李欣一，楊 毅，馬建偉，張 濤

（1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)第三軍事代表室，上海 200031；2. 上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

二次控制系統是通過直接控制其核心元件的，二次控制單元的排量進行補償作業(yè)，二次控制單元可將工作機構的制動動能和重力勢能進行回收與重新利用，具有響應快和能量利用率高等優(yōu)點[1-3]。其核心元器件二次控制單元相比較交直流伺服或變頻電機具有結構緊湊、慣量小和響應速度快等優(yōu)點。同時，在網絡上還可以連接多個互不相關的負載，在驅動負載的二次元件上直接控制其轉角、轉速、轉矩和功率，尤其在重載大功率設備上，可有效降低整機的裝機功率，實現進一步節(jié)能[4-5]。二次控制單元與電機的優(yōu)缺點對比見表1。

表1 二次控制單元與電機性能對比表

鑒于二次控制單元具有響應快、高精度和節(jié)能等優(yōu)點，本文即以二次控制單元為核心搭建二次控制波浪補償絞車系統，并對其動態(tài)性能進行研究。

1 二次控制波浪補償系統組成及原理

二次控制波浪補償絞車系統主要由高壓恒壓源、低壓恒壓源、蓄能器、二次控制單元（包括變量液壓缸和馬達本體）、絞車和負載組成，絞車經導向輪系掛接載荷，由液壓系統提供動力源，控制臺上的手柄及人機界面操作絞車下放載荷，當載荷下放到與平臺或地面到達一定距離時，開啟主動波浪補償模式，由檢測裝置檢測載荷與接收平臺的相對運動關系，并將信號傳輸給PLC模塊，由PLC模塊經解算給出控制信號至二次控制單元和液壓系統，液壓二次控制單元一端與高壓恒壓源連接，另一端與低壓恒壓源連接，兩端恒壓源均配有蓄能器，通過調整二次控制單元的排量，實現主動波浪補償系統的電液閉環(huán)位置、速度或扭矩控制，并實現能源回收的功能，達到減少裝機功率的目的，系統組成圖見圖1。

圖1 二次控制主動波浪補償系統組成圖

根據實際項目需求，本文以5 t絞車為補償對象，研究補償系統在3級海況下的波浪補償情況，輸入參數見表2。

表2 輸入參數表

續(xù)表2：

根據以上的輸入參數，經計算初步確定二次控制波浪補償絞車系統主要參數見表3。

表3 系統主要參數表

2 二次控制波浪補償系統仿真研究

2.1 仿真模型的搭建

通過AMESim軟件建立了二次控制波浪補償控制模型見圖2。仿真模型由帶蓄能裝置的動力模型、液壓缸流量位移仿真子模型、二次單元負載模型以及信號控制模型組成。2個帶蓄能器的泵源為整個系統提供動力，由信號控制模塊按照海況給出波浪的信號，該信號傳輸到PID控制模塊，傳感器采集到的二次單元轉速信號也傳輸到PID控制模塊，由PID控制模塊經解算給出信號控制電磁換向閥的啟閉，控制變量油缸的動作，變量油缸動作控制馬達本體的排量，馬達本體的排量控制絞車的運轉，進而驅動絞車作收/放繩的動作，最終達到二次控制單元輸出轉速與信號模塊輸入信號相匹配，以完成系統的波浪補償功能。

圖2 二次控制波浪補償系統模型

2.2 仿真參數設置

主要仿真參數見表4，結合表1中二次控制波浪補償系統參數及圖2中相關參數，進行仿真參數設置。

表4 二次控制波浪補償轉速模型仿真參數

續(xù)表4：

2.3 仿真結果分析

2.3.1 二次控制波浪補償轉速仿真

在圖2的波浪補償仿真模型中，給定輸入信號為正弦信號，觀察二次控制單元的軸轉速輸出信號的變化情況。

圖3為二次單元的軸轉速輸出曲線，根據轉速曲線可以看出，二次控制單元在蓄能器剛開始充能時有1.1 s的響應延遲以及超調現象，之后轉速逐漸收斂。蓄能器充能結束后，速度給定信號輸入轉為正弦信號，在信號轉換的過程中，轉速曲線平滑、穩(wěn)定、收斂，且轉速達到了2 000 r/min，滿足二次元件真實工況的使用要求。

圖3 二次控制波浪補償轉速仿真模型轉速曲線

圖4為二次單元軸轉速輸出與正弦輸入信號對比曲線圖，可以看出二次控制單元的輸出轉速與輸入信號基本重合。除去在蓄能器充能階段有一個1.1 s的響應延遲與超調現象外，之后的183 s內，二次單元軸轉速與輸入信號基本上完全跟隨，響應較好。由仿真曲線可知：在轉速控制階段，二次單元軸轉速與輸入信號基本重合，在正弦信號的峰值時，有超調現象，超調誤差約為2.3%，精度在97.7%左右，具有較高的補償精度。

圖4 二次控制波浪補償轉速仿真模型轉速響應曲線

2.3.2 二次控制波浪補償轉矩仿真

在0 s～264 s的時間段內，與前文轉速控制階段一致，在264 s～300 s的時間段內，將仿真系統的控制模式改為轉矩控制階段，運動控制器通過開關S1接入扭矩給定信號，控制器開關接扭矩PID控制器，反饋信號接扭矩傳感器。扭矩輸入信號K2設為定值363 null。

如圖5所示，蓄能器充能階段、轉速控制階段、轉矩控制階段的響應效果均能達到設計要求，幾乎無超調或響應延遲現象，響應曲線跟隨較好。

圖5 二次控制波浪補償系統模型反饋跟隨響應曲線

蓄能器充能階段，在0～1.1 s時，轉速反饋響應信號有微小的系統波動，之后趨于穩(wěn)定，且與輸入信號基本重合，不影響仿真結果[6]。在184 s時，蓄能器沖壓完成后定值信號切換為正弦信號時，反饋信號，曲線平滑，穩(wěn)定跟隨、無明顯的超調或延遲現象。轉速補償仿真精度在96.5%以上，達到仿真要求。當轉速控制切換為轉矩控制時，系統有輕微的超調現象，但很快趨于收斂，跟隨穩(wěn)定，轉矩補償的仿真精度在97%以上。綜上，二次控制波浪補償系統模型符合設計要求。

2.3.3 蓄能器充能情況仿真研究

高壓蓄能器的容量較大，壓力較高，蓄能器需要一段充能時間，見圖6。

圖6 高壓蓄能器壓力圖

蓄能器充滿大概需要139 s，蓄能器保壓穩(wěn)定在30 MPa左右。184 s時，輸入信號切換為正弦輸入信號，二次控制元件開始工作，蓄能器壓力隨著輸入信號在29.1 MPa～30 MPa波動，蓄能器壓力最低為29 MPa。可知蓄能器充能完成后的壓力與系統工作壓力基本一致，驗證了液壓泵以及蓄能器計算選型的正確性。

3 二次控制主動波浪補償絞車系統節(jié)能效果分析

3.1 采用二次控制單元+蓄能器系統所需的裝機功率

1）主泵

主泵流量應同時滿足以下2個條件：（1）滿足常規(guī)起升時的馬達流量需求；（2）滿足補償工況時的高壓蓄能器的流量損失。

由第1章節(jié)可知，常規(guī)起升時馬達所需流量約為Qhp=33.72 L/min。補償工況時高壓蓄能器的流量損失為1個周期內進出馬達的油液體積差，則流量需求可計算為

式中：Vahc,up為補償時馬達進油體積，L，取值為9.08 L；Vahc,down為補償時馬達出油體積，L，取值為6.15 L；T為補償周期，s，取值為8 s；Qhp為主泵所需提供流量，L/min。

補償時的Qhp＝22 L/min。在常規(guī)起升時馬達所需流量和補償時高壓蓄能器損失流量二者間取大值，則主泵所需提供流量不低于33.72 L/min。

則主泵功率可計算如下：

式中：Qhp為主泵所需提供流量，L/min；php為常規(guī)工況時工作壓力，MPa，取值為30 MPa；ηhp為高壓泵效率，取值為0.88；Php為主泵應滿足的功率，kW。計算可得：Php＝19.2 kW。

2）補油泵流量

由于在整個補償周期中，低壓區(qū)的流量是富裕的，因此在補償工況時，對補油泵的流量基本無要求。補油泵的流量只需要滿足在常規(guī)下降時的馬達流量需求即可。計算如下：

式中：Qlp為補油泵流量，L/min；plp為補油泵工作壓力，MPa，取值為2.5 MPa；ηlp為低壓泵效率，取為0.85；Plp為補油泵功率，kW。

根據表3數據及式（4）計算可得：Plp＝1.55 kW。則系統所需的裝機功率為二次控制單元P=Plp+Php，P=20.75 kW。

3.2 采用普通馬達系統所需的裝機功率

為便于對比，將普通馬達驅動絞車系統中的減速機等機構與二次控制單元驅動絞車系統中的機構保持一致，區(qū)別在于普通馬達驅動絞車系統無法配置蓄能器，不具備能量回收功能。

則根據第1 章節(jié)可知，系統所需的最大流量為收繩補償時的平衡點流量Q=213.9 L/min，取系統工作壓力P為30 MPa，則據此可計算出普通馬達系統所需的最大功率：P普通馬達=125.82 kW。則根據以上計算可知：節(jié)能η為0.84。

采用二次控制單元+蓄能器驅動絞車的補償系統相比較于采用普通馬達驅動絞車的補償系統，節(jié)能效果很好，可達到84%的節(jié)能效率。

4 結論

1）本文通過搭建二次控制主動波浪補償系統的閉環(huán)控制仿真模型，對主動波浪補償系統進行轉速、轉矩控制仿真研究，經仿真研究可知：系統選擇PID控制策略，合理配置參數，二次控制主動波浪補償系統的精度可達到95%以上，可為后續(xù)樣機研制提供理論基礎。

2）通過對比二次控制波浪補償系統的功率與普通馬達補償系統的功率，定量得出二次控制波浪補償系統的節(jié)能效果，可為后續(xù)樣機研制提供理論基礎。