半潛式海洋平臺(tái)定位系統(tǒng)的控制系統(tǒng)研究

鄢華林，姜飛龍，周 超，趙 瑞，李亞南，袁 威

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

半潛式海洋平臺(tái)定位系統(tǒng)的控制系統(tǒng)研究

鄢華林，姜飛龍，周 超，趙 瑞，李亞南，袁 威

(江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

以海洋平臺(tái)定位系統(tǒng)作為研究對(duì)象，闡述了平臺(tái)定位的主要組成和工作原理，設(shè)計(jì)了滿足速度控制、同步控制和恒張力控制的不同運(yùn)行模式下的系泊絞車(chē)液壓系統(tǒng)，分析了液壓系統(tǒng)各主要元件在系統(tǒng)中的作用。采用偽微分反饋控制算法對(duì)系泊絞車(chē)進(jìn)行控制，并給出了同步控制的策略和恒張力的計(jì)算調(diào)定方法。Matlab仿真表明，偽微分控制算法具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，完全滿足海洋平臺(tái)系泊定位的要求。

海洋平臺(tái);系泊定位;液壓系統(tǒng);偽微分控制

海洋平臺(tái)的定位方式隨深度可分為自升式固定平臺(tái)、半潛式錨泊定位平臺(tái)和深水動(dòng)力定位平臺(tái)，這里研究的是半潛式海洋平臺(tái)錨泊定位控制系統(tǒng)。由中央計(jì)算機(jī)控制八臺(tái)基于PLC控制的系泊絞車(chē)，通過(guò)風(fēng)浪檢測(cè)、波浪預(yù)報(bào)，協(xié)調(diào)八臺(tái)系泊絞車(chē)以速度控制、同步控制和恒張力控制的不同運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)海洋作業(yè)平臺(tái)的定位和系泊安全。

海洋平臺(tái)自身并無(wú)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，定位時(shí)靠輔助拋錨船只拋錨，單臺(tái)系泊絞車(chē)運(yùn)行時(shí)，采用速度控制;兩臺(tái)同時(shí)拖曳時(shí)，采用同步控制，以保證拖曳力的均勻分配。

定位后的常態(tài)下，海洋平臺(tái)的定位由系泊絞車(chē)制動(dòng)予以實(shí)現(xiàn);當(dāng)海浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)檢測(cè)到海浪時(shí)，中央計(jì)算機(jī)依據(jù)風(fēng)力風(fēng)向等海況，自動(dòng)設(shè)定每臺(tái)系泊絞車(chē)的工作參數(shù)。即迎著風(fēng)浪端的絞車(chē)處于制動(dòng)狀態(tài)，背著風(fēng)浪端的絞車(chē)應(yīng)處于恒張力收纜狀態(tài)。

當(dāng)海浪的作用消除之后，各臺(tái)絞車(chē)恢復(fù)到常態(tài)。由于平臺(tái)的每一側(cè)均由多臺(tái)絞車(chē)同時(shí)進(jìn)行系泊，所以這幾臺(tái)絞車(chē)都應(yīng)保持張力近似相等以免纜繩受力不均而拉斷。

海洋平臺(tái)一般采用多點(diǎn)系泊定位的方式，一般來(lái)說(shuō)，系泊的點(diǎn)數(shù)多于4點(diǎn)，并且成偶數(shù)對(duì)稱(chēng)分布，本研究的海洋平臺(tái)定位系統(tǒng)采用8點(diǎn)系泊定位，如圖1所示。

1 海洋平臺(tái)定位方式

在拋錨的過(guò)程中，逐個(gè)進(jìn)行，采用單點(diǎn)系泊速度控制的方式進(jìn)行收緊;為了防止單點(diǎn)系泊絞車(chē)受力過(guò)大，采用在海洋平臺(tái)的每個(gè)角布置兩臺(tái)絞車(chē)的方式，若要兩臺(tái)絞車(chē)的張力一致，則需要采用同步張緊的方式。在海浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)檢測(cè)到海浪時(shí)，背著海浪一側(cè)的所有絞車(chē)應(yīng)處于恒張力狀態(tài)，此時(shí)海洋平臺(tái)由于系泊絞車(chē)恒張力的作用而下沉;為了防止海洋平臺(tái)發(fā)生傾翻，迎著風(fēng)浪的絞車(chē)制動(dòng)，保證了海洋平臺(tái)的安全定位。

圖1 錨泊系統(tǒng)布置示意Fig.1 Layout of mooring system

2 液壓系統(tǒng)組成及原理

2.1 液壓系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)有八臺(tái)系泊絞車(chē)，每臺(tái)絞車(chē)都由一臺(tái)定量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，每?jī)膳_(tái)由一組PSV兩路比例閥控制，每組有一塊主塊和分別控制兩臺(tái)絞車(chē)的兩路比例換向閥;主塊包括安全閥和減壓閥，比例換向閥含有定差減壓閥和一個(gè)梭閥，定差減壓閥和與換向閥的節(jié)流口串聯(lián)，形成調(diào)速功能，使速度與載荷無(wú)關(guān)。梭閥的作用是比較兩路的壓力大小，取較大者反饋到變量泵的負(fù)載敏感口使泵的壓力比該壓力略高。能源機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的變量柱塞泵，與PSV兩路比例閥配合，使整個(gè)液壓系統(tǒng)具有根據(jù)載荷情況提供工作所需的壓力、流量的負(fù)載敏感特性，對(duì)于這樣的大功率系統(tǒng)，節(jié)能是必須考慮的。

2.2 液壓回路的切換

每臺(tái)絞車(chē)都能實(shí)現(xiàn)三種功能，速度控制、恒張力控制和兩臺(tái)絞車(chē)間的同步控制，如圖2所示，兩位兩通換向閥失電時(shí)，為速度控制和兩臺(tái)絞車(chē)間的同步控制，兩位兩通得電時(shí)，為恒張力控制。

圖2 系泊絞車(chē)同步恒張力系統(tǒng)原理Fig.2 Diagram of mooring winch of synchronous constant tension

在兩種定位狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)切換的二位二通換向閥的得失電狀態(tài)如下表1所示。

負(fù)載平衡與制動(dòng):在液壓系統(tǒng)中，平衡閥起到平衡負(fù)載的作用，確保在大范圍控制負(fù)力矩下放速度，有效防止速度失控，使錨鏈等重物平穩(wěn)下放;更可起軟管破損失壓時(shí)，自動(dòng)切斷油路，平衡負(fù)載，防止負(fù)載自行下落的自動(dòng)保護(hù)作用。平衡閥屬液控單向節(jié)流設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了液控單向閥和單向節(jié)流閥的控制功能。當(dāng)其控制油口不工作時(shí)，平衡閥具有單向閥和反向封閉的功能，即有制動(dòng)負(fù)載功能，當(dāng)控制油口有一定壓力油，則平衡閥的開(kāi)口面積、開(kāi)啟壓力、和開(kāi)口壓差決定了液壓閥反向的流量，這本身取決于液壓馬達(dá)的另一端口的進(jìn)口流量，從而防止液壓馬達(dá)失控。除了平衡閥起到制動(dòng)作用外，系統(tǒng)還設(shè)置了彈簧摩擦制動(dòng)，當(dāng)比例閥處于中位，由于中位機(jī)能是Y型機(jī)能，制動(dòng)油缸的油通過(guò)梭閥、多路比例閥中位回到油箱，摩擦制動(dòng)器依靠彈簧力摩擦制動(dòng)。

收放纜回路:當(dāng)絞車(chē)處于收纜工作狀態(tài)時(shí)，多路比例閥處于下位機(jī)能，來(lái)自多路比例閥的壓力油經(jīng)過(guò)梭閥，進(jìn)入制動(dòng)器油缸，將制動(dòng)器打開(kāi)，與此同時(shí)主油路上，來(lái)自多路比例閥的壓力油經(jīng)過(guò)平衡閥中的單向閥進(jìn)入馬達(dá)的B1口，驅(qū)動(dòng)油馬達(dá)，由A1口通過(guò)多路比例閥回油箱，馬達(dá)帶動(dòng)卷筒實(shí)現(xiàn)收纜;當(dāng)絞車(chē)處于放纜工作狀態(tài)時(shí)，則馬達(dá)的A1口作為進(jìn)油口，B1口作為回油口，依靠平衡閥平衡負(fù)載，完成錨鏈等重物平穩(wěn)下放。

表1 兩種工況電磁閥得失電Tab.1 Gains and losses of solenoid valve of two kinds of working conditions

2.3 同步控制的實(shí)現(xiàn)

兩臺(tái)絞車(chē)同步閉環(huán)控制的方法分為:同等式同步控制和主從式同步控制。

主從式同步控制系統(tǒng)相對(duì)于同等式同步控制較復(fù)雜，所以在選擇同步控制系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮系統(tǒng)的簡(jiǎn)單程度以及系統(tǒng)的控制精度的需要。本系統(tǒng)相對(duì)而言，不需要太高的精度和較復(fù)雜的計(jì)算控制，所以選用主從式同步控制方法，選擇其中的一臺(tái)絞車(chē)作為主動(dòng)，另外一臺(tái)絞車(chē)做隨動(dòng)跟蹤運(yùn)動(dòng)控制。每臺(tái)絞車(chē)有一個(gè)導(dǎo)向輪，把錨鏈導(dǎo)到船弦外，在導(dǎo)輪軸上安裝有編碼器和張力測(cè)量裝置，作為速度閉環(huán)系統(tǒng)和恒張力閉環(huán)系統(tǒng)的檢測(cè)元件，做隨動(dòng)跟蹤運(yùn)動(dòng)控制的絞車(chē)以自身導(dǎo)輪檢測(cè)裝置為閉環(huán)檢測(cè)元件，以主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的絞車(chē)導(dǎo)輪檢測(cè)裝置為給定信號(hào)，實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。

2.4 恒張力的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)需要恒張力的工況時(shí)，與平衡閥并聯(lián)的二位二通換向閥連通，油液直接通過(guò)二位二通換向閥，而不通過(guò)平衡閥;與此同時(shí)連接在馬達(dá)進(jìn)油口比例溢流閥前方的二位二通換向閥處于連通狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)馬達(dá)進(jìn)油口比例溢流閥的溢流壓力，與馬達(dá)回油口(通常情況下取0 MPa或者0.5 MPa)之間形成壓差，來(lái)設(shè)定和控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩，以PDF控制算法，控制比例溢流閥的壓力，以張力檢測(cè)為測(cè)量元件，實(shí)現(xiàn)張力的閉環(huán)控制，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)纜繩恒張力的控制，其張力的大小可以通過(guò)計(jì)算得到:

其中:i為馬達(dá)與絞車(chē)卷筒之間的傳動(dòng)比，Dm為馬達(dá)排量，Δp為馬達(dá)兩腔壓差，R為絞車(chē)卷筒半徑。

將實(shí)際通過(guò)張力傳感器測(cè)量的張力大小與輸入的理想張力進(jìn)行比較，其差值通過(guò)采用PLC編寫(xiě)或者VC++、C++Builder實(shí)現(xiàn)的偽微分控制器(PDF)進(jìn)行運(yùn)算以消除誤差，通過(guò)PLC拓展模塊輸出電壓，控制馬達(dá)回油口比例溢流閥的溢流壓力，使得馬達(dá)兩端口的壓差保持恒定，進(jìn)一步保證卷筒的扭矩恒定，從而保證了纜繩張力的恒定。

圖3 恒張力控制系統(tǒng)方塊圖Fig.3 Block diagram of constant tension control system

3 系統(tǒng)仿真

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)角對(duì)電液伺服閥閥芯位移的傳遞函數(shù)為:

其中:Kq為閥的流量增益;Kce為流量系數(shù)，Kce=Kc+Ctm;Kc為閥的壓力系數(shù);Ctm為馬達(dá)總泄露系數(shù);Dm為馬達(dá)排量;Xv為閥芯位移量;Vt為馬達(dá)與閥之間的容積;βe為有效體積彈性模量。

為了便于仿真和考察偽微分特性，各個(gè)參數(shù)取值如表2所示［6］。

表2 電液伺服系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of electro-hydraulic system

把以上各個(gè)參數(shù)代入計(jì)算，得液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)角對(duì)電液伺服閥閥芯位移和馬達(dá)力矩的傳遞函數(shù)為:

PDF控制器各個(gè)參數(shù)取值如下［7］:

取4級(jí)海況，波周期約為6 s，幅值為2.5 m的正弦波進(jìn)行仿真(見(jiàn)圖4)。從仿真結(jié)果可以看出，偽微分具有很好的動(dòng)態(tài)特性，可以在恒張力狀況下很好地跟隨波浪收放纜繩實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋平臺(tái)的定位。

考慮定位過(guò)程中纜繩在突然受到波浪時(shí)的影響，取400 kN時(shí)恒張力階躍信號(hào)進(jìn)行仿真。通過(guò)仿真考察了纜繩恒張力受正弦波浪的影響，在沒(méi)有采用偽微分控制之前，纜繩的張力由0 kN突然增加到400 kN，在采用偽微分控制之后，纜繩張力在1～2 s之間均勻變化，防止了纜繩由于突然受力過(guò)大而被拉斷，同時(shí)又不影響海洋平臺(tái)的定位，如圖5所示。

圖4 正弦波仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of sine wave

圖5 波浪擾動(dòng)恒張力變化圖Fig.5 Constant tension change result from wave disturbance

4 結(jié)語(yǔ)

1)在半潛式海洋平臺(tái)定位系統(tǒng)中，針對(duì)單點(diǎn)速度控制、同步控制和恒張力控制，在液壓系統(tǒng)中采用兩位兩通換向閥實(shí)現(xiàn)了不同控制狀態(tài)下液壓系統(tǒng)之間的切換。

2)在半潛式海洋平臺(tái)定位過(guò)程中，平臺(tái)每一個(gè)角的兩臺(tái)處于恒張力狀態(tài)的絞車(chē)之間的油路采用并聯(lián)的方式進(jìn)行連接。

3)通過(guò)調(diào)定液壓馬達(dá)回油口溢流閥的溢流壓力，與進(jìn)口溢流閥之間形成壓力差，設(shè)定絞車(chē)的張力，來(lái)達(dá)到絞車(chē)保持恒定張力的目的。

4)偽微分控制算法具有很好的隨動(dòng)特性，完全滿足半潛式海洋平臺(tái)定位過(guò)程中跟蹤波浪和纜繩恒張力控制穩(wěn)定性的要求。

［1］吳茂根，邱秀敏，王慶豐，等.實(shí)用電液比例技術(shù)［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，1993.

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Research on semi-submersible ocean platform location control system

YAN Hua-lin，JIANG Fei-long，ZHOU Chao，ZHAO Rui，LI Ya-nan，YUAN Wei
(School of Mechanical Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China)

Ocean positioning platform is taken as the research object.The main structure and the principle are specified.The hydraulic mooring winch system positioning the ocean platform is designed to run under different modes，speed control，synchronous control and constant tension control as arranged.The role components in the hydraulic system are analyzed.The way to calculate and set the constant tension is introduced，and Pseudo-derivation feedback control is adapted to control the mooring winch.Matlab is used in simulation and advantages can be seen from the simulation result:pseudo-derivation feedback control with good dynamic response can meet the need to moor the ocean platform and will have broad application prospects in other areas.

ocean platform;mooring position;hydraulic system;pseudo-derivation feedback control

P751

A

1005-9865(2012)03-0145-05

2011-10-27

江蘇省研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(CXLX11_0285)

鄢華林(1957-)，男，江西高安人，高工，碩士生導(dǎo)師，從事電液伺服控制、海洋裝備研究。