富钴结壳规模取样器电控系统设计课件

1、富钴结壳规模取样器电控系统设计目录41课题研究背景及意义2电子测控系统总体设计3系统硬件电路设计4系统软件设计5铣挖马达转速控制算法设计67总结与展望系统调试一、课题研究背景及意义 富钴结壳中富含的钴、锰、镍等金属元素在合金技术、高新技术、化工行业、航空工业等领域都有着广泛的应用且起着相当重要的作用。 富钴结壳一般为厚度为十几厘米厚的壳层，粘附在地形复杂的海山斜坡上，一般处于低温高压的环境下，对取样器有更高的要求。一、课题研究背景及意义 随着人类社会的快速发展，陆地矿产资源逐渐消耗，而占地球表面2/3的大洋海底蕴含着极为丰富的富钴结壳资源，所以开采取样富钴结壳的相关技术早已成为各国研究的热点。

2、二十世纪五六十年代，德国、美国、俄罗斯等西方发达国家开始在多个方面对富钴结壳的开采取样技术进行系统的研究，并进行了多次资源勘探以及实验调查。国内这方面的调查虽然起步晚，但是也获得了很大的成就。 2014年中国大洋协会签订了富钴结壳矿区勘探合同，开展“富钴结壳规模取样可行性及装置研究”，本课题针对矿山院设计的新型富钴结壳规模取样器机械结构，设计了相应的电子测控系统。一、课题研究背景及意义1.分析和设计富钴结壳规模取样器电子测控系统。2.设计合理的通信链路。3.测控系统的硬件电路设计。4.测控系统的软件系统设计。5.铣挖头转速控制算法的设计。6.对整个系统进行调试，并对结果进行分析。课题研究目标二

3、、电子测控系统总体设计2.1 取样器总体框图 富钴结壳规模取样器主要包括取样器采矿车、甲板测控系统，甲板高压供电系统、万米光电复合缆等部分组成。2.2 电控系统框图 电子测控系统包括水上甲板监控系统和水下测控系统。甲板监控系统由工控机、视频监控显示系统和甲板光端通信机组成。水下测控系统包括包括水下控制仓、各种传感器、液压电磁阀、水下灯、摄像头等设备。2.3 水下测控系统供电电路框图 水下测控系统供电电路将通过光电复合缆由甲板传输下来的220V通过整流、稳压、保护之后转换成220V交流、24V直流和5V直流三路电源给相应的模块供电。2.4 甲板监控软件设计三、系统硬件电路设计 电子测控系统的硬件

4、电路包括主控电路，测控功能电路和电源电路。根据功能需要，设计四块板卡，分别用于实现测控板卡管理、数字信号检测、模拟信号检测、数字信号输出功能。主控板DO板DI板AI板4.1 板卡间通信协议设计四、系统软件设计28-2625-1817-1615-1211-109-0预留板卡类型预留板卡编号预留信号种类 CAN总线通信用于实现水下测控系统测控子系统各功能板卡和主控板之间的通信，在软件设计时使用CAN2.0B协议的通信格式进行通信。CAN协议仲裁场ID分段定义4.2 电子测控系统嵌入式软件设计(1)主控板嵌入式软件 主控板嵌入式软件主要包括网络通信、CAN通信、串口通信、数据处理、SD卡日志、板卡信

5、息采集、板卡状态信息存储等模块。测控板卡软件实现对数据测采集、控制、处理并通过CAN总线与主控板交互。以太网通信模块数据处理模块信息显示模块板卡信息采集日志记录模块板卡信息存储模块串口通信模块姿态信息采集CAN通信模块4.2 电子测控系统嵌入式软件设计(2) 功能板卡软件设计 甲板监控软件的主要功能是与水下测控系统进行数据交互，对接收到的数据进行解析显示，并将操作人员的指令按照一定的通信协议指令下发。4.3 甲板监控软件设计五、铣挖马达转速控制算法设计 铣挖装置在进行铣挖作业时，需要保证铣挖马达处于安全的工作状态下，根据设计参数要求，铣挖马达的铣挖转速和铣挖压力P需要维持在合理的范围内。W=T

6、NW为马达输出功率，TN为马达扭矩，为马达转速V为马达排量，P为马达进出口压力差铣挖马达数学模型，J为马达转动惯量，B为马达摩擦系数 为马达转速对时间的微分，TL为液压马达工作负载。根据上面的式子经过变换可以得到右边的关系对上式进行建模，就可以得到右侧框图对铣挖马达建模滑模切换函数等速趋近律李雅普诺夫条件滑模控制器设计滑模控制器马达转速控制算法仿真六、系统调试实验室调试嵌入式系统软硬件调试光纤通路测试车间调试上船调试7.1 总结七、总结与展望完成富钴结壳规模取样器系统方案总体设计，采用基于分布式管理的综合测控结构，各模块协调分工，共同完成系统综合测控。完成电子测控系统各板卡硬件电路设计。完成水下测控系统各板卡下位机软件设计，并实现各板卡间CAN通信。完成甲板监控软件设计，并实现与水下测控系统的通信。使用滑模变结构控制算法来进行铣挖马达的控制，经过理论分析以及软件仿真，验证了算法的可行性。完成了系统调试工作。包括实验室环境下的硬件系统测试、光纤通信网络以及电控系统整体调试，车间模拟海底环境下的整机调试，最终完成系统整体功能测试。7.2 展望七、总结与展望本设计需要在出海海试之后验证其在真是采矿环境下的作业性能，发现问题并解决。完善铣挖马达转速控制算法，并将其应用在取样器的实际控制代码中。对于模拟数据的采样精度只有12位，未来可以使用高精度的AD转换器，提高采样精度，以获得更精确的数