基于PID算法的海工升降平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)

蔣佳利　毛澤江

摘? 要：基于PID算法的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)是一種操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高，且安全可靠的海工升降平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)。海工升降平臺(tái)（Liftboat）在升降過(guò)程中，用自動(dòng)調(diào)平技術(shù)代替人工手動(dòng)調(diào)平，簡(jiǎn)化了升降平臺(tái)的調(diào)平操作，提高了操作的安全性，同時(shí)也大大提高了升降平臺(tái)的升降效率。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)調(diào)平;PID算法;系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）31-0059-02

Abstract： The automatic leveling system based on PID algorithm is a kind of automatic leveling system for marine lifting platform， which has the advantages of simple operation， high degree of automation and safety. In the lifting process of the marine Liftboat， the automatic leveling technology is used instead of manual leveling， which not only simplifies the leveling operation of the lifting platform， improves the safety of the operation， but also greatly improves the lifting efficiency of the lifting platform.

Keywords： automatic leveling; PID algorithm; system

引言

現(xiàn)有的海工升降平臺(tái)（Liftboat）采用的是人工手動(dòng)調(diào)平技術(shù)，即在升降作業(yè)過(guò)程中，升降平臺(tái)（Liftboat）傾斜角度值超過(guò)限制值，傾斜超限報(bào)警，操作人員立即停止升降作業(yè)。切換至單樁升降工況，單獨(dú)升降在升降過(guò)程中速度過(guò)慢的樁腿，當(dāng)平臺(tái)傾斜角度值調(diào)節(jié)至允許范圍內(nèi)，人工手動(dòng)調(diào)平完成。切換至多樁聯(lián)動(dòng)升降工況，繼續(xù)進(jìn)行升降作業(yè)。[1]在整個(gè)升降過(guò)程中，多次的調(diào)平耗時(shí)太多，從而降低了整個(gè)升降平臺(tái)的工作效率。人工手動(dòng)調(diào)平需要操作人員先根據(jù)傾斜角度值來(lái)進(jìn)行調(diào)平，這樣對(duì)操作人員的操作能力要求高，可操作性不強(qiáng)。而且僅憑傾角角度單一信號(hào)，容易造成判斷失誤。[2]

因此，用一種新型的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工調(diào)平系統(tǒng)，不僅可以簡(jiǎn)化平臺(tái)調(diào)平操作，提高了操作的安全性，同時(shí)也大大提高了工作效率。

1 自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)簡(jiǎn)介

海工升降平臺(tái)（Liftboat）自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)由外圍傳感器、控制裝置、執(zhí)行元件組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 基于PID算法的自動(dòng)調(diào)平控制邏輯

2.1 自動(dòng)調(diào)平控制邏輯流程框圖

海工升降平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)基于PID算法，根據(jù)平臺(tái)的傾斜角度值或樁腿位置值來(lái)調(diào)節(jié)整個(gè)平臺(tái)的傾斜度?？刂七壿嬃鞒炭驁D如圖2所示。

2.2 自動(dòng)調(diào)平控制邏輯

基于PID算法的自動(dòng)調(diào)平控制邏輯包括以傾斜角度值Q作為自動(dòng)調(diào)平判斷信號(hào)的控制邏輯和以樁腿相對(duì)位置值S作為自動(dòng)調(diào)平判斷信號(hào)的控制邏輯，樁腿相對(duì)位置值S為冗余信號(hào)。

傾斜角度值Q有效時(shí)，傾斜角度值Q優(yōu)先作為自動(dòng)調(diào)平的判斷信號(hào);若傾斜角度值Q失效時(shí)，自動(dòng)切換用樁腿相對(duì)位置值S作為自動(dòng)調(diào)平的判斷信號(hào)。

2.2.1 基于傾斜角度信號(hào)的自動(dòng)調(diào)平邏輯控制

（1）調(diào)速樁腿的確定

根據(jù)平臺(tái)傾斜角度限制值Q先確定升降速度過(guò)快需要調(diào)速的樁腿;傾角與樁腿關(guān)系圖如圖3所示，樁腿按順時(shí)針?lè)较蚍謩e為樁腿1、2、3、4，QX為X軸傾斜角度值，QY為Y軸傾斜角度值，根據(jù)樁腿與傾角的關(guān)系圖，平臺(tái)上升工況，若QX>傾角限制值Q，樁腿2、4上升速度過(guò)快;若QX<-傾角限制值Q，樁腿1、3上升速度過(guò)快;若QY>傾角限制值Q，樁腿1、2上升速度過(guò)快;若QY<-傾角限制值Q，樁腿3、4上升速度過(guò)快;平臺(tái)下降工況，若QX>傾角限制值，樁腿1、3下降速度過(guò)快;若QX<-傾角限制值Q，樁腿2、4下降速度過(guò)快;若QY>傾角限制值Q，樁腿3、4下降速度過(guò)快;若QY<-傾角限制值Q，樁腿1、2下降速度過(guò)快。

（2）樁腿速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)

確定了調(diào)速樁腿后，通過(guò)PID算法邏輯調(diào)節(jié)輸出的電流或電壓控制信號(hào)，調(diào)速的PID算法公式如下：

ek=|Q實(shí)-Q目|

式中：k：PID算法中的采樣信號(hào)，k=0，1，2，3，...;j：PID算法中的采樣信號(hào)，j=0，1，2，3，...，k;UK：第K次采樣時(shí)刻輸出的電流或電壓控制信號(hào)，用于控制執(zhí)行元件，如泵、馬達(dá)、電磁閥、電機(jī)等來(lái)調(diào)節(jié)樁腿的升降速度;ek：第K次采樣時(shí)刻實(shí)際傾角值Q實(shí)與目標(biāo)傾角值Q目之差的絕對(duì)值;ej：第j次采樣時(shí)刻實(shí)際傾角值Q實(shí)與目標(biāo)傾角值Q目之差的絕對(duì)值;KP：PID算法中比例系數(shù)，根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定，初始值KP=200;ki：PID算法中積分系數(shù)，根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定，初始值ki=1;kd：PID算法中微分系數(shù)，可根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定，初始值kd=1;Q實(shí)：實(shí)際傾角值;Q目：目標(biāo)傾角值。

基于PID算法的自動(dòng)調(diào)平模塊根據(jù)實(shí)際傾角值與目標(biāo)傾角值之差的絕對(duì)值ek，實(shí)時(shí)輸出電流或電壓控制信號(hào)UK，控制執(zhí)行元件來(lái)調(diào)節(jié)樁腿的升降速度;當(dāng)升降平臺(tái)傾斜角度絕對(duì)值小于調(diào)平停止設(shè)定值，控制系統(tǒng)退出自動(dòng)調(diào)平模式，平臺(tái)按正常升降速度進(jìn)行升降。

2.2.2 基于樁腿相對(duì)位置信號(hào)的自動(dòng)調(diào)平邏輯控制

當(dāng)傾斜角度值Q失效時(shí)，自動(dòng)切換用樁腿相對(duì)位置值S作為自動(dòng)調(diào)平的判斷信號(hào)，控制邏輯流程如下：

（1）調(diào)速樁腿的確定

實(shí)際相對(duì)位移值S實(shí)與相對(duì)位移最小值Smin之差ek大于調(diào)平開(kāi)始設(shè)定值，平臺(tái)進(jìn)入自動(dòng)調(diào)平模式。

（2）樁腿速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)

以相對(duì)位移最小值Smin的樁腿為基準(zhǔn)，通過(guò)PID算法邏輯調(diào)節(jié)輸出的電流或電壓控制信號(hào)，調(diào)速的PID算法公式如下：

Ek=S實(shí)-Smin

式中：k：PID算法中的采樣信號(hào)，k=0，1，2，3，...;j：PID算法中的采樣信號(hào)，j=0，1，2，3，...，k;UK：第K次采樣時(shí)刻輸出的電流或電壓控制信號(hào)，用于控制執(zhí)行元件，如泵、馬達(dá)、電磁閥、電機(jī)等來(lái)調(diào)節(jié)樁腿的升降速度;Ek：第K次采樣時(shí)刻樁腿實(shí)際相對(duì)位移值S實(shí)與相對(duì)位移最小值Smin之差;Ej：第j次采樣時(shí)刻樁腿實(shí)際相對(duì)位移值S實(shí)與相對(duì)位移最小值Smin之差;KP：PID算法中比例系數(shù)，根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定，初始值KP=50;ki：PID算法中積分系數(shù)，根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定，初始值ki=1;kd：PID算法中微分系數(shù)，可根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定，初始值kd=1;S實(shí)：樁腿實(shí)際相對(duì)位移值;Smin：樁腿相對(duì)位移最小值。

基于PID算法的自動(dòng)調(diào)平模塊根據(jù)樁腿實(shí)際相對(duì)位移值S實(shí)與相對(duì)位移最小值Smin之差Ek，實(shí)時(shí)輸出電流或電壓控制信號(hào)UK，控制執(zhí)行元件來(lái)調(diào)節(jié)樁腿的升降速度。

當(dāng)所有樁腿實(shí)際相對(duì)位移值S實(shí)與相對(duì)位移最小值Smin之差小于調(diào)平停止設(shè)定值，所述調(diào)平停止設(shè)定值可根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定，控制系統(tǒng)退出自動(dòng)調(diào)平模式，平臺(tái)按正常升降速度進(jìn)行升降。

3 結(jié)論

基于PID算法的海工升降平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于海工升降平臺(tái)（Liftboat）在升降作業(yè)時(shí)，邊升降邊調(diào)平，無(wú)縫對(duì)接，無(wú)須操作人員值守，從而簡(jiǎn)化了海工升降平臺(tái)（Liftboat）調(diào)平操作，操作更加簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高;平臺(tái)傾斜角度值始終保持在安全允許的角度范圍內(nèi)，提高了升降系統(tǒng)的安全可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫東昌，潘斌.海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2008：22-26.

[2]黃維學(xué)，劉放.自升式海上鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)分析[J].設(shè)計(jì)與計(jì)算，2011（2）：69-71.