基于模糊PID控制的飞船返回舱打捞水平姿态补偿系统研究

林礼群，徐志强

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业农村部远洋渔船与装备重点实验室，上海 200092)

飞船返回舱高海况打捞系统是中国载人航天工程海上救援保障系统的重要装备。现阶段采用的返回舱高海况打捞装备系统是舷侧柔性打捞系统，其原理是利用海洋渔业臂架式浮拖网技术方法，以专业救助船为母船，采用舷侧伸缩吊臂支撑并张开柔性打捞网对物体进行打捞起吊的一种海上救助打捞一体化方法[1-2]。该系统载体采用柔性结构能有效避免高海况下刚性碰撞问题，提高打捞安全性，同时采用打捞起吊一体化方法利于提升打捞救助效率，为我国返回舱高海况打捞救援提供有力保障支撑[3-4]。

在4～6级高海况条件下，针对在打捞回收返回舱作业中船舶大幅运动引起返回舱剧烈摇摆产生的安全性问题，波浪补偿技术是目前抑制风浪对海上作业影响的一种有效方法。根据系统动力来源形式分为主动式波浪补偿和被动式波浪补偿两种，主动式波浪补偿在海底管线铺设、海洋石油钻井和ROV吊放等方面都有应用，具有适应性强和补偿精度高的优点，然而其技术和产品被少数国外公司所垄断，中国仅处于技术研究阶段；而被动式波浪补偿系统在国内外海洋工程中应用较为广泛，技术较为成熟[5-13]。针对不同工作模式和应用需求的波浪补偿装置，根据其结构及运动形式的不同，对补偿方式、补偿量、检测信号及精度等也有不同要求[14-15]。本研究基于原舷侧柔性打捞系统装置提出了一种具有波浪补偿效果的方法，由于模糊PID能对常规的PID控制器的参数实现智能调节，具有改善被控过程的动态和稳态性能作用，在提高系统抗干扰性及参数实变的鲁棒性等方面优越于常规的PID调节器。选择模糊PID控制方法，与传统PID控制方法对比试验研究，为优化高海况打捞系统提供有效方法和依据。

1 打捞系统及波浪补偿原理

飞船返回舱高海况打捞系统设备包括有载基船体、起重吊机、防摇装置、打捞网具、绞车及蓄能器等(图1)。具体打捞方法：在打捞船的侧面伸出一条拦截臂，拦截臂下挂有特制柔性网具，由张紧机构将网具张开一定的宽度，由卷扬机构将网具中间拉起形成一个三角形张开口，当返回舱进网后，由起吊机构将返回舱打捞至救捞船甲板完成打捞。打捞过程中拦截臂跟随船体一起摇晃，网口张开大小发生相应的变化，影响打捞成功率，需重点解决打捞拦截臂波浪补偿控制问题。

图1 打捞系统装置简图Fig.1 Drawing of salvage system device

本研究采用主动式波浪补偿方法，并对基于该方法的打捞拦截臂波浪补偿系统进行研究。如图2所示，其补偿执行系统为变幅补偿油缸，控制器件及传感器分别由伺服控制器、比例换向阀、位移传感器、压力传感器、角度传感器等组成。其中，位移传感器设置在变幅油缸端部，角度、角加速度信号传感器设置在拦截臂上，输入采集信号通过伺服控制器进行处理，输出信号通过电液比例换向阀控制油缸运动进行补偿，保证拦截臂与海平面始终处于水平状态。

图2 主动波浪补偿系统Fig.2 Active wave compensation system

2 主动波浪补偿控制系统建模

2.1 电液比例阀数学模型

变幅油缸的运动主要受电液比例换向阀的调控，该换向阀由比例电磁铁、先导减压阀以及阀芯组成。阀芯的运动受电液比例减压阀的输出压力控制，电流信号通过电磁铁吸力驱动减压阀阀芯改变其输出压力，形成压力差推动主阀芯运动，其流通量与阀口面积、压强差、油液的黏度、弹簧刚度等因素有关，鉴于各个因素的易变性，常做成单级比例节流阀、先导控制式比例节流阀、压差补偿型比例流量阀。选用M4-12电液比例流量阀调控油缸运动，该阀主要由电液比例减压阀和换向阀组成，根据该阀相关参数及各自特性建立其传递函数方框图(图3)，I是电磁铁部分，II是减压阀阀芯部分，III是换向阀部分。

2.2 模糊PID控制系统设计

模糊PID控制主要由模糊推理和常规PID控制器两部分组成。模糊PID控制要点是找出PID的3个参数与误差e和误差变化率ec之间的模糊关系，并在运行过程中不断检测e和ec，根据确定的模糊控制规则来对3个参数进行实时调整，满足不同e和ec时对3个参数的不同要求[16]。对误差 e、误差变化 ec 及3个参数的模糊集及其论域定义分别为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}和{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。建立3个参数自整定的模糊规则的一般原则为：当|e|较小时，为保证系统具有较好的稳态性，积分控制参数取得大些，比例控制参数取得小些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，微分比例参数的选择十分重要，遵循的原则是，当ec较小时微分控制参数取大一些，ec 较大时参数取较小的值，通常微分控制参数为中等大小。当|e|和 ec 较适中时，比例控制参数应取得小些，可满足系统响应超调量较小，此时微分控制参数的取值对系统响应的影响较大，应取得小些，积分控制参数的取值适当即可；当|e|较大时，为使系统具有较好的快速跟踪性能，比例控制参数取较大，微分控制参数取较小，同时为避免系统响应出现较大的超调，应限制积分作用，一般取积分控制参数为0。据此建立3个控制参数自整定的模糊规则[17-18]，将建好模糊算法数学模型导入到Simulink仿真模块中得出仿真模型(图4)。

图3 电液比例流量阀总的传递函数方块图Fig.3 Transfer function diagram of electro-hydraulic proportional flow valve

图4 模糊算法仿真模型 Fig.4 Simulation model of fuzzy algorithms

3 模型试验设计

采用1∶4缩比模型试验来研究高海况打捞系统的波浪补偿控制效果[19]。根据几何、运动及动力相似原理，满足Strouhal数和Froude数相等[20-22]。试验装置(图5)中，试验摇摆台用于模拟规则波作用下周期性横摇运动，其横摇角度参数±25°，摇摆台控制系统配备TTC公司的HY系列显示器；拦截打捞臂模型伸缩仰角-20°～45°，最大工作行程4 m，线位移传感器配置在打捞拦截臂变幅油缸杆伸缩端；数据采集选用S7—1200PLC控制器和NI采集设备，并采用LABIEW做上位机界面；设置于油缸的位移传感器采用AB两相脉冲输出传感器，精度0.1 mm/脉冲；压力传感器测量压力0～250 bar，模拟输出电流4～20 mA；

图5 模型摇摆试验布置图Fig.5 Rolling model test layout

倾角传感器采用AHRS慧联科技角度传感器。为验证模糊算法PID控制效果，主要通过摇摆台模拟二级海况运动下与传统PID控制对比模型试验以及模拟六级海况(模拟六级海况下规则波的横摇运动，横摇±15°，周期10 s)下的补偿效果。

4 结果与分析

4.1 不同控制补偿效果对比分析

摇摆台模拟二级海况运动下作±5°振幅横摇运动，分别采用传统PID和模糊PID两种控制模式，设置自动模式0°补偿，记录模型试验系统运行稳定后传感器的数据(图6、图7)。图6中，受电液比例换向阀反向死区的影响，当拦截臂角度高于设定角度0°时，传统PID的反向输出并未使得油缸缩回，表现为油缸缩回延时；在PID的控制作用下，油缸做伸出补偿时较为平滑，但油缸缩回时，在相同的PID参数调节作用下，压差的超调导致油缸运动断断续续；当误差较大时，油缸不能及时补偿，导致角度误差±2.5°，补偿效果不佳。其主要原因是传统PID模块适合于目标处于静态情况下的控制，在误差较大的情况下快速修正误差，并使结果趋于稳定。但打捞设备的拦截臂处于动态波动状况，且受电液比例换向阀灵敏度和变幅油缸大小腔面积的影响，波浪补偿效果并不好。图7中，该阶段内拦截臂做0°的波浪补偿。在油缸伸出阶段油缸位移增大，大腔压力30 bar，小腔压力5 bar左右，其形成的压力差推动油缸活塞杆伸出；在油缸缩回时其位移减小，大腔压力50 bar，小腔压力40 bar左右，在大小腔的压力差和拦截臂自身重力的影响下推动油缸活塞杆缩回，拦截臂的波浪补偿维持在±0.8°的误差内，其补偿效果明显优于传统PID。由相似理论可知，大的原型机器将稳定在±0.8°内，满足一般打捞要求。

图6 传统PID的控制效果Fig.6 Control effect of traditional PID

图7 模糊PID的控制效果Fig.7 Control effect of fuzzy PID

4.2 六级海况补偿控制效果分析

六级海况是返回舱打捞作业的极端海况，摇摆台试验通过模拟六级海况使摇摆台做±15°振幅横摇运动，测试极端环境下的模糊PID波浪补偿效果。图8显示了在该阶段内采集到的完整数据变化趋势：PID处于自动控制模式，打捞拦截臂做0°的波浪补偿运动。在油缸伸出阶段位移增大，大腔压力30 bar，小腔压力5 bar左右，该压力差推动油缸活塞杆伸出；油缸缩回时油缸位移减小，大腔压力50 bar，小腔压力40 bar左右，在大小腔的压力差和拦截臂自身重力的影响下推动油缸活塞杆缩回，油缸活塞杆平稳运动，打捞拦截臂的波浪补偿维持在±1.3°的误差内，根据相似理论准则知，原样机将稳定在±1.3°内，满足高海况打捞要求。

图8 六级海况下做0°补偿采集到的传感器数据Fig.8 Sensor data collected by 0°compensation under six-level sea conditions

5 结论

针对救助母船运动对拦截臂打捞稳定安全性问题，提出一种以变幅油缸为执行机构控制拦截臂横摇运动方法，分别采用传统PID控制方法和模糊PID控制方法进行模型对比试验研究，模型试验结果表明：采用传统PID控制受电液比例换向阀反向死区的影响，变幅油缸缩回延时不能及时补偿而严重影响打捞效率的问题，而模糊 PID控制能大大改善PID控制性能，模拟六级海况下水平姿态补偿精度达到±1.3°。该方法理论和试验数据可为原型样机的控制优化设计提供参考。

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