基于反步滑模控制器的水下平臺應急系統(tǒng)研制

祝詩揚，徐國華，金 奎，趙春城，黃明輝

（1. 華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢430074；2. 中國船舶重工集團公司750試驗場，云南 昆明650000）

基于反步滑模控制器的水下平臺應急系統(tǒng)研制

祝詩揚1，徐國華1，金 奎1，趙春城1，黃明輝2

（1. 華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢430074；2. 中國船舶重工集團公司750試驗場，云南 昆明650000）

介紹了水下平臺應急系統(tǒng)的功能及組成。針對液壓張力絞車速度伺服控制特性，提出了一種自適應滑模反步控制器。在建立的平臺及液壓絞車數(shù)學模型的基礎上，詳細論述了控制器的設計過程并對控制規(guī)則進行了分析。通過MATLAB軟件對控制器進行了仿真，通過驗證后得出：滑模控制比PID控制具有快速準確的跟蹤且抖動小的優(yōu)點。最后，通過水下平臺及應急系統(tǒng)的物理試驗，驗證了水下平臺應急功能。

水下作業(yè)平臺；應急系統(tǒng)；液壓速度伺服控制；反步滑模控制

0 引言

隨著我國海洋事業(yè)的大力發(fā)展，水下平臺作為水下作業(yè)的載體越來越被廣泛利用。水下作業(yè)平臺采用張力腿技術進行水下定位，根據(jù)相關傳感器反饋的平臺姿態(tài)信息，通過調節(jié)水下絞車張力腿纜繩鋼纜長度，實現(xiàn)平臺的定深及姿態(tài)的伺服控制。但是，水下作業(yè)平臺在深水作業(yè)的環(huán)境非常惡劣，時常面臨著各種各樣的危險，一旦遇到危險需要及時回收水下作業(yè)平臺，因為研制一個平臺投入了大量的人力、物力、財力，而且每次下水作業(yè)所獲得的資料也具有極大價值[1]。如果因故障造成平臺失事，將會造成極大的損失。因此，水下作業(yè)平臺發(fā)生故障后的應急處理措施也成為作業(yè)平臺研制的關鍵性技術之一。

1 應急系統(tǒng)的工作原理、功能和組成

1.1 應急系統(tǒng)的工作原理和功能

平臺正常工作時，水上控制單元通過光電復合纜給水下作業(yè)平臺提供通信通道和電源，此時應急系統(tǒng)實時監(jiān)測水下電源及光纖通信通道。若發(fā)生電力故障或通信故障，30min內系統(tǒng)仍然無法恢復，則由水下應急控制器判斷自動控制釋放機構電動作動筒動作，釋放應急浮標，浮標依靠正浮力將應急電纜帶至水面。工作人員通過浮標快速接頭完成水上和水下應急電纜對接，建立應急電源及通信通道。操作人員通過應急操作面板發(fā)送控制指令至水下執(zhí)行機構，控制平臺安全回收[2-3]。

1.2 應急系統(tǒng)的組成

平臺應急系統(tǒng)由水上應急單元及水下應急單元兩部分組成：水上單元包括水上應急控制器、觸摸屏、應急操作面板，工控機和顯示器；水下應急單元包括UPS、應急浮標釋放機構、應急電纜、應急照明系統(tǒng)、水下應急控制器、絞車控制器、平臺位姿控制器及進排水控制器。

1.2.1 應急釋放裝置

應急浮標釋放機構由自浮滾筒、應急電纜及電動作動筒等組成。應急浮標實物圖如圖1所示。

圖1 應急浮標實物圖

自浮滾筒由浮力材料制成，應急電纜在水中接近零浮力，應急浮標入水后呈一定的正浮力，平臺正常工作時，安裝在平臺上的作動筒鎖住固定應急浮標的束縛帶確保其不釋放，一旦應急程序啟動，作動筒的電動作放開束縛帶，應急浮標開始上浮。由于電纜一端通過電纜網(wǎng)套固定在平臺上，自浮滾筒一邊上浮一邊旋轉實現(xiàn)放纜。待浮標到達水面后將水面應急纜連接到浮標的水密插座上，完成水上和水下應急纜對接。應急電纜由3芯等效截面積6mm2電源線和1對屏蔽雙絞線組成，能同時提供通信和電力通道。

1.2.2 應急系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

水下作業(yè)平臺在正常工況下，水上應急控制器和水下應急控制器通過光電復合纜以太網(wǎng)通信。以太網(wǎng)通信發(fā)生故障，水下應急控制器自動判斷釋放浮標，建立應急通信通道后，水上和水下通過應急纜 RS485完成通信。水下應急控制器和其他三個重要控制器(平臺位姿控制器、進排水控制器、絞車控制器)的通信也是通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換，RS485通道為備用。這種冗余設計進一步保證平臺進入應急狀態(tài)時的通信正常。應急系統(tǒng)的通信結構如圖2所示。

圖2 應急系統(tǒng)通信流程圖

2 應急系統(tǒng)上浮模式介紹

水下作業(yè)平臺結構如圖3所示。它主要由平臺主體、四臺液壓絞車，柔性鋼纜。重力錨組成。平臺在水下作業(yè)時，通過四臺張力絞車張緊力定位平臺[4]。平臺設備出現(xiàn)故障，需應急上浮回收，以便進行維修。平臺應急上浮過程受力學分析如下：

水阻力Z：

考慮慣性力G，平臺在上浮時附加質量：

平臺在水下受力：

式中，C為水的阻力系數(shù)，取值為0.22；ρ為水密度，取值為 1.0×103kg/m3。

平臺面積：S=900m2

平臺質量：M=2.5×106kg

由(1)～(4)可得，平臺加速度與速度V關系為：

用Matlab軟件求解該非線性微分方程有：

圖3 水下作業(yè)平臺示意圖

由方程解可知，平臺在水深100m，如果直接打開絞車伺服控制油路，上浮平均速度約為2.5m/s (平臺正常工況上浮時，控制上浮速度不超過2.0m/min)。此時張力絞車被動高速放纜，驅動馬達會因轉速過快損壞；同時，四臺張力絞車速度因張力不均勻難以同步，導致平臺傾斜過大，可能引起側翻等安全事故。為達到控制平臺安全平穩(wěn)上浮的目的，應急系統(tǒng)設計了三種模式：

應急模式一：制動器打開，通過調節(jié)電液比例閥的閥芯開口控制絞車馬達轉速，完成平臺平穩(wěn)上浮。

應急模式二：制動器打開，通過控制開關節(jié)流閥的開關控制絞車馬達速度，完成平臺平穩(wěn)上浮。

應急模式三：液壓馬達浮動，剎車開啟或關閉，完成上浮。

如圖 4所示，箭頭方向為應急模式液壓油流向。伺服泵從PA口給應急油路補油，在回油路中串入比例節(jié)流閥DT1.1（模式一）和開關節(jié)流閥DT1.4（模式二），其中比例節(jié)流閥和開關節(jié)流閥并聯(lián)。通過控制比例節(jié)流閥DT1.1開口和開關節(jié)流閥DT1.1開閉實現(xiàn)張力絞車滾筒被動放纜，同時打開張力絞車剎車和錨泊絞車浮動閥，通過上述操作實現(xiàn)平臺應急上浮。

圖4 應急系統(tǒng)液壓系統(tǒng)圖

三種應急模式為冗余設計，某個應急模式故障時，不影響其他應急模式。但模式三會造成絞車馬達的損壞，一般不采用。模式一對速度的控制精度最高，是主要應急模式，只有該模式失效后，才啟用另外模式。本文主要針對模式一設計控制器。

3 應急系統(tǒng)控制器設計

3.1 平臺伺服液壓系統(tǒng)建模

液壓回路回油量通過電液比例節(jié)流閥的開口大小調節(jié)，比例節(jié)流閥開口大，背壓減小，回油量增大，馬達轉速增大，平臺上浮速度增大。為了防止平臺上浮速度過快，絞車安裝了測速傳感器，通過速度反饋控制比例節(jié)流閥開度。其速度控制系統(tǒng)方框圖如圖 5所示。

圖5 單臺絞車速度伺服原理框圖

平臺在應急上浮過程中，液壓系統(tǒng)實際工作過程中參數(shù)負載總慣量、總泄露系數(shù)、液壓油體積彈性模量、粘性阻尼系數(shù)、外負載力矩等都可能存在一定的不確定性。設計自適應控制器的目的是在不確定參數(shù)定常或者慢時變情況下，通過所設計控制器使系統(tǒng)的速度輸出快速準確跟蹤速度給定信號[5]。

閥控液壓馬達基本方程的拉普拉斯變換式[6]：

1）閥的流量方程：

2）液壓馬達流量方程：

3）力矩平衡方程:

式中，Cd為閥口流量系數(shù)；w為閥面積梯度；Ps為液壓泵供油壓力；ρ為液壓油密度；Dm為液壓馬達排量；Vm為油腔體積；βe為體積彈性模量；Ctm為總泄露系數(shù)；Jt為總慣量；Bm為粘性阻尼系數(shù)，TL為馬達軸上外負載力矩。

由(5)、(6)可得：

由(7)可得

由(8)、(9)可得

g( xv) =u是系統(tǒng)控制輸入，即比例節(jié)流閥輸入電壓。

3.2 反步滑模控制器設計

根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性理論，基于反步算法進行系統(tǒng)控制器設計。下面的推導過程中，xi(i=1，2)為系統(tǒng)狀態(tài)的實際值；xid(i=1，2)為系統(tǒng)狀態(tài)變量的期望值。

定義速度跟蹤誤差：

對e1求導有：

定義Lyapunov函數(shù)：

對式(12)求導，得：

將式(15)代入式(13)得：

第2步對e2求導：

定義Lyapunov函數(shù)：

對式(18)求導得：

則設計自適應控制器為：

其中：

則式(19)可轉化為：

則設計的參數(shù)自適應律為：

作業(yè)平臺控制系統(tǒng)液壓參數(shù)：Jt0=152.06kg?m2；Ctm=1.9×10-11m5/(N?s)；Bm0=800N?S/m；βe=7.0×108Pa；Vm=1.47×10-3m3；Dm=100ml/r；TL0=214.9254N?m；K1=1.25×10-3。

所設計的反步控制器控制參數(shù)c1=5000，c2=1

在這里把作用在平臺上的水動力及干擾力傳遞到液壓馬達的軸上，作為馬達外負載力矩的一個分量來考慮。因此，本文中主要考慮負載總慣量Jt、粘性阻尼系數(shù)Bm及外負載力矩TL的不確定性。假設這些參數(shù)分別按如下規(guī)律變化，即：

4 控制系統(tǒng)仿真

利用MATLAB軟件平臺，對所設計的液壓速度伺服反步滑模控制器與常規(guī)的PID控制器進行了數(shù)值仿真，對他們的控制效果進行比較分析。單臺絞車速度伺服自適應反步控制仿真圖如圖6所示。

圖6 單臺絞車速度伺服自適應反步控制仿真

仿真所選用的常規(guī)PID控制器參數(shù)為：

假設系統(tǒng)的外負載力矩擾動信號TL為白噪聲。由仿真結果可以看出，常規(guī)PID控制存在一定的跟蹤誤差，而反步滑模控制器表現(xiàn)出了更好的控制精度和響應速度，如圖7、圖8所示。說明自適應反步控制器能夠實現(xiàn)高精度的速度伺服。為水下作業(yè)平臺應急上浮的同步控制實現(xiàn)奠定了基礎。

5 現(xiàn)場試驗

水上主控制器和水下主控制器通信中斷，水下應急控制器直接向水上應急控制器發(fā)送電力指令反饋，水上水下仍然無法建立連接，水下應急控制器判斷通信故障，30min后自動釋放浮標。操作人員完成水上水下應急纜對接。切換至應急上浮模式一，平臺進入應急上浮程序。調節(jié)液壓系統(tǒng)四個比例節(jié)流閥開口一致，同時控制四臺張力絞車放錨。監(jiān)控鋼絲繩的張力、速度、張力絞車的位移及馬達壓力。

圖7 反步滑模控制器正弦輸入響應

圖8 常規(guī)PID控制器正弦輸入響應

圖9 作業(yè)平臺半潛水中

圖10 作業(yè)平臺浮出水面

水下作業(yè)平臺從半潛到浮出水面的過程中，四臺張力絞車的放纜速度穩(wěn)定，平臺傾角的變化不超過0.1°，滿足應急上浮時對速度的控制要求。圖9為作業(yè)平臺半潛水中，圖10為作業(yè)平臺浮出水面的場景。

6 總結

本文設計了一種水下作業(yè)平臺的應急系統(tǒng)，并對其組成和工作原理進行了介紹。為了控制水下平臺應急工況下平穩(wěn)上浮，針對平臺絞車液壓速度伺服控制系統(tǒng)，設計了反步滑模變結構控制器，對建立的液壓模型進行Matlab仿真。結果表明，與傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)相比，自適應反步控制器表現(xiàn)出了更好的控制精度和響應速度，適用于對單臺絞車速度的精確控制，也為平臺應急上浮過程四臺絞車同步控制奠定了基礎。最后，通過現(xiàn)場試驗進一步驗證了應急系統(tǒng)滿足平臺對速度的控制要求，驗證了平臺應急系統(tǒng)的功能性與可靠性。

[1] Rober A George, Jih-Ping Shuy, Eric Cauquil.Deepwater AUV logs 25,000 kilometers under the sea[J]. Arlington:Sea Technology, 2003, 44(12):10-13.

[2] 唐榮慶, 曹志裕, 張希賢. “探索者”號自治水下機器人拋載系統(tǒng)的研制[J]. 海洋工程, 2001(2):85-87.

[3] 何曉燕, 張永林. 水下遙作業(yè)系統(tǒng)的協(xié)調控制的研究[J]. 船舶工程, 2013, 35(3): 67-70.

上船公司接獲8艘新船訂單

作為國內建造大型重吊船和中型集裝箱船的翹楚，上海船廠船舶有限公司剛進入2015年就實現(xiàn)接單“開門紅”：1月8日，該公司與中遠航運股份有限公司簽訂了4+2艘2.8萬噸多用途重吊船合同；1月5日，該公司承接了中國外運陽光速航運輸公司2艘4000TEU集裝箱船訂單。

多年來，世界船市一直萎靡不振，但是上船公司憑借過硬的技術實力，在大型重吊船和中型集裝箱船領域打下一片天地。去年，該公司為中遠航運建造了4艘同類重吊船，之前還為中波航運公司和其他航運公司建造了3.2萬噸重吊船等。在中型集裝箱船方面，該公司更是憑借獨有的研發(fā)設計優(yōu)勢和雄厚的施工實力，已為國內外船東建造了數(shù)十艘多種型號的中型集裝箱船。今年1月2日，該公司為荷蘭尼羅河航運公司建造的3500TEU集裝箱船“尼羅河德雷赫特”號交付。

(沈曉峰)

Development of Underwater Platform Emergency System Based on Backstepping Sliding Mode Controller

ZHU Shi-yang1, XU Guo-hua1, JIN Kui1, ZHAO Chun-cheng1, HUANG Ming-hui2
(1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. No.750 Testing Field, CSIC, Kunming 650000, China)

The function and composition of the underwater emergency system are introduced. Aiming at speed servo control characteristics of a hydraulic tension winch, a sliding mode adaptive backstepping controller is put forward. On the basis of the mathematical model of founded platform and the hydraulic winch, the controller design process is discussed and the controlling rules is analyzed. The controller is simulated by MATLAB software. After the verification, it is obtained that sliding mode control has advantages of fast, accurate tracking and small jitter, compared with PID control. Finally, through physical experiment of underwater platform and emergency system, underwater platform emergency function is verified.

underwater platform; emergency system; hydraulic servo speed control; backstepping sliding mode controller

TP273

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.01.001

國防條保重大專項(026114024)

祝詩揚(1987-)，男，在讀碩士研究生，研究方向為水下機器人作業(yè)技術