船用起重機主動式升沉補償控制的研究

祝 福，劉曉林

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船用起重機主動式升沉補償控制的研究

祝 福1，劉曉林2

(1. 武漢船舶職業技術學院，武漢430050；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064)

對海上作業的船舶運動和起重機升沉運動進行分析、建模，從速度補償和位移補償兩個方面分析了船舶起重機主動式升沉波浪補償控制的原理。

升沉運動 船用起重機 自由度 波浪補償

0 引言

在海洋環境中執行運輸作業離不開船用起重機，它主要用于運輸轉移艦船間的貨物、海上物資的補給等任務。我國海洋經濟在由淺海向深海的發展過程中，深海工程起重機的需求會日益增多。在海洋環境中，船舶受到洋流、海風和海浪的作用，便會產生升沉、縱傾和橫傾方向的運動。船用起重機在起吊作業過程中，由于船舶的晃動,被吊重物也會隨著晃動，這會威脅到作業的安全。在波浪的影響下, 海上航行的船舶會產生如圖1所示的升沉、橫蕩、縱蕩、橫傾、縱傾和偏航六個自由度，其中升沉、縱傾和橫傾對船舶的影響最大，要減少自由度方向運動對起重機起吊作業的影響，必須采用一種具備對由海浪引起的船舶運動姿態進行檢測和控制的具有升沉補償控制功能的波浪補償裝置。

圖1 船舶六自由度運動模式示意圖

1 海上作業船用起重機的建模

1.1對船舶運動的進行假設分析

在海上由于受到海浪、洋流的影響，航行的船舶因此會搖擺晃動，對起重機的工作產生影響的因素很多也很復雜，要確立船舶和流體之間準確的關系式尤為困難。大量的試驗研究表明，運用切片理論得到的船舶運動方程與實際情況基本接近。因此，本文對船舶所受外力(力矩)依據切片理論作了簡化處理，主要有：

1)假設海浪運動是隨機的、相對平穩的，把海浪的運動看作是一個無限大而且均勻的流場，忽略流場邊界的幾何特征等一些次要因素的影響，那么計算船舶的受力便可運用勢流理論來完成；

2)假設船舶所受的水動力可以通過船舶及其附件所受的水動力線性疊加，且水動力可以看作是慣性力和粘性力的線性疊加。

1.2建立船舶運動模型

根據1.1節中的假設，在海上運動的船舶所受到的力(力矩)分解成由海浪、海風以及海流等隨機干擾引起的隨機力(力矩)和船舶運動時船舶附件上所加的控制力(力矩)兩個主要部分，這些力(力矩)的數據通過實驗可以獲得，處理數據后可以得到擬合的海浪力(力矩)。假設船舶以恒速v航行或靜止，且以角度與規則波相遇。船舶被假設為一個剛性體，則其六個自由度之間會存在耦合。由于船舶縱蕩相比其他運動要小很多，因此可以忽略，在剩下的五個自由度中，由于偏航、橫蕩和縱蕩是耦合的，縱傾和升沉也是耦合的，這樣就可得到兩組運動方程，即：

對稱運動微分方程：

反對稱運動方程：

依據上面的分析可以得出：船舶六個自由度運動中橫傾運動的阻尼最小，所以最為激烈的是橫傾運動。如果假定船舶橫傾運動的角度不大，那么依據Conolly的理論，船舶線性橫傾方程如下：

1.3建立起重機升沉運動模型

用一個能量密度譜可以描述海浪的隨機運動。能量譜描述了海浪的能量是由一系列不同頻率的隨機波疊加而成的，通過船舶的傳遞函數及波浪的能量譜可以獲得船用起重機在垂直方向的運動方程。通過MRU(Motion Reference Unit)測量可獲得船舶起重機升沉運動的方位參數，理論研究表明其運動高度方程是由一系列不規則正弦波通過疊加而構成的。升沉高度可由以下式表示：

2 主動式升沉補償原理

受海風、海浪、洋流的作用，海上船用起重機產生的不利影響主要有下列兩方面：

1)接受船與下放中的貨物間較易產生碰撞，作業船的晃動可能會使已放落的重物再一次懸空；

2)作業船的晃動易造成起重機鋼絲繩索急劇收縮或拉伸，可能導致鋼絲繩索斷裂，造成作業設備損壞。

船用起重機在海上進行作業主要受升沉、橫傾和縱傾運動的影響，對波浪的補償應先考慮船舶垂直方向運動的補償，然后再對其他自由度姿態運動的補償加以考慮。

這里把縱傾與橫傾進行折合轉移到升沉方向，這樣對船舶運動進行補償控制就主要是升沉補償了，船舶動力定位系統可以解決其它自由度的影響。依據海浪干擾作業的實際情況，從速度補償和位移補償兩個方面來對主動式升沉波浪補償控制進行分析。

2.1速度補償基本原理分析

對船舶的升沉運動所引起的起重機鋼絲繩索的收放速度進行補償就是速度補償，它使起重機按相對固定的吊裝速度對重物進行拉收和下放。假設船舶在作業時的升沉方向的運動速度是V，起重機鋼索的收放速度是V，重物在有補償和無補償時，相對于接受船的速度分別是、V，如下圖所示。當作業船無補償時：

當作業船有補償時：

圖2 主動式升沉補償速度補償原理示意圖

根據式(6)和(7)，可推出補償速度與船舶姿態跟隨運動的關系式：

2.2位移補償基本原理分析

位移補償采用對作業船升沉方向位移信號進行補償的策略，通過控制重物收放的位移，使重物能夠準確達到規定的位置，重物的升沉相 較大的升沉擾動信號作用于重物而使其遠離平衡點時，通過補償裝置重物應能回到平衡點，并且響應速度很快。要想重物能以較快的速度回到平衡點，就要保證系統具有足夠的力矩。

圖3 主動補償控制系統原理框圖

圖4 位移補償系統組成

圖4為基于位移的波浪補償控制系統構成圖，它是由控制、傳感器檢測、機械執行(卷揚機)和液壓驅動四個系統構成的。通過拉伸或壓縮活塞桿來改變吊點的絕對位移，當卷揚機以某個速度拉起或松放吊索時，吊索通過固定在液壓缸活塞上的滑輪與重物相連而改變重物的位移，從而實現了位移補償。

3 結束語

近幾年，科研人員在船用起重機波浪補償系統尤其是主動式升沉補償控制方面開展了廣泛的研究，但由于海上作業時船用起重機起吊重物的運動十分復雜，實現對船用起重機主動式升沉補償控制的難度較大。

本文在研究國內外的最新研究成果的基礎上，通過對海上作業的船舶運動和起重機升沉運動進行分析、建模，從速度補償針和位移補償兩個方面對對船用起重機主動式升沉補償控制的原理進行了分析。

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Analysis of Active Rising and Falling Compensation Control in Marine Crane

Zhu Fu1, Liu Xiaolin2

(1. Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

This paper studies and models ship motion and crane rising and falling motion offshore. It analyzes the principle of marine crane active rising and falling compensation control from two aspects of velocity compensation needle and displacement compensation

rising and falling motion; the ship crane; degrees of freedom; wave compensation

U664

A

1003-4862(2016)04-0030-03

2015-12-23基金項目：湖北省教育廳科研項目（B20128507）作者簡介：祝福(1970 -)，男，碩士，副教授。研究方向：電氣自動化及控制工程。