耙吸挖泥船環(huán)保閥全自動控制技術研究與應用

周昭旭，潘永軍，何彥行，張晴波，衣凡

（中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 200082）

0 引言

耙吸挖泥船挖泥時通過裝艙溢流來增加裝載量是關鍵施工工藝，而溢流過程中由于溢流混合物攜帶了大量空氣，促使泥沙顆粒進入水體后不能快速沉降而處于長時間懸浮狀態(tài)，造成懸浮顆粒污染。通過在溢流筒內安裝環(huán)保閥裝置，持續(xù)調節(jié)閥體開度，進而控制溢流液面落差，使溢流筒保持一定的浸沒高度，減少溢流混合物氣泡含量，可有效降低泥沙顆粒懸浮時間，減少懸浮物擴散污染，提高整船施工的環(huán)保性[1-3]。

裝艙溢流過程中如何調節(jié)環(huán)保閥開度使溢流環(huán)保效果最佳是挖泥船環(huán)保疏浚的關鍵技術。操作人員需要頻繁調節(jié)環(huán)保閥，同時操作其它疏浚機具，勢必出現(xiàn)工作量大、注意力不集中，影響施工效率的同時降低施工標準，嚴重時造成安全事故[4-7]。

針對現(xiàn)階段環(huán)保閥人工操作的局限性，本文在分析環(huán)保閥控制需求的基礎上，綜合考慮耙吸船施工工藝和疏浚設備工作特性，研究環(huán)保閥全自動控制技術，設計環(huán)保閥自動化與智能化控制策略，研發(fā)環(huán)保閥全自動控制器。

1 環(huán)保閥裝置

溢流筒中的環(huán)保閥由耐磨閥板、支架結構、中間連桿、長連桿和液壓油缸以及線纜架組成，見圖1。

圖1 環(huán)保閥裝置Fig.1 Green valve equipment

環(huán)保閥對溢流的關鍵作用是減少氣泡的進入。通過安裝可調節(jié)開度的環(huán)保閥裝置，增加溢流混合物的流動阻力，降低溢流流速，減少溢流筒入口處與大氣壓之間的壓力差，同時增加溢流筒上方的水位，使溢流筒保持一定的浸沒高度，直接降低溢流混合物的落差高度，減少與空氣的接觸時間，筒底排出的溢流混合物中氣泡的含量也相應減少，進而減少船尾泥沙顆粒懸浮擴散，起到環(huán)保疏浚的作用[8]。

2 控制需求與技術路線

耙吸挖泥船挖泥時由耙頭挖掘泥沙，經(jīng)泥泵作用通過管路進入泥艙，當艙內液位上升至溢流筒高度時發(fā)生溢流，操作人員需要持續(xù)觀察溢流情況來動態(tài)調節(jié)環(huán)保閥開度，使溢流效果達到施工環(huán)保標準，同時還要兼顧操作其它疏浚設備，容易出現(xiàn)疲勞分心，影響施工安全。

針對環(huán)保閥人工操作的局限性，設計環(huán)保閥全自動控制策略，從環(huán)保閥主流程控制邏輯、溢流過程自動控制與智能尋優(yōu)方面，開展環(huán)保閥自動化與智能化控制技術的研究，實現(xiàn)環(huán)保閥全自動無人化調控，達到最佳環(huán)保溢流效果。

3 環(huán)保閥全自動控制器設計

環(huán)保閥全自動控制器的控制對象是環(huán)保閥開度，裝艙溢流過程中，通過自動調節(jié)環(huán)保閥開度使溢流筒保持合適的浸沒高度，進而減少溢流液面落差是關鍵控制目標。

3.1 主流程控制

3.1.1 參數(shù)配置

耙吸挖泥船施工作業(yè)受環(huán)境工況和疏浚土質影響因素大，因此挖泥前需要進行參數(shù)設置，見圖2。

圖2 環(huán)保閥全自動控制器參數(shù)設置Fig.2 Parameter setting of fully automatic green valve controller

1）模式選擇

控制器配備了2種模式：自動模式和智能模式。自動模式中溢流筒浸沒高度的控制目標值由人工設定，控制器調節(jié)環(huán)保閥開度使溢流筒的實際浸沒高度匹配設定目標值。智能模式中控制器根據(jù)實際裝艙溢流效果對環(huán)保閥開度進行動態(tài)尋優(yōu)調節(jié)。

2）目標土方量

當挖泥土方量大于設定目標值時，環(huán)保閥自動關閉，防止泥沙流失影響裝艙產(chǎn)量。

3）最大吃水

當船體平均吃水超過最大吃水設定值時，環(huán)保閥自動全開，控制器報警提示。

3.1.2 流程總體設計

1個挖泥周期中環(huán)保閥全自動控制器的主流程控制邏輯見圖3。

圖3 環(huán)保閥全自動控制器主流程邏輯Fig.3 Main process logic of fully automatic green valve controller

挖泥前對環(huán)保閥全自動控制器參數(shù)進行設置，通過疏浚監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面激活控制器。挖泥時當泥艙液位高于溢流筒時開始溢流，控制器開始切入。

控制器根據(jù)配置模式對環(huán)保閥開度自動調節(jié)。自動模式中控制器通過控制閥體開度將溢流筒實際浸沒高度控制在手動設定的目標值附近。智能模式時控制器根據(jù)當前裝艙溢流情況對環(huán)保閥開度進行動態(tài)尋優(yōu)控制，使溢流環(huán)保效果最佳。

當挖泥土方量大于設定目標土方量時，控制器自動關閉環(huán)保閥并切出，減少溢流損失并維持當前產(chǎn)量。裝艙溢流過程中若船體平均吃水超過最大吃水設定值，控制器的安全保護機制觸發(fā)，環(huán)保閥自動全開并報警提示。

3.2 自動控制

控制器的電氣控制對象是電磁閥的動作，自動模式中當溢流筒實際浸沒高度與設定目標值偏差較大時，采用控制環(huán)保閥開、關液壓油缸電磁閥得電的方式實現(xiàn)開度自主調控，動作表見表1。

表1 環(huán)保閥全自動控制器動作表Table 1 Action table of fully automatic green valve controller

其中ΔH為溢流筒浸沒高度實際值，通過液位雷達和溢流筒行程傳感器信號計算；ΔHs為溢流筒浸沒高度的目標控制值；D為控制死區(qū)，根據(jù)船型泥艙結構設置為固定值。結合環(huán)保閥的控制原理，采用常規(guī)PID控制策略的方法實現(xiàn)自動控制，控制架構如圖4所示。

圖4 環(huán)保閥自動控制架構圖Fig.4 Structure diagram of automatic green valve controller

PID控制模塊的輸入為溢流筒浸沒高度目標值、控制死區(qū)，kp、ki、kd為PID修正參數(shù)，反饋值為溢流筒的實際浸沒高度，輸出量為環(huán)保閥液壓油缸的電磁閥指令。

3.3 智能尋優(yōu)控制

實際應用中發(fā)現(xiàn)，自動模式能夠根據(jù)溢流筒浸沒高度的實際值和目標值對環(huán)保閥開度進行自主調控，但頻繁出現(xiàn)環(huán)保閥全開、全關等大幅度開度調節(jié)的問題，導致液壓油缸頻繁動作，長期使用會降低液壓系統(tǒng)的使用壽命，同時溢流筒實際浸沒高度存在較大的振蕩性，溢流環(huán)保效果不明顯。這是由于挖泥裝艙具有可變性，疏浚土質和工況環(huán)境是裝艙溢流過程的關鍵影響因子，采用自動模式的控制器無法充分感知裝艙溢流參數(shù)，對工況的適應能力差。

針對該問題，設計裝艙溢流智能感知模塊，充分感知預測裝艙溢流的工作狀態(tài)。在此基礎上引入智能尋優(yōu)算法，分析研究環(huán)保閥智能尋優(yōu)控制策略，最終實現(xiàn)閥體開度的動態(tài)尋優(yōu)調節(jié)。

滑動聚束方式下波束在地面照射區(qū)域具有一定移動速度vf，因此在增加定點聚束每個波位脈沖駐留數(shù)，打破波束掃描速度與飛機平臺速度的平衡，進而使得波束在地面照射區(qū)域具有一定的移動速度。這里引進滑動系數(shù)k(k≥1)，滑動聚束方式下，波位駐留脈數(shù)N0=k·R·sin(θv)/va·PRF，通過設置k的取值，調節(jié)波束在地面的滑動速度。

3.3.1智能感知模塊

裝艙溢流智能感知模塊不僅對疏浚監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)有手段采集的信號進行監(jiān)控，還能感知溢流損失等傳感器無法監(jiān)測的數(shù)據(jù)，同時預測裝艙溢流狀態(tài)。感知模塊架構見圖5。

圖5 裝艙溢流智能感知模塊架構Fig.5 Structure diagram of intellisense for loading and overflow process

泥艙動態(tài)沉積模型是智能感知模塊的關鍵數(shù)學模型，模型的輸入為進艙流量Qi、進艙密度ρi、溢流筒高度Ho、環(huán)保閥實時開度Vo、當前裝載量Mt和液位Ht，實時計算溢流混合物流量Qo、溢流密度ρo，在此基礎上輸出裝載量M^t和液位H^t的預測值。

泥艙動態(tài)沉積模型的建模原理是基于泥艙裝載量、艙容量和艙內液面高度建立基本平衡方程，根據(jù)泥艙和溢流筒的結構按照挖泥工藝分階段計算溢流流量，通過引入疏浚土質參數(shù)來構建泥沙沉降模型，進一步構建水層模型來模擬艙內泥漿混合物的密度分布情況，計算溢流混合物密度，同時對后續(xù)裝載量和液位進行預測。泥艙動態(tài)沉積模型的詳細建模原理和方法可參考相關文獻[9-11]。

3.3.2智能尋優(yōu)算法

針對耙吸挖泥船施工過程時可變性特點，采用自主適應能力強、算法簡易、配置參數(shù)少的粒子群尋優(yōu)算法[12-13]，對環(huán)保閥開度進行動態(tài)尋優(yōu)。粒子群算法尋優(yōu)步驟見圖6。

圖6 粒子群尋優(yōu)算法流程圖Fig.6 Flow chart of particle swarm optimization algorithm

針對尋優(yōu)算法在工程應用的時效性問題，設置粒子群體的數(shù)量為100個，由于裝艙溢流是連續(xù)性過程，因此每次尋優(yōu)的迭代周期設置為30 s。每個迭代周期內粒子的初始參數(shù)為當前泥艙液位、裝載量、溢流筒高度，所有粒子依次對環(huán)保閥開度從0至100%進行模擬。

粒子群體中每個粒子根據(jù)泥艙動態(tài)沉積模型，對裝艙溢流過程進行推演，計算并預測該周期內的相關溢流參數(shù)，根據(jù)評價函數(shù)（式（1））計算每個粒子的評估值：

4 實船試驗與應用

環(huán)保閥全自動控制器已部署于“航浚3011”和“航浚4019”輪，并成功應用于黃驊港、日照等施工現(xiàn)場。

實船試驗時在相似工況條件下分別對環(huán)保閥全自動控制器的自動模式和智能模式進行測試，試驗工況參數(shù)見表2。

表2 實船試驗工況（開始溢流后的30 min內）Table 2 Actual testing conditions（within 30 min of starting to overflow）

自動模式中手動設定溢流筒浸沒高度為0.5 m，控制死區(qū)設置0.05 m；智能模式中評價參數(shù)k1、k2分別設置為0.2 m和0.5 m。由于溢流環(huán)保效果無法通過現(xiàn)有傳感器信號進行數(shù)字化標識，因此實船試驗時綜合分析環(huán)保閥控制開度和溢流筒實際浸沒高度來對2種運行模式的控制效果進行評估。

圖7、圖8分別反映了溢流開始后的30 min內，控制器2種模式工作時溢流筒浸沒高度和環(huán)保閥開度的實際控制效果。2種模式均能實現(xiàn)環(huán)保閥開度的自動調節(jié)，控制溢流落差減少溢流混合物的氣泡含量，從而達到環(huán)保溢流的效果。當環(huán)保閥逐漸閉合時，溢流混合物流量小于進艙流量，使溢流筒保持一定的浸沒高度；當浸沒高度上升到一定值時逐漸開啟環(huán)保閥，防止船體平均吃水大于最大吃水設定值，起到安全保護的作用。

圖7 環(huán)保閥全自動控制器的溢流筒浸沒高度控制效果Fig.7 Control effect of overflow cylinder immersion height of fully automatic green valve controller

圖8 環(huán)保閥全自動控制器的環(huán)保閥開度控制效果Fig.8 Control effect of green valve opening degree of fully automatic green valve controller

對裝艙溢流過程的智能感知與自主預測，采用智能模式的控制器通過調節(jié)環(huán)保閥開度使溢流混合物流量控制在進艙流量值附近，使溢流筒全程保持相對穩(wěn)定的浸沒高度，控制效果更加平穩(wěn)，減少環(huán)保閥調控的幅度，在保證環(huán)保溢流效果的基礎上對環(huán)保閥的調控更加平滑，有效提升了控制效率，提高了設備使用壽命。

5 結語

通過對環(huán)保閥全自動控制需求的分析，本文梳理了環(huán)保閥全自動主流程控制邏輯，根據(jù)工程應用需求分別設計了環(huán)保閥自動控制與智能控制策略，實現(xiàn)了裝艙溢流過程中環(huán)保閥開度的安全穩(wěn)定與動態(tài)尋優(yōu)控制。實船應用表明，該技術控制效果穩(wěn)定可靠，能有效降低勞動力，提高環(huán)保溢流效果，具備施工工況高度自適應與自學習的特征，可快速推廣應用至其它耙吸挖泥船。