升沉补偿系统实验平台设计

王玉红，杜慧子，许晨光，李豪杰，梁 旭

（1.浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316000；2.浙江大学 浙江省海上试验科技创新服务平台，浙江 舟山 316000）

二十一世纪是海洋的世纪，海洋对国家的生存发展具有重要的战略意义[1]。船舶上的工作平台在海洋环境中不可避免地受到来自风、浪、流的影响而不稳定，这不仅会影响海上作业的正常进行，严重时还会导致事故发生[2-3]。其中，船舶升沉运动对海上作业的影响很大[4-5]，也引起学者们的普遍关注。例如，海洋石油钻探工程中，由于平台跟随海浪产生周期性的升沉运动，会导致钻柱中产生周期相变化的拉力，造成疲劳破坏[6]；在母船通过缆绳与水下拖曳负载相连接时，母船的周期性升沉运动会使缆绳周期性拉紧和松弛，对缆绳造成极大的破坏[7-8]。升沉补偿系统可以用于补偿母船随海浪的升沉运动，为工作平台提供一个稳定的环境，因此备受关注[9]。

目前，很多对升沉补偿装置的研究都停留在理论研究、计算机仿真和模拟实验等方面，在真实海上工况中的实验数据较少[10]，导致很多学生对升沉补偿装置的认识也只停留在理论层面。让学生们结合相关的理论进行实践教学很有必要[11]。因此，本文利用六自由度平台来模拟真实的海上工况，基于液压系统设计了一种升沉补偿系统实验平台，该平台可以使用被动补偿、主动控制补偿和半主动控制补偿等不同方式完成补偿工作，对比不同补偿方式的优缺点，让学生更加全面地了解升沉补偿系统的工作过程和控制方式，还可以让学生思考、尝试更复杂的算法来实现更高的补偿效果。

1 实验平台总体设计

升沉补偿系统实验平台主要由六自由度平台、升沉补偿部分和负载模拟部分组成，如图1所示。

图1 升沉补偿系统实验平台总体设计

母船的运动通过六自由度平台来模拟，该平台可以提供六个自由度的耦合运动，模拟各种海洋工作情况，为升沉补偿系统实验平台提供较为真实的母船运动环境[12]。

升沉补偿部分如图2所示，主要由补偿液压缸、滑轮组、缆绳、液压系统、控制系统组成，固定在六自由度平台上，与负载通过缆绳连接。在实际工作状况中，缆绳长度需根据负载位置要求来确定，而在实验过程中可以固定缆绳的长度，当六自由度平台运动时，通过监测负载的位置来判断升沉补偿系统的补偿效果。升沉补偿系统随着六自由度平台运动，其控制系统可以通过加速度计传感器监测到自身的升沉位移情况，然后驱动补偿液压缸运动来抵消母船的运动，当补偿液压缸的位移方向与母船位移相反且大小是母船位移的1/2时，就可以使得负载的绝对位置基本不变。

图2 升沉补偿部分和负载模拟部分

在进行实际的海上升沉补偿工作时，系统承受的负载分为水上负载、入水出水负载和水中负载等不同的负载形式，不同的负载形式中负载承受的外力及外力的变化不同，同时负载质量不确定，难以采用实际重物来实现，因此通过一个底部带铰链的液压缸来模拟负载（见图1和2），在液压系统的驱动下可以模拟3 t的负载。

2 硬件系统设计

该实验平台采用液压系统完成升沉补偿运动，采用三菱可编程逻辑控制器（PLC）完成控制指令的下达和传感器信号的采集，在上位机编写了 LabVIEW程序来实现各种算法，并将控制指令传递给PLC，同时将 PLC采集到的传感器信息和加速度计信息显示到屏幕上，使实验人员可以实时监测实验系统的各项参数，如图3所示。

图3 硬件系统设计方案

2.1 液压系统设计

液压系统主要包括负载模拟液压回路和升沉补偿回路，分别实现模拟负载受力和升沉补偿运动功能，该实验平台可以分别使用主动补偿、半主动补偿和被动补偿方法实现对母船升沉运动的补偿，对比补偿效果，如图4所示。

图4 液压系统设计

负载模拟液压回路中由比例溢流阀5和压力传感器 8共同完成对模拟负载液压缸 6无杆腔压力的控制，改变模拟负载液压缸6无杆腔压力即可改变模拟负载的受力，可以模拟不同的负载在不同工况下的受力波动。

升沉补偿回路主要由主动补偿回路、半主动补偿回路组成，通过电磁阀的开闭即可实现主动补偿、半主动补偿和被动补偿的切换，不同的控制形式通过补偿液压缸13的伸缩运动，实现对升沉运动的补偿。不同的控制形式动作如下：

（1）主动补偿。关闭电磁阀12和18，打开球阀10和16，此时仅负载模拟部分和主动补偿回路工作，比例流量阀9用于调节负载液压缸无杆腔的压力，位移传感器14和压力传感器15将实时系统信息反馈给控制系统，此时主动补偿系统完全承担负载的重力，能耗较大。

（2）被动补偿。关闭球阀10和16，打开电磁阀12、18和22，当比例流量阀17不动作时，此时外部无能量输入升沉补偿系统，由蓄能器 23承担负载重力，实现被动补偿功能，不消耗能量。

（3）半主动补偿。关闭球阀10和16，打开电磁阀 12、18和 22，此时半主动补偿回路工作，由蓄能器23承担大部分负载重力，由主动控制实现高精度的补偿，此时系统的能耗比主动补偿低。

2.2 电控系统设计

实验平台电控系统主要由三菱 PLC和上位机LabVIEW程序组成，如图5所示。PLC广泛用于工业领域，具有强大的抗干扰能力、高可靠性和低故障率。该平台PLC型号为FX3U-32M，可以直接通过数字模块控制阀10、12、16、18、22的开闭状态来控制不同的升沉补偿状态，使用FX3U-4DA模块输出模拟电压信号控制比例流量阀5、9、17的通过流量状态，使用FX3U-4AD模块采集液压系统负载模拟部分和升沉补偿部分的位移、压力信息。经过PLC的分析处理后，将信号通过串行通信的方式传递给上位机。

图5 电控系统设计方案

在升沉补偿装置上安装MPU-9250姿态传感器，其角速度测量范围为 ±2 000 (°)/s ，分辨率为 7 .6× 1 0-3(°)/s ，加速度分辨率为 6 .1×10-5g，可以准确地追踪六自由度平台的运动，同时其数据可以通过高速串口的方式传递给上位机，然后通过计算获得六自由度平台的升沉位移，完全符合该实验平台对监测六自由度平台升沉运动的要求。

考虑到在进行升沉补偿实验时会测试不同控制方法的控制效果，所有控制算法都在上位机中进行运算，然后将计算结果传递给PLC，由PLC控制系统动作。三菱公司为上位机和 PLC的通信提供了链接库工具MX Component，通过该工具可以使上位机方便地对PLC的数据进行读写，上位机的工作逻辑如图6所示。

LabVIEW操作界面如图7所示，可以控制液压泵的启停和急停。通过左侧阀的状态可以判断液压系统当前运行状态；中间的4个折线图窗口实时显示负载补偿的效果及补偿过程中系统的动态过程；下方的按钮用于选择不同的补偿方式和控制算法；右上方的区域将详细的系统变化情况展现出来，供实验人员参考。

图6 上位机工作流程

图7 LabVIEW操作界面

3 控制算法设计

3.1 模拟负载算法设计

采用 PID算法控制模拟负载液压缸无杆腔的压力。控制系统实时采集模拟负载液压缸无杆腔的压力信号并进行反馈控制，由PID算法计算出比例流量阀5的输入电压，使模拟负载液压缸无杆腔的压力跟随设定值变化，进而可以使模拟负载液压缸活塞杆受到一定的向下的力，从而达到模拟负载的效果。在升沉补偿的过程中，模拟负载液压缸活塞只受到向下的液压力的作用和向上的缆绳的作用，因此只需控制模拟负载液压缸无杆腔的压力。

3.2 平台位移监测算法设计

系统通过 MPU9250姿态传感器可以测量到系统垂直方向的加速度变化情况，通过对垂直方向的加速度两次积分可以获得六自由度平台在垂直方向上的位移情况，但这样会引入极大的噪声干扰，故在该实验平台设计中采用标准的升沉滤波器实现双积分的过程，其定义如下[13]：

式中：s是拉普拉斯变量，ζ和cω分别是滤波器的阻尼系数和截止频率，az是六自由度平台垂直方向的加速度，是估计的位置。

3.3 主动升沉补偿算法设计

考虑到系统的简洁和有效性，在中外学者的研究中，很多升沉补偿装置采用PID算法来实现控制[7,14-15]。

在本实验平台中默认采用PID控制方式实现升沉补偿功能，在主动补偿过程中，将节 3.2中估计到的平台位移的–0.5倍作为算法的输入信号，输出信号为比例流量阀9的控制信号，反馈信号为补偿液压缸13的位移，通过PID算法可以实现补偿液压缸持续跟踪理想的位置信号，最终实现补偿平台位移的目标。当进行半主动补偿控制时，需要将PID算法的输出信号修改为比例流量阀17的控制信号，并调整PID算法参数，实现补偿平台位移的目标。

4 实验研究

在图 1的升沉补偿装置实验平台上进行调试实验。假设船只的运动x(t)可以被描述为N个幅值为Aj、频率为ωj且相位为φj的正弦波的叠加，该假设是一个普遍使用的假设[7]。

在实验中，假设船只的运动为一组正弦波，其升沉运动幅值为±0.1 m，周期为10 s，在被动补偿、主动控制和半主动控制下平台、补偿液压缸和负载的运动曲线分别如图8、9和10所示。被动补偿效果最差，负载位移范围是 -0.0298~0.0334 m ，补偿率为65.8%；在主动控制的作用下，负载的位移范围是 - 0.0094~0.00085 m，补偿率为90.36%；在半主动控制的作用下，负载的位移范围是 - 0.0126~0.0130 m，补偿率为86.76%，测试结果表明系统可以模拟并实现升沉补偿的过程和控制功能，使用主动补偿控制、半主动补偿控制时补偿效果较好。当使用主动补偿控制时，升沉补偿装置结构较为简单，补偿率较高；当使用半主动补偿控制时，由于蓄能器的加入，使得升沉补偿装置非线性结构增加，控制精度降低，但是系统能耗会大大降低；当使用被动补偿时，补偿效果较差，但是系统不消耗能量。

图8 被动补偿运动位移曲线

图9 主动控制补偿运动位移曲线

图10 半主动补偿运动位移曲线

5 结语

本文设计了一种升沉补偿实验平台，采用六自由度平台模拟母船的升沉运动，液压缸可以模拟真实的负载受力情况，可以采用被动补偿、主动补偿控制和半主动补偿控制的方式进行升沉补偿实验。实验表明，该系统可以获得较好的补偿效果，同时达到实时监测与控制的要求。通过该实验平台，可以让学生更加了解升沉补偿装置的工作过程和控制机理，进而增强学生的综合素质。