1、組合式PXI和 NI CompactRIO應(yīng)用于對開式泥駁船 的SEADP動態(tài)定 位系統(tǒng)組合式PXI和 NI CompactRIO 平臺執(zhí)行實時數(shù)據(jù)采 集、信號處理、控制 算法，并與控制面板 和電子推進器進行交 互。- Miguel Taboada, Seaplace S.LThe Challenge:要求在傾倒作業(yè)中， 在六級風(fēng)速 (25kN)、3m 高的長海浪和0.5 kN的海流條件下， 將 1000 m3 對開式泥駁船 (2500t排水 量)的位置控制并保 持在10m容差范圍 內(nèi)。The Solution:借助于組合式PXI 和NI CompactRIO 平臺(該平臺運行于 NI Lab

2、VIEW軟件 平臺)，進行實時數(shù) 據(jù)采集、信號處理和 控制算法，同時與控 制面板和電子推進器 進行交互。Author (s):Miguel Taboada - Seaplace S.L對開式泥駁船是一種 專門的船只，其主體 結(jié)構(gòu)是兩個鉸接的半 船體。這兩個半船體 構(gòu)成了一種漏斗狀結(jié) 構(gòu)，由水力系統(tǒng)來打 開和關(guān)閉。該船在航 運作業(yè)中，用來運輸 并傾倒材料，是大壩 建筑的基礎(chǔ)。在傾倒操作中，船的 排水量會降低三分之 二，而受風(fēng)面積會增 加一倍。這將導(dǎo)致 風(fēng)、海流和海浪沖擊 力迅速改變，從而使 泥駁船產(chǎn)生非預(yù)期的 偏移。所以在傾倒操 作中，可能會導(dǎo)致非 常昂貴的材料浪費。SEADP是一種動 態(tài)定位

3、(DP) 系統(tǒng)，專門用于在整 個傾倒過程中，操縱 對開式泥駁船并控制 泥駁船的位置和航 向。在傾倒中，該系 統(tǒng)逐漸靠近目標(biāo)位 置，然后控制并保持 住位置和方向。系統(tǒng)描述我們采用PXI平臺(具備NMEA協(xié)議 RS232和 RS422串行接 口)中的GPS、陀 螺儀、風(fēng)速計、速度 記錄和吃水傳感器來 采集數(shù)據(jù)。采樣率的 變化范圍為從速度記 錄的10s到差分全 球定位系統(tǒng) (DGPS) 實時 運動 (RTK) 的10Hz。PXI 硬件還通過 RS232串行接 口，以75Hz的頻 率對慣性運動單元 (IMU) 進行采 樣。泥駁船的推進器 系統(tǒng)由三個推動設(shè)備 構(gòu)成，能夠以任意平 面角度施出大小可變 的力

4、。當(dāng)功率為 2100kW時，推 動力為200kN。在我們的解決方案中 有兩個 CompactRIO系統(tǒng)，它們與NI PXI實時控制器以 10Hz頻率同步工 作(中斷方式)。其 中一個系統(tǒng)完成與 SCHOTTEL橫 向推力器的數(shù)字邏輯 接口、狀態(tài)與方位角 推力方向信號的采 集、輸出命令信號、 調(diào)整柴油發(fā)動機的風(fēng) 門并按照方位角方向 推力?？蛻舳?服務(wù)器 TCP結(jié)構(gòu)采用觸摸 屏顯示器，進行信號 監(jiān)測和用戶輸入。借 助LabVIEW，系統(tǒng)可以飛快地運 行?？刂瓢蹇偘怂?的指示器和按鈕，從 而保證當(dāng)控制計算機 和監(jiān)測管理計算機之 間出現(xiàn)通信故障 時， 系統(tǒng)仍然可以 正常工作。另外，操 作人員可是

5、使用操縱 桿來手動控制泥駁船 的位置和航向。將天 線位置的GPS和 DGPS的三維定位 轉(zhuǎn)移到泥駁船中心， 來控制泥駁船的搖 擺、傾斜和偏航角。 泥駁船的位置在通用 橫向墨卡托投影 (UTM)坐標(biāo)中給 出。風(fēng)速計測量相對 速度和風(fēng)向，將其作 為氣動阻力模型的輸 入，來估算除去陣風(fēng) 以外的平均風(fēng)力。IMU記錄了泥駁船 重心處主軸線的旋轉(zhuǎn) 速率和加速度。卡爾 曼濾波器計算搖擺幅 度和傾斜角，而陀螺 儀則計算偏航角或者 真實航向。我們使用 加速度時間序列的頻 域處理方法，來提取 高頻(HF)激增、 搖擺和偏航運動。我 們還使用遞歸最小方 差估計的方法，根據(jù) 搖擺角來計算因海浪 所引起的泥駁船運動 周

6、期。我們使用推進器設(shè)備 中的方位角和螺旋槳 精度傳感器來估計作 用在泥駁船上的所有 力和動量。SEADP中，泥駁 船模型的SEADP 遞歸估計的起點是所 采取的吃水程序。我 們在非線性狀態(tài)觀察 器和LQR控制器中 采用一種具體的泥駁 船模型。狀態(tài)觀察器和控制器我們認(rèn)為巨浪、風(fēng)和 水流中的泥駁船運 動，是波浪頻率的運動 (0.05 to 0.2 Hz)和由 波浪沖擊所引起的低 頻運動的疊加。實際 上，由于波浪運動是 由泥駁船的寬度力(weight magnitude force)導(dǎo)致 的，所以無法消除。 因為這些頻率都落在 推進器設(shè)備的帶寬 內(nèi)，所以我們必須充 分地濾除波浪運動， 以避免船體過度

7、的磨 損。我們采用一種非線性 狀態(tài)觀察器來濾除波 浪運動。該狀態(tài)觀察 器由泥駁船運動的低 頻(LF)模型、推 進器系統(tǒng)響應(yīng)、波浪 運動和環(huán)境干擾的隨 機模型等構(gòu)成，從而 可以獲得較平穩(wěn)的低 頻運動和船速估計?？刂破鲃t根據(jù)泥駁船 的低頻運動、速度和 目標(biāo)位置偏移，采用 線性二次型調(diào)節(jié) (LQR)來計算力 和動量。反饋控制器 將最小化位置偏移和 功率/推進力的加權(quán) 積分。更進一步，實 時估計的風(fēng)力將前 饋，以提高控制器的 性能。控制器手動/ 自動控制搖擺和偏航 運動，并控制縱向力 和橫向力。我們必須 將動量定位在多個不 同推進設(shè)備的回轉(zhuǎn)點 上，而這在 SEADP中則由在 線二次編程技術(shù)完 成。未來

8、SEADP開發(fā)我們將這項用于對開 式泥駁船的技術(shù)應(yīng)用 到針對居住泥駁船 (accommodation barge)的 DP-1系統(tǒng)中。居 住泥駁船是一種停泊 在海上平臺附近的水 上酒店。與前面的結(jié) 構(gòu)類似，NI PXI實時控制器從 周圍采集環(huán)境數(shù)據(jù)。 我們采用 CompactRIO 同步控制泥駁船的運 動。為了在這種對時 間要求比較嚴(yán)格的系 統(tǒng)中分配好控制，我 們增加了NI 9144 CompactRIO 擴展機箱，借助實時以太網(wǎng)與 PXI控制器同步通 信。遠程I/O的高 度決定性，以及與 LabVIEW實時 軟件的緊密集成，是 向系統(tǒng)中增加NI 9144的主要原 因。這種新型的分布 式控制結(jié)

9、構(gòu)提高了系 統(tǒng)的可靠性與模塊 性，同時降低了標(biāo)準(zhǔn) 以太網(wǎng)電纜的整體成 本。1/4SEADP解決了第 一層 (Class I) 的 DP的要 求，而推進設(shè)備或控 制器的任意故障都可 能導(dǎo)致位置信息丟 失。更高層 Class II和 Class III 的要求則涉及到物理 和邏輯方面的冗余， 以及一些特殊的應(yīng)用 特征如在線單次故障 后果分析。我們期望 NI的硬件和軟件能 夠克服這些挑戰(zhàn)。Author Information:Miguel TaboadaSeaplace S.LTel: 91 458 5119 mtaboadaseaplace. es2/43/4SeaDP 主窗口LegalThis case study (this case study) was developed by a National Instruments (NI) customer. THIS CASE S