復合式液壓缸型半主動波浪補償系統的研究

張宇航

（上海海事大學工程訓練中心，上海 200135）

現今，海上作業作為一項亟待發展的重要產業。由于海上的惡劣環境，作業船體在海面會受到波浪等相關環境的影響，產生橫搖、縱搖、垂蕩等運動，進而改變了船體的位置。這不僅對海上正常作業產生了影響，也會對船舶安全造成威脅、甚至污染海上環境。為了解決海上作業船體安全問題，需要研究相應的控制技術，因此，出現了波浪補償技術。

國內外學者進行了大量關于波浪補償技術的研究，并且設計了相應的波浪補償系統。目前，在應用中波浪補償系統的補償效果較好。然而國內海洋資源開發技術的相關研究起步較晚，關于波浪補償技術方面，國內外水平依然存在著較大差距。即使在波浪補償系統的研究中，相關學者設計出的補償系統具有實用價值，應用于國內的海上作業船體，且得到了一定的補償效果。但是目前的補償方法均達不到實際工程的作業要求，補償效果較差，不能很好地進行相關的補償。因而國內海洋作業補償技術還主要靠外國進口。為擺脫過度依賴進口的問題，更好的拓展海洋開發技術，有必要研究出更實用、補償效果更好的補償系統。

就目前而言，波浪補償系統存在很多不同方面的補償方式，從動力供應方面，可分為被動式、主動式、半主動式三種補償。半主動波浪補償是一種比較理想的補償系統，具有補償精度高、耗能少、響應快等特點，現已被廣泛應用。

波浪補償系統主要研究方向在系統構型及控制方法上，但在系統功率特性的深入分析方面卻較少。因此，文章以復合式液壓缸型半主動波浪補償系統作為研究對象進行建模仿真，分析負載位移、負載速度、系統能量、功率變化四個方面補償系統的補償控制精度與功率特性。

1 復合式液壓缸型波浪補償系統

1.1 復合式液壓缸型半主動波浪補償系統原理

工作原理：海上作業時，船體向上運動時，補償缸左腔的液壓油壓入蓄能器中，蓄能器內由于氣體被壓縮，使其部分能量儲存在蓄能器中，補償平臺的部分上升位移，而當蓄能器氣體壓縮所具有補償能力不能滿足需求時，PID控制器就會產生作用，船體作業產生位移變化，將位移變化的信息傳遞給控制器，經分析及計算，進而確定伺服閥處于左位，變量泵向左邊油腔輸送液壓油，進而推動油缸的活塞桿向右運動，使補償缸的左腔體積變大，補償負載上升位移，使負載與活塞桿的位置保持一定。同理，船體向下運動時，推動活塞桿向左運動，使左腔壓力變大，體積變小，補償負載的下沉位移。因此，主動式與被動式波浪補償系統混合使用時，其補償精度更高，耗能更少。

復合式液壓缸型半主動波浪補償系統液壓原理：是依靠蓄能器、液壓泵、PID伺服閥進行補償如圖1所示。復合液壓缸為執行元件，缸腔C與蓄能器、儲氣罐相連，組成了被動波浪補償子系統；缸腔A、B與液壓泵、伺服閥相連，組成了主動波浪補償子系統。PID控制器經過相應的轉換來控制復合液壓缸中活塞桿的伸縮情況，進而通過滑輪組來控制負載的升沉運動。

圖1 負載位移

復合式液壓缸型波浪補償系統中的控制方法部分采用的是位移型控制。平臺的實時位移信號經過位移傳感器的檢測，將檢測信號傳遞給PID控制器，控制器將給定的位移與實際檢測的信號進行運算分析，再將分析后處理好的信號輸送到伺服閥及變量泵中，進而使伺服閥確定閥的開口位置，若伺服閥處于左位，油液就會從變量泵中流到復合液壓缸中，最后補償的是帶有負載的平臺位移，保持了系統在垂向的穩定性。

1.2 半主動波浪補償控制器

1.2.1 模糊PID控制器工作原理

由于海上作業環境復雜，會遇到各種情況，在選擇控制系統時要考慮其控制精度、魯棒性等問題，補償系統中控制方法也影響補償的效果，選擇一種適合多種工況的控制方法。而在工程應用中模糊PID的調節時間、超調量都小于PID控制的，且模糊PID無滯后、控制精度更高、效果更好，因此文章采用的控制為模糊PID控制。此控制器是傳統的PID控制結合模糊控制組成的，主要采用的是模糊推理判斷的思維方式，進行PID參數進行在線自整定，根據不同的輸入信號偏差E、偏差變化率EC改變其參數，當PID控制器中Kp、Ki、Kd三個環節轉變為新參數后，輸送給被控對象，進而完成整個模糊PID控制器的工作過程。

1.2.2 建立模糊PID控制器

模糊PID控制器中的輸入語言變量為E、EC；輸出語言變量為ΔKp、ΔKi、ΔKd；輸入輸出語言變量的模糊子集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；輸入輸出語言變量的論域均為[-6，+6]。文章將輸入輸出的語言值的隸屬度函數類型選擇為三角形。

根據E、EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd與相應關系的模糊規則表，在模糊控制器中選定控制規則，得出模糊PID控制器的隸屬度函數，最終完成模糊PID控制器FIS系統文件的建立。

2 復合式液壓缸波浪補償系統的仿真模型

2.1 模糊PID控制系統仿真模型

根據模糊PID控制器原理、模糊規則以及常規PID控制器建立SIMULINK中建立模糊PID模型并調用S-Function函數，將此函數名稱選擇AMESim仿真模塊中的lianhe_。其模糊PID控制系統仿真模型將PID的初始值分別設定為6.5、1.3、3，模糊控制器中的模糊因子分別取0.1、0.1，解模糊因子取值分別為3、0.05、0.04。

2.2 復合式液壓缸型半主動波浪補償系統仿真模型

根據復合式液壓缸型波浪補償系統的原理以及仿真構思步驟，建立復合式液壓缸型半主動波浪補償系統AMESim仿真模型以及AMESim-Simulink聯合仿真模型。此設計采用單倍率，波浪信號采用正弦信號。

控制模塊為AMESim中的PID控制模塊，該模型為AMESim單獨仿真。而控制模塊為Simulink中的模糊PID控制系統時，該模型為AMESim-Simulink聯合仿真，Simulink提供了泵和伺服閥的控制信號，AMESim提供了負載位移與速度信號，液壓系統通過Simulink中的控制系統，將信號傳遞給泵和伺服閥，進而使活塞運動帶動負載運動。

3 仿真結果

復合式液壓缸型半主動波浪補償系統仿真模擬過程中，設補償系統中兩個主動補償缸直徑為活塞70 mm、62 mm，復合液壓缸活塞桿直徑62 mm、50 mm，復合液壓缸行程400 mm，充氣體積25 L，液壓泵排量0.045 L/rev，質量300 kg，升沉高度為3 m。控制部分采用的輸入信號為正弦波，其表達式為x(t)=Asinωt，ω=2π/T。仿真時取頻率與幅值為T=12 s，A=3 m，仿真時間為40 s。

再將聯合仿真半主動補償系統的補償效果與AMESim單獨仿真的補償效果在負載位移、負載速度、系統功率、系統能量方面進行對比分析。

（1）負載位移與負載速度。如圖1、圖2所示，在頻率與幅值為T=12 s，A=3 m，仿真時間為40 s時，其聯合仿真與AMESim單獨仿真時負載補償位移相差不大，負載速度相差大約0.001 m/s，補償效率基本近似相等約為93.6%，表明聯合仿真與單獨仿真都對補償位移的補償效果較好。

圖2 負載速度

（2）系統功率與系統能量。如圖3、圖4所示，在頻率與幅值為T=12 s，A=3 m，仿真時間為40 s時，雖然聯合仿真的補償效果與AMESim仿真的基本保持一致，但是能耗與功率明顯不同。聯合仿真所消耗的功率是7 kW，能量損失為45 000 J；AMESim單獨仿真所消耗功率為9 kW，能量損失為105 000 J。其聯合仿真消耗功率是AMESim單獨仿真的0.78倍，能量損失是單獨仿真的0.5倍。

圖3 系統功率

圖4 系統能量

4 結論

復合式液壓缸型半主動波浪補償系統進行聯合仿真分析半主動補償的負載位移、負載速度、系統能量、功率變化；在補償效果上，驗證了復合式液壓缸型波浪補償系統AMESim仿真的可行性；在能耗上，表明復合式液壓缸型半主動波浪補償系統的AMESim-Simulink聯合仿真的效果更好，進而得出聯合仿真更能減少能耗以及系統參數設計的合理性。