升沉補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王玉紅，杜慧子，許晨光，李豪杰，梁 旭

（1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316000；2.浙江大學(xué) 浙江省海上試驗(yàn)科技創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)，浙江 舟山 316000）

二十一世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，海洋對(duì)國(guó)家的生存發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。船舶上的工作平臺(tái)在海洋環(huán)境中不可避免地受到來(lái)自風(fēng)、浪、流的影響而不穩(wěn)定，這不僅會(huì)影響海上作業(yè)的正常進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致事故發(fā)生[2-3]。其中，船舶升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)海上作業(yè)的影響很大[4-5]，也引起學(xué)者們的普遍關(guān)注。例如，海洋石油鉆探工程中，由于平臺(tái)跟隨海浪產(chǎn)生周期性的升沉運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致鉆柱中產(chǎn)生周期相變化的拉力，造成疲勞破壞[6]；在母船通過(guò)纜繩與水下拖曳負(fù)載相連接時(shí)，母船的周期性升沉運(yùn)動(dòng)會(huì)使纜繩周期性拉緊和松弛，對(duì)纜繩造成極大的破壞[7-8]。升沉補(bǔ)償系統(tǒng)可以用于補(bǔ)償母船隨海浪的升沉運(yùn)動(dòng)，為工作平臺(tái)提供一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境，因此備受關(guān)注[9]。

目前，很多對(duì)升沉補(bǔ)償裝置的研究都停留在理論研究、計(jì)算機(jī)仿真和模擬實(shí)驗(yàn)等方面，在真實(shí)海上工況中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少[10]，導(dǎo)致很多學(xué)生對(duì)升沉補(bǔ)償裝置的認(rèn)識(shí)也只停留在理論層面。讓學(xué)生們結(jié)合相關(guān)的理論進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)很有必要[11]。因此，本文利用六自由度平臺(tái)來(lái)模擬真實(shí)的海上工況，基于液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種升沉補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)可以使用被動(dòng)補(bǔ)償、主動(dòng)控制補(bǔ)償和半主動(dòng)控制補(bǔ)償?shù)炔煌绞酵瓿裳a(bǔ)償工作，對(duì)比不同補(bǔ)償方式的優(yōu)缺點(diǎn)，讓學(xué)生更加全面地了解升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的工作過(guò)程和控制方式，還可以讓學(xué)生思考、嘗試更復(fù)雜的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的補(bǔ)償效果。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

升沉補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由六自由度平臺(tái)、升沉補(bǔ)償部分和負(fù)載模擬部分組成，如圖1所示。

圖1 升沉補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

母船的運(yùn)動(dòng)通過(guò)六自由度平臺(tái)來(lái)模擬，該平臺(tái)可以提供六個(gè)自由度的耦合運(yùn)動(dòng)，模擬各種海洋工作情況，為升沉補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供較為真實(shí)的母船運(yùn)動(dòng)環(huán)境[12]。

升沉補(bǔ)償部分如圖2所示，主要由補(bǔ)償液壓缸、滑輪組、纜繩、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，固定在六自由度平臺(tái)上，與負(fù)載通過(guò)纜繩連接。在實(shí)際工作狀況中，纜繩長(zhǎng)度需根據(jù)負(fù)載位置要求來(lái)確定，而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以固定纜繩的長(zhǎng)度，當(dāng)六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)負(fù)載的位置來(lái)判斷升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償效果。升沉補(bǔ)償系統(tǒng)隨著六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，其控制系統(tǒng)可以通過(guò)加速度計(jì)傳感器監(jiān)測(cè)到自身的升沉位移情況，然后驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償液壓缸運(yùn)動(dòng)來(lái)抵消母船的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)補(bǔ)償液壓缸的位移方向與母船位移相反且大小是母船位移的1/2時(shí)，就可以使得負(fù)載的絕對(duì)位置基本不變。

圖2 升沉補(bǔ)償部分和負(fù)載模擬部分

在進(jìn)行實(shí)際的海上升沉補(bǔ)償工作時(shí)，系統(tǒng)承受的負(fù)載分為水上負(fù)載、入水出水負(fù)載和水中負(fù)載等不同的負(fù)載形式，不同的負(fù)載形式中負(fù)載承受的外力及外力的變化不同，同時(shí)負(fù)載質(zhì)量不確定，難以采用實(shí)際重物來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此通過(guò)一個(gè)底部帶鉸鏈的液壓缸來(lái)模擬負(fù)載（見(jiàn)圖1和2），在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下可以模擬3 t的負(fù)載。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用液壓系統(tǒng)完成升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，采用三菱可編程邏輯控制器（PLC）完成控制指令的下達(dá)和傳感器信號(hào)的采集，在上位機(jī)編寫了 LabVIEW程序來(lái)實(shí)現(xiàn)各種算法，并將控制指令傳遞給PLC，同時(shí)將 PLC采集到的傳感器信息和加速度計(jì)信息顯示到屏幕上，使實(shí)驗(yàn)人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要包括負(fù)載模擬液壓回路和升沉補(bǔ)償回路，分別實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載受力和升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)功能，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以分別使用主動(dòng)補(bǔ)償、半主動(dòng)補(bǔ)償和被動(dòng)補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)對(duì)母船升沉運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償，對(duì)比補(bǔ)償效果，如圖4所示。

圖4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

負(fù)載模擬液壓回路中由比例溢流閥5和壓力傳感器 8共同完成對(duì)模擬負(fù)載液壓缸 6無(wú)桿腔壓力的控制，改變模擬負(fù)載液壓缸6無(wú)桿腔壓力即可改變模擬負(fù)載的受力，可以模擬不同的負(fù)載在不同工況下的受力波動(dòng)。

升沉補(bǔ)償回路主要由主動(dòng)補(bǔ)償回路、半主動(dòng)補(bǔ)償回路組成，通過(guò)電磁閥的開(kāi)閉即可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)補(bǔ)償、半主動(dòng)補(bǔ)償和被動(dòng)補(bǔ)償?shù)那袚Q，不同的控制形式通過(guò)補(bǔ)償液壓缸13的伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)升沉運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償。不同的控制形式動(dòng)作如下：

（1）主動(dòng)補(bǔ)償。關(guān)閉電磁閥12和18，打開(kāi)球閥10和16，此時(shí)僅負(fù)載模擬部分和主動(dòng)補(bǔ)償回路工作，比例流量閥9用于調(diào)節(jié)負(fù)載液壓缸無(wú)桿腔的壓力，位移傳感器14和壓力傳感器15將實(shí)時(shí)系統(tǒng)信息反饋給控制系統(tǒng)，此時(shí)主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)完全承擔(dān)負(fù)載的重力，能耗較大。

（2）被動(dòng)補(bǔ)償。關(guān)閉球閥10和16，打開(kāi)電磁閥12、18和22，當(dāng)比例流量閥17不動(dòng)作時(shí)，此時(shí)外部無(wú)能量輸入升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，由蓄能器 23承擔(dān)負(fù)載重力，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)補(bǔ)償功能，不消耗能量。

（3）半主動(dòng)補(bǔ)償。關(guān)閉球閥10和16，打開(kāi)電磁閥 12、18和 22，此時(shí)半主動(dòng)補(bǔ)償回路工作，由蓄能器23承擔(dān)大部分負(fù)載重力，由主動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)高精度的補(bǔ)償，此時(shí)系統(tǒng)的能耗比主動(dòng)補(bǔ)償?shù)汀?/p>

2.2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電控系統(tǒng)主要由三菱 PLC和上位機(jī)LabVIEW程序組成，如圖5所示。PLC廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域，具有強(qiáng)大的抗干擾能力、高可靠性和低故障率。該平臺(tái)PLC型號(hào)為FX3U-32M，可以直接通過(guò)數(shù)字模塊控制閥10、12、16、18、22的開(kāi)閉狀態(tài)來(lái)控制不同的升沉補(bǔ)償狀態(tài)，使用FX3U-4DA模塊輸出模擬電壓信號(hào)控制比例流量閥5、9、17的通過(guò)流量狀態(tài)，使用FX3U-4AD模塊采集液壓系統(tǒng)負(fù)載模擬部分和升沉補(bǔ)償部分的位移、壓力信息。經(jīng)過(guò)PLC的分析處理后，將信號(hào)通過(guò)串行通信的方式傳遞給上位機(jī)。

圖5 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在升沉補(bǔ)償裝置上安裝MPU-9250姿態(tài)傳感器，其角速度測(cè)量范圍為 ±2 000 (°)/s ，分辨率為 7 .6× 1 0-3(°)/s ，加速度分辨率為 6 .1×10-5g，可以準(zhǔn)確地追蹤六自由度平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)其數(shù)據(jù)可以通過(guò)高速串口的方式傳遞給上位機(jī)，然后通過(guò)計(jì)算獲得六自由度平臺(tái)的升沉位移，完全符合該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)六自由度平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)的要求。

考慮到在進(jìn)行升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)測(cè)試不同控制方法的控制效果，所有控制算法都在上位機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算，然后將計(jì)算結(jié)果傳遞給PLC，由PLC控制系統(tǒng)動(dòng)作。三菱公司為上位機(jī)和 PLC的通信提供了鏈接庫(kù)工具M(jìn)X Component，通過(guò)該工具可以使上位機(jī)方便地對(duì)PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，上位機(jī)的工作邏輯如圖6所示。

LabVIEW操作界面如圖7所示，可以控制液壓泵的啟停和急停。通過(guò)左側(cè)閥的狀態(tài)可以判斷液壓系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)；中間的4個(gè)折線圖窗口實(shí)時(shí)顯示負(fù)載補(bǔ)償?shù)男Ч把a(bǔ)償過(guò)程中系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程；下方的按鈕用于選擇不同的補(bǔ)償方式和控制算法；右上方的區(qū)域?qū)⒃敿?xì)的系統(tǒng)變化情況展現(xiàn)出來(lái)，供實(shí)驗(yàn)人員參考。

圖6 上位機(jī)工作流程

圖7 LabVIEW操作界面

3 控制算法設(shè)計(jì)

3.1 模擬負(fù)載算法設(shè)計(jì)

采用 PID算法控制模擬負(fù)載液壓缸無(wú)桿腔的壓力。控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集模擬負(fù)載液壓缸無(wú)桿腔的壓力信號(hào)并進(jìn)行反饋控制，由PID算法計(jì)算出比例流量閥5的輸入電壓，使模擬負(fù)載液壓缸無(wú)桿腔的壓力跟隨設(shè)定值變化，進(jìn)而可以使模擬負(fù)載液壓缸活塞桿受到一定的向下的力，從而達(dá)到模擬負(fù)載的效果。在升沉補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，模擬負(fù)載液壓缸活塞只受到向下的液壓力的作用和向上的纜繩的作用，因此只需控制模擬負(fù)載液壓缸無(wú)桿腔的壓力。

3.2 平臺(tái)位移監(jiān)測(cè)算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò) MPU9250姿態(tài)傳感器可以測(cè)量到系統(tǒng)垂直方向的加速度變化情況，通過(guò)對(duì)垂直方向的加速度兩次積分可以獲得六自由度平臺(tái)在垂直方向上的位移情況，但這樣會(huì)引入極大的噪聲干擾，故在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)中采用標(biāo)準(zhǔn)的升沉濾波器實(shí)現(xiàn)雙積分的過(guò)程，其定義如下[13]：

式中：s是拉普拉斯變量，ζ和cω分別是濾波器的阻尼系數(shù)和截止頻率，az是六自由度平臺(tái)垂直方向的加速度，是估計(jì)的位置。

3.3 主動(dòng)升沉補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔和有效性，在中外學(xué)者的研究中，很多升沉補(bǔ)償裝置采用PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制[7,14-15]。

在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中默認(rèn)采用PID控制方式實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償功能，在主動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程中，將節(jié) 3.2中估計(jì)到的平臺(tái)位移的–0.5倍作為算法的輸入信號(hào)，輸出信號(hào)為比例流量閥9的控制信號(hào)，反饋信號(hào)為補(bǔ)償液壓缸13的位移，通過(guò)PID算法可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償液壓缸持續(xù)跟蹤理想的位置信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償平臺(tái)位移的目標(biāo)。當(dāng)進(jìn)行半主動(dòng)補(bǔ)償控制時(shí)，需要將PID算法的輸出信號(hào)修改為比例流量閥17的控制信號(hào)，并調(diào)整PID算法參數(shù)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償平臺(tái)位移的目標(biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)研究

在圖 1的升沉補(bǔ)償裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)。假設(shè)船只的運(yùn)動(dòng)x(t)可以被描述為N個(gè)幅值為Aj、頻率為ωj且相位為φj的正弦波的疊加，該假設(shè)是一個(gè)普遍使用的假設(shè)[7]。

在實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)船只的運(yùn)動(dòng)為一組正弦波，其升沉運(yùn)動(dòng)幅值為±0.1 m，周期為10 s，在被動(dòng)補(bǔ)償、主動(dòng)控制和半主動(dòng)控制下平臺(tái)、補(bǔ)償液壓缸和負(fù)載的運(yùn)動(dòng)曲線分別如圖8、9和10所示。被動(dòng)補(bǔ)償效果最差，負(fù)載位移范圍是 -0.0298~0.0334 m ，補(bǔ)償率為65.8%；在主動(dòng)控制的作用下，負(fù)載的位移范圍是 - 0.0094~0.00085 m，補(bǔ)償率為90.36%；在半主動(dòng)控制的作用下，負(fù)載的位移范圍是 - 0.0126~0.0130 m，補(bǔ)償率為86.76%，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)可以模擬并實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程和控制功能，使用主動(dòng)補(bǔ)償控制、半主動(dòng)補(bǔ)償控制時(shí)補(bǔ)償效果較好。當(dāng)使用主動(dòng)補(bǔ)償控制時(shí)，升沉補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，補(bǔ)償率較高；當(dāng)使用半主動(dòng)補(bǔ)償控制時(shí)，由于蓄能器的加入，使得升沉補(bǔ)償裝置非線性結(jié)構(gòu)增加，控制精度降低，但是系統(tǒng)能耗會(huì)大大降低；當(dāng)使用被動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償效果較差，但是系統(tǒng)不消耗能量。

圖8 被動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)位移曲線

圖9 主動(dòng)控制補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)位移曲線

圖10 半主動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)位移曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用六自由度平臺(tái)模擬母船的升沉運(yùn)動(dòng)，液壓缸可以模擬真實(shí)的負(fù)載受力情況，可以采用被動(dòng)補(bǔ)償、主動(dòng)補(bǔ)償控制和半主動(dòng)補(bǔ)償控制的方式進(jìn)行升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以獲得較好的補(bǔ)償效果，同時(shí)達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制的要求。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以讓學(xué)生更加了解升沉補(bǔ)償裝置的工作過(guò)程和控制機(jī)理，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。