一种基于PID的船舶岸电电缆提升装置及方法

一种基于pid的船舶岸电电缆提升装置及方法
技术领域
1.本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种基于pid的船舶岸电电缆提升装置及方法。


背景技术：

2.当船舶在港口停靠作业时，传统的供电方式是通过船只上的燃油辅机自行发电。但是这种供电方式存在很多弊端，若船舶在港期间仍然采用燃用辅机为船舶供电，燃油产生的大量污染物将对港口水域及空气造成严重的污染。为了控制船舶停港期间的环境污染及噪声污，我国在2013年发布《大气污染防治行动计划》，这一计划明确提出了控制船舶造成的环境污染的要求。为了控制船舶停港期间造成的环境污染，岸电技术正在港口大力推行。岸电技术是指：船舶停港期间，停止燃油辅机供电，采用岸电电站供电。通过岸电技术可以改变停泊船只的传统供电方式，从而减少船舶燃油发电产生的污染物。
3.在港口停靠作业的船舶大小高度不一，且受码头水位升降的影响，若直接从船上接电缆到港口接电桩的操作困难，安全隐患大。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于pid的船舶岸电电缆提升装置及方法，用以解决现有技术中因需要从船上接电缆到港口接电桩导致安全性不高的技术问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.第一方面提供了一种基于pid的船舶岸电电缆提升装置，包括：多级伸缩液压臂、编码器、压力传感器、引导轮、测量轮、陀螺仪、电缆卷筒、电缆绞盘电机，变幅油缸、回转平台和遥控控制单元；
7.其中，所述多级伸缩液压臂在单级液压系统中串联有五个单杆双作用液压缸，所述引导轮安装在测量轮的上方，所述引导轮与测量轮之间为可以滑动的电缆，压力传感器安装于所述引导轮上，所述编码器安装在测量轮的扩展轴上，用以获取测量轮在电缆提升作业中的角位移信号；
8.所述陀螺仪安装在多级液压臂上，用以测量多级伸缩液压臂在作业中的三个位姿角，向外提供角度数据；所述回转平台安装在电缆卷筒和多级伸缩液压壁之间，所述回转平台与电缆直接接触；所述变幅油缸与多级伸缩液压臂连接，所述电缆绞盘电机与电缆卷筒连接；
9.所述遥控控制单元与所述变幅油缸、所述电缆卷筒、回转平台、编码器电连接，用以控制电缆卷筒从而控制电缆的收放、控制变幅油缸的运动从而控制多级伸缩液压臂的伸出长度、控制回转平台的转动以及将编码器获取的角位移信号转化为测量轮的角度位移，所述遥控控制单元包括pid算法模块，用于根据将电缆伸出长度与液压臂伸出长度差值作为输入量，从而得到pid算法的输出量，输出量经过处理转换为电缆绞盘电机所需的电压信号，从而驱动电缆卷筒完成收放电缆的动作。
10.在一种实施方式中，所述装置还包括基座，多级伸缩液压臂设置于基座上，基座、回转平台、多级伸缩液压臂和电缆绞盘电机为一体化结构。
11.在一种实施方式中，所述装置还包括支架，设置于测量轮两侧。
12.在一种实施方式中，所述装置还包括电缆保护机构。
13.在一种实施方式中，所述电缆绞盘电机为交流异步电机。
14.在一种实施方式中，所述引导轮上安装应变片。
15.在一种实施方式中，所述液压缸内设置位移传感器。
16.基于同样的发明构思，本发明第二方面提供了一种基于第一方面所述装置的电缆提升方法，包括：
17.通过遥控控制单元控制变幅油缸的运动从而控制多级伸缩液压臂的伸出长度；
18.通过遥控控制单元控制电缆卷筒放出电缆，岸电电缆从卷筒绕出后经过引导轮与测量轮，引导轮上的压力传感器获取引导轮的压力信号，测量轮上的编码器获取测量轮在电缆提升作业中的角位移信号；
19.根据压力信号以及角位移信号，计算电缆初始状态的长度，根据多级伸缩液压臂的伸出长度和电缆初始状态的长度计算电缆在传送过程中的长度；
20.根据预先设置的电缆余量和多级伸缩液压臂的伸出长度，确定电缆的期望长度；
21.将电缆在传送过程中的长度与电缆的期望长度的差值作为pid算法模块的输入量，通过pid算法控制得到输出量，输出量经过处理转换为电缆绞盘电机所需的电压信号，从而驱动电缆卷筒完成收放电缆的动作。
22.在一种实施方式中，通过遥控控制单元控制变幅油缸的运动从而控制多级伸缩液压臂的伸出长度时，采用pid算法进行控制，包括：
23.通过液压缸内设置的位移传感器将测量的实时信号转化为多级伸缩液压臂当前伸出长度，
24.将多级伸缩液压臂当前的长度与期望长度相减得出偏差值δ
x
，作为pid控制算法的输入量，得到对应的输出量，输出量经过放大处理后得到电流信号传送到比例阀电磁铁上，从而实现对液压缸的驱动。
25.本技术实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
26.本发明提供的基于pid的船舶岸电电缆提升装置，在岸电电缆传送的协同控制中，通过编码器和压力传感器相结合的方式获取测量轮在电缆提升作业中的角位移信号，进而实时地获取符合精度要求的电缆长度数据。可实现在不同水位的条件下电缆长度和液压臂伸缩长度的自动调节，避免了因水位低而导致电缆被扯断或与岸电接口脱离的风险。并且采用pid算法的协同控制能够协同岸电电缆卷筒和多级液压臂同时工作，不仅运行更加精确平稳，而且将会大大减小提升投送电缆时间，提高了岸电对接的作业效率和自动化智能水平。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明
的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明实施例中基于pid的船舶岸电电缆提升装置的结构示意图；
29.图2为图1所示装置的侧视图；
30.图3为图1所示装置的俯视图；
31.图4为图1所示装置的前视图；
32.图5为本发明实施中内置式位移传感器工作流程图；
33.图6为本发明实施中岸电电缆长度测量方式示意图；
34.图7为本发明实施中编码器安装示意图；
35.图8为本发明实施中液压臂前端测量轮受力分析图；
36.图9为本发明实施中岸电电缆长度测量总示意图；
37.图10为本发明实施中协同控制流程图；
38.图11为本发明实施中电缆收放工作流程图。
具体实施方式
39.针对在港口停靠作业的船舶大小高度不一，且受码头水位升降的影响，在给港口靠泊的船舶供电时存在诸多问题，本发明提出一种基于pid的船舶岸电电缆提升装置，具有较好工况适应性，可自适应各种情况下的电缆连接工作，主要由多级伸缩液压臂、编码器、压力传感器(电阻应变计)、引导轮、陀螺仪、电缆卷筒、变幅机构、回转机构组成。在岸电电缆传送的协同控制中，通过编码器和压力传感器相结合的方式获取测量轮在电缆提升作业中的角位移信号，进而实时地获取符合精度要求的电缆长度数据。可实现在不同水位的条件下电缆长度和液压臂伸缩长度的自动调节，避免了因水位低而导致电缆被扯断或与岸电接口脱离的风险。采用pid控制算法的系统具有更高的精度和灵活性，提高了岸电接电的自动化水平，以及船舶充电安全性。
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.实施例一
42.本发明实施例提供了一种基于pid的船舶岸电电缆提升装置，包括：多级伸缩液压臂1、编码器2、压力传感器、引导轮3、测量轮4、陀螺仪5、电缆卷筒8、电缆绞盘电机、变幅油缸9、回转平台6和遥控控制单元；
43.其中，所述多级伸缩液压臂在单级液压系统中串联有五个单杆双作用液压缸，所述引导轮安装在测量轮的上方，所述引导轮与测量轮之间为可以滑动的电缆，压力传感器安装于所述引导轮上，所述编码器安装在测量轮的扩展轴上，用以获取测量轮在电缆提升作业中的角位移信号；
44.所述陀螺仪安装在多级液压臂上，用以测量多级伸缩液压臂在作业中的三个位姿角，向外提供角度数据；所述回转平台安装在电缆卷筒和多级伸缩液压壁之间，所述回转平台与电缆直接接触；所述变幅油缸与多级伸缩液压臂连接，所述电缆绞盘电机与电缆卷筒
连接；
45.所述遥控控制单元与所述变幅油缸、所述电缆卷筒、回转平台、编码器电连接，用以控制电缆卷筒从而控制电缆的收放、控制变幅油缸的运动从而控制多级伸缩液压臂的伸出长度、控制回转平台的转动以及将编码器获取的角位移信号转化为测量轮的角度位移，所述遥控控制单元包括pid算法模块，用于根据将电缆伸出长度与液压臂伸出长度差值作为输入量，从而得到pid算法的输出量，输出量经过处理转换为电缆绞盘电机所需的电压信号，从而驱动电缆卷筒完成收放电缆的动作。
46.请参见图1～4，为基于pid的船舶岸电电缆提升装置的结构图，图中：1为多级伸缩液压臂；2为编码器；3为引导轮；4为测量轮；5为陀螺仪；6为回转平台；7为支架；8为电缆卷筒；9为变幅油缸；10为液压缸。遥控控制单元、压力传感器和电缆绞盘电机在图中未示出。
47.具体实施过程中，多级伸缩液压臂在单级液压系统中串联了五个单杆双作用液压缸，液压缸之间选用了磁环检测活塞杆位移。
48.编译器安装在测量轮的扩展轴上，岸电电缆给测量轮施加一个向下的压力，电缆在收放过程中带动测量轮转动。通过引导轮向电缆施加向下的压力从而确保电缆的滚动摩擦力。
49.压力传感器安装在电缆末端的引导轮上，压力传感器上装有电阻应变计，且与引导轮的应变片相结合。
50.引导轮安装在测量轮的上方，所述引导轮与测量轮之间是可以滑动的电缆，其上装有可测压力数据的应变片。
51.测量轮的扩展轴上安装有编码器，编码器可以获取测量轮在电缆提升作业中的角位移信号，信号经过处理可以得出测量轮的角度位移。具体实施过程中，测量轮为安装在多级液压臂首端的电缆引导轮，电缆经由测量轮伸出。
52.陀螺仪安装在多级液压臂上，可以测出液压臂在作业中的三个位姿角，向外提供角度数据。
53.遥控控制单元为整个装置的控制器，其控制电缆卷筒从而收放电缆。变幅油缸被控制单元控制，其与伸缩臂直接相连，所述伸缩臂在变幅油箱的作用下可进行90
°
以内的幅度变化。
54.回转平台安装在电缆卷筒和多级伸缩液压壁之间，所述回转平台与电缆直接接触，其在控制单元的作用下可进行360
°
范围内的转动。
55.在一种实施方式中，所述装置还包括基座，多级伸缩液压臂设置于基座上，基座、回转平台、多级伸缩液压臂和电缆绞盘电机为一体化结构。
56.通过一体化结构设计，使得整体结构紧促，占用空间小，安装方便，操作灵活。
57.在一种实施方式中，所述装置还包括支架7，设置于测量轮两侧。
58.支架用于固定测量轮，以提高装置的稳定性。
59.在一种实施方式中，所述装置还包括电缆保护机构。
60.电缆保护机构用于保护电缆，以提高整体的安全性。
61.在一种实施方式中，所述电缆绞盘电机为交流异步电机。
62.具体实施过程中，电缆绞盘电机可以采用交流异步电机来驱动卷筒收放电缆，电机控制模型中采用了同步六脉冲发生器和六晶闸管来控制电机转速。
63.在一种实施方式中，所述引导轮上安装应变片。
64.在一种实施方式中，所述液压缸内设置位移传感器。
65.在具体实施过程中，电缆提升装置首先协同控制电缆卷筒和多级液压伸缩臂，将多级液压伸缩臂调整到指定长度，然后对电缆卷筒进行单方面控制，岸电电缆能够稳定跟随岸电电缆提升输送装置液压臂收放。
66.遥控控制单元为plc控制器，plc上有12个输入接口和11个输出接口，实现岸电电缆与液压臂的同步收放或单独收放等六种工作模式，同时还能控制岸电电缆提升装置的回转与变幅运动，plc的输出信号经过放大器转化为电磁需要的电流信号或者电机所需的电压信号以驱动各个行动机构运行。
67.本发明提出一种岸电电缆提升装置，具有较好工况适应性，可自适应各种情况下的电缆连接工作，主要由多级伸缩液压臂、编译器、压力传感器、引导轮、测量轮、陀螺仪、电缆卷筒、变幅油缸、回转平台组成。在岸电电缆传送的协同控制中，通过编码器和压力传感器相结合的方式获取测量轮在电缆提升作业中的角位移信号，进而实时地获取符合精度要求的电缆长度数据。可实现在不同水位的条件下电缆长度和液压臂伸缩长度的自动调节，避免了因水位低而导致电缆被扯断或与岸电接口脱离的风险，提高了安全性。
68.实施例二
69.基于与实施例一同样的发明构思，本实施例公开了一种基于实施例一所述装置的电缆提升方法，包括：
70.通过遥控控制单元控制变幅油缸的运动从而控制多级伸缩液压臂的伸出长度；
71.通过遥控控制单元控制电缆卷筒放出电缆，岸电电缆从卷筒绕出后经过引导轮与测量轮，引导轮上的压力传感器获取引导轮的压力信号，测量轮上的编码器获取测量轮在电缆提升作业中的角位移信号；
72.根据压力信号以及角位移信号，计算电缆初始状态的长度，根据多级伸缩液压臂的伸出长度和电缆初始状态的长度计算电缆在传送过程中的长度；
73.根据预先设置的电缆余量和多级伸缩液压臂的伸出长度，确定电缆的期望长度；
74.将电缆在传送过程中的长度与电缆的期望长度的差值作为pid算法模块的输入量，通过pid算法控制得到输出量，输出量经过处理转换为电缆绞盘电机所需的电压信号，从而驱动电缆卷筒完成收放电缆的动作。
75.其中，通过遥控控制单元控制变幅油缸的运动从而控制多级伸缩液压臂的伸出长度时，采用pid算法进行控制，包括：
76.通过液压缸内设置的位移传感器将测量的实时信号转化为多级伸缩液压臂当前伸出长度，
77.将多级伸缩液压臂当前的长度与期望长度相减得出偏差值δ
x
，作为pid控制算法的输入量，得到对应的输出量，输出量经过放大处理后得到电流信号传送到比例阀电磁铁上，从而实现对液压缸的驱动。
78.具体地，与本实施例提供的基于pid的船舶岸电电缆提升方法的相关控制原理和过程如下。
79.岸电电缆与液压臂的协同控制
80.在岸电电缆提升传送过程中，协同控制的精确度与系统反馈密切相关。在岸电电
缆传送的协同控制中，需要实时地获取多级液压伸缩臂和电缆长度，用于pid控制算法的系统反馈。
81.为了获取多级液压伸缩臂的准确位移，通过在液压油缸安装了内置式位移传感器来获取位移信息。
82.多级液压臂控制
83.如图5所示，是液压油缸内置式位移传感器参与的控制流程，通过位移传感器，可以将测量的实时信号转化为液压臂当前伸出长度x，将当前的长度x与期望长度x
′
相减得出偏差值δ
x
用于pid控制算法的输入量，输出信号经过放大处理后得到电流信号传送到比例阀电磁铁上，从而实现对液压油缸的驱动，相比传统控制方法，采用了pid算法控制能够提高液压系统的运行稳定性和动态适应性。
84.在协同控制中，为了让电缆收放速度与液压臂同步协同，需要得到电缆的实时长度。在电缆长度测量中，采用了编码器来将测量轮的角位移转化为电缆的线性位移。但在工作初始状态时，电缆处于静态时的长度没有办法直接通过编码器测得，为了弥补这一缺陷，获得电缆较为准确的长度，在电缆的末端引导轮安装了压力传感器，压力传感器采用了电阻应变计，通过安装在引导轮的应变片获取引导轮的压力信号，经计算分析可得出电缆伸出的质量与长度。通过编码器与压力传感器结合的测量方法，可以获得符合精度要求的电缆长度数据。
85.岸电电缆收放控制
86.(1)编码器设计
87.如图6所示，岸电电缆从卷筒绕出后经过引导轮与测量轮。测量轮的扩展轴安装了编码器，编码器可以获取测量轮在电缆提升作业中的角位移信号，信号经过处理可以得出测量轮的角度位移已知测量轮的直径为d，
88.由此可以算出电缆的位移为x：
[0089][0090]
为了增大电缆与测量轮间的摩擦力，减小电缆与测量轮间的滑动位移，在测量轮上布置了一个引导轮，通过引导轮向电缆施加向下的压力从而确保电缆的滚动摩擦力，提高了编码器的测量精度。
[0091]
图7是编码器安装的示意图(加上引导轮)，从中可以看出，编码器安装在测量轮的扩展轴上，电缆压住测量轮，从而在电缆收放过程中可以带动测量轮转动。
[0092]
(2)压力传感器
[0093]
如图8所示，测量轮为安装在多级液压臂首端的电缆引导轮，电缆经由测量轮伸出。假设理想状态下，测量轮两端的电缆受到的张力相等，均为f，其表达式为：
[0094]
f＝gd g
t
[0095]
其中，gd为右端垂下电缆的重力，g
t
为电缆首端的接头重力。
[0096]
对测量轮进行受力分析：
[0097]
t＝f g
l
f
·
cosθ
[0098]
其中，t表示支架承受的拉力，g
l
表示测量轮的重力，即图中的g
轮
。电缆与支架的夹角θ可由陀螺仪测出，如图所示，陀螺仪安装在多级液压臂上，可以测出液压臂在作业中的
三个位姿角，而电缆在张紧状态下与液压臂处于平行关系，夹角θ既为液压臂与首端支架的夹角θ。
[0099]
将压力传感器测得信号分析计算出力t,其表达式为：
[0100]
t＝f(ε)
[0101]
ε为压力传感器测得数据。
[0102]
可得出电缆的拉力f：
[0103][0104]
由此可以求出电缆伸出部分的重力gd:
[0105]
gd＝f-g
t
[0106][0107]
但在实际港口船舶岸电对接的作业，受测量轮扭矩以及电缆松紧程度影响，且压力传感器动态测量效果较差，由压力传感器测出数据计算得出的电缆伸出长度不总是准确的。只能配合编码器起到辅助测量的效果，在开始提升电缆时静态地测量电缆伸出长度l，其计算表达式为：
[0108][0109][0110][0111]
然而，在实际港口船舶岸电对接测试中，受各种因素的影响l反映的电缆长度往往不够准确，因此，仅仅是用作在电缆提升装置工作前对电缆伸出部分的长度进行估算，可以取多组数据用于经验判断使用。岸电电缆长度测量总示意图如图9所示。
[0112]
由于压力传感器数据估算电缆长度数据并不总是准确，只在开始放出电缆时估算电缆伸出的长度l0，长度l0可由实验得出经验数据给出。
[0113]
由此，可知电缆初始状态的长度l0：
[0114]
l0＝x0 l0[0115]
其中，x0为多级液压臂的初始长度。
[0116]
则电缆在传送中的长度l可以给出：
[0117]
l＝l0 x
[0118]
已知液压臂的长度为x，则多级液压伸缩臂按照预定速度伸展开，位移传感器返回数值经计算得出位移距离x。
[0119]
设定卷筒电缆收放的期望长度为l
′
：
[0120]
l
′
＝x l
′
[0121]
其中，设定电缆期望的余量为l
′
，适当的电缆余量可以保证电缆在传送过程中既不会因为伸出长度过长而与港口设施或船舶发生碰撞，也不会过短导致电缆从液压臂的引
导轮磕碰损坏。
[0122]
当前电缆伸出长度l与期望长度l
′
的误差为δ
[0123]
δ＝l
′‑
l＝x l
′‑
x
0-l
0-x
[0124]
采用pid控制算法，将反馈得到的误差δ带入算法中：
[0125][0126]
上式包括比例调节环节、积分调节环节和微分调节环节。其中k
p
是比例调节参数,积分环节为ti为积分调节参数，微分环节为kdtd是微分调节参数。
[0127]
如图10所示，是电缆与液压臂协同控制的pid控制流程，经过上述计算过程得到的期望与实际的偏差值作为pid控制算法的输入量，输出量经过处理转换为电机所需的电压信号，从而驱动卷筒完成相应的动作。
[0128]
pid协同控制
[0129]
如图10所示pid协同控制流程，相比传统控制，采用pid算法的协同控制能够协同岸电电缆卷筒和多级液压臂同时工作，不仅运行更加精确平稳，而且将会大大减小提升投送电缆时间，提高了岸电对接的作业效率和自动化智能水平。
[0130]
请参见图11，为本发明实施中电缆收放工作流程图。
[0131]
最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。