摘 要

随着世界水运货物贸易日趋增长，港口、航道建设与维护、内河航道疏浚的滞后成为阻碍货物贸易日益突出的问题。除此之外临海工业区建设、沿海城市发展及环境保护等领域发展也客不容缓。而抓斗式挖泥船在这些领域具有相当广泛的应用，相比于其它类型挖泥船，抓斗挖泥船不受地质影响，从而有着广泛的使用范围。但传统的抓斗挖泥船由于挖掘精度和效率不高并不能满足需要，所以研究新的抓斗挖泥船的技术显得十分重要。

本文介绍了抓斗挖泥船的基本结构及工作原理。通过建立其平挖的数学模型得出抓斗平挖时支持绳和开闭绳关于时间的函数关系式，为后文平挖控制系统提供了理论依据。同时还简要介绍了模糊控制的相关理论知识，对其原理进行了阐述。然后逐层设计平挖控制模型，通过matlab中的simulink进行PID控制仿真和模糊PID控制仿真，并通过两者对比得出模糊PID控制器与常规相比，具有超调量小，反应速度更快，鲁棒性高等特性。

关键词：抓斗；模糊控制；PID控制

Abstract

With the growing world trade in goods shipping, port and waterway construction and maintenance, the lag of inland waterway dredging hinders the trade in goods and it becomes increasingly prominent problem. Besides the construction of industrial area, the development of coast urban and environmental protection is also pressing. The grab dredger has a wide range of applications in these areas, compared to other types of dredgers, grab dredgers is not affected from geological impact, and thus has a wide range of use. However the conventional grab dredger digging accuracy and efficiency can not meet the need, the new technology is very important.

This article introduces basic structure and working principle of the grab dredger. By mean of establishing a mathematical model of flat dig, we can obtain the function formula of support rope and Opening and closing rope about time when flat digging. It provides a theoretical basis for the later flat digging control system. Meanwhile this article briefly introduces the theory of fuzzy control and fuzzy control principle.

Then we design the control system layer by layer and conduct PID control simulation and fuzzy PID control simulation through simulink in matlab. Finally, by comparing the two results, we can draw a conclusion that the fuzzy PID controller has small overshoot、fast response、strong robustness and so on.

Keywords：grab；fuzzy control；PID control

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2与课题研究相应的国内外动态 1

1.3 本论文研究的主要内容 2

第 2 章 抓斗挖泥船的介绍 3

2.1 疏浚抓斗的介绍 3

2.2平挖作业工况 4

2.3 抓斗平挖工作原理 5

2.4抓斗挖泥船平挖的数学模型 6

第3章 抓斗平挖控制模型 10

3.1 MATLAB介绍 10

3.1.1 MATLAB简介 10

3.1.2 Simulink的功能与特点 10

3.2 抓斗平挖系统控制模型 11

3.3异步电机传递函数 11

3.4电流环设计 12

3.5速度环设计 13

3.6位置环设计 13

第4章 抓斗平挖控制模型智能算法及仿真 15

4.1 PID控制算法仿真 15

4.2 模糊控制介绍 16

4.3 模糊PID算法仿真 17

4.3仿真结果分析 18

5.总结与展望 19

致 谢 21

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

中国是一个海域，长江流域比较广的国家，海上运输在我国占很大的比重。近几年由于运输需求的增加，海上需要更加专业的疏浚设备来扩宽平整水域。 抓斗挖泥船作为一种常用的设备，能实现平挖的抓斗挖泥船能大幅度降低疏浚成本。但是国内对于挖泥船的研究还处于初步阶段，大型抓斗挖泥船仍依赖进口，这导致这一部分的研究一直停滞不前。所以我国目前需要摆脱依赖进口这一处境，自主研究抓斗挖泥船平挖的智能控制模型，使技术水平能够达到满足国内现状要求。实现大型抓斗挖泥船的研究设计方案，这对我国的疏浚行业都有很大的发展前景。

挖泥船主要是处理水下土石方的施工任务。具体来说就是挖深、加宽和清理现有的航道和港口；开挖新的航道、港口和运河；疏浚码头、船坞、船闸及其他水工建筑物的基槽以及将挖出的泥沙抛入深海或吹填于陆上洼地造田等。是吹沙填海的利器。为了提高航道工程的施工质量和建设效率，对海床的平整度有了一定的要求。但是实际上，由于风力，船体的摇晃，复杂的海底地形等因素的影响，挖掘的精度受到很大的影响。所以实现抓斗的平挖是必须的^[1]。基于模糊PID控制的控制器则能满足此要求，能够实现平挖运动，提高效率。模糊控制方法就是在控制策略中加入一些带有模糊性语言的规则，因此这种控制器具有较强的鲁棒性并能够适应控制系统中的各种不确定因素。目前，有许多的专家学者在研究应用模糊控制器对抓斗挖泥船进行控制，使得抓斗挖泥船的控制系统性能得到不断的提高，推动了其的发展。

1.2与课题研究相应的国内外动态

目前国外从事挖泥船的设计制造的公司有：AI工业株式会社、日本的SKK（四国建机）、荷兰的IHC公司、美国的Ellicott Dredges公司、德国克虏伯公司等。而荷兰、美国和德国主要从事绞吸式和耙吸式挖泥船的设计和制造，日本SKK和AI工业主要从事抓斗式挖泥船的设计和制造。这些国际著名的挖泥船制造商历史悠久、技术实力雄厚，占据着国际市场80%以上的份额，新技术、新船型不断问世。虽然大中型耙吸、绞吸挖泥船依然占据挖泥船市场的主导地位，但近年来国外的抓斗式挖泥船发展也十分迅速^[2]。抓斗式挖泥船相对于其他挖泥船有着挖据深度调节方便，可根据土质的不同选择不同结构的抓斗，在应用方便相对较广。在复杂区域，抓斗式挖泥船更能凸显起不受地域影响的特点。所以近几年许多智能化的抓斗式挖泥船陆续被研发，抓斗式挖泥船的技术也得到完善，这为疏浚行业带来飞速的发展。

抓斗挖泥船作为重要的疏浚设备，刘俊梅和于晓龙通过有限元建模分析抓斗挖泥船底部结构强度^[3]。张海宁利用ANSYS仿真对抓斗平挖静力学特性进行分析，用LS-DYNA进行动力学仿真研究^[4]。Miedema和Vlasblom通过理论得出抓斗挖泥船的的动力学方程^[5]，这为以后的研究提供了很好的帮助，抓斗作为关键部分，直接决定抓斗挖泥船的工作效率。汪义达和林健煜则通过对比介绍了三种不同的挖泥船的特点和施工方案，能够使后人更加了解挖泥船的分类^[6]。周银龙研究了1m³内河液压疏浚抓斗的挖掘阻力计算，利用模型进行实际的演算^[7]。Miedema在前人的总结确定抓斗具体性质后，通过实验分析抓斗斗在闭合过程中所受到的力及其曲线，为后人研究结构优化提供了方案^[8,9]。

模糊控制方面，Takage和Sugeno在1985年提出了一种动态系统的模糊模型辨识方法^[10]，这提供了一种新的思路，现在广泛应用于各个模糊辨识领域。Escamilla-Ambrosio和Mort介绍了一种混合自调整的模糊PID控制器^[11]。王素清等人介绍了一种基于MATLAB关于PID参数整定的方法，并提供了理论依据^[12]。巴力登,彭路明通过对异步电动机线性化控制模型的理论研究得到其传递函数^[13]。张彦召,胡育文分析异步电动机的电流环，设计出异步电动机的电流环结构^[14]。朱广斌,孟小利在前人的基础上研究速度环，得知速度环采用PI算法及其开环传递函数^[15]。

目前，我国在抓斗挖泥船设计和制造的水平同世界先进水平相比，还有相当大的差距，很多相关的技术问题亟待解决：设计理念和设计思路上的自主创新程度不够，专项研究的投入不够，我国的生产、制造工艺水平制约了抓斗挖泥船的整体发展水平。这些因素特别是相关的技术瓶颈制约了其的发展。

1.3 本论文研究的主要内容

本论文主要从以下几个方面进行研究:

(l)通过资料查阅分析并深入理解抓斗平挖控制的基本原理，并建立其基本的数学模型。同时对模糊控制有基本的了解并掌握基本原理。

(2)根据抓斗挖泥船控制器的模型进行仿真。

(3)以经典控制理论为基础进行模糊控制仿真。

(4)对两者的仿真结果进行对比，就结果进行分析。

本课题就是根据MATLAB软件中simulink组件来完成的。它提供一个动态建模，仿真和综合分析的集成环境，广泛应用于线性系统，非线性系统，数学控制及数字信号处理的建模和仿真中，而且其操作简单方便，适合本论文所要求的模糊控制仿真系统。

第 2 章 抓斗挖泥船的介绍

2.1 疏浚抓斗的介绍

抓斗式挖泥船作为挖泥船的一种，它的主要结构是由船体本身、旋转式挖掘机和抓斗三个部分组成。抓斗顾名思义是抓取物体的设备，作为抓斗挖泥船的关键部分，直接决定抓斗挖泥船的工作效率。它的主要任务是疏通水下，清除海底障碍物，平整海床。从外表上疏浚抓斗与散货抓斗没有太大的区别，但是在功能上两者有着本质的区别。从名字上就可以看出，散货抓斗主要抓取呈散状物料的工具；而疏浚抓斗主要负责是水下挖掘的作业。所以，疏浚抓斗在江河流域有着广泛的应用，能够完成各种水下清除障碍的工作。除此之外，疏浚抓斗根据结构设计的不同，能够适应不同的地质，这使得抓斗式挖泥船相对于其它种类的挖泥船有着明显的优势，在水域比较狭窄的地方，更能发挥其独特的优点。但是，疏浚抓斗不适合抓取细小的泥沙。

疏浚抓斗按驱动方式可分为液压抓斗和机械抓斗。液压抓斗一般是用液压缸驱动，液压驱动一般来说工作效率较高，但成本较高，需要专业的配件相配合并且容易受外界环境因素影响其工作精度。机械抓斗本身不具备自己开合的能力是由绳索或连杆外力驱动，分双绳和单绳，比较常见的是双绳疏浚抓斗。双绳抓斗工作可靠，操作简单，成本较低。考虑抓斗挖泥船一般是出于水上作业，容易碰到各种恶劣天气影响，所以抓斗挖泥船应选择不易受环境影响的机械式抓斗。 疏浚抓斗根据结构的不同分为贝型抓斗、多瓣式抓斗等。

由于水下地质的复杂，对于疏浚抓斗的选择往往并不固定，一般是结合具体情况考虑。根据最近几年国内外的研究使用，长撑杆双颚板抓斗使用率最广。原因是此类抓斗在张开时覆盖面积大，能够大范围的清除大型障碍物，平整海面。本文研究采用的是0.3m³的疏浚抓斗，如图2-1是0.3 m³双颚板抓斗结构简图，其结构主要由1-上承梁、2-撑杆、3-下承梁、4,5-斗体所组成。表2-1是该抓斗的主要技术参数。