基于CAN总线的海底采矿车模型机行走控制系统设计与研究

摘要

作为深海矿产资源采矿系统中的载体,海底采矿车将行走于数千米深的海底复杂地形上,必须具有良好的远程可控性。针对海底采矿车在采矿过程中远程行走控制的关键技术,基于CAN总线通信方式和虚拟仪器技术,本文开展了海底采矿车模型机行走控制系统研究。根据海底采矿车模型机技术指标,研究了海底采矿车模型机行走机构液压系统及其比例调速原理,对多路阀与比例减压阀工作特性进行分析,获得了比例减压阀—多路阀调速特性。
　　根据海底采矿车模型机行走控制系统功能和技术要求,基于CAN现场总线技术,设计了由现场控制系统和监控系统构成的模型机行走控制系统方案。基于CANopen通信协议,开展了模型机行走控制系统总体结构、现场控制系统和监控系统的设计,研究了采矿车模型机行走控制系统核心EPEC 2023控制器、CompactRIO控制器和I/O模块性能及特性,并设计了手动操控台。基于CoDeSys平台,开展了现场控制系统程序结构和流程研究,以及现场控制系统程序开发,实现了海底采矿车模型机控制与信号的采集和标定;基于LabVIEW图形化编程环境,开展了FPGA底层程序、中间层程序和上层程序开发,实现了操作信号采集和CANopen总线信息接收和发送、实时控制器和FPGA之间的信息传递和控制运算、以太网通信、数据保存以及行走监控等功能。
　　基于模糊PID理论,开展了行走控制系统的闭环行走速度控制研究,在LabVIEW平台上设计了海底采矿车模型机模糊PID控制器。开展了采矿车模型机行走控制系统仿真调试和现场调试,结果表明基于CANopen总线通信的行走控制系统工作正常。开展了模型机在行走控制系统控制下的平地、越障、越沟、爬坡行走性能实验,实验结果表明,所设计的行走控制系统成功地实现了模型机远程行走控制,模型机最大行走速度、越障、越沟和爬坡等性能均超过海底采矿车技术指标要求,且铰接机构可顺利地完成前后车体之间的俯仰运动和转向功能。此外,实验证明所设计的模糊PID控制算法对采矿车模型机速度控制也是有效的。

目录

摘要

ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 课题来源

1.3 国内外研究现状

1.3.1 深海采矿方案研究现状

1.3.2 深海采矿控制技术研究现状

1.4 现场总线与虚拟仪器技术

1.4.1 现场总线技术

1.4.2 虚拟仪器技术

1.5 研究目的与意义

1.6 本文主要研究内容

第二章 海底采矿车模型机液压系统与行走控制方案

2.1 海底采矿车模型机技术指标

2.2 海底采矿车模型机方案

2.3 海底采矿车模型机液压系统研究

2.3.1 液压系统总体方案

2.3.2 行走比例调速方式

2.3.3 多路换向阀特性

2.3.4 三通比例减压阀特性

2.3.5 比例减压阀—多路阀调速特性

2.4 海底采矿车模型机行走控制系统方案

2.4.1 行走控制系统功能与技术要求

2.4.2 行走控制系统方案设计

2.5 本章小结

第三章 基于CAN总线的海底采矿车模型机行走控制系统设计

3.1 行走控制系统总体要求

3.2 行走控制系统总体设计

3.2.1 行走控制系统总体结构

3.2.2 CAN现场总线

3.2.3 CANopen通信协议

3.3 现场控制系统设计

3.3.1 现场控制器

3.3.2 现场传感器

3.3.3 控制器I/O口分配

3.4 监控系统设计

3.4.1 CompactRIO控制器

3.4.2 I/O模块

3.4.3 手动操控台设计

3.5 本章小结

第四章 海底采矿车模型机行走控制系统软件开发

4.1 行走控制软件总体结构

4.2 现场控制系统软件开发

4.2.1 CoDeSys开发平台

4.2.2 控制系统程序流程

4.2.3 现场控制系统程序开发

4.3 监控系统软件开发

4.3.1 LabVIEW编程环境

4.3.2 监控系统程序架构

4.3.3 底层程序开发

4.3.4 中间层程序开发

4.3.5 上层程序开发

4.4 本章小结

第五章 基于模糊PID的海底采矿车模型机行走速度控制研究

5.1 海底采矿车模型机行走速度控制

5.2 模糊PID控制技术

5.3 基于LabVIEW平台的模糊PID控制器设计

5.4 本章小结

第六章 海底采矿车模型机行走控制系统调试与实验

6.1 行走控制系统调试

6.1.1 仿真调试

6.1.2 现场调试

6.2 行走控制性能实验

6.2.1 平地行走性能实验

6.2.2 越障性能实验

6.2.3 越沟性能实验

6.2.4 爬坡性能实验

6.2.5 铰接机构功能实验

6.2.6 基于模糊PID速度控制实验

6.3 本章小结

第七章 全文总结

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果