葉 勇，魏遼國，江一帆

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

船用波浪補償技術(shù)的研究

葉 勇，魏遼國，江一帆

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

為了突破波浪補償技術(shù)的研發(fā)瓶頸，振華重工攻克了主動波浪技術(shù)的難點，成功設(shè)計出帶有主動波浪補償技術(shù)的克令吊，該克令吊的研發(fā)成功，對我國掌握波浪補償技術(shù)具有重大意義。

船用；波浪補償；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行作業(yè)時，時常會碰到復(fù)雜的波浪運動，造成船舶橫搖、縱搖和升沉等復(fù)雜的相對運動，給裝卸帶來困難和危險。如何解決海上工程船舶吊裝過程中的波浪運動問題，就要求船上配置的設(shè)備具有波浪補償能力。

本文對船用補償技術(shù)進行了介紹，著重研究了振華重工（集團）公司（下稱：振華重工）設(shè)計的主動波浪補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，為波浪補償關(guān)鍵技術(shù)推廣到國內(nèi)裝備領(lǐng)域提供了參考依據(jù)。

1 波浪補償技術(shù)的分類及適用范圍

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

按照動力的來源，可以分為隨動補償和主動補償技術(shù)。隨動補償技術(shù)又可以分為恒張力補償和隨動補償技術(shù)。

恒張力補償系統(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。整個補償裝置中，由油缸執(zhí)行對力和高度的補償，并有控制器對位置、速度、壓力、張力的信號進行反饋和控制，控制油缸進行相關(guān)的補償動作，實現(xiàn)波浪補償功能。

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

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

圖1 恒張力補償系統(tǒng)簡圖

圖2 隨動波浪補償系統(tǒng)簡圖

2 振華重工的主動波浪補償克令吊

主動波浪補償克令吊由機械系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和液壓馬達驅(qū)動系統(tǒng)等組成（見圖3）。

起升絞車、起重臂架、鋼絲繩和滑輪纏繞系統(tǒng)等組成了機械系統(tǒng)。起升絞車安裝在起重機上，起升卷筒通過鋼絲繩連接負載，負載沉浸在水中。起重臂架折臂少，結(jié)構(gòu)緊湊，減少了臂架的搖擺。檢測系統(tǒng)由傳感器及數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成，實現(xiàn)船舶姿態(tài)運動、鋼絲繩張力以及負載張力、位移、速度等信號的實時檢測?？刂葡到y(tǒng)由硬件硬件和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)檢測系統(tǒng)所檢測到的信號和反饋量通過智能控制算法控制電液機構(gòu)。液壓驅(qū)動系統(tǒng)采用二次馬達調(diào)速技術(shù)，二次調(diào)節(jié)技術(shù)能夠快速有效的實現(xiàn)卷筒的正反轉(zhuǎn)調(diào)速，并配置蓄能器，實現(xiàn)能量的回收和反饋功能。

圖3 ZPMC-30t波浪補償克令吊系統(tǒng)圖

2.1 主要參數(shù)

1）普通吊機模式

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）主動補償模式

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 液壓馬達驅(qū)動系統(tǒng)

30t波浪補償克令吊主起升絞車由五個液壓二次馬達驅(qū)動，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。二次液壓馬達與恒壓網(wǎng)絡(luò)相連，經(jīng)減速器，帶動絞車滾筒轉(zhuǎn)動[2]。二次控制系統(tǒng)是通過液壓馬達排量調(diào)節(jié)而實現(xiàn)速度、轉(zhuǎn)向控制，從而實現(xiàn)絞車的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變化，實現(xiàn)補償功能，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)是一個開式和閉式系統(tǒng)的結(jié)合體，它本身需要借一個近似恒壓系統(tǒng)為配套一起使用。在二次控制馬達和近似恒壓系統(tǒng)之間不帶任何調(diào)速閥組，它是通過指令傳給二次馬達，而使馬達的排量發(fā)生變化，以達到液壓馬達的輸出扭矩發(fā)生變化，從而使液壓馬達所驅(qū)動的機構(gòu)速度發(fā)生變化以達到外界對此機構(gòu)的速度要求。這就是所謂的“壓力耦合系統(tǒng)”。從這點可看到泵和二次控制馬達在工作時無任何節(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。

能量回收對于應(yīng)用在主動波浪補償上是非常重要的，這主要靠二次控制馬達與蓄能器組成。而二次控制馬達本身是可以在正、負擺角下變化工作，同時伴隨著蓄能器對能量的吸收和吐出。主動波浪補償是一個周期性運動，主絞車工作時是不停的正反轉(zhuǎn)而收纜和放纜的。理論上，主動波浪補償運動是一個動量回收和釋放的過程，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，利用其自身的重量向下運動（有保護裝置），此時二次元件的排量逐漸減小，馬達工作于“泵”工況。反饋回來的能量儲存在蓄能器中，作為下次船舶上升啟動的能量使用。

主動恒張力調(diào)節(jié)也是通二次控制馬達來實現(xiàn)，正因為是壓力耦合系統(tǒng)，在主動恒張力微調(diào)時便可以在很短的時間內(nèi)作出反應(yīng)，另外動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載情況下進行無級調(diào)節(jié)。我們將工況分成幾個等級，從而調(diào)節(jié)壓力，再加二次控制，可以等同于一個可調(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行控制，控制油缸的流量通過伺服閥控制。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)生的控制信號經(jīng)過轉(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，實現(xiàn)二次控制元件的排量變化，實現(xiàn)無級調(diào)速。

圖5 二次馬達控制原理圖

2.4 主動波浪補償控制算法原理

主動波浪補償是一個非線性系統(tǒng)，而且慣量大，控制器、感應(yīng)器、執(zhí)行機構(gòu)之間信號傳輸頻繁，參數(shù)時變，同時執(zhí)行機構(gòu)最終接收控制器信號延后，往往產(chǎn)生時滯。主動波浪補償要想達到一定的控制精度，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)時變、鋼絲繩彈性因素和水下負載的阻尼等非線性因素對主動升沉補償控制性能的影響，提高機械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的補償效率。

圖6 控制算法圖

可以將主動波浪補償系統(tǒng)看作是一個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)和擾動前饋補償控制系統(tǒng)等組成，如圖6所示，其所起的作用為位置控制、擾動前饋控制、恒張力控制與過載保護。位置控制主要是偏差控制，是給定的負載相對懸掛支點的垂直方向位移與負載實際運動位移的偏差控制過程。擾動前饋控制是為了抵消因海浪引起的船體升沉運動從而對負載運動位移的干擾作用。恒張力控制與過載保護是對速度的限制，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載的運動狀況，而由于水下負載的運動狀況很難準(zhǔn)確測量，或者檢測成本極高，因此也就不可能直接反饋水下負載的運動參數(shù)。為此，將吊載和鋼絲繩、阻尼等因素對波浪補償影響簡化為如圖7所示的負載運動模型。

圖7 負載運動模型

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)為水下負載運動位移；H0(t)為位移；R為卷筒半徑；θ為卷筒轉(zhuǎn)角；Fstatic為負載的靜態(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為懸掛點下鋼絲繩重量，lrope為鋼絲繩長。

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；

負載阻尼系數(shù)C：

式中，ρwater為海水密度；Aload為負載有效面積；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。

通過安裝于絞車上的絕對值編碼器，從而可以得到絞車收放鋼絲繩的運動位移。張力檢測傳感器，得到鋼絲繩張力。通過船舶運動姿態(tài)檢測傳感器MRU可以檢測當(dāng)前時刻的懸掛支點處的升沉位移。然后通過上述的動力學(xué)模型，即可以計算得到水下負載的運動參數(shù)，將此運動參數(shù)作為反饋參數(shù)，反饋到給定的負載運動路徑信號，根據(jù)運動偏差設(shè)計智能控制算法，確保水下負載按照設(shè)定的路徑運動。

由于按照上述動力學(xué)模型計算所得到的運動參數(shù)有較大的擾動突變項，因此為了是反饋參數(shù)變得稍平緩，可以加入一個一階慣性函數(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)，進行擾動前饋控制，得到電壓uforward，該電壓為擾動前饋控制電壓。讀取卷筒絕對值編碼器和張力傳感器數(shù)據(jù)，進行動力學(xué)模型計算，通過與操作手柄的控制指令信號進行比較分析，利用位移偏差信號進行不完全微分法計算，得出反饋控制電壓ufeedback，控制器通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸出總的控制電壓u=uforward+ufeedback，該電壓為馬達驅(qū)動電壓，從而驅(qū)動絞車馬達，實現(xiàn)主動波浪補償功能。

3 結(jié)束語

本文對相關(guān)波浪補償技術(shù)進行了介紹。文中著重介紹了振華重工設(shè)計的主動波浪補償克令吊所采用二次馬達控制系統(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)計成功，標(biāo)志著長期處于滯后狀態(tài)的主動波浪補償技術(shù)向前推進了一大步，同時對波浪補償技術(shù)的推廣和應(yīng)用有著重要的作用。

[1] 吳思宇. 基于模糊PDF海工克令吊波浪補償系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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(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用[J]. 電氣自動化, 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：海洋工程重型錨機及深水錨機研發(fā)。