淺淡國(guó)內(nèi)首臺(tái)深水波浪補(bǔ)償克令吊的補(bǔ)償技術(shù)系統(tǒng)

宣強(qiáng)　朱鎮(zhèn)

摘 要：隨著國(guó)內(nèi)對(duì)海洋資源不斷的深入開(kāi)發(fā)，各類(lèi)工程船舶、海洋鉆井平臺(tái)越來(lái)越多的進(jìn)入到深海區(qū)域進(jìn)行海上作業(yè)，受深海區(qū)域波浪起伏的影響，海上作業(yè)時(shí)會(huì)隨著波浪晃動(dòng)，船體晃動(dòng)則直接導(dǎo)致水下起重機(jī)的吊鉤不穩(wěn)，增加海上作業(yè)困難，影響水下的安裝作業(yè)。上海振華公司自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首個(gè)深水下主動(dòng)波浪補(bǔ)償甲板起重機(jī)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在主動(dòng)波浪補(bǔ)償設(shè)備領(lǐng)域的研發(fā)空白，打破了國(guó)外的技術(shù)壟斷，以提高海上作業(yè)的安全性、高效性和可靠性。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)波浪補(bǔ)償；二次液壓控制；信號(hào)檢測(cè)；控制算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TH137.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）14-0008-02

深水波浪補(bǔ)償克令吊是上海振華公司為提高公司海工產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)一步提高海工產(chǎn)品自主創(chuàng)新能力和高附加值，在國(guó)外公司技術(shù)嚴(yán)密封鎖，無(wú)任何參照系統(tǒng)資料的情況下，歷經(jīng)4年自主研發(fā)的一臺(tái)具有國(guó)內(nèi)最先進(jìn)深水環(huán)境下主動(dòng)式波浪補(bǔ)償技術(shù)的新型甲板起重機(jī)，是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)真正意義上的帶主動(dòng)波浪補(bǔ)償功能的起重機(jī)產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于水下600 m以內(nèi)的海上補(bǔ)給、海洋鉆井、有纜海底機(jī)器人安裝作業(yè)、深海探測(cè)等。

1 本項(xiàng)目補(bǔ)償技術(shù)系統(tǒng)說(shuō)明

升沉補(bǔ)償系統(tǒng)是海洋工程作業(yè)安全進(jìn)行必不可少的裝置，氣液運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器和張緊器是海洋浮船和半潛式平臺(tái)廣泛采用的兩種升沉補(bǔ)償系統(tǒng)。升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的分類(lèi)的方法比較多。按動(dòng)力供應(yīng)分按其動(dòng)力供應(yīng)來(lái)分，升沉補(bǔ)償系統(tǒng)可分為：主動(dòng)型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)（Active Heave Compensation System，AHCS）、被動(dòng)型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)（passive Heave Compensation System，PHCS）、主動(dòng)型與被動(dòng)型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)相結(jié)合的半主動(dòng)型。

振華公司設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)前期自主研發(fā)了油缸配合蓄能器的波浪升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)的補(bǔ)償?shù)踔貫? T，模擬的波浪高度為±1 m；周期為10 s，通過(guò)檢測(cè)和調(diào)試，從而獲得波浪補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行工況的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；首臺(tái)波浪補(bǔ)償克令吊正是以此為基礎(chǔ)，通過(guò)理論創(chuàng)新和消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)等技術(shù)積累手段，對(duì)深水環(huán)境下波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，研制一種帶主動(dòng)波浪升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的，滿足深水環(huán)境工作的新型起重吊機(jī)， 使該產(chǎn)品能夠滿足市場(chǎng)上通用的定位精度要求，最終打破國(guó)外的技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)波浪補(bǔ)償裝備的國(guó)產(chǎn)化并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣， 最終形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的波浪補(bǔ)償設(shè)備設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造能力，設(shè)計(jì)制造水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平為主要研究目標(biāo)。

首臺(tái)波浪補(bǔ)償克令吊具體補(bǔ)償技術(shù)系統(tǒng)說(shuō)明如下。

1.1 主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主動(dòng)波浪補(bǔ)償克令吊采用的絞車(chē)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)方式，如圖1所示。

主動(dòng)絞車(chē)補(bǔ)償系統(tǒng)只需要控制絞車(chē)卷筒即可，不需要額外增加其他的機(jī)械和液壓裝置，可以節(jié)省有效的船舶空間。但是采用該方法，絞車(chē)慣性很大，需要實(shí)時(shí)的進(jìn)行控制，消耗功率較大，同時(shí)對(duì)被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)不方便設(shè)計(jì)。

本克令吊主動(dòng)升沉波浪補(bǔ)償系統(tǒng)包括：起升卷筒、船舶姿態(tài)運(yùn)動(dòng)傳感器、絕對(duì)值編碼器和補(bǔ)償設(shè)備。起升卷筒安裝在起重機(jī)上，起升卷筒通過(guò)鋼絲繩繞過(guò)起重機(jī)的支臂前端的懸掛支點(diǎn)吊裝一負(fù)載，負(fù)載浸沒(méi)于水面下。船舶姿態(tài)運(yùn)動(dòng)傳感器固定于固定基座上，船舶姿態(tài)運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)船舶升沉運(yùn)動(dòng)。絕對(duì)值編碼器安裝于起升卷筒上，絕對(duì)值編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)起升卷筒的運(yùn)動(dòng)狀況。如圖2所示。

1.2 二次液壓控制技術(shù)

本克令吊的主動(dòng)補(bǔ)償液壓方面是采用博世力士樂(lè)最先進(jìn)的二次液壓控制方案技術(shù)，這也是針對(duì)AHC的獨(dú)特的應(yīng)用。如圖3所示。

波浪補(bǔ)償克令吊主起升卷筒采用由五個(gè)力士樂(lè)具有高響應(yīng)速度的液壓二次馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。采用液壓系統(tǒng)中先進(jìn)的二次調(diào)節(jié)技術(shù)，本克令吊起升裝置可以工作于如下工作模式下，分別為：“吊機(jī)普通模式”、“吊機(jī)空鉤模式”、“恒張力模式”、“波浪補(bǔ)償模式”、“手動(dòng)維修模式”，以上五種控制模式可以通過(guò)按鈕在操作面板上選擇和切換，絞車(chē)在任何時(shí)刻只能選定一種操作模式。

有關(guān)主動(dòng)恒張力調(diào)節(jié)也是通二次控制馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，正因?yàn)槭菈毫︸詈舷到y(tǒng)，在主動(dòng)恒張力微調(diào)時(shí)便可以在很短的時(shí)間內(nèi)作出反應(yīng)，另外動(dòng)力站的壓力閥是電比例閥，所以系統(tǒng)壓力量是可在不同的負(fù)載情況下進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。當(dāng)然我們會(huì)將工況分成幾個(gè)等級(jí)，從而調(diào)節(jié)壓力，一個(gè)可調(diào)的近似恒壓系統(tǒng)，再加二次控制是目前最先進(jìn)的配置，沒(méi)有二次控制馬達(dá)，高精度的操控是做不出來(lái)的。

波浪補(bǔ)償克令吊液壓系統(tǒng)有：主起升，回轉(zhuǎn)，變幅機(jī)構(gòu)。每個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行由司機(jī)室的電控手柄進(jìn)行控制。每個(gè)機(jī)構(gòu)每次運(yùn)行的啟動(dòng)和停止都必須經(jīng)過(guò)設(shè)定的斜坡（除緊停外）。在司機(jī)室內(nèi)需要顯示的液壓系統(tǒng)的狀態(tài)有：油溫，油位，制動(dòng)器，泵最底變量壓力（10 bar），整個(gè)系統(tǒng)待機(jī)等，具體見(jiàn)各工況。

1.3 信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)由高性能船舶姿態(tài)傳感器MRU（Motion Reference Unit）及數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)船舶姿態(tài)運(yùn)動(dòng)、鋼絲繩張力以及重物位移、速度等信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。船舶姿態(tài)運(yùn)動(dòng)傳感器以固定采樣周期采集預(yù)定時(shí)間段內(nèi)的船舶升沉運(yùn)動(dòng)位移數(shù)據(jù)，補(bǔ)償設(shè)備對(duì)船舶升沉運(yùn)動(dòng)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析獲得船舶升沉運(yùn)動(dòng)位移數(shù)據(jù)的功率譜，補(bǔ)償設(shè)備對(duì)功率譜進(jìn)行譜擬合與參數(shù)化并建立船舶升沉運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)空間模型，該狀態(tài)空間模型作為船舶升沉運(yùn)動(dòng)的歷史數(shù)據(jù)。

1.4 電氣控制算法

電氣系統(tǒng)方面運(yùn)用時(shí)滯參數(shù)辨識(shí)原理對(duì)系統(tǒng)時(shí)滯參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，由于主動(dòng)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)是一個(gè)大慣量、滯后、參數(shù)時(shí)變的非線性系統(tǒng)。主動(dòng)波浪補(bǔ)償要想達(dá)到一定的控制精度，就必須采用相關(guān)的智能控制算法，從而解決時(shí)滯后性、鋼絲繩彈性以及系統(tǒng)阻尼等因素的影響，通過(guò)分析主動(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的時(shí)滯主要是在液壓系統(tǒng)、機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)中產(chǎn)生的。如圖4所示。

進(jìn)行主動(dòng)升沉補(bǔ)償預(yù)測(cè)控制算法研究，消除液壓絞車(chē)大慣量、滯后、參數(shù)時(shí)變等非線性因素對(duì)主動(dòng)升沉補(bǔ)償控制性能的影響，在液壓絞車(chē)功率允許的前提下提高主動(dòng)升沉補(bǔ)償效率，同時(shí)，在控制算法的過(guò)程中，必須將鋼絲繩彈性因素和水下負(fù)載的阻尼納入考慮范圍中，從而進(jìn)行有效的主動(dòng)補(bǔ)償控制。高性能數(shù)字控制器實(shí)時(shí)讀取MRU數(shù)據(jù)，進(jìn)行擾動(dòng)前饋控制，得到擾動(dòng)前饋控制電壓為uforward。讀取卷筒絕對(duì)值編碼器和張力傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算，通過(guò)與操作手柄的控制指令信號(hào)進(jìn)行比較分析，利用位移偏差信號(hào)進(jìn)行不完全微分反饋控制算法，決策出反饋控制電壓ufeedback，控制器通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸出總的控制電壓u=uforward+ufeedback，將此控制電壓輸出到馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，從而驅(qū)動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行主動(dòng)升沉補(bǔ)償。

2 結(jié) 語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要闡述了上海振華公司自主研發(fā)首臺(tái)波浪補(bǔ)償克令吊采用的主動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)系統(tǒng)的組成，從文中可以看出，對(duì)于船舶在波浪起伏的海上作業(yè)時(shí)，波浪補(bǔ)償技術(shù)在增強(qiáng)安全性和可靠性的前提下，大大增加了高效作業(yè)，公司首臺(tái)具有波浪補(bǔ)償經(jīng)功能克令吊的研制成功，標(biāo)志著我國(guó)在海波浪補(bǔ)償技術(shù)及設(shè)備方面的突破，為今后國(guó)家開(kāi)發(fā)深海資源戰(zhàn)略提供有力的技術(shù)保障。

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