一種海工棧橋多功能伸縮補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析

邱少華，施衛(wèi)東，宋志國，紀(jì)立超，楊 旭

(1.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006；2.南通大學(xué)，江蘇 南通 226019； 3.山東大學(xué)海洋研究院，山東 青島 266237)

1 引 言

近年來，隨著海上石油開采、海上風(fēng)力發(fā)電、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)群Ｉ献鳂I(yè)活動(dòng)日益頻繁，海工裝備的種類、功能、重量等不斷升級(jí)與提高。長期的海上作業(yè)活動(dòng)，需要人員與物料的有效補(bǔ)給，補(bǔ)給裝備成為海工裝備的核心部件。復(fù)雜惡劣海況下，海工棧橋可在船體與船體或船體與建筑物間建立人員通道，通過波浪補(bǔ)償保證棧橋兩端始終連接兩個(gè)對(duì)接目標(biāo)，避免棧橋受到過載的連接力，保證人員與物料補(bǔ)給的安全。海工棧橋在大型海上生活平臺(tái)、風(fēng)電運(yùn)維船、綜合補(bǔ)給艦等擁有廣泛的應(yīng)用前景。

針對(duì)具備波浪補(bǔ)償功能的海工棧橋，國內(nèi)外學(xué)者從設(shè)計(jì)、制造與測試等多個(gè)角度開展了大量的研究工作。挪威海洋技術(shù)研究所的Wu采用頻域方法建立了一種主動(dòng)波浪補(bǔ)償棧橋的對(duì)接操作數(shù)值計(jì)算模型，可對(duì)棧橋搭接作業(yè)的可操作性進(jìn)行有效評(píng)估[1]。九江精密測試技術(shù)研究所的蘇長青等設(shè)計(jì)出一種具備橫搖、縱搖與伸縮補(bǔ)償功能的棧橋，并對(duì)棧橋開展了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]。上海振華重工的胡貫勇等設(shè)計(jì)了一種包含回轉(zhuǎn)、俯仰與伸縮3個(gè)關(guān)節(jié)的海工棧橋，并提出棧橋搭接前采用主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制及搭接后采用被動(dòng)波浪補(bǔ)償控制的控制思路[3]。坎塔布里亞大學(xué)的Raúl Guanche等提出了一種可評(píng)估運(yùn)維船舶和浮式風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)間安全人員輸送的波高限制計(jì)算方法[4]。中船華南船舶機(jī)械的安萬平等對(duì)比分析了不同波浪補(bǔ)償原理，設(shè)計(jì)了一種新型棧橋波浪補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng)，其中回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用隨動(dòng)補(bǔ)償，橫搖與變幅關(guān)節(jié)采用主動(dòng)補(bǔ)償，伸縮采用恒推力補(bǔ)償控制[5]。南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程的劉朋提出了一種大型海工棧橋的碼頭試驗(yàn)方法[6]。哈爾濱工程大學(xué)的Liang Lihua等建立了一種三自由度海工棧橋的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型，并基于關(guān)節(jié)的逆動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)一種主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制策略[7]。

上述研究，在棧橋主動(dòng)波浪補(bǔ)償與被動(dòng)波浪補(bǔ)償方面提出了系列的解決方案。然而，由于海況與作業(yè)目標(biāo)的復(fù)雜性，單一補(bǔ)償模式無法滿足眾多現(xiàn)場要求。因此，需要設(shè)計(jì)一種具備多功能的棧橋液壓控制系統(tǒng)，拓展棧橋的應(yīng)用領(lǐng)域。

本文綜合考慮海工棧橋的各類典型工況，設(shè)計(jì)了一種集主動(dòng)波浪補(bǔ)償、恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償、無約束隨動(dòng)波浪補(bǔ)償三種功能于一體的伸縮液壓控制系統(tǒng)，并在AMEsim軟件中，建立了該系統(tǒng)的仿真分析模型，研究系統(tǒng)在不同工況下的工作性能，以及不同工況下的模式切換情況。結(jié)果表明，多功能伸縮補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng)可以完成不同工況的補(bǔ)償控制，并具有工況切換平穩(wěn)的特點(diǎn)。

2 棧橋伸縮機(jī)構(gòu)分析

伸縮機(jī)構(gòu)是海工棧橋波浪補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的末端運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，主要通過伸長與縮短棧橋過道的長度，配合棧橋的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)與俯仰運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，補(bǔ)償復(fù)雜海況下的船體與目標(biāo)載體間的位姿變化，保障人員與物料的安全可靠運(yùn)輸。目前，棧橋伸縮運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條與液壓缸直接驅(qū)動(dòng)兩類。液壓缸的伸縮驅(qū)動(dòng)裝置具有運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)效率高、安裝簡單、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但伸縮行程受限于液壓缸的自身長度，因此主要應(yīng)用于高精度的中小型海工棧橋。在液壓缸驅(qū)動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行伸縮補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到棧橋自身慣性力、自身重力、人員/貨物慣性力、人員/貨物重力、機(jī)構(gòu)摩擦力、不確定風(fēng)載荷等載荷的影響。并且由于現(xiàn)場海況復(fù)雜，船體與目標(biāo)載體間的位姿變化速度較快，要求伸縮運(yùn)動(dòng)速度也較快。

本文針對(duì)上述工況環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種新型的大流量、高精度電液比例控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)波浪補(bǔ)償、恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償、低阻力自由位置被動(dòng)補(bǔ)償控制三種功能。在主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制模式下(主要面向棧橋末端與目標(biāo)載體未剛性連接情況)，可實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)構(gòu)的精確位置控制，配合其余運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)棧橋末端搭接點(diǎn)與目標(biāo)載體間保持空間位置相對(duì)靜止。在恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償(主要面向棧橋末端與目標(biāo)載體接觸但不連接)模式下，可實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)構(gòu)與目標(biāo)載體間垂直接觸力的精確控制，配合其余運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，在保證棧橋橋體受力可控的前提下，避免棧橋與目標(biāo)載體發(fā)生脫離。在無約束隨動(dòng)波浪補(bǔ)償模式下(主要面向棧橋末端與目標(biāo)載體剛性連接的情況)，可實(shí)現(xiàn)伸縮機(jī)構(gòu)的自由直線運(yùn)動(dòng)，配合其余運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，保證棧橋橋體受力可控。

3 棧橋多功能伸縮補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

海工棧橋伸縮補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng)包括主動(dòng)位置控制、恒撐力被動(dòng)位置控制與低阻力自由位置被動(dòng)補(bǔ)償控制三個(gè)功能模塊及其相關(guān)模式切換控制模塊。主動(dòng)波浪補(bǔ)償位置控制由大流量三位四通比例換向閥控制液壓缸實(shí)現(xiàn)，液壓缸內(nèi)裝有位移傳感器，提供實(shí)時(shí)的位移反饋。液壓缸兩腔的出口處均設(shè)有壓力傳感器，提供實(shí)時(shí)的壓力反饋。液壓缸兩腔之間設(shè)有節(jié)流口以提高系統(tǒng)阻尼。恒撐力被動(dòng)位置控制由恒壓蓄能器組、兩位四通比例換向閥與伸縮液壓缸共同完成，通過調(diào)節(jié)兩位四通比例換向閥的閥芯位置，可實(shí)現(xiàn)模式切換過程中壓力的有效控制。無約束自由位置控制由兩個(gè)兩位四通液控?fù)Q向閥與伸縮液壓缸共同完成。圖1為本文設(shè)計(jì)的海工棧橋伸縮補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng)原理圖，其中，1～6為儲(chǔ)氣瓶；7，16，17為壓力傳感器；8為兩位四通比例換向閥；9為液壓缸；10為位移傳感器；11為活塞式蓄能器；12，14為節(jié)流閥；15，18為兩位四通液控?fù)Q向閥；19，21為兩位四通電磁換向閥；20為三位四通比例換向閥；22為液壓油源；23為油箱。

圖1 棧橋多功能伸縮補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng)原理圖

3.1 主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制設(shè)計(jì)

面向?qū)痈◇w目標(biāo)缺少機(jī)械連接點(diǎn)，或者棧橋與目標(biāo)機(jī)械連接前需要保持棧橋末端與目標(biāo)浮體空間位置相對(duì)靜止，以避免棧橋與目標(biāo)搭接點(diǎn)間的剛性碰撞，保證人員與物料的安全運(yùn)輸，針對(duì)這一功能，本文設(shè)計(jì)一種基于位置前饋的PD控制策略，實(shí)現(xiàn)伸縮關(guān)節(jié)位置的高速高精度位置控制。基于位置前饋的PD控制策略，根據(jù)伸縮關(guān)節(jié)位置反饋與運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解得到伸縮關(guān)節(jié)參考信號(hào)，調(diào)整三位四通比例換向閥閥芯，實(shí)現(xiàn)液壓缸的位置控制。

液壓缸伸出過程中，油源內(nèi)的高壓油經(jīng)三位四通比例換向閥流入液壓缸無桿腔，液壓缸有桿腔內(nèi)的液壓油經(jīng)三位四通比例換向閥流回油箱。液壓缸縮回過程中，油源內(nèi)的高壓油經(jīng)三位四通比例換向閥流入液壓缸有桿腔，液壓缸無桿腔內(nèi)的液壓油經(jīng)三位四通比例換向閥流回油箱。

3.2 恒撐力被動(dòng)補(bǔ)償控制設(shè)計(jì)

面向部分對(duì)接目標(biāo)平臺(tái)承重不夠，無法支撐棧橋部分自重，設(shè)計(jì)一種恒撐力補(bǔ)償控制回路。棧橋末端與對(duì)接目標(biāo)碰觸后，將主油路切換為恒壓蓄能器組，并將其作為穩(wěn)定的恒壓油源。液壓缸在恒壓蓄能器組的作用下輸出恒定撐緊力，使棧橋末端撐在對(duì)接目標(biāo)側(cè)面，并保證搭接過程不發(fā)生脫離，實(shí)現(xiàn)恒撐力被動(dòng)補(bǔ)償控制功能。

系統(tǒng)由主動(dòng)補(bǔ)償切換至恒撐力補(bǔ)償?shù)倪^程中，三位四通比例換向閥切換至中位，兩位四通比例換向閥緩緩打開至最大開口，逐漸降低蓄能器出口與液壓缸無桿腔的壓差，液壓缸在無桿腔內(nèi)恒壓油的作用下做恒力推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。在波浪擾動(dòng)作用下，對(duì)接目標(biāo)距離增大時(shí)，伸縮液壓缸伸出，蓄能器組內(nèi)油液經(jīng)過兩位四通比例換向閥進(jìn)入液壓缸無桿腔，液壓缸有桿腔內(nèi)油液經(jīng)兩位四通比例換向閥流回油箱；對(duì)接目標(biāo)距離減小時(shí)，伸縮液壓缸縮回，油箱內(nèi)油液經(jīng)過兩位四通比例換向閥補(bǔ)充至液壓缸有桿腔，液壓缸無桿腔內(nèi)油液經(jīng)過兩位四通比例換向閥流入蓄能器組。

3.3 低阻力自由位置被動(dòng)補(bǔ)償控制設(shè)計(jì)

面向部分對(duì)接目標(biāo)對(duì)接平臺(tái)可以支撐棧橋部分自重，并可完成與棧橋的剛性連接，設(shè)計(jì)一種低阻力自由位置被動(dòng)補(bǔ)償控制回路。當(dāng)棧橋伸縮液壓控制系統(tǒng)與目標(biāo)物體搭接后，伸縮液壓缸的有桿腔與無桿腔均直接接入油箱，實(shí)現(xiàn)低阻力自由隨動(dòng)伸縮，降低伸縮運(yùn)動(dòng)給船體與對(duì)接目標(biāo)帶來的耦合作用力。

當(dāng)系統(tǒng)由主動(dòng)補(bǔ)償控制切換至低阻力自由位置被動(dòng)補(bǔ)償控制的過程中，三位四通比例換向閥復(fù)位至中位，兩個(gè)兩位四通液控?fù)Q向閥切換至左位，將伸縮液壓缸的有桿腔與無桿腔分別接入油箱。在波浪擾動(dòng)作用下，對(duì)接目標(biāo)距離增大時(shí)，伸縮液壓缸伸出，油箱內(nèi)油液經(jīng)兩位四通液控?fù)Q向閥進(jìn)入液壓缸無桿腔，液壓缸有桿腔的油液經(jīng)過兩位四通液控?fù)Q向閥流入油箱。對(duì)接目標(biāo)距離縮小時(shí)，伸縮液壓缸縮回，油箱內(nèi)油液經(jīng)兩位四通液控?fù)Q向閥進(jìn)入液壓缸有桿腔，液壓缸無桿腔的油液經(jīng)兩位四通液控?fù)Q向閥流入油箱。

4 棧橋多功能伸縮補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng)仿真分析

基于AMEsim軟件，建立海工棧橋伸縮補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng)的主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制、恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償控制與低阻力自由位置波浪補(bǔ)償控制三個(gè)功能模塊的仿真分析模型，對(duì)三

種波浪補(bǔ)償?shù)湫凸r進(jìn)行仿真分析，并對(duì)主動(dòng)波浪補(bǔ)償至恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償、主動(dòng)波浪補(bǔ)償至低阻力自由位置波浪補(bǔ)償進(jìn)行仿真分析。

4.1 主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制分析

在AMEsim軟件中，搭建伸縮機(jī)構(gòu)的主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制仿真分析模型，如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)部分參數(shù)設(shè)置如下：兩位四通比例換向閥8、兩位四通電磁換向閥19、兩位四通電磁換向閥21的輸入控制信號(hào)均設(shè)置為0，使兩位四通比例換向閥8、兩位四通液控?fù)Q向閥15、兩位四通液控?fù)Q向閥18處于復(fù)位位置，此時(shí)三位四通比例換向閥20直接控制伸縮液壓缸9的位置。在這一液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種位置前饋的比例微分控制策略， 參考位置信號(hào)經(jīng)過微分， 直接作用于三位四通比例換向閥20，參考信號(hào)與實(shí)際液壓缸位移反饋之差，經(jīng)過比例與微分控制，同樣作用于三位四通比例換向閥20，以期同時(shí)實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)與高精度追蹤。

圖2 伸縮機(jī)構(gòu)主動(dòng)波浪補(bǔ)償仿真分析模型

為測試設(shè)計(jì)的系統(tǒng)及其控制策略在主動(dòng)波浪補(bǔ)償模式下的軌跡控制性能，輸入一個(gè)幅值為±1m，頻率為0.08Hz的正弦參考信號(hào)(最大速度0.5m/s)，仿真結(jié)果如圖3所示。從仿真結(jié)果可以看出，液壓缸的實(shí)際位移曲線與輸入的參考信號(hào)位移曲線高度一致，其誤差控制在±0.006m范圍之間。因此，設(shè)計(jì)的棧橋多功能伸縮補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制。

(a)正弦位置追蹤仿真結(jié)果 (b)正弦位置追蹤誤差仿真結(jié)果圖3 仿真結(jié)果

4.2 恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償控制分析

在圖2模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步修改參考位置信號(hào)、兩位四通比例換向閥的輸入信號(hào)與控制器輸出信號(hào)等參數(shù)，研究系統(tǒng)由主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制模式切換至恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償控制模式時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)。此外，在AMEsim軟件中，搭建伸縮機(jī)構(gòu)的恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償控制仿真分析模型，研究在波浪擾動(dòng)引起船體位移發(fā)生偏離情況下的撐緊力控制性能，如圖4所示。

圖5為系統(tǒng)由主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制模式切換至恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償控制模式時(shí)的系統(tǒng)壓力與位移響應(yīng)。此時(shí)，主動(dòng)波浪補(bǔ)償位置控制參考值為1m，并設(shè)置對(duì)接目標(biāo)距離1.05m。系統(tǒng)在3s～5s采用主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制模式，5s～10s采用恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償控制模式(位置控制器輸出為0)。為實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換，從5s開始兩位四通比例閥閥口線性開啟(開啟速率根據(jù)壓差決定)，直至最大開口。由仿真可知，模式切換過程中，伸縮液壓缸無桿腔壓力穩(wěn)定過渡， 直至與蓄能器壓力相同， 且位移平穩(wěn)變化。 因此， 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)及控制策略可保證主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制模式至恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償控制模式的平穩(wěn)切換。

圖4 波浪擾動(dòng)下的恒撐力仿真分析模型

(a)位移-時(shí)間的變化曲線 (b)壓力-時(shí)間的變化曲線 (c)支撐力-時(shí)間的變化曲線圖5 壓力與位移響應(yīng)

圖6為系統(tǒng)受到一個(gè)幅值為±1m、頻率為0.08Hz的正弦位移擾動(dòng)時(shí)(最大速度0.5m/s)，伸縮補(bǔ)償系統(tǒng)的壓力時(shí)間響應(yīng)特點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，支撐力波動(dòng)控制在±400N以內(nèi)。因此，設(shè)計(jì)的恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償控制系統(tǒng)在面對(duì)復(fù)雜快速的波浪擾動(dòng)時(shí)，可保證撐緊力的穩(wěn)定，避免棧橋末端與目標(biāo)發(fā)生脫離，同時(shí)避免過大接觸力的發(fā)生。

4.3 低阻力自由位置波浪補(bǔ)償控制分析

在圖2模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步修改參考位置信號(hào)、兩位四通液控?fù)Q向閥控制信號(hào)與控制器輸出信號(hào)等，研究系統(tǒng)由主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制模式切換至低阻力自由位置波浪補(bǔ)償控制模式時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)。在AMEsim軟件中，搭建伸縮機(jī)構(gòu)的低阻力自由位置波浪補(bǔ)償控制仿真分析模型，研究在波浪擾動(dòng)引起船體位移發(fā)生偏離的情況下，伸縮液壓系統(tǒng)的隨動(dòng)補(bǔ)償性能，如圖7所示。

為分析系統(tǒng)由主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制模式切換至低阻力自由位置波浪補(bǔ)償控制時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)，在仿真過程中，讓系統(tǒng)在3s～5s工作在主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制模式，5s時(shí)切換至低阻力自由位置波浪補(bǔ)償控制模式，仿真結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，在切換過程中，伸縮液壓缸的無桿腔與有桿腔壓力迅速恢復(fù)至回油壓力，切換過程未引起壓力與位置沖擊。

圖7 波浪擾動(dòng)下的低阻力自由位置波浪補(bǔ)償分析模型

在圖7所示模式中，施加一個(gè)幅值為±1m、頻率為0.08Hz的正弦位移擾動(dòng)時(shí)(最大速度0.5m/s)，系統(tǒng)響應(yīng)分析結(jié)果如圖9所示。由圖可知， 無桿腔與有桿腔壓力波動(dòng)可

以控制在±0.6bar以內(nèi)，伸縮阻力可以控制在±160N以內(nèi)(不包括伸縮液壓缸自身的慣性力)。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新型海工棧橋多功能伸縮補(bǔ)償液壓控制系統(tǒng)，具備主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制、恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償控制與低阻力自由位置波浪補(bǔ)償控制三種功能。主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制可滿足無搭接工況，以及有搭接的搭接前工況的末端位置補(bǔ)償，避免棧橋末端與目標(biāo)物間剛性碰觸。恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償控制適用于有搭接側(cè)面的作業(yè)目標(biāo)，通過對(duì)棧橋末端與目標(biāo)物間接觸力的精確控制，避免棧橋末端與目標(biāo)物發(fā)生脫離與剛性接觸，保證人員與物料的安全運(yùn)輸。低阻力自由位置波浪補(bǔ)償控制適用于有搭接平面的作業(yè)目標(biāo)，通過降低棧橋關(guān)節(jié)隨動(dòng)阻力，保證復(fù)雜工況下搭接點(diǎn)的可靠性，保證人員與物料的安全運(yùn)輸。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)可以很好地完成上述功能。此外，由主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制至恒撐力被動(dòng)波浪補(bǔ)償控制的切換，以及由主動(dòng)波浪補(bǔ)償控制至低阻力自由位置波浪補(bǔ)償控制的切換，平穩(wěn)無沖擊?；诒疚牡脑碓O(shè)計(jì)，下一步可開展工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用設(shè)計(jì)研究。

(a)液壓缸壓力-時(shí)間變化曲線 (b)液壓缸位移-時(shí)間變化曲線圖8 仿真結(jié)果

(a)位移-時(shí)間變化曲線 (b)壓力-時(shí)間變化曲線 (c)伸縮阻力-時(shí)間變化曲線圖9 系統(tǒng)響應(yīng)分析結(jié)果