船用起重機(jī)主動式升沉補償控制的研究

祝 福，劉曉林

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船用起重機(jī)主動式升沉補償控制的研究

祝 福1，劉曉林2

(1. 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢430050；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064)

對海上作業(yè)的船舶運動和起重機(jī)升沉運動進(jìn)行分析、建模，從速度補償和位移補償兩個方面分析了船舶起重機(jī)主動式升沉波浪補償控制的原理。

升沉運動 船用起重機(jī) 自由度 波浪補償

0 引言

在海洋環(huán)境中執(zhí)行運輸作業(yè)離不開船用起重機(jī)，它主要用于運輸轉(zhuǎn)移艦船間的貨物、海上物資的補給等任務(wù)。我國海洋經(jīng)濟(jì)在由淺海向深海的發(fā)展過程中，深海工程起重機(jī)的需求會日益增多。在海洋環(huán)境中，船舶受到洋流、海風(fēng)和海浪的作用，便會產(chǎn)生升沉、縱傾和橫傾方向的運動。船用起重機(jī)在起吊作業(yè)過程中，由于船舶的晃動,被吊重物也會隨著晃動，這會威脅到作業(yè)的安全。在波浪的影響下, 海上航行的船舶會產(chǎn)生如圖1所示的升沉、橫蕩、縱蕩、橫傾、縱傾和偏航六個自由度，其中升沉、縱傾和橫傾對船舶的影響最大，要減少自由度方向運動對起重機(jī)起吊作業(yè)的影響，必須采用一種具備對由海浪引起的船舶運動姿態(tài)進(jìn)行檢測和控制的具有升沉補償控制功能的波浪補償裝置。

圖1 船舶六自由度運動模式示意圖

1 海上作業(yè)船用起重機(jī)的建模

1.1對船舶運動的進(jìn)行假設(shè)分析

在海上由于受到海浪、洋流的影響，航行的船舶因此會搖擺晃動，對起重機(jī)的工作產(chǎn)生影響的因素很多也很復(fù)雜，要確立船舶和流體之間準(zhǔn)確的關(guān)系式尤為困難。大量的試驗研究表明，運用切片理論得到的船舶運動方程與實際情況基本接近。因此，本文對船舶所受外力(力矩)依據(jù)切片理論作了簡化處理，主要有：

1)假設(shè)海浪運動是隨機(jī)的、相對平穩(wěn)的，把海浪的運動看作是一個無限大而且均勻的流場，忽略流場邊界的幾何特征等一些次要因素的影響，那么計算船舶的受力便可運用勢流理論來完成；

2)假設(shè)船舶所受的水動力可以通過船舶及其附件所受的水動力線性疊加，且水動力可以看作是慣性力和粘性力的線性疊加。

1.2建立船舶運動模型

根據(jù)1.1節(jié)中的假設(shè)，在海上運動的船舶所受到的力(力矩)分解成由海浪、海風(fēng)以及海流等隨機(jī)干擾引起的隨機(jī)力(力矩)和船舶運動時船舶附件上所加的控制力(力矩)兩個主要部分，這些力(力矩)的數(shù)據(jù)通過實驗可以獲得，處理數(shù)據(jù)后可以得到擬合的海浪力(力矩)。假設(shè)船舶以恒速v航行或靜止，且以角度與規(guī)則波相遇。船舶被假設(shè)為一個剛性體，則其六個自由度之間會存在耦合。由于船舶縱蕩相比其他運動要小很多，因此可以忽略，在剩下的五個自由度中，由于偏航、橫蕩和縱蕩是耦合的，縱傾和升沉也是耦合的，這樣就可得到兩組運動方程，即：

對稱運動微分方程：

反對稱運動方程：

依據(jù)上面的分析可以得出：船舶六個自由度運動中橫傾運動的阻尼最小，所以最為激烈的是橫傾運動。如果假定船舶橫傾運動的角度不大，那么依據(jù)Conolly的理論，船舶線性橫傾方程如下：

1.3建立起重機(jī)升沉運動模型

用一個能量密度譜可以描述海浪的隨機(jī)運動。能量譜描述了海浪的能量是由一系列不同頻率的隨機(jī)波疊加而成的，通過船舶的傳遞函數(shù)及波浪的能量譜可以獲得船用起重機(jī)在垂直方向的運動方程。通過MRU(Motion Reference Unit)測量可獲得船舶起重機(jī)升沉運動的方位參數(shù)，理論研究表明其運動高度方程是由一系列不規(guī)則正弦波通過疊加而構(gòu)成的。升沉高度可由以下式表示：

2 主動式升沉補償原理

受海風(fēng)、海浪、洋流的作用，海上船用起重機(jī)產(chǎn)生的不利影響主要有下列兩方面：

1)接受船與下放中的貨物間較易產(chǎn)生碰撞，作業(yè)船的晃動可能會使已放落的重物再一次懸空；

2)作業(yè)船的晃動易造成起重機(jī)鋼絲繩索急劇收縮或拉伸，可能導(dǎo)致鋼絲繩索斷裂，造成作業(yè)設(shè)備損壞。

船用起重機(jī)在海上進(jìn)行作業(yè)主要受升沉、橫傾和縱傾運動的影響，對波浪的補償應(yīng)先考慮船舶垂直方向運動的補償，然后再對其他自由度姿態(tài)運動的補償加以考慮。

這里把縱傾與橫傾進(jìn)行折合轉(zhuǎn)移到升沉方向，這樣對船舶運動進(jìn)行補償控制就主要是升沉補償了，船舶動力定位系統(tǒng)可以解決其它自由度的影響。依據(jù)海浪干擾作業(yè)的實際情況，從速度補償和位移補償兩個方面來對主動式升沉波浪補償控制進(jìn)行分析。

2.1速度補償基本原理分析

對船舶的升沉運動所引起的起重機(jī)鋼絲繩索的收放速度進(jìn)行補償就是速度補償，它使起重機(jī)按相對固定的吊裝速度對重物進(jìn)行拉收和下放。假設(shè)船舶在作業(yè)時的升沉方向的運動速度是V，起重機(jī)鋼索的收放速度是V，重物在有補償和無補償時，相對于接受船的速度分別是、V，如下圖所示。當(dāng)作業(yè)船無補償時：

當(dāng)作業(yè)船有補償時：

圖2 主動式升沉補償速度補償原理示意圖

根據(jù)式(6)和(7)，可推出補償速度與船舶姿態(tài)跟隨運動的關(guān)系式：

2.2位移補償基本原理分析

位移補償采用對作業(yè)船升沉方向位移信號進(jìn)行補償?shù)牟呗?，通過控制重物收放的位移，使重物能夠準(zhǔn)確達(dá)到規(guī)定的位置，重物的升沉相 較大的升沉擾動信號作用于重物而使其遠(yuǎn)離平衡點時，通過補償裝置重物應(yīng)能回到平衡點，并且響應(yīng)速度很快。要想重物能以較快的速度回到平衡點，就要保證系統(tǒng)具有足夠的力矩。

圖3 主動補償控制系統(tǒng)原理框圖

圖4 位移補償系統(tǒng)組成

圖4為基于位移的波浪補償控制系統(tǒng)構(gòu)成圖，它是由控制、傳感器檢測、機(jī)械執(zhí)行(卷揚機(jī))和液壓驅(qū)動四個系統(tǒng)構(gòu)成的。通過拉伸或壓縮活塞桿來改變吊點的絕對位移，當(dāng)卷揚機(jī)以某個速度拉起或松放吊索時，吊索通過固定在液壓缸活塞上的滑輪與重物相連而改變重物的位移，從而實現(xiàn)了位移補償。

3 結(jié)束語

近幾年，科研人員在船用起重機(jī)波浪補償系統(tǒng)尤其是主動式升沉補償控制方面開展了廣泛的研究，但由于海上作業(yè)時船用起重機(jī)起吊重物的運動十分復(fù)雜，實現(xiàn)對船用起重機(jī)主動式升沉補償控制的難度較大。

本文在研究國內(nèi)外的最新研究成果的基礎(chǔ)上，通過對海上作業(yè)的船舶運動和起重機(jī)升沉運動進(jìn)行分析、建模，從速度補償針和位移補償兩個方面對對船用起重機(jī)主動式升沉補償控制的原理進(jìn)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基金項目：湖北省教育廳科研項目（B20128507）作者簡介：祝福(1970 -)，男，碩士，副教授。研究方向：電氣自動化及控制工程。