富鈷結殼規模取樣器銑挖馬達控制算法研究

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殼取樣器的恒功率銑挖頭測控系統。該系統由機械部分和電子測控部分組成，電子測控部分采集系統各傳感器的數據，監測銑挖頭狀態，并根據上位機命令實現對銑挖頭旋轉啟停作業的控制。為克服海底復雜微地形對作業性能的影響，根據銑挖設備條件，提出恒功率銑挖馬達轉速控制算法。該算法能夠在作業時將銑挖馬達轉速和進出口壓力控制在合理范圍內，以保證作業安全。經實驗驗證，該系統可以實時根據操作人員的指令控制銑挖裝置進行安全作業。

關鍵詞：規模取樣器；銑挖控制；轉速控制；進出口壓力控制

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-04

0 引 言

富鈷結殼是大洋底部最具吸引力的礦產資源之一，而開采富鈷結殼則需要一種安全可靠的破碎采集裝置。自20世紀80年代以來，美國、日本、俄羅斯以及我國等對深海富鈷結殼進行了取樣調查，并對關鍵技術展開了研究。1985年，美國學者J.Halkyard針對海山上富鈷結殼開采需要用到的技術進行了闡述[1]；1987年，日本學者Yoshio針對富鈷結殼開采設備提出了連續線性桶結構[2]；直到1993年，日本學者Masuda等人采用連續索斗法進行了富鈷結殼海上開采試驗，并獲得成功。我國對大洋富鈷結殼礦的調查與研究起步相對較晚，從1987年“海洋四號”科考船首次取得富鈷結殼樣本[3]，經過幾十年的大力發展，富鈷結殼開采技術有了顯著進步。從早期的主要依賴抓斗、箱式采樣、拖網取樣和重力柱狀采樣等傳統取樣方法，已經發展到現在的可視抓斗、深海淺鉆、水下ROV取樣等新型取樣技術[3，4]。

2015年，我國大洋礦產資源開發協會提出對富鈷結殼規模取樣器設備的研制。采用銑挖頭作為富鈷結殼破碎采樣結構，因此要求具有實時監測并可根據實時反饋狀態進行控制的系統。故將電子控制系統作為其控制核心，通過采集規模取樣器傳感器信號，根據操作人員的控制指令操控取樣器動作，實現對富鈷結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控系統，通過采集恒功率銑挖馬達的轉速和進出口液壓值，控制與銑挖裝置相連的電磁閥組，實現對富鈷結殼的銑挖作業。但是由于海底微地形的復雜性[5]，銑挖頭在工作過程中的負載變化不規律，加大了對銑挖馬達的控制難度。因此，針對該電子測控系統，設計使用滑模變結構控制算法，利用其響應速度快、魯棒性好等優點，可以精確地控制銑挖頭上下移動，使得液壓馬達轉速和液壓值處于安全范圍內，以保證采礦工作的安全進行。

1 系統組成框架

銑挖測控系統主要由機械部分和電子測控部分組成，系統框圖如圖1所示。機械部分包括銑挖裝置及其液壓子系統、內置傳感器、液壓電磁閥等設備。電子測控部分包括水下系統和水上甲板通信機。水下系統采集傳感器信號，接收操作人員的操控指令，通過控制液壓電磁閥來控制機械裝置進行相應的動作。機械部分和電子測控部分配合完成銑挖取樣任務。

1.1 機械結構組成

銑挖裝置實物如圖2所示。其中，銑挖頭固定在機械臂中間，機械臂的上端與規模取樣器底盤的中部連接，銑挖頭在機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高速換向閥控制機械臂油缸來實現，且裝置上下移動的速度可調。電子測控系統放置在密封艙中，系統通過水密纜來控制銑挖頭的液壓閥組和一系列相關傳感器，包括機械臂液壓壓力傳感器、機械臂位移傳感器、銑挖馬達液壓壓力傳感器、銑挖馬達轉速傳感器等，實現對銑挖裝置的測控，同時銑挖頭裝置的轉動也由電磁閥來控制。電磁液壓閥組如圖3所示。

1.2 電子測控系統結構

電子測控系統主要通過采集銑挖裝置傳感器數據實時反饋狀態，控制相應液壓閥組執行機構實現銑挖工作。系統包括水上甲板機和水下嵌入式系統兩部分，通過萬米光電復合纜連接。

為了便于操作銑挖裝置，針對水下嵌入式系統測控設計上位機軟件。該軟件通過UDP協議與水下系統通信，接收銑挖裝置各傳感器狀態以及水下系統各板卡信息，根據控制策略向水下系統發送控制命令。

1.2.1 水上甲板機

水上甲板機包括一臺PC機和一臺甲板通信機。PC機實現對水下系統的檢測和對上位機軟件的控制；甲板通信機將水下系統傳輸上來的光信號轉換成電信號，并將其連接到PC機上，以實現上位機與水下系統的通信。

1.2.2 水下嵌入式系統

水下嵌入式系統框圖如圖4所示。其中，STM32主控系統接收監測機械結構狀態的各種傳感器數據，并將其打包成網絡信號，經過光端機轉換成光信號經由光纖發送至甲板機， 同時也接收甲板機發送的控制命令，并根據命令執行控制動作，如打開或關閉相應液壓閥組。

水下嵌入式系統控制連接機械臂的液壓閥組，使得液壓閥組連接的高速換向閥通過換向改變機械臂的上下移動狀態，進而實現對富鈷結殼的破碎銑挖作業。同時，系統讀取連接在裝置上的各種傳感器數據，實時監測銑挖裝置狀態。此外，系統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 銑挖控制系統設計

為了保證銑挖工作的安全，同時滿足規模取樣器的需求，銑挖馬達的銑挖轉速和銑挖壓力需保持在設定的范圍內。因為海底微地形較為復雜，這就意味著工作時銑挖頭要遇到的地質物理特性變化并不規律，所以對銑挖頭的控制就會有一些難度。為了實現對銑挖馬達的精確控制，需要對其數學模型進行仿真分析，并設計相應的控制算法[6]。

2.1 銑挖控制模型分析

在銑挖裝置進行銑挖作業時，需要保證銑挖馬達處于安全的工作狀態。根據設計參數要求，工作時，銑挖馬達的銑挖轉速ω和銑挖壓力P需要滿足如下條件：

銑挖頭需要對不同類型的銑挖底質進行破碎取樣，遇到的阻力（負載TL）會有所不同，所以需要使用合適的控制策略，使參數保持在安全范圍內。endprint

用于控制機械臂移動的液壓閥主要有運動的液壓閥H1和高速換向液壓閥H2。當液壓閥H1開啟時，機械臂根據液壓閥H2的狀態以一定的速度v運動。假設H2的換向頻率為f，換向時間比為D，則在一段時間Δt內，銑挖頭的行進距離L=（D×v×Δt）/f。

由上面的分析可知，銑挖裝置上下移動將會引起液壓馬達負載TL的變化，進而影響液壓馬達的轉速和壓力，由此可認為負載值TL和銑挖頭行進的距離L滿足函數關系TL=f （L）。現在考慮一種恒功率的銑挖馬達模型，其輸出功率W恒定，即W=TN×ω恒定，其中TN為馬達扭矩，ω為馬達轉速，則可得ω=W/TN。扭矩計算公式如下：

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

當P∈[Pmin，Pmax ]時，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，轉速ω的范圍為：

根據文獻[7]，建立銑挖馬達的數學模型：

式中：TN為液壓馬達的扭矩，與馬達壓力成正比，在恒功率的情況下，與馬達轉速成反比；TL為液壓馬達工作的負載，隨銑挖頭上下移動和銑挖底質的不同而變化；B為液壓馬達摩擦系數，是與馬達相關的常量；J為銑挖馬達轉動慣量，也是與馬達相關的常量；為轉速ω對時間的微分。

式（5）表明，銑挖馬達的轉速只與馬達負載有關，而馬達負載的變化可以通過銑挖裝置的上下移動來控制，所以可以通過控制液壓閥H1和H2來達到調節馬達轉速使之保持在安全范圍內的目的。

2.2 銑挖頭控制系統仿真

設計銑挖頭控制流程如圖5所示。

在整個控制流程中，控制算法是關鍵。根據銑挖馬達的當前轉速ω，經過計算，輸出一定頻率和占空比的PWM信號，控制高速換向閥，使銑挖頭按照預期的方向和速度運動，改變液壓馬達的負載TL，從而達到控制銑挖馬達安全工作的目的。

對圖5進行建模，將轉速控制算法和銑挖馬達作為模塊，可以得到控制算法模型，如圖6所示。其中，整個系統的輸入為設定的液壓馬達轉速值ωs，ωs的值須在式（4）的范圍內；輸出為銑挖馬達的當前轉速值ω；B，W，J是銑挖馬達的常量參數，分別為銑挖馬達的摩擦系數、總輸出功率和轉動慣量，需根據銑挖馬達相關參數設置。

2.2.1 銑挖馬達的模型

根據式（3），將式（5）稍作變換得：

根據式（6）可以得到恒功率液壓馬達模型，如圖7所示。

由圖7可以看出，銑挖馬達模型的輸入為負載TL；輸出為馬達轉速ω；B，W，J為常量值。銑挖馬達的轉速值由輸入負載TL確定，而負載TL則由當前馬達轉速計算得出。

2.2.2 控制算法模型

一般對液壓馬達轉速的控制是通過連續地控制液壓馬達的壓力、輸入流量等參數來實現的[8]，而對于本文研究的富鈷結殼規模取樣器的銑挖馬達轉速控制，由于在其實際結構中，銑挖馬達壓力、輸入流量均為恒定值，不能根據需要進行調節，而惟一能夠用來改變銑挖馬達轉速的變量是銑挖馬達的負載TL。經過設計、分析，采用控制算法的目的是使銑挖馬達的轉速穩定在給定的安全工作范圍內，實現連接銑挖頭的機械臂上下移動，使得銑挖頭與鈷結殼的接觸深度發生變化，進而改變銑挖馬達的負載TL。

通過對控制模型的分析，可知銑挖馬達模型是一個非線性系統，在設計控制算法時，需要選擇非線性的控制算法。滑模變結構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的穩定性和一致性，所以使用滑模變結構方法進行銑挖馬達的控制。

將式（5）銑挖馬達模型作為被控對象，選擇滑模切換函數：

由式（11）可得控制算法的仿真模型，如圖8所示。

2.2.3 系統仿真

根據實際銑挖馬達參數，設置上述系統的B，W，J參數，并調節滑模變結構控制算法的參數ε和C，使得系統能夠以較快的速度收斂。根據等速趨近律的特點，趨近速度為ε：若ε較小，則趨緊速度較慢，調節過程緩慢；若ε較大，則達到切換面較快，但可能會引起抖動。根據實際調節經驗，若C增大，減少調節時間，使C減少，則調節時間縮短，但是可能會使得抖動加劇。

為了驗證系統的有效性，作為對比，同時實現PID算法對液壓馬達進行轉速調節，并設置變化規律不同的轉速進行模擬。設置滑模變結構控制參數ε=90，C=0.1，液壓馬達摩擦系數B=0，轉動慣量J=1，輸出恒功率W=100，按照正弦變化設定轉速值ωs=10sin（10t）+80，仿真結果如圖9所示。另使用均值為80、方差為5的高斯函數對設定轉速進行設置，對模型進行模擬仿真，仿真結果如圖10所示。

由仿真結果可知，使用滑模變結構算法對液壓馬達轉速進行調節，能夠在較短時間內使轉速調節到設定的轉速值，即使設定的轉速值變化不規律，滑模變結構算法依然能夠很好地進行跟隨。

3 結 語

本文主要研究應用于富鈷結殼規模取樣器銑挖控制的電子控制系統，并設計實現了銑挖馬達轉速控制算法。通過對控制系統進行建模分析，應用滑模變結構非線性控制方法可以很好地實現對銑挖馬達轉速的控制，使之在設定的轉速范圍內運轉，從而保證銑挖工作的安全進行。實驗結果表明，銑挖裝置可以在電子控制系統的控制下實現對銑挖馬達轉速及時有效的控制。

參考文獻

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