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船舶液货装卸智能控制系统关键技术研究

秦品乐  
【摘要】: 随着科学技术的进步和船舶运输业的蓬勃发展,为了提高液货装卸效率,缩短船舶在港停留时间,最终达到提高经济效益这一根本目的,作为液货船重要的组成部分之一的液货装卸控制系统越来越趋于复杂化、智能化,成为融合计算机、自动控制和电子信息技术,以及船舶理论等多学科的综合系统。目前的液货装卸系统由许多保护子系统和安全子系统构成,如阀门遥控系统、惰气保护系统、液位测量系统,高位及高高位报警系统等,这些系统存在时滞、时变等非线性问题,如何解决这些问题并将所有子系统融合到一起实现智能控制是个技术难题。在我国,大型高性能液货船舶的装卸系统一般都是直接引进国外的技术,这就造成以下几个问题:(1)液货装卸系统可以创造巨大的经济效益,国外采用技术限制使我们无法知道内部具体的算法实现;(2)虽然国外的液货装卸控制软件具有工程优化及先进控制等功能,但参数调节较为复杂;(3)直接引入国外的技术,使我们缺乏自主开发的工程软件,即使国内学者提出了好的控制算法,也无法找到实现平台。因此,研究液货装卸智能控制系统实现的关键技术,无论在理论和实际应用都有十分重要的意义。 本文在掌握国内外液货装卸智能控制系统研究现状的基础上,对系统的关键技术展开了进一步的研究工作,主要研究内容包括: (1)船舶液货装卸系统中的许多信号是带噪声的非平稳非线性信号,本文重点研究了适用于非平稳、非线性信号处理的经验模态分解算法(Empirical Mode Decomposition,EMD),为了提高局部EMD算法的分解精度,对局部EMD方法进行了改进。在第一次EMD分解时不区分极大极小值,先对其组成的序列直接用三点滑动平均的方法求均值,然后采用B样条对数据序列进行插值拟合,其余的分解过程采用三次样条拟合极值包络,这样B样条函数可以组成样条空间的基底,避免了三次样条在数据高频部分分解过程中产生的过冲和欠冲现象。 (2)针对含有间断点的信号在进行EMD分解时产生的模式混叠现象进行了研究,在采用小波去噪方法对信号进行预处理时,为了消除小波去噪时在间断点附近产生的伪Gibbs现象,提出了先采用平移不变算法对信号进行处理,然后进行小波阈值去噪,再将去噪后的数据进行EMD分解的方法。采用这种方法可有效地消除间断点引起的模式混叠现象。 (3)液货装卸控制系统中有些子系统的数学模型很难建立,为了实现系统的智能控制,本文深入研究了无模型控制方法,该方法是一类兼有现代控制理论与经典PID优点的方法,仅采用系统的输入、输出数据设计控制器,实现不依赖被控系统数学模型。进而提出了基于多新息理论的伪梯度估计无模型控制方法和基于多新息理论的无模型控制律,充分利用系统以前的输入输出数据来提高无模型控制方法的收敛速度,并且给出了所提方法的理论推导和收敛性证明。最后采用粒子群算法和人工鱼群算法分别对所提两种方法的参数优化进行了研究。 (4)面向工程实际,提出了基于开放式控制系统开发规范的液货装卸智能控制系统的框架结构,搭建了液货装卸智能控制系统的软硬件平台。开放式体系结构所具有的层次化、模块化和构件化的设计方式使该平台具有了透明性好、可靠性高、伸缩性大和组态性强等特点,用户可以按照需要加入自己的算法,而不用考虑底层硬件实现。基于该框架结构实现了一条16000DWT成品油船的液货装卸智能控制系统,并且进一步实现了12000T浮船坞实时配载系统和5000T半潜驳实时配载系统,表明所建框架平台具有一定的可拓展性。最后将本文所提改进局部EMD方法和改进无模型控制方法分别应用到液货装卸系统的舱室液位信号处理和舱室压力、流量去耦控制,结果表明该平台能够为研究装卸系统的信号处理算法和控制算法提供良好的实现环境。


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