周玉偉 章 青 石云飛

天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津，300350

0 引言

隨著社會(huì)科技與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求量日益增大，而陸上常規(guī)油氣資源逐漸枯竭，于是全球油氣業(yè)界將目光投向了海洋［1］。如今，海上油氣資源開發(fā)力度不斷加大，各類海上油氣開采平臺(tái)也逐漸向著大型化和綜合化發(fā)展，單個(gè)平臺(tái)組塊的質(zhì)量從2 000 t增至28 000 t左右，同時(shí)海上能源的開采范圍也擴(kuò)張到遠(yuǎn)離海岸的深海區(qū)域［2］。但受限于采油地點(diǎn)及環(huán)境等因素，傳統(tǒng)的浮吊拼裝的方法由于安裝周期長(zhǎng)、施工成本高、安裝精度低及施工安全性差等原因，不適用于大型平臺(tái)的安裝［3］。浮托法是利用駁船載運(yùn)結(jié)構(gòu)物并依靠海洋潮位、駁船調(diào)載實(shí)施結(jié)構(gòu)物上下升降的一項(xiàng)技術(shù)［4］。在浮托安裝的過程中，海上平臺(tái)與駁船之間設(shè)有裝船框架（deck support frame，DSF），因此，在將平臺(tái)拖裝至運(yùn)載駁船前，首先需抬升平臺(tái)至裝船框架要求的高度。大位移連續(xù)頂升技術(shù)是平臺(tái)浮托安裝法中的一項(xiàng)重要技術(shù)。

由于平臺(tái)組塊具有體積大、質(zhì)量大等特點(diǎn)，在連續(xù)頂升的過程中，對(duì)系統(tǒng)的同步性和穩(wěn)定性就具有較高的要求。本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況（要求頂升過程在45mm/m in的速度下，同步精度達(dá)到±3 mm），采用同步分流液壓泵配合模糊PID控制，實(shí)現(xiàn)單個(gè)樁腿支點(diǎn)內(nèi)頂升油缸的同步和樁腿支點(diǎn)之間的同步；通過建立連續(xù)頂升系統(tǒng)仿真模型，對(duì)頂升過程中的位移同步性和穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)出一套用于實(shí)驗(yàn)研究的大型結(jié)構(gòu)物連續(xù)頂升系統(tǒng)樣機(jī)，并對(duì)該液壓控制系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 單支點(diǎn)液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用同步分流液壓泵對(duì)單支點(diǎn)內(nèi)的4個(gè)液壓缸進(jìn)行同步控制，其單支點(diǎn)液壓系統(tǒng)原理圖見圖1。該液壓回路可分為容積同步頂升回路以及系統(tǒng)夾持回路。

圖1 單支點(diǎn)容積同步液壓回路原理Fig.1 Hydrau lic p rincip le of the volum e synch ronization con trolm ode in thesingle jack-up point

圖1中，雙點(diǎn)畫線所框回路為單支點(diǎn)容積同步頂升回路。該回路通過同步分流液壓泵13同時(shí)輸出4路等流量液壓油，分別為4個(gè)頂升液壓缸供油。三位四通換向閥7能夠?qū)崿F(xiàn)液壓缸的同步頂升和同步下降功能，同時(shí)M型中位機(jī)能配合夾持回路的二位三通換向閥12，從而實(shí)現(xiàn)同步分流液壓泵13向夾持回路供油。

2 液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

2.1 同步分流液壓泵模型的建立

分流液壓泵的工作原理是：在每個(gè)柱塞泵腔中使用單向閥將油液從吸油口導(dǎo)向出油口，允許每個(gè)柱塞泵腔的輸出可以分開使用，每個(gè)柱塞輸出的流量可以被分隔開［5］。在本系統(tǒng)中，單支點(diǎn)的同步頂升液壓系統(tǒng)采用此種同步分流液壓泵進(jìn)行同步，以確保樁腿支點(diǎn)內(nèi)頂升油缸運(yùn)動(dòng)的同步性。根據(jù)同步分流液壓泵的工作原理，通過AM ESim中的液壓元件設(shè)計(jì)庫（hydraulic com po?nent design，HCD）建立仿真模型，見圖2。模型中，4個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)模塊分別作用于4個(gè)活塞模塊，分別設(shè)定4個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)模塊的初始相位為0°、90°、180°、270°，以此來模擬實(shí)際工況中1個(gè)凸輪作用在4個(gè)柱塞腔的情況；使用帶摩擦的質(zhì)量模塊、帶彈簧的活塞模塊和帶有錐形底座的球形提升閥組成吸油口和出油口的單向閥。

2.2 整體液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)大型結(jié)構(gòu)物連續(xù)頂升液壓系統(tǒng)原理搭建液壓系統(tǒng)仿真模型。該連續(xù)頂升液壓系統(tǒng)共有4個(gè)頂升樁腿支點(diǎn)，每個(gè)支點(diǎn)有4個(gè)頂升油缸支撐，位移信號(hào)和控制信號(hào)通過Simulink聯(lián)合仿真接口模塊進(jìn)行傳輸。在AMESim軟件中建立仿真模型，見圖3；根據(jù)實(shí)際元件的選型設(shè)定仿真的主要參數(shù)，見表1。運(yùn)用AMESim軟件中的超級(jí)元件功能，將同步分流液壓泵的AMESim模型封裝到一個(gè)超級(jí)元件的圖標(biāo)中，使得模型更加簡(jiǎn)潔、直觀。

表1 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 M ain param eters of hyd rau lic system

3 基于位移模糊控制的多點(diǎn)主從同步控制模型

3.1 多點(diǎn)主從控制策略

采用主從控制方法進(jìn)行控制：對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)同步控制的多個(gè)執(zhí)行元件，從中選取一個(gè)元件的輸出作為理想輸出，將輸出結(jié)果反饋到其他元件，這些元件根據(jù)設(shè)定的控制策略跟蹤選定的輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到多個(gè)元件同步控制的效果［6］，見圖4。在多點(diǎn)容積同步連續(xù)頂升控制系統(tǒng)中，將主支點(diǎn)的位移信號(hào)作為控制信號(hào)，其余從動(dòng)支點(diǎn)的位移跟隨控制信號(hào)進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步頂升。

圖4 主從控制模型框圖Fig.4 Block d iagram ofm aster-slave con trol

3.2 連續(xù)頂升系統(tǒng)模糊PID控制

模糊PID控制實(shí)現(xiàn)流程見圖5。控制器根據(jù)一定模糊規(guī)則將已模糊化的誤差e以及誤差變化率c，離線式查詢已經(jīng)構(gòu)建的模糊規(guī)則表，得到PID控制參數(shù)的增量模糊值。經(jīng)過反模糊規(guī)則，將獲得的PID控制參數(shù)的增量模糊值反模糊化，并重新計(jì)算PID控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)模糊PID控制［7?8］。

本文結(jié)合連續(xù)頂升系統(tǒng)的同步控制要求與特點(diǎn)，參考模糊控制原則［9］，確定了模糊控制器輸入變量為主從頂升油缸之間的同步誤差e和同步誤差變化率c，輸出變量ΔKP、ΔKI、ΔKD分別為模糊PID控制參數(shù)KP、KI、KD的增量；為便于設(shè)計(jì)，取本系統(tǒng)的輸入輸出變量的論域均為［-6，6］；定義了模糊子集{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}（依次為負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大）來描述語言變量的值；選擇等腰三角形隸屬度函數(shù)，以Δ KP的隸屬度函數(shù)為例，見圖6；建立形如“if……then……”的模糊規(guī)則［10］，輸出變量ΔKP、ΔKI、Δ KD的模糊規(guī)則見表2～表4。

圖6 ΔK P的隸屬度函數(shù)Fig.6 M em bership function ofΔK P

表2 ΔK P的模糊規(guī)則表Tab.2 Fuzzy ru le tab le ofΔK P

表3 ΔK I的模糊規(guī)則表Tab.3 Fuzzy rule tab le ofΔK I

表4 ΔK D的模糊規(guī)則表Tab.4 Fuzzy ru le tab le ofΔK D

3.3 模糊PID多點(diǎn)主從同步控制仿真模型

在多點(diǎn)主從同步控制策略和模糊PID控制方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建多點(diǎn)主從位移同步模糊控制，見圖7；在Simulink中建立控制系統(tǒng)仿真模型，見圖8,其中，PID控制器子模塊模型見圖9。在連續(xù)頂升系統(tǒng)模糊PID控制仿真模型中，聯(lián)合仿真接口模塊可以與AMSim軟件進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)位移信號(hào)的采集和控制信號(hào)的發(fā)送；模糊PID控制器根據(jù)上文設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則建立。

圖7 多點(diǎn)主從位移同步模糊控制Fig.7 Fuzzy controlofmu lti-pointmaster-slave disp lacem ent synchronization

圖8 連續(xù)頂升系統(tǒng)模糊PID控制仿真模型Fig.8 Fuzzy PID control simu lation modelof continuous jack-up system

圖9 PID控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.9 Internal structu re of PID controller

4 同步控制仿真分析

基于同步分流液壓泵，大型結(jié)構(gòu)物連續(xù)頂升系統(tǒng)仿真分析采用均載工況進(jìn)行，總載荷為80 t（該載荷為樣機(jī)設(shè)計(jì)載荷）。分別從單樁腿位移誤差、樁腿位移、樁腿間位移誤差3個(gè)方面分析仿真結(jié)果。

4.1 單樁腿位移誤差分析

單樁腿位移誤差仿真結(jié)果見圖10。本系統(tǒng)使用同步分流液壓泵將單樁腿內(nèi)4個(gè)液壓缸的位移誤差控制在0.32mm以內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定后該誤差值穩(wěn)定在0.2 mm以內(nèi)，滿足連續(xù)頂升系統(tǒng)單樁腿內(nèi)的同步性要求。

圖10 單樁腿位移誤差仿真結(jié)果Fig.10 Sim u lation resu lt of disp lacem en t error w ithin the single jack-up poin t

4.2 主從位移跟隨分析

樁腿間主從位移跟隨仿真結(jié)果曲線圖和樁腿間位移誤差仿真結(jié)果見圖11和圖12。由圖11可知，從動(dòng)樁腿頂升液壓缸跟隨主樁腿頂升液壓缸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)位移，兩者曲線走勢(shì)及形狀近乎一致。由圖12可知，在頂升的開始階段，兩者的位移誤差較大，接近0.8mm，但隨著模糊PID控制的調(diào)節(jié)，其誤差逐漸減小并趨于穩(wěn)定，滿足連續(xù)頂升系統(tǒng)樁腿間的同步性要求。

圖11 樁腿間主從位移跟隨仿真結(jié)果Fig.11 Simu lation resu lt of disp lacem ent follow between points

圖12 樁腿間位移誤差仿真結(jié)果Fig.12 Simu lation resu lt of disp lacem ent error between poin ts

5 大型結(jié)構(gòu)物連續(xù)頂升系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)與結(jié)果分析

大型結(jié)構(gòu)物連續(xù)頂升系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)采用鋼結(jié)構(gòu)配重80 t，4個(gè)高度墊塊完全累加后的狀態(tài)見圖13。

圖13 大型結(jié)構(gòu)物連續(xù)頂升系統(tǒng)樣機(jī)Fig.13 The p rototype of con tinuous jack-up system of large structu res

頂升過程中所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。單樁腿內(nèi)的位移誤差趨勢(shì)圖見圖14。由圖14可知，該系統(tǒng)單樁腿內(nèi)位移誤差控制在0.6mm左右，并且最大誤差不超過1.2 mm。樁腿間主從位移跟隨曲線圖見圖15，兩者曲線形狀、走勢(shì)極為接近。樁腿間所有油缸位移最大值偏差趨勢(shì)圖見圖16，其樁腿間同步誤差保持在1.29 mm左右，最大誤差不超過2.5 mm。由于實(shí)際工況中存在很多不確定因素（如液壓缸、閥、機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造誤差等），故實(shí)際誤差比仿真結(jié)果略大，但仍在允許范圍內(nèi)，滿足大型結(jié)構(gòu)物連續(xù)頂升系統(tǒng)同步控制的要求。

圖14 單樁腿位移誤差趨勢(shì)Fig.14 Disp lacem ent error trend w ithin the single jack-up poin t

圖15 樁腿間主從位移跟隨曲線Fig.15 Disp lacement follow between points

圖16 樁腿間位移誤差趨勢(shì)Fig.16 Disp lacem ent error trend between points

6 結(jié)論

仿真結(jié)果顯示，單樁腿內(nèi)和樁腿間的位移誤差均滿足系統(tǒng)的同步性要求。通過該系統(tǒng)樣機(jī)的試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了基于同步分流液壓泵的液壓系統(tǒng)和多點(diǎn)主從位移模糊PID控制系統(tǒng)的應(yīng)用可行性。