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基于模型的离岸液压绞车系统的的控制设计 Eilif Pedersen
摘要：
相对于普通的线性控制器，比如PID控制器，基于模型控制的设计在控制复杂的系统和保证全球系统稳定上是具有优势的。本文尝试去推广基于模型的控制设计在工业应用中特别是在海洋系统行业中的使用。单摆系统作为一个典型，在很多方面都有用处，它用于帮助比较滞后型滑模控制器与PID控制器的区别，也用于通过一致的方式在这种基于模型控制的设计中推导出主要的方法，而且还用于强调使用基于模型控制的规则与基于控制规则的PID标准相比具有的优点。从例子的结果表明，与每次必须退换系统参数变化的PID控制器相比，基于模型的控制器是几乎不受系统影响的。这表明如果PID控制器是用于控制系统与系统参数变化和高度非线性动力学的，那么一个表明的控制器是需要收益和插值。此外,一个离岸液压绞车系统用作彻底深入的案例研究与系统分析。通常情况下，由于简单的流体力学、力学和动力学的原因，一个简化的但却是高度非线性的空间模型，只描述了液压系统的快速反应、用推导的速度控制器和液压绞车的转矩控制器系统的主要特点。连同一个集中电线负载模型一起来描述液压绞车系统的植物过程模拟是用于模拟验证导出控制法律的，这其实和液压控制系统很契合。以这项工作的观察和结果为基础，我们可以看到一个PID控制器如果不是在调优和查找表和插值算法对控制器的收益中做了大量的工作的话，它是无法控制拥有大量稳定地区和基于模型的控制器的液压绞车系统。
- 简介
几十年来，基于模型的控制设计、先进的控制算法开发、学术领域的控制研究以及控制设计的进步都是随着传播技术的发展而不断进步的。虽然基于模型的控制器的性能通常超过了性能标准的控制器,如PID控制器，但是基于模型的控制设计没有完全的适用在学术界的海洋产业。当行业当目标是在极大的范围内控制高度非线性动力系统操作时，基于模型的控制设计通常才会被考虑使用，而不仅仅是接近预设的参考点，因为当使用一个线性控制律时这种系统的稳定区域是有限的。这种应用程序的例子可以在航天行业、指导手册以及控制说明里找到。
在海洋产业中,更高级的控制设计已经被应用在了知道和动态定位上面。尚未得到充分利用DP和控制海洋船只也是提供内侧绞车系统的。当设计新产品是，系统动力学在设计过程中经常被使用，而通常情况下，海洋工业在分析系统动力学上是非常有优势的。由于系统的这种动态分析已经应用在了业内，导致我们可以了解系统的主要动力学特征，通常情况下设计基于模型的控制律的工作往往要少于调整简单的线性控制律并保证 在所有相关情况下都是稳定的，特别是如果系统包含一些经常存在于实际系统中的非线性动力学。
这项工作旨在促进使用基于模型的控制在行业中的设计，并强调一些主要的与普通控制法相比，这种设计具有的的效益。这是通过比较基于模型的示例来完成的控制设计，它采用普通的PID控制规律。特别是这个文章侧重于后台滑模控制设计（Zihober和Rios-Bolivar，1994），因为它的坚固性，所以用一种用于于海上作业的液压绞盘系统用于深入案例研究。 选择液压系统的原因之一是由于它常常包括高度非线性的动力学喷嘴，水力损失和压缩性，这一般是通过基于PID的控制规则难以控制的。一般来说，海洋工业有很多系统示例非线性动力特性，例如 船舶包括推进系统（Yum et al。，2016; Rokseth et al。，2016; Ped-ersen，2012），海洋电厂系统（Pedersen和Pedersen，2012; Bo等人，2015）和主发动机（Aesoy和Pedersen，2011），起重机系统和机械手（Rokseth和Pedersen，2014年 Rokseth等人，2016），顶部张紧的立管（Rustad和Lar-sen，2008）和在这片文章中呈现的液压动力系统。这种系统的性能将因为基于模型的控制器的使用而受益，如案例研究，这是表征非线性的好候选者海洋工程领域的动力学特征。因此，推广使用基于模型的控制设计海工将通过程序强调得出基于模型的控制规律，并通过研究得到模拟结果。
本文使用bobust的基于模型的控制设计，其中包括滑模和反步控制技术，已被应用于文献中的各种系统，例如关于控制气动系统（Smaouiet al。，2006; Lu等人，2010），液压驱动的鲁棒控制柔性臂（Li和Khajepour，2005），感应电动机的控制（Shieh，1999），跟踪控制目标（Davila，2013;Swaroop等，2000; Lu等人，2011），控制四旋转体（Bouabdallah和Siegwart，2005）和液压阀控制（Choi，2011）。然而，开发这样的一个逐步的过程设计和经常给出控制设计并没有什么不同。 这主要是因为基于模型的控制设计基于一般想法，例如 如取消想要的动态，这是很难推广的。 尽管如此纸张试图显示主要步骤，通过实例和步进滑模控制法，深度案例研究一致。
本文使用的最基本的控制理论除了应用在案例研究以外，还有其他细节的解释指示阅读器，它在适当时给出一定的参考。然而，这项工作提出的例子和案例研究显示了如何使用控制理论推导出基于模型的控制设计，也适用于其他系统。这是因为基于模型的控制器背后的想法在文献中清楚地呈现了出来。即使如此，很多关注将会放在描述液压绞盘系统的空间模型简化状态的发展。 关于这方面的原因是因为开发一个好的控制工厂往往更难，物理系统的模型比开发基于模型的控制法律，派生控制法的能力更依赖与它。 此外，更容易看出派生控制法的好处是通过在理解系统时看模拟结果动态和导出控制时的简化植物模型。本文首先介绍了基于模型的控制设计一般主要侧重于后台和滑动模式控制理论，以一个简单的例子显示了性能一种背后的滑模控制法相比普通PID控制规律。 接下来，介绍液压绞车系统，并对系统的主要动力进行了彻底的分析执行以获得控制工厂模型。 这个模型是随后用于获得适当的控制规则液压绞盘系统和两个模拟进行使用该过程来测试和验证派生控制法则液压绞车系统的植物模型来源。
- 基于模型的控制设计
基于模型的控制设计被归类为基于系统动力学的控制设计。 控制法的推导通常是通过稳定性分析比如Lyapunov稳定性分析系统，这也确保了使用时受控系统的稳定性派生控制律。 一般来说，基于模型的控制设计在控制领域被表征为最先进的技术，这样的控制器是针对特定系统量身定制的，这是很难推广的。 但是，推导时基于模型的控制规律，存在许多设计策略，可以利用他们获得给定的合适的控制律。 两种这样的策略是滑动模式后滑模式。
滑动模式和后台控制设计是作为先进的非线性控制律设计而且成为控制领域的其他控制法律中的最先进的技术。滑模控制法设计可用于大多数控制系统，与后台控制设计相比在系统中取消动态效果时一个状态能被隐形地控制，例如，在摆动系统中的位置控制，其中控制器给予了用于输入拖曳的系统，从而隐含地影响加速度位置。 根据Khalil（2002）的滑模控制设计是坚固的控制设计，迫使轨迹达到滑动在有限的时间内多余，并在未来的时间停留在歧管上。滑动模式控制器也被设计为实现控制的目的，即使使用低阶控制模型也能描述这个过程。
滑动模式和后台控制设计都是基于模型的控制设计，而且是为其目的量身定做的。然而，一般来说，滑动模式控制设计提供了很好的效果，后台控制设计在一个拖钓系统提供一个很好的取消不必要的动态效果。 如果一个系统是可以控制的，那就是可以的将滑动模式和后台控制理论部署到一种基于模型的控制规则具有两者的良好性质控制策略，这也增加了鲁棒性控制法（Zihober和Rios-Bolivar，1994）。 都是背部的滑模控制理论在哈立勒中得到了彻底的处理（2002），这里不会再给予关注。
基于模型的控制设计的一个不错的属性是控制器增益通常独立于系统，因为模型参数包含在控制律中。这意味着，一个定制的控制规则可以用于“只要形式就能控制一系列动力系统描述系统的微分方程相等，这意味着只有系统参数可能不同。 这是对于销售不同尺寸产品的供应商非常有用，因为控制器不需要为每个产品重新调整尺寸。 这在以下示例中说明，其中一个后台滑模控制法用于控制角度的简单摆锤，而且也别比作PID控制法。
深入了解海上液压绞盘系统案例研究可以深入了解基于模型的控制设计的真正潜力，以及这种控制设计的优势。 该系统的过程工厂模型以前在Skjong（2014）中得到，但是太复杂，无法用于任何控制设计的派生。 这是因为尽可能多地在过程工厂模型做了很多努力，描述了整个物理系统的实际情况。 然而，这在导出时通常是这种情况控制法则，其中大约一半的工作用于将系统的物理理解转化为良好的数学模型表示，至少包含主要的动力学特征，可以在得出控制规律时使用。事实上，派生控制器的性能将很大程度上取决于来源于控制工厂模型的控制规则，如果在控制工厂模型中忽略了重要的动力学特性，则得出的控制规则的性能可能变得相当差。通常，推倒出控制工厂模型控制法比基于模型的导出更难，因为基于模型的控制律通常是通过一个Lyapunov稳定性分析得出的，其目标是确保收敛，与得出控制植物模型相比它没有其他目标，而不是试图包括主动力学特征存在。换句话说，导出系统的控制工厂模型是一门艺术，需要对系统和体验的良好的物理理解。此外，如果使用相当差的控制工厂模型来导出基于模型的控制法律，如果重要的动力学特征被忽略，稳定性分析将不会产生，控制法在控制物理系统时可能不会收敛甚至不稳定。因此，将会对液压系统的动力学进行研究，并且将根据对物理系统的一般理解的简化和论证假设，在下文中得出控制装置模型。
- 液压绞车系统的动力学
一般来说，由于可压缩性，喷嘴动力学和阀门动力学，液压系统的动力学是非线性的。 此外，这种系统中的所有损失都是压力依赖性的;液压流体的体积模量随压力而变化，并且由于安全阀和阀的打开和关闭，动力学中的不连续性将会存在。 这意味着描述这种系统的过程工厂模型将是非常复杂的，包括大量的非线性动力学和逻辑。
在本节中，将对液压绞盘系统动力学进行研究。 首先，给出了描述液压绞盘系统的过程工厂模型的一般介绍，然后推导出用于控制设计的控制工厂模型后来发展。
3.1。 液压绞盘系统简介
液压绞车系统如图1所示。 6通过两个3/3方向阀进行控制，假设其取向为4/3阀构造，这意味着它们彼此相对移动，并对称地控制。液压绞车被假设为从近海船只进行绞盘作业的设计，这是该系统的特点。如图所示，液压系统由两台由两个伺服操作的比例阀驱动的液压马达组成，由两个操作4/3方向阀，减压阀，以及由导向压力释放阀以最高液压马达压力的3/2向阀操作的先导阀组成。减压阀确保系统中最高的压力比液压马达上的负载压力高几巴。另外，还有一个液压动力装置（HPU）驱动3 /三向阀，一个固定流量的主泵系统，产生压力来控制液压马达和一些止回阀，这些止回阀限制通过阀门的流动方向，这有助于避免液压马达的每一侧的气蚀。对于马达负载，在Skjong和Pedersen（2014）中以粘合图（Karnopp等人，2006）得到的集中线载荷模型是用过的。在这种线负载模型中，电线被分成五个相等的线长度，并被建模为串联的质量 - 阻尼弹簧系统。除了线材动力学，该模型还包括卷轴动力学，作用在线材和载荷上的流体动力学以及包括起伏动作，漂移和水平电流的能力（Faltinsen，1993）。
以下称为先导阀的4/3方向阀被认为是电磁阀，其是通过简单的PD控制在本地控制的S.Skjong，E.Pedersen / Ocean Engineering 121（2016）224-238 228 以下称为内部控制器的法律。 请注意，在本案例研究中将导出的基于模型的控制器为内部控制器提供阀参考位置。
以下称为主阀的3/3方向阀假设具有变化的流动特性，这取决于阀中的控制滑块的位移。 这些流动特性在过程工厂中建模模型，但从控制的角度来看，它们是未知的。 主阀由预张紧的定心弹簧自动居中，允许最大位移为70.05米。 驱动主阀的HPU被认为是保持几乎恒定的HPU压力的压力补偿泵。
假定减压阀具有可变开口面积的喷嘴，该喷嘴取决于阀的位移，将阀连接到3/2方向阀。 与主阀一样，除了流量特性之外，假定泄压阀经受作用在移动控制滑块上的特征流动力。 减压阀还具有使加压主管道中的最大压力比马达负载产生的压力高约3巴的弹簧。 由滑动导致的主阀中的摩擦被认为是静摩擦，库仑摩擦和粘性摩擦（Andersson等，2007）。
假设液压马达是经历摩擦和内部泄漏的单腔叶片马达。 与减压阀一样，假设摩擦力含有静摩擦，库仑摩擦和线性摩擦。 假设内部泄漏与液压马达上的压差成比例，G是层流阻力的电导（Ccedil;engel和Cimbala，2006），作为比例参数。 电动机也可以经历产生气蚀的蒸汽压力。这被认为是系数乘以齿轮比，并且在le;le;n0 1的范围内。 当压力低于液压油的蒸汽压力时，系数为零。 用于确定系数幅度的方程是二阶多项式，其是压力比的函数。
由于所有的止回阀，液压马达的摩擦力和可变的体积弹性模量，从键合图模型导出的状态方程对于控制设计目的而言太过先进，含有太多的逻辑。 因此，为了进行控制器设计，必须仅基于必要的动力学来推导简化的状态方程，这通常导出仅通常最基本特征的物理系统的控制定律考虑了
3.2。 简化状态方程
由于主阀由内部控制回路控制，通过控制电磁阀操作的4/3方向阀，从外部控制的观点来看，主阀的动力学被理想地由内部控制器控制。 控制液压马达需要的是外部控制器，为内部控制器供给两个主要阀门的参考位置。 这需要一个描述通过阀门的液压油流量和液压马达的动力学的控制工厂模型以及所需的系统测量。 这些模型将在本节中得出，请注意，与过程工厂模型相比，控制模型是简化模型。
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