升沉補償系統實驗平臺設計

王玉紅，杜慧子，許晨光，李豪杰，梁 旭

（1.浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316000；2.浙江大學 浙江省海上試驗科技創新服務平臺，浙江 舟山 316000）

二十一世紀是海洋的世紀，海洋對國家的生存發展具有重要的戰略意義[1]。船舶上的工作平臺在海洋環境中不可避免地受到來自風、浪、流的影響而不穩定，這不僅會影響海上作業的正常進行，嚴重時還會導致事故發生[2-3]。其中，船舶升沉運動對海上作業的影響很大[4-5]，也引起學者們的普遍關注。例如，海洋石油鉆探工程中，由于平臺跟隨海浪產生周期性的升沉運動，會導致鉆柱中產生周期相變化的拉力，造成疲勞破壞[6]；在母船通過纜繩與水下拖曳負載相連接時，母船的周期性升沉運動會使纜繩周期性拉緊和松弛，對纜繩造成極大的破壞[7-8]。升沉補償系統可以用于補償母船隨海浪的升沉運動，為工作平臺提供一個穩定的環境，因此備受關注[9]。

目前，很多對升沉補償裝置的研究都停留在理論研究、計算機仿真和模擬實驗等方面，在真實海上工況中的實驗數據較少[10]，導致很多學生對升沉補償裝置的認識也只停留在理論層面。讓學生們結合相關的理論進行實踐教學很有必要[11]。因此，本文利用六自由度平臺來模擬真實的海上工況，基于液壓系統設計了一種升沉補償系統實驗平臺，該平臺可以使用被動補償、主動控制補償和半主動控制補償等不同方式完成補償工作，對比不同補償方式的優缺點，讓學生更加全面地了解升沉補償系統的工作過程和控制方式，還可以讓學生思考、嘗試更復雜的算法來實現更高的補償效果。

1 實驗平臺總體設計

升沉補償系統實驗平臺主要由六自由度平臺、升沉補償部分和負載模擬部分組成，如圖1所示。

圖1 升沉補償系統實驗平臺總體設計

母船的運動通過六自由度平臺來模擬，該平臺可以提供六個自由度的耦合運動，模擬各種海洋工作情況，為升沉補償系統實驗平臺提供較為真實的母船運動環境[12]。

升沉補償部分如圖2所示，主要由補償液壓缸、滑輪組、纜繩、液壓系統、控制系統組成，固定在六自由度平臺上，與負載通過纜繩連接。在實際工作狀況中，纜繩長度需根據負載位置要求來確定，而在實驗過程中可以固定纜繩的長度，當六自由度平臺運動時，通過監測負載的位置來判斷升沉補償系統的補償效果。升沉補償系統隨著六自由度平臺運動，其控制系統可以通過加速度計傳感器監測到自身的升沉位移情況，然后驅動補償液壓缸運動來抵消母船的運動，當補償液壓缸的位移方向與母船位移相反且大小是母船位移的1/2時，就可以使得負載的絕對位置基本不變。

圖2 升沉補償部分和負載模擬部分

在進行實際的海上升沉補償工作時，系統承受的負載分為水上負載、入水出水負載和水中負載等不同的負載形式，不同的負載形式中負載承受的外力及外力的變化不同，同時負載質量不確定，難以采用實際重物來實現，因此通過一個底部帶鉸鏈的液壓缸來模擬負載（見圖1和2），在液壓系統的驅動下可以模擬3 t的負載。

2 硬件系統設計

該實驗平臺采用液壓系統完成升沉補償運動，采用三菱可編程邏輯控制器（PLC）完成控制指令的下達和傳感器信號的采集，在上位機編寫了 LabVIEW程序來實現各種算法，并將控制指令傳遞給PLC，同時將 PLC采集到的傳感器信息和加速度計信息顯示到屏幕上，使實驗人員可以實時監測實驗系統的各項參數，如圖3所示。

圖3 硬件系統設計方案

2.1 液壓系統設計

液壓系統主要包括負載模擬液壓回路和升沉補償回路，分別實現模擬負載受力和升沉補償運動功能，該實驗平臺可以分別使用主動補償、半主動補償和被動補償方法實現對母船升沉運動的補償，對比補償效果，如圖4所示。

圖4 液壓系統設計

負載模擬液壓回路中由比例溢流閥5和壓力傳感器 8共同完成對模擬負載液壓缸 6無桿腔壓力的控制，改變模擬負載液壓缸6無桿腔壓力即可改變模擬負載的受力，可以模擬不同的負載在不同工況下的受力波動。

升沉補償回路主要由主動補償回路、半主動補償回路組成，通過電磁閥的開閉即可實現主動補償、半主動補償和被動補償的切換，不同的控制形式通過補償液壓缸13的伸縮運動，實現對升沉運動的補償。不同的控制形式動作如下：

（1）主動補償。關閉電磁閥12和18，打開球閥10和16，此時僅負載模擬部分和主動補償回路工作，比例流量閥9用于調節負載液壓缸無桿腔的壓力，位移傳感器14和壓力傳感器15將實時系統信息反饋給控制系統，此時主動補償系統完全承擔負載的重力，能耗較大。

（2）被動補償。關閉球閥10和16，打開電磁閥12、18和22，當比例流量閥17不動作時，此時外部無能量輸入升沉補償系統，由蓄能器 23承擔負載重力，實現被動補償功能，不消耗能量。

（3）半主動補償。關閉球閥10和16，打開電磁閥 12、18和 22，此時半主動補償回路工作，由蓄能器23承擔大部分負載重力，由主動控制實現高精度的補償，此時系統的能耗比主動補償低。

2.2 電控系統設計

實驗平臺電控系統主要由三菱 PLC和上位機LabVIEW程序組成，如圖5所示。PLC廣泛用于工業領域，具有強大的抗干擾能力、高可靠性和低故障率。該平臺PLC型號為FX3U-32M，可以直接通過數字模塊控制閥10、12、16、18、22的開閉狀態來控制不同的升沉補償狀態，使用FX3U-4DA模塊輸出模擬電壓信號控制比例流量閥5、9、17的通過流量狀態，使用FX3U-4AD模塊采集液壓系統負載模擬部分和升沉補償部分的位移、壓力信息。經過PLC的分析處理后，將信號通過串行通信的方式傳遞給上位機。

圖5 電控系統設計方案

在升沉補償裝置上安裝MPU-9250姿態傳感器，其角速度測量范圍為 ±2 000 (°)/s ，分辨率為 7 .6× 1 0-3(°)/s ，加速度分辨率為 6 .1×10-5g，可以準確地追蹤六自由度平臺的運動，同時其數據可以通過高速串口的方式傳遞給上位機，然后通過計算獲得六自由度平臺的升沉位移，完全符合該實驗平臺對監測六自由度平臺升沉運動的要求。

考慮到在進行升沉補償實驗時會測試不同控制方法的控制效果，所有控制算法都在上位機中進行運算，然后將計算結果傳遞給PLC，由PLC控制系統動作。三菱公司為上位機和 PLC的通信提供了鏈接庫工具MX Component，通過該工具可以使上位機方便地對PLC的數據進行讀寫，上位機的工作邏輯如圖6所示。

LabVIEW操作界面如圖7所示，可以控制液壓泵的啟停和急停。通過左側閥的狀態可以判斷液壓系統當前運行狀態；中間的4個折線圖窗口實時顯示負載補償的效果及補償過程中系統的動態過程；下方的按鈕用于選擇不同的補償方式和控制算法；右上方的區域將詳細的系統變化情況展現出來，供實驗人員參考。

圖6 上位機工作流程

圖7 LabVIEW操作界面

3 控制算法設計

3.1 模擬負載算法設計

采用 PID算法控制模擬負載液壓缸無桿腔的壓力?？刂葡到y實時采集模擬負載液壓缸無桿腔的壓力信號并進行反饋控制，由PID算法計算出比例流量閥5的輸入電壓，使模擬負載液壓缸無桿腔的壓力跟隨設定值變化，進而可以使模擬負載液壓缸活塞桿受到一定的向下的力，從而達到模擬負載的效果。在升沉補償的過程中，模擬負載液壓缸活塞只受到向下的液壓力的作用和向上的纜繩的作用，因此只需控制模擬負載液壓缸無桿腔的壓力。

3.2 平臺位移監測算法設計

系統通過 MPU9250姿態傳感器可以測量到系統垂直方向的加速度變化情況，通過對垂直方向的加速度兩次積分可以獲得六自由度平臺在垂直方向上的位移情況，但這樣會引入極大的噪聲干擾，故在該實驗平臺設計中采用標準的升沉濾波器實現雙積分的過程，其定義如下[13]：

式中：s是拉普拉斯變量，ζ和cω分別是濾波器的阻尼系數和截止頻率，az是六自由度平臺垂直方向的加速度，是估計的位置。

3.3 主動升沉補償算法設計

考慮到系統的簡潔和有效性，在中外學者的研究中，很多升沉補償裝置采用PID算法來實現控制[7,14-15]。

在本實驗平臺中默認采用PID控制方式實現升沉補償功能，在主動補償過程中，將節 3.2中估計到的平臺位移的–0.5倍作為算法的輸入信號，輸出信號為比例流量閥9的控制信號，反饋信號為補償液壓缸13的位移，通過PID算法可以實現補償液壓缸持續跟蹤理想的位置信號，最終實現補償平臺位移的目標。當進行半主動補償控制時，需要將PID算法的輸出信號修改為比例流量閥17的控制信號，并調整PID算法參數，實現補償平臺位移的目標。

4 實驗研究

在圖 1的升沉補償裝置實驗平臺上進行調試實驗。假設船只的運動x(t)可以被描述為N個幅值為Aj、頻率為ωj且相位為φj的正弦波的疊加，該假設是一個普遍使用的假設[7]。

在實驗中，假設船只的運動為一組正弦波，其升沉運動幅值為±0.1 m，周期為10 s，在被動補償、主動控制和半主動控制下平臺、補償液壓缸和負載的運動曲線分別如圖8、9和10所示。被動補償效果最差，負載位移范圍是 -0.0298~0.0334 m ，補償率為65.8%；在主動控制的作用下，負載的位移范圍是 - 0.0094~0.00085 m，補償率為90.36%；在半主動控制的作用下，負載的位移范圍是 - 0.0126~0.0130 m，補償率為86.76%，測試結果表明系統可以模擬并實現升沉補償的過程和控制功能，使用主動補償控制、半主動補償控制時補償效果較好。當使用主動補償控制時，升沉補償裝置結構較為簡單，補償率較高；當使用半主動補償控制時，由于蓄能器的加入，使得升沉補償裝置非線性結構增加，控制精度降低，但是系統能耗會大大降低；當使用被動補償時，補償效果較差，但是系統不消耗能量。

圖8 被動補償運動位移曲線

圖9 主動控制補償運動位移曲線

圖10 半主動補償運動位移曲線

5 結語

本文設計了一種升沉補償實驗平臺，采用六自由度平臺模擬母船的升沉運動，液壓缸可以模擬真實的負載受力情況，可以采用被動補償、主動補償控制和半主動補償控制的方式進行升沉補償實驗。實驗表明，該系統可以獲得較好的補償效果，同時達到實時監測與控制的要求。通過該實驗平臺，可以讓學生更加了解升沉補償裝置的工作過程和控制機理，進而增強學生的綜合素質。