船用波浪補(bǔ)償技術(shù)的研究

葉 勇，魏遼國(guó)，江一帆

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

船用波浪補(bǔ)償技術(shù)的研究

葉 勇，魏遼國(guó)，江一帆

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

為了突破波浪補(bǔ)償技術(shù)的研發(fā)瓶頸，振華重工攻克了主動(dòng)波浪技術(shù)的難點(diǎn)，成功設(shè)計(jì)出帶有主動(dòng)波浪補(bǔ)償技術(shù)的克令吊，該克令吊的研發(fā)成功，對(duì)我國(guó)掌握波浪補(bǔ)償技術(shù)具有重大意義。

船用；波浪補(bǔ)償；技術(shù)；研究

0 引言

海上船舶在兩船并靠或者船至岸等情況進(jìn)行作業(yè)時(shí)，時(shí)常會(huì)碰到復(fù)雜的波浪運(yùn)動(dòng)，造成船舶橫搖、縱搖和升沉等復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，給裝卸帶來(lái)困難和危險(xiǎn)。如何解決海上工程船舶吊裝過(guò)程中的波浪運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，就要求船上配置的設(shè)備具有波浪補(bǔ)償能力。

本文對(duì)船用補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了介紹，著重研究了振華重工（集團(tuán)）公司（下稱：振華重工）設(shè)計(jì)的主動(dòng)波浪補(bǔ)償克令吊中所采用的關(guān)鍵，即液壓二次控制系統(tǒng)和智能控制算法，為波浪補(bǔ)償關(guān)鍵技術(shù)推廣到國(guó)內(nèi)裝備領(lǐng)域提供了參考依據(jù)。

1 波浪補(bǔ)償技術(shù)的分類及適用范圍

波浪補(bǔ)償技術(shù)根據(jù)使用的要求不同，可以進(jìn)行不同的分類和定義。按照實(shí)現(xiàn)的目的，可以分為位移波浪補(bǔ)償和速度波浪補(bǔ)償技術(shù)、力波浪補(bǔ)償技術(shù)[1]。

按照動(dòng)力的來(lái)源，可以分為隨動(dòng)補(bǔ)償和主動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)。隨動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)又可以分為恒張力補(bǔ)償和隨動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)。

恒張力補(bǔ)償系統(tǒng)是力學(xué)系統(tǒng)中合力為零原理的具體應(yīng)用，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。整個(gè)補(bǔ)償裝置中，由油缸執(zhí)行對(duì)力和高度的補(bǔ)償，并有控制器對(duì)位置、速度、壓力、張力的信號(hào)進(jìn)行反饋和控制，控制油缸進(jìn)行相關(guān)的補(bǔ)償動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)波浪補(bǔ)償功能。

隨動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)（Passive Heave Compensation System，PHCS）主要由起重絞車、隨動(dòng)絞車、補(bǔ)償氣缸、滑輪纏繞系統(tǒng)、隨動(dòng)補(bǔ)償小車和電控系統(tǒng)等組成（見(jiàn)圖2）。隨動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)原理相對(duì)簡(jiǎn)單，但是要求接收船需要有鉤掛點(diǎn)，以鉤掛隨動(dòng)吊鉤。隨動(dòng)吊鉤所產(chǎn)生的載荷要求蓄能器有較大的容量，要求補(bǔ)償油缸有較大的承受力。

主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)（Active Heave CompensationSystem，AHCS）是用在對(duì)速度、力和位移精度要求相對(duì)較高的場(chǎng)合，需要采用特殊的二次馬達(dá)控制技術(shù)和智能控制算法，本文將著重介紹該兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 恒張力補(bǔ)償系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2 隨動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 振華重工的主動(dòng)波浪補(bǔ)償克令吊

主動(dòng)波浪補(bǔ)償克令吊由機(jī)械系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成（見(jiàn)圖3）。

起升絞車、起重臂架、鋼絲繩和滑輪纏繞系統(tǒng)等組成了機(jī)械系統(tǒng)。起升絞車安裝在起重機(jī)上，起升卷筒通過(guò)鋼絲繩連接負(fù)載，負(fù)載沉浸在水中。起重臂架折臂少，結(jié)構(gòu)緊湊，減少了臂架的搖擺。檢測(cè)系統(tǒng)由傳感器及數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)船舶姿態(tài)運(yùn)動(dòng)、鋼絲繩張力以及負(fù)載張力、位移、速度等信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。控制系統(tǒng)由硬件硬件和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)所檢測(cè)到的信號(hào)和反饋量通過(guò)智能控制算法控制電液機(jī)構(gòu)。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用二次馬達(dá)調(diào)速技術(shù)，二次調(diào)節(jié)技術(shù)能夠快速有效的實(shí)現(xiàn)卷筒的正反轉(zhuǎn)調(diào)速，并配置蓄能器，實(shí)現(xiàn)能量的回收和反饋功能。

圖3 ZPMC-30t波浪補(bǔ)償克令吊系統(tǒng)圖

2.1 主要參數(shù)

1）普通吊機(jī)模式

安全工作載荷：30t，半徑10m；15t，半徑15m；5t，半徑5.5m。

最小工作半徑：5.5m；

吊鉤行程：600m；

起升速度：0-15t，0-120m/min；15-30t，0-60m/min；

回轉(zhuǎn)范圍：360°；

回轉(zhuǎn)速度：0-0.4rpm。

2）主動(dòng)補(bǔ)償模式

AHC模式下最大載荷：30t；

AHC模式下最小載荷：0t；

波浪幅值：±2.5 m；

AHC模式下最大補(bǔ)償線速度：1.96 m/s；

AHC模式下最大加速度：1.54 m/s2。

2.2 液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

30t波浪補(bǔ)償克令吊主起升絞車由五個(gè)液壓二次馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其工作原理如圖4所示，它由恒壓變量泵、安全閥和蓄能器等組成恒壓油源。二次液壓馬達(dá)與恒壓網(wǎng)絡(luò)相連，經(jīng)減速器，帶動(dòng)絞車滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。二次控制系統(tǒng)是通過(guò)液壓馬達(dá)排量調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)速度、轉(zhuǎn)向控制，從而實(shí)現(xiàn)絞車的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變化，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功能，這與傳統(tǒng)的泵控或閥控系統(tǒng)完全不同，所以二次控制系統(tǒng)亦稱為“壓力耦合系統(tǒng)”。

圖4 主起升液壓原理圖

2.3 二次控制系統(tǒng)

二次控制系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)式和閉式系統(tǒng)的結(jié)合體，它本身需要借一個(gè)近似恒壓系統(tǒng)為配套一起使用。在二次控制馬達(dá)和近似恒壓系統(tǒng)之間不帶任何調(diào)速閥組，它是通過(guò)指令傳給二次馬達(dá)，而使馬達(dá)的排量發(fā)生變化，以達(dá)到液壓馬達(dá)的輸出扭矩發(fā)生變化，從而使液壓馬達(dá)所驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)速度發(fā)生變化以達(dá)到外界對(duì)此機(jī)構(gòu)的速度要求。這就是所謂的“壓力耦合系統(tǒng)”。從這點(diǎn)可看到泵和二次控制馬達(dá)在工作時(shí)無(wú)任何節(jié)流情況出現(xiàn)，這可使系統(tǒng)的效率和反應(yīng)速度大大提高。

能量回收對(duì)于應(yīng)用在主動(dòng)波浪補(bǔ)償上是非常重要的，這主要靠二次控制馬達(dá)與蓄能器組成。而二次控制馬達(dá)本身是可以在正、負(fù)擺角下變化工作，同時(shí)伴隨著蓄能器對(duì)能量的吸收和吐出。主動(dòng)波浪補(bǔ)償是一個(gè)周期性運(yùn)動(dòng)，主絞車工作時(shí)是不停的正反轉(zhuǎn)而收纜和放纜的。理論上，主動(dòng)波浪補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)是一個(gè)動(dòng)量回收和釋放的過(guò)程，能量可以百分之百回收，也可以百分之百釋放。當(dāng)船體下降時(shí)，利用其自身的重量向下運(yùn)動(dòng)（有保護(hù)裝置），此時(shí)二次元件的排量逐漸減小，馬達(dá)工作于“泵”工況。反饋回來(lái)的能量?jī)?chǔ)存在蓄能器中，作為下次船舶上升啟動(dòng)的能量使用。

主動(dòng)恒張力調(diào)節(jié)也是通二次控制馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，正因?yàn)槭菈毫︸詈舷到y(tǒng)，在主動(dòng)恒張力微調(diào)時(shí)便可以在很短的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)，另外動(dòng)力站的壓力閥是電比例閥，所以系統(tǒng)壓力量是可在不同的負(fù)載情況下進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。我們將工況分成幾個(gè)等級(jí)，從而調(diào)節(jié)壓力，再加二次控制，可以等同于一個(gè)可調(diào)的近似恒壓系統(tǒng)。

2.3.1 二次控制系統(tǒng)原理

如圖5所示，二次控制元件的排量由控制油缸進(jìn)行控制，控制油缸的流量通過(guò)伺服閥控制。二次控制元件轉(zhuǎn)速的變化，可由與二次控制元件轉(zhuǎn)軸相連的增量式編碼器測(cè)出并轉(zhuǎn)送給控制器，控制器根據(jù)智能控制算法產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)盤傳感器、轉(zhuǎn)盤控制器傳給伺服器，從而控制控制油缸的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二次控制元件的排量變化，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。

圖5 二次馬達(dá)控制原理圖

2.4 主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制算法原理

主動(dòng)波浪補(bǔ)償是一個(gè)非線性系統(tǒng)，而且慣量大，控制器、感應(yīng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間信號(hào)傳輸頻繁，參數(shù)時(shí)變，同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)最終接收控制器信號(hào)延后，往往產(chǎn)生時(shí)滯。主動(dòng)波浪補(bǔ)償要想達(dá)到一定的控制精度，就必須采用相關(guān)的智能控制算法，從而消除液壓絞車大慣量、滯后、參數(shù)時(shí)變、鋼絲繩彈性因素和水下負(fù)載的阻尼等非線性因素對(duì)主動(dòng)升沉補(bǔ)償控制性能的影響，提高機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的補(bǔ)償效率。

圖6 控制算法圖

可以將主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)看作是一個(gè)采用智能控制算法的復(fù)合控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由位置反饋系統(tǒng)和擾動(dòng)前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)等組成，如圖6所示，其所起的作用為位置控制、擾動(dòng)前饋控制、恒張力控制與過(guò)載保護(hù)。位置控制主要是偏差控制，是給定的負(fù)載相對(duì)懸掛支點(diǎn)的垂直方向位移與負(fù)載實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移的偏差控制過(guò)程。擾動(dòng)前饋控制是為了抵消因海浪引起的船體升沉運(yùn)動(dòng)從而對(duì)負(fù)載運(yùn)動(dòng)位移的干擾作用。恒張力控制與過(guò)載保護(hù)是對(duì)速度的限制，以減小附加力矩，控制力。

本克令吊控制系統(tǒng)的最終目的是控制吊裝負(fù)載的運(yùn)動(dòng)狀況，而由于水下負(fù)載的運(yùn)動(dòng)狀況很難準(zhǔn)確測(cè)量，或者檢測(cè)成本極高，因此也就不可能直接反饋水下負(fù)載的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。為此，將吊載和鋼絲繩、阻尼等因素對(duì)波浪補(bǔ)償影響簡(jiǎn)化為如圖7所示的負(fù)載運(yùn)動(dòng)模型。

圖7 負(fù)載運(yùn)動(dòng)模型

根據(jù)牛頓定律，可以建立如下微分方程：

式中，meq為等效負(fù)載質(zhì)量；C為系統(tǒng)阻尼；K為鋼絲繩彈性剛度系數(shù)；H(t)為水下負(fù)載運(yùn)動(dòng)位移；H0(t)為位移；R為卷筒半徑；θ為卷筒轉(zhuǎn)角；Fstatic為負(fù)載的靜態(tài)張力。

有效質(zhì)量meq為：

式中，mload為吊載重量，manchor吊鉤重量，ma為其他附加重量，mrope為懸掛點(diǎn)下鋼絲繩重量，lrope為鋼絲繩長(zhǎng)。

鋼絲繩彈性剛度系數(shù)K：

式中，E為鋼絲繩彈性模量；A為鋼絲繩截面積，lrope為鋼絲繩長(zhǎng)；

負(fù)載阻尼系數(shù)C：

式中，ρwater為海水密度；Aload為負(fù)載有效面積；Cd為阻尼系數(shù)（一般取為0.5～0.6）。

鋼絲繩與負(fù)載靜態(tài)張力Fstatic：

式中，ρsteel為鋼鐵密度；mrope為水下鋼絲繩質(zhì)量；g為重力加速度。

通過(guò)安裝于絞車上的絕對(duì)值編碼器，從而可以得到絞車收放鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)位移。張力檢測(cè)傳感器，得到鋼絲繩張力。通過(guò)船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)傳感器MRU可以檢測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的懸掛支點(diǎn)處的升沉位移。然后通過(guò)上述的動(dòng)力學(xué)模型，即可以計(jì)算得到水下負(fù)載的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將此運(yùn)動(dòng)參數(shù)作為反饋參數(shù)，反饋到給定的負(fù)載運(yùn)動(dòng)路徑信號(hào)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)偏差設(shè)計(jì)智能控制算法，確保水下負(fù)載按照設(shè)定的路徑運(yùn)動(dòng)。

由于按照上述動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算所得到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)有較大的擾動(dòng)突變項(xiàng)，因此為了是反饋參數(shù)變得稍平緩，可以加入一個(gè)一階慣性函數(shù)[3]，在反饋控制算法中利用不完全微分法，其傳遞函數(shù)為：

離散化為：

現(xiàn)將uD(k)推導(dǎo)：

寫成微分方程為：

取t為Ts，上式為：

經(jīng)整理可得：

控制器讀取MRU數(shù)據(jù)，進(jìn)行擾動(dòng)前饋控制，得到電壓uforward，該電壓為擾動(dòng)前饋控制電壓。讀取卷筒絕對(duì)值編碼器和張力傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算，通過(guò)與操作手柄的控制指令信號(hào)進(jìn)行比較分析，利用位移偏差信號(hào)進(jìn)行不完全微分法計(jì)算，得出反饋控制電壓ufeedback，控制器通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸出總的控制電壓u=uforward+ufeedback，該電壓為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電壓，從而驅(qū)動(dòng)絞車馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)波浪補(bǔ)償功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)相關(guān)波浪補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了介紹。文中著重介紹了振華重工設(shè)計(jì)的主動(dòng)波浪補(bǔ)償克令吊所采用二次馬達(dá)控制系統(tǒng)和智能控制算法等關(guān)鍵技術(shù)。該設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)成功，標(biāo)志著長(zhǎng)期處于滯后狀態(tài)的主動(dòng)波浪補(bǔ)償技術(shù)向前推進(jìn)了一大步，同時(shí)對(duì)波浪補(bǔ)償技術(shù)的推廣和應(yīng)用有著重要的作用。

[1] 吳思宇. 基于模糊PDF海工克令吊波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 2013.

[2] 劉宇輝, 蒲紅, 姜繼海. 應(yīng)用二次調(diào)節(jié)技術(shù)的液壓絞車性能研究[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2000(3).

[3] 袁浪, 周少林, 劉偉偉. 不完全微分PID算法在線材活套控制中的分析與運(yùn)用[J]. 電氣自動(dòng)化, 2014(2).

Research of Technology of Heave Compensation on Ship

Ye Yong, Wei Liao-Guo, Jiang Yi-Fan

(Shanghai Zhenhua Heavy Industry Co., Ltd., Shanghai 200125, China )

In order to break through the bottleneck of the heave compensation technology research and development, Zhenhua Heavy Industry overcomes the difficulties of active wave technology, and successfully designs a crane with an active wave compensation technology. The successful development of the crane is significant for the master of the heave compensation technology in China.

on ship; heave compensation; technology; research

U666.4+4

A

10.14141/j.31-1981.2015.03.002

葉勇（1979-），男，工程師，研究方向：海洋工程重型錨機(jī)及深水錨機(jī)研發(fā)。