一種工程船的動能和動量控制系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種工程船的運動和動量控制系統(tǒng)及其控制方法，通過1)在施工區(qū)域，進行一個周期的施工，通過變頻模塊的獲取數(shù)據(jù)，測定施工區(qū)域的參數(shù)；2)根據(jù)步驟1)測得的參數(shù)，對運動頭的施工深度和時間進行計算，并調(diào)整輸入變頻驅(qū)動模塊的控制信號，控制施工的動能和動量，實現(xiàn)第二個施工周期的準確控制；以此類推，在第N-1個施工周期的參數(shù)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)第N個施工周期的準確控制?？刂葡到y(tǒng)包括設(shè)置于工程船上的牽引組件、運動頭、變頻驅(qū)動模塊和控制模塊。本發(fā)明通過控制模塊調(diào)整輸入變頻驅(qū)動模塊的控制信號調(diào)節(jié)電機的牽引力，通過數(shù)學模型進行準確計算，可提高施工精度，實現(xiàn)預期施工目標，具有提高能源利用率、降低成本的有益效果。
【專利說明】一種工程船的動能和動量控制系統(tǒng)及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及動能和動量控制系統(tǒng)及其控制方法，尤其是指一種工程船的運動和動 量控制系統(tǒng)及其控制方法，屬于船舶建設(shè)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)在工程船中，如抓斗式泥船或打樁船，在進行挖泥或打樁的施工過程中，都是 依靠高空物體自身的動能和動量來進行作業(yè)。由于該方式是簡單且機械式地重復將動力物 體提至最高的高度，并在重力的作用下自由落體進行施工。在每次挖沙或打樁前，不能較準 確地確定挖沙或打樁的深度，并且無法通過計算后來進行精確性的施工控制，使得無法對 任務(wù)完成所需的工作時間進行分析、預估和確定。由于施工控制的隨意性和不準確性，導致 無法以盡量少時間和能源消耗來完成所需的施工量，特別在有海線光纜的特殊區(qū)域還可能 會造成損壞地下設(shè)備的情況，從而造成能源浪費、利用率低，施工成本高。
[0003] 因此，提供一種工程船的運動和動量控制系統(tǒng)及其控制方法，且可以滿足系統(tǒng)熱 量需求，也可以有效提高船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性和能源的使用效率，有利于提高船舶的總體綜 合性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的，是為了解決現(xiàn)有工程船施工作業(yè)存在無法通過控制動能和動量來 準確完成任務(wù)，造成能源浪費、施工成本高的問題，提供一種穩(wěn)定、可控的動能和動量控制 系統(tǒng)及其控制方法，可提高施工的精度，實現(xiàn)預期施工目標，具有提高能源利用率、降低成 本的特點。
[0005] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案達到：
[0006] 一種工程船的動能和動量控制系統(tǒng)，其特征在于：包括設(shè)置于工程船上的牽引組 件、運動頭、變頻驅(qū)動模塊和控制模塊，所述牽引組件的動力輸入端與變頻驅(qū)動模塊的輸出 端相連接，其動力輸出端與運動頭的上端相連接，所述變頻驅(qū)動模塊的控制輸入端連接到 控制模塊的控制輸出端。
[0007] 進一步地，所述牽引組件包括滑輪組件、剛絲繩、電機和套接并固定于電機輸出軸 上的卷引輪，剛絲繩的一端通過滑接于滑輪組件與運動頭的上端相連接，另一端與卷引輪 固定連接。
[0008] -種工程船的動能和動量控制方法，其特征在于：包括以下步驟：
[0009] 1)確定施工區(qū)域的數(shù)據(jù)
[0010] 在施工區(qū)域，控制系統(tǒng)進行一個周期的施工，通過變頻驅(qū)動模塊的獲取電機數(shù)據(jù)， 測定施工區(qū)域的參數(shù)；
[0011] 2)準確控制施工
[0012] 2. 1)根據(jù)步驟1)測得的參數(shù)，對運動頭的施工深度和時間進行計算和確定，并調(diào) 整輸入變頻驅(qū)動模塊的控制信號，控制施工的動能和動量，實現(xiàn)第二個施工周期的準確控 制；
[0013] 2. 2)以此類推，在第N-1個施工周期的參數(shù)的基礎(chǔ)上，對運動頭的施工深度和時 間進行計算和確定，并調(diào)整輸入變頻驅(qū)動模塊的控制信號，控制施工的動能和動量，實現(xiàn)第 N個施工周期的準確控制，所述N= 1，2,3……N。
[0014] 作為一種優(yōu)選方案，所述步驟1)的具體步驟如下：
[0015] 1. 1)在運動頭第一次施工的周期中，運動頭處于入泥前的階段時，根據(jù)力學原理， 得結(jié)果：
[0016] F = MG-F 電-F 浮-F 阻 （1)
[0017] 其中，MG為運動頭的重力，F(xiàn)ff= P gV#, P為液體密度，為活動頭排開的液體 的體積，？4通過控制模塊從變頻驅(qū)動模塊獲取；
[0018] 而運動頭在加速過程中，動量計算式為：
[0019] FT = MV (2)
[0020] 其中，F(xiàn)為運動頭的合力，T為活動頭入泥前所用的時間，可通過控制模塊從變頻 驅(qū)動模塊獲?。籑G為活動頭的重力，V為活動頭下降到相應(yīng)位置時的速度；通過式（1)和 (2)可得到F阻；
[0021] L 2)運動頭在入泥減速階段，根據(jù)力學原理，得結(jié)果：
[0022] F ' = MG-F 電-F 浮-F ' 阻 (3)
[0023] 其中，F(xiàn)'為運動頭的合力，MG為活動頭的重力，F(xiàn)ff= P gV排，Ρ為液體密度，V排 為活動頭排開的液體的體積，？4通過控制模塊從變頻驅(qū)動模塊獲?。?br> [0024] 而運動頭在加速階段和入泥減速階段中，可得：
[0025] FS = 0. 5MV2 (4)
[0026] F，S，= 0· 5MV2 (5)
[0027] 由式（2)、⑷和（5)，得到：

【權(quán)利要求】
1. 一種工程船的動能和動量控制系統(tǒng)，其特征在于：包括設(shè)置于工程船上的牽引組 件、運動頭、變頻驅(qū)動模塊和控制模塊，所述牽引組件的動力輸入端與變頻驅(qū)動模塊的輸出 端相連接，其動力輸出端與運動頭的上端相連接；所述變頻驅(qū)動模塊的控制輸入端連接到 控制模塊的控制輸出端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工程船的動能和動量控制系統(tǒng)，其特征在于：所述牽引 組件包括滑輪組件、剛絲繩、電機和套接并固定于電機輸出軸上的卷引輪，剛絲繩的一端通 過滑接于滑輪組件與運動頭的上端相連接，另一端與卷引輪固定連接。
3. -種工程船的動能和動量控制方法，其特征在于：包括以下步驟： 1) 確定施工區(qū)域的數(shù)據(jù) 在施工區(qū)域，控制系統(tǒng)進行一個周期的施工，通過變頻驅(qū)動模塊獲取電機數(shù)據(jù)，測定施 工區(qū)域的阻力數(shù)據(jù)； 2) 準確控制施工 2. 1)根據(jù)步驟1)測得的參數(shù)，對運動頭的施工深度和時間進行計算并確實，調(diào)整輸入 變頻驅(qū)動模塊的控制信號，控制施工的動能和動量，實現(xiàn)第二個施工周期的準確控制； 2. 2)以此類推，在第N-1個施工周期的參數(shù)的基礎(chǔ)上，對運動頭的施工深度和時間進 行計算和確定，并調(diào)整輸入變頻驅(qū)動模塊的控制信號，控制施工的動能和動量，實現(xiàn)第N個 施工周期的準確控制，所述N = 1，2, 3……N。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種工程船的動能和動量控制方法，其特征在于：所述步驟 1)的具體步驟如下： 1. 1)在運動頭第一次施工的周期中，運動頭處于入泥前的階段時，根據(jù)力學原理，得結(jié) 果： F = MG-F 電-F 浮-Fp且 (1) 其中，MG為運動頭的重力，F(xiàn)ff= PgV#，P為液體密度，為活動頭排開的液體的體 積，？4通過控制模塊從變頻驅(qū)動模塊獲??； 而運動頭在加速過程中，動量計算式為： FT = MV (2) 其中，F(xiàn)為運動頭的合力，T為活動頭入泥前所用的時間，可通過控制模塊從變頻驅(qū)動 模塊獲?。籑G為活動頭的重力，V為活動頭下降到相應(yīng)位置時的速度；通過式（1)和（2)可 得到F ; 1. 2)運動頭在入泥減速階段，根據(jù)力學原理，得結(jié)果： F' =MG-F 電-F浮-F' 阻 (3) 其中，F(xiàn)'為運動頭的合力，MG為活動頭的重力，F(xiàn)ff= P gVfi_，P為液體密度，為活 動頭排開的液體的體積，？4通過控制模塊從變頻驅(qū)動模塊獲?。? 而運動頭在加速階段和入泥減速階段中，可得： FS = 0. 5MV2 (4) F，S，= 0· 5MV2 (5) 由式（2)、（4)和（5)，得到：

其中，T和Τ'分別為運動頭入泥前和入泥后所用的時間；F和F'分別為運動頭入泥前 和入泥后的合力，S和S'分別為運動頭入泥前和入泥后移動的深度，Μ為運動頭的質(zhì)量，V 為運動頭入泥前的速度；通過式（3)和（4)可計算得到F' Pfi。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種工程船的動能和動量控制方法，其特征在于：所述步驟 2)的具體內(nèi)容如下： 2. 1)以步驟1. 1)和1. 2)計算得到活動頭在入泥前和入泥后的阻力？^和F' Pfi，確定 為該區(qū)域的參數(shù)，代入式1)、2)和4)，則可通過控制模塊調(diào)整輸入變頻驅(qū)動模塊的控制信 號控制電機的牽引力F4 ;可得到活動頭第二次施工周期的參數(shù)： 在步驟1. 1)加速階段，由式⑴和⑷可得：
(6) 其中，F(xiàn)i為運動頭入泥前的合力，Si為運動頭入泥前的位移，V為入泥前的速度； 在步驟1. 2)入泥階段，由式⑶和⑷可得：
(7) 其中，F(xiàn)/為活動頭入泥后的合力，S/為運動頭入泥的深度，V為入泥前的速度；即由 式（6)和（7)得運動頭第二次施工的結(jié)果：

2.2)以此類推，運動頭第N次施工的結(jié)果為：
其中，和Τη'分別為活動頭第N次入泥前和入泥后所用的時間，所述N= 1，2， 3……N，F(xiàn)4可通過控制模塊調(diào)整輸入變頻驅(qū)動模塊的控制信號進行調(diào)節(jié)；根據(jù)施工需求， 在第N-1次施工的基礎(chǔ)上，設(shè)定第N次施工的預期入泥深度S N_i，根據(jù)需求SN_i和入泥阻力 F'Pfi計算出所需要的動能，并通過控制模塊輸出控制信息控制驅(qū)動模塊，調(diào)節(jié)電機的牽引力 F%，可以精度控制入泥前的抓斗的功能，從而實現(xiàn)對第N次施工的入泥深度SN_i的精度控 制。
【文檔編號】G05B13/04GK104216291SQ201410449564
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】張雷, 張濱, 李小剛 申請人:廣州文沖船廠有限責任公司