連續頂升液壓控制系統仿真分析與驗證

周玉偉 章 青 石云飛

天津大學機械工程學院，天津，300350

0 引言

隨著社會科技與經濟的快速發展，人類對能源的需求量日益增大，而陸上常規油氣資源逐漸枯竭，于是全球油氣業界將目光投向了海洋［1］。如今，海上油氣資源開發力度不斷加大，各類海上油氣開采平臺也逐漸向著大型化和綜合化發展，單個平臺組塊的質量從2 000 t增至28 000 t左右，同時海上能源的開采范圍也擴張到遠離海岸的深海區域［2］。但受限于采油地點及環境等因素，傳統的浮吊拼裝的方法由于安裝周期長、施工成本高、安裝精度低及施工安全性差等原因，不適用于大型平臺的安裝［3］。浮托法是利用駁船載運結構物并依靠海洋潮位、駁船調載實施結構物上下升降的一項技術［4］。在浮托安裝的過程中，海上平臺與駁船之間設有裝船框架（deck support frame，DSF），因此，在將平臺拖裝至運載駁船前，首先需抬升平臺至裝船框架要求的高度。大位移連續頂升技術是平臺浮托安裝法中的一項重要技術。

由于平臺組塊具有體積大、質量大等特點，在連續頂升的過程中，對系統的同步性和穩定性就具有較高的要求。本文結合項目實際情況（要求頂升過程在45mm/m in的速度下，同步精度達到±3 mm），采用同步分流液壓泵配合模糊PID控制，實現單個樁腿支點內頂升油缸的同步和樁腿支點之間的同步；通過建立連續頂升系統仿真模型，對頂升過程中的位移同步性和穩定性進行仿真分析，設計出一套用于實驗研究的大型結構物連續頂升系統樣機，并對該液壓控制系統的可行性進行驗證。

1 單支點液壓控制系統設計

本系統使用同步分流液壓泵對單支點內的4個液壓缸進行同步控制，其單支點液壓系統原理圖見圖1。該液壓回路可分為容積同步頂升回路以及系統夾持回路。

圖1 單支點容積同步液壓回路原理Fig.1 Hydrau lic p rincip le of the volum e synch ronization con trolm ode in thesingle jack-up point

圖1中，雙點畫線所框回路為單支點容積同步頂升回路。該回路通過同步分流液壓泵13同時輸出4路等流量液壓油，分別為4個頂升液壓缸供油。三位四通換向閥7能夠實現液壓缸的同步頂升和同步下降功能，同時M型中位機能配合夾持回路的二位三通換向閥12，從而實現同步分流液壓泵13向夾持回路供油。

2 液壓系統仿真模型的建立

2.1 同步分流液壓泵模型的建立

分流液壓泵的工作原理是：在每個柱塞泵腔中使用單向閥將油液從吸油口導向出油口，允許每個柱塞泵腔的輸出可以分開使用，每個柱塞輸出的流量可以被分隔開［5］。在本系統中，單支點的同步頂升液壓系統采用此種同步分流液壓泵進行同步，以確保樁腿支點內頂升油缸運動的同步性。根據同步分流液壓泵的工作原理，通過AM ESim中的液壓元件設計庫（hydraulic com po?nent design，HCD）建立仿真模型，見圖2。模型中，4個凸輪機構模塊分別作用于4個活塞模塊，分別設定4個凸輪機構模塊的初始相位為0°、90°、180°、270°，以此來模擬實際工況中1個凸輪作用在4個柱塞腔的情況；使用帶摩擦的質量模塊、帶彈簧的活塞模塊和帶有錐形底座的球形提升閥組成吸油口和出油口的單向閥。

2.2 整體液壓系統仿真模型的建立

根據大型結構物連續頂升液壓系統原理搭建液壓系統仿真模型。該連續頂升液壓系統共有4個頂升樁腿支點，每個支點有4個頂升油缸支撐，位移信號和控制信號通過Simulink聯合仿真接口模塊進行傳輸。在AMESim軟件中建立仿真模型，見圖3；根據實際元件的選型設定仿真的主要參數，見表1。運用AMESim軟件中的超級元件功能，將同步分流液壓泵的AMESim模型封裝到一個超級元件的圖標中，使得模型更加簡潔、直觀。

表1 液壓系統主要參數Tab.1 M ain param eters of hyd rau lic system

3 基于位移模糊控制的多點主從同步控制模型

3.1 多點主從控制策略

采用主從控制方法進行控制：對于需要實現同步控制的多個執行元件，從中選取一個元件的輸出作為理想輸出，將輸出結果反饋到其他元件，這些元件根據設定的控制策略跟蹤選定的輸出進行調節以達到多個元件同步控制的效果［6］，見圖4。在多點容積同步連續頂升控制系統中，將主支點的位移信號作為控制信號，其余從動支點的位移跟隨控制信號進行同步調節，從而實現多點同步頂升。

圖4 主從控制模型框圖Fig.4 Block d iagram ofm aster-slave con trol

3.2 連續頂升系統模糊PID控制

模糊PID控制實現流程見圖5?？刂破鞲鶕欢：巹t將已模糊化的誤差e以及誤差變化率c，離線式查詢已經構建的模糊規則表，得到PID控制參數的增量模糊值。經過反模糊規則，將獲得的PID控制參數的增量模糊值反模糊化，并重新計算PID控制參數，從而實現模糊PID控制［7?8］。

本文結合連續頂升系統的同步控制要求與特點，參考模糊控制原則［9］，確定了模糊控制器輸入變量為主從頂升油缸之間的同步誤差e和同步誤差變化率c，輸出變量ΔKP、ΔKI、ΔKD分別為模糊PID控制參數KP、KI、KD的增量；為便于設計，取本系統的輸入輸出變量的論域均為［-6，6］；定義了模糊子集{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}（依次為負大，負中，負小，零，正小，正中，正大）來描述語言變量的值；選擇等腰三角形隸屬度函數，以Δ KP的隸屬度函數為例，見圖6；建立形如“if……then……”的模糊規則［10］，輸出變量ΔKP、ΔKI、Δ KD的模糊規則見表2～表4。

圖6 ΔK P的隸屬度函數Fig.6 M em bership function ofΔK P

表2 ΔK P的模糊規則表Tab.2 Fuzzy ru le tab le ofΔK P

表3 ΔK I的模糊規則表Tab.3 Fuzzy rule tab le ofΔK I

表4 ΔK D的模糊規則表Tab.4 Fuzzy ru le tab le ofΔK D

3.3 模糊PID多點主從同步控制仿真模型

在多點主從同步控制策略和模糊PID控制方法的基礎上，構建多點主從位移同步模糊控制，見圖7；在Simulink中建立控制系統仿真模型，見圖8,其中，PID控制器子模塊模型見圖9。在連續頂升系統模糊PID控制仿真模型中，聯合仿真接口模塊可以與AMSim軟件進行連接，實現位移信號的采集和控制信號的發送；模糊PID控制器根據上文設計的模糊規則建立。

圖7 多點主從位移同步模糊控制Fig.7 Fuzzy controlofmu lti-pointmaster-slave disp lacem ent synchronization

圖8 連續頂升系統模糊PID控制仿真模型Fig.8 Fuzzy PID control simu lation modelof continuous jack-up system

圖9 PID控制器內部結構Fig.9 Internal structu re of PID controller

4 同步控制仿真分析

基于同步分流液壓泵，大型結構物連續頂升系統仿真分析采用均載工況進行，總載荷為80 t（該載荷為樣機設計載荷）。分別從單樁腿位移誤差、樁腿位移、樁腿間位移誤差3個方面分析仿真結果。

4.1 單樁腿位移誤差分析

單樁腿位移誤差仿真結果見圖10。本系統使用同步分流液壓泵將單樁腿內4個液壓缸的位移誤差控制在0.32mm以內，系統穩定后該誤差值穩定在0.2 mm以內，滿足連續頂升系統單樁腿內的同步性要求。

圖10 單樁腿位移誤差仿真結果Fig.10 Sim u lation resu lt of disp lacem en t error w ithin the single jack-up poin t

4.2 主從位移跟隨分析

樁腿間主從位移跟隨仿真結果曲線圖和樁腿間位移誤差仿真結果見圖11和圖12。由圖11可知，從動樁腿頂升液壓缸跟隨主樁腿頂升液壓缸進行運動位移，兩者曲線走勢及形狀近乎一致。由圖12可知，在頂升的開始階段，兩者的位移誤差較大，接近0.8mm，但隨著模糊PID控制的調節，其誤差逐漸減小并趨于穩定，滿足連續頂升系統樁腿間的同步性要求。

圖11 樁腿間主從位移跟隨仿真結果Fig.11 Simu lation resu lt of disp lacem ent follow between points

圖12 樁腿間位移誤差仿真結果Fig.12 Simu lation resu lt of disp lacem ent error between poin ts

5 大型結構物連續頂升系統樣機試驗與結果分析

大型結構物連續頂升系統樣機試驗采用鋼結構配重80 t，4個高度墊塊完全累加后的狀態見圖13。

圖13 大型結構物連續頂升系統樣機Fig.13 The p rototype of con tinuous jack-up system of large structu res

頂升過程中所測得的實驗結果如下。單樁腿內的位移誤差趨勢圖見圖14。由圖14可知，該系統單樁腿內位移誤差控制在0.6mm左右，并且最大誤差不超過1.2 mm。樁腿間主從位移跟隨曲線圖見圖15，兩者曲線形狀、走勢極為接近。樁腿間所有油缸位移最大值偏差趨勢圖見圖16，其樁腿間同步誤差保持在1.29 mm左右，最大誤差不超過2.5 mm。由于實際工況中存在很多不確定因素（如液壓缸、閥、機械結構的制造誤差等），故實際誤差比仿真結果略大，但仍在允許范圍內，滿足大型結構物連續頂升系統同步控制的要求。

圖14 單樁腿位移誤差趨勢Fig.14 Disp lacem ent error trend w ithin the single jack-up poin t

圖15 樁腿間主從位移跟隨曲線Fig.15 Disp lacement follow between points

圖16 樁腿間位移誤差趨勢Fig.16 Disp lacem ent error trend between points

6 結論

仿真結果顯示，單樁腿內和樁腿間的位移誤差均滿足系統的同步性要求。通過該系統樣機的試驗，進一步驗證了基于同步分流液壓泵的液壓系統和多點主從位移模糊PID控制系統的應用可行性。