海上浮吊平臺作業(yè)的波浪補償系統(tǒng)的仿真與研究

孫友剛,李萬莉,劉祥勇

(同濟大學機械與能源工程學院,上海 201804)

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海上浮吊平臺作業(yè)的波浪補償系統(tǒng)的仿真與研究

孫友剛,李萬莉,劉祥勇

(同濟大學機械與能源工程學院,上海 201804)

浮吊在海上施工建設時,波浪的起伏會造成下降中的重物與突然上升的施工或補給對象的碰撞,導致重大安全事故的發(fā)生.為了抑制波浪對浮吊海上作業(yè)的動態(tài)影響,提高作業(yè)效率，提出一種基于在線遺傳算法整定PID(Proportional-Integral-Darivative)控制器的主動式波浪補償系統(tǒng);在設計系統(tǒng)的基礎上,采用ADAMS、AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真平臺,對本方案的波浪補償系統(tǒng)的控制效果進行仿真與研究.最后在物理樣機中對該系統(tǒng)的控制策略的有效性進行試驗驗證.仿真和試驗結果表明:該補償系統(tǒng)能使吊運載荷的相對運動和波浪作用下船體的運動在升沉方向解耦,并且本文提出的控制器具有較高的魯棒性和穩(wěn)定性,能根據海況的變化及時調整控制參數(shù),控制效果令人滿意.

海上施工; 浮吊; 波浪補償系統(tǒng); 控制策略; 港口機械

隨著海洋資源的開發(fā)、海上工程建設不斷擴大,在海況惡劣的海面更加安全、平穩(wěn)、準確地進行工程建設、補給貨物變得越來越重要.浮吊是海洋工程裝備里最重要的設備之一.在海上工程建設、海上貨物補給調運等方面發(fā)揮著重要的作用[1-3].浮吊的作業(yè)環(huán)境比較特殊,船體容易受到波浪的作用而偏離設定好的位置.國內外很多研究學者在防止船體水平方向偏離設定位置方面做了大量的研究,給出了路徑規(guī)劃和安全距離[4-6].但浮吊的作業(yè)安全隱患更多來自于波浪作用下海洋結構物或船體在升沉方向的意外起伏.波浪補償是指因海面起伏引起作業(yè)裝備產生波動而進行的補償校正.浮吊在進行物資補給時,下降中的重物容易和突然上升的船體發(fā)生碰撞,造成重大事故.而波浪補償系統(tǒng)則能保證貨物與被補給船甲板具有較恒定的相對速度,將貨物平穩(wěn)地下放到被補給船上.

波浪補償控制的結構形式繁多,一般按控制力的執(zhí)行方式分為被動式控制和主動式控制.被動式波浪補償控制是指當兩船的升沉運動引起測量繩索的張力變化后,通過繩索張力的變化來控制補償參數(shù).被動式控制主要由執(zhí)行裝置和隨動裝置組成,根據吊鉤感受到的被補給船升沉起伏信號拖動隨動裝置,達到補償控制的目的.主要形式有氣液混合型、隨動型、液壓緩沖補償型等形式[7-8].我國目前比較廣泛運用的就是這種控制方式,但它的缺點比較明顯:①剛度、阻尼等參數(shù)一般通過經驗設計,在作業(yè)中不能隨外部狀態(tài)變化而變化,適應性差;②補償時系統(tǒng)沖擊較大,給海上作業(yè)帶來安全隱患;③結構體積十分龐大,需要對被補給船有較大改裝.

主動式波浪補償控制主要由傳感器、執(zhí)行器和控制器組成,控制器為核心部件.作業(yè)時,控制器根據傳感器檢測到的船舶相對運動信號,立刻產生與之方向相反、大小相同的主動力驅動信號,通過控制執(zhí)行器實現(xiàn)波浪補償.因其沖擊不大、補償?shù)姆秶?、控制精度高、安全性好、鋼絲繩使用壽命長等優(yōu)點成為未來研究的主要方向.目前雖然主動式控制的工程實際應用尚不成熟,特別是國內仍處于研究試驗階段,但國內外近年來對其研究還是取得了一定的進展.

JOHN等[9]分析了依賴GPS-RTK 和船舶運動高精度加速度感應器如MRU(Motion Reference Unit)測量的船舶運動狀態(tài).提出的測量信號離線處理方法,為主動式補償控制系統(tǒng)中船體運動的預報開拓了思路.SVEIN等[10]人將帶前饋補償?shù)淖杩箍刂品椒☉糜诟〉醯牟ɡ搜a償控制研究,實現(xiàn)了波浪補償?shù)闹鲃涌刂?陸衛(wèi)杰等[11]人建立了導彈補給動力學方程并進行了仿真,得到了不同海況、不同位置的運動規(guī)律,并在國內首次建成了以PLC(Programmable Logic Controller)為核心的軍艦并靠補給控制系統(tǒng),安全地實現(xiàn)海上導彈的直接補給安裝,并通過試驗平臺驗證了補給控制系統(tǒng)的可靠性和安全性.徐小軍[12]等提出了基于耦合式行星傳動調速的主動式波浪補償控制系統(tǒng).完成了系統(tǒng)的數(shù)學建模、調速器動力學分析、多目標模糊可靠性優(yōu)化設計、控制策略研究和原型樣機研制等工作,驗證了補償控制系統(tǒng)在補償能力、范圍、精度等方面能滿足在復雜海況下作業(yè)的要求.

以上的方案旨在有效地檢測船體姿態(tài)然后設計一個閉環(huán)控制系統(tǒng).然而一個新產品從設計到應用需要在樣機的搭建、測試和驗證上花費大量的時間和金錢，因此本文應用基于ADAMS、AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真平臺的虛擬樣機技術,來幫助工程師修改機械設計、完善控制策略.在聯(lián)合仿真平臺上可對不同海況下波浪補償系統(tǒng)的控制性能進行仿真研究.因為外部環(huán)境即海況是不斷變化的,故本文提出遺傳算法在線整定PID控制參數(shù)的控制策略,并在縮比的物理樣機上對控制效果進行了驗證.

1 波浪補償系統(tǒng)的組成和工作原理

本文研究的波浪補償系統(tǒng)主要由機械執(zhí)行系統(tǒng)、電液伺服驅動系統(tǒng)、傳感器檢測系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)4個子系統(tǒng)組成,如圖 2所示.

圖2 波浪補償系統(tǒng)的機構組成

機械執(zhí)行系統(tǒng)由卷揚機、鋼絲繩、滑輪組及臂架等組成,是實現(xiàn)重物吊運的最終裝置.電液伺服驅動系統(tǒng)由油泵、蓄能器、安全閥塊、伺服閥、平衡閥和液壓馬達等組成.油泵提供系統(tǒng)壓力及流量,根據輸入信號,通過伺服閥對液壓馬達進行轉速控制.傳感器檢測系統(tǒng)由高性能傳感器(如專業(yè)的船體姿態(tài)檢測傳感器MRU)及數(shù)據處理單元組成,實現(xiàn)船舶姿態(tài)運動以及吊重速度、位移等信號的實時采集.計算機控制系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件平臺組成.根據執(zhí)行裝置輸入量、船舶姿態(tài)的運動量、反饋量,通過控制算法來控制執(zhí)行機構.

浮吊和被補給船升沉方向的速度分別為VA和VB,吊重相對于全局坐標的下降速度為VM,吊重相對于被補給船的速度為VBM,額定補給速度為VS,浮吊和被補給船之間的升沉方向相對速度為VBA.

(1) 當無波浪補償時

(1)

(2) 當有波浪補償時,補償?shù)哪繕藶?/p>

(2)

設補償速度為VC,則重物速度為

(3)

(4)

對比公式(1)和(4),得出補償速度與船體運動關系為

(5)

引入補償速度VC使得重物相對于被補給船的下降速度與兩船的相對運動(VA-VB)無關,重物就可以由浮吊平穩(wěn)地下放到被補給船上,達到波浪補償?shù)哪康?

因為在海上工作,浮吊受到風浪影響較為顯著.風作用在浮吊結構上的拖拽力FD(t)[13]為

(7)

另外,海浪引起的干擾是浮式平臺運動的主要影響因素.描述海浪這個激勵是建立浮吊模型的至關重要的部分.為了分析非線性系統(tǒng),海浪力被分成了2個部分:主要頻率的正弦波力的疊加和一個小的隨機部分.波浪被下式描述[1]:

(8)

式中：fα,Ω和ε分別表示波浪的振幅,頻率和相位.此處,力的正弦部分被fαsin(Ωt+ε)描述,Bξ表示隨機干擾,B為隨機干擾幅值，ξ為隨機干擾基本項.

圖3 浮吊在海上的運動

2 浮吊系統(tǒng)的動力學建模

為了建立浮吊系統(tǒng)的機械模型,根據物理模型的尺寸和形狀用SOLIDWORKS建立浮吊系統(tǒng)的3D模型.然后將模型導入ADAMS環(huán)境中,根據實際的材料屬性,質量,轉動慣量等相關參數(shù)來定義各個部件.并且通過約束來連接每個部件.如:轉臺和船體之間用旋轉副連接; 變幅鋼絲繩的一端和臂架通過球鉸來連接.起升鋼絲繩的一端和卷筒直接通過固定副來連接[14].在船體中心添加波浪干擾,如圖4所示.

圖4 波浪作用下的浮吊模型

通過在仿真中修改參數(shù)值可獲得浮吊的吊物系統(tǒng)在不同情況下的動力學響應.比如在三級海況下(9.3 s的波浪周期,1.2 m的有義波高),起升鋼絲繩的長度為22 m(共振長度),得到重物懸停狀態(tài)下的搖擺角度(α,β),如圖5所示.面內角α和面外角β的擺動規(guī)律和幅值和文獻[15-16]很接近.其中MASOUD等[15]在3自由度運動平臺上通過T-ACS船只的1/24比例模型對模型的有效性進行了驗證.這一定程度上驗證了本文虛擬樣機模型的可信度.

圖5 吊重的搖擺角度(α,β)

3 波浪補償系統(tǒng)的建模

波浪補償系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結構如圖6所示,其中伺服閥控液壓馬達為速度伺服系統(tǒng).

圖6 波浪補償控制系統(tǒng)結構圖

伺服系統(tǒng)根據速度的指令輸入與實際檢測到的重物速度相比較,得到速度偏差信號.偏差信號通過控制器運算、放大后,實時控制伺服閥的閥口大小與方向,進而控制重物的速度與方向.

在ADAMS和AMESim聯(lián)合仿真平臺上建立主動波浪補償?shù)姆抡婺Ｐ?建模完成后,進入參數(shù)設置模式,對各元件進行參數(shù)設置.

在AMESim環(huán)境中將波浪的位移曲線和液壓馬達的輸出扭矩傳遞到ADAMS機械動力系統(tǒng)中.ADMAS里的卷輪轉速,重物位移和重物速度反饋到AMESim液壓系統(tǒng)中.在ADAMS中分別將需要輸入、輸出的參數(shù)設置為狀態(tài)變量,通常使用ADAMS內部函數(shù)來定義.被補給船相對于重物的運動用MOTION變量驅動,卷輪所需要驅動的扭矩用TORQUE變量驅動,將卷輪轉速、重物位移和重物速度作為輸出變量.在AMESim 中,導入定義好的ADAMS 機械運動模塊,完整的聯(lián)合仿真模型可建立.如圖7所示.

圖7 波浪補償系統(tǒng)的虛擬樣機模型

4 控制策略的設計

浮吊在海上作業(yè)模型是非線性系統(tǒng),不同情況下的海況是不一樣的.傳統(tǒng)的比例-積分-微分(PID)控制器是比例、積分、微分的線性組合,表達為:

(9)

式中：e(t)為系統(tǒng)誤差；kp為比例系數(shù)；ti為積分時間常數(shù)；td為微分時間常數(shù).

傳統(tǒng)的試錯法是在工程中最廣泛運用的PID參數(shù)整定方法.它對工程經驗要求很高且對超調的抑制效果不好,達不到最優(yōu)控制效果.對于浮吊而言,要在不同的海況下工作,在一種海況下整定的控制參數(shù)在另一種海況下不一定適用.而且如果超調過大,還是會影響浮吊的作業(yè)安全.因此,本文提出一種基于遺傳算法在線整定PID參數(shù)的方法.

4.1 基于遺傳算法的在線整定過程

遺傳算法(GA)是一種隨機化的搜索方法,是由生物界的適者生存、優(yōu)勝劣汰的進化規(guī)律演化而來的.其主要特征是直接對結構對象等進行操作,不存在求導和函數(shù)連續(xù)性的限定; 具有內在的隱并行性和更好的全局尋優(yōu)能力.已被人們廣泛地應用于組合優(yōu)化、機器學習、信號處理、自適應控制和人工生命等領域.

由于PID控制器有3個參數(shù)需要整定,本文的遺傳算法采用多參數(shù)的實數(shù)編碼方式.染色體是由3個實數(shù)kp，ki，kd結合起來的編碼串.解碼即將其切斷就可得到相應的實數(shù).最小目標函數(shù)為誤差、誤差積分和誤差變化率的絕對值的加權和.同時引入懲罰功能,當出現(xiàn)e(i)<0時,最小目標函數(shù)將加上一個大于0 的項.整個遺傳優(yōu)化的流程如圖8所示.

4.2 改進型遺傳算法

基于遺傳算法的波浪補償控制系統(tǒng)有較高的實時性要求,并且為了避免無效的交叉和繁殖,需要對遺傳操作進行一些改進,具體如下:

(1) 改變遺傳操作的順序組織使得交叉和復制同時存在; 設置父代的個體適應度值f(i),使得選擇概率ps為

(10)

式中:n為種群的大小,個體復制數(shù)為m=psn,如果m<1,設置m=0并且nr=(n-∑m)>0

(2) 改變交叉操作完全隨機的特征,使得其具有選擇性.對個體引入家族檢索編號.禁止具有相同編號的進行交叉操作,見圖13.(rsi表示檢索編號)個體i和j的交叉操作如下所示:

圖9 選擇性交叉操作

(11)

(3) 將隨機變異改變?yōu)榭煽氐碾S機操作.種群中的個體順序按適應度值從小到大排序,is表示個體i的編號.變異率pm可由下式表示.

(12)

式中:A是一個限制最大變異率的常數(shù);δ是小于1的控制因子.

5 聯(lián)合仿真結果

波浪補償系統(tǒng)的仿真在ADAMS、AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真的平臺下進行.基于前文建立的動力學、液壓、控制模型,進行聯(lián)合仿真來研究波浪補償系統(tǒng)在不同海況下的動態(tài)特性和安全效果.相關仿真參數(shù)的值見表1.

表1 波浪補償系統(tǒng)參數(shù)

為了保證海上作業(yè)的安全,波浪補償系統(tǒng)必須在任何海況下具有快速反應,較小的超調等良好的動態(tài)特性.將傳統(tǒng)的PID控制器和本文提出的控制器分別在兩種海況下進行仿真.兩個控制器各自在兩種海況下的階躍響應如圖10所示.紅色和藍色的線分別表示傳統(tǒng)PID控制器和本文提出的控制器在第一種海況下的階躍響應.相應的,紫色和綠色則為第二種海況下的階躍響應.在圖中可以明顯的看出,傳統(tǒng)PID控制器在海況改變時動態(tài)表現(xiàn)很差而且超調很大.而本文提出的控制器在海況改變的情況下依然有很優(yōu)秀的動態(tài)表現(xiàn),收斂迅速、靜態(tài)誤差趨近于0而且超調小于2%.

圖10 兩種控制器在兩種不同海況下的階躍響應

圖11 在不同海況下的相對速度

圖11是本文提出的控制器在不同海況下的仿真結果.可以看出即使海況改變,重物相對于被補給船甲板在垂直方向上始終保持0.3 m·s-1的速度,波浪的干擾被很明顯的消除,這樣就能保證浮吊在海上過駁時的安全性和高效性.仿真的結果表明本文提出的波浪補償系統(tǒng)能滿足浮吊在不同海況下安全作業(yè)的基本要求.

6 試驗結果

因為建立浮吊以及波浪補償系統(tǒng),并在真實的各種海況下進行測試研究是比較困難的.我們在試驗室環(huán)境下建立了縮比物理樣機來驗證波浪補償系統(tǒng)的控制策略.

試驗設備包括傳感器測量系統(tǒng),伺服電機驅動系統(tǒng),DSP控制系統(tǒng)和機械執(zhí)行系統(tǒng),如圖12所示.其中伺服電機運行特性良好,是典型的數(shù)字控制執(zhí)行元件.選擇伺服電機作為伺服驅動來代替液壓馬達,對驗證控制策略的有效性影響很小.傳感器的一端固定在重物上,另一端固定在模擬的甲板上.傳感器可以方便的測出下降的重物和上下運動的甲板的相對速度.圖13為物理樣機的實物模型圖.

圖12 試驗樣機的結構圖

圖13 試驗樣機的結構圖

系統(tǒng)的參數(shù)分別為:吊重mx=10 kg,目標相對速度vz=3 cm·s-1.模擬甲板低頻運動的頻率為flw≈0.125 Hz,高頻為fhw=0.5 Hz.

改進遺傳算子使得控制器有更高的搜索效率,在DSP控制器中編寫基于遺傳算法在線整定PID參數(shù)的程序.進化代數(shù)不超過10代就能達到最小值且在線整定一次的時間不超過0.03 s.

如圖14所示,在低頻下主動式控制系統(tǒng)的效果良好,穩(wěn)態(tài)誤差小于4%,因為真實海浪的激勵頻率也偏低,所以試驗完全達到預期的控制效果.從圖15可以看出,控制系統(tǒng)在穩(wěn)定補給時,船舶的受迫運動頻率對補償效果和控制性能影響很大.在高頻下,吊重呈現(xiàn)出微幅的振蕩,降低了補償精度.但可以看出本主動式升沉補償系統(tǒng)的控制策略基本原理正確,速度跟隨性能較好,達到所需的控制效果.

圖14 低頻干擾下吊重的相對速度

圖15 高頻干擾下吊重的相對速度

另外,由圖13,14可以看出,吊重的運動具有一定的振蕩.產生此現(xiàn)象的主要原因是開式齒輪傳動系統(tǒng)不平穩(wěn),存在振動現(xiàn)象.另外速度改變時的沖擊和傳感器的檢測誤差等對其也有一定的影響.在目前的試驗條件下,振蕩還不太容易消除,這也是值得繼續(xù)研究的課題之一.

7 結論

(1) 在ADAMS中對浮吊模型進行動力學仿真,直觀的揭示不同系統(tǒng)參數(shù)和工況下浮吊的吊物系統(tǒng)的動力學響應特性.

(2) 基于ADAMS、AMESim和MATLAB建立波浪補償系統(tǒng)的機電液一體化聯(lián)合仿真模型,研究補償系統(tǒng)在海浪干擾下的表現(xiàn).系統(tǒng)采用閉環(huán)PID反饋調速控制策略,并用遺傳算法對PID參數(shù)進行在線整定,提高了控制系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性.仿真結果表明對波浪干擾的控制效果令人滿意.

(3) 試驗室條件下建立波浪補償系統(tǒng)的物理樣機.對本文提出的控制策略的可行性和有效性進行用試驗驗證,結果表明所提出的控制策略滿足所需的控制要求.

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Simulation on heave compensation system for floating cranes during offshore operation

SUN You-gang,LI Wan-li,LIU Xiang-yong

(College of Mechanical Engineering, Tongji University, shanghai 201804)

During the sea construction of floating cranes, the heaves produce the descending load and ascending construction collisions.In order to reduce the wave impact and improve the operation efficiency, an adaptive PID controller for heave compensation system is first proposed based on improved genetic algorithm.the co-simulation platform is then utilized for the control effect.Finally, under the physical prototype environment, an experiment is conducted to verify the effectiveness of the control strategy.Therein, it is demonstrated from simulation and experimental results that the proposed system can decouple the payload motion into the wave-induced ship motions in the vertical direction.Moreover, the proposed controller with high robustness and stability can timely adjust control parameters according to the change of sea conditions and satisfactory control results.

offshore construction; floating crane; heave compensation system; control strategy; port machinery

國家科技支撐計劃項目(2013BAG19B00-01),“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAJ02B00)

孫友剛(1989-)，男，博士研究生.E-mali: 1989yoga@#edu.cn

TG 156

A

1672-5581(2016)03-0198-08