水下拖曳系统升沉补偿液压控制系统研究

方子帆谢哲雨 郑小伟 葛旭甫 何孔德 余红昌 覃 琳

(1.三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室,湖北 宜昌443002;2.机器人与智能系统宜昌市重点实验室,湖北 宜昌 443002;3.三峡大学 机械与动力学院,湖北 宜昌 443002)

随着海洋工程研究的高速发展,现阶段对海洋拖曳绞车的功能需求增大,性能要求提高,研究开发了多种海洋工程项目的拖曳系统。在进行实际作业中,拖曳系统会受到诸多不可控因素的影响[1],拖曳船体和水下装置产生相对运动,两者之间安全、平稳、准确地进行布放和回收工作是整个任务的关键所在。船体和水下装置间连接的缆绳在海浪运动影响下,其工作状态不断改变,产生松弛和张紧的交替变化。缆绳的大幅度摇摆可能引起负载撞向船体,而张力的剧烈变化则可能会导致绳索崩断,使得水下作业装置无法正常工作[2]。拖曳绞车部分作为海洋拖曳系统的核心系统,对其结构特征和工作性能进行研究分析,有利于为设计拖曳系统及水下装置方案时提供参考依据和理论支撑[3-4]。

目前,国内外相关学者对拖曳绞车在液压控制技术方面开展了大量的科学研究。吴开塔[5]对ROV被动式升沉补偿系统进行研究,针对不同深度下的系统特性分别进行了理论推导和仿真计算,提出了利用流量调节阀来调节控制系统的阻尼特性,从而产生避免共振的方案。姚树新[6]针对半主动式补偿系统进行了研究,设计出半主动波浪补偿装置的液压系统原理图,并进行了半主动波浪补偿系统的参数匹配。徐小军等人[7]提出了一种新型主动式波浪补偿系统,阐述了波浪补偿系统的工作原理和补偿机制。主动升沉补偿控制系统所具有鲁棒性好、适应性强、补偿准确度高、补偿性能稳定等优点,是被动升沉补偿系统和半主动补偿系统所缺乏的。基于常规拖曳绞车的主动升沉运动补偿系统通过增加升沉运动传感器和升沉运动控制器,即可实现水下负载的升沉运动补偿功能,具有广泛的应用前景[8]。虽然国内外科研人员及相关机构对升沉补偿技术已经有了一定的研究成果,但其补偿机理尚不明确,而补偿系统的发展是各种海上作业的必然需求,存在研究价值。

基于此,针对复杂海洋环境下拖船升沉运动对拖体定深的影响问题,提出了一种水下拖曳系统的升沉补偿控制机理并设计了其补偿系统。根据线性波浪理论描述波浪力,通过AMESim软件中的液压模块、机械模块和控制模块对水下拖曳系统作业过程进行虚拟样机建模,分析系统动力学特性,包括系统内部参数和外界波浪参数以及不同海况条件对负载收放速度、缆绳张力的影响,验证所采用控制策略的有效性。

1 水下拖曳系统升沉补偿液压控制系统

1.1 升沉补偿机理

海洋环境复杂多变,拖曳绞车系统在作业中易受到诸多不确定因素的干扰,会围绕平衡位置产生空间6个自由度上的一定幅度不均匀运动,而拖船的运动则更会直接影响到水下拖曳装置的正常工作,一般情况下都需要采取补偿机制[9].在拖船6个自由度方向上的运动中,其中5个自由度方向上的运动比较容易补偿,可以通过锚泊、动力定位和专用补偿装置来实现对运动的补偿,但是对于拖船升沉方向的运动,其补偿过程比较复杂,无法通过拖船本身来实现.升沉运动将带动处于拖曳状态的拖体深度变化,导致连接拖船和水下作业设备的缆绳张力交替变化,并随着工作海况的恶化而变化加剧[10].因此,为提高作业的安全性、平稳性,有必要分析张力波动产生的原因,研究升沉运动补偿技术,尽量消除缆线上的张力变化,保证拖曳绞车完成对水下作业设备平稳收放工作.

1.1.1 张力波动成因分析

如图1所示,以缆绳拖曳点进行运动分析.其物理符号定义为：拖船升沉运动对拖曳点的干扰位移为x,方向竖直向上,其沿缆绳切线方向和法线方向分解为xτ和x n;x l为缆绳收放位移;x lτ、x ln分别为缆绳切向和法向实际运动位移;v、vτ、v n、v lτ、v ln、v l分别为x、xτ、x n、x lτ、x ln、x l对应的速度;α、ατ、αn、αlτ、αln、αl分别x、xτ、x n、x lτ、x ln、x l为对应的加速度.

图1 拖曳点运动分析

沿缆绳切向和法向的实际运动位移分别为：

拖曳点处张力可表示为：

其中,vtow为拖船水平拖曳速度为当前内部状态变量.

上式对应差分方程为：

其中,f a、f v、f x、g a、g v、g x为式(4)对应的偏微分方程.

加入恒张力控制后,对式(4)进行拉普拉斯变换,可得拖曳点处的张力为：

式中,T0为稳态张力.

由于外界相同运动干扰下缆绳切线方向的张力变化比法线方向的张力变化大得多,则有f a≫|g a|,f v≫|g v|,f x≫|g x|.通常认为,缆绳中的张力波动主要是由缆绳切线方向的运动干扰引起的,为此在考虑升沉运动补偿时,需对缆绳的收放运动进行控制.

1.1.2 升沉补偿机理

设某时刻拖船的升沉运动速度为v,负载控制的理想速度为v0.在已知拖船升沉运动情况下,控制绞车运动使得：

则可实现升沉运动补偿.

不具备张力控制时负载实际速度vg为：

采取恒张力控制后补偿速度为vb,负载的实际速度vs为：

当负载运动状态不受升沉运动影响时,应满足：

这表明：为保持负载运动状态不发生改变,维持正常作业,对缆绳的收放运动进行调整,必须使得补偿速度与拖船升沉运动速度相等.

综上所述,缆绳张力波动主要来源是拖船升沉运动中沿缆绳切线方向上的分量所引起,因而只要使缆绳升沉运动沿缆绳方向的合力运动为零,缆绳中的张力波动范围即可得到大幅抑制.

1.2 升沉补偿控制系统原理

在升沉补偿控制系统中,采用速度测量传感器检测拖曳绞车缆绳收放速度,升沉运动传感器测量拖船升沉运动速度,两者偏差信号传送给升沉补偿控制器,控制液压绞车收放缆绳运动来抵消拖船升沉运动,达到理想拖曳速度,从而减小缆绳张力波动,保持水下设备运动平稳控制效果,升沉补偿控制系统原理如图2所示[11].

图2 升沉补偿控制系统原理图

根据升沉补偿控制系统原理,建立升沉补偿反馈控制回路框图,如图3所示.其升沉补偿控制过程为：拖曳绞车在回收水下负载过程中,驱动卷筒回收缆绳,当拖船升沉运动导致缆绳松弛或绷紧时,升沉补偿控制器通过速度误差分析后会发出控制信号U0,通过改变比例方向阀阀芯位移方向,从而控制输入到液压马达的液压油方向和流量值,实现对液压马达的控制.因为液压马达连接带动绞车卷筒的转动,即转向和转速的控制,进而通过缆绳的收放控制来实现对拖船升沉运动的补偿.

图3 升沉补偿反馈控制回路框图

2 升沉补偿控制器设计

由于水下拖曳系统中液压控制系统数学模型建立不易得到精确解,而且参数在整个过程中变化较大,选择采用PID控制方法比较适合.合理选择PID控制方法中比例、积分、微分3个的参数,使积分I部分发生在系统频率特性的低频段,以提高系统的稳态性能;而使微分D部分发生在系统频率特性的中频段,以便改善系统的动态性能,避免偏差过大[12].设拖船升沉运动位移y与收放缆绳长度l差值为e(k),两者差值变化率Δe(k),则有：

PID控制规律为：

通过水下拖曳系统液压控制系统Bode图分析可知,系统相对稳定性不够,频率带宽较窄,为了提高系统的稳态性和快速性,需要设计有源串联校正装置,使系统速度误差系数K v和剪切频率ωc增大.

原系统属于I型系统,取K=K v=10,幅值穿越频率ωc=0.292 rad/s,ωc偏小,采用串联PD调节器校正.选择中频段斜率为-20 dB/dec,而低频段有更大斜率的最优二阶模型为所期望的频率特性.

系统开环传递函数为：

PD校正环节的传递函数为：

为使校正后的开环Bode图为所期望的二阶最优模型,可消去未校正系统的一个极点,令TD=2.965s,则

校正后开环放大系数：

则有KP=1.283s,故校正后的开环传递函数为：

校正后系统速度误差系数K v=K KP=12.83＞10,故校正后相位浴度和幅值浴度都较好,满足系统的稳态性能和动态性能要求.由校正后的所得闭环Bode图可知,系统带宽满足系统带宽要求.

故此采用基于PID校正方法提高系统的相对稳定性、增加频率带宽设计了升沉补偿控制I型系统,完成了升沉补偿控制器的设计.

3 仿真研究

3.1 系统虚拟样机模型

根据液压系统原理图,运用AMESim虚拟样机仿真软件建立液压系统仿真模型,如图4所示.

图4 水下拖曳系统液压系统仿真模型

在图4所示模型中没有考虑制动回路和止动回路,原因在于系统中制动器和止动器并没有参与负载回收布放速度控制.在不影响系统的特性分析和数据结果基础上,对模型建立进行适当简化：定滑轮、钢丝绳、质量块模拟组成负载执行系统,用来仿真拖曳绞车起吊海下装置的情形.速度传感器检测而来的信号与预期速度比较后,所得差值信号经PID控制器整定放大后,传送给液压比例阀,调节进入液压马达的流量,改变卷筒收放缆绳的速度.拖船升沉运动通过滑轮水平运动来模拟,作为干扰信号作用于滑轮上.

运用多领域系统建模仿真软件AMESim对水下拖曳系统作业过程进行虚拟样机建模与仿真研究[13-15],以调整工况和收放工况为例,分析系统动力学特性,包括系统内部参数和外界波浪参数以及不同海况条件对负载收放速度、缆绳张力的影响,验证水下拖曳系统液压系统设计方案的可行性.

3.2 波浪对负载速度波动性影响分析

波浪运动是随机的,拖曳系统由此产生的升沉运动也是随机的.根据统计资料[16],典型海况下波浪运动参数见表1.

表1 典型海况下波浪运动参数表

海洋拖曳绞车系统在实际工况中,会受到海浪的作用.假定水对负载粘性作用力可以忽略,只有竖直方向的波浪力作用于负载上,根据线性波理论[16-17],波浪力为：

式中,F0为规则波的波浪力幅值;f为波浪力的频率;θ波浪力对应的相位角.

波浪力频率2 Hz,幅值分别为250、500、1 000 N,对应仿真结果如图5(a)所示.波浪力幅值为50 N,频率分别为2、5、7、10 Hz,对应仿真结果如图5(b)所示.由图5可见,负载速度幅值的变化与波浪力幅值有关,波浪力幅值越大,所引起的速度幅值变化也越大.稳定情况时,波浪力幅值每增加500 N下的速度幅值增长率约为0.5%.负载速度的幅值和振动次数还会受到波浪力频率变化的影响,在相同波浪力幅值下,波浪力频率越小,振动次数越少,频率越大,振动次数越多.数据曲线中,两种相近频率间的速度振动次数增长约为40%.在频率为5 Hz时,图示负载速度波动幅值最大.

结果表明,外部环境所产生波浪力的频率与幅值对负载速度幅值均有影响;波浪力的频率变化对负载速度的振动次数和振动幅值也存在联系.

图5 波浪力对负载速度的影响

3.3 调整工况升沉补偿控制

在海洋拖曳绞车4种工况中,调整工况需要根据航区内的海况变化,实时检测拖船和缆绳的速度参数,可方便地调整拖缆的长度.

设定计算误差为0.001,最小积分时间步长0.01 s,仿真时间20 s,分别仿真三级、四级和五级海况下拖曳绞车对负载收放作业过程,其升沉补偿速度响应和缆绳张力变化分别如图6～7所示.

图6 调整工况下升沉运动补偿速度响应

图7 调整工况下缆绳张力变化

图6和图7结果表明：缆长调整过程中,负载在平衡位置上下波动,不同海况下,拖船升沉运动与负载运动同步变化,其速度补偿效果明显改善.升沉运动补偿控制前,海况越高,缆绳张力变化越强烈,加入升沉补偿控制后,张力波动范围很小,其均值稳定在53.2 k N.由此,验证了升沉补偿控制策略的有效性.

3.4 收放工况下升沉补偿控制

拖曳绞车在回收和释放缆绳过程中,会受到突发性海况的影响,此时拖船升沉运动对正常的平稳作业造成很大干扰.对正在收放作业绞车在不同时刻加入拖船升沉运动干扰信号,不同海况下负载速度响应和缆绳张力变化如图8～9所示.根据图8和图9仿真曲线,提取控制前后的负载速度和缆绳张力的极值、均值,见表2.

图8 收放工况下升沉运动补偿速度响应

图9 收放工况下缆绳张力变化

表2 负载速度和缆绳张力的极值及均值对照表

由表2可以看出,3种海况下速度补偿效果最小达到42%.张力波动也大大得到了抑制,五级海况时补偿幅度最小,达到20.5%.张力最小值明显增大,张力变化均值与静态理论计算值53 200 N相近,说明通过采用拖曳绞车补偿拖船升沉运动实现张力控制,其补偿机制科学可行,可提高海洋拖曳绞车回收稳定性和安全性.

4 结 论

为满足海洋拖曳绞车调整工况和收放工况的要求,设计了水下拖曳系统液压控制系统,基于AMESim仿真软件进行数学建模仿真,分析了拖曳系统动力学特性,从而验证系统方案设计的可行性,研究结论如下：1)根据水下拖曳系统作业工况需求,设计了水下拖曳系统升沉补偿液压控制系统;2)基于多领域建模仿真软件AMESim建立水下拖曳系统液压控制系统虚拟样机模型;3)分析了外界波浪参数以及3种不同海况条件对负载收放速度、缆绳张力的影响,仿真实验表明所设计的拖曳绞车液压控制系统能够补偿拖船的升沉运动,实现张力控制,其补偿机制科学可行.

本文研究了随机振动下多体动力学运动状态的问题,提出的升沉补偿液压控制系统为提高水下拖曳体定深性能提供了一种有效方法,为提高水下拖曳系统回收稳定性和安全性、降低缆绳动态载荷变化提供了理论依据,对复杂海况环境下海洋工程装备设计开发提供了有益探讨.