拖网渔船曳纲绞机半实物仿真试验平台

摘要

本发明公开了一种拖网渔船曳纲绞机半实物仿真试验平台。它包括宿主机、目标机、数据采集卡、转角编码器、扭矩传感器、液压绞机、液压马达、安全阀、单向阀、伺服比例阀、缆绳、液压源和油箱。宿主机建立拖网曳纲及网具的离散数学模型以及液压系统控制器数学模型，编译为C代码后下载至目标机内存中，目标机对数据采集卡采集到的绞机扭矩及角位移信号进行解算，得到拖网曳纲张力及网位等信息，目标机通过控制液压绞机缆绳张力进而实现曳纲绞机拖网阻力的模拟。本发明通过对拖网渔船拖曳系统进行半实物仿真，实现了拖网作业过程拖网阻力及网位的模拟，可用于曳纲绞机液压系统及控制器的试验研究，为拖网渔船曳纲绞机陆上试验开辟了途径。

说明书

技术领域

本发明涉及远洋拖网渔船捕捞绞机试验装置，尤其涉及拖网曳纲绞机半实物仿真试验平台。

背景技术

大型远洋拖网渔船进行拖网捕捞作业时，拖网的控制是十分关键的，其控制水平直接影响到捕捞效果，然而拖网曳纲绞机距离拖网网具达上千米，远距离及非线性因素的影响大大提高了拖网网具的控制难度，同时波浪的升沉作用会直接导致拖网网口及曳纲张力的变化，拖网网口的变化会导致拖网扫海面积的减小，曳纲的张力变化会导致拖网网具的变形，因此，拖网曳纲绞机的控制不当不仅会导致渔获降低，严重时甚至会造成曳纲断裂以及捕捞设备的损坏，可见，拖网曳纲绞机必须根据工况特点及作业要求实时调整曳纲收、放速度以获得合适的拖网位置及曳纲张紧力。为提高拖网捕捞作业中拖网的控制性能，提升拖网控制系统的可靠性与安全性，曳纲绞机系统的设计与试验应充分考虑复杂海况条件，然而曳纲绞机系统进行海上试验的机会少、成本高，具有较大的风险，这给曳纲绞机系统的设计和试验带来了很大的困难，因此模拟真实海上环境，搭建曳纲绞机陆上测试试验平台是十分必要的。

基于RT-LAB实时仿真环境，通过宿主机-目标机模式，搭建了硬件在回路的半实物仿真试验平台，在宿主机中建立拖网曳纲及网具离散数学模型及控制器的数学模型，编译为实时C代码后下载到目标机内存中，并在目标机上实时运行得到曳纲张力及网位信息，通过数据采集卡控制试验平台缆绳张力实现拖网负载的模拟。基于硬件在回路的负载模拟方法建立的拖网曳纲绞机半实物仿真试验平台，可用于曳纲绞机液压系统及控制器的设计和试验，曳纲绞机半物理仿真试验平台的搭建缩短了拖网曳纲绞机控制系统的设计周期，简化了曳纲绞机设计流程，大大降低了试验成本，提高了拖网曳纲绞机的可靠性，具有很强的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拖网渔船曳纲绞机半实物仿真试验平台，用于拖网渔船曳纲绞机系统的设计和试验，可解决传统海上试验的风险大、成本高的问题，缩短了曳纲绞机电液系统的开发周期。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

包括宿主机、两台目标机、数据采集卡、转角编码器、扭矩传感器、液压绞机、液压马达、安全阀、四个单向阀、伺服比例阀、缆绳、液压源、油箱；宿主机和第一台目标机和第二台目标机通过以太网连接，第一台目标机与第二台目标机通过IEEE 1394火线连接，第一台目标机PCI插槽内安装有数据采集卡，数据采集卡的输入端分别与转角编码器和扭矩传感器连接，数据采集卡的输出端与伺服比例阀连接，液压源的出油口与伺服比例阀进油口P₁连通，伺服比例阀出油口A₁与液压马达的a腔、第一单向阀的进油口及第三单向阀的出油口连通，伺服比例阀出油口B₁与液压马达的b腔、第二单向阀的进油口及第四单向阀的出油口连通，伺服比例阀回油口T₁与油箱连通，安全阀的进油口P₂与第一单向阀的出油口及第二单向阀的出油口连通，安全阀的出油口T₂与第三单向阀的进油口及第四单向阀的进油口连通回油箱，缆绳的一端与液压绞机连接，缆绳的另一端与被试拖网曳纲绞机电液控制系统中的曳纲绞机连接。

所述的宿主机中建立拖网曳纲及网具的离散数学模型及液压系统控制器数学模型，编译为实时C代码并经RT-LAB软件进行节点配置后，拖网曳纲及网具的离散数学模型实时代码下载至第二台目标机内存中，控制器数学模型实时代码下载至第一台目标机内存中。

本发明具有的有益效果是：

(1)本发明基于RT-LAB实时环境，采用双目标节点配置方式进行实时仿真，一个目标节点用于计算拖网曳纲阻力和拖网网位，另一个目标节点控制伺服比例阀阀口开度实现曳纲张力的实时模拟，采用硬件在回路的实时仿真方法搭建的陆上试验平台，有效解决了拖网渔船曳纲绞机海上试验难的问题。

(2)本发明建立的曳纲绞机半实物仿真试验平台，可用于曳纲绞机收、放拖网工况下拖网负载的模拟，并可模拟真实海况下的拖网网位。

(3)本发明可通过修改宿主机中的曳纲及网具数学模型，实现不同工况下捕捞过程的模拟，还可用于其它捕捞绞机的试验，具有很好的通用性。

附图说明

图1是本发明的工作原理图。

图2是本发明目标机模型图。

图3是本发明曳纲及网具离散数学模型求解流程图。

图中：1、宿主机；2-1，2-2、目标机；3、数据采集卡；4、转角编码器；5、扭矩传感器；6、液压绞机；7、液压马达；8-1，8-2、安全阀；9-1，9-2，9-3，9-4、单向阀；10、伺服比例阀；11、缆绳；12、液压源；13、油箱；14、曳纲绞机。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括宿主机1、两台目标机2-1，2-2、数据采集卡3、转角编码器4、扭矩传感器5、液压绞机6、液压马达7、安全阀8、四个单向阀9-1，9-2，9-3，9-4、伺服比例阀10、缆绳11、液压源12、油箱13；宿主机1和第一台目标机2-1和第二台目标机2-2通过以太网连接，第一台目标机2-1与第二台目标机2-2通过IEEE 1394火线连接，第一台目标机2-1 PCI插槽内安装有数据采集卡3，数据采集卡3的输入端分别与转角编码器4和扭矩传感器5连接，数据采集卡3的输出端与伺服比例阀10连接，液压源12的出油口与伺服比例阀10进油口P₁连通，伺服比例阀10出油口A₁与液压马达7的a腔、第一单向阀9-1的进油口及第三单向阀9-3的出油口连通，伺服比例阀10出油口B₁与液压马达7的b腔、第二单向阀9-2的进油口及第四单向阀9-4的出油口连通，伺服比例阀10回油口T₁与油箱13连通，安全阀8的进油口P₂与第一单向阀9-1的出油口及第二单向阀9-2的出油口连通，安全阀8的出油口T₂与第三单向阀9-3的进油口及第四单向阀9-4的进油口连通回油箱13，缆绳11的一端与液压绞机6连接，缆绳11的另一端与被试拖网曳纲绞机电液控制系统中的曳纲绞机14连接。

所述的宿主机1中建立拖网曳纲及网具的离散数学模型及液压系统控制器数学模型，编译为实时C代码并经RT-LAB软件进行节点配置后，拖网曳纲及网具的离散数学模型实时代码下载至第二台目标机2-2内存中，控制器数学模型实时代码下载至第一台目标机2-1内存中，数据采集卡3采集转角编码器4和扭矩传感器5的信号，采集的数据经PCI总线由第一台目标机2-1调用，第二台目标机2-2通过IEEE 1394火线与第一台目标机2-1进行数据传输并获得角位移信息，并根据采集的数据对离散模型进行实时解算，得到拖网曳纲张力及网位信息，第一台目标机2-1通过数据采集卡3的输出对伺服比例阀10阀口开度进行调节，控制液压马达7的a、b腔压差，实现对缆绳11张力的控制，进而实现曳纲绞机14拖网阻力的实时模拟，第一台目标机2-1计算结果经以太网传输至宿主机1进行实时监测。

拖网渔船曳纲绞机半实物仿真试验平台进行收网试验时，试验平台液压系统模拟收网时拖网阻力工况，曳纲绞机14主动转动并经缆绳11拉动液压绞机6转动，液压马达7受迫转动，此时伺服比例阀10处于左位，进油口P₁和出油口A₁连通，回油口T₁和出油口B₁连通，液压源12油液流入伺服比例阀10进油口P₁，经伺服比例阀10出油口A₁流出，流出的液压油进入液压马达7的a腔，液压马达7的b腔液压油承受高压作用，液压马达7的b腔液压油进入伺服比例阀10出油口B₁，经伺服比例阀10回油口T₁流回油箱13，液压马达7a、b腔压差由伺服比例阀10调定，油箱13对液压马达7的a腔进行补油，防止液压马达7的a腔发生吸空。拖网渔船曳纲绞机半实物仿真试验平台进行放网试验时，试验平台液压系统模拟放网时拖网阻力工况，液压绞机6主动转动并经缆绳11拉动曳纲绞机14转动，此时伺服比例阀10处于右位，进油口P₁和出油口B₁连通，回油口T₁和出油口A₁连通，液压源12油液流入伺服比例阀10进油口P₁，经伺服比例阀10出油口B₁流出，流出的液压油进入液压马达7的b腔，液压马达7的a腔液压油进入伺服比例阀10出油口A₁，经伺服比例阀10回油口T₁流回油箱，液压马达7a、b腔压差由伺服比例阀10调定。当液压马达7的b腔油压高于安全阀压力时，油液经第一单向阀9-1流入安全阀8进油口P₂，经安全阀8回油口T₂流回油箱13。

如图2所示，曳纲及网具离散数学模型以及液压系统控制器数学模型分别在第一台目标机2-1和第二台目标机2-2中实时运行，第二台目标机2-2根据数据采集卡3采集到的转角编码器4数据对离散模型参数进行更新，并实时解算得到曳纲张力及拖网网位信息，计算结果通过IEEE 1394火线传递给第一台目标机2-1，第一台目标机2-1内控制器数学模型将数据采集卡3采集到的扭矩信息与计算得到扭矩数值进行比较，比较结果经控制补偿后输出给数据采集卡3，数据采集卡3通过调整伺服比例阀10阀口开度，实现对液压马达7的a、b腔压差的控制，进而实现对缆绳11张力的控制，最终实现收、放网工况拖网阻力的模拟。

基于MATLAB/Simulink软件环境，采用C-MEX语言编写了曳纲及网具的离散数学方程，封装为S-Function模块后在Simulink中进行调用，拖网曳纲及网具离散数学模型如下：

建立拖网曳纲惯性坐标系O-ijk及微元局部坐标系P-tnb，O为拖点位置，Oi，Oj分别平行于船首向和船舶右舷正横方向，Ok垂直水面向下；P为曳纲上某一点，Pt为曳纲某点的切线方向，Pb在水平面上，Pn垂直Pt、Pb平面，惯性坐标系O-ijk经过三次旋转与局部坐标系P-tnb重合。

a)曳纲动力平衡方程

根据d′Alembert原理，拖网曳纲微元ds的矢量平衡方程为：

$\frac{\partial \overrightarrow{T}}{\partial S}+\overrightarrow{W}+\overrightarrow{F}+\overrightarrow{B}=0---\left(1\right)$

$\overrightarrow{W}=(m-\mathrm{\rho A})g·(\sin \phi ·\overrightarrow{t}+\cos \phi ·\overrightarrow{n})---\left(2\right)$

$\overrightarrow{F}=-\frac{1}{2\sqrt{1+\mathrm{eT}}}\rho d_0\left(\pi C_T{u}_t\right|u_t|·\overrightarrow{t}+C_N\sqrt{u_n^2+u_b^2}·\overrightarrow{n}+C_N\sqrt{u_n^2+u_b^2}·\overrightarrow{b})---\left(3\right)$

e＝1/(EA)                            (4)

$\overrightarrow{B}=-{\{m\stackrel{·}{\overrightarrow{r}}+\mathrm{\rho A}[\bar{u}-(\bar{u}·\bar{t})\left]\right\}}^{·}---\left(5\right)$

$\bar{u}=\stackrel{·}{\overrightarrow{r}}-\overrightarrow{J}---\left(6\right)$

$\overrightarrow{T}=T\overrightarrow{t}---\left(7\right)$

b)曳纲运动平衡方程：

${\left({\overrightarrow{r}}^{\prime }\right)}^{·}={\left(\stackrel{·}{\overrightarrow{r}}\right)}^{\prime }---\left(8\right)$

由曳纲的动力平衡方程及运动平衡方程构造平衡方程的矩阵形式为：

$\overrightarrow{M}{\overrightarrow{y}}^{\prime }=\overrightarrow{N}\stackrel{·}{\overrightarrow{y}}+\overrightarrow{q}---\left(9\right)$

$\overrightarrow{y}={(T,v_t,v_n,v_b,\theta ,\phi )}^T---\left(10\right)$

$M=\left(\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& v_b\cos \phi & -v_n\\ 0& 0& 1& 0& -v_b\sin \phi & v_t\\ 0& 0& 0& 1& -v_t\cos \phi +v_n\sin \phi & 0\\ 0& 0& 0& 0& -T\cos \phi & 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& T\end{array}\right)---\left(11\right)$

$N=\left(\begin{array}{cccccc}-\frac{\mathrm{me}{v}_t}{1+\mathrm{eT}}& m& 0& 0& (m_1{v}_b-\mathrm{\rho A}{J}_b)\cos \phi & -(m_1{v}_n-\mathrm{\rho A}{J}_n)\\ e& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1+\mathrm{eT}\\ 0& 0& 0& 0& -(1+\mathrm{eT})\cos \phi & 0\\ -\frac{e(m_1{v}_b-\mathrm{\rho A}{J}_b)}{1+\mathrm{eT}}& 0& 0& m_1& -{\mathrm{mv}}_t\cos \phi +(m_1{v}_n-\mathrm{\rho A}{J}_n)\sin \phi & 0\\ -\frac{e(m_1{v}_n-\mathrm{\rho A}{J}_n)}{1+\mathrm{eT}}& 0& m_1& 0& -(m_1{v}_b-\mathrm{\rho A}{J}_b)\sin \phi & {\mathrm{mv}}_t\end{array}\right)---\left(12\right)$

$q=\left(\begin{array}{c}-(m-\mathrm{\rho A})g\sin \phi +C_T\sqrt{1+\mathrm{eT}}(v_t-J_t)\left|(v_t-J_t)\right|\\ 0\\ 0\\ 0\\ C_N\sqrt{1+\mathrm{eT}}(v_b-J_b)\sqrt{{(v_n-J_n)}^2+{(v_n-J_b)}^2}\\ -(m-\mathrm{\rho A})g\cos \phi +C_N\sqrt{1+\mathrm{eT}}(v_n-J_n)\sqrt{{(v_n-J_n)}^2+{(v_n-J_b)}^2}\end{array}\right)---\left(13\right)$

m₁＝m+ρA                            (14)

对偏微分方程组(9)在时间和空间上做中心差分，可得非线性方程组：

$\frac{1}{\Delta S_j}(M_j^i+M_{j+1}^i)(y_{j+1}^i-y_j^i)+\frac{1}{\Delta S_j}(M_j^{i+1}+M_{j+1}^{i+1})(y_{j+1}^{i+1}-y_j^{i+1})=$

$\frac{1}{\Delta t_i}(N_j^i+N_j^{i+1})(y_{j+1}^i-y_j^i)+\frac{1}{\Delta t_i}(N_{j+1}^i+N_{j+1}^{i+1})(y_{j+1}^{i+1}-y_{j+1}^i)+q_j^i+q_j^{i+1}+q_{j+1}^i+q_{j+1}^{i+1}---\left(15\right)$

曳纲首节点运动速度应为拖船船速与曳纲绞机收放速度的复合速度，则有：

$(v_{1t}+v_w)\overrightarrow{t}+v_{1n}\overrightarrow{n}+v_{1b}\overrightarrow{b}=v_{\mathrm{ti}}\overrightarrow{i}+v_{\mathrm{tj}}\overrightarrow{j}+v_{\mathrm{tk}}\overrightarrow{k}---\left(16\right)$

为提高仿真模型的实时性，将网具简化为与曳纲尾部连接的质点，可得到曳纲尾节点网具边界条件：

f_m＝0.121(d/a)LCV^1.62                            (17)

${\overrightarrow{T}}_n=\frac{1}{2}{f}_m·\overrightarrow{i}+G_m·\overrightarrow{k}+{\overrightarrow{B}}_m---\left(18\right)$

以上各式中，θ、ψ、φ-惯性坐标系与局部坐标系转换的旋转角，-曳纲微元的张力，-曳纲微元水中重量，-曳纲微元受到的流体动力，-曳纲微元受到的惯性水动力，S-曳纲微元长度，E-曳纲弹性模量，A-曳纲横截面面积，m-单位长度曳纲质量，ρ-流体密度，d₀-曳纲直径，g-重力加速度，-曳纲微元的位置矢量，C_t、C_n-曳纲的切向阻力数及法向阻力系数，u_t、u_n、u_b-流体与曳纲相对速度在局部坐标系下各坐标轴的分量，v_t、v_n、v_b-曳纲对地速度在局部坐标系下各坐标轴的分量，J_t、J_n、J_b-流体速度在局部坐标系下各坐标轴的分量，v_1t、v_1n、v_1b-曳纲首节点速度在局部坐标系下各坐标轴的分量，v_ti、v_tj、v_tk-曳纲首节点速度在惯性坐标系下各坐标轴的分量，v_w-曳纲收放速度，d/a-网口部分网线直径与网目目脚长度之比，L-拖网网衣总长度，C-网口周长，V-拖网速度，f_m-网具阻力，G_m-网具重量，-网具受到的惯性水动力，-曳纲尾节点张力，Δt-迭代时间步长，Δs-曳纲微元长度。

如图3所示，第二台目标机2-2实时运行拖网曳纲及网具的离散数学模型，并进行非线性方程组(15)的牛顿迭代求解，初始时刻，对曳纲及网具模型各节点参数进行初始化，得到i时刻拖网阻力，i+1时刻时曳纲及网具模型接收转角编码器4信号，并对曳纲首节点速度参数进行更新，将i时刻其余各节点参数值作为i+1时刻牛顿迭代的初始值，在牛顿迭代过程中当各节点参数值前后两次迭代的误差绝对值小于设定误差值或达到最大迭代步数，那么停止迭代，并将得到的曳纲首节点张力输出至第一台目标机2-1，实现对i+1时刻拖网阻力的模拟，若此时到达仿真结束时刻，那么仿真停止，否则将进入下一时刻拖网阻力的计算循环。