主动波浪补偿起重机控制系统设计.pdf

09第37 卷第1期交流中国修船主动波浪补偿起重机控制系统设计肖开明1，殷华兵，霍小剑，蔡连财（1.武汉船用机械有限责任公司，湖北武汉430084；2.中远海运特种运输股份有限公司，广东广州510623)摘要：为实现用于船一船并靠补给起重机的主动波浪补偿功能，文章提出了一种基于双船动态姿态测量的控制方法，并根据该方法设计了控制系统应用于50 t主动波浪补偿起重机。经过工厂试验和海事试验验证，起重机的补偿精度达到了9 5%。关键词：并靠补给；起重机；主动波浪补偿中图分类号：U672文献标志码：Adoi:10.13352/j.issn.1001-8328.2024.01.003Abstract:In order to realize the active heave compensation function of cranes for side-by-side replenishmentof two ships,this article proposes a control method based on dynamic attitude measurement of the two ships.It alsodesigns a control system based on this method for a 50 t active heave compensation crane.After the factory test andmarine test,the compensation accuracy of the crane reached 95%.Key words:side-by-side replenishment;crane;active heave compensation并靠补给广泛用于军、民船舶在海上的物资补给，并靠补给时母船和被补给船通过锁链和缓冲垫连接起来!，通过补给起重机将母船的集装箱等设备转运到被补给船。由于两船不是刚性连接，且船的排水量和重心等差异，导致两船受海浪影响有较大的相对升沉运动，造成在补给过程中起重机所吊货物与被补给船甲板面撞击，对于精密货物和危险货物的补给造成重大安全隐患，主动波浪补偿系统是消除这些安全隐患的主要有效途径。波浪补偿系统按照补偿维度分为单自由度补偿和多自由度补偿，多自由度补偿系统主要用于小吨位载荷的补偿栈桥、打捞机械手等设备，对于大吨位补给设备主要配备单自由度补偿系统，包含用于横向补给设备上的横向补偿和用于并靠补给、深海作业起重机上的升沉补偿；波浪补偿按照原理分为主动波浪补偿和被动波浪补偿，主动波浪补偿用于位置的精准控制，补偿精度较高，可达9 5%，而被动波浪补偿用于保证钢丝绳上的恒张力；波浪补偿系统按照驱动形式又分为直线机构补偿和旋转机构补偿2 ，直线机构补偿与主驱动绞车相对独立，利于加装，而旋转机构补偿由主驱动绞车实现补偿功能，节约安装空间。波浪补偿系统分类如图1所示。维度方向原理驱动形式升沉补偿被动补偿旋转机构单自由度补偿横向补偿主动补偿直线机构波浪补偿系统串联机构主动补偿多自由度补偿并联机构主动补偿图1波浪补偿系统分类作者简介：肖开明（19 8 3-），男，江西赣州人，高级工程师，硕士，主要从事船舶电气技术工作。102024年2中国修船技术交流本文运用并靠补给主动波浪补偿起重机控制系统完成了厂内联合调试和海试验证，实现了国内首套主动波浪补偿系统的实船应用，并经中国船级社认证。并靠补给工作示意图如图2 所示。补给物刃（集装箱）被补给船母船补给起重机图2并靠补给工作示意图1起重机参数及组成起重机配置主钩和副钩，主钩额定载荷50 t，额定起升速度2 5m/min；副钩额定载荷5t，额定起升速度50 m/min，具备载人功能；起重机采用折臂式结构，工作幅度8 35m，主臂变幅时间130 s，折臂变幅时间10 0 s；起重机能够36 0 全回转，回转速度0.6 r/min。主钩具备主动升沉波浪补偿功能，能够在四级海况下正常工作，补偿模式时额定载荷2 0 t，补偿浪高1.6 m，周期10 s，起吊速度10 m/min，补偿精度要求达到9 0%。起重机由主臂及驱动油缸、折臂及驱动油缸、塔身、转台、基柱、主起升机构、副起升机构、回转机构、稳锁机构、司机室、电控系统、液压系统等组成，起重机结构示意图如图3所示。主起升机构塔身副起升机构主臂折臂主臂油缸折臂油缸司机室液压系统稳锁机构转台回转机构电控系统基柱图3起重机结构示意图2主动波浪补偿工作原理本文采用绞车式主动波浪补偿（升沉方向），主动波浪补偿控制原理如图4所示。双船动态测量单元根据布置的传感器，计算吊点处两船之间的相对升程运动位移和速度，将数据传输给绞车控制单元，绞车控制单元进行闭环控制，输出信号给绞车驱动元件，控制绞车补偿吊点的相对位移。为了降低装机功率和提高系统响应，采用二次驱动元件。二次驱动元件响应高，转速从0 加速到额定速度2 0 0 0 r/min的时间为6 0 ms，能够满足系统高响应的要求；同时在运行过程中，利用货物在下放时二次驱动元件在泵工况工作，通过蓄能器和气瓶实现能量回收和再利用3，降低系统装机功率。绞车减速机钢丝绳二次驱动元件驱动元件阀绞车控制单元驱动信号蓄能器吊点运动曲线双船动态测量单元高压Z低压泵站单元油箱图4主动波浪补偿控制原理11第37 卷第1期肖开明，等：主动波浪补偿起重机控制系统设计交流3主动波浪补偿控制系统设计主动波浪补偿控制系统由双船动态姿态测量单元和绞车控制单元组成，分别承担测量和控制作用。3.1双船动态姿态测量单元双船动态姿态测量单元由被补给船运动参考单元（MRU）和MRU控制箱、母船MRU和MRU控制箱、起重机回转编码器、起重机主臂和折臂编码器、两船通讯单元组成，双船动态姿态测量单元组成如图5所示。图5中profinet为profibus国际组织推出的基于以太网技术的自动化总线标准，具有安全、低延时的特征，特别适用于工业控制；MRU和MRU控制箱采用UDP（U s e r D a r g r a m Pr o t o-col）通讯协议，即用户数据报协议，是一种跨互联网使用的通讯协议，常用于对时间敏感的系统通讯。母船回转主臂折臂触摸屏编码器编码器编码器profinetprofinetUDP通讯单元母船MRU母船MRU控制箱无线通讯被补给船profinetUDP通讯单元被补给船MRU被补给船MRU控制箱图5双船动态姿态测量单元组成MRU是一种基于惯性技术的捷联式载体姿态测量装置，能为载体提供水平姿态信息4，是捷联式惯性传感器的特殊应用。其与应用在导航系统中的捷联式惯性传感器不同点在于其不仅能够测量船倾角度及角速度，而且内含船舶升沉数字滤波器，滤波器采用卡尔曼滤波等算法，能够实时准确测量输出船舶MRU安装点处升沉位移、速度。在本系统中，为准确测量出目标点的升沉运动，建立以MRU安装点为原点的坐标系如图6 所示Y纵倾方向：翘起为正MRU横倾方向：右倾为正崩摇方向：往X：方向Y：右航方向右舫旋转为正Z：向下方向Z图6以MRU安装点为原点的坐标系设与船体连接的结构件某位置相对于MRU安装点的坐标为（X，Y，Z），则此位置升沉位移d和升沉速度?计算如下：d=do-Xsinoi+Y.cos01 sin0,+Zcosoicos2,(1)式中，do为MRU安装点测量的升沉位移；为MRU安装点测量的纵倾角度；6,为MRU安装点测量的横倾角度。v=Vo-XcosO WI+Y.(cosO)cos2W2-sind,sind2-w)-Z.(sindrcos2W,+cos0,sin02:w2),(2)式中，Vo为MRU安装点测量的升沉速度；i为MRU安装点测量的纵倾角速度；2 为MRU安装点测量的横倾角速度。集装箱在被补给船甲板面上有序布置，每个集装箱位有一个箱号标识。在起重机操作室的触摸屏中配有集装箱布置图，操作人员根据调度指令在触摸屏中选择目标箱号，目标箱号通过网络传递给被补给船MRU控制箱，目标箱号相对于被补给船MRU安装点的坐标是固定的，在调试阶段已固化在系统中，设为（Xi，Yi，Z i)。被补给船MRU控制箱接收MRU实时输人的信号，根据目标箱号的坐标，代入式（1）和式（2），得到其目标位置点实时升沉位移d,和升沉速度u1。母船上的MRU安装在基柱中央，母船MRU控制箱根据起重机基柱高度、主臂长度、折臂长度等结构尺寸，以及实时测量的回转角度、主臂角度、折臂角度计算出吊臂头部相对于母船MRU安装点的坐标（X2，Y2，Z z），将（X2，Y2，Z z）坐标代人式（1）和式（2）能够得到起重机吊点（吊臂头部）升沉位移d,和升沉速度2。122024年2式交流中国修船3.2绞车控制单元操作员操作起重机，将集装箱从母船上转运到被补给船目标箱号正上方后，在需要补偿时按下“AHC启动”按钮，绞车控制单元开始执行主动补偿程序。绞车控制单元读取按钮“AHC启动”按下时刻，被补给船MRU控制箱输出的目标箱位升沉位移ds和母船MRU控制箱输出吊点升沉位移d4，计算两船初始升沉位移差d：Ad=d,-d4 o(3)绞车控制单元同时根据绞车编码器反馈的绞车旋转位置，计算出“AHC启动”按下时刻吊钩高度（距吊臂头部）ho。在开启补偿后，为保证集装箱和被补给船甲板的位置不变，需要实时（任意时刻）控制吊钩实时高度h,与初始吊钩高度ho的差值h，和两船升沉实时位移差（ds一de）与初始位移差d之间的差值d相等。即：d,=(ds-dg)-d,(4)中，ds为实时被补给船目标箱位升沉位移；d.为实时母船吊点升沉位移。Ah=(ht-ho)=d,(5)为了控制吊钩实时高度h,实现位移补偿，采用位置闭环和速度闭环的串联控制算法，其中位置闭环采用以吊点升沉速度差（u 1-V2）为主要扰动的复合闭环控制（u1为母船吊点处的升沉速度，U2为被补给船吊点处的升沉速度），计算出二次驱动元件目标转速t。速度闭环以为控制目标，通过采集二次驱动元件实际速度进行闭环控制，最终输出控制电压给二次驱动元件速度控制伺服阀控制驱动元件转速。控制框图如图7 所示，图7 中，dep为补偿位移偏差，Uerv为速度偏差，fi（d e r p）为补偿位移的闭环控制函数，f（u e r）为补偿速度的闭环控制函数，fi(derp）和f（u e r v）都采用动态变参数PID算法，以避免启动冲击和提高补偿精度。在主动波浪补偿控制算法中，采用动态变参数方法较多，如单神经元自适应PID算法5、模糊自整定PID控制算法等0 。为降低控制器计算负荷，提高系统响应，本项目采用较为简单的分段PID动态参数方法7 。V1t-02控制吊钩实时dd+Dery电压高度h驱动元件转速erpfi(d绞车转速公h十+图7控制框图当母船上的起重机进行水下起吊、定位安装等作业时，为补偿母船自身受海浪影响的升沉运动，在触摸屏中将补偿模式由“船一船补偿模式”变更为“单船补偿模式”，控制系统自动将被补给船的升沉位移和升沉速度设为0，其他控制算法不变，即能实现单船主动波浪补偿功能。4试验验证为验证起重机的船一船主动波浪补偿性能，缩短海事试验调试时间，在工厂搭建了双船波浪运动模拟平台，如图8 所示。模拟平台1为升沉单自由度运动平台，模拟被补给船的升沉动作，行程1.7 m，最高速度1.5m/s；模拟平台2 为三自由度运动平台，模拟母船运动，最大横、纵倾角角度6，倾角速度5/s，最大升沉0.3m，最高速度0.3m/s。将2 个MRU分别安装在模拟平台上，模拟平台1加载被补给船升沉运模拟平台2模拟平台1图8双船波浪运动模拟平台动曲线，模拟平台2 加载母船三自由度运动曲线。双船动态测量单元检测计算出2 个模拟平台的相对13第37 卷第1期上接第8 页）技肖开明，等：主动波浪补偿起重机控制系统设计交流升沉运动位移、速度，由绞车控制单元控制吊钩跟随此曲线运动，校验吊钩运动曲线和2 个模拟平台相对升沉运动位移曲线的差值，计算补偿精度。经多海况模拟、多负载工厂试验，补偿精度可达到9 5%。在完成工厂试验后，起重机安装在一条半潜船上，与一条散货船进行了并靠补给海事试验，海事试验时补偿精度与工厂试验相当。参考文献1白玉，胡永攀海上并靠补给波浪补偿技术发展趋势J.船舶与海洋工程，2 0 16，32(5)：1-4.2金瑞健，彭小佳，赵洁深水吊机液压缸式AHC装置与绞车式AHC装置的比较C/中国海洋学会海洋工程分会第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集（下）北京：海洋出版社，2 0 11：313-315.由于线槽下面就是母排、保险管、接触器等导电部件，当冷凝水滴下去时，就会破坏绝缘性能，导致导体和负载柜外壳（接地）导通。这种接通是不可靠的，报警记录中绝缘时好时坏的现象与冷凝水隔一段时间滴下一滴的情况是吻合的。进一步调查发现，在问题发生的前一天，该负载柜的门长时间打开过，且当时天气湿度比较大，因此在晚上气温下降时形成了冷凝水。6后续对策从上文的分析来看，造成本次干式负载柜击穿的根本原因是冷凝水导致单相对地间歇接地，形成高电压，击穿负载柜。因此，相应的对策如下：负载柜不用时关好门，保持密封，湿度大的时候加干燥剂；每次使用前通风干燥，并检查内部情况；每次使用前测量对地绝缘，绝缘合格方能使用。采取以上管理措施之后，多条船上使用同样的干式负载柜进行试验，没有再发生3杨毅，肖开明，汪康平，等二次调节波浪升沉补偿液压系统设计J.船海工程，2 0 18，47(4)：133-137.4】展浩基于MEMS的运动姿态参考系统的设计与研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2 0 19.5】徐小军，陈循，尚建忠，等单神经元PID的波浪补偿系统自适应控制与仿真J.机械与电子，2 0 0 9，(8):61-646张新福，卢东庆，黄海波，等模糊自适应PID算法在波浪补偿起重机中的应用J.工业控制计算机，2011,24(3):63-65.7】姜继海，曹健，高维忠，二次调节静液传动系统分段PID转速控制及其试验研究C/中国机械工程学会流体传动与控制分会：第一届全国流体动力及控制工程学术会议论文集（第二卷）.广州：机床与液压编辑部，2 0 0 0：31-32.收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 8类似问题。有了本次经验后，在使用其它电气设备时也时刻注意避免间歇性接地的情况发生。7结束语在三相对地绝缘的电气系统中，经常发生湿气造成的绝缘低故障，这种故障一般不会出现大面积的雷击状的现象。本文分析的案例中，负载柜由于冷凝水的作用，发生间歇性接地。由于三相对地的电容存在，电容上积累的直流电压叠加线电压的瞬态震荡电压后产生了高压击穿。在船舶的电气系统中，要避免这种问题的发生，必须确保三相对地绝缘良好。参考文献1童奕宾，尤智文，李姝.小电阻接地系统间歇性弧光过电压分析J.电力系统及其自动化学报，2 0 12，2 4(3):116-120.收稿日期：2 0 2 3-0 7-14