和橫向力，還有一定的轉(zhuǎn)舷力矩，因此，鋪排船一般采用多點(diǎn)系泊，多條錨泊線向四周發(fā)散分布，六錨和八錨的錨泊系統(tǒng)布置形式見圖2。

圖2 鋪排船錨泊線的布置形式

錨泊設(shè)備主要由錨絞車、錨鏈和錨三部分組成，其中錨嚙入水下的泥土中為船舶提供著力點(diǎn)，錨鏈傳遞拉力固定船舶，錨絞車通過(guò)控制收放纜來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶的定位和移動(dòng)。施工作業(yè)時(shí)，需要結(jié)合當(dāng)時(shí)水域環(huán)境的風(fēng)、浪、潛流等水文情況協(xié)調(diào)控制多臺(tái)錨絞車的收放錨鏈，實(shí)現(xiàn)船舶移動(dòng)時(shí)能以要求的精度跟蹤計(jì)劃的軌跡線，完成水下高質(zhì)量鋪排功能。因此目前開展鋪排船控制研究的重點(diǎn)在：鋪排船的分布式控制系統(tǒng)[1-3]、錨泊移位型船舶的建模，以及采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、粒子群等智能方法實(shí)現(xiàn)鋪排船的平行移船和動(dòng)態(tài)定位[4-5]。這些成果在重慶航道工程局的22 m排寬的“俞工排1號(hào)”、40 m排寬的長(zhǎng)雁系列鋪排船上得到成功應(yīng)用，為我國(guó)鋪排船的理論研究和實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

隨著航道疏浚行業(yè)的快速發(fā)展，鋪排船大型化、作業(yè)深水化，而且順?biāo)?、逆水、垂直水流等的多樣化等鋪排工藝要求不斷提高，鋪排船的自?dòng)控制難度也隨之提高。本文依托40 m排寬的“長(zhǎng)雁2號(hào)“和”長(zhǎng)雁22號(hào)“鋪排船控制系統(tǒng)升級(jí)改造項(xiàng)目，針對(duì)鋪排船網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略優(yōu)化后，仍然存在鋪排船在風(fēng)、浪、流的復(fù)雜環(huán)境下自動(dòng)鋪排作業(yè)航跡偏差較大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差的問題開展深入研究，從絞車的恒張力控制入手，設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID的恒張力控制方式，使得錨鏈在自動(dòng)鋪排時(shí)能始終保持在張力恒定的張緊狀態(tài)，提高了鋪排控制效果，從而降低了鋪排船自動(dòng)鋪排工況下的航跡偏差，提高了航跡跟蹤精度。

2 液壓型錨絞車錨鏈張力計(jì)算

“長(zhǎng)雁”系列鋪排船配置有8組液壓型錨泊設(shè)備，鋪排前一般根據(jù)需求和規(guī)劃設(shè)計(jì)拋出5～8個(gè)錨。液壓錨泊設(shè)備是通過(guò)驅(qū)動(dòng)絞車組收放錨纜來(lái)實(shí)現(xiàn)移船，絞車組由1臺(tái)摩擦絞車和1臺(tái)容纜絞車構(gòu)成。容纜絞車位于甲板下方的機(jī)艙，主要作用是存儲(chǔ)纜鏈，不需要提供移船時(shí)的張力，在錨絞車收纜時(shí)同步收纜，放纜時(shí)只需放開剎車隨錨鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要調(diào)速。摩擦絞車一般布置在船艏艉甲板上，摩擦絞車是為鋪排船舶定位和移船提供動(dòng)力的，功率較大，所以設(shè)置了2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，從容纜絞車出來(lái)的錨鏈繞摩擦絞車1周后與錨連接，摩擦絞車通過(guò)和錨鏈的靜摩擦為錨鏈提供張力，摩擦絞車在工作時(shí)摩擦力的作用半徑為固定值。由于移船的速度需要可調(diào)，故需要3組開關(guān)量控制電磁閥實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和剎車，1組模擬量來(lái)控制液壓馬達(dá)比例閥開度實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

為實(shí)現(xiàn)液壓絞車恒張力控制，以錨鏈的張力檢測(cè)值作為反饋實(shí)現(xiàn)張力的閉環(huán)控制。目前成熟的張力測(cè)量方法有直接測(cè)量和間接測(cè)算2種。直接測(cè)量是在錨纜上串接拉力傳感器或彈簧測(cè)力計(jì)直接獲取張力，但這種方法只適用于靜態(tài)張力獲取，不適合鋪排船需要長(zhǎng)距離收放纜實(shí)際工況。所以本文通過(guò)液壓絞車進(jìn)出機(jī)的壓力差Δp來(lái)間接測(cè)算錨纜張力。

根據(jù)能量守恒定律有

ML2πn=ΔpQs=Δpqn

(1)

式中：ML為液壓絞車的理論轉(zhuǎn)矩；n為液壓絞車轉(zhuǎn)速；Δp為工作壓差；q為液壓絞車排量；Qs為液壓絞車的實(shí)際流量。

由式(1)可以推出液壓絞車的理論轉(zhuǎn)矩為

(2)

但由于流體與液壓絞車零件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦，液壓絞車零件之間的摩擦均會(huì)產(chǎn)生能量損耗。這些損耗的外在表現(xiàn)為液壓馬達(dá)的機(jī)械損失，使得實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩低于理論轉(zhuǎn)矩，即

MS=ML-ΔM

(3)

式中：ΔM為由于摩擦造成的轉(zhuǎn)矩?fù)p失。

在液壓系統(tǒng)中用機(jī)械效率描述這一損失的比重，機(jī)械效率定義為實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩與理論輸出轉(zhuǎn)矩的比值，即

(4)

則

(6)

由式(5)可計(jì)算出液壓絞車的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩。若液壓絞車的半徑為R，則錨纜張力F為

(6)

式中：Δp為液壓絞車工作壓差，可從液壓絞車進(jìn)出機(jī)壓力傳感器的值獲到；q為液壓絞車排量；p為絞車的固有參數(shù)，可通過(guò)液壓馬達(dá)技術(shù)參數(shù)查到；R為液壓絞車半徑，需在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到，是一個(gè)定值；ηm為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率，每臺(tái)絞車的機(jī)械效率各有不同，因此，需要在鋪排船出廠前對(duì)絞車逐臺(tái)整定其機(jī)械效率，以保證纜繩張力計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3 模糊PID張力控制器設(shè)計(jì)

3.1 模糊PID控制原理

傳統(tǒng)PID控制雖然算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)且調(diào)整時(shí)間較快、精度較高，但是其參數(shù)的整定取決于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而且抗干擾能力不強(qiáng)。而鋪排船的大慣性和不確定的水文環(huán)境特點(diǎn)，難以建立鋪排船的數(shù)學(xué)模型。而模糊PID不需要精確的數(shù)學(xué)模型，能較好地處理時(shí)變、非線性、滯后等問題，而且有很好的魯棒性和快速的響應(yīng)速度，因此，本文采用模糊PID控制實(shí)現(xiàn)錨纜恒張力控制，模糊PID控制錨纜張力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖3，將計(jì)算出的錨纜張力和給定張力的偏差值e和錨纜張力偏差值變化率de/dt作為模糊控制器的2個(gè)輸入，對(duì)2個(gè)輸入進(jìn)行模糊化后，通過(guò)模糊推理之后得到清晰化的輸出來(lái)調(diào)整PID的Kp、Ki、Kd3個(gè)參數(shù)。解決傳統(tǒng)PID控制器不能對(duì)象變化和環(huán)境變化自適應(yīng)改變PID參數(shù)的缺點(diǎn)。

圖3 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

3.2 控制變量模糊子集設(shè)計(jì)

本文選取錨纜張力偏差E的基本論域[-20,20]，模糊域?yàn)镋={-2,-1,0,1,2},則與其相應(yīng)的各語(yǔ)言值為{NM,NS,ZO,PS,PM}，其意義分別為繩子狀態(tài)“極松”“松”“松緊適當(dāng)”“緊”“極緊”。取錨纜張力的變化率Ec的基本論域?yàn)閇-1,1], 模糊域?yàn)镋c={-2,-1,0,1,2},則與其相應(yīng)的各語(yǔ)言值為{NM,NS,ZO,PS,PM}，其意義分別為纜繩張力“快速減小”“緩慢減小”“不變”“緩慢增大”“快速增大”。并取Kp，Ki，Kd3個(gè)參數(shù)的模糊論域均為{-2,-1,0,1,2}，則與其相應(yīng)對(duì)應(yīng)的各語(yǔ)言值均為{NM,NS,ZO,PS,PM}。

3.3 模糊控制規(guī)則

模糊規(guī)則是模糊邏輯控制的關(guān)鍵，根據(jù)鋪排船絞車操作人員積累的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和每臺(tái)絞車的實(shí)際使用情況，需要分別總結(jié)并設(shè)計(jì)出各絞車的模糊控制規(guī)則，以達(dá)到良好的控制效果[6]。下文以艏主錨絞車為例，介紹模糊設(shè)計(jì)的控制規(guī)則，見表1。

表1 模糊控制規(guī)則表

3.4 輸出清晰化

由模糊推理得出的結(jié)果是一個(gè)模糊集合，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)，須用一精確值來(lái)控制被控對(duì)象。本文用重心法去模糊化，然后結(jié)合工程實(shí)際工作情況微調(diào)其參數(shù)，最后得到模糊查詢表，見表2。

表2 模糊查詢表

4 實(shí)際應(yīng)用效果

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的恒張力控制策略的控制效果，將模糊PID恒張力算法應(yīng)用于“長(zhǎng)雁2號(hào)”鋪排船的PLC邏輯控制程序中，通過(guò)鋪排船上位控制軟件獲得的鋪排船實(shí)際作業(yè)的航跡偏差驗(yàn)證模糊PID控制策略的控制效果。

鋪排船上位監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)鋪排作業(yè)界面圖見圖4，該工程采用五錨定位方式，由于是護(hù)岸工程，有2個(gè)錨是固定于岸邊的，圖中矩形框?yàn)槭┕ひ箐伵诺墓ぷ骶€，按位置示意鋪設(shè)于江底。排布的一次工作線從下至上由1條實(shí)線和1條虛線構(gòu)成，實(shí)線和虛線分別代表了排布的上下邊緣。為了能有效避免水土流失，每條排布間需要有一定的搭接度(本次作業(yè)的搭接度為5 m)。

圖4 上位機(jī)自動(dòng)鋪排界面

4.1 PLC控制系統(tǒng)未啟用恒張力控制算法的鋪排軌跡

以長(zhǎng)江蔡家渡區(qū)域1 d鋪排工作量(1條排布)的軌跡誤差的平均值對(duì)比系統(tǒng)啟用恒張力算法前后鋪排船工作的完成質(zhì)量。

蔡家渡1號(hào)排鋪設(shè)后上位機(jī)保存的航跡圖(實(shí)線為計(jì)劃的排布邊緣線，虛線軌跡為實(shí)際鋪排的邊緣線)見圖5，為了方便計(jì)算對(duì)比航跡偏差，在CAD文件中加入柵格，一格代表大地坐標(biāo)10 m。用面積法求得航跡偏差的平均值為1.89 m。

圖5 PLC未啟用恒張力模塊鋪排船自動(dòng)鋪排航跡

4.2 PLC控制系統(tǒng)啟用恒張力算法后鋪排航跡

蔡家渡2號(hào)排鋪設(shè)完成后上位PC保存的航跡圖見圖6，用面積法求得航跡偏差的平均值為0.78 m，顯見，啟用恒張力算法后航跡平均誤差只有未采用恒張力算法后航跡平均誤差的41%，平均誤差減少了59%。

2次鋪排作業(yè)地理位置相同，環(huán)境相同，2塊相鄰排布鋪設(shè)時(shí)間間隔僅為1 d，水流速度變化也不大，由此可見，模糊PID控制的恒張力控制策略可以明顯提高自動(dòng)鋪排程序的控制效果。

圖6 PLC啟用自動(dòng)鋪排模塊鋪排船航跡

5 結(jié)語(yǔ)

鋪排船是為長(zhǎng)江航道整治工程研制的一種工程類船舶，因其作業(yè)靠多錨協(xié)調(diào)牽引移船來(lái)實(shí)現(xiàn)軟體排準(zhǔn)確鋪設(shè)在江底，故影響控制效果的因素很多，控制難度大。經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐，本研究提出在研究其驅(qū)動(dòng)控制策略的同時(shí)關(guān)注錨纜張力，并將該算法加入到原系統(tǒng)控制中，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果證明了本文算法的有效性。