淺淡國內首臺深水波浪補償克令吊的補償技術系統

宣強　朱鎮

摘 要：隨著國內對海洋資源不斷的深入開發，各類工程船舶、海洋鉆井平臺越來越多的進入到深海區域進行海上作業，受深海區域波浪起伏的影響，海上作業時會隨著波浪晃動，船體晃動則直接導致水下起重機的吊鉤不穩，增加海上作業困難，影響水下的安裝作業。上海振華公司自主研發的國內首個深水下主動波浪補償甲板起重機，填補了國內在主動波浪補償設備領域的研發空白，打破了國外的技術壟斷，以提高海上作業的安全性、高效性和可靠性。

關鍵詞：主動波浪補償；二次液壓控制；信號檢測；控制算法

中圖分類號：TH137.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）14-0008-02

深水波浪補償克令吊是上海振華公司為提高公司海工產品核心競爭力，進一步提高海工產品自主創新能力和高附加值，在國外公司技術嚴密封鎖，無任何參照系統資料的情況下，歷經4年自主研發的一臺具有國內最先進深水環境下主動式波浪補償技術的新型甲板起重機，是國內第一臺真正意義上的帶主動波浪補償功能的起重機產品，可廣泛應用于水下600 m以內的海上補給、海洋鉆井、有纜海底機器人安裝作業、深海探測等。

1 本項目補償技術系統說明

升沉補償系統是海洋工程作業安全進行必不可少的裝置，氣液運動補償器和張緊器是海洋浮船和半潛式平臺廣泛采用的兩種升沉補償系統。升沉補償系統的分類的方法比較多。按動力供應分按其動力供應來分，升沉補償系統可分為：主動型升沉補償系統（Active Heave Compensation System，AHCS）、被動型升沉補償系統（passive Heave Compensation System，PHCS）、主動型與被動型升沉補償系統相結合的半主動型。

振華公司設計團隊前期自主研發了油缸配合蓄能器的波浪升沉補償實驗臺，該試驗臺的補償吊重為1 T，模擬的波浪高度為±1 m；周期為10 s，通過檢測和調試，從而獲得波浪補償系統運行工況的大量實驗數據；首臺波浪補償克令吊正是以此為基礎，通過理論創新和消化吸收國外先進技術等技術積累手段，對深水環境下波浪補償系統的技術瓶頸進行技術攻關，研制一種帶主動波浪升沉補償系統的，滿足深水環境工作的新型起重吊機， 使該產品能夠滿足市場上通用的定位精度要求，最終打破國外的技術壟斷，實現波浪補償裝備的國產化并進行產業化推廣， 最終形成具有自主知識產權的波浪補償設備設計與生產制造能力，設計制造水平達到國際先進水平為主要研究目標。

首臺波浪補償克令吊具體補償技術系統說明如下。

1.1 主動波浪補償系統結構

主動波浪補償克令吊采用的絞車補償結構方式，如圖1所示。

主動絞車補償系統只需要控制絞車卷筒即可，不需要額外增加其他的機械和液壓裝置，可以節省有效的船舶空間。但是采用該方法，絞車慣性很大，需要實時的進行控制，消耗功率較大，同時對被動補償系統不方便設計。

本克令吊主動升沉波浪補償系統包括：起升卷筒、船舶姿態運動傳感器、絕對值編碼器和補償設備。起升卷筒安裝在起重機上，起升卷筒通過鋼絲繩繞過起重機的支臂前端的懸掛支點吊裝一負載，負載浸沒于水面下。船舶姿態運動傳感器固定于固定基座上，船舶姿態運動傳感器實時檢測船舶升沉運動。絕對值編碼器安裝于起升卷筒上，絕對值編碼器實時檢測起升卷筒的運動狀況。如圖2所示。

1.2 二次液壓控制技術

本克令吊的主動補償液壓方面是采用博世力士樂最先進的二次液壓控制方案技術，這也是針對AHC的獨特的應用。如圖3所示。

波浪補償克令吊主起升卷筒采用由五個力士樂具有高響應速度的液壓二次馬達驅動。采用液壓系統中先進的二次調節技術，本克令吊起升裝置可以工作于如下工作模式下，分別為：“吊機普通模式”、“吊機空鉤模式”、“恒張力模式”、“波浪補償模式”、“手動維修模式”，以上五種控制模式可以通過按鈕在操作面板上選擇和切換，絞車在任何時刻只能選定一種操作模式。

有關主動恒張力調節也是通二次控制馬達來實現，正因為是壓力耦合系統，在主動恒張力微調時便可以在很短的時間內作出反應，另外動力站的壓力閥是電比例閥，所以系統壓力量是可在不同的負載情況下進行無級調節。當然我們會將工況分成幾個等級，從而調節壓力，一個可調的近似恒壓系統，再加二次控制是目前最先進的配置，沒有二次控制馬達，高精度的操控是做不出來的。

波浪補償克令吊液壓系統有：主起升，回轉，變幅機構。每個機構的運行由司機室的電控手柄進行控制。每個機構每次運行的啟動和停止都必須經過設定的斜坡（除緊停外）。在司機室內需要顯示的液壓系統的狀態有：油溫，油位，制動器，泵最底變量壓力（10 bar），整個系統待機等，具體見各工況。

1.3 信號檢測系統

檢測系統由高性能船舶姿態傳感器MRU（Motion Reference Unit）及數據處理單元構成，實現船舶姿態運動、鋼絲繩張力以及重物位移、速度等信號的實時檢測。船舶姿態運動傳感器以固定采樣周期采集預定時間段內的船舶升沉運動位移數據，補償設備對船舶升沉運動位移數據進行頻譜分析獲得船舶升沉運動位移數據的功率譜，補償設備對功率譜進行譜擬合與參數化并建立船舶升沉運動的狀態空間模型，該狀態空間模型作為船舶升沉運動的歷史數據。

1.4 電氣控制算法

電氣系統方面運用時滯參數辨識原理對系統時滯參數進行辨識，由于主動波浪補償系統是一個大慣量、滯后、參數時變的非線性系統。主動波浪補償要想達到一定的控制精度，就必須采用相關的智能控制算法，從而解決時滯后性、鋼絲繩彈性以及系統阻尼等因素的影響，通過分析主動式波浪補償系統的時滯主要是在液壓系統、機械執行系統中產生的。如圖4所示。

進行主動升沉補償預測控制算法研究，消除液壓絞車大慣量、滯后、參數時變等非線性因素對主動升沉補償控制性能的影響，在液壓絞車功率允許的前提下提高主動升沉補償效率，同時，在控制算法的過程中，必須將鋼絲繩彈性因素和水下負載的阻尼納入考慮范圍中，從而進行有效的主動補償控制。高性能數字控制器實時讀取MRU數據，進行擾動前饋控制，得到擾動前饋控制電壓為uforward。讀取卷筒絕對值編碼器和張力傳感器數據，進行動力學模型計算，通過與操作手柄的控制指令信號進行比較分析，利用位移偏差信號進行不完全微分反饋控制算法，決策出反饋控制電壓ufeedback，控制器通過數模轉換器，輸出總的控制電壓u=uforward+ufeedback，將此控制電壓輸出到馬達驅動器，從而驅動卷筒轉動，進行主動升沉補償。

2 結 語

本文簡要闡述了上海振華公司自主研發首臺波浪補償克令吊采用的主動補償技術系統的組成，從文中可以看出，對于船舶在波浪起伏的海上作業時，波浪補償技術在增強安全性和可靠性的前提下，大大增加了高效作業，公司首臺具有波浪補償經功能克令吊的研制成功，標志著我國在海波浪補償技術及設備方面的突破，為今后國家開發深海資源戰略提供有力的技術保障。

參考文獻：

[1] 蔡東偉，劉榮華，張作禮，等.一種主動升沉補償波浪控制系統研究[J].船 舶工程，2012，（S2）.

[2] 徐小軍，陳循，尚建忠.一種新型主動式波浪補償系統的原理及數學建 模[J].國防科技大學學報，2007，（3）.

[4] 陸衛杰.船艇并靠導彈補給及波浪補償系統研究[D].南京：南京理工大 學，2006.

[5] 楊文林.有纜水下機器人主動升沉補償技術研究[D].沈陽：中國科學院 沈陽自動化研究所，2009.