船舶液貨裝卸智能控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和船舶運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，為了提高液貨裝卸效率，縮短船舶在港停留時間，最終達(dá)到提高經(jīng)濟效益這一根本目的，作為液貨船重要的組成部分之一的液貨裝卸控制系統(tǒng)越來越趨于復(fù)雜化、智能化，成為融合計算機、自動控制和電子信息技術(shù)，以及船舶理論等多學(xué)科的綜合系統(tǒng).目前的液貨裝卸系統(tǒng)由許多保護(hù)子系統(tǒng)和安全子系統(tǒng)構(gòu)成，如閥門遙控系統(tǒng)、惰氣保護(hù)系統(tǒng)、液位測量系統(tǒng)，高位及高高位報警系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)存在時滯、時變等非線性問題，如何解決這些問題并將

2、所有子系統(tǒng)融合到一起實現(xiàn)智能控制是個技術(shù)難題.在我國，大型高性能液貨船舶的裝卸系統(tǒng)一般都是直接引進(jìn)國外的技術(shù)，這就造成以下幾個問題：(1)液貨裝卸系統(tǒng)可以創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益，國外采用技術(shù)限制使我們無法知道內(nèi)部具體的算法實現(xiàn)；(2)雖然國外的液貨裝卸控制軟件具有工程優(yōu)化及先進(jìn)控制等功能，但參數(shù)調(diào)節(jié)較為復(fù)雜；(3)直接引入國外的技術(shù)，使我們?nèi)狈ψ灾鏖_發(fā)的工程軟件，即使國內(nèi)學(xué)者提出了好的控制算法，也無法找到實現(xiàn)平臺.因此，研究液貨裝卸智能控制

3、系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，無論在理論和實際應(yīng)用都有十分重要的意義. 本文在掌握國內(nèi)外液貨裝卸智能控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)展開了進(jìn)一步的研究工作，主要研究內(nèi)容包括： (1)船舶液貨裝卸系統(tǒng)中的許多信號是帶噪聲的非平穩(wěn)非線性信號，本文重點研究了適用于非平穩(wěn)、非線性信號處理的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法(Empirical Mode Decomposition，EMD)，為了提高局部EMD算法的分解精度，對局部EMD方法進(jìn)行了

4、改進(jìn).在第一次EMD分解時不區(qū)分極大極小值，先對其組成的序列直接用三點滑動平均的方法求均值，然后采用B樣條對數(shù)據(jù)序列進(jìn)行插值擬合，其余的分解過程采用三次樣條擬合極值包絡(luò)，這樣B樣條函數(shù)可以組成樣條空間的基底，避免了三次樣條在數(shù)據(jù)高頻部分分解過程中產(chǎn)生的過沖和欠沖現(xiàn)象. (2)針對含有間斷點的信號在進(jìn)行EMD分解時產(chǎn)生的模式混疊現(xiàn)象進(jìn)行了研究，在采用小波去噪方法對信號進(jìn)行預(yù)處理時，為了消除小波去噪時在間斷點附近產(chǎn)生的偽Gibbs現(xiàn)

5、象，提出了先采用平移不變算法對信號進(jìn)行處理，然后進(jìn)行小波閾值去噪，再將去噪后的數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分解的方法.采用這種方法可有效地消除間斷點引起的模式混疊現(xiàn)象。 (3)液貨裝卸控制系統(tǒng)中有些子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型很難建立，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制，本文深入研究了無模型控制方法，該方法是一類兼有現(xiàn)代控制理論與經(jīng)典PID優(yōu)點的方法，僅采用系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)設(shè)計控制器，實現(xiàn)不依賴被控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型.進(jìn)而提出了基于多新息理論的偽梯度估計無模型控制方法

6、和基于多新息理論的無模型控制律，充分利用系統(tǒng)以前的輸入輸出數(shù)據(jù)來提高無模型控制方法的收斂速度，并且給出了所提方法的理論推導(dǎo)和收斂性證明.最后采用粒子群算法和人工魚群算法分別對所提兩種方法的參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究. (4)面向工程實際，提出了基于開放式控制系統(tǒng)開發(fā)規(guī)范的液貨裝卸智能控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，搭建了液貨裝卸智能控制系統(tǒng)的軟硬件平臺.開放式體系結(jié)構(gòu)所具有的層次化、模塊化和構(gòu)件化的設(shè)計方式使該平臺具有了透明性好、可靠性高、伸縮性大

7、和組態(tài)性強等特點，用戶可以按照需要加入自己的算法，而不用考慮底層硬件實現(xiàn).基于該框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了一條16000DWT成品油船的液貨裝卸智能控制系統(tǒng)，并且進(jìn)一步實現(xiàn)了12000T浮船塢實時配載系統(tǒng)和5000T半潛駁實時配載系統(tǒng)，表明所建框架平臺具有一定的可拓展性.最后將本文所提改進(jìn)局部EMD方法和改進(jìn)無模型控制方法分別應(yīng)用到液貨裝卸系統(tǒng)的艙室液位信號處理和艙室壓力、流量去耦控制，結(jié)果表明該平臺能夠為研究裝卸系統(tǒng)的信號處理算法和控制算法提供良