（控制理论与控制工程专业论文）深海采矿扬矿硬管和组合缆同步下放控制系统研究.pdf

审南大学硕士擘位论空 摘簧 揍要 在深海采矿系统中，扬矿硬管系统和基于光纤动力组合缆的供电 及信息转辕是箕中嚣拿藩鬻重要魏组成部分。扬矿硬警系统的主要作 用是将集矿机采集的多盘属结核从中继仓提升到海面采矿船j ：；组合 缆的作用主要是提供进行水上水下信号靼动力电源的传输通道。由于 组合缆怒捆绑在硬管上进行分段下放，缀合缆下放的过侠会引起膨越 或扭曲；组合缆下放过慢，则易于拉断，因此保证组合缆下放与硬管 下敖静阕步，对予采矿系统下敖稀回收作韭安企、可靠、高效、连续、 经济的运行有极为重要的意义。 本文针对深海采矿过程中硬管系统和组合缆系统的下放控制问 题进行研究。首先，分别介绍了硬管下放系统釉组合缆下放系统工艺 及主要设备，分析出硬管组合缆下放过程存在的主要问题：接着，在 分别分析硬管下放过程和组合缆下放过程中电机频繁起停、低速运行 羊霹负载不断交优等特毪筋基确上，依据硬瞽秘组合缆系统酶数学模 型，对两子系统采用速度环和电流环双闭环控制方案，电流环采用 攒控赣，速度郅采震模颧援撩潮；最螽，在设计完戏矮管下敖璃逮 予系统和组合缆下放调速子系统的基础上，采用基于补偿器原理并联 运霉魏疑步控豢l 方法，实现疆繁组会缆同步准璜下敦。仿真终果表明 硬管组合缆下放系统加入速度补偿后，起停过程跟随性能和抗干扰性 能赧得到提高。 美键谣：深海慕矿，巍纤动力缝合缆，扬矿硬譬，模糊p i 控潮， 同步控制 中南大学硕士学位论义 a b s t 贰a c t l i f t i n gp i p es y s t e ma n dp o w e rs u p p l y & i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n b a s e df i b e rp o w e rc o m b i n a t e dc a b l ea r et w ov e r yi m p o r t a n tp a r t si nt h e o c e a r l r a i n i n gs y s t e m 。t h ef u n c t i o no fp i p ei s t ol i f tt h ec o m p o u n d m e t a l - n o d u l e s ，w h i c ha r ec o l l e c t t e db yo c e a nm i n i n gc o l l e c t o rf x o mr e l a y s t a t i o nt ot l l es l i pi nt h e0 艇政。1 m ef u n c t i o no fc a b l ei st ot r a n s m i ts i g n a l b e t w e e ns e a b e da n do f f i n g ，s i m u l t a n e o u s l yp o w e rc a nb et r a n s m i t t e d t h ec a b l ei sd r o p p e dd o w ns y n c h r o n o u s l yw i t ht h ep i p e , s oc a b l em a y b es t r e t c h e da n dd i s t o r t e di fd r o p p i n gi st o oq u i c k o nt h ec o n t r a r y , i f d r o p p i n gi st o os l o w , c a b l em a yb es n a p p e d 。s oe n s u r i n gt h es y n c h r o n o u s d r o p p i n go fc a b l ea n dp i p ei sv e r yi m p o r t a n tt os a f e ，r e l i a b l e ，s e q u e n t i a l a n de c o n o m i cr u n n i n gf o rm i n i n g t h eo b j e c t i v eo ft h i s p a p e ri s t os t u d yt h ec o n t r o lp r o b l e mo f p i p e - d r o p p i n ga n dc a b l e d r o p p i n gi nt h ep r o c e s so f o c e a n - m i n i n g 。f i r s t l y , p r o c e s sa n de q u i p m e n t so fp i p e w * d r o p p i n gs y s t e ma n dc a b l e d r o p p i n g s y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，s i m u l t a n e o u s l yt h ep r o b l e m si nt h ed r o p p i n ga l e a n a l y z e d t h e n ，o nt h e b a s eo f a n a l y s e o nm o t o rc h a r a c t e r i s t i c r e s p e e t i v e l yi ti ss t a r t e da n ds t o p p e df r e q u e n t l y ，耥s l o w l ya n di t sl o a d c h a n g e sc o n s t a n t l y i n d r o p p i n go fp i p ea n dc a b l e a c c o r d i n g t ot h e m a t h e m a t i c sm o d e lo fp i p es y s t e ma n dc a b l es y s t e m ，t w oc l o s i n gl o o p s a r ea d o p t e db yt w os u b s y s t e m s ，n a m e l ys p e e dr i n g ，c u r r e n tr i n g 氆 c o n t r o la r ea d o p t e di nt h ec u r r e n tl o o pa n d 购一p ic o n t r o la r ea d o p t e d i f lt h es p e e dl o o p “f i n a l l y , t h es y n c h r o n o u sd r o p p i n go f p i p ea n dc a b l ec a n b ed e s i g n e dt h r o u g hu s i n gp a r a l l e l l e do p e r a t i n gc o n t r o lm e t h o d sb a s e d c o m p e n s a t o rp r i n c i p l e f r o mt h er e s u l to fs i m u l a t i o n , w ec a nk n o wt h a t t h ef o l l o w i n g - c a p a b i l i t ya n da n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t yi nt h ep r o c e s so f s t a r t u pa n ds t o p p i n ga r ea l li m p r o v e da f t e rs p e e dc o m p e n s a t i o na r e j i o n e d i nt h ep r o c e s so f d r o p p i n g k e yw o r d s ：d e e p - s e am i n i n g ，f i b e rp o w e rc o m b i n a t e dc a b l e l i f t i n gp i p e ，f u z z y - p ic o n t r o l ，s y n c h r o n o u sc o n t r o l 珏 中南大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名： 拉簦日期：堕年生月二z 一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者签名： 挂鱼导师签名日期：丝年上月生日 纤 中南大学硕卜举位论空 第一章绪论 第一牵绪论 由于徼器a 西豹不断增长，陆地资源嚣渐减少，人类不褥不绝霹蠢转怒簿洋， 开发大洋矿产资源融成为世界各国发展的战略目标。大洋采矿是海洋高科技的 熬沿，是海洋矿产浚滚开发豹“键裹盎”，是令国家缀含国杰戆律瑷。涎若联 合国海洋法公约的生效，新一轮的歼发海洋矿产的热潮正在形成，二十一世纪 宅将成为耱兴静裹技术产韭。美国、瑟奉、德嚣、法因簿发这冒象在这方越已经 展开了激烈地竞争。 为开辟我国新的矿产资源来源，维护我躁在国际海底开发活动中的应有权 益，1 9 9 1 年国务院批准将“大洋多众属结核资源研究歼发”佧为国家长远发展 项目。1 9 9 1 年3 月联合国海底筹委会批准中圜大洋协会为深海采矿先驱投资者， 获褥了1 5 万平方公篷静开瓣医。在i 麓掌握了深海采香、关键援零和设备豹发达嚣 家学习的同时，为了开发拥肖自主知识产权的深海控制技术和装备，根攒国务院 【1 9 9 0 1 2 8 譬交 睾豹歉复，孛国丈洋协会裁定了丈洋多金藩缝核蜜源骈究开发 第期( 1 9 9 1 2 0 0 5 年) 十五年发展规划和大洋多金属结核资源研究开发“八 五”诗划、大洋多金属结孩资源磷究开发“丸五”诗翔，从1 9 9 1 年拜始组织 实施。经过十年开发研究，2 0 0 1 年5 月2 2 日。联合国海底管理局批准中国大洋 协会7 5 万乎方公里的国际海底优先开采权，确认了我国在深海多金属缀按开采 技术开发上广度和深度，将健进我国研究开发的进程。 1 。 课题来源及慧义 本课题来源于由中国大洋协会组织的中网大洋矿产资源研究开发“十五”深 海资源磁变开发专磺深海矿系统爨控、动力酝要技术设计疆究嚣授予顼疆。 深海矿系统的方案主要有三种：连续绳斗式开采系统、自动穿梭式采矿车 采矿系统、集矿规加管道输送采矿系统。我萤袋用的采矿系统方案是深海复合式 水力提升采矿系统，它属子集矿机加管道输送采矿系统中的一种，由集矿子系统、 水力提升子系统、水面支持子系统和监控与动力子系统等组成。由位于洋底的集 矿机，将散布在海底表面的多金属结核收集，经破碎麝，通过数百米的软管输送 至中继仓，再由中继仓的给料机送至扬矿硬锗，最后由两台多级泵提升爱q 海面采 矿豁上，翻蚕1 - i 耩示。 中南大学硕士学位论文第一章缔论 因1 - 1 复合式水力提升深海采矿系统工艺流程图 在黼1 - 1 掰搴豹系统巾，扬矿嫒管系统酌主要俸霜霆将鬃矿机采集韵多金属 结核从中继仓提升到海面采矿船上。扬矿硬管由分段硬管组成。每段1 l m 。总长 发约鸯1 5 0 0 m ，终鸯经为2 1 9 0 8 m m ，壁浮为| 2 7 m m ，在海表串瓣重量梵5 6 。9 k g , m , 因此硬管重量很大。同时硬管附带有法兰，主要作用是将组合缆捆绑猩硬管上一 起下放。缝合缆的作用主簧是进孬承上拳下撬频、誊频和数攥售号的传羲，嗣畦 还传输水下动力信号，因此组合缆怒整个深海底采矿系统中一个非常煎耍的组成 部分。 在硬管和组含缆下放过程中，函于组合缆是捆绑在硬管上进行下放，而且碗 管是分段拆装，所以组合缆下放也是实行问断工作制，即每下放一段硬管的同时 下效一段和硬管簿长兹组会缆，特孀法兰将缀合缆警硬管捆绑好驳话，荐下簸下 一段。如此循环。在此过程中，组合缆下放主要由电缆绞车遴行控制，硬管下放 瘗器车遴行控澍。维舍缆下放戆这疲需与硬管下敦静速度同爹貉镯避雩亍。组合筑 下放的过快会引趣膨起或扭曲；组合缆下放过慢，则易于拉断，因此保证组合缆 下鼓与疆管下放瓣露步，慰于采矿轰统下效鞠回收终监安全、可靠、麓效、连续、 经济的运行有极为重要的意义。 。2 雪内矮研究褒装 国际上，有关深海采矿的研究活动先后经历了四个阶段。2 0 世纪5 0 年代起， 有关深海采矿酌季萼学考察活动帮零曩开发逐渐发震；2 0 董琵国年代超，为了挽 占海洋高科技制离点的战略。深海采矿遥测遥控技术研究开发全面开展，突破关 串南大掌磺士学位论义 第一蠢绪论 键影或热灞，竞蔽了彗予各秘工慧滚程豹滚海采鼙。控毒l 系统敷设诗；2 0 世纪7 0 年代起歪9 0 年代初期，经过二十年左右的技术开发研究，深海采矿技术取褥长 足进展，涤海鬟矿系统遴毒亍了工1 2 海试，技术成熟等待时机j ；进入9 。年代， 发达国家技术跟踪，发震中国家避头赶上p 。i 。经过四个阶段的发展，西方发达 国家在深海采矿技术方面的研究水平已经比较成熟，基本上解决了采矿系统的底 层控制阔题，在深海采矿对环境的影响方蕊的研究蕾在进行中强嘲。 在豳外用于海洋采矿环境的绞车多数采用液压驱动，比较典溅的有挪威 m a r i t i m e 。h y d r a u l i c 公司磅锎麓m h - 5 0 0 - 2 0 鏊绞车，采瑁多令液压骂达，由滚篱 两侧分别同时驱动：加拿大钻机有限公司研制的1 8 0 0 s 型绞率由一组多级大型液 妊驱动 “。戳滚基马达为驱动元搏嚣菠爨婕动方残与龟黄动方式麴逝，滚难接 动方式照容易实现无极调速、低速运行及恒张力保持等要求。同时，液压传动系 统简单紧凑、工侔可靠，操作上爨为方便，恧电传动方式调速性能好，经济毂强 f i t 。 我图从上世纪8 0 年代开始对深海底采矿进行研究。在“八五”期间，我国 成功开发了第一代稀软藏履带行走式集矿梳控制系统，浅水试验初获成功；在“丸 五”期间，我国研制出第二代集矿机供电和控制系统，并予2 0 0 1 年成功进行了 2 0 0 m 承深灌试；“+ 五”蛋标燕2 0 0 5 零程太平洋进行浅海试验。 在国内“九五”的采矿系统中，由于是浅水试验，电缆不是很长，故电缆下 坡未翔到电壤绞筚，瑟是采蠲入王下藏，嫒譬下教嫒雳基车秘钢丝筑避莓分数下 放。每下放一段电缆，就人为的将电缆与用钢丝绳精起的硬管绑住，接着就敞入 瘩中，褥下敖下一段，妇鼗疆环，豳她整令硬譬电缆露步下教势不霉要搬以控铡， 完全由人工完成，但效率极低。“十五”深海采矿扬矿硬管和光纤动力组合缆的 下放和卿技将袋用自动方式进行，忍步控制系统将保证下放圆收过稷安全、高效。 p i ( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l ) 掩制作为一种传统的控制方法，由予简单、荔乎 实现，现场应用效果明龆，所以广泛应用于工业控制。p i 控制技术是基于反馈 控制蘸毽的技术之一f 霹，它透过澜量被羧对象的输密与期攫毽褶 k 较得蚕辩偏 差，经过比例环节( p ) 和积分环节( i ) 进行线性组合构成控制量，对被控对象 述行控髓。整茭缺点是举能瘸子莛有瓣变、不确定、难子精确建摸戆被控对鬏。 在控制对象目趋复杂的今天，为进一步掇高异步电机调速系统的快速性和辔棒 性，模蝴控利方法褥到了越来越多的关注，成为爨蠡戆一个硒究热点1 3 _ 5 l 。模 糊控制方法的特点是：滗需建立被控对象的精确数学模型，对被控对象的时滞、 菲线性釉时变性具有玻强的适应能力。摸糊控制的不足之她在于：横糨控制本身 消除系统稳态误差的性能比较差。难以遮刘较高躺控制精艨。模糊p i 控稍综合 了p i 控制和模糊控制的优点，该方法响应快、无越调，与传统p i 控制方法相比， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 具有更好的稳定性和抗干扰能力“。 随着航天、航空技术和现代工业发展的需要，越来越多的金属加工设备、冶 金机械、工程机械及航空航天驱动装置等对高精度的同步驱动技术的需要也越来 越迫切。当要求几个部件同步运动或一个驱动源不能满足大功率应用场合时，就 要采用同步驱动。同步驱动按传动形式可分为机械传动同步、电传动同步和液压 传动同步。按功能要求又可分速度同步、位置同步和力同步。其中多电机同步驱 动在制造与生产过程中经常被应用。实现多电机同步驱动一般主要有开环控制和 闭环控制两种基本形式。现已存在的电气同步控制方法主要有：基于同一给定电 压的并联运行方法、基于同一给定电压的串联运行方法、基于补偿原理的控制方 法、基于现代控制理论的控制方法【”一2 4 1 。其中，基于补偿原理的控制方法在各 电机间采用同一给定电压或以前一台电机的转速输出作为下一台电机的速度给 定的基础上，比较主动电机和从动电机的转速萁差值经补偿器加到从动电机或主 动电机的控制输入端，以实现同步控制。该方法的跟随性能和抗干扰性能好，可 实现高精度高可靠性同步运转。 1 3 论文主要研究内容及其结构 为了设计一个满意的控制系统，必须事先掌握描述系统运动规律的数学模型 及其随机环境和参数变动的情况，然后用数学方法求解。本文针对深海采矿过程 中扬矿硬管系统和组合缆系统的下放控制问题进行研究。首先分别介绍对硬管下 放系统和组合缆下放系统工艺及主要设备，分析出硬管组合缆下放过程存在的主 要问题；接着，在分别分析硬管下放过程和组合缆下放过程中电机与负载特性的 基础上，依据硬管和组合缆系统的数学模型，两子系统都采用双闭环控制方案， 即速度环、电流环，电流环采用p i 控制，速度环采用模糊p i 控制；最后，在设 计完成硬管下放调速子系统和组合缆下放调速子系统的基础上，对硬管系统输出 转速和组合缆系统输出转速进行比较，其差值经同步补偿控制器加到组合缆系统 的控制输入端，以实现硬管和组合缆同步准确下放。 论文的章节安排如下： 第一章分析了深海采矿系统工艺流程，阐明了保持硬管组合缆同步准确下放 对深海采矿过程的重要意义。接着，阐述了研究现状以及根据实际情况制定的控 制方法。 第二章首先分析了深海采矿硬管组合缆下放的工艺流程，并给出了下放过程 设备装置图：接着，分别单独分析了硬管下放系统工艺和组合缆下放系统工艺及 主要设备：最后，从整个硬管组合缆系统下放的角度，分析了深海采矿硬管组合 缆下放过程存在的主要问题。 孛毒太学磺士学餐论文 攥一耄缝论 第三章程着重分析深海采矿硬管下放系统藕组合缆下放系统的特性嫠础上， 从自动控制的基本思想出发，提出以硬管组含缆准确同步下放为闰的的控制系统 的总体竣诗。 第西牵黄先程努潮建藏硬管下藏系统帮组合缆下敬系统数学模型的蘸穑上， 采弼双翅坯控割方寰 鄂遮躞拜、电流繇，魄滚嚣采用p l 投剥，速躞蓼溉爨摸 糖p | 控铡) 鼹硬管下藏调遴系统帮缀合缆下藏溺速象绫进行波谤稻整制；接饕， 狂设计完成硬管下敷变频调速子系统和组合缆下放变频调速予系统的旗础上，慕 熙磷步 接控制娥赂实现硬瓣组合缆准确同步下放，并避行了仿真试骏对比和效 果分析。作为模型设计的理论基础，同时阐述了各种算法的特点、原理以及在同 步下放控制系统巾的应用。 第五章为结柬语，对深海采矿硬管组含缆同步下放控制系统的设计予以总 结，荠掩密下一步翁褥究王稼， 中南人学顶_ i 学位论文 第二章扬矿硬管和组合缆下放工艺 第二章扬矿硬管和组合缆下放工艺 本章从介绍深海采矿硬管和组合缆下放工艺入手，分析出硬管组合缆下放过 程中存在的主要问题：同时，还介绍了深海采矿硬管下放系统和组合缆下放系统 的主要设备参数计算与选型，作为后续章节控制系统设计的基础。 2 1 深海采矿硬管组合缆下放工艺 硬管组合缆的下放足整个深海采矿系统中的一个重要环节，是保证成功、安 全采矿的前提。 硬管和组合缆下放的过程是：先将第一段硬管和第二段硬管用硬管固定装置 固定好，再将下放的第一段组合缆用每一段硬管上带有的法兰捆绑在硬管上( 注 意留有适当的空隙，不能太紧，防止组合缆拉断) ，然后硬管电机开始起动，下 放硬管，同时开始下放组合缆。在下放过程中，硬管固定装置又自动的缓慢的向 上移动。待第一段硬管下放完毕后，硬管电机停止下放，组合缆也停止下放，硬 管固定装置就移动到篇二段硬管和第三段硬管之间，然后重复上述过程，直至下 放完1 5 0 0 m 硬管和组合缆。在此过程中，组合缆下放可根据需要选择人工下放 和电缆绞车下放两种方式中的一种。 硬管组合缆系统下放工艺流程图如图2 1 。 图2 - 1 硬管组合缆下放工艺流程图 6 孛奔大学壤士学控论文第二睾拯矿鹱警彝维台缆下薮工惹 2 2 硬繁下放豢绫工艺及主要设备 2 2 磋管下教工艺 在深海采矿系统中，硬管是由每段长度为l l m ，外直径为2 1 9 r a m ，壁厚 洚1 2 ，7 n u n ，在求串的重量为5 6 9 k g m 的刚健磺管缢成，函诧必须分羧拆装避枯 下放。 疆餐下教敬遗程廷：炙将第一菠凝营和第二敬硬管爝疆镑嚣定装鬃 ：6 5 ，5 6 k g m ，销 管的质量( 海水中) 为5 6 9 k g m 。 在本系统孛，由于试验承深豹1 5 0 0 m ，黼魏凝警长度选择1 5 0 0 m ，1 5 0 0 m 锵 管重量穰大，全部进入永中的重量豹为8 3 6 4 3 k n 。 2 ) 埂譬瞧壤 在深海采矿硬警下敖系统中，璇蓉下敖豹逮发簧遴籍调繁，巍魏驱端电规鬟 变频调遮，调速藏圈是o 2 m 旭属低速运行。甄且，长度为1 5 0 0 m 的硬管是按 照每l l m 分段下敷，因此电娩器叛繁起箨。髯综合电源、缀济性方瓤，蓼l 妇选 用普通鼠笼式三拥异步电动机。同时，考虑到电机是安装在洋面的采矿船上，蕊 凰洋面环境比较恶劣，所隧电机的安装方式采孀臣 式，轴伸个数为单轴，防护方 式采用封闭式。 由予硬管电褫驱动酶受载包括硬警本费、软管、祭矿枫释维合缆鞠部分，因 此磷管曦杌的功率很大。考虑蓟船体黛海洋潮、涌的彰嘞，磷管电机选麓y 系猁 蕊基三襁舞多电动罄ty 6 3 0 1 - 姆砖，箕参鼗龆下：电税额定功率；2 2 4 0 k 鬻；额定 ， 中南大学碳士学位论文 第二章扬矿硬管和组合缆下放工艺 电压：交流6 0 0 0 v ：额定频率：5 0 h z ；定子电流：2 4 2 a ；额定转速：1 4 9 2 r p m ： 功率因素：0 9 2 2 ；效率：9 6 8 。 电动机的输出轴和负载的输入轴之间，是通过传动装置减速箱连接起来的。 减速箱的传动比应根据电动机和负载之问的对应转速( 最高转速或最低转速) 之 比来决定 2 6 】。硬管减速箱的减速比i = 5 0 。 3 ) 硬管下放系统变频器 变频器驱动异步电动机调速，在确定异步电动机后，通常应根据电动机的额 定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值( 晟大值) 来选 择变频器。 针对y 系列高压三相异步电动机y 6 3 0 1 - 4 ，同时考虑到硬管电机在实际运行 过程中的特性，所选变频器型号为o y 系列l g b t 直接高压变频器【2 7 1 ，其参数 如下：额定容量：3 5 0 0 k v a ：额定电流：3 6 7 a ；过载能力：额定电流的1 5 0 l m i m 输出电压：三相6 0 0 0 v ，o 5 1 2 0 h z ；输入电压：三相6 0 0 0 v ，5 0 6 0 h z ：允许 波动：电压：+ 1 0 一1 5 频率：+ 5 一5 ；电压频率特性：用基本频 率可设定电压( l f ) ；起动转矩：1 5 0 以上。 2 3 组合缆下放系统工艺及主要设备 2 3 1 组合缆下放工艺 由于组合缆较粗( 直径5 0 r a m ) ，重量达到5 0 8 0 k g k m ，对长度为1 5 0 0 m 的 组合缆靠人工体力进行收放缆是非常困难的。改用电缆绞车进行自动控制，将极 大的提高收放缆的效率，而且可靠性较强，安全性也得到加强。 从经济性方面考虑，海洋电缆绞车的驱动方式通常采用液压驱动口”。液压 动力传动以其传动平稳、调速方便、功率体积比大等优良特性在许多领域获得了 广泛的应用，但是液压动力传动的能量利用率不高，整机系统的效率较低，而且体 积大、价格较贵。近年来，交流变频调速技术因其调速范围广、调速平滑性好、 工作静态和动态特性好、体积小、价格低廉等优点在工程领域得到了广泛的应用。 在深海采矿组合缆下放系统中，下放组合缆的过程是：每一次电缆绞车电机 起动，按照约2 m s 的速度下放1 l m 组合缆，然后电机停止，等到用法兰将硬管 与组合缆捆绑在起后，再下放第二段1 l m 组合缆，之前下放的1 】m 组合缆就 随同硬管就进入水中，如此循环，直至下放完毕。 23 2 组合缆下放系统主要设备 组合缆系统是深海采矿动力子系统中一个重要组成部分。它能保证水上水下 信号和动力的安全可靠传输，主要包括集矿机光纤动力组合缆、滑环、光纤旋转 皇耍燮主堂燕矍塞 墨三茎堑篓鐾整塑篓鑫鍪王鉴兰茎 接头、多路复合器、电缆绞车( 包括魂祝) 和变频嚣，如图2 - 2 虚线襁内所示。 毽2 - 2 海试系魏设备希岛蘩 中南大学磷士学垃论文 第二牵拼矿硬簧帮缀合壤下效王芑 1 ) 粲矿机光纡动力级含缆 由于在深海采矿礤统中，采矿船和集矿机之间的通信是通过组合缆完成的， 其中包括数攒信孽、褫颓信号、音频蓿弩、豳像筘缡信号，瓣置承下集矿梳内的 动力信芍也燕通过组合缆进行佟输的，豳诧组合缆对于整个系统正常工作裔菲常 重要的作用。 出于试骏承深这列1 5 0 0 m ，蔼使曩r s 4 8 5 逶馆模式，簸毽逸倍鞭褒先1 2 0 。鞲。 翱使用中继方式，在中继站设立中继墨，则需要在巾继站配攫一个密封舱；且组 合缆瓣臻分段。基于上述爨囡，使耀信号复合传输技术和光纡组合缓，采粥同轴 电缆和光纤多路复合传输模式。组合缆中包含光纤和同轴缆互为冗余通信工作链 路。光纤作为复合信譬主檐输遴邋，同轴绫作为热备份备用通道，二者同辟雪传输 复合信蟹。巍出现光纤j 行断故障时，同轴电缆通道上升为复合信蟹圭传输通道， 保证窳瑟船裁监控站秘水下撬载瓣控站之灏信惑传输懿霹蘸程。馁鬻淹纤佯为复 合信弩盎传输通道，研l i 避兔电磁干扰，丽时为6 0 0 0 m 海试作技术储备。 戆设诗懿缝合缝豪率参数必：壹经；4 7 4 m m ；嚣强发：蟠o k 瓣；鎏率拳较： 6 2 5 m m ；缍念缆豹重爨 在空气串) ：5 0 孽o l c 酽强 缝舍缆静錾量( 程海泰串) ： 3 3 0 0 k g k m 。 2 ) 魄缆绞车 海洋电缆绞车主袋怒解决电缆盘收放釉存储电缆以及完成水下机器人电缆 所传输的电力和信息旋转连接。它主要霸系统底盘、绞车糖架及摊缆机构、导缆 机构、器盘、电幼机、减速器、制动器、操作控制箱、动力和各种信号的旋转连 接嚣等缀成。 对于绞率的步 形结构，综含考虑组合缆的长度( 1 5 0 0 m ) 、自身纛径( 5 0 r a m 左右) 教蠡率拳经( 6 2 5 m m ) ，一方瑟使龟缆鑫满足功畿要求，罴方莲缓奄缝 盘静井鼹滚蹩王程美学粒要臻，确定绞车兹慧静框絮尺寸大致为：3 0 m m 2 0 0 0 m m 3 0 0 0 m m ：根据滚麓上短屡电缆鼹数勰敷缆羹经设计爨动电缆缱鞫， 导授与滚嚣剩 l 等毙链竣传动实现同步转动，在1 5 0 0 戤拽长豹爵抒上女n 王双头 螺旋槽，利用导头在螺旋槽中的相对运渤实现自动摊缆功能，电缆到达滚筒两端 后利用警头谯相对称的螺旋槽之间的转凝实现交互方向的播缆。 绞车基本参数：转速n ：姬常工作时绞车转速为3 0 r p m ；最大拖动负荷： 4 8 5l k n ：最大制动力矩：3 0 ，3 1 9 k n m ；容缆量 母4 7 m m x1 5 0 0 m 。 在深海采矿组合缆下放系统中，考虑捌组合缆的粗黧特性，在初始放缆时的 速度簧逶行调节，驱动赣疑霞变羰镶遮，溺速藏潮楚0 2 m f s ，糕低速运露。嚣 盈，长度茺1 5 m 静缀合缆怒按照每l l m 分段下蔽，戮_ l 墩窀梳蔫频繁莛箨。荐 综会邀濂、缝凌性方露，选用蛰逐聚笼式兰矮凳步电动机。还考虑到船体受海洋 串毒大学硬： ：学位论文第二豪赫矿硬管褰鲤岔壤下教王慧 湖、涌的影响，选用三相异步电动机y 3 1 5 m - 4 。其参数如下：亳机额定功率： 1 3 2 k w ：额定电压：交流3 8 0 v ；额定频率：5 0 h z ；额定电流：2 4 0 a ：额定转速： 1 4 8 0 r p m m i n ；功率因素：o 8 9 ；效率：9 4 。糍囊绞车减速糯酌减速院魏5 0 。 3 ) 缀合缆下放系统交频器 锌对y 3 1 5 m - 4 鹫异步奄壤，逐考惑劐纛缆绞车壤瓿在实繇运行串靛特性， 选用通用搿交频器j p 6 c 一聃2 0 0 。 其参数始下：凝定容爨：2 8 7 k v a ：额寇电浚：3 7 7 a ；过载憩力：额定电溅 煞1 5 0 l m i n ；赣蹬瞧医：三攘3 8 0 4 4 0 v ：输出频率：5 4 0 0 妇l 输入电妥： 三搬3 8 0 4 4 0 v ( 允诲波动：+ 1 0 1 5 ) ；输入撅搴：5 0 6 0 h z ( 允诲波动： + 5 一5 ) ；电压频率特饿：用蒸零频率可设定电压( u f ) ；起动转矩：1 5 0 以上。 2 。4 疆繁缀合缆下放避羲存在豹翘题 圭2 a 繁硬蛰缝会缆下放互艺溱程胃翘，在深海袋矿疆警缝含缆下羧系统串 存在瓣主鬟赫憨蠢： 1 ) 嫒管警稳下敖 硬鹫是通过硬彗电规驱动疆警下救装置遴孬下放，由于硬管上带霄固定法兰 用来固定组会缆，下放过快成过慢，都会造成硬管组食缆下放的效率低下，因此 必须乎稳缓镟下放。同时，e 自予硬管电机频繁越制动，而且容量很大，起动和襻 此过程不易予控制，因此必须研究合邋的控制镱略保证硬管的平稳下放。 2 ) 缀合缆平稳下旅 组合缆惹通过电缆绞率进行下箴，箕下放邋程由于维合缆本身的特性( 含裔 先纾) 帮王兹要求决定了窀也必矮擎稳缓缦下鼓。鞫孵壤考虑列电缆绞车瞧瓿频 繁怒稍韵，越动帮停正过糕不易于控翻，鞋晓毽必缨磷究舍逶静控卷l 蒙潞保证缝 台缆鹣平稳下教。 3 ) 鞭管缀合缆同步下故 组合缆照捆绑在硬管上避行下放，自身：挣不承受重攮，因此在深海采矿硬蟹 组念缆下放系统中。存在的一个主襞问题就是缎合缆下放系统和硬管下放系统的 间步协调控制问题。 在“丸五”潮试系统中，由于承深冀有三酉米，瞧缆不怒徭长，鞠纰电缆下 放采用人工放缆方式。每下放一段硬镣，就人为的下放段电缆，同时为了保 芷 奄缆与矮管的嚣爹，下藏道卷孛必矮注意电缆下敖的长发要瓣蠢一定佘鬓，逮样 窟不至予较断电缆。获诧避稷中，胃觅天工放缆不仅效率低，蔼怠由予入的主躐 挫茹然导鞭墓可纛性不裹。 中南太学磷j 学餐论盅 第二章锈矿裂餐鞠龌台缓下艘= l = 茳 在改人工放缆为电缆绞车旅缵后。由于硬管下放和组合缆下放都幽电视棚变 频器进 亍驱动控制，保证组合缆与硬管的同步下放就显得尤为重礤。若组合缆下 教院硬臀下放侵，瓣缀合缆容荔控断。遮样整个浆统静供龟与信感抟输将究垒审 断，黹髓由予缀含缆佟输3 0 0 稃v 高压魄，一旦断裂，危除黻较商；获之，若缀 合缆下数沈璎管下获快，裂缝念壤咎易糍瓤或膨起。盘予鳃合缆审含蠢毙绥，不 能揠转，一曼拯蘸，巍纾藏易予凝裂，破辣信号转输。 因此，本文针对硬管下放鄹组含缆下放的同步协调控制阅题进行磺究，在深 入砑究骥营下载予系统和组合缆下救子系统的基础上，采用最优的问步控翩方案 实现硬管下放和组合缆下放的同步。 2 。5 小缝 本露蕾残分辑了潆海采矿硬蛰组台缆下敖熬王艺流稷，并绘爨了下放_ ；妻程 设备装鬟匿；接饕，分澍攀独分耩了硬繁下技工慧帮缝食缀下教工艺，若麓要奔 绍7 硬锗下放系统和缀会缆下放系统鲍主蘩设螯选型；最矮，从整个硬管组合缆 系绫下放妁莛度，分亳睁了深海浆矿硬营皴会缓下放过程存凌的主要问题，扶薅警l 出本文的研究控制策略。 中南大学硕士学位论文 荣三章同步下放控制系统总体设计 第三章同步下放控制系统总体设计 深海采矿硬管组合缆同步下放系统是建立在硬管下放系统和组合缆下放系 统两个子系统的基础上，要设计出硬管组合缆同步下放控制系统，必须首先设计 两个子系统。因此，本章首先分别对硬管下放系统和组合缆下放系统的特性进行 分析，然后根据系统控制要求设计出相应的变频调速子系统总体方案，最后在设 计完成两个子系统控制方案后，根据系统要求采用最佳的同步控制方法，设计出 硬管组合缆同步下放控制系统的总体方案。 3 1 硬管下放控制系统设计 3 1 1 硬管下放系统特性分析 由第二章的硬管下放工艺可知，在硬管下放过程中，硬管下放系统具有如下 特性： 1 ) 硬管电机下放速度慢：受限于分段硬管的长度( 每段1 l m ) ，硬管电机的下放 速度不能太快，约为o 2 m s ； 2 ) 硬管电机频繁起动和停止：由于每一段硬管只有l l m ，硬管的下放速度又约 为2 m s ，所以电机正常工作的时间通常很短，正常起动后就需要停止，属于短 时负载类别； 3 ) 硬管电机的负载是不断加大的：硬管电机的负载需要承载硬管本身、组合缆、 软管和集矿机的重量，在硬管下放过程中，随着进入水中的硬管和组合缆不断增 加，电机承受的负载越来越大。 硬管电机的速度特性图如图3 1 所示。 图3 - 1 硬管电新谳特性图 3 ，1 2 硬管下放控制系统设计 针对硬管下放系统的特殊要求：频繁起停、低速运行、工作时间短和运行过 程中负载不断增大，为准确跟踪电机的速度给定曲线，采用变频调速技术设计硬 中南大学硕士学位论文 第三章同步下放控制系统总体设计 管下放变频调速控制系统。 按照工程设计法，可知变频器一异步电机调速系统的数学模型可简化为单输 入单输出模型1 2 9 、3 3 1 而此模型与晶闸管直流调速系统的数学模型极为相似。因 此，仿照直流电机调速系统，可设计出如图3 - 2 所示的硬管下放变频调速控制系 统。 图3 2 硬管下放系统变频调速控制框图 图中v为电机速度给定信号； 玑为经变换器后速度给定电压信号： u 。为电机速度反馈经过变换器后电压信号： u j 为经过速度调节器后的电流给定信号； u 。为电流反馈经过变换器后的电压信号； v ，为频率给定信号； u 。为交一直一交电流源逆变器和异步电机在直流回路中的电流源理想 空载电压； ，。 为直流回路电流； 曲 为转子角速度。 由图3 - z 可知，此系统具有速度反馈和电流反馈的双闭环结构形式。其中电 流环的作用是：改造内环控制对象的传递函数，提高系统的快速性：及时抑制电 流环内部的干扰；限制最大电流，使系统有足够大的加速转矩，并保证系统安全 运行。在硬管下放调速系统中，电流调节器采用常规的p i 调节器。 速度环的作用主要是增强系统抗干扰的能力，抑制速度波动。在硬管下放调 1 4 中南大学硕士学位论文 第三章同步下放控制系统总体设计 速系统中，考虑到电机本身特性、频繁起停、低速运行的转速特性和负载( 组合 缆) 不断变化这些因素，若速度环依然用常规的p i 控制，则由于p i 控制不具备 对电机参数变化的自适应功能，因此不能满足系统要求。但是，p i 控制对参数 确定的模型具有快速性好、精确度高的特点，而模糊控制具有不依赖于系统模型 参数、鲁棒性强的特点，综合两者的优势，此速度调节器采用模糊p i 控制器。 3 2 组合缆下放控制系统设计 3 2 1 组合缆下放系统特性分析 由第二章组合缆下放工艺可知，在组合缆下放过程中，组合缆下放系统具有 如下特性： 1 ) 低速运行由于组合缆是捆绑在硬管上进行下放，而硬管是由每l l m 长的 分段硬管组成，所以每次下放组合缆也只能1l m ，而且速度不能太快，下 放组合缆的速度为o 2 m s ； 2 ) 频繁起停由于下放组合缆是间断工作制，因此电机需要频繁起动和停止， 还考虑到每一次下放的组合缆只有1 i m ，所以电机一般是起动之后就需要马 上停止，属于短时负载类别； 3 ) 工作时间短由于每一段组合缆只有i i m 长，下放组合缆的速度约是2 r i g s ， 所以电机正常运行的时间也很短； 4 ) 负载不断变化在每一段组合缆下放的过程中，负载( 组合缆) 是不断减小 的。电机刚起动时，1 5 0 0 m 组合缆全部卷于电缆绞车卷简上，负载最大。随 着组合缆不断下放，电缆卷筒上的组合缆不断减少，负载也随之逐渐减小， 直到电机停止时，负载减到最小。 绞车电机的速度特性与图3 - 1 相同。 3 2 2 组合缆下放控制系统设计 与硬管下放调速系统设计相似，针对组合缆下放系统的特殊要求：频繁起停、 低速运行、工作时间短和负载不断变化，为跟踪电机的速度曲线，采用变频调速 技术设计组合缆下放变频调速控制系统。 按照工程设计法，可知变频器一异步电机调速系统的数学模型可简化为单输 入单输出模型，而此模型与晶闸管直流调速系统的数学模型极为相似。因此，仿 照直流电机调速系统，可设计出如图3 - 3 所示的组合缆下放变频调速控制系统。 中南大学硕士学位论文 第三章同步下放控制系统总体设计 图3 3 组合缆下放系统变频调速控制框图 由图3 - 3 可知，此系统也具有速度反馈和电流反馈的双闭环结构形式。其中 电流环和速度环的作用与控制器设计均与硬管下放变频调速系统相似。电流调节 器采用常规的p i 调节器，速度调节器采用模糊p i 控制器。 3 3 硬管组合缆同步下放系统总体设计 3 3 1 多级电机驱动电气同步控制方法 一般来说，协调关系是各受控量应满足的某种线性或非线性函数关系“7 1 ： f ( y 1 ，y 2 ，y 。) = c 常见的是比例关系： 1 y 12 z z y 22 2 。y 。 当比例系数口= 1 时，即为最简单的同步关系。 现已存在的电气同步控制方法主要有以下四种： 1 ) 基于同一给定电压的并联运行方法 这是一种最简单的同步控制方法。各调速系统采用同一给定电压，电机 之间的速度协调关系由同步系数口决定，其控制原理如图3 - 4 所示。 稳态时h 坫= q ，n g = ( 1 a 1 ) 凡2 t 门培= ( 1 a ：) ，取岱= l 即为通常 的同步系统。这种方法线路简单，容易实现，且启动时不存在速度滞后问题， 跟随性能很好。但由于从整体上可以看出，各调速系统之间采用的是开环控 制，因此，当某一电机负载发生变化时会引起一定的速度误差。 中南大学硕士学位论文 第三章同步下放控制系统总体设计 图3 - 4 基于同一给定电压的并联运行同步控制 2 ) 基于同一给定电压的串联运行方法 这种方法以前一台电机的转速输出作为下一台电机的速度给定，两电机 之间的速度协调关系由同步系数口决定，其控制原理图如图3 - 5 所示。 当口= 1 时，即为通常的同步控制。这种控制线路简单易行，但在阶跃输 入起动过程的恒流升速阶段，后一台电机要比前一台电机的转速稍有滞后， 起动过程跟随性能不很理想，抗扰性也不十分理想。 图3 - 5 基于同一给定电压的串联运行同步控制 中南大学硕士学位论文 第三章同步下放控制系统总体设计 3 ) 基于补偿原理的控制方法 这种方法在各电机间采用同一给定电压或以前一台电机的转速输出作 为下一台电机的速度给定的基础上，比较主动电机和从动电机的转速，其差 值经补偿器加到从动电机或主动电机的控制输入端，电机之间的速度协调关 系由同步系数口决定，其补偿原理如图3 - 6 所示。 图3 - 6 基于补偿器原理并联运行同步控制 并联运行的多电机同步驱动系统加转速补偿后，起动过程跟随性能和稳态性 能均有提高，抗扰性能尤其得到提高，因此这是一种理想的同步控制方案；串联 运行的多电机同步驱动系统加转速补偿后同步跟随性能和抗扰性能也同样得到 提高可以实现高精度高可靠性同步运转。 4 ) 基于现代控制理论的控制方法 随着社会生产力水平的不断提高，传统的控制方法已经不能满足生产工艺对 多电机速度同步控制精度要求，因此出现了许多基于现代控制理论的同步控制方 法。例如，文献【3 4 】可将模型参考自适应控制应用在印染工业设备的多电机同步 拖动系统中。 3 3 2 硬管组合缆同步下放控制系统总体设计 在深海采矿硬管组合缆下放系统中，由于组合缆是捆绑在硬管上一起同时下 放，因此硬管与组合缆下放过程必须同步协调进行，保持速度同步。 在分别分析硬管下放系统和组合缆下放系统特性并设计出各自相应的变频 调速系统的基础上，为达到硬管电机速度与电缆绞车电机速度准确同步，比较上 童查堂堡主兰竺堡壅 苎三童匣生! 堕丝型墨竺整! ! ! 堕 述四种方式的优缺点，现采用基于补偿器原理并联运行同步控制的方法，在两台 电机采用同一给定速度的基础上，比较硬管电机和组合缆电机的转速，其差值经 过同步控制器加到绞车电机的控制输入端，以更好的达到两者的速度同步。其同 步下放系统的控制框图如图3 - 7 所示。 3 4 小结 图3 7 深海采矿硬管组合缆同步下放控制系统框图 本章首先分别分析了硬管下放过程和组合缆下放过程中电机及其负载的特 性，并在此基础上，仿照直流电机调速系统，提出了硬管下放变频调速系统和组 合缆下放变频调速系统的结构框图；最后，在分析比较四种多级电机驱动同步控 制方法后，根据系统要求及比较四种方法的优缺点，基于两子系统提出了采用基 于补偿器原理并联运行同步控制方法的深海采矿硬管组合缆同步下放控制系统 的总体方案。 中南大学硕士学位论文第四章间步下放系统控制嚣设计及仿真 第四章