富鈷結(jié)殼規(guī)模取樣器銑挖馬達(dá)控制算法研究

楊坤興+劉敬彪+呂帥帥+楊祺

摘 要：文中提出一種用于深海富鈷結(jié)殼取樣器的恒功率銑挖頭測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機(jī)械部分和電子測(cè)控部分組成，電子測(cè)控部分采集系統(tǒng)各傳感器的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)銑挖頭狀態(tài)，并根據(jù)上位機(jī)命令實(shí)現(xiàn)對(duì)銑挖頭旋轉(zhuǎn)啟停作業(yè)的控制。為克服海底復(fù)雜微地形對(duì)作業(yè)性能的影響，根據(jù)銑挖設(shè)備條件，提出恒功率銑挖馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制算法。該算法能夠在作業(yè)時(shí)將銑挖馬達(dá)轉(zhuǎn)速和進(jìn)出口壓力控制在合理范圍內(nèi)，以保證作業(yè)安全。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)根據(jù)操作人員的指令控制銑挖裝置進(jìn)行安全作業(yè)。

關(guān)鍵詞：規(guī)模取樣器；銑挖控制；轉(zhuǎn)速控制；進(jìn)出口壓力控制

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）02-00-04

0 引 言

富鈷結(jié)殼是大洋底部最具吸引力的礦產(chǎn)資源之一，而開采富鈷結(jié)殼則需要一種安全可靠的破碎采集裝置。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，美國(guó)、日本、俄羅斯以及我國(guó)等對(duì)深海富鈷結(jié)殼進(jìn)行了取樣調(diào)查，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)展開了研究。1985年，美國(guó)學(xué)者J.Halkyard針對(duì)海山上富鈷結(jié)殼開采需要用到的技術(shù)進(jìn)行了闡述[1]；1987年，日本學(xué)者Yoshio針對(duì)富鈷結(jié)殼開采設(shè)備提出了連續(xù)線性桶結(jié)構(gòu)[2]；直到1993年，日本學(xué)者M(jìn)asuda等人采用連續(xù)索斗法進(jìn)行了富鈷結(jié)殼海上開采試驗(yàn)，并獲得成功。我國(guó)對(duì)大洋富鈷結(jié)殼礦的調(diào)查與研究起步相對(duì)較晚，從1987年“海洋四號(hào)”科考船首次取得富鈷結(jié)殼樣本[3]，經(jīng)過(guò)幾十年的大力發(fā)展，富鈷結(jié)殼開采技術(shù)有了顯著進(jìn)步。從早期的主要依賴抓斗、箱式采樣、拖網(wǎng)取樣和重力柱狀采樣等傳統(tǒng)取樣方法，已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的可視抓斗、深海淺鉆、水下ROV取樣等新型取樣技術(shù)[3，4]。

2015年，我國(guó)大洋礦產(chǎn)資源開發(fā)協(xié)會(huì)提出對(duì)富鈷結(jié)殼規(guī)模取樣器設(shè)備的研制。采用銑挖頭作為富鈷結(jié)殼破碎采樣結(jié)構(gòu)，因此要求具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并可根據(jù)實(shí)時(shí)反饋狀態(tài)進(jìn)行控制的系統(tǒng)。故將電子控制系統(tǒng)作為其控制核心，通過(guò)采集規(guī)模取樣器傳感器信號(hào)，根據(jù)操作人員的控制指令操控取樣器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)富鈷結(jié)殼的銑挖破碎和采集。

基于上述需求，本文提出一種基于恒功率銑挖頭的電子測(cè)控系統(tǒng)，通過(guò)采集恒功率銑挖馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和進(jìn)出口液壓值，控制與銑挖裝置相連的電磁閥組，實(shí)現(xiàn)對(duì)富鈷結(jié)殼的銑挖作業(yè)。但是由于海底微地形的復(fù)雜性[5]，銑挖頭在工作過(guò)程中的負(fù)載變化不規(guī)律，加大了對(duì)銑挖馬達(dá)的控制難度。因此，針對(duì)該電子測(cè)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)使用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，利用其響應(yīng)速度快、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，可以精確地控制銑挖頭上下移動(dòng)，使得液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速和液壓值處于安全范圍內(nèi)，以保證采礦工作的安全進(jìn)行。

1 系統(tǒng)組成框架

銑挖測(cè)控系統(tǒng)主要由機(jī)械部分和電子測(cè)控部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。機(jī)械部分包括銑挖裝置及其液壓子系統(tǒng)、內(nèi)置傳感器、液壓電磁閥等設(shè)備。電子測(cè)控部分包括水下系統(tǒng)和水上甲板通信機(jī)。水下系統(tǒng)采集傳感器信號(hào)，接收操作人員的操控指令，通過(guò)控制液壓電磁閥來(lái)控制機(jī)械裝置進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。機(jī)械部分和電子測(cè)控部分配合完成銑挖取樣任務(wù)。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成

銑挖裝置實(shí)物如圖2所示。其中，銑挖頭固定在機(jī)械臂中間，機(jī)械臂的上端與規(guī)模取樣器底盤的中部連接，銑挖頭在機(jī)械臂油缸的作用下控制銑挖的深度，銑挖頭的上升和下降通過(guò)高速換向閥控制機(jī)械臂油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，且裝置上下移動(dòng)的速度可調(diào)。電子測(cè)控系統(tǒng)放置在密封艙中，系統(tǒng)通過(guò)水密纜來(lái)控制銑挖頭的液壓閥組和一系列相關(guān)傳感器，包括機(jī)械臂液壓壓力傳感器、機(jī)械臂位移傳感器、銑挖馬達(dá)液壓壓力傳感器、銑挖馬達(dá)轉(zhuǎn)速傳感器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)銑挖裝置的測(cè)控，同時(shí)銑挖頭裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)也由電磁閥來(lái)控制。電磁液壓閥組如圖3所示。

1.2 電子測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電子測(cè)控系統(tǒng)主要通過(guò)采集銑挖裝置傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋狀態(tài)，控制相應(yīng)液壓閥組執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)銑挖工作。系統(tǒng)包括水上甲板機(jī)和水下嵌入式系統(tǒng)兩部分，通過(guò)萬(wàn)米光電復(fù)合纜連接。

為了便于操作銑挖裝置，針對(duì)水下嵌入式系統(tǒng)測(cè)控設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件。該軟件通過(guò)UDP協(xié)議與水下系統(tǒng)通信，接收銑挖裝置各傳感器狀態(tài)以及水下系統(tǒng)各板卡信息，根據(jù)控制策略向水下系統(tǒng)發(fā)送控制命令。

1.2.1 水上甲板機(jī)

水上甲板機(jī)包括一臺(tái)PC機(jī)和一臺(tái)甲板通信機(jī)。PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下系統(tǒng)的檢測(cè)和對(duì)上位機(jī)軟件的控制；甲板通信機(jī)將水下系統(tǒng)傳輸上來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將其連接到PC機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與水下系統(tǒng)的通信。

1.2.2 水下嵌入式系統(tǒng)

水下嵌入式系統(tǒng)框圖如圖4所示。其中，STM32主控系統(tǒng)接收監(jiān)測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種傳感器數(shù)據(jù)，并將其打包成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，經(jīng)過(guò)光端機(jī)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)經(jīng)由光纖發(fā)送至甲板機(jī)， 同時(shí)也接收甲板機(jī)發(fā)送的控制命令，并根據(jù)命令執(zhí)行控制動(dòng)作，如打開或關(guān)閉相應(yīng)液壓閥組。

水下嵌入式系統(tǒng)控制連接機(jī)械臂的液壓閥組，使得液壓閥組連接的高速換向閥通過(guò)換向改變機(jī)械臂的上下移動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)富鈷結(jié)殼的破碎銑挖作業(yè)。同時(shí)，系統(tǒng)讀取連接在裝置上的各種傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)銑挖裝置狀態(tài)。此外，系統(tǒng)還連接了水下燈以及水下高清攝像頭，以便更加方便地觀察和控制。

2 銑挖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證銑挖工作的安全，同時(shí)滿足規(guī)模取樣器的需求，銑挖馬達(dá)的銑挖轉(zhuǎn)速和銑挖壓力需保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。因?yàn)楹５孜⒌匦屋^為復(fù)雜，這就意味著工作時(shí)銑挖頭要遇到的地質(zhì)物理特性變化并不規(guī)律，所以對(duì)銑挖頭的控制就會(huì)有一些難度。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)銑挖馬達(dá)的精確控制，需要對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制算法[6]。

2.1 銑挖控制模型分析

在銑挖裝置進(jìn)行銑挖作業(yè)時(shí)，需要保證銑挖馬達(dá)處于安全的工作狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求，工作時(shí)，銑挖馬達(dá)的銑挖轉(zhuǎn)速ω和銑挖壓力P需要滿足如下條件：

銑挖頭需要對(duì)不同類型的銑挖底質(zhì)進(jìn)行破碎取樣，遇到的阻力（負(fù)載TL）會(huì)有所不同，所以需要使用合適的控制策略，使參數(shù)保持在安全范圍內(nèi)。endprint

用于控制機(jī)械臂移動(dòng)的液壓閥主要有運(yùn)動(dòng)的液壓閥H1和高速換向液壓閥H2。當(dāng)液壓閥H1開啟時(shí)，機(jī)械臂根據(jù)液壓閥H2的狀態(tài)以一定的速度v運(yùn)動(dòng)。假設(shè)H2的換向頻率為f，換向時(shí)間比為D，則在一段時(shí)間Δt內(nèi)，銑挖頭的行進(jìn)距離L=（D×v×Δt）/f。

由上面的分析可知，銑挖裝置上下移動(dòng)將會(huì)引起液壓馬達(dá)負(fù)載TL的變化，進(jìn)而影響液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和壓力，由此可認(rèn)為負(fù)載值TL和銑挖頭行進(jìn)的距離L滿足函數(shù)關(guān)系TL=f （L）?，F(xiàn)在考慮一種恒功率的銑挖馬達(dá)模型，其輸出功率W恒定，即W=TN×ω恒定，其中TN為馬達(dá)扭矩，ω為馬達(dá)轉(zhuǎn)速，則可得ω=W/TN。扭矩計(jì)算公式如下：

根據(jù)上式可得W=V×P×ω，其中V為銑挖馬達(dá)的排量，是由銑挖馬達(dá)確定的常量。所以，在輸出功率恒定的情況下，銑挖馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和壓力成反比，即有P=W/ （V×ω）。在進(jìn)行銑挖頭控制時(shí)，兩個(gè)控制變量簡(jiǎn)化為一個(gè)即可，這里選擇轉(zhuǎn)速ω作為控制算法的控制目標(biāo)。

當(dāng)P∈[Pmin，Pmax ]時(shí)，可得ω的取值范圍為W/（V×Pmax），W/（V×Pmin）。為了保證銑挖頭工作在安全范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速ω的范圍為：

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，建立銑挖馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型：

式中：TN為液壓馬達(dá)的扭矩，與馬達(dá)壓力成正比，在恒功率的情況下，與馬達(dá)轉(zhuǎn)速成反比；TL為液壓馬達(dá)工作的負(fù)載，隨銑挖頭上下移動(dòng)和銑挖底質(zhì)的不同而變化；B為液壓馬達(dá)摩擦系數(shù)，是與馬達(dá)相關(guān)的常量；J為銑挖馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，也是與馬達(dá)相關(guān)的常量；為轉(zhuǎn)速ω對(duì)時(shí)間的微分。

式（5）表明，銑挖馬達(dá)的轉(zhuǎn)速只與馬達(dá)負(fù)載有關(guān)，而馬達(dá)負(fù)載的變化可以通過(guò)銑挖裝置的上下移動(dòng)來(lái)控制，所以可以通過(guò)控制液壓閥H1和H2來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速使之保持在安全范圍內(nèi)的目的。

2.2 銑挖頭控制系統(tǒng)仿真

設(shè)計(jì)銑挖頭控制流程如圖5所示。

在整個(gè)控制流程中，控制算法是關(guān)鍵。根據(jù)銑挖馬達(dá)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速ω，經(jīng)過(guò)計(jì)算，輸出一定頻率和占空比的PWM信號(hào)，控制高速換向閥，使銑挖頭按照預(yù)期的方向和速度運(yùn)動(dòng)，改變液壓馬達(dá)的負(fù)載TL，從而達(dá)到控制銑挖馬達(dá)安全工作的目的。

對(duì)圖5進(jìn)行建模，將轉(zhuǎn)速控制算法和銑挖馬達(dá)作為模塊，可以得到控制算法模型，如圖6所示。其中，整個(gè)系統(tǒng)的輸入為設(shè)定的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速值ωs，ωs的值須在式（4）的范圍內(nèi)；輸出為銑挖馬達(dá)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速值ω；B，W，J是銑挖馬達(dá)的常量參數(shù)，分別為銑挖馬達(dá)的摩擦系數(shù)、總輸出功率和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，需根據(jù)銑挖馬達(dá)相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

2.2.1 銑挖馬達(dá)的模型

根據(jù)式（3），將式（5）稍作變換得：

根據(jù)式（6）可以得到恒功率液壓馬達(dá)模型，如圖7所示。

由圖7可以看出，銑挖馬達(dá)模型的輸入為負(fù)載TL；輸出為馬達(dá)轉(zhuǎn)速ω；B，W，J為常量值。銑挖馬達(dá)的轉(zhuǎn)速值由輸入負(fù)載TL確定，而負(fù)載TL則由當(dāng)前馬達(dá)轉(zhuǎn)速計(jì)算得出。

2.2.2 控制算法模型

一般對(duì)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的控制是通過(guò)連續(xù)地控制液壓馬達(dá)的壓力、輸入流量等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[8]，而對(duì)于本文研究的富鈷結(jié)殼規(guī)模取樣器的銑挖馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制，由于在其實(shí)際結(jié)構(gòu)中，銑挖馬達(dá)壓力、輸入流量均為恒定值，不能根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，而惟一能夠用來(lái)改變銑挖馬達(dá)轉(zhuǎn)速的變量是銑挖馬達(dá)的負(fù)載TL。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、分析，采用控制算法的目的是使銑挖馬達(dá)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定的安全工作范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)連接銑挖頭的機(jī)械臂上下移動(dòng)，使得銑挖頭與鈷結(jié)殼的接觸深度發(fā)生變化，進(jìn)而改變銑挖馬達(dá)的負(fù)載TL。

通過(guò)對(duì)控制模型的分析，可知銑挖馬達(dá)模型是一個(gè)非線性系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)控制算法時(shí)，需要選擇非線性的控制算法。滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種非線性魯棒控制方法，可以在建模不精確的情況下保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和一致性，所以使用滑模變結(jié)構(gòu)方法進(jìn)行銑挖馬達(dá)的控制。

將式（5）銑挖馬達(dá)模型作為被控對(duì)象，選擇滑模切換函數(shù)：

由式（11）可得控制算法的仿真模型，如圖8所示。

2.2.3 系統(tǒng)仿真

根據(jù)實(shí)際銑挖馬達(dá)參數(shù)，設(shè)置上述系統(tǒng)的B，W，J參數(shù)，并調(diào)節(jié)滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的參數(shù)ε和C，使得系統(tǒng)能夠以較快的速度收斂。根據(jù)等速趨近律的特點(diǎn)，趨近速度為ε：若ε較小，則趨緊速度較慢，調(diào)節(jié)過(guò)程緩慢；若ε較大，則達(dá)到切換面較快，但可能會(huì)引起抖動(dòng)。根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)，若C增大，減少調(diào)節(jié)時(shí)間，使C減少，則調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，但是可能會(huì)使得抖動(dòng)加劇。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，作為對(duì)比，同時(shí)實(shí)現(xiàn)PID算法對(duì)液壓馬達(dá)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并設(shè)置變化規(guī)律不同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行模擬。設(shè)置滑模變結(jié)構(gòu)控制參數(shù)ε=90，C=0.1，液壓馬達(dá)摩擦系數(shù)B=0，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1，輸出恒功率W=100，按照正弦變化設(shè)定轉(zhuǎn)速值ωs=10sin（10t）+80，仿真結(jié)果如圖9所示。另使用均值為80、方差為5的高斯函數(shù)對(duì)設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，對(duì)模型進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果如圖10所示。

由仿真結(jié)果可知，使用滑模變結(jié)構(gòu)算法對(duì)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠在較短時(shí)間內(nèi)使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速值，即使設(shè)定的轉(zhuǎn)速值變化不規(guī)律，滑模變結(jié)構(gòu)算法依然能夠很好地進(jìn)行跟隨。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要研究應(yīng)用于富鈷結(jié)殼規(guī)模取樣器銑挖控制的電子控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了銑挖馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制算法。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)非線性控制方法可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)銑挖馬達(dá)轉(zhuǎn)速的控制，使之在設(shè)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保證銑挖工作的安全進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，銑挖裝置可以在電子控制系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)銑挖馬達(dá)轉(zhuǎn)速及時(shí)有效的控制。

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