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申请/专利权人：湖南科技大学

摘要：本发明公开了一种用于电驱动海洋绞车自动排缆超螺旋滑模位移控制方法，包括以下四个步骤：（1）控制策略选择与排缆控制系统建模，（2）恒速收放控制器给定值计算，（3）排缆控制器设计，（4）排缆控制系统Simulink建模与仿真分析；本发明的有益效果在于：卷筒控制器和丝杆控制器采用超螺旋滑模位移控制器，并通过交叉耦合控制策略，形成交叉耦合双闭环位移控制，有效补偿卷筒控制器和丝杆控制器耦合误差，通过引入超螺旋滑模切换控制律，增强了控制系统抗干扰能力、动态响应性能，实现电驱动海洋绞车实时、精确自动排缆，具有响应速度快、鲁棒性强、精度高、实用性强等特点。

主权项：1.一种用于电驱动海洋绞车自动排缆超螺旋滑模位移控制方法，采用交叉耦合控制策略，建立电驱动海洋绞车排缆控制系统数学模型，仿真分析以绝对误差、相对误差指标验证其有效性，其中lD、lS分别为缆绳放出缠绕至卷筒上沿卷筒轴向位移、导缆轮沿丝杆轴向位移；其特征在于，用于电驱动海洋绞车自动排缆超螺旋滑模位移控制方法按以下步骤进行：步骤一：控制策略选择与排缆控制系统建模电驱动海洋绞车由储缆机构、排缆机构组成，所述储缆机构包括卷筒控制器、变频器、变频电机、变速箱、卷筒、卷筒编码器，通过给定恒速收放速度，并将给定恒速收放速度转换为缆绳在卷筒轴向位移给定送至卷筒控制器，卷筒控制器输出控制电信号给变频器，变频器驱动变频电机旋转，再经变速箱带动卷筒放出缠绕缆绳，通过卷筒编码器检测卷筒转速，并将卷筒转速转换成缆绳沿卷筒轴向位移量反馈给卷筒控制器；所述排缆机构包括丝杆控制器、伺服驱动器、伺服电机、减速器、丝杆、导缆轮、丝杆编码器，将缆绳在卷筒轴向位移给定送至丝杆控制器，丝杆控制器输出控制电信号给伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机旋转，再经减速器带动丝杆旋转带动导向轮沿丝杆移动，通过丝杆编码器检测丝杆转速，并将丝杆转速转换成导缆轮沿丝杆位移量反馈给丝杆控制器；采取交叉耦合控制策略将缆绳沿卷筒轴向位移量、导缆轮沿丝杆位移量反馈至卷筒控制器、丝杆控制器；采用“卷筒旋转一圈导缆轮沿卷筒轴向方向平移一个缆径位移量”原理，采取超螺旋滑模位移控制方式进行排缆控制；建立电驱动海洋绞车自动排缆控制系统数学模型，包括储缆机构控制系统数学模型、排缆机构控制系统数学模型，具体如下：（1）储缆机构控制系统数学模型为 1 2 3 4 5 6式（1）-（6）中，UC1为变频器输入电压信号，U1为变频器输出电压，Kf为变频器系数，p为电机极对数，R2为转子绕组相电阻，S’为转差率，N为线圈匝数，Kw为绕组系数，Φm为每级磁通量，R1为定子绕组相电阻，X1为定子每相漏电抗，X2为转子每相漏电抗，J为等效转动惯量，m为负载的等效质量，D为卷筒直径，θM变频电机输出角位移，Kg为变速箱系数，θG为变速箱输出轴角位移，C为海水阻尼常数，K为缆绳弹性刚度常数，θD为卷筒输出轴角位移，KC1卷筒编码器系数，nD为卷筒转速，lD为缆绳放出缠绕至卷上沿卷筒轴向位移，FC1为卷筒转速与缆绳缠绕至卷筒上沿卷筒轴向位移折算系数，其表达式为 7式中，d为缆绳直径，L为卷筒两端板之间长度，t1为缆绳从卷筒右端板开始放出缠绕至左端板进行换层时刻；（2）排缆机构控制系统数学模型为 8 9 10 11 12 13式（8）-（13）中，UC2为伺服驱动器输入电压信号，U2为伺服驱动器输出电压，KS为伺服驱动器电压转换系数，k1伺服电机转矩常数，L0为电枢电路的电感，R0电枢电路的电阻，J0伺服电机转子的转动惯量，μ0伺服电机轴的摩擦系数，k0伺服电机反电动势系数，θJ为伺服电机输出轴的角位移，KR减速器转换系数，θR减速器输出轴的角位移，θS为丝杆的角位移，KC2为丝杆编码器系数，nS为丝杆转速，lS为导缆轮沿丝杆轴向位移，FC2为丝杆转速与缆绳沿丝杆轴向位移折算系数，其表达式为 14式中，B为丝杆导程；步骤二：恒速收放控制器给定值计算电驱动海洋绞车收放作业装备的过程中，先将给定值l0送至卷筒控制器和丝杆控制器，卷筒旋转不断放出缠绕缆绳，丝杆旋转带动导缆轮沿卷筒轴向平移运动，使得缆绳在卷筒和丝杆上的轴向位移保持一致进行有序排缆；另外，当卷筒放出缠绕满一层缆绳后，丝杆将换向旋转带动导缆轮反向平移进入下一层排缆，如此循环往返排缆直至作业结束，因此给定值l0随着缆绳层数的变化随之变化；通常以v0（ms）恒速收放作业装备，其位移给定值l0计算公式为 15式中，t1为缆绳从卷筒右端板开始放出缠绕至左端板进行换层时刻，t2为缆绳从卷筒左端板开始放出缠绕至右端板进行换层时刻，Nc为缆绳层数；步骤三：排缆控制器设计（1）滑模面设计，在滑模控制中，通过将系统状态驱动到滑模面上并沿着滑模面滑行，从而达到系统鲁棒控制，其滑模面设计为 16式中，e为控制系统的状态变量，c为滑模面参数，c0；（2）切换控制律设计，采用超螺旋滑模切换控制律，通过平方根函数使得不连续的符号函数变为连续函数，减少系统的状态向量到达滑模面后上下波动，减小了系统抖振，从而提高系统的控制精度和鲁棒性，超螺旋滑模切换控制律设计为 17式中，λ为比例增益系数，α为积分增益系数；（3）卷筒超螺旋滑模控制器设计卷筒控制系统的状态变量为： 18联立式（6）、式（13）、式（15）、式（18），可得 19联立式（16）、式（17）和式（19），可得 20（4）丝杆超螺旋滑模控制器设计丝杆控制系统的状态变量为 21联立式（6）、式（13）、式（15）和式（21），可得 22联立式（16）、式（17）和式（22），可得 23步骤四：排缆控制系统Simulink建模与仿真分析分别采用超螺旋滑模控制器（STSMC）、PID控制器、滑模控制器（SMC）作为卷筒控制器和丝杆控制器，建立电驱动海洋绞车排缆控制系统的simulink模型，并进行仿真与分析，通过式（24）计算缆绳换层后稳定排缆过程中的绝对误差，通过式（25）计算超螺旋滑模控制器与PID控制器、滑模控制器（SMC）之间的缆绳换层后稳定排缆过程中的相对误差，具体如下 24 25式（24）-式（25）中，e为缆绳换层后稳定排缆过程中的绝对误差，ξi,j为缆绳换层后稳定排缆过程中采用第i种控制器与第j种控制器之间的相对误差。

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