劉竹麗，劉夢(mèng)奇，王建敏，王治敏

(1.鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2.鄭州天時(shí)海洋石油裝備有限公司，河南鄭州 450001)

0 前言

自升式風(fēng)電安裝船是海上風(fēng)電設(shè)備安裝及運(yùn)維的專用船舶[1]。船體到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)后，通過升降系統(tǒng)將船體頂升至離水面一定高度，樁腿固定于海床，形成相對(duì)穩(wěn)固的作業(yè)平臺(tái)[2]。根據(jù)不同工作原理，升降系統(tǒng)主要有纜索式、液壓插銷式、齒輪齒條式等3種。液壓插銷式升降系統(tǒng)有體積小、功重比大、傳動(dòng)效率高[3]等特點(diǎn)，應(yīng)用比較廣泛。工作過程中，因平臺(tái)及樁腿所受載荷的變化、偏載[4]以及液壓系統(tǒng)各組成元件的差異等原因，會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)傾斜及各樁腿頂推油缸不同步等問題。實(shí)際工程中液壓系統(tǒng)為開環(huán)控制，不能消除偏差，主要通過停機(jī)、手動(dòng)單點(diǎn)方式調(diào)平，工作效率低。目前對(duì)風(fēng)電安裝船的研究主要集中在升降系統(tǒng)的整體方案[5]和樁腿[6]，對(duì)液壓插銷式升降系統(tǒng)同步控制的研究較少。另外，在液壓同步控制中，主要采用的是同等控制或者主從控制策略[7-8]；耦合同步控制策略在多電機(jī)同步控制領(lǐng)域取得顯著的成果[9-11]，但在液壓同步控制領(lǐng)域中應(yīng)用較少[12]。液壓插銷式升降系統(tǒng)同步控制的可靠性、高同步精度仍有待研究。

本文作者針對(duì)自升式風(fēng)電安裝船樁腿升降液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種二級(jí)同步控制方案。引入速度跟蹤-位移耦合同步控制策略，模糊PID控制算法，以AMESim為平臺(tái)建立液壓仿真模型，以MATLAB/Simulink為環(huán)境建立控制系統(tǒng)模型，通過聯(lián)合仿真，驗(yàn)證二級(jí)同步控制策略的合理性以及有效性。

1 樁腿液壓升降裝置工作原理

風(fēng)電安裝船單樁腿液壓升降系統(tǒng)主要由動(dòng)/定環(huán)梁、上/下插銷、4個(gè)升降油缸等部件組成[13]，如圖1所示。其功能是實(shí)現(xiàn)樁腿升降、平臺(tái)升降、收樁、降樁。在平臺(tái)上升工況中，升降裝置受力最大且需要實(shí)現(xiàn)同步控制，其工作流程如圖2所示。

2 同步控制策略設(shè)計(jì)

2.1 同步控制原理

開環(huán)閥控同步控制具有高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，閉環(huán)電液比例控制精度相對(duì)較高。根據(jù)液壓樁腿升降系統(tǒng)的要求，將二者結(jié)合，借鑒多電機(jī)同步控制在耦合同步控制策略方面的研究成果，運(yùn)用偏差耦合控制策略，結(jié)合模糊PID控制算法，形成樁腿升降二級(jí)同步控制方案。

采用單向調(diào)速閥在主油路上對(duì)油液進(jìn)行一級(jí)調(diào)節(jié)；通過比例換向閥在旁油路上進(jìn)行二次調(diào)節(jié)。系統(tǒng)一級(jí)同步精度由調(diào)速閥決定，雖然同步精度稍差，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；為提高同步精度，在旁油路上把同步誤差信號(hào)輸入比例方向閥對(duì)主油路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。由于主油路由單向調(diào)速閥分流，即使在比例方向閥意外斷電或者損壞的情況下仍可以工作。其系統(tǒng)原理如圖3所示。

以升降平臺(tái)上升工況為例，設(shè)液壓缸4.1運(yùn)行速度較快，產(chǎn)生位移誤差，位移傳感器檢測(cè)到偏差后，經(jīng)過控制器輸出負(fù)信號(hào)并作為比例方向閥2.1的輸入信號(hào)，使比例方向閥工作在右位，多余油液從比例方向閥排出，降低液壓缸4.1的運(yùn)行速度，減小同步誤差；相反，控制器輸出正信號(hào)使比例方向閥工作在左位，補(bǔ)充油液，提高液壓缸運(yùn)行速度，減小同步誤差。

2.2 樁腿液壓升降系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

規(guī)定液壓桿外伸時(shí)方向?yàn)檎?，單個(gè)液壓缸回路簡(jiǎn)化模型如圖4所示，主要包括比例方向閥、調(diào)速閥和非對(duì)稱液壓缸。

(1)比例方向閥流量方程

設(shè)FL為液壓缸外負(fù)載力，p1、p2和A1、A2分別為無(wú)桿腔、有桿腔壓力(Pa)和面積(m2)。定義χ=A2/A1，當(dāng)液壓缸處于平衡狀態(tài)時(shí)，負(fù)載壓力pL為

(1)

比例方向閥提供的負(fù)載流量Q1為

(2)

式中：uv為比例方向閥的控制信號(hào)，-1

(2)調(diào)速閥流量方程

調(diào)速閥補(bǔ)償由于負(fù)載變化而引起的節(jié)流閥進(jìn)出口壓力變化Δp，使Δp基本保持一致，從而保證輸出流量的穩(wěn)定。定義Δp=ps2-p1，其中ps2為主油路供油壓力。調(diào)速閥提供的負(fù)載流量Q2計(jì)算式為

(3)

式中：Qv為調(diào)速閥調(diào)定流量，m3/s；Δpmin為最小壓差(Pa)；Cd為節(jié)流系數(shù)；A0為閥口截面積(m2)；ρ為液壓油密度(kg/m3)。

(3)非對(duì)稱缸流量連續(xù)性方程

若忽略管道中壓力的沿程損失，油溫和油液體積彈性模量為常數(shù)，則液壓缸內(nèi)外泄漏均為層流流動(dòng)。負(fù)載流量Q[14]為

(4)

式中：y為液壓缸位移，m；Ctp為液壓缸總泄漏系數(shù)；βe為有效體積彈性模量，Pa；Vt為總壓縮容積，m3。

(4)液壓缸與負(fù)載的力平衡方程

負(fù)載一般可以簡(jiǎn)化成質(zhì)量塊、阻尼、彈簧的二階模型，設(shè)m為活塞及負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量(kg),b為活塞及負(fù)載的黏性阻尼系數(shù),k為負(fù)載的彈簧剛度，則液壓缸與負(fù)載的力平衡方程為

(5)

式(1)—式(5)經(jīng)過拉氏變換，聯(lián)立可得液壓缸輸出位移為

(6)

3 升降裝置模型建立及仿真

3.1 聯(lián)合仿真模型建立

只考慮液壓缸伸出的同步性能，不考慮液壓鎖、平衡閥、緩沖回路的影響，對(duì)單樁腿上升液壓系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。在AMESim上建立液壓仿真模型，如圖5所示。在MATLAB/Simulink上建立控制模型，以AMESim和Simulink聯(lián)合仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)單樁腿的4個(gè)液壓缸組成的升降系統(tǒng)的仿真分析。

根據(jù)HSJ-2800TS風(fēng)電安裝船的工程實(shí)際要求，液壓系統(tǒng)主要參數(shù)如下：液壓缸行程1.62 m，活塞直徑650 mm，桿徑320 mm，泄漏系數(shù)0. 04 L/(min·MPa)，油缸給定運(yùn)行速度r(t)=0.003 3 m/s，主油路供油壓力25 MPa，旁油路供油壓力25 MPa，每缸負(fù)載力0～7 000 kN，調(diào)速閥調(diào)定流量65 L/min，采用6通徑、三位四通直動(dòng)式比例方向閥，流量Q=8 L/min，對(duì)應(yīng)壓降Δp=3 MPa。

液壓缸上均設(shè)置位移傳感器用來(lái)檢測(cè)液壓缸活塞桿位移，系統(tǒng)采用速度跟蹤-位移補(bǔ)償控制，二級(jí)耦合同步控制策略如圖6所示。給定速度r(t)與液壓缸輸出速度作差值形成速度跟蹤信號(hào)，位移輸出耦合算法取各液壓缸位移的平均值作為每個(gè)液壓缸的評(píng)價(jià)位移，并與各液壓缸實(shí)際位移進(jìn)行比較，作為位移補(bǔ)償信號(hào)；通過速度-位移偏差耦合控制方式把多個(gè)液壓缸聯(lián)系起來(lái)，使彼此之間相互影響，在每個(gè)液壓缸速度達(dá)到給定值的同時(shí)，結(jié)合其他液壓缸實(shí)際位移情況對(duì)自身控制器的輸出進(jìn)行補(bǔ)償。在樁腿液壓缸同步控制策略中，速度控制器采用常規(guī)的PID控制算法；位移輸出補(bǔ)償采用二輸入三輸出的模糊PID控制器，其中位移誤差e(t)和誤差變化率ec(t)作為輸入量，Δkp、Δki、Δkd為輸出量，模糊語(yǔ)言集合均{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，子集中的元素分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大[15]。

3.2 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

(1)系統(tǒng)階躍響應(yīng)分析

根據(jù)工程實(shí)際，在給定速度r(t)下，單液壓缸負(fù)載取7 000 kN，液壓缸4.1速度階躍響應(yīng)曲線如圖7所示?？芍荷涤透状蠹s在2 s時(shí)基本達(dá)到勻速狀態(tài)，無(wú)超調(diào)量，響應(yīng)速度快，具有良好的啟動(dòng)特性和速度穩(wěn)定性。油缸速度主要由調(diào)速閥調(diào)定，旁路比例方向閥只對(duì)小流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，補(bǔ)償偏載、系統(tǒng)非線性等原因造成的同步誤差。

(2)不同偏載情況下的同步性能分析

研究極端條件下的同步性能，對(duì)下面4種不同偏載情況進(jìn)行分析，括號(hào)內(nèi)依次對(duì)應(yīng)1～4號(hào)液壓缸上的負(fù)載：a(0,7 000, 7 000, 7 000)kN、b(0, 0, 7 000, 7 000)kN、c(0, 0, 0, 7 000 )kN、d(4 000, 5 000, 6 000,7 000)kN。各工況下同步誤差仿真計(jì)算結(jié)果如圖8所示?？芍?jiǎn)?dòng)時(shí)，偏載致使進(jìn)入各液壓缸油的流量不同，而旁路補(bǔ)償作用尚未發(fā)揮，同步誤差稍大，但均在0.5 mm以下；隨著旁路比例方向閥對(duì)主油路流量的微調(diào)，6 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，各工況同步誤差均趨于0。可以看出，系統(tǒng)對(duì)各種不同偏載工況具有較快的響應(yīng)速度和較高的同步精度。

(3)比例方向閥損壞情況的同步性能

以偏載工況a為例，設(shè)在時(shí)間t=30 s時(shí)比例方向閥2.4突然掉電，在t=31 s時(shí)比例方向閥2.4正常工作，系統(tǒng)同步性能如圖9、圖10所示。可知：比例方向閥2.4突然掉電時(shí)，液壓缸4.4失去旁路油路補(bǔ)償作用，速度突然降低，其他缸比例方向閥正常工作，但跟隨液壓缸4.4運(yùn)動(dòng)，速度同時(shí)突然降低；比例閥2.4恢復(fù)工作時(shí)，液壓缸4.4速度快速上升，位移同步誤差最大達(dá)到0.35 mm，其他3個(gè)液壓缸跟隨液壓缸4.4運(yùn)動(dòng)，速度同時(shí)上升，當(dāng)t=40 s時(shí)，4個(gè)液壓缸速度相同，同步誤差基本為0。從上面分析可以得知，當(dāng)比例方向閥意外斷電時(shí)，系統(tǒng)仍具有較高的同步精度和較快的響應(yīng)速度。

(4)傳感器受干擾時(shí)系統(tǒng)仿真分析

在偏載工況a下，以正態(tài)隨機(jī)信號(hào)模擬位移傳感器受到的干擾，速度及同步位移仿真結(jié)果分別如圖 11、圖 12所示?？芍?個(gè)液壓缸在30 s時(shí)速度基本保持一致，最大同步誤差小于0.3 mm。由此知，在傳感器受干擾情況下，該系統(tǒng)仍具有較高的同步精度。

4 結(jié)論

(1)考慮到風(fēng)電安裝船升降過程中同步控制的要求，將開環(huán)閥控同步控制(高可靠性)與閉環(huán)電液比例控制(高精度)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了二級(jí)液壓同步控制系統(tǒng)，使旁路伺服系統(tǒng)對(duì)主油路油液進(jìn)行微調(diào)，保證同步精度。

(2)引入偏差耦合同步控制策略，提高同步精度；采用模糊PID控制算法，提高系統(tǒng)的魯棒性。

(3)結(jié)果表明：二級(jí)同步控制具有無(wú)超調(diào)、響應(yīng)速度快、抗偏載能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；驗(yàn)證了二級(jí)同步控制液壓系統(tǒng)的抗干擾性及有效性。