漁船拖網(wǎng)絞機(jī)恒張力控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

徐曉棟, 龔玉玲, 呂玉青

(1 泰州學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2 泰州中航船舶重工有限公司，江蘇 泰州 225300)

?

漁船拖網(wǎng)絞機(jī)恒張力控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

徐曉棟1, 龔玉玲1, 呂玉青2

(1 泰州學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2 泰州中航船舶重工有限公司，江蘇 泰州 225300)

摘要：針對拖網(wǎng)捕撈作業(yè)中較難保持曳綱張力恒值的問題，設(shè)計并搭建了基于模糊PID控制的漁船拖網(wǎng)絞機(jī)恒張力控制系統(tǒng)。在對漁船拖網(wǎng)絞機(jī)傳動原理研究的基礎(chǔ)上，建立恒張力控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，構(gòu)建模糊PID控制器，通過控制拖網(wǎng)絞機(jī)轉(zhuǎn)速而調(diào)節(jié)曳綱張力。介紹了系統(tǒng)硬、軟件的構(gòu)成，并利用MATLAB進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，模糊PID控制能在0.8 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)曳綱張力恒值，并能在收到干擾后0.7 s內(nèi)恢復(fù)到之前的穩(wěn)定狀態(tài)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制和模糊控制。研究表明，基于模糊PID控制的漁船拖網(wǎng)絞機(jī)恒張力控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)響應(yīng)快、超調(diào)量小、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠有效地保持曳綱張力恒值，提高捕撈效率，具有較強(qiáng)實(shí)踐指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵字：拖網(wǎng)絞機(jī)；曳綱；恒張力；模糊PID控制

拖網(wǎng)捕撈是我國最重要的漁業(yè)捕撈方式之一。在拖網(wǎng)捕撈作業(yè)中，左、右絞機(jī)通過曳綱拖曳網(wǎng)具，但漁船會因海浪波動、捕魚量變化等因素造成曳綱張力變化，使網(wǎng)具的形狀發(fā)生變形，影響捕撈作業(yè)效果[1]。為了保持網(wǎng)具形狀，應(yīng)使曳綱處于恒張力的狀態(tài)，即當(dāng)曳綱張力變小時，增加拖網(wǎng)速度；當(dāng)曳綱張力變大時，減小拖網(wǎng)速度。如何快速、靈敏地調(diào)節(jié)拖網(wǎng)速度，保持曳綱張力恒值，提高捕魚效率，是控制系統(tǒng)研究的關(guān)鍵[2]。

傳統(tǒng)的拖網(wǎng)絞車大多采用液壓驅(qū)動的方式，在液壓絞車的恒張力控制方面已有相關(guān)的研究報道[3-8]。隨著漁業(yè)機(jī)械化、自動化、智能化的發(fā)展，拖網(wǎng)絞車逐漸由結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率較低的液壓控制系統(tǒng)向結(jié)構(gòu)緊湊、效率較高的交流電力控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。一般的拖網(wǎng)絞車電力控制常采用PID控制，結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整[9]。但在實(shí)際作業(yè)中環(huán)境是變化的，造成絞機(jī)負(fù)載時刻變化，控制系統(tǒng)具有非線性和時變性，系統(tǒng)各參數(shù)之間很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。在負(fù)載變化的條件下，固定參數(shù)的PID控制難以達(dá)到理想的控制效果[10-13]。因此，本文提出將模糊控制和PID控制相結(jié)合，采用模糊PID控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)曳綱張力的動態(tài)平衡。

1系統(tǒng)傳動原理

曳綱恒張力控制系統(tǒng)主要由張力傳感器、電機(jī)、控制柜等組成(圖1)。其工作原理是：控制柜控制電機(jī)，通過減速器、電磁離合器，實(shí)現(xiàn)絞機(jī)滾筒的調(diào)速和正反轉(zhuǎn)、收放鋼絲繩，調(diào)節(jié)曳綱張力。曳綱張力由張力傳感器測得，反饋到控制柜，經(jīng)過模糊PID控制系統(tǒng)運(yùn)算、比較，通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)，保證絞機(jī)處于恒張力狀態(tài)。

圖1　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagram of control system

2系統(tǒng)模型及傳遞函數(shù)

變頻器可將其近似處理為一階慣性環(huán)節(jié)[14-15]，輸入電壓Uk與輸出電壓Ud之間的傳遞函數(shù)為：

式中：Kp—變頻器變化系數(shù)；Ts—控制滯后時間。

變頻器采用電壓矢量PWM控制，忽略旋轉(zhuǎn)電壓的影響，電流Id和電壓Ud之間的傳遞函數(shù)可近似為下列公式[16-18]：

式中：τ1、τ2—常數(shù)；R—電阻，Ω。

由電動機(jī)轉(zhuǎn)矩：

Mm=KTΦmIdcosφd

式中：Mm—電動機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；KT—常數(shù)；Φm—每極磁通量，Wb；Id—轉(zhuǎn)子電流，A；φd—相位角，度。

可得轉(zhuǎn)矩與電流之間的傳遞函數(shù)為：

式中：Kz—常數(shù)。

曳綱張力的大小是由電動機(jī)轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的，忽略傳動過程中的損耗，得力矩的平衡方程為：

式中：MT—曳綱張力作用于絞機(jī)的力矩，N·m；T—曳綱張力，N；D—卷筒直徑，m。

可得張力與轉(zhuǎn)矩之間的傳遞函數(shù)為：

由上述公式計算，可得系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：

3模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1模糊PID控制器的設(shè)計方案

在PID控制過程中，控制器根據(jù)采樣時刻的偏差值來計算輸出量。離散的PID表達(dá)式為：

式中：Kp—比例參數(shù)；Ki—積分參數(shù)；Kd—微分參數(shù)；e(k)—采樣時刻的偏差值。

PID控制方法中的Kp可對偏差作出快速響應(yīng)，加快響應(yīng)速度有利于穩(wěn)定。Ki可以消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差，提高控制精度；Kd可以預(yù)測未來輸出，減少系統(tǒng)超調(diào)量。采用模糊控制對PID參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行修整，從而減小超調(diào)，縮短調(diào)節(jié)時間，提高控制精度，改善控制性能。因此將模糊控制器和PID控制器結(jié)合起來，以獲得更好控制效果[19-22]。模糊PID控制器的系統(tǒng)方案見圖2。

圖2　曳綱恒張力模糊PID控制框圖Fig.2　Fuzzy PID control block diagram ofwarp constant tension

模糊控制器采用雙輸入三輸出，以曳綱的實(shí)際張力與給定的最優(yōu)張力值(在保證曳綱安全的情況下，為使工作效率達(dá)到最佳而設(shè)定的值)之間的偏差E和偏差變化率EC作為模糊控制系統(tǒng)的輸入量，根據(jù)模糊控制規(guī)則，進(jìn)行模糊控制判斷，得到模糊控制系統(tǒng)的輸出量PID整定參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd，并根據(jù)PID參數(shù)自整定公式對3個參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行修整。

式中：Kp、Ki、Kd—PID參數(shù)修整后的值；Ki′、Ki′、Kd′—PID參數(shù)初始值。

3.2變量取值及相應(yīng)的隸屬函數(shù)

根據(jù)絞機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際情況和控制精度要求，設(shè)定張力偏差E和偏差變化率EC的離散論域?yàn)閧-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，對應(yīng)的模糊語言變量為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，記為{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}；輸出控制量ΔKp、ΔKi、ΔKd的離散論域?yàn)閧-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，對應(yīng)的模糊語言變量為{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}。它們的隸屬函數(shù)采用三角形隸屬函數(shù)。

3.3模糊規(guī)則以及推理

根據(jù)拖網(wǎng)絞機(jī)控制系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行綜合和歸納可得如下關(guān)系：(1)當(dāng)張力偏差|E|較大時，為提高響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的Kp值；為了防止積分飽和，Ki應(yīng)設(shè)置較小甚至為0；為加快系統(tǒng)響應(yīng)時間，Kd可設(shè)置較小。(2)當(dāng)張力偏差|E|處于中等時，Kp應(yīng)取較小值，使系統(tǒng)有一定的響應(yīng)速度且具有較小的超調(diào)；Ki、Kd取值應(yīng)適度，保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。(3)當(dāng)張力偏差|E|較小時，Kp、Ki值應(yīng)增加，減小調(diào)節(jié)靜差；為避免系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩，Kd應(yīng)減小。通過以上分析，結(jié)合現(xiàn)場操作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，得到模糊控制規(guī)則，其相應(yīng)的模糊推理規(guī)則見表1。

表1　ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊推理規(guī)則表

3.4輸出量清晰化

應(yīng)用最大隸屬度法進(jìn)行模糊判斷，將輸出量由模糊量變?yōu)榫_量，生成模糊控制查詢表。根據(jù)PID參數(shù)自整定公式得到參數(shù)Kp、Ki、Kd的精確值。

4系統(tǒng)構(gòu)成

4.1硬件配置

硬件結(jié)構(gòu)由PLC控制柜、變頻器、控制臺和手動控制盒構(gòu)成。PLC主機(jī)選用西門子S7-200系列的CPU222PLC控制器；變頻器采用西門子MM440變頻器(MICROMASTER 440)，該變頻器有6個數(shù)字量輸入端口，端口5和6分別控制電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。電機(jī)的主要參數(shù)：額定功率P=4.2 kW，轉(zhuǎn)動慣量J=0.089 kg·m2，常數(shù)τ1=2.4 ms，τ2=6.6 ms，KT=4.08 N·m/A。曳綱張力傳感器選用PAT銷軸式傳感器，其外形簡單，加工精度高，使用方便，輸出4～20 A電信號。選用EM223作為PLC輸入/輸出模塊，用于接受曳綱張力的信號和輸出給變頻器的調(diào)節(jié)信號。

4.2軟件設(shè)計

4.2.1下位機(jī)軟件設(shè)計

采用編程軟件STEP7對PLC進(jìn)行編程，圖3為主程序流程。

圖3　曳綱恒張力控制流程圖Fig.3　Flow chart of warp constant tension

最優(yōu)張力值通過上位機(jī)人工輸入，存儲到VW100中；張力傳感器將采集到的實(shí)際張力值存儲到VW102中，將計算E、EC值存儲到VW104、VW106，將經(jīng)過模糊處理得到的ΔKp、ΔKi、ΔKd值存儲到VW120、VW122 、VW124，再計算出Kp、Ki、Kd值，最后將Kp、Ki、Kd值送至PID控制器，進(jìn)而控制絞機(jī)電動機(jī)，直至曳綱張力滿足要求后，退出程序。

4.2.2上位機(jī)組態(tài)設(shè)計

本系統(tǒng)使用PC作為上位機(jī)。曳綱張力控制分為手動和自動，手動控制部分較簡單，自動控制即模糊PID恒張力控制。上位機(jī)屏幕可以實(shí)時顯示曳綱的張力、長度和速度等信號，通過界面，可以直觀地了解絞機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，便于控制。

5仿真試驗(yàn)

以泰州某船廠拖網(wǎng)絞機(jī)自動化項(xiàng)目為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在MATLAB的Simulink環(huán)境下，建立模糊控制系統(tǒng)的模型，并利用模糊邏輯工具箱，建立模糊推理系統(tǒng)并保存。仿真結(jié)果見圖4。

圖4　系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖Fig.4　Response curve of control system

圖4是輸入12 T拉力的階躍響應(yīng)曲線，可以看出，采用普通PID控制，輸出若要達(dá)到穩(wěn)定，需要1.7 s，調(diào)節(jié)時間較長，超調(diào)量16%左右；采用模糊控制，輸出達(dá)到穩(wěn)定的時間是1.1 s，調(diào)節(jié)時間較普通PID控制稍短，超調(diào)量也較小，為6%左右。模糊PID控制在0.8 s后就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而且?guī)缀鯖]有超調(diào)，調(diào)節(jié)時間比普通PID控制縮短了53%，比模糊控制縮短了27%，充分說明模糊PID能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。

為了測試系統(tǒng)在遇到風(fēng)浪等偶然性阻力突發(fā)因素的影響而導(dǎo)致曳綱張力發(fā)生突變時的抗干擾能力，在3 s左右人為地加入一個力作為干擾，力的大小為21.5 T，變化幅度為80%，從圖4可以看出，模糊PID控制系統(tǒng)能迅速作出調(diào)節(jié)，0.7 s左右重新回到最優(yōu)張力位置，普通PID控制和模糊控制分別需要1.4 s和0.9 s，說明模糊PID能有效地抑制干擾，具有很強(qiáng)的魯棒性，性能比普通PID控制和模糊控制優(yōu)越。

6結(jié)論

設(shè)計并搭建基于模糊PID控制的漁船拖網(wǎng)絞機(jī)恒張力控制系統(tǒng)，利用MATLAB軟件對恒張力控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，模糊PID控制的調(diào)節(jié)時間比普通PID控制縮短了53%，比模糊控制縮短了27%，具有響應(yīng)快、超調(diào)量小、抗風(fēng)浪等突發(fā)因素強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)控制，減少人工作業(yè)勞動強(qiáng)度，有效提高了捕撈效率，具有較強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

□

參考文獻(xiàn)

[1]徐志強(qiáng),羊衍貴,王志勇,等.大型遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)漁船拖網(wǎng)被動補(bǔ)償系統(tǒng)的研究[J].船舶工程,2013,35(4)：51-54.

[2]劉全良,王石剛,戎瑞亞.基于C&R_BR的拖網(wǎng)絞機(jī)集成推理研究[J].中國機(jī)械工程,2002,13(8)：692-695.

[3]謝安桓,宋金威,喻峰,等.曳綱絞車液壓系統(tǒng)的設(shè)計及控制研究[J].液壓與氣動, 2014 (10)：11-16.

[4]王永鼎,潘海.基于PDF控制的恒張力絞車控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].測控技術(shù), 2014, 33(4)：66-69.

[5]常晴晴,孫斌,高世陽.基于AMESim與SIMULINK的雙絞車恒張力控制研究[J].液壓與氣動,2011(10)：107-110.

[6]KOTWICKI S, WEINBERG K L, SOMERTON D A.The Effect of Autotrawl Systems on the Performance of a Survey Trawl[J].Fishery Bulletin,2006,104(1)：35-45．

[7]鄢華林,宋林.恒張力絞車的應(yīng)用研究[J].液壓與氣動,2011(7)：80-82.

[8]沈瑜.基于模糊PID的恒張力控制系統(tǒng)設(shè)計[J].液壓氣動與密封,2009(2)：48-51.

[9]王志勇,諶志新,徐志強(qiáng).漁船拖網(wǎng)絞機(jī)電力控制技術(shù)研究[J].漁業(yè)現(xiàn)代化, 2015, 42(1)：53-56.

[10]馮林,張新福,翟性泉.基于模糊自適應(yīng)PID的波浪補(bǔ)償控制器研究[J].船舶工程,2012,34(S2)：107-109.

[11]徐禮平,高宏力,高育幗,等.模糊PID電阻絲恒速恒張力繞制控制[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2013(3) ：117-119.

[12]陳碩,郭加定,藍(lán)兆輝,等.直線式拉絲機(jī)恒張力拉拔控制系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械制造與自動化, 2015, 44(1)：190-193.

[13]趙學(xué)觀,徐麗明,何紹林,等.玉米定向種子帶恒張力卷繞系統(tǒng)自適應(yīng)模糊PID控制[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2015, 46(3)：90-96.

[14]陳沖.模糊控制在電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2012,39(8)：55-58.

[15]王智忠.感應(yīng)電動機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機(jī)信息, 2006,22(10)：51-52.

[16]崔業(yè)兵,陳雄,蔣魏,等.自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制器的電動舵機(jī)控制[J].微特電機(jī),2013,41(12)：57-60.

[17]羅天資,陳衛(wèi)兵,鄒豪杰,等.直線電機(jī)模糊增量PID控制算法的研究[J].測控技術(shù), 2011,30(2)：56-59.

[18]胡均平,代建龍,劉成沛,等.自調(diào)整模糊控制在動力頭變頻調(diào)速中的應(yīng)用[J].測控技術(shù),2013,32(9)：74-76.

[19]苗中華,李闖,韓科立,等.基于模糊PID的采棉機(jī)作業(yè)速度最優(yōu)控制算法與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2015, 46(4)：9-14.

[20]ZHANG Y,CHEN Z Q,YAN Z Z.Nonlinear system PID-type multi-step predictive control[J]. Journal of ControlTheory and Applications,2004,2(2)：201-204.

[21]姬江濤,王榮先,符麗君.聯(lián)合收獲機(jī)喂入量灰色預(yù)測模糊PID控制[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2008,39(3)：63-66.

[22]仇成群,劉成林,沈法華,等.基于Matlab和模糊PID的汽車巡航控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(6)：197-202.

Design and simulation for constant tension control system of fishing vessel trawl winch

XU Xiaodong1， GONG Yuling1， LV Yuqing2

(1TaiZhouUniversity,TaiZhou225300,China;2TaizhouCATICShipbuildingHeavyIndustryCo.,Ltd,TaiZhou225300,China)

Abstract：Focused on the difficulty in maintaining a constant value of the warp tension in trawl fishing, fuzzy-control and PID control system is designed and set up to achieve constant tension. Based on the driving principle of the trawl winch, the transfer function of the warp constant tension control system is established, then fuzzy PID controller is constructed to adjust the warp tension by controlling the speed of trawl winches. The structure of the hardware and software is described and the result is simulated by Matlab. The simulation result shows that warp tension will reach a constant value in 0.8s by using fuzzy PID control system and will return to the previous stable state in 0.7s after receiving the interference, which is better than the traditional PID control and fuzzy control. Research shows that the fuzzy PID control system has the characteristics of fast response, small overshoot, and strong robustness and so on and maintains the warp tension constant effectively for constant tension control system of fishing boats trawling winch, which will improve the fishing efficiency and has a great significance in guiding practice.

Key word：trawl winch; warp; constant tension; fuzzy PID control

DOI：10.3969/j.issn.1007-9580.2016.03.012

收稿日期：2016-03-03修回日期：2016-05-16

基金項(xiàng)目：泰州學(xué)院校級課題(TZXY2014YBKT003)；江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(14KJB460033)

作者簡介：徐曉棟(1980—),男，碩士，講師，研究方向：船舶與機(jī)電工程技術(shù)、智能控制與檢測。E-mail：opo2625@126.com

中圖分類號：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-9580(2016)03-060-05