基于Bang-Bang控制的绞车自动排缆算法研究

2021-07-31林尚飞

传感器世界 2021年6期

林尚飞

中国船舶集团公司第七一五研究所，浙江杭州 310000

0 引言

绞车作为一种典型的海工机械设备，广泛应用于海洋探测、海上救援、海洋吊装、海洋渔业等[1]。随着国家深海路线的提出，绞车收放的缆绳长度越来越大，目前已有万米绞车的实践应用。为了使缆绳有规律地缠绕在卷筒上，自动排缆机构必不可少，其功能是让缆绳有序、紧密地排列在卷筒上，是保证绞车高效、安全运行的关键设备。因此，排缆机构的运动控制成为绞车控制中最重要也是最难的环节。目前，国内有学者对绞车排缆控制开展了较多研究，黄良沛等[2]设计了由FPGA+STM32为核心的控制器、伺服电机及其驱动器、排缆机架组成的新型智能数控排缆系统，采用PID模糊控制算法；吴来杰等[3]设计了基于单片机的智能排绳控制系统。上述自动排缆控制方法都取得了较好的效果，但系统软件较复杂，控制参数的整定较难。本文基于Bang-Bang控制思想，提出了一种绞车自动排缆控制算法，该算法简单、稳定，调试周期短，能实现较好的排缆效果。

1 自动排缆控制算法

如图 1所示，自动排缆的原理为卷筒转动一圈，排缆器沿丝杆移动一个缆径的距离，绞车卷筒和排缆机构轴端分别安装有旋转编码器，用以检测两者转动的圈数。

假设卷筒每圈脉冲变化个数为N1，检测到的脉冲累积个数为n1，缆径为d，排缆丝杠导程为p，排缆机构每圈脉冲个数为N2，检测到的累积脉冲个数为n2，根据排缆原理可得：

由式（1）可得：

由式（2）可知，k为常数，由绞车固有参数确定，因此，自动排缆控制的本质为位置闭环控制，通过控制排缆机构动作，使得排缆机构脉冲数和卷筒脉冲数保持k倍的关系。但由于编码器正反转会造成计数增减，因此式（2）并不能适用于全域。以图1所示绞车为例，缆绳起点在绞车左侧，将该处设为零点，软件中可将此处卷筒脉冲数设为n1_0，排缆脉冲数设为n2_0，假设绞车回收时卷筒脉冲数n2增加，排缆往右运动时排缆脉冲数n1减小，则不同层数的卷筒脉冲数与排缆脉冲数关系如表1所示。

表1 脉冲数关系

由表1可知，在层数为s（s≥1）时，卷筒脉冲数与排缆脉冲数满足如下关系：

由式（3）可得：

下面引入当前排缆误差Δ的概念，其含义为当前排缆机构实际位置与理论位置的差值，可由下式表示：

在项目应用中发现，自动排缆控制对精度要求并不高，相反地，为确保缆绳排列紧密，绞车回收时，排缆机构位置应略滞后于缆绳在卷筒上的位置，这样能确保当前进入卷筒的缆绳与相邻的缆绳间存在一个轻微的挤压力。绞车释放时，排缆机构位置也应略滞后于缆绳在卷筒上的位置，这样能确保当前放出卷筒的缆绳与相邻的缆绳更容易分离，同时滞后量或超前量不应过大，否则会出现叠缆或间隙的现象。基于上述分析，自动排缆的控制目标是将当前排缆误差Δ控制在一个合理的范围内。

Bang-Bang控制作为一种经济实用的控制方法，其本质是一种时间最优控制[4]，它的控制函数总是取在容许的控制边界上，即要么值取最大，要么值取最小，相较于常规PID控制，Bang-Bang控制对系统参数的变化及干扰的适应能力强。假设排缆误差的两个边界值分别为ε1、ε2，且0＜ε1＜ε2，控制器输出为μ，则有如下控制策略[5]：

实际应用中，排缆机构是往复运动的，排缆运动方向由绞车当前状态和当前排缆层数的奇偶性决定。以图1所示的绞车为例，排缆机构移动方向的判据见表2，因此，在实际信号输出时，应根据情况对输出信号进行处理。

表2 排缆机构移动方向判据

2 仿真分析

以某型绞车为例建立模型，N1=500，N2=500，d=20 mm，p=10 mm，ε1=100，ε2=500，n1_0=0，n2_0=0，s=1，分别模拟绞车不同转速下的排缆跟随情况以及转速突变情况下排缆算法的响应速度。图2、图3分别为5 r/min转速释放、回收，图4、图5分别为10 r/min转速释放、回收。图中，红线表示排缆编码器目标脉冲值，绿线表示实际脉冲值，黄线表示排缆误差值，由图可知，不同转速下排缆误差都能控制在设定的边界内。