自升式風電安裝船樁腿同步控制系統設計及仿真

劉竹麗，劉夢奇，王建敏，王治敏

(1.鄭州大學機械與動力工程學院，河南鄭州 450001；2.鄭州天時海洋石油裝備有限公司，河南鄭州 450001)

0 前言

自升式風電安裝船是海上風電設備安裝及運維的專用船舶[1]。船體到達預定地點后，通過升降系統將船體頂升至離水面一定高度，樁腿固定于海床，形成相對穩固的作業平臺[2]。根據不同工作原理，升降系統主要有纜索式、液壓插銷式、齒輪齒條式等3種。液壓插銷式升降系統有體積小、功重比大、傳動效率高[3]等特點，應用比較廣泛。工作過程中，因平臺及樁腿所受載荷的變化、偏載[4]以及液壓系統各組成元件的差異等原因，會出現平臺傾斜及各樁腿頂推油缸不同步等問題。實際工程中液壓系統為開環控制，不能消除偏差，主要通過停機、手動單點方式調平，工作效率低。目前對風電安裝船的研究主要集中在升降系統的整體方案[5]和樁腿[6]，對液壓插銷式升降系統同步控制的研究較少。另外，在液壓同步控制中，主要采用的是同等控制或者主從控制策略[7-8]；耦合同步控制策略在多電機同步控制領域取得顯著的成果[9-11]，但在液壓同步控制領域中應用較少[12]。液壓插銷式升降系統同步控制的可靠性、高同步精度仍有待研究。

本文作者針對自升式風電安裝船樁腿升降液壓系統設計一種二級同步控制方案。引入速度跟蹤-位移耦合同步控制策略，模糊PID控制算法，以AMESim為平臺建立液壓仿真模型，以MATLAB/Simulink為環境建立控制系統模型，通過聯合仿真，驗證二級同步控制策略的合理性以及有效性。

1 樁腿液壓升降裝置工作原理

風電安裝船單樁腿液壓升降系統主要由動/定環梁、上/下插銷、4個升降油缸等部件組成[13]，如圖1所示。其功能是實現樁腿升降、平臺升降、收樁、降樁。在平臺上升工況中，升降裝置受力最大且需要實現同步控制，其工作流程如圖2所示。

2 同步控制策略設計

2.1 同步控制原理

開環閥控同步控制具有高可靠性的優點，閉環電液比例控制精度相對較高。根據液壓樁腿升降系統的要求，將二者結合，借鑒多電機同步控制在耦合同步控制策略方面的研究成果，運用偏差耦合控制策略，結合模糊PID控制算法，形成樁腿升降二級同步控制方案。

采用單向調速閥在主油路上對油液進行一級調節；通過比例換向閥在旁油路上進行二次調節。系統一級同步精度由調速閥決定，雖然同步精度稍差，但結構簡單，可靠性高；為提高同步精度，在旁油路上把同步誤差信號輸入比例方向閥對主油路流量進行調節，實現精準控制。由于主油路由單向調速閥分流，即使在比例方向閥意外斷電或者損壞的情況下仍可以工作。其系統原理如圖3所示。

以升降平臺上升工況為例，設液壓缸4.1運行速度較快，產生位移誤差，位移傳感器檢測到偏差后，經過控制器輸出負信號并作為比例方向閥2.1的輸入信號，使比例方向閥工作在右位，多余油液從比例方向閥排出，降低液壓缸4.1的運行速度，減小同步誤差；相反，控制器輸出正信號使比例方向閥工作在左位，補充油液，提高液壓缸運行速度，減小同步誤差。

2.2 樁腿液壓升降系統的數學模型

規定液壓桿外伸時方向為正，單個液壓缸回路簡化模型如圖4所示，主要包括比例方向閥、調速閥和非對稱液壓缸。

(1)比例方向閥流量方程

設FL為液壓缸外負載力，p1、p2和A1、A2分別為無桿腔、有桿腔壓力(Pa)和面積(m2)。定義χ=A2/A1，當液壓缸處于平衡狀態時，負載壓力pL為

(1)

比例方向閥提供的負載流量Q1為

(2)

式中：uv為比例方向閥的控制信號，-1

(2)調速閥流量方程

調速閥補償由于負載變化而引起的節流閥進出口壓力變化Δp，使Δp基本保持一致，從而保證輸出流量的穩定。定義Δp=ps2-p1，其中ps2為主油路供油壓力。調速閥提供的負載流量Q2計算式為

(3)

式中：Qv為調速閥調定流量，m3/s；Δpmin為最小壓差(Pa)；Cd為節流系數；A0為閥口截面積(m2)；ρ為液壓油密度(kg/m3)。

(3)非對稱缸流量連續性方程

若忽略管道中壓力的沿程損失，油溫和油液體積彈性模量為常數，則液壓缸內外泄漏均為層流流動。負載流量Q[14]為

(4)

式中：y為液壓缸位移，m；Ctp為液壓缸總泄漏系數；βe為有效體積彈性模量，Pa；Vt為總壓縮容積，m3。

(4)液壓缸與負載的力平衡方程

負載一般可以簡化成質量塊、阻尼、彈簧的二階模型，設m為活塞及負載折算到活塞上的總質量(kg),b為活塞及負載的黏性阻尼系數,k為負載的彈簧剛度，則液壓缸與負載的力平衡方程為

(5)

式(1)—式(5)經過拉氏變換，聯立可得液壓缸輸出位移為

(6)

3 升降裝置模型建立及仿真

3.1 聯合仿真模型建立

只考慮液壓缸伸出的同步性能，不考慮液壓鎖、平衡閥、緩沖回路的影響，對單樁腿上升液壓系統進行簡化。在AMESim上建立液壓仿真模型，如圖5所示。在MATLAB/Simulink上建立控制模型，以AMESim和Simulink聯合仿真技術實現單樁腿的4個液壓缸組成的升降系統的仿真分析。

根據HSJ-2800TS風電安裝船的工程實際要求，液壓系統主要參數如下：液壓缸行程1.62 m，活塞直徑650 mm，桿徑320 mm，泄漏系數0. 04 L/(min·MPa)，油缸給定運行速度r(t)=0.003 3 m/s，主油路供油壓力25 MPa，旁油路供油壓力25 MPa，每缸負載力0～7 000 kN，調速閥調定流量65 L/min，采用6通徑、三位四通直動式比例方向閥，流量Q=8 L/min，對應壓降Δp=3 MPa。

液壓缸上均設置位移傳感器用來檢測液壓缸活塞桿位移，系統采用速度跟蹤-位移補償控制，二級耦合同步控制策略如圖6所示。給定速度r(t)與液壓缸輸出速度作差值形成速度跟蹤信號，位移輸出耦合算法取各液壓缸位移的平均值作為每個液壓缸的評價位移，并與各液壓缸實際位移進行比較，作為位移補償信號；通過速度-位移偏差耦合控制方式把多個液壓缸聯系起來，使彼此之間相互影響，在每個液壓缸速度達到給定值的同時，結合其他液壓缸實際位移情況對自身控制器的輸出進行補償。在樁腿液壓缸同步控制策略中，速度控制器采用常規的PID控制算法；位移輸出補償采用二輸入三輸出的模糊PID控制器，其中位移誤差e(t)和誤差變化率ec(t)作為輸入量，Δkp、Δki、Δkd為輸出量，模糊語言集合均{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，子集中的元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大[15]。

3.2 仿真計算及結果分析

(1)系統階躍響應分析

根據工程實際，在給定速度r(t)下，單液壓缸負載取7 000 kN，液壓缸4.1速度階躍響應曲線如圖7所示。可知：升降油缸大約在2 s時基本達到勻速狀態，無超調量，響應速度快，具有良好的啟動特性和速度穩定性。油缸速度主要由調速閥調定，旁路比例方向閥只對小流量進行調節，補償偏載、系統非線性等原因造成的同步誤差。

(2)不同偏載情況下的同步性能分析

研究極端條件下的同步性能，對下面4種不同偏載情況進行分析，括號內依次對應1～4號液壓缸上的負載：a(0,7 000, 7 000, 7 000)kN、b(0, 0, 7 000, 7 000)kN、c(0, 0, 0, 7 000 )kN、d(4 000, 5 000, 6 000,7 000)kN。各工況下同步誤差仿真計算結果如圖8所示。可知：啟動時，偏載致使進入各液壓缸油的流量不同，而旁路補償作用尚未發揮，同步誤差稍大，但均在0.5 mm以下；隨著旁路比例方向閥對主油路流量的微調，6 s后達到穩定狀態，各工況同步誤差均趨于0。可以看出，系統對各種不同偏載工況具有較快的響應速度和較高的同步精度。

(3)比例方向閥損壞情況的同步性能

以偏載工況a為例，設在時間t=30 s時比例方向閥2.4突然掉電，在t=31 s時比例方向閥2.4正常工作，系統同步性能如圖9、圖10所示。可知：比例方向閥2.4突然掉電時，液壓缸4.4失去旁路油路補償作用，速度突然降低，其他缸比例方向閥正常工作，但跟隨液壓缸4.4運動，速度同時突然降低；比例閥2.4恢復工作時，液壓缸4.4速度快速上升，位移同步誤差最大達到0.35 mm，其他3個液壓缸跟隨液壓缸4.4運動，速度同時上升，當t=40 s時，4個液壓缸速度相同，同步誤差基本為0。從上面分析可以得知，當比例方向閥意外斷電時，系統仍具有較高的同步精度和較快的響應速度。

(4)傳感器受干擾時系統仿真分析

在偏載工況a下，以正態隨機信號模擬位移傳感器受到的干擾，速度及同步位移仿真結果分別如圖 11、圖 12所示。可知：4個液壓缸在30 s時速度基本保持一致，最大同步誤差小于0.3 mm。由此知，在傳感器受干擾情況下，該系統仍具有較高的同步精度。

4 結論

(1)考慮到風電安裝船升降過程中同步控制的要求，將開環閥控同步控制(高可靠性)與閉環電液比例控制(高精度)相結合，設計了二級液壓同步控制系統，使旁路伺服系統對主油路油液進行微調，保證同步精度。

(2)引入偏差耦合同步控制策略，提高同步精度；采用模糊PID控制算法，提高系統的魯棒性。

(3)結果表明：二級同步控制具有無超調、響應速度快、抗偏載能力強、可靠性高等優點；驗證了二級同步控制液壓系統的抗干擾性及有效性。