船用起重机主动式升沉补偿控制的研究

祝 福，刘晓林



船用起重机主动式升沉补偿控制的研究

祝 福1，刘晓林2

(1. 武汉船舶职业技术学院，武汉430050；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064)

对海上作业的船舶运动和起重机升沉运动进行分析、建模，从速度补偿和位移补偿两个方面分析了船舶起重机主动式升沉波浪补偿控制的原理。

升沉运动 船用起重机 自由度 波浪补偿

0 引言

在海洋环境中执行运输作业离不开船用起重机，它主要用于运输转移舰船间的货物、海上物资的补给等任务。我国海洋经济在由浅海向深海的发展过程中，深海工程起重机的需求会日益增多。在海洋环境中，船舶受到洋流、海风和海浪的作用，便会产生升沉、纵倾和横倾方向的运动。船用起重机在起吊作业过程中，由于船舶的晃动,被吊重物也会随着晃动，这会威胁到作业的安全。在波浪的影响下, 海上航行的船舶会产生如图1所示的升沉、横荡、纵荡、横倾、纵倾和偏航六个自由度，其中升沉、纵倾和横倾对船舶的影响最大，要减少自由度方向运动对起重机起吊作业的影响，必须采用一种具备对由海浪引起的船舶运动姿态进行检测和控制的具有升沉补偿控制功能的波浪补偿装置。

图1 船舶六自由度运动模式示意图

1 海上作业船用起重机的建模

1.1对船舶运动的进行假设分析

在海上由于受到海浪、洋流的影响，航行的船舶因此会摇摆晃动，对起重机的工作产生影响的因素很多也很复杂，要确立船舶和流体之间准确的关系式尤为困难。大量的试验研究表明，运用切片理论得到的船舶运动方程与实际情况基本接近。因此，本文对船舶所受外力(力矩)依据切片理论作了简化处理，主要有：

1)假设海浪运动是随机的、相对平稳的，把海浪的运动看作是一个无限大而且均匀的流场，忽略流场边界的几何特征等一些次要因素的影响，那么计算船舶的受力便可运用势流理论来完成；

2)假设船舶所受的水动力可以通过船舶及其附件所受的水动力线性叠加，且水动力可以看作是惯性力和粘性力的线性叠加。

1.2建立船舶运动模型

根据1.1节中的假设，在海上运动的船舶所受到的力(力矩)分解成由海浪、海风以及海流等随机干扰引起的随机力(力矩)和船舶运动时船舶附件上所加的控制力(力矩)两个主要部分，这些力(力矩)的数据通过实验可以获得，处理数据后可以得到拟合的海浪力(力矩)。假设船舶以恒速v航行或静止，且以角度与规则波相遇。船舶被假设为一个刚性体，则其六个自由度之间会存在耦合。由于船舶纵荡相比其他运动要小很多，因此可以忽略，在剩下的五个自由度中，由于偏航、横荡和纵荡是耦合的，纵倾和升沉也是耦合的，这样就可得到两组运动方程，即：

对称运动微分方程：

反对称运动方程：

依据上面的分析可以得出：船舶六个自由度运动中横倾运动的阻尼最小，所以最为激烈的是横倾运动。如果假定船舶横倾运动的角度不大，那么依据Conolly的理论，船舶线性横倾方程如下：

1.3建立起重机升沉运动模型

用一个能量密度谱可以描述海浪的随机运动。能量谱描述了海浪的能量是由一系列不同频率的随机波叠加而成的，通过船舶的传递函数及波浪的能量谱可以获得船用起重机在垂直方向的运动方程。通过MRU(Motion Reference Unit)测量可获得船舶起重机升沉运动的方位参数，理论研究表明其运动高度方程是由一系列不规则正弦波通过叠加而构成的。升沉高度可由以下式表示：

2 主动式升沉补偿原理

受海风、海浪、洋流的作用，海上船用起重机产生的不利影响主要有下列两方面：

1)接受船与下放中的货物间较易产生碰撞，作业船的晃动可能会使已放落的重物再一次悬空；

2)作业船的晃动易造成起重机钢丝绳索急剧收缩或拉伸，可能导致钢丝绳索断裂，造成作业设备损坏。

船用起重机在海上进行作业主要受升沉、横倾和纵倾运动的影响，对波浪的补偿应先考虑船舶垂直方向运动的补偿，然后再对其他自由度姿态运动的补偿加以考虑。

这里把纵倾与横倾进行折合转移到升沉方向，这样对船舶运动进行补偿控制就主要是升沉补偿了，船舶动力定位系统可以解决其它自由度的影响。依据海浪干扰作业的实际情况，从速度补偿和位移补偿两个方面来对主动式升沉波浪补偿控制进行分析。

2.1速度补偿基本原理分析

对船舶的升沉运动所引起的起重机钢丝绳索的收放速度进行补偿就是速度补偿，它使起重机按相对固定的吊装速度对重物进行拉收和下放。假设船舶在作业时的升沉方向的运动速度是V，起重机钢索的收放速度是V，重物在有补偿和无补偿时，相对于接受船的速度分别是、V，如下图所示。当作业船无补偿时：

当作业船有补偿时：

图2 主动式升沉补偿速度补偿原理示意图

根据式(6)和(7)，可推出补偿速度与船舶姿态跟随运动的关系式：

2.2位移补偿基本原理分析

位移补偿采用对作业船升沉方向位移信号进行补偿的策略，通过控制重物收放的位移，使重物能够准确达到规定的位置，重物的升沉相 较大的升沉扰动信号作用于重物而使其远离平衡点时，通过补偿装置重物应能回到平衡点，并且响应速度很快。要想重物能以较快的速度回到平衡点，就要保证系统具有足够的力矩。

图3 主动补偿控制系统原理框图

图4 位移补偿系统组成

图4为基于位移的波浪补偿控制系统构成图，它是由控制、传感器检测、机械执行(卷扬机)和液压驱动四个系统构成的。通过拉伸或压缩活塞杆来改变吊点的绝对位移，当卷扬机以某个速度拉起或松放吊索时，吊索通过固定在液压缸活塞上的滑轮与重物相连而改变重物的位移，从而实现了位移补偿。

3 结束语

近几年，科研人员在船用起重机波浪补偿系统尤其是主动式升沉补偿控制方面开展了广泛的研究，但由于海上作业时船用起重机起吊重物的运动十分复杂，实现对船用起重机主动式升沉补偿控制的难度较大。

本文在研究国内外的最新研究成果的基础上，通过对海上作业的船舶运动和起重机升沉运动进行分析、建模，从速度补偿针和位移补偿两个方面对对船用起重机主动式升沉补偿控制的原理进行了分析。

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Analysis of Active Rising and Falling Compensation Control in Marine Crane

Zhu Fu1, Liu Xiaolin2

(1. Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

This paper studies and models ship motion and crane rising and falling motion offshore. It analyzes the principle of marine crane active rising and falling compensation control from two aspects of velocity compensation needle and displacement compensation

rising and falling motion; the ship crane; degrees of freedom; wave compensation

U664

A

1003-4862(2016)04-0030-03

2015-12-23基金项目：湖北省教育厅科研项目（B20128507）作者简介：祝福(1970 -)，男，硕士，副教授。研究方向：电气自动化及控制工程。