半潛式海洋平臺定位系統的控制系統研究

鄢華林，姜飛龍，周 超，趙 瑞，李亞南，袁 威

(江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮江 212003)

半潛式海洋平臺定位系統的控制系統研究

鄢華林，姜飛龍，周 超，趙 瑞，李亞南，袁 威

(江蘇科技大學機械工程學院，江蘇鎮江 212003)

以海洋平臺定位系統作為研究對象，闡述了平臺定位的主要組成和工作原理，設計了滿足速度控制、同步控制和恒張力控制的不同運行模式下的系泊絞車液壓系統，分析了液壓系統各主要元件在系統中的作用。采用偽微分反饋控制算法對系泊絞車進行控制，并給出了同步控制的策略和恒張力的計算調定方法。Matlab仿真表明，偽微分控制算法具有很好的動態響應特性，完全滿足海洋平臺系泊定位的要求。

海洋平臺;系泊定位;液壓系統;偽微分控制

海洋平臺的定位方式隨深度可分為自升式固定平臺、半潛式錨泊定位平臺和深水動力定位平臺，這里研究的是半潛式海洋平臺錨泊定位控制系統。由中央計算機控制八臺基于PLC控制的系泊絞車，通過風浪檢測、波浪預報，協調八臺系泊絞車以速度控制、同步控制和恒張力控制的不同運行模式，實現海洋作業平臺的定位和系泊安全。

海洋平臺自身并無驅動動力，定位時靠輔助拋錨船只拋錨，單臺系泊絞車運行時，采用速度控制;兩臺同時拖曳時，采用同步控制，以保證拖曳力的均勻分配。

定位后的常態下，海洋平臺的定位由系泊絞車制動予以實現;當海浪預報系統檢測到海浪時，中央計算機依據風力風向等海況，自動設定每臺系泊絞車的工作參數。即迎著風浪端的絞車處于制動狀態，背著風浪端的絞車應處于恒張力收纜狀態。

當海浪的作用消除之后，各臺絞車恢復到常態。由于平臺的每一側均由多臺絞車同時進行系泊，所以這幾臺絞車都應保持張力近似相等以免纜繩受力不均而拉斷。

海洋平臺一般采用多點系泊定位的方式，一般來說，系泊的點數多于4點，并且成偶數對稱分布，本研究的海洋平臺定位系統采用8點系泊定位，如圖1所示。

1 海洋平臺定位方式

在拋錨的過程中，逐個進行，采用單點系泊速度控制的方式進行收緊;為了防止單點系泊絞車受力過大，采用在海洋平臺的每個角布置兩臺絞車的方式，若要兩臺絞車的張力一致，則需要采用同步張緊的方式。在海浪預報系統檢測到海浪時，背著海浪一側的所有絞車應處于恒張力狀態，此時海洋平臺由于系泊絞車恒張力的作用而下沉;為了防止海洋平臺發生傾翻，迎著風浪的絞車制動，保證了海洋平臺的安全定位。

圖1 錨泊系統布置示意Fig.1 Layout of mooring system

2 液壓系統組成及原理

2.1 液壓系統組成

整個系統有八臺系泊絞車，每臺絞車都由一臺定量馬達驅動，每兩臺由一組PSV兩路比例閥控制，每組有一塊主塊和分別控制兩臺絞車的兩路比例換向閥;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梭閥，定差減壓閥和與換向閥的節流口串聯，形成調速功能，使速度與載荷無關。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載敏感口使泵的壓力比該壓力略高。能源機構采用電動機驅動的變量柱塞泵，與PSV兩路比例閥配合，使整個液壓系統具有根據載荷情況提供工作所需的壓力、流量的負載敏感特性，對于這樣的大功率系統，節能是必須考慮的。

2.2 液壓回路的切換

每臺絞車都能實現三種功能，速度控制、恒張力控制和兩臺絞車間的同步控制，如圖2所示，兩位兩通換向閥失電時，為速度控制和兩臺絞車間的同步控制，兩位兩通得電時，為恒張力控制。

圖2 系泊絞車同步恒張力系統原理Fig.2 Diagram of mooring winch of synchronous constant tension

在兩種定位狀態下，實現切換的二位二通換向閥的得失電狀態如下表1所示。

負載平衡與制動:在液壓系統中，平衡閥起到平衡負載的作用，確保在大范圍控制負力矩下放速度，有效防止速度失控，使錨鏈等重物平穩下放;更可起軟管破損失壓時，自動切斷油路，平衡負載，防止負載自行下落的自動保護作用。平衡閥屬液控單向節流設計，實現了液控單向閥和單向節流閥的控制功能。當其控制油口不工作時，平衡閥具有單向閥和反向封閉的功能，即有制動負載功能，當控制油口有一定壓力油，則平衡閥的開口面積、開啟壓力、和開口壓差決定了液壓閥反向的流量，這本身取決于液壓馬達的另一端口的進口流量，從而防止液壓馬達失控。除了平衡閥起到制動作用外，系統還設置了彈簧摩擦制動，當比例閥處于中位，由于中位機能是Y型機能，制動油缸的油通過梭閥、多路比例閥中位回到油箱，摩擦制動器依靠彈簧力摩擦制動。

收放纜回路:當絞車處于收纜工作狀態時，多路比例閥處于下位機能，來自多路比例閥的壓力油經過梭閥，進入制動器油缸，將制動器打開，與此同時主油路上，來自多路比例閥的壓力油經過平衡閥中的單向閥進入馬達的B1口，驅動油馬達，由A1口通過多路比例閥回油箱，馬達帶動卷筒實現收纜;當絞車處于放纜工作狀態時，則馬達的A1口作為進油口，B1口作為回油口，依靠平衡閥平衡負載，完成錨鏈等重物平穩下放。

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 同步控制的實現

兩臺絞車同步閉環控制的方法分為:同等式同步控制和主從式同步控制。

主從式同步控制系統相對于同等式同步控制較復雜，所以在選擇同步控制系統時，需要綜合考慮系統的簡單程度以及系統的控制精度的需要。本系統相對而言，不需要太高的精度和較復雜的計算控制，所以選用主從式同步控制方法，選擇其中的一臺絞車作為主動，另外一臺絞車做隨動跟蹤運動控制。每臺絞車有一個導向輪，把錨鏈導到船弦外，在導輪軸上安裝有編碼器和張力測量裝置，作為速度閉環系統和恒張力閉環系統的檢測元件，做隨動跟蹤運動控制的絞車以自身導輪檢測裝置為閉環檢測元件，以主動運動的絞車導輪檢測裝置為給定信號，實現速度的閉環控制。

2.4 恒張力的實現

當需要恒張力的工況時，與平衡閥并聯的二位二通換向閥連通，油液直接通過二位二通換向閥，而不通過平衡閥;與此同時連接在馬達進油口比例溢流閥前方的二位二通換向閥處于連通狀態，通過調節馬達進油口比例溢流閥的溢流壓力，與馬達回油口(通常情況下取0 MPa或者0.5 MPa)之間形成壓差，來設定和控制馬達的轉矩，以PDF控制算法，控制比例溢流閥的壓力，以張力檢測為測量元件，實現張力的閉環控制，即實現了對纜繩恒張力的控制，其張力的大小可以通過計算得到:

其中:i為馬達與絞車卷筒之間的傳動比，Dm為馬達排量，Δp為馬達兩腔壓差，R為絞車卷筒半徑。

將實際通過張力傳感器測量的張力大小與輸入的理想張力進行比較，其差值通過采用PLC編寫或者VC++、C++Builder實現的偽微分控制器(PDF)進行運算以消除誤差，通過PLC拓展模塊輸出電壓，控制馬達回油口比例溢流閥的溢流壓力，使得馬達兩端口的壓差保持恒定，進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 恒張力控制系統方塊圖Fig.3 Block diagram of constant tension control system

3 系統仿真

液壓馬達轉角對電液伺服閥閥芯位移的傳遞函數為:

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

為了便于仿真和考察偽微分特性，各個參數取值如表2所示［6］。

表2 電液伺服系統主要參數Tab.2 Main parameters of electro-hydraulic system

把以上各個參數代入計算，得液壓馬達轉角對電液伺服閥閥芯位移和馬達力矩的傳遞函數為:

PDF控制器各個參數取值如下［7］:

取4級海況，波周期約為6 s，幅值為2.5 m的正弦波進行仿真(見圖4)。從仿真結果可以看出，偽微分具有很好的動態特性，可以在恒張力狀況下很好地跟隨波浪收放纜繩實現對海洋平臺的定位。

考慮定位過程中纜繩在突然受到波浪時的影響，取400 kN時恒張力階躍信號進行仿真。通過仿真考察了纜繩恒張力受正弦波浪的影響，在沒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大而被拉斷，同時又不影響海洋平臺的定位，如圖5所示。

圖4 正弦波仿真結果Fig.4 Simulation results of sine wave

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

4 結語

1)在半潛式海洋平臺定位系統中，針對單點速度控制、同步控制和恒張力控制，在液壓系統中采用兩位兩通換向閥實現了不同控制狀態下液壓系統之間的切換。

2)在半潛式海洋平臺定位過程中，平臺每一個角的兩臺處于恒張力狀態的絞車之間的油路采用并聯的方式進行連接。

3)通過調定液壓馬達回油口溢流閥的溢流壓力，與進口溢流閥之間形成壓力差，設定絞車的張力，來達到絞車保持恒定張力的目的。

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

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［2］姜飛龍.半潛式海洋平臺定位系統的控制系統研究［D］.鎮江:江蘇科技大學，2012.

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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新計劃資助項目(CXLX11_0285)

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