王向周， 馬希榕， 鄭戍華

(北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 北京 100081)

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二次調(diào)節(jié)海浪升沉補(bǔ)償控制技術(shù)

王向周， 馬希榕， 鄭戍華

(北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 北京 100081)

為避免海浪升沉運(yùn)動(dòng)給海上補(bǔ)給作業(yè)船只帶來安全隱患，研究解決基于二次元件的卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)的海浪升沉補(bǔ)償問題. 給出了補(bǔ)償原理和補(bǔ)給作業(yè)方式，建立了二次調(diào)節(jié)海浪升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究了二次元件轉(zhuǎn)速的負(fù)載反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制. 結(jié)果表明，該方法可以滿足海面作業(yè)船只海浪補(bǔ)償需求，保障其運(yùn)輸作業(yè)的安全、高效.

海浪升沉補(bǔ)償；二次元件；負(fù)載反饋

當(dāng)今世界處于一個(gè)高度全球化的時(shí)代，國際貿(mào)易日趨頻繁，輪船的海上貨物補(bǔ)給作業(yè)需求急劇增加，但由于海浪作用，補(bǔ)給船與被補(bǔ)給船的相對運(yùn)動(dòng)給輪船、貨物以及作業(yè)人員帶來了極大的安全隱患. 為此，海上貨物補(bǔ)給系統(tǒng)均需對海浪升沉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償. 最早的補(bǔ)償方式是由柱塞、儲(chǔ)氣罐、隨動(dòng)小車、吊鉤等組成的機(jī)械隨動(dòng)補(bǔ)償裝置，它主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種補(bǔ)償裝置無法隨環(huán)境的變化而變化. 近年來，由傳感器、控制器和執(zhí)行器等組成的主動(dòng)式海浪補(bǔ)償裝置得到了廣泛應(yīng)用[1-2]，主動(dòng)式海浪補(bǔ)償裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常采用由補(bǔ)給馬達(dá)和補(bǔ)償馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的一副差動(dòng)行星齒輪減速器，補(bǔ)給馬達(dá)驅(qū)動(dòng)太陽輪，補(bǔ)償馬達(dá)驅(qū)動(dòng)行星輪. 這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了貨物速度信號(hào)和補(bǔ)償信號(hào)的解耦，控制器根據(jù)傳感器檢測到的船舶之間的相對運(yùn)動(dòng)信號(hào)，對補(bǔ)償馬達(dá)進(jìn)行控制就可實(shí)現(xiàn)海浪升沉補(bǔ)償. 這種主動(dòng)型補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償范圍大，且響應(yīng)快速、體積小，但通常依靠系統(tǒng)本身動(dòng)力源工作，能量消耗大. 力士樂公司生產(chǎn)的液壓二次元件具有馬達(dá)/泵兩種工況，可以工作在力矩、轉(zhuǎn)速構(gòu)成的四象限中，能方便地回收利用垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)中的重力勢能[3]. 基于二次元件，力士樂公司研發(fā)了旋轉(zhuǎn)式主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)(RAHCS)，該系統(tǒng)具有補(bǔ)償率高、響應(yīng)快、能耗小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海底下潛設(shè)備布放、回收和海上起重等領(lǐng)域[4]. 由于我國對海浪補(bǔ)償研究起步晚，研究也并不成熟，對于將二次元件應(yīng)用到海浪補(bǔ)償中的研究較少. 同濟(jì)大學(xué)的趙大兵等[5]嘗試將二次元件應(yīng)用到海浪補(bǔ)償控制中，針對靜止在深海作業(yè)的設(shè)備位置進(jìn)行海浪補(bǔ)償研究，以保證設(shè)備的位置恒定不變，采用PID控制分別對隨動(dòng)補(bǔ)償和主動(dòng)補(bǔ)償兩種方式進(jìn)行仿真，結(jié)果表明在海浪最大波高為2.5 m的情況下，分別能有效抑制60%和90%由海浪升沉引起的設(shè)備位置波動(dòng). 華南理工大學(xué)的吳隆明[6]對采用二次元件的深海作業(yè)起重機(jī)的海浪補(bǔ)償進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了該方案的可行性，為實(shí)際起重機(jī)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及制造提供了很好的參考價(jià)值與理論依據(jù). 但截止目前，還未見到有國內(nèi)學(xué)者將二次元件應(yīng)用到對海上船舶間貨物補(bǔ)給系統(tǒng)的海浪升沉補(bǔ)償中. 本文對采用二次調(diào)節(jié)海浪升沉補(bǔ)償控制技術(shù)的海上船舶間貨物補(bǔ)給系統(tǒng)進(jìn)行了研究. 在硬件結(jié)構(gòu)上，鑒于二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)可進(jìn)行能量回收、帶載能力強(qiáng)和調(diào)速范圍寬的特性，通過控制器將控制信號(hào)和補(bǔ)償信號(hào)進(jìn)行軟件解耦而無須采用差動(dòng)行星齒輪系，并充分利用二次元件四象限工作特性進(jìn)行作業(yè)過程中的節(jié)能控制，可極大地簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)作業(yè)效率.

1 二次調(diào)節(jié)海浪升沉補(bǔ)償總體方案

1.1 補(bǔ)給作業(yè)工況分析

通常吊裝機(jī)構(gòu)安裝在補(bǔ)給船上，進(jìn)行并靠補(bǔ)給作業(yè)有兩種工況，一是將補(bǔ)給船上的貨物補(bǔ)給到被補(bǔ)給船上；二是將被補(bǔ)給船上的貨物回收到補(bǔ)給船上. 兩種工況均分為3步，先是將貨物從(被)補(bǔ)給船上提起，而后吊裝機(jī)構(gòu)將貨物水平移動(dòng)到接收位置，最后將貨物下放到(被)補(bǔ)給船上. 若是在地面上，貨物只須按照操作人員給定好的速度運(yùn)動(dòng)就可很好地完成補(bǔ)給作業(yè)，但在洶涌的海面上，補(bǔ)給船與被補(bǔ)給船會(huì)產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng). 貨物相對補(bǔ)給船來講沒有相對運(yùn)動(dòng)，在補(bǔ)給船上對貨物升、降不會(huì)造成大的影響. 但是相對于被補(bǔ)給船來說，貨物與被補(bǔ)給船之間具有和補(bǔ)給船與被補(bǔ)給船相同的相對運(yùn)動(dòng)，極易造成安全隱患.

在三級(jí)海況條件下，我國近海波浪的有效波高在0.50～1.25 m之間，譜峰周期為5～8 s，一般可采用正弦函數(shù)y=1.2sin0.15t來模擬海浪的升沉運(yùn)動(dòng). 因?yàn)椴煌辉谥亓俊Ⅲw積、吃水深度上的差異，其在并靠補(bǔ)給作業(yè)時(shí)隨海浪產(chǎn)生的升沉運(yùn)動(dòng)并不盡相同，從而影響到海浪的幅值、頻率、相位. 這里，考慮兩船相對運(yùn)動(dòng)最為劇烈的情況，假定補(bǔ)給船、被補(bǔ)給船的升沉運(yùn)動(dòng)分別為y1=1.1sin0.2t和y2=1.25sin(0.14t+180°)，圖1是兩船在海面上的相對位置/速度曲線，最大相對位置偏差為2.3 m，相對速度最大可達(dá)0.4 m/s.

在沒有進(jìn)行海浪升沉補(bǔ)償控制時(shí)，貨物相對于被補(bǔ)給船的速度為

此時(shí)，貨物相對于被補(bǔ)給船的速度為

因此，補(bǔ)償速度vC=-v1-2，即通過補(bǔ)償速度抵消掉補(bǔ)給船與被補(bǔ)給船之間的相對速度.

為了確保被補(bǔ)給船上操作人員裝卸貨物過程中的安全，本文研究基于以下技術(shù)指標(biāo)：額定載荷5 000 kg，起吊高程8.1 m，額定補(bǔ)給速度0.3 m/s，響應(yīng)時(shí)間小于0.5 s，補(bǔ)償后貨物相對被補(bǔ)給船靜止時(shí)由海浪引起的貨物位移小于0.05 m.

1.2 系統(tǒng)總體方案

二次調(diào)節(jié)海浪升沉補(bǔ)償系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由油箱1、恒壓變量泵2、二次元件3和液壓蓄能器7構(gòu)成.

補(bǔ)給作業(yè)過程中，當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)下放貨物時(shí)，二次元件為泵工況，將貨物的重力勢能轉(zhuǎn)換為液壓能存儲(chǔ)于蓄能器中；當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)帶動(dòng)重物上升時(shí)，二次元件工作于馬達(dá)工況，由蓄能器和液壓泵一起向系統(tǒng)提供能量. 這樣，不僅能減少系統(tǒng)的發(fā)熱和能量的浪費(fèi)，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在瞬間需要較大的能量時(shí)，蓄能器能在較短時(shí)間內(nèi)提供較大的功率，平衡峰值功率. 因此，可以按照平均功率設(shè)計(jì)安裝泵站，提高系統(tǒng)效率，節(jié)省成本.

補(bǔ)給系統(tǒng)工作時(shí)，系統(tǒng)按照設(shè)定好的速度將貨物提起或放下. 若要進(jìn)行海浪補(bǔ)償，則在設(shè)定速度上疊加一個(gè)與補(bǔ)給船與被補(bǔ)給船之間的相對速度大小相同、方向相反的補(bǔ)償速度信號(hào). 因此，二次調(diào)節(jié)海浪補(bǔ)償系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速控制，也就是通過控制變量液壓缸來調(diào)節(jié)二次元件的斜盤傾角，從而改變二次元件的排量，滿足負(fù)載驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求的變化，實(shí)現(xiàn)二次元件轉(zhuǎn)速的控制. 在二次調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制中，系統(tǒng)壓力基本恒定不變，因此，流入二次元件的流量與其輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的乘積成正比. 當(dāng)二次元件的設(shè)定轉(zhuǎn)速值改變或負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)生變化時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之改變，導(dǎo)致增量碼盤測得的二次元件實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速不一致，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速誤差. 轉(zhuǎn)速誤差經(jīng)由速度控制器(SC)得到二次元件斜盤角度控制值，斜盤角度控制值與由電感式位移傳感器測得的二次元件實(shí)際斜盤角度進(jìn)行比較后，輸入到與速度控制器級(jí)聯(lián)的二次元件斜盤角度控制器(DC)中.

控制器按照一定的控制算法產(chǎn)生控制信號(hào)，由伺服放大器驅(qū)動(dòng)電液伺服閥動(dòng)作，伺服閥的輸出流量驅(qū)動(dòng)變量液壓缸運(yùn)動(dòng)，改變二次元件斜盤傾角，進(jìn)而改變二次元件排量，排量的變化引起二次元件輸出轉(zhuǎn)矩的變化. 直到二次元件的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相一致時(shí)，轉(zhuǎn)速誤差消失，電液伺服閥回到0位使變量液壓缸停止運(yùn)動(dòng)，保持二次元件排量與輸出轉(zhuǎn)矩的恒定. 由于二次調(diào)節(jié)速度控制是直接對作為執(zhí)行器的變量液壓泵/馬達(dá)進(jìn)行控制，控制功能通過二次元件自身的閉環(huán)反饋控制來實(shí)現(xiàn)，因此，系統(tǒng)幾乎不受直接管路效應(yīng)的影響，具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和效率.

本文選用力士樂公司A4VSO40-DS1型二次元件，二次元件最大轉(zhuǎn)速可達(dá)2 600 r·min-1，最大輸出轉(zhuǎn)矩192 N·m. 卷揚(yáng)機(jī)中減速器的減速比為80，卷揚(yáng)機(jī)輪盤半徑為0.215 m. 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作壓力為30 MPa，最大工作壓力32 MPa，蓄能器充氣壓力20 MPa，下放5 000 kg貨物時(shí)平均排量大約為26.6 cm3/r，在這過程中總共排出12.8 L油液，流速不超過70 L/min. 通過HYDAC公司的蓄能器仿真軟件計(jì)算得到系統(tǒng)蓄能器容積大約要在379 L左右，綜合考慮到成本、體積等因素，本文采用2個(gè)160 L的皮囊式蓄能器.

通過計(jì)算可知，本文設(shè)計(jì)的補(bǔ)給系統(tǒng)中卷揚(yáng)機(jī)最多可帶動(dòng)7 500 kg的貨物運(yùn)動(dòng)，貨物最大運(yùn)行速度為0.73 m/s，可以滿足1.1節(jié)中提出的性能指標(biāo)要求.

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述分析可知，二次調(diào)節(jié)海浪升沉補(bǔ)償系統(tǒng)主要是對貨物的補(bǔ)給速度進(jìn)行補(bǔ)償控制. 因此，必須建立輸入為設(shè)定轉(zhuǎn)速，輸出為二次元件輸出轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的二次調(diào)節(jié)海浪升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型. 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由閥控缸變量機(jī)構(gòu)、二次元件本體以及負(fù)載構(gòu)成，通過對每個(gè)部分進(jìn)行理論建模后，可得系統(tǒng)模型框圖如圖4所示.

其中，根據(jù)實(shí)際選用設(shè)備型號(hào)確認(rèn)用到的參數(shù)值，列于表1中.

參數(shù)τ/msKsv/(m·mA-1)ωsv/(rad·s-1)Kq/(m2·s-1)Kce/(m3·s-1·Pa-1)Ap/cm2xpmax/mmβe/(N·m-2)Vt/cm3mt/kgBP/(N·s·m-1)V2max/cm3Ps/MPaRH/(N·m·s·rad-1)J2/(kg·m2)值0.480.075×10-36280.1480.2×10-104.1514.26.8×10811.81.430.340300.0280.041

3 控制器設(shè)計(jì)

3.1 變結(jié)構(gòu)PID控制

為了加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，希望在啟動(dòng)過程中，二次元件盡快離開中位處于最大排量狀態(tài). 當(dāng)給定轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)，調(diào)節(jié)器便以最大值輸出，此時(shí)二次調(diào)節(jié)表現(xiàn)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，即保持最大轉(zhuǎn)矩起動(dòng). 只要傳感器檢測到的實(shí)際轉(zhuǎn)速小于給定轉(zhuǎn)速，控制器保持最大恒值輸出直到實(shí)際轉(zhuǎn)速大于給定值. 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的系統(tǒng)阻尼很小，當(dāng)控制器輸入的偏差信號(hào)為負(fù)值時(shí)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)速控制器中加入微分環(huán)節(jié)，采用PD控制規(guī)律. 當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速接近要求轉(zhuǎn)速時(shí)，采用PI控制以減小穩(wěn)態(tài)誤差. 這樣可使系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性統(tǒng)一起來.

貨物的額定補(bǔ)給速度為0.3 m/s，此時(shí)對應(yīng)的二次元件轉(zhuǎn)速為1 060 r·min-1，圖5是采用變結(jié)構(gòu)PID方式控制的二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)分別在空載，帶3 000 kg負(fù)載，5 000 kg負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的階躍響應(yīng)曲線. 此時(shí)，系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)PID參數(shù)是基于空載時(shí)的階躍響應(yīng)性能設(shè)定的，P，I，D 3個(gè)控制參數(shù)分別為1，2，0.005，啟動(dòng)階段采用PD控制，在轉(zhuǎn)速誤差小于400 r·min-1時(shí)加入積分控制器器. 可以看到，空載時(shí)系統(tǒng)基本無超調(diào)且響應(yīng)很快，可在要求的0.5 s響應(yīng)時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速. 但隨負(fù)載增大，控制器中的控制參數(shù)是不變的，此時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)時(shí)間隨啟動(dòng)時(shí)所帶負(fù)載的增大顯著增加，帶動(dòng)3 000 kg負(fù)載時(shí)響應(yīng)時(shí)間需要1.0 s，帶動(dòng)5 000 kg負(fù)載時(shí)響應(yīng)時(shí)間接近1.5 s，與要求的0.5 s響應(yīng)時(shí)間相比，顯然無法滿足系統(tǒng)快速啟動(dòng)的性能要求.

從安全角度出發(fā)，系統(tǒng)必須保證操作人員對補(bǔ)給貨物進(jìn)行裝卸時(shí)貨物相對于被補(bǔ)給船相對位置的恒定. 圖6是采用參數(shù)設(shè)定好的變結(jié)構(gòu)PID控制時(shí)系統(tǒng)的補(bǔ)償效果圖，模擬操作人員裝卸貨物的過程，2 s時(shí)給系統(tǒng)增加了5 000 kg的負(fù)載，8 s時(shí)取下2 500 kg負(fù)載，14 s時(shí)將負(fù)載全部取下. 從圖中可以看出，在貨物重量不變也就是系統(tǒng)負(fù)載不變時(shí)，貨物相對被補(bǔ)給船的位移極小，補(bǔ)償效果很好. 但是當(dāng)操作人員裝卸貨物，也就是負(fù)載變化時(shí)，貨物與被補(bǔ)給船會(huì)形成較大的位移，當(dāng)帶動(dòng)5 000 kg貨物時(shí)，相對位置偏差接近0.1 m. 如此大的位移，可能對正在操作的人員以及機(jī)械裝置造成安全問題.

對于貨物補(bǔ)給系統(tǒng)來說，由于每次補(bǔ)給時(shí)所帶的貨物不同，系統(tǒng)負(fù)載是不定的. 但變結(jié)構(gòu)PID控制器的參數(shù)一經(jīng)設(shè)定不會(huì)改變，當(dāng)實(shí)際負(fù)載與設(shè)定參數(shù)時(shí)假定負(fù)載情況差別較大時(shí)，系統(tǒng)的控制效果變差. 因此，本文采用模型參考自適應(yīng)算法對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行辨識(shí)，而后根據(jù)辨識(shí)得到的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩對變結(jié)構(gòu)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行在線的自適應(yīng)調(diào)整.

3.2 基于模型參考自適應(yīng)的負(fù)載辨識(shí)和負(fù)載反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制

如圖7所示，模型參考自適應(yīng)控制由參考模型、可調(diào)系統(tǒng)和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3部分組成[7]. 本文所用的模型參考自適應(yīng)辨識(shí)算法是基于波波夫超穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)的，能夠保證被辨識(shí)的參數(shù)收斂于系統(tǒng)未知參數(shù)以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

二次元件的力平衡方程為

(1)

設(shè)采樣時(shí)間為t，摩擦阻力RHω很小可以忽略不計(jì)，離散化上式可得

(2)

式中：ωm為二次元件的實(shí)際轉(zhuǎn)速；J2為二次元件以及負(fù)載折合到二次元件軸端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；TL為折合到二次元件軸端的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；T2為二次元件的輸出轉(zhuǎn)矩. 根據(jù)位移傳感器檢測到的變量缸位置信號(hào)可以得到二次元件的斜盤傾角，從而計(jì)算得到此時(shí)二次元件的排量以及輸出轉(zhuǎn)矩T2.

相對于響應(yīng)快速的內(nèi)環(huán)閥控缸變量機(jī)構(gòu)來說，二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)就慢得多. 設(shè)置合適的采樣頻率，使得在一個(gè)采樣周期內(nèi)二次元件輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生了一定變化，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化很小，可以忽略不計(jì).

于是模型參考自適應(yīng)控制的參考模型為

(3)

式中：b=t/J2；ΔT2(k-1)=T2(k-1)-T2(k-2).

可調(diào)模型則為

(4)

式中：ωg為估計(jì)速度；bg為估計(jì)變量.

設(shè)增益因子為β，由Popov超穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的自適應(yīng)律為

(5)

根據(jù)上述分析，搭建模型參考自適應(yīng)算法的Simulink仿真模型. 圖8是在1 s時(shí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由0.041 kg·m2變化到0.08 kg·m2的辨識(shí)曲線. 可見基于模型參考自適應(yīng)的辨識(shí)方法不僅適用于固定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，還能對變化的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行辨識(shí). 在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)生突變之后，辨識(shí)系統(tǒng)在0.05 s左右的時(shí)間內(nèi)就能很快辨識(shí)出變化后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值. 在辨識(shí)得到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之后，根據(jù)二次元件的力平衡方程就可以很容易辨識(shí)出系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩. 圖9是系統(tǒng)空載啟動(dòng)后在2 s時(shí)加入5 000 kg負(fù)載，即138 N·m負(fù)載轉(zhuǎn)矩的情況下負(fù)載轉(zhuǎn)矩的辨識(shí)曲線. 利用辨識(shí)得到的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通過二次元件的力平衡方程可以快而準(zhǔn)地辨識(shí)出負(fù)載轉(zhuǎn)矩，辨識(shí)時(shí)間在0.1 s以內(nèi).

變結(jié)構(gòu)PID控制器的初始參數(shù)基于空載條件整定，將辨識(shí)得到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩值以一定比例反饋加入到控制器初始參數(shù)中，使得控制參數(shù)可以隨負(fù)載的變化而變化. 這樣，系統(tǒng)在帶動(dòng)不同負(fù)載運(yùn)動(dòng)時(shí)，均能有良好的控制效果.

4 海浪升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真效果

與變結(jié)構(gòu)PID控制一樣，以貨物的額定補(bǔ)給速度0.3 m/s，即二次元件轉(zhuǎn)速1 060 r·min-1為設(shè)定轉(zhuǎn)速，對基于負(fù)載反饋的自適應(yīng)控制進(jìn)行不同負(fù)載條件下的階躍響應(yīng)特性仿真，結(jié)果如圖10所示. 采用基于負(fù)載反饋的自適應(yīng)控制的二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)無論是在空載、3 000及5 000 kg負(fù)載條件下都有不錯(cuò)的階躍響應(yīng)特性，響應(yīng)時(shí)間均小于0.5 s，滿足系統(tǒng)性能要求.

貨物相對被補(bǔ)給船靜止，操作員裝卸貨物的過程仿真如圖11所示. 模擬操作員對貨物的裝卸，仿真時(shí)在2 s系統(tǒng)加載5 000 kg，8 s時(shí)卸去2 500 kg，14 s時(shí)卸去所有負(fù)載. 從補(bǔ)償速度曲線可以看出，補(bǔ)償系統(tǒng)可以很好地對由海浪升沉引起的兩船相對速度進(jìn)行補(bǔ)償，僅在負(fù)載變化時(shí)有極小的誤差出現(xiàn). 而貨物與被補(bǔ)給船的相對位置變化曲線表明，采用基于負(fù)載反饋的自適應(yīng)控制的二次調(diào)節(jié)海浪升沉補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償效果很好. 在兩船相對位置偏差最大達(dá)到2.3 m的情況下，僅在負(fù)載變化時(shí)貨物相對被補(bǔ)給船有很小的位移，負(fù)載達(dá)到5 000 kg時(shí)也僅有不到0.03 m的位移，在負(fù)載不變時(shí)相對位置變化更是小于0.005 m，可以很好地保證裝卸貨物過程中操作人員與設(shè)備的安全.

為了驗(yàn)證二次調(diào)節(jié)海浪升沉補(bǔ)償控制的貨物補(bǔ)給系統(tǒng)的整體性能，對并靠補(bǔ)給作業(yè)的兩種工況均進(jìn)行了仿真. 圖12是將補(bǔ)給船上的貨物補(bǔ)給到被補(bǔ)給船過程的仿真圖，補(bǔ)給過程中攜帶5 000 kg貨物. 補(bǔ)給行程8.1 m，額定補(bǔ)給速度為0.3 m/s，勻加速時(shí)間1 s，制動(dòng)時(shí)間0.8 s. 整個(gè)過程中，貨物實(shí)際運(yùn)行速度可以很好地跟蹤設(shè)定速度，安全高效地完成整個(gè)補(bǔ)給作業(yè). 圖13是將被補(bǔ)給船上的貨物回收到補(bǔ)給船過程的仿真圖，補(bǔ)給過程中同樣攜帶5 000 kg貨物. 貨物補(bǔ)給速度與上一工況相同，只是方向相反. 整個(gè)補(bǔ)給過程中，貨物速度均能快速無誤地跟蹤輸入的設(shè)定速度，很好地將被補(bǔ)給船上的貨物回收到補(bǔ)給船上.

5 結(jié) 論

船只在海面上進(jìn)行并靠補(bǔ)給作業(yè)時(shí)，受海浪影響產(chǎn)生的相對位移會(huì)對船只、設(shè)備、操作人員造成安全隱患，本文采用二次調(diào)節(jié)控制對補(bǔ)給貨物進(jìn)行升沉補(bǔ)償. 貨物補(bǔ)給系統(tǒng)每一次完整作業(yè)均包括貨物的提取和放下兩個(gè)過程，而二次元件可以工作在力矩、轉(zhuǎn)速構(gòu)成的四象限中，只要合理配置蓄能器參數(shù)，通過二次元件能夠回收利用貨物下放過程中釋放的重力勢能，減少能量消耗. 由于二次元件帶載能力強(qiáng)、調(diào)速范圍寬，二次調(diào)節(jié)海浪升沉補(bǔ)償系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)更為簡單，有效降低了補(bǔ)償成本. 針對二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性，采用變結(jié)構(gòu)PID算法進(jìn)行二次元件的轉(zhuǎn)速控制，控制器參數(shù)根據(jù)辨識(shí)得到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在線自適應(yīng)調(diào)整. 在三級(jí)海況下，對補(bǔ)給系統(tǒng)的海浪補(bǔ)償效果以及兩種工況進(jìn)行了仿真研究. 在被補(bǔ)給船上的操作人員對相對靜止的貨物裝卸的過程中，通過補(bǔ)償可以使由海浪升沉引起的兩者間相對位移小于0.03 m，保證了設(shè)備與人員的安全. 進(jìn)行補(bǔ)給作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)能夠快速無誤的按照設(shè)定速度將補(bǔ)給船上的貨物補(bǔ)給到被補(bǔ)給船上或是將被補(bǔ)給船上的貨物回收到補(bǔ)給船上. 二次調(diào)節(jié)海浪升沉補(bǔ)償控制可以很好地應(yīng)用于船舶間的貨物補(bǔ)給系統(tǒng)中，對海洋運(yùn)輸業(yè)具有重大意義.參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯：李兵)

An Active Heave Compensation System Based on the Secondary Control Unit

WANG Xiang-zhou， MA Xi-rong， ZHENG Shu-hua

(School of Automation， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081, China)

In order to reduce the influence of waves heave to the vessel motion for the security， a compensation system based on the secondary control unit was proposed. The compensation principle and transport operation mode were described. And a mathematics model of the compensation system was established. The adaptive control based on load feedback was employed to control the speed of the secondary control unit. The simulation results show that the system can successfully implement the heave compensation method for supplying operation with both efficiency and security.

heave compensation; secondary control unit; load feedback

2015-05-25

國家科技支撐計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(2014BAF08B06)

王向周(1965—)，男，博士，教授， E-mail：wangxiangzhou@263.net.

鄭戍華(1976—)，女，博士，講師， E-mail：zhengshuhua@bit.edu.cn.

TP 273.2

A

1001-0645(2016)08-0838-07

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.08.012