水下拖曳系統(tǒng)升沉補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng)研究

方子帆謝哲雨 鄭小偉 葛旭甫 何孔德 余紅昌 覃 琳

(1.三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌443002;2.機(jī)器人與智能系統(tǒng)宜昌市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002;3.三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

隨著海洋工程研究的高速發(fā)展,現(xiàn)階段對(duì)海洋拖曳絞車的功能需求增大,性能要求提高,研究開發(fā)了多種海洋工程項(xiàng)目的拖曳系統(tǒng)。在進(jìn)行實(shí)際作業(yè)中,拖曳系統(tǒng)會(huì)受到諸多不可控因素的影響[1],拖曳船體和水下裝置產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),兩者之間安全、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地進(jìn)行布放和回收工作是整個(gè)任務(wù)的關(guān)鍵所在。船體和水下裝置間連接的纜繩在海浪運(yùn)動(dòng)影響下,其工作狀態(tài)不斷改變,產(chǎn)生松弛和張緊的交替變化。纜繩的大幅度搖擺可能引起負(fù)載撞向船體,而張力的劇烈變化則可能會(huì)導(dǎo)致繩索崩斷,使得水下作業(yè)裝置無法正常工作[2]。拖曳絞車部分作為海洋拖曳系統(tǒng)的核心系統(tǒng),對(duì)其結(jié)構(gòu)特征和工作性能進(jìn)行研究分析,有利于為設(shè)計(jì)拖曳系統(tǒng)及水下裝置方案時(shí)提供參考依據(jù)和理論支撐[3-4]。

目前,國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)拖曳絞車在液壓控制技術(shù)方面開展了大量的科學(xué)研究。吳開塔[5]對(duì)ROV被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行研究,針對(duì)不同深度下的系統(tǒng)特性分別進(jìn)行了理論推導(dǎo)和仿真計(jì)算,提出了利用流量調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的阻尼特性,從而產(chǎn)生避免共振的方案。姚樹新[6]針對(duì)半主動(dòng)式補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)出半主動(dòng)波浪補(bǔ)償裝置的液壓系統(tǒng)原理圖,并進(jìn)行了半主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的參數(shù)匹配。徐小軍等人[7]提出了一種新型主動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng),闡述了波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的工作原理和補(bǔ)償機(jī)制。主動(dòng)升沉補(bǔ)償控制系統(tǒng)所具有魯棒性好、適應(yīng)性強(qiáng)、補(bǔ)償準(zhǔn)確度高、補(bǔ)償性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),是被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)和半主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)所缺乏的?；诔Ｒ?guī)拖曳絞車的主動(dòng)升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)通過增加升沉運(yùn)動(dòng)傳感器和升沉運(yùn)動(dòng)控制器,即可實(shí)現(xiàn)水下負(fù)載的升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能,具有廣泛的應(yīng)用前景[8]。雖然國(guó)內(nèi)外科研人員及相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)升沉補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)有了一定的研究成果,但其補(bǔ)償機(jī)理尚不明確,而補(bǔ)償系統(tǒng)的發(fā)展是各種海上作業(yè)的必然需求,存在研究?jī)r(jià)值。

基于此,針對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境下拖船升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)拖體定深的影響問題,提出了一種水下拖曳系統(tǒng)的升沉補(bǔ)償控制機(jī)理并設(shè)計(jì)了其補(bǔ)償系統(tǒng)。根據(jù)線性波浪理論描述波浪力,通過AMESim軟件中的液壓模塊、機(jī)械模塊和控制模塊對(duì)水下拖曳系統(tǒng)作業(yè)過程進(jìn)行虛擬樣機(jī)建模,分析系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性,包括系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)和外界波浪參數(shù)以及不同海況條件對(duì)負(fù)載收放速度、纜繩張力的影響,驗(yàn)證所采用控制策略的有效性。

1 水下拖曳系統(tǒng)升沉補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng)

1.1 升沉補(bǔ)償機(jī)理

海洋環(huán)境復(fù)雜多變,拖曳絞車系統(tǒng)在作業(yè)中易受到諸多不確定因素的干擾,會(huì)圍繞平衡位置產(chǎn)生空間6個(gè)自由度上的一定幅度不均勻運(yùn)動(dòng),而拖船的運(yùn)動(dòng)則更會(huì)直接影響到水下拖曳裝置的正常工作,一般情況下都需要采取補(bǔ)償機(jī)制[9].在拖船6個(gè)自由度方向上的運(yùn)動(dòng)中,其中5個(gè)自由度方向上的運(yùn)動(dòng)比較容易補(bǔ)償,可以通過錨泊、動(dòng)力定位和專用補(bǔ)償裝置來實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償,但是對(duì)于拖船升沉方向的運(yùn)動(dòng),其補(bǔ)償過程比較復(fù)雜,無法通過拖船本身來實(shí)現(xiàn).升沉運(yùn)動(dòng)將帶動(dòng)處于拖曳狀態(tài)的拖體深度變化,導(dǎo)致連接拖船和水下作業(yè)設(shè)備的纜繩張力交替變化,并隨著工作海況的惡化而變化加劇[10].因此,為提高作業(yè)的安全性、平穩(wěn)性,有必要分析張力波動(dòng)產(chǎn)生的原因,研究升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù),盡量消除纜線上的張力變化,保證拖曳絞車完成對(duì)水下作業(yè)設(shè)備平穩(wěn)收放工作.

1.1.1 張力波動(dòng)成因分析

如圖1所示,以纜繩拖曳點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析.其物理符號(hào)定義為：拖船升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)拖曳點(diǎn)的干擾位移為x,方向豎直向上,其沿纜繩切線方向和法線方向分解為xτ和x n;x l為纜繩收放位移;x lτ、x ln分別為纜繩切向和法向?qū)嶋H運(yùn)動(dòng)位移;v、vτ、v n、v lτ、v ln、v l分別為x、xτ、x n、x lτ、x ln、x l對(duì)應(yīng)的速度;α、ατ、αn、αlτ、αln、αl分別x、xτ、x n、x lτ、x ln、x l為對(duì)應(yīng)的加速度.

圖1 拖曳點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析

沿纜繩切向和法向的實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移分別為：

拖曳點(diǎn)處張力可表示為：

其中,vtow為拖船水平拖曳速度為當(dāng)前內(nèi)部狀態(tài)變量.

上式對(duì)應(yīng)差分方程為：

其中,f a、f v、f x、g a、g v、g x為式(4)對(duì)應(yīng)的偏微分方程.

加入恒張力控制后,對(duì)式(4)進(jìn)行拉普拉斯變換,可得拖曳點(diǎn)處的張力為：

式中,T0為穩(wěn)態(tài)張力.

由于外界相同運(yùn)動(dòng)干擾下纜繩切線方向的張力變化比法線方向的張力變化大得多,則有f a?|g a|,f v?|g v|,f x?|g x|.通常認(rèn)為,纜繩中的張力波動(dòng)主要是由纜繩切線方向的運(yùn)動(dòng)干擾引起的,為此在考慮升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí),需對(duì)纜繩的收放運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制.

1.1.2 升沉補(bǔ)償機(jī)理

設(shè)某時(shí)刻拖船的升沉運(yùn)動(dòng)速度為v,負(fù)載控制的理想速度為v0.在已知拖船升沉運(yùn)動(dòng)情況下,控制絞車運(yùn)動(dòng)使得：

則可實(shí)現(xiàn)升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償.

不具備張力控制時(shí)負(fù)載實(shí)際速度vg為：

采取恒張力控制后補(bǔ)償速度為vb,負(fù)載的實(shí)際速度vs為：

當(dāng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不受升沉運(yùn)動(dòng)影響時(shí),應(yīng)滿足：

這表明：為保持負(fù)載運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生改變,維持正常作業(yè),對(duì)纜繩的收放運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整,必須使得補(bǔ)償速度與拖船升沉運(yùn)動(dòng)速度相等.

綜上所述,纜繩張力波動(dòng)主要來源是拖船升沉運(yùn)動(dòng)中沿纜繩切線方向上的分量所引起,因而只要使纜繩升沉運(yùn)動(dòng)沿纜繩方向的合力運(yùn)動(dòng)為零,纜繩中的張力波動(dòng)范圍即可得到大幅抑制.

1.2 升沉補(bǔ)償控制系統(tǒng)原理

在升沉補(bǔ)償控制系統(tǒng)中,采用速度測(cè)量傳感器檢測(cè)拖曳絞車?yán)|繩收放速度,升沉運(yùn)動(dòng)傳感器測(cè)量拖船升沉運(yùn)動(dòng)速度,兩者偏差信號(hào)傳送給升沉補(bǔ)償控制器,控制液壓絞車收放纜繩運(yùn)動(dòng)來抵消拖船升沉運(yùn)動(dòng),達(dá)到理想拖曳速度,從而減小纜繩張力波動(dòng),保持水下設(shè)備運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)控制效果,升沉補(bǔ)償控制系統(tǒng)原理如圖2所示[11].

圖2 升沉補(bǔ)償控制系統(tǒng)原理圖

根據(jù)升沉補(bǔ)償控制系統(tǒng)原理,建立升沉補(bǔ)償反饋控制回路框圖,如圖3所示.其升沉補(bǔ)償控制過程為：拖曳絞車在回收水下負(fù)載過程中,驅(qū)動(dòng)卷筒回收纜繩,當(dāng)拖船升沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致纜繩松弛或繃緊時(shí),升沉補(bǔ)償控制器通過速度誤差分析后會(huì)發(fā)出控制信號(hào)U0,通過改變比例方向閥閥芯位移方向,從而控制輸入到液壓馬達(dá)的液壓油方向和流量值,實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓馬達(dá)的控制.因?yàn)橐簤厚R達(dá)連接帶動(dòng)絞車卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng),即轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制,進(jìn)而通過纜繩的收放控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)拖船升沉運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償.

圖3 升沉補(bǔ)償反饋控制回路框圖

2 升沉補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)

由于水下拖曳系統(tǒng)中液壓控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立不易得到精確解,而且參數(shù)在整個(gè)過程中變化較大,選擇采用PID控制方法比較適合.合理選擇PID控制方法中比例、積分、微分3個(gè)的參數(shù),使積分I部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的低頻段,以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能;而使微分D部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的中頻段,以便改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,避免偏差過大[12].設(shè)拖船升沉運(yùn)動(dòng)位移y與收放纜繩長(zhǎng)度l差值為e(k),兩者差值變化率Δe(k),則有：

PID控制規(guī)律為：

通過水下拖曳系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)Bode圖分析可知,系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性不夠,頻率帶寬較窄,為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性和快速性,需要設(shè)計(jì)有源串聯(lián)校正裝置,使系統(tǒng)速度誤差系數(shù)K v和剪切頻率ωc增大.

原系統(tǒng)屬于I型系統(tǒng),取K=K v=10,幅值穿越頻率ωc=0.292 rad/s,ωc偏小,采用串聯(lián)PD調(diào)節(jié)器校正.選擇中頻段斜率為-20 dB/dec,而低頻段有更大斜率的最優(yōu)二階模型為所期望的頻率特性.

系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

PD校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

為使校正后的開環(huán)Bode圖為所期望的二階最優(yōu)模型,可消去未校正系統(tǒng)的一個(gè)極點(diǎn),令TD=2.965s,則

校正后開環(huán)放大系數(shù)：

則有KP=1.283s,故校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

校正后系統(tǒng)速度誤差系數(shù)K v=K KP=12.83＞10,故校正后相位浴度和幅值浴度都較好,滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能要求.由校正后的所得閉環(huán)Bode圖可知,系統(tǒng)帶寬滿足系統(tǒng)帶寬要求.

故此采用基于PID校正方法提高系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性、增加頻率帶寬設(shè)計(jì)了升沉補(bǔ)償控制I型系統(tǒng),完成了升沉補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì).

3 仿真研究

3.1 系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型

根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖,運(yùn)用AMESim虛擬樣機(jī)仿真軟件建立液壓系統(tǒng)仿真模型,如圖4所示.

圖4 水下拖曳系統(tǒng)液壓系統(tǒng)仿真模型

在圖4所示模型中沒有考慮制動(dòng)回路和止動(dòng)回路,原因在于系統(tǒng)中制動(dòng)器和止動(dòng)器并沒有參與負(fù)載回收布放速度控制.在不影響系統(tǒng)的特性分析和數(shù)據(jù)結(jié)果基礎(chǔ)上,對(duì)模型建立進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化：定滑輪、鋼絲繩、質(zhì)量塊模擬組成負(fù)載執(zhí)行系統(tǒng),用來仿真拖曳絞車起吊海下裝置的情形.速度傳感器檢測(cè)而來的信號(hào)與預(yù)期速度比較后,所得差值信號(hào)經(jīng)PID控制器整定放大后,傳送給液壓比例閥,調(diào)節(jié)進(jìn)入液壓馬達(dá)的流量,改變卷筒收放纜繩的速度.拖船升沉運(yùn)動(dòng)通過滑輪水平運(yùn)動(dòng)來模擬,作為干擾信號(hào)作用于滑輪上.

運(yùn)用多領(lǐng)域系統(tǒng)建模仿真軟件AMESim對(duì)水下拖曳系統(tǒng)作業(yè)過程進(jìn)行虛擬樣機(jī)建模與仿真研究[13-15],以調(diào)整工況和收放工況為例,分析系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性,包括系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)和外界波浪參數(shù)以及不同海況條件對(duì)負(fù)載收放速度、纜繩張力的影響,驗(yàn)證水下拖曳系統(tǒng)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性.

3.2 波浪對(duì)負(fù)載速度波動(dòng)性影響分析

波浪運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的,拖曳系統(tǒng)由此產(chǎn)生的升沉運(yùn)動(dòng)也是隨機(jī)的.根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料[16],典型海況下波浪運(yùn)動(dòng)參數(shù)見表1.

表1 典型海況下波浪運(yùn)動(dòng)參數(shù)表

海洋拖曳絞車系統(tǒng)在實(shí)際工況中,會(huì)受到海浪的作用.假定水對(duì)負(fù)載粘性作用力可以忽略,只有豎直方向的波浪力作用于負(fù)載上,根據(jù)線性波理論[16-17],波浪力為：

式中,F0為規(guī)則波的波浪力幅值;f為波浪力的頻率;θ波浪力對(duì)應(yīng)的相位角.

波浪力頻率2 Hz,幅值分別為250、500、1 000 N,對(duì)應(yīng)仿真結(jié)果如圖5(a)所示.波浪力幅值為50 N,頻率分別為2、5、7、10 Hz,對(duì)應(yīng)仿真結(jié)果如圖5(b)所示.由圖5可見,負(fù)載速度幅值的變化與波浪力幅值有關(guān),波浪力幅值越大,所引起的速度幅值變化也越大.穩(wěn)定情況時(shí),波浪力幅值每增加500 N下的速度幅值增長(zhǎng)率約為0.5%.負(fù)載速度的幅值和振動(dòng)次數(shù)還會(huì)受到波浪力頻率變化的影響,在相同波浪力幅值下,波浪力頻率越小,振動(dòng)次數(shù)越少,頻率越大,振動(dòng)次數(shù)越多.數(shù)據(jù)曲線中,兩種相近頻率間的速度振動(dòng)次數(shù)增長(zhǎng)約為40%.在頻率為5 Hz時(shí),圖示負(fù)載速度波動(dòng)幅值最大.

結(jié)果表明,外部環(huán)境所產(chǎn)生波浪力的頻率與幅值對(duì)負(fù)載速度幅值均有影響;波浪力的頻率變化對(duì)負(fù)載速度的振動(dòng)次數(shù)和振動(dòng)幅值也存在聯(lián)系.

圖5 波浪力對(duì)負(fù)載速度的影響

3.3 調(diào)整工況升沉補(bǔ)償控制

在海洋拖曳絞車4種工況中,調(diào)整工況需要根據(jù)航區(qū)內(nèi)的海況變化,實(shí)時(shí)檢測(cè)拖船和纜繩的速度參數(shù),可方便地調(diào)整拖纜的長(zhǎng)度.

設(shè)定計(jì)算誤差為0.001,最小積分時(shí)間步長(zhǎng)0.01 s,仿真時(shí)間20 s,分別仿真三級(jí)、四級(jí)和五級(jí)海況下拖曳絞車對(duì)負(fù)載收放作業(yè)過程,其升沉補(bǔ)償速度響應(yīng)和纜繩張力變化分別如圖6～7所示.

圖6 調(diào)整工況下升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償速度響應(yīng)

圖7 調(diào)整工況下纜繩張力變化

圖6和圖7結(jié)果表明：纜長(zhǎng)調(diào)整過程中,負(fù)載在平衡位置上下波動(dòng),不同海況下,拖船升沉運(yùn)動(dòng)與負(fù)載運(yùn)動(dòng)同步變化,其速度補(bǔ)償效果明顯改善.升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償控制前,海況越高,纜繩張力變化越強(qiáng)烈,加入升沉補(bǔ)償控制后,張力波動(dòng)范圍很小,其均值穩(wěn)定在53.2 k N.由此,驗(yàn)證了升沉補(bǔ)償控制策略的有效性.

3.4 收放工況下升沉補(bǔ)償控制

拖曳絞車在回收和釋放纜繩過程中,會(huì)受到突發(fā)性海況的影響,此時(shí)拖船升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)正常的平穩(wěn)作業(yè)造成很大干擾.對(duì)正在收放作業(yè)絞車在不同時(shí)刻加入拖船升沉運(yùn)動(dòng)干擾信號(hào),不同海況下負(fù)載速度響應(yīng)和纜繩張力變化如圖8～9所示.根據(jù)圖8和圖9仿真曲線,提取控制前后的負(fù)載速度和纜繩張力的極值、均值,見表2.

圖8 收放工況下升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償速度響應(yīng)

圖9 收放工況下纜繩張力變化

表2 負(fù)載速度和纜繩張力的極值及均值對(duì)照表

由表2可以看出,3種海況下速度補(bǔ)償效果最小達(dá)到42%.張力波動(dòng)也大大得到了抑制,五級(jí)海況時(shí)補(bǔ)償幅度最小,達(dá)到20.5%.張力最小值明顯增大,張力變化均值與靜態(tài)理論計(jì)算值53 200 N相近,說明通過采用拖曳絞車補(bǔ)償拖船升沉運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)張力控制,其補(bǔ)償機(jī)制科學(xué)可行,可提高海洋拖曳絞車回收穩(wěn)定性和安全性.

4 結(jié) 論

為滿足海洋拖曳絞車調(diào)整工況和收放工況的要求,設(shè)計(jì)了水下拖曳系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng),基于AMESim仿真軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模仿真,分析了拖曳系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性,從而驗(yàn)證系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的可行性,研究結(jié)論如下：1)根據(jù)水下拖曳系統(tǒng)作業(yè)工況需求,設(shè)計(jì)了水下拖曳系統(tǒng)升沉補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng);2)基于多領(lǐng)域建模仿真軟件AMESim建立水下拖曳系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型;3)分析了外界波浪參數(shù)以及3種不同海況條件對(duì)負(fù)載收放速度、纜繩張力的影響,仿真實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的拖曳絞車液壓控制系統(tǒng)能夠補(bǔ)償拖船的升沉運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)張力控制,其補(bǔ)償機(jī)制科學(xué)可行.

本文研究了隨機(jī)振動(dòng)下多體動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的問題,提出的升沉補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng)為提高水下拖曳體定深性能提供了一種有效方法,為提高水下拖曳系統(tǒng)回收穩(wěn)定性和安全性、降低纜繩動(dòng)態(tài)載荷變化提供了理論依據(jù),對(duì)復(fù)雜海況環(huán)境下海洋工程裝備設(shè)計(jì)開發(fā)提供了有益探討.