崔 戈

（海軍裝備部，北京 100841）

波浪補償絞車穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性的試驗研究

崔 戈

（海軍裝備部，北京 100841）

在海上施工、科研考察和海洋平臺等領(lǐng)域中廣泛運用波浪補償絞車技術(shù)。本文介紹了一種波浪補償絞車組成、工作原理及試驗方案。通過試驗，分析了波浪補償絞車開環(huán)和閉環(huán)控制下的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，運用頻率分析儀對波浪補償絞車機、電、液系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)進行系統(tǒng)辨識，掌握了波浪補償絞車機電液系統(tǒng)的近似傳遞函數(shù)。最后提出了試驗應(yīng)該注意的事項，以為工程實際提供試驗研究和分析手段。

波浪補償絞車；穩(wěn)態(tài)特性；動態(tài)特性；掃頻；系統(tǒng)辨識

0 引言

波浪補償技術(shù)是在海上作業(yè)時，為減少海水波浪運動對作業(yè)任務(wù)的影響而采取的技術(shù)手段。為保障海上作業(yè)時人身和物資的安全，在海上施工、科研考察和海洋平臺等領(lǐng)域中廣泛運用波浪補償技術(shù)[1]。在實際工程應(yīng)用中，波浪補償絞車經(jīng)常使用電液伺服速度控制系統(tǒng)對海浪進行速度隨動控制來提高系統(tǒng)的剛度和減小伺服閥等參數(shù)變化的影響，并提高系統(tǒng)精度[2]。

本文通過在開環(huán)和閉環(huán)控制策略下對波浪補償絞車系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性進行研究，分析了電液絞車開環(huán)和閉環(huán)控制下的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，通過頻率分析儀進行了電液絞車開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的辨識，掌握系統(tǒng)的真實數(shù)學(xué)模型。最后得出波浪補償絞車滿足 5級海況下波浪補償絞車0.33 Hz隨動控制系統(tǒng)要求的結(jié)論，并提出試驗中的注意事項及今后需開展的研究。

1 波浪補償絞車被試設(shè)備組成及工作原理

波浪補償絞車被試設(shè)備包括電控系統(tǒng)、波浪補償絞車、負載絞車、帶有編碼器的導(dǎo)向滑輪、鋼絲繩、固定架及附件組成等組成，如圖1所示。其中負載絞車可模擬被補償設(shè)備的張力加載設(shè)定，電控系統(tǒng)為波浪補償絞車及負載絞車提供控制信號，編碼器為測試系統(tǒng)提供反饋信號。

圖1 波浪補償絞車被試設(shè)備組成

波浪補償電液絞車系統(tǒng)為泵控閉式系統(tǒng)，其傳動效率高，設(shè)備重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，可減少設(shè)備的驅(qū)動功率，常用于船舶設(shè)備和工程機械等移動式設(shè)備或傳遞功率較大的場合。圖2為波浪補償絞車液壓原理圖。它由伺服泵、控制泵、補油泵、低速大扭矩馬達、絞車及編碼器等組成，伺服泵集成了沖洗組件，并為低速大扭矩馬達和絞車提供足夠的壓力及調(diào)速需求，控制泵為伺服泵變量機構(gòu)提供控制油，補油泵為閉式系統(tǒng)提供補油流量，絞車可通過鋼絲繩連接需要被補償設(shè)備，編碼器為控制系統(tǒng)提供反饋信號。

圖2 波浪補償絞車液壓系統(tǒng)原理圖

2 試驗方案

試驗中使用φ10mm的鋼絲繩依次纏繞于波浪補償絞車、帶有編碼器的導(dǎo)向滑輪、負載絞車并構(gòu)成物理閉環(huán)，如圖1所示。并使用屏蔽電纜將防松裝置的編碼器與電控系統(tǒng)連接。以下試驗均在波浪補償絞車和負載絞車聯(lián)動控制的基礎(chǔ)上進行試驗。

波浪補償絞車穩(wěn)態(tài)特性測試采用信號發(fā)生器+示波器的方法，動態(tài)特性測試采用頻率特性分析儀(集成信號發(fā)生器)進行測試，測試系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)組成

動態(tài)特性測試采用正弦掃頻來模擬絞車的真實使用環(huán)境，充分驗證結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計缺陷，并檢驗結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的安全性、可靠性[3]，能更加準(zhǔn)確地指導(dǎo)設(shè)計過程，提出寶貴的設(shè)計修改意見。相關(guān)電信號及設(shè)備連接方案如圖4所示。

圖4 連接方案

3 波浪補償絞車開環(huán)和閉環(huán)控制穩(wěn)態(tài)特性試驗

3.1 開環(huán)控制穩(wěn)態(tài)特性試驗

波浪補償絞車速度開環(huán)控制穩(wěn)態(tài)特性試驗是在鋼絲繩張力為1t條件下進行的測試。為抵消負載力引起的零偏，波浪補償絞車控制系統(tǒng)輸入信號側(cè)加入0.48V偏置信號。另外，通過反復(fù)對比不同反饋增益對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的影響，確定電控系統(tǒng)PLC中波浪補償絞車速度信號反饋增益為64時，絞車穩(wěn)態(tài)特性最好。

采用信號發(fā)生器控制輸入三角波電壓信號(幅值：±10V，頻率：0.02Hz)，進行一完整循環(huán)掃描給出輸出量和輸入量關(guān)系的連續(xù)曲線[4]，得到系統(tǒng)輸入、輸出曲線，如圖5所示。

圖5 開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制特性測試曲線

由圖5可看出，由于馬達和油泵在負載絞車1t恒張力的條件下泄漏量增大，波浪補償絞車在輸入指令大于0時，速度輸出信號1小于指令輸入信號2對應(yīng)的絕對速度；而在輸入指令小于 0時，速度輸出信號信號大于指令輸入信號2對應(yīng)的絕對速度。

圖6為開環(huán)系統(tǒng)誤差分析?？煽闯觯到y(tǒng)速度誤差值最大處發(fā)生在正向波峰時，為+2V，由此可得出開環(huán)控制系統(tǒng)的速度誤差最大值為20%左右。

圖6 開環(huán)系統(tǒng)誤差分析

由以上數(shù)據(jù)分析，可得到波浪補償絞車系統(tǒng)在開環(huán)速度控制狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)特性曲線如圖7所示。

圖7 開環(huán)穩(wěn)態(tài)特性曲線

3.2 閉環(huán)控制穩(wěn)態(tài)特性試驗

根據(jù)被控對象的固有特性，閉環(huán)控制采用了PI控制算法。通過試驗，整定后KP=0.7；TI=0.27s。

采用同3.1中相同的信號進行一完整循環(huán)掃描給出的輸出量和輸入量關(guān)系的連續(xù)曲線，得到系統(tǒng)輸入、輸出曲線如圖8所示?？煽闯觯捎隈R達和油泵在負載絞車1t恒張力的條件下，輸出值跟隨輸入值曲線較開環(huán)的跟隨曲線好，從而證明了閉環(huán)速度控制系統(tǒng)對系統(tǒng)泄漏、溫度、外負載等并不敏感。

圖8 閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制特性測試曲線

由于測試條件限制，當(dāng)時只測試了±4V的穩(wěn)態(tài)特性曲線，其誤差分析結(jié)果如圖9所示，其誤差最大出現(xiàn)在0V左右，即運動速度接近0時，其控制誤差較大，但誤差絕對值均未超過0.72V，由此可得出閉環(huán)控制系統(tǒng)的速度誤差最大值為7.2%。

由以上數(shù)據(jù)分析，可得到波浪補償絞車系統(tǒng)在閉環(huán)速度控制狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)特性曲線如圖10所示。

圖9 閉環(huán)系統(tǒng)誤差分析

圖10 閉環(huán)穩(wěn)態(tài)特性曲線

3.3 開環(huán)和閉環(huán)控制穩(wěn)態(tài)特性對比

為具有可比性，將開環(huán)控制系統(tǒng)±4V內(nèi)測試的誤差數(shù)據(jù)和閉環(huán)系統(tǒng)±4V內(nèi)測試的誤差數(shù)據(jù)進行對比分析，如圖11、12所示，在±4V的測試范圍內(nèi)，速度閉環(huán)控制誤差最大值均發(fā)生在 0V(即速度為零)附近為0.72V；而開環(huán)速度控制誤差當(dāng)輸入電壓由-4V～+4V或+4V～-4V變化時，速度誤差最大值發(fā)生在±4V(速度最大)附近，實際采集的速度輸出電壓分別為1.2、0.8V。

圖11 速度由-4V～+4V變化時速度誤差曲線

圖12 速度由+4V～-4V變化時速度誤差曲線

結(jié)合圖6、9開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)誤差分析，可推斷開環(huán)系統(tǒng)的最大誤差為2V，速度控制誤差20%。而閉環(huán)速度控制系統(tǒng)的速度為0.72V，速度控制誤差為7.2%，且閉環(huán)速度控制不受電壓變化趨勢的影響。

將波浪補償絞車在開環(huán)和閉環(huán)控制狀態(tài)下測試的穩(wěn)態(tài)特性曲線比較，由圖13可看出，閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性與理想穩(wěn)態(tài)特性曲線更吻合，而且滯環(huán)、線性度等穩(wěn)態(tài)特性指標(biāo)較開環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)勢明顯。

圖13 開環(huán)閉環(huán)穩(wěn)態(tài)特性對比

4 波浪補償絞車開環(huán)和閉環(huán)控制動態(tài)特性試驗

在負載絞車工作中恒張力(1t)狀態(tài)下，將信號分析儀與系統(tǒng)按照圖5連接，由于考慮到試驗的安全性，在試驗過程中幅值確定為6V，開環(huán)和閉環(huán)掃頻范圍0.05Hz～0.5Hz，開始測量控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，并通過頻率分析儀對開環(huán)和閉環(huán)控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)辨識，得到5階數(shù)學(xué)模型。

由于所用測試線具有10倍衰減特性，因此測試出的開環(huán)系統(tǒng)的幅頻特性曲線在Bode圖中的零分貝線為-20dB線，而閉環(huán)系統(tǒng)的測試不受測試線衰減特性的影響。

4.1 開環(huán)控制動態(tài)特性試驗

在上述條件下，開環(huán)控制動態(tài)響應(yīng)測試出系統(tǒng)的Bode圖如圖14所示?？煽闯?，波浪補償絞車系統(tǒng)在6V幅值下的幅頻寬、相頻寬分別＞0.5Hz。滿足5級海況下波浪補償絞車0.33Hz隨動控制系統(tǒng)要求。

圖14 速度開環(huán)控制系統(tǒng)實測Bode圖

通過實測開環(huán)速度控制系統(tǒng)曲線，可擬合得到波浪補償系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)的近似5階傳遞函數(shù)如下：

該模型能在0Hz～0.5Hz內(nèi)較好反映實測幅值和相位Bode圖曲線，通過將傳遞函數(shù)導(dǎo)入Matlab-Simulink工具包中仿真后可知，該傳遞函數(shù)并不穩(wěn)定，因此該模型僅可反映0Hz～0.5Hz內(nèi)系統(tǒng)的幅相頻特性。

4.2 閉環(huán)控制動態(tài)特性試驗

在負載絞車工作中恒張力(1t)狀態(tài)下，將頻率分析儀與系統(tǒng)連接后，通過分析儀自動輸入系統(tǒng) 0.05Hz～0.5Hz的頻率信號，開始測量分析系統(tǒng)在6V幅值下的速度閉環(huán)控制響應(yīng)特性，如圖15所示。波浪補償絞車速度閉環(huán)控制系統(tǒng)在 6V輸入下的幅頻和相頻截止頻率均大于0.35Hz，滿足波浪補償絞車0.33Hz隨動控制系統(tǒng)要求。

通過實測閉環(huán)速度控制系統(tǒng)曲線，可擬合得到波浪補償絞車閉環(huán)系統(tǒng)的近似 5階傳遞函數(shù)，其傳遞函數(shù)形式如下：

該模型能在0Hz～0.4Hz內(nèi)可較好反映實測幅值和相位Bode圖曲線，通過將傳遞函數(shù)導(dǎo)入Matlab-Simulink工具包中仿真后可知，該傳遞函數(shù)并不穩(wěn)定，因此該模型僅可反映0Hz～0.4Hz內(nèi)系統(tǒng)的幅相頻特性。

圖15 閉環(huán)速度控制系統(tǒng)實測及擬合Bode圖

5 結(jié)論

1）波浪補償絞車閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性較開環(huán)控制系統(tǒng)好，尤其是在滯環(huán)、線性度等指標(biāo)。其中開環(huán)速度誤差最大值發(fā)生在輸入值為±10V附近，達到20%左右；而閉環(huán)速度誤差發(fā)生在輸入值為0V附近，最大為7.2%。

2）波浪補償絞車速度開環(huán)掃頻試驗幅頻寬和相頻寬均大于0.5Hz，滿足波浪補償絞車0.33Hz要求。

3）波浪補償絞車速度閉環(huán)控制系統(tǒng)幅頻寬和相頻寬均大于0.35Hz，滿足波浪補償絞車0.33Hz要求。

4）在前期仿真[7]過程中簡化并省去負載絞車和鋼絲繩對控制系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，并且在仿真中忽略電氣死區(qū)、機械齒隙等很多非線性因素。因此，動態(tài)特性試驗結(jié)果與仿真結(jié)果雖然趨勢一致，但還有一定的差距，通過試驗可得到系統(tǒng)真實模型， 以對仿真結(jié)果進行修正。

5）在滿足動態(tài)特性的前提下，后續(xù)還需對控制策略進行分段化設(shè)計，如閉環(huán)系統(tǒng)在零位附近采用位置閉環(huán)控制，以進一步提高其控制精度。另外，應(yīng)展開非線性和智能控制理論方法在實際應(yīng)用中有針對性的研究。

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Test Research on Steady and Dynamic Characteristic of Wave Compensation Winch

CUI Ge
(Armament Department of PLA,Beijing 100841,China)

The technique of wave compensation winch is already widely used in offshore construction,scientific research,ocean platform and so on.The composition,working principles and tests of wave compensation winch are introduced in this paper.The steady characteristic and dynamic characteristic controlled by open-loop and closed-loop of wave compensation winch are analyzed by testing.In addition,open-loop and closed-loop control system is identified through frequency analyzer and the approximate transfer function is mastered.At last,it comes to a series of conclusions and puts forwards attentions,which can provide the research and analysis method for test in engineering practice.

wave compensation winch; steady characteristic; dynamic characteristic; sweep frequency;identification of system

TH137.31

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.010

崔戈（1976-），男，工程師。主要從事船舶工程方面的研究。