本發(fā)明涉及海洋平臺用拖曳絞車的主動式恒張力控制系統(tǒng)，具體地說是一種用于拖曳纜繩張力恒定的控制方法。

背景技術：

海洋平臺用拖曳絞車恒張力控制系統(tǒng)是海洋工程技術的重點研究對象，因為水下拖曳系統(tǒng)作為人類探索海洋的一種重要工具，在海洋學研究、海底資源開發(fā)、海洋打撈救助以及水下目標探測等方面具有廣泛的應用。其應用領域包括拖動拖曳式探測聲納以及拖曳式CTD剖面儀等民用及軍事用途的海洋探測傳感器設備。在這些應用過程中都需要對拖纜的張力進行控制，以免由于張力過大造成拖纜或者海洋儀器損壞，或者張力過小造成拖曳纜繩與海洋儀器的通訊電纜發(fā)生纏繞。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中存在的上述不足之處，本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種能實現(xiàn)穩(wěn)定、準確、可靠地將海洋平臺用拖曳絞車纜繩上的張力維持在恒定值的控制方法。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案是：一種用于拖曳纜繩張力恒定的控制方法，包括以下步驟：

步驟1：實時檢測纜繩張力測量值F_c(k)，并采用數(shù)字濾波器進行處理，得到纜繩張力實際值F_r(k)；

步驟2：纜繩張力實際值F_r(k)與纜繩張力設定值F_S進行差值運算，得出k時刻纜繩張力誤差e(k)及張力誤差變化率△e(k)：

e(k)＝F_s-F_r(k)；

△e(k)＝e(k)-e(k-1)；

步驟3：設計混合模糊P+ID控制器，并將纜繩張力誤差e(k)及張力誤差變 化率△e(k)作為輸入信號，輸出信號為拖曳絞車的電控比例方向閥控制信號u(k)。

所述步驟1具體為：

采用的數(shù)字濾波器為：F_r(k)＝H(k)F_c(k)，

傳遞函數(shù)為：

得到纜繩張力實際值：

F_r(k)＝0.999556F_c(k)-1.999112F_c(k-1)+0.999556F_c(k-2)+1.999111F_r(k-1)-0.999112F_r(k-2)。

所述混合模糊P+ID控制器為：

u(k)＝u(k-1)+△u(k),

其中，△u(k)為拖曳絞車的電控比例方向閥控制信號u(k)的增量，T為采樣周期，K_I是積分控制項系數(shù)，K_D是微分控制項系數(shù)，K_FP是比例控制項系數(shù)；f(k)是模糊P+ID控制器的輸出，e(K)為k時刻纜繩張力誤差。

所述f(k)的計算具體包括：

S1：采用模糊隸屬度函數(shù)(Neg,Zero,Pos)，將混合模糊P+ID控制器的兩個輸入纜繩張力誤差e(k)和張力誤差變化率△e(k)，及輸出信號f(k)同時映射到區(qū)間[-m，m]，得到：e(k)的隸屬度μ(e_i(k))、△e(k)的隸屬度μ(△e_i(k))；

S2：根據(jù)模糊規(guī)則庫中的規(guī)則得到輸出變量f_i(k)；

采用MAX-MIN推理方法μ_i(f_i(k))＝min(μ(e_i(k)),μ(△e_i(k)))計算輸出信號f(k)的隸屬度μ_i(f_i(k))：

S3：采用“center of mass”方法計算f(k)；

其中，m為預設整數(shù)；Neg代表負值，Zero代表零，Pos代表正值；模糊規(guī)則庫中有N條規(guī)則，i為N的索引。

所述e(k)的隸屬度μ(e_i(k))分別為：

(1)e(k)屬于Pos取值的隸屬度為

(2)e(k)屬于Zero取值的隸屬度為

(3)e(k)屬于Neg取值的隸屬度為

所述△e(k)的隸屬度μ(△e_i(k))分別為：

(1)△e(k)屬于Pos取值的隸屬度為

(2)△e(k)屬于Zero取值的隸屬度為

(3)△e(k)屬于Neg取值的隸屬度為

所述模糊規(guī)則庫中有9條規(guī)則，分別為：

i＝1時：If e(k)屬于Neg并且變化率△e(k)屬于Neg，則f_i(k)取值為Neg；

i＝2時：If e(k)屬于Neg并且變化率△e(k)屬于Zero，則f_i(k)取值為Neg；

i＝3時：If e(k)屬于Neg并且變化率△e(k)屬于Pos，則f_i(k)取值為Zero；

i＝4時：If e(k)屬于Zero并且變化率△e(k)屬于Neg，則f_i(k)取值為Neg；

i＝5時：If e(k)屬于Zero并且變化率△e(k)屬于Zero，則f_i(k)取值為Zero；

i＝6時：If e(k)屬于Zero并且變化率△e(k)屬于Pos，則f_i(k)取值為Pos；

i＝7時：If e(k)屬于Pos并且變化率△e(k)屬于Neg，則f_i(k)取值為Zero；

i＝8時：If e(k)屬于Pos并且變化率△e(k)屬于Zero，則f_i(k)取值為Pos；

i＝9時：If e(k)屬于Pos并且變化率△e(k)屬于Pos，則f_i(k)取值為Pos。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：

1.本發(fā)明的控制系統(tǒng)是一種主動式恒張力控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的被動式恒張力控制系統(tǒng)相比，具有控制精度高，系統(tǒng)發(fā)熱量小的優(yōu)點。

2.本發(fā)明的控制系統(tǒng)可以直接移植到現(xiàn)有被動式恒張力絞車控制系統(tǒng)上，只需安裝一個軸銷式張力傳感器，改造成本低，擴展性強。

3.本發(fā)明的混合模糊P+ID的控制器的恒張力控制系統(tǒng)，用模糊控制器代替了傳統(tǒng)PID的比例項，改善了傳統(tǒng)PID在用于液壓絞車這類的非線性系統(tǒng)時，控制精度低，魯棒性差的不足之處，同時保留了傳統(tǒng)PID控制器的積分項和微分項，起到了消除穩(wěn)態(tài)誤差和改善動態(tài)特性的作用。而相比其它模糊PID控制器，本方法只有一個模糊輸出變量，簡化了模糊規(guī)則庫及模糊隸屬度函數(shù)的建立過程。

4.本發(fā)明的混合模糊P+ID控制器的恒張力控制系統(tǒng)，由于只用模糊控制器代替了傳統(tǒng)PID的比例項，因此不會改變控制系統(tǒng)的線性關系。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法方框圖；

圖2為本發(fā)明方法中混合模糊P+ID的控制器傳遞函數(shù)框圖；

圖3為本發(fā)明方法中模糊隸屬度函數(shù)示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明將纜繩張力實際值作為反饋變量與纜繩張力設定值一同給到控制器輸入端，由控制器輸出控制信號給到液壓閥控馬達系統(tǒng)的雙向電控比例閥，該控制信號將驅動液壓馬達，并經過減速機降低轉動速度后，驅動拖曳纜繩進行收放運動。

步驟一，對纜繩張力進行實時檢測，得出纜繩張力測量值F_c(k)，采用數(shù)字濾波器對其進行處理，濾波器的傳遞函數(shù)為通過設計的濾波器進行處理后，得到k時刻的纜繩張力實際值F_r(k)。濾波器的輸出數(shù)列為F_r(k)＝H(k)F_c(k)，其中

F_r(k)＝0.999556F_c(k)-1.999112F_c(k-1)+0.999556F_c(k-2)+1.999111F_r(k-1)-0.999112F_r(k-2)

其中F_c(k)為測量的數(shù)據(jù)，F(xiàn)_r(k)為濾波后得到的數(shù)據(jù)。

步驟二，所述的纜繩張力實際值F_r(k)與纜繩張力設定值Fs進行差值運算，得出兩者的差值e(k)及差值變化率△e(k)。計算方法如下：

e(k)＝F_s-F_r(k)

△e(k)＝e(k)-e(k-1)

步驟三，所述基于混合模糊P+ID的恒張力控制方法如下：

圖2所示為混合模糊P+ID的控制器的控制方框圖，該模糊控制器有兩個輸入信號纜繩張力誤差e(k)和纜繩張力誤差的變化率△e(k)，輸出為拖曳絞車的電控比例方向閥控制信號u(k)，控制方程如下：

u(k)＝u(k-1)+△u(k),

其中，△u(k)為拖曳絞車的電控比例方向閥控制信號u(k)的增量，T為采樣周期，K_I是積分控制項系數(shù)，K_D是微分控制項系數(shù)，K_FP是比例控制項系數(shù)；f(k)是模糊P+ID控制器的輸出，e(K)為k時刻纜繩張力誤差。

為了方便計算，本方法將輸入變量和輸出變量同時映射到區(qū)間[-1，1]，然后采用模糊隸屬度函數(shù)(Neg,Zero,Pos)將模糊P+ID控制器的兩個輸入張力誤差e(k)和張力誤差的變化率△e(k)，及輸出信號f(k)進行模糊處理，得到：e(k)的隸屬度μ(e_i(k))、△e(k)的隸屬度μ(△e_i(k))。圖3所示為輸入變量及輸出變量的模糊隸屬度函數(shù)，Neg代表負值，Zero代表零，Pos代表正值。

所述e(k)的隸屬度μ(e_i(k))分別為：

(1)e(k)屬于Pos取值的隸屬度為

(2)e(k)屬于Zero取值的隸屬度為

(3)e(k)屬于Neg取值的隸屬度為

所述△e(k)的隸屬度μ(△e_i(k))分別為：

(1)△e(k)屬于Pos取值的隸屬度為

(2)△e(k)屬于Zero取值的隸屬度為

(3)△e(k)屬于Neg取值的隸屬度為

則第i個規(guī)則時，模糊規(guī)則庫由輸入變量e_i(k)、△e_i(k)及輸出變量f_i(k)組成，可表示為：If e_i(k)is A_i and △e_i(k)is B_i then f_i(k)is C_i,

其中A_i、B_i分別為在規(guī)則i時的輸入變量e_i(k)、△e_i(k)的模糊子集，C_i為在規(guī)則i時的輸出變量f_i(k)的模糊子集；通過大量仿真和試驗的研究，本文設計的恒張力絞車控制系統(tǒng)包含9個規(guī)則，i的取值范圍i＝1，2，3，…，9的整數(shù)；具體規(guī)則庫見表一所示。根據(jù)模糊規(guī)則庫中的規(guī)則得到輸出變量f_i(k)；

9個規(guī)則如下所示：

規(guī)則1：If e(k)屬于Neg并且變化率△e(k)屬于Neg，則f_i(k)取值為Neg；

規(guī)則2：If e(k)屬于Neg并且變化率△e(k)屬于Zero，則f_i(k)取值為Neg；

規(guī)則3：If e(k)屬于Neg并且變化率△e(k)屬于Pos，則f_i(k)取值為Zero；

規(guī)則4：If e(k)屬于Zero并且變化率△e(k)屬于Neg，則f_i(k)取值為Neg；

規(guī)則5：If e(k)屬于Zero并且變化率△e(k)屬于Zero，則f_i(k)取值為Zero；

規(guī)則6：If e(k)屬于Zero并且變化率△e(k)屬于Pos，則f_i(k)取值為Pos；

規(guī)則7：If e(k)屬于Pos并且變化率△e(k)屬于Neg，則f_i(k)取值為Zero；

規(guī)則8：If e(k)屬于Pos并且變化率△e(k)屬于Zero，則f_i(k)取值為Pos；

規(guī)則9：If e(k)屬于Pos并且變化率△e(k)屬于Pos，則f_i(k)取值為Pos。

表一

采用MAX-MIN推理方法得出：

μ_i(f_i(k))＝min(μ(e_i(k)),μ(△e_i(k)))

其中，μ_i(f_i(k))是輸出變量f_i(k)的隸屬度，μ(e_i(k))、μ(△e_i(k))分別是輸入變量e_i(k)、△e_i(k)的隸屬度值。

解模糊化采用“center of mass”方法。如下所示：

其中，μ_i(f_i(k))是輸出變量f_i(k)的隸屬度，f_i(k)是相應的控制器輸出變量，N是規(guī)則數(shù)量，i為N的索引。通過解模糊化運算可以得到控制變量的精確值，得出f(k)后將其帶入模糊P+ID控制器后即可求解出輸出到電控液壓比例閥的控制變量u(k)。