淺淡國內(nèi)首臺深水波浪補償克令吊的補償技術(shù)系統(tǒng)

宣強　朱鎮(zhèn)

摘 要：隨著國內(nèi)對海洋資源不斷的深入開發(fā)，各類工程船舶、海洋鉆井平臺越來越多的進入到深海區(qū)域進行海上作業(yè)，受深海區(qū)域波浪起伏的影響，海上作業(yè)時會隨著波浪晃動，船體晃動則直接導(dǎo)致水下起重機的吊鉤不穩(wěn)，增加海上作業(yè)困難，影響水下的安裝作業(yè)。上海振華公司自主研發(fā)的國內(nèi)首個深水下主動波浪補償甲板起重機，填補了國內(nèi)在主動波浪補償設(shè)備領(lǐng)域的研發(fā)空白，打破了國外的技術(shù)壟斷，以提高海上作業(yè)的安全性、高效性和可靠性。

關(guān)鍵詞：主動波浪補償；二次液壓控制；信號檢測；控制算法

中圖分類號：TH137.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）14-0008-02

深水波浪補償克令吊是上海振華公司為提高公司海工產(chǎn)品核心競爭力，進一步提高海工產(chǎn)品自主創(chuàng)新能力和高附加值，在國外公司技術(shù)嚴(yán)密封鎖，無任何參照系統(tǒng)資料的情況下，歷經(jīng)4年自主研發(fā)的一臺具有國內(nèi)最先進深水環(huán)境下主動式波浪補償技術(shù)的新型甲板起重機，是國內(nèi)第一臺真正意義上的帶主動波浪補償功能的起重機產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于水下600 m以內(nèi)的海上補給、海洋鉆井、有纜海底機器人安裝作業(yè)、深海探測等。

1 本項目補償技術(shù)系統(tǒng)說明

升沉補償系統(tǒng)是海洋工程作業(yè)安全進行必不可少的裝置，氣液運動補償器和張緊器是海洋浮船和半潛式平臺廣泛采用的兩種升沉補償系統(tǒng)。升沉補償系統(tǒng)的分類的方法比較多。按動力供應(yīng)分按其動力供應(yīng)來分，升沉補償系統(tǒng)可分為：主動型升沉補償系統(tǒng)（Active Heave Compensation System，AHCS）、被動型升沉補償系統(tǒng)（passive Heave Compensation System，PHCS）、主動型與被動型升沉補償系統(tǒng)相結(jié)合的半主動型。

振華公司設(shè)計團隊前期自主研發(fā)了油缸配合蓄能器的波浪升沉補償實驗臺，該試驗臺的補償?shù)踔貫? T，模擬的波浪高度為±1 m；周期為10 s，通過檢測和調(diào)試，從而獲得波浪補償系統(tǒng)運行工況的大量實驗數(shù)據(jù)；首臺波浪補償克令吊正是以此為基礎(chǔ)，通過理論創(chuàng)新和消化吸收國外先進技術(shù)等技術(shù)積累手段，對深水環(huán)境下波浪補償系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸進行技術(shù)攻關(guān)，研制一種帶主動波浪升沉補償系統(tǒng)的，滿足深水環(huán)境工作的新型起重吊機， 使該產(chǎn)品能夠滿足市場上通用的定位精度要求，最終打破國外的技術(shù)壟斷，實現(xiàn)波浪補償裝備的國產(chǎn)化并進行產(chǎn)業(yè)化推廣， 最終形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的波浪補償設(shè)備設(shè)計與生產(chǎn)制造能力，設(shè)計制造水平達到國際先進水平為主要研究目標(biāo)。

首臺波浪補償克令吊具體補償技術(shù)系統(tǒng)說明如下。

1.1 主動波浪補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主動波浪補償克令吊采用的絞車補償結(jié)構(gòu)方式，如圖1所示。

主動絞車補償系統(tǒng)只需要控制絞車卷筒即可，不需要額外增加其他的機械和液壓裝置，可以節(jié)省有效的船舶空間。但是采用該方法，絞車慣性很大，需要實時的進行控制，消耗功率較大，同時對被動補償系統(tǒng)不方便設(shè)計。

本克令吊主動升沉波浪補償系統(tǒng)包括：起升卷筒、船舶姿態(tài)運動傳感器、絕對值編碼器和補償設(shè)備。起升卷筒安裝在起重機上，起升卷筒通過鋼絲繩繞過起重機的支臂前端的懸掛支點吊裝一負載，負載浸沒于水面下。船舶姿態(tài)運動傳感器固定于固定基座上，船舶姿態(tài)運動傳感器實時檢測船舶升沉運動。絕對值編碼器安裝于起升卷筒上，絕對值編碼器實時檢測起升卷筒的運動狀況。如圖2所示。

1.2 二次液壓控制技術(shù)

本克令吊的主動補償液壓方面是采用博世力士樂最先進的二次液壓控制方案技術(shù)，這也是針對AHC的獨特的應(yīng)用。如圖3所示。

波浪補償克令吊主起升卷筒采用由五個力士樂具有高響應(yīng)速度的液壓二次馬達驅(qū)動。采用液壓系統(tǒng)中先進的二次調(diào)節(jié)技術(shù)，本克令吊起升裝置可以工作于如下工作模式下，分別為：“吊機普通模式”、“吊機空鉤模式”、“恒張力模式”、“波浪補償模式”、“手動維修模式”，以上五種控制模式可以通過按鈕在操作面板上選擇和切換，絞車在任何時刻只能選定一種操作模式。

有關(guān)主動恒張力調(diào)節(jié)也是通二次控制馬達來實現(xiàn)，正因為是壓力耦合系統(tǒng)，在主動恒張力微調(diào)時便可以在很短的時間內(nèi)作出反應(yīng)，另外動力站的壓力閥是電比例閥，所以系統(tǒng)壓力量是可在不同的負載情況下進行無級調(diào)節(jié)。當(dāng)然我們會將工況分成幾個等級，從而調(diào)節(jié)壓力，一個可調(diào)的近似恒壓系統(tǒng)，再加二次控制是目前最先進的配置，沒有二次控制馬達，高精度的操控是做不出來的。

波浪補償克令吊液壓系統(tǒng)有：主起升，回轉(zhuǎn)，變幅機構(gòu)。每個機構(gòu)的運行由司機室的電控手柄進行控制。每個機構(gòu)每次運行的啟動和停止都必須經(jīng)過設(shè)定的斜坡（除緊停外）。在司機室內(nèi)需要顯示的液壓系統(tǒng)的狀態(tài)有：油溫，油位，制動器，泵最底變量壓力（10 bar），整個系統(tǒng)待機等，具體見各工況。

1.3 信號檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)由高性能船舶姿態(tài)傳感器MRU（Motion Reference Unit）及數(shù)據(jù)處理單元構(gòu)成，實現(xiàn)船舶姿態(tài)運動、鋼絲繩張力以及重物位移、速度等信號的實時檢測。船舶姿態(tài)運動傳感器以固定采樣周期采集預(yù)定時間段內(nèi)的船舶升沉運動位移數(shù)據(jù)，補償設(shè)備對船舶升沉運動位移數(shù)據(jù)進行頻譜分析獲得船舶升沉運動位移數(shù)據(jù)的功率譜，補償設(shè)備對功率譜進行譜擬合與參數(shù)化并建立船舶升沉運動的狀態(tài)空間模型，該狀態(tài)空間模型作為船舶升沉運動的歷史數(shù)據(jù)。

1.4 電氣控制算法

電氣系統(tǒng)方面運用時滯參數(shù)辨識原理對系統(tǒng)時滯參數(shù)進行辨識，由于主動波浪補償系統(tǒng)是一個大慣量、滯后、參數(shù)時變的非線性系統(tǒng)。主動波浪補償要想達到一定的控制精度，就必須采用相關(guān)的智能控制算法，從而解決時滯后性、鋼絲繩彈性以及系統(tǒng)阻尼等因素的影響，通過分析主動式波浪補償系統(tǒng)的時滯主要是在液壓系統(tǒng)、機械執(zhí)行系統(tǒng)中產(chǎn)生的。如圖4所示。

進行主動升沉補償預(yù)測控制算法研究，消除液壓絞車大慣量、滯后、參數(shù)時變等非線性因素對主動升沉補償控制性能的影響，在液壓絞車功率允許的前提下提高主動升沉補償效率，同時，在控制算法的過程中，必須將鋼絲繩彈性因素和水下負載的阻尼納入考慮范圍中，從而進行有效的主動補償控制。高性能數(shù)字控制器實時讀取MRU數(shù)據(jù)，進行擾動前饋控制，得到擾動前饋控制電壓為uforward。讀取卷筒絕對值編碼器和張力傳感器數(shù)據(jù)，進行動力學(xué)模型計算，通過與操作手柄的控制指令信號進行比較分析，利用位移偏差信號進行不完全微分反饋控制算法，決策出反饋控制電壓ufeedback，控制器通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸出總的控制電壓u=uforward+ufeedback，將此控制電壓輸出到馬達驅(qū)動器，從而驅(qū)動卷筒轉(zhuǎn)動，進行主動升沉補償。

2 結(jié) 語

本文簡要闡述了上海振華公司自主研發(fā)首臺波浪補償克令吊采用的主動補償技術(shù)系統(tǒng)的組成，從文中可以看出，對于船舶在波浪起伏的海上作業(yè)時，波浪補償技術(shù)在增強安全性和可靠性的前提下，大大增加了高效作業(yè)，公司首臺具有波浪補償經(jīng)功能克令吊的研制成功，標(biāo)志著我國在海波浪補償技術(shù)及設(shè)備方面的突破，為今后國家開發(fā)深海資源戰(zhàn)略提供有力的技術(shù)保障。

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