富鈷結(jié)殼規(guī)模取樣器電控系統(tǒng)設(shè)計課件

1、富鈷結(jié)殼規(guī)模取樣器電控系統(tǒng)設(shè)計目錄41課題研究背景及意義2電子測控系統(tǒng)總體設(shè)計3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計4系統(tǒng)軟件設(shè)計5銑挖馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制算法設(shè)計67總結(jié)與展望系統(tǒng)調(diào)試一、課題研究背景及意義 富鈷結(jié)殼中富含的鈷、錳、鎳等金屬元素在合金技術(shù)、高新技術(shù)、化工行業(yè)、航空工業(yè)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用且起著相當(dāng)重要的作用。 富鈷結(jié)殼一般為厚度為十幾厘米厚的殼層，粘附在地形復(fù)雜的海山斜坡上，一般處于低溫高壓的環(huán)境下，對取樣器有更高的要求。一、課題研究背景及意義 隨著人類社會的快速發(fā)展，陸地礦產(chǎn)資源逐漸消耗，而占地球表面2/3的大洋海底蘊含著極為豐富的富鈷結(jié)殼資源，所以開采取樣富鈷結(jié)殼的相關(guān)技術(shù)早已成為各國研究的熱點。

2、二十世紀(jì)五六十年代，德國、美國、俄羅斯等西方發(fā)達(dá)國家開始在多個方面對富鈷結(jié)殼的開采取樣技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并進(jìn)行了多次資源勘探以及實驗調(diào)查。國內(nèi)這方面的調(diào)查雖然起步晚，但是也獲得了很大的成就。 2014年中國大洋協(xié)會簽訂了富鈷結(jié)殼礦區(qū)勘探合同，開展“富鈷結(jié)殼規(guī)模取樣可行性及裝置研究”，本課題針對礦山院設(shè)計的新型富鈷結(jié)殼規(guī)模取樣器機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計了相應(yīng)的電子測控系統(tǒng)。一、課題研究背景及意義1.分析和設(shè)計富鈷結(jié)殼規(guī)模取樣器電子測控系統(tǒng)。2.設(shè)計合理的通信鏈路。3.測控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。4.測控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計。5.銑挖頭轉(zhuǎn)速控制算法的設(shè)計。6.對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，并對結(jié)果進(jìn)行分析。課題研究目標(biāo)二

3、、電子測控系統(tǒng)總體設(shè)計2.1 取樣器總體框圖 富鈷結(jié)殼規(guī)模取樣器主要包括取樣器采礦車、甲板測控系統(tǒng)，甲板高壓供電系統(tǒng)、萬米光電復(fù)合纜等部分組成。2.2 電控系統(tǒng)框圖 電子測控系統(tǒng)包括水上甲板監(jiān)控系統(tǒng)和水下測控系統(tǒng)。甲板監(jiān)控系統(tǒng)由工控機(jī)、視頻監(jiān)控顯示系統(tǒng)和甲板光端通信機(jī)組成。水下測控系統(tǒng)包括包括水下控制倉、各種傳感器、液壓電磁閥、水下燈、攝像頭等設(shè)備。2.3 水下測控系統(tǒng)供電電路框圖 水下測控系統(tǒng)供電電路將通過光電復(fù)合纜由甲板傳輸下來的220V通過整流、穩(wěn)壓、保護(hù)之后轉(zhuǎn)換成220V交流、24V直流和5V直流三路電源給相應(yīng)的模塊供電。2.4 甲板監(jiān)控軟件設(shè)計三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 電子測控系統(tǒng)的硬件

4、電路包括主控電路，測控功能電路和電源電路。根據(jù)功能需要，設(shè)計四塊板卡，分別用于實現(xiàn)測控板卡管理、數(shù)字信號檢測、模擬信號檢測、數(shù)字信號輸出功能。主控板DO板DI板AI板4.1 板卡間通信協(xié)議設(shè)計四、系統(tǒng)軟件設(shè)計28-2625-1817-1615-1211-109-0預(yù)留板卡類型預(yù)留板卡編號預(yù)留信號種類 CAN總線通信用于實現(xiàn)水下測控系統(tǒng)測控子系統(tǒng)各功能板卡和主控板之間的通信，在軟件設(shè)計時使用CAN2.0B協(xié)議的通信格式進(jìn)行通信。CAN協(xié)議仲裁場ID分段定義4.2 電子測控系統(tǒng)嵌入式軟件設(shè)計(1)主控板嵌入式軟件 主控板嵌入式軟件主要包括網(wǎng)絡(luò)通信、CAN通信、串口通信、數(shù)據(jù)處理、SD卡日志、板卡信

5、息采集、板卡狀態(tài)信息存儲等模塊。測控板卡軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)測采集、控制、處理并通過CAN總線與主控板交互。以太網(wǎng)通信模塊數(shù)據(jù)處理模塊信息顯示模塊板卡信息采集日志記錄模塊板卡信息存儲模塊串口通信模塊姿態(tài)信息采集CAN通信模塊4.2 電子測控系統(tǒng)嵌入式軟件設(shè)計(2) 功能板卡軟件設(shè)計 甲板監(jiān)控軟件的主要功能是與水下測控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析顯示，并將操作人員的指令按照一定的通信協(xié)議指令下發(fā)。4.3 甲板監(jiān)控軟件設(shè)計五、銑挖馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制算法設(shè)計 銑挖裝置在進(jìn)行銑挖作業(yè)時，需要保證銑挖馬達(dá)處于安全的工作狀態(tài)下，根據(jù)設(shè)計參數(shù)要求，銑挖馬達(dá)的銑挖轉(zhuǎn)速和銑挖壓力P需要維持在合理的范圍內(nèi)。W=T

6、NW為馬達(dá)輸出功率，TN為馬達(dá)扭矩，為馬達(dá)轉(zhuǎn)速V為馬達(dá)排量，P為馬達(dá)進(jìn)出口壓力差銑挖馬達(dá)數(shù)學(xué)模型，J為馬達(dá)轉(zhuǎn)動慣量，B為馬達(dá)摩擦系數(shù) 為馬達(dá)轉(zhuǎn)速對時間的微分，TL為液壓馬達(dá)工作負(fù)載。根據(jù)上面的式子經(jīng)過變換可以得到右邊的關(guān)系對上式進(jìn)行建模，就可以得到右側(cè)框圖對銑挖馬達(dá)建?；Ｇ袚Q函數(shù)等速趨近律李雅普諾夫條件滑?？刂破髟O(shè)計滑模控制器馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制算法仿真六、系統(tǒng)調(diào)試實驗室調(diào)試嵌入式系統(tǒng)軟硬件調(diào)試光纖通路測試車間調(diào)試上船調(diào)試7.1 總結(jié)七、總結(jié)與展望完成富鈷結(jié)殼規(guī)模取樣器系統(tǒng)方案總體設(shè)計，采用基于分布式管理的綜合測控結(jié)構(gòu)，各模塊協(xié)調(diào)分工，共同完成系統(tǒng)綜合測控。完成電子測控系統(tǒng)各板卡硬件電路設(shè)計。完成水下測控系統(tǒng)各板卡下位機(jī)軟件設(shè)計，并實現(xiàn)各板卡間CAN通信。完成甲板監(jiān)控軟件設(shè)計，并實現(xiàn)與水下測控系統(tǒng)的通信。使用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法來進(jìn)行銑挖馬達(dá)的控制，經(jīng)過理論分析以及軟件仿真，驗證了算法的可行性。完成了系統(tǒng)調(diào)試工作。包括實驗室環(huán)境下的硬件系統(tǒng)測試、光纖通信網(wǎng)絡(luò)以及電控系統(tǒng)整體調(diào)試，車間模擬海底環(huán)境下的整機(jī)調(diào)試，最終完成系統(tǒng)整體功能測試。7.2 展望七、總結(jié)與展望本設(shè)計需要在出海海試之后驗證其在真是采礦環(huán)境下的作業(yè)性能，發(fā)現(xiàn)問題并解決。完善銑挖馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制算法，并將其應(yīng)用在取樣器的實際控制代碼中。對于模擬數(shù)據(jù)的采樣精度只有12位，未來可以使用高精度的AD轉(zhuǎn)換器，提高采樣精度，以獲得更精確的數(shù)