基于模糊PID控制的飛船返回艙打撈水平姿態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)研究

林禮群，徐志強(qiáng)

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

飛船返回艙高海況打撈系統(tǒng)是中國載人航天工程海上救援保障系統(tǒng)的重要裝備。現(xiàn)階段采用的返回艙高海況打撈裝備系統(tǒng)是舷側(cè)柔性打撈系統(tǒng)，其原理是利用海洋漁業(yè)臂架式浮拖網(wǎng)技術(shù)方法，以專業(yè)救助船為母船，采用舷側(cè)伸縮吊臂支撐并張開柔性打撈網(wǎng)對物體進(jìn)行打撈起吊的一種海上救助打撈一體化方法[1-2]。該系統(tǒng)載體采用柔性結(jié)構(gòu)能有效避免高海況下剛性碰撞問題，提高打撈安全性，同時采用打撈起吊一體化方法利于提升打撈救助效率，為我國返回艙高海況打撈救援提供有力保障支撐[3-4]。

在4～6級高海況條件下，針對在打撈回收返回艙作業(yè)中船舶大幅運(yùn)動引起返回艙劇烈搖擺產(chǎn)生的安全性問題，波浪補(bǔ)償技術(shù)是目前抑制風(fēng)浪對海上作業(yè)影響的一種有效方法。根據(jù)系統(tǒng)動力來源形式分為主動式波浪補(bǔ)償和被動式波浪補(bǔ)償兩種，主動式波浪補(bǔ)償在海底管線鋪設(shè)、海洋石油鉆井和ROV吊放等方面都有應(yīng)用，具有適應(yīng)性強(qiáng)和補(bǔ)償精度高的優(yōu)點(diǎn)，然而其技術(shù)和產(chǎn)品被少數(shù)國外公司所壟斷，中國僅處于技術(shù)研究階段；而被動式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)在國內(nèi)外海洋工程中應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)較為成熟[5-13]。針對不同工作模式和應(yīng)用需求的波浪補(bǔ)償裝置，根據(jù)其結(jié)構(gòu)及運(yùn)動形式的不同，對補(bǔ)償方式、補(bǔ)償量、檢測信號及精度等也有不同要求[14-15]。本研究基于原舷側(cè)柔性打撈系統(tǒng)裝置提出了一種具有波浪補(bǔ)償效果的方法，由于模糊PID能對常規(guī)的PID控制器的參數(shù)實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，具有改善被控過程的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能作用，在提高系統(tǒng)抗干擾性及參數(shù)實(shí)變的魯棒性等方面優(yōu)越于常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器。選擇模糊PID控制方法，與傳統(tǒng)PID控制方法對比試驗(yàn)研究，為優(yōu)化高海況打撈系統(tǒng)提供有效方法和依據(jù)。

1 打撈系統(tǒng)及波浪補(bǔ)償原理

飛船返回艙高海況打撈系統(tǒng)設(shè)備包括有載基船體、起重吊機(jī)、防搖裝置、打撈網(wǎng)具、絞車及蓄能器等(圖1)。具體打撈方法：在打撈船的側(cè)面伸出一條攔截臂，攔截臂下掛有特制柔性網(wǎng)具，由張緊機(jī)構(gòu)將網(wǎng)具張開一定的寬度，由卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)將網(wǎng)具中間拉起形成一個三角形張開口，當(dāng)返回艙進(jìn)網(wǎng)后，由起吊機(jī)構(gòu)將返回艙打撈至救撈船甲板完成打撈。打撈過程中攔截臂跟隨船體一起搖晃，網(wǎng)口張開大小發(fā)生相應(yīng)的變化，影響打撈成功率，需重點(diǎn)解決打撈攔截臂波浪補(bǔ)償控制問題。

圖1 打撈系統(tǒng)裝置簡圖Fig.1 Drawing of salvage system device

本研究采用主動式波浪補(bǔ)償方法，并對基于該方法的打撈攔截臂波浪補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行研究。如圖2所示，其補(bǔ)償執(zhí)行系統(tǒng)為變幅補(bǔ)償油缸，控制器件及傳感器分別由伺服控制器、比例換向閥、位移傳感器、壓力傳感器、角度傳感器等組成。其中，位移傳感器設(shè)置在變幅油缸端部，角度、角加速度信號傳感器設(shè)置在攔截臂上，輸入采集信號通過伺服控制器進(jìn)行處理，輸出信號通過電液比例換向閥控制油缸運(yùn)動進(jìn)行補(bǔ)償，保證攔截臂與海平面始終處于水平狀態(tài)。

圖2 主動波浪補(bǔ)償系統(tǒng)Fig.2 Active wave compensation system

2 主動波浪補(bǔ)償控制系統(tǒng)建模

2.1 電液比例閥數(shù)學(xué)模型

變幅油缸的運(yùn)動主要受電液比例換向閥的調(diào)控，該換向閥由比例電磁鐵、先導(dǎo)減壓閥以及閥芯組成。閥芯的運(yùn)動受電液比例減壓閥的輸出壓力控制，電流信號通過電磁鐵吸力驅(qū)動減壓閥閥芯改變其輸出壓力，形成壓力差推動主閥芯運(yùn)動，其流通量與閥口面積、壓強(qiáng)差、油液的黏度、彈簧剛度等因素有關(guān)，鑒于各個因素的易變性，常做成單級比例節(jié)流閥、先導(dǎo)控制式比例節(jié)流閥、壓差補(bǔ)償型比例流量閥。選用M4-12電液比例流量閥調(diào)控油缸運(yùn)動，該閥主要由電液比例減壓閥和換向閥組成，根據(jù)該閥相關(guān)參數(shù)及各自特性建立其傳遞函數(shù)方框圖(圖3)，I是電磁鐵部分，II是減壓閥閥芯部分，III是換向閥部分。

2.2 模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模糊PID控制主要由模糊推理和常規(guī)PID控制器兩部分組成。模糊PID控制要點(diǎn)是找出PID的3個參數(shù)與誤差e和誤差變化率ec之間的模糊關(guān)系，并在運(yùn)行過程中不斷檢測e和ec，根據(jù)確定的模糊控制規(guī)則來對3個參數(shù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，滿足不同e和ec時對3個參數(shù)的不同要求[16]。對誤差 e、誤差變化 ec 及3個參數(shù)的模糊集及其論域定義分別為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}和{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。建立3個參數(shù)自整定的模糊規(guī)則的一般原則為：當(dāng)|e|較小時，為保證系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性，積分控制參數(shù)取得大些，比例控制參數(shù)取得小些，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，微分比例參數(shù)的選擇十分重要，遵循的原則是，當(dāng)ec較小時微分控制參數(shù)取大一些，ec 較大時參數(shù)取較小的值，通常微分控制參數(shù)為中等大小。當(dāng)|e|和 ec 較適中時，比例控制參數(shù)應(yīng)取得小些，可滿足系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量較小，此時微分控制參數(shù)的取值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，應(yīng)取得小些，積分控制參數(shù)的取值適當(dāng)即可；當(dāng)|e|較大時，為使系統(tǒng)具有較好的快速跟蹤性能，比例控制參數(shù)取較大，微分控制參數(shù)取較小，同時為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)限制積分作用，一般取積分控制參數(shù)為0。據(jù)此建立3個控制參數(shù)自整定的模糊規(guī)則[17-18]，將建好模糊算法數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入到Simulink仿真模塊中得出仿真模型(圖4)。

圖3 電液比例流量閥總的傳遞函數(shù)方塊圖Fig.3 Transfer function diagram of electro-hydraulic proportional flow valve

圖4 模糊算法仿真模型 Fig.4 Simulation model of fuzzy algorithms

3 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用1∶4縮比模型試驗(yàn)來研究高海況打撈系統(tǒng)的波浪補(bǔ)償控制效果[19]。根據(jù)幾何、運(yùn)動及動力相似原理，滿足Strouhal數(shù)和Froude數(shù)相等[20-22]。試驗(yàn)裝置(圖5)中，試驗(yàn)搖擺臺用于模擬規(guī)則波作用下周期性橫搖運(yùn)動，其橫搖角度參數(shù)±25°，搖擺臺控制系統(tǒng)配備TTC公司的HY系列顯示器；攔截打撈臂模型伸縮仰角-20°～45°，最大工作行程4 m，線位移傳感器配置在打撈攔截臂變幅油缸桿伸縮端；數(shù)據(jù)采集選用S7—1200PLC控制器和NI采集設(shè)備，并采用LABIEW做上位機(jī)界面；設(shè)置于油缸的位移傳感器采用AB兩相脈沖輸出傳感器，精度0.1 mm/脈沖；壓力傳感器測量壓力0～250 bar，模擬輸出電流4～20 mA；

圖5 模型搖擺試驗(yàn)布置圖Fig.5 Rolling model test layout

傾角傳感器采用AHRS慧聯(lián)科技角度傳感器。為驗(yàn)證模糊算法PID控制效果，主要通過搖擺臺模擬二級海況運(yùn)動下與傳統(tǒng)PID控制對比模型試驗(yàn)以及模擬六級海況(模擬六級海況下規(guī)則波的橫搖運(yùn)動，橫搖±15°，周期10 s)下的補(bǔ)償效果。

4 結(jié)果與分析

4.1 不同控制補(bǔ)償效果對比分析

搖擺臺模擬二級海況運(yùn)動下作±5°振幅橫搖運(yùn)動，分別采用傳統(tǒng)PID和模糊PID兩種控制模式，設(shè)置自動模式0°補(bǔ)償，記錄模型試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后傳感器的數(shù)據(jù)(圖6、圖7)。圖6中，受電液比例換向閥反向死區(qū)的影響，當(dāng)攔截臂角度高于設(shè)定角度0°時，傳統(tǒng)PID的反向輸出并未使得油缸縮回，表現(xiàn)為油缸縮回延時；在PID的控制作用下，油缸做伸出補(bǔ)償時較為平滑，但油缸縮回時，在相同的PID參數(shù)調(diào)節(jié)作用下，壓差的超調(diào)導(dǎo)致油缸運(yùn)動斷斷續(xù)續(xù)；當(dāng)誤差較大時，油缸不能及時補(bǔ)償，導(dǎo)致角度誤差±2.5°，補(bǔ)償效果不佳。其主要原因是傳統(tǒng)PID模塊適合于目標(biāo)處于靜態(tài)情況下的控制，在誤差較大的情況下快速修正誤差，并使結(jié)果趨于穩(wěn)定。但打撈設(shè)備的攔截臂處于動態(tài)波動狀況，且受電液比例換向閥靈敏度和變幅油缸大小腔面積的影響，波浪補(bǔ)償效果并不好。圖7中，該階段內(nèi)攔截臂做0°的波浪補(bǔ)償。在油缸伸出階段油缸位移增大，大腔壓力30 bar，小腔壓力5 bar左右，其形成的壓力差推動油缸活塞桿伸出；在油缸縮回時其位移減小，大腔壓力50 bar，小腔壓力40 bar左右，在大小腔的壓力差和攔截臂自身重力的影響下推動油缸活塞桿縮回，攔截臂的波浪補(bǔ)償維持在±0.8°的誤差內(nèi)，其補(bǔ)償效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID。由相似理論可知，大的原型機(jī)器將穩(wěn)定在±0.8°內(nèi)，滿足一般打撈要求。

圖6 傳統(tǒng)PID的控制效果Fig.6 Control effect of traditional PID

圖7 模糊PID的控制效果Fig.7 Control effect of fuzzy PID

4.2 六級海況補(bǔ)償控制效果分析

六級海況是返回艙打撈作業(yè)的極端海況，搖擺臺試驗(yàn)通過模擬六級海況使搖擺臺做±15°振幅橫搖運(yùn)動，測試極端環(huán)境下的模糊PID波浪補(bǔ)償效果。圖8顯示了在該階段內(nèi)采集到的完整數(shù)據(jù)變化趨勢：PID處于自動控制模式，打撈攔截臂做0°的波浪補(bǔ)償運(yùn)動。在油缸伸出階段位移增大，大腔壓力30 bar，小腔壓力5 bar左右，該壓力差推動油缸活塞桿伸出；油缸縮回時油缸位移減小，大腔壓力50 bar，小腔壓力40 bar左右，在大小腔的壓力差和攔截臂自身重力的影響下推動油缸活塞桿縮回，油缸活塞桿平穩(wěn)運(yùn)動，打撈攔截臂的波浪補(bǔ)償維持在±1.3°的誤差內(nèi)，根據(jù)相似理論準(zhǔn)則知，原樣機(jī)將穩(wěn)定在±1.3°內(nèi)，滿足高海況打撈要求。

圖8 六級海況下做0°補(bǔ)償采集到的傳感器數(shù)據(jù)Fig.8 Sensor data collected by 0°compensation under six-level sea conditions

5 結(jié)論

針對救助母船運(yùn)動對攔截臂打撈穩(wěn)定安全性問題，提出一種以變幅油缸為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制攔截臂橫搖運(yùn)動方法，分別采用傳統(tǒng)PID控制方法和模糊PID控制方法進(jìn)行模型對比試驗(yàn)研究，模型試驗(yàn)結(jié)果表明：采用傳統(tǒng)PID控制受電液比例換向閥反向死區(qū)的影響，變幅油缸縮回延時不能及時補(bǔ)償而嚴(yán)重影響打撈效率的問題，而模糊 PID控制能大大改善PID控制性能，模擬六級海況下水平姿態(tài)補(bǔ)償精度達(dá)到±1.3°。該方法理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可為原型樣機(jī)的控制優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

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