主動波浪補償起重機控制系統(tǒng)設計

肖開明，殷華兵，霍小劍，蔡連財

（1.武漢船用機械有限責任公司，湖北 武漢 430084；2.中遠海運特種運輸股份有限公司，廣東 廣州 510623）

并靠補給廣泛用于軍、民船舶在海上的物資補給，并靠補給時母船和被補給船通過鎖鏈和緩沖墊連接起來[1]，通過補給起重機將母船的集裝箱等設備轉(zhuǎn)運到被補給船。由于兩船不是剛性連接，且船的排水量和重心等差異，導致兩船受海浪影響有較大的相對升沉運動，造成在補給過程中起重機所吊貨物與被補給船甲板面撞擊，對于精密貨物和危險貨物的補給造成重大安全隱患，主動波浪補償系統(tǒng)是消除這些安全隱患的主要有效途徑。

波浪補償系統(tǒng)按照補償維度分為單自由度補償和多自由度補償，多自由度補償系統(tǒng)主要用于小噸位載荷的補償棧橋、打撈機械手等設備，對于大噸位補給設備主要配備單自由度補償系統(tǒng)，包含用于橫向補給設備上的橫向補償和用于并靠補給、深海作業(yè)起重機上的升沉補償；波浪補償按照原理分為主動波浪補償和被動波浪補償，主動波浪補償用于位置的精準控制，補償精度較高，可達95%，而被動波浪補償用于保證鋼絲繩上的恒張力；波浪補償系統(tǒng)按照驅(qū)動形式又分為直線機構(gòu)補償和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)補償[2]，直線機構(gòu)補償與主驅(qū)動絞車相對獨立，利于加裝，而旋轉(zhuǎn)機構(gòu)補償由主驅(qū)動絞車實現(xiàn)補償功能，節(jié)約安裝空間。波浪補償系統(tǒng)分類如圖1所示。

圖1 波浪補償系統(tǒng)分類

本文運用并靠補給主動波浪補償起重機控制系統(tǒng)完成了廠內(nèi)聯(lián)合調(diào)試和海試驗證，實現(xiàn)了國內(nèi)首套主動波浪補償系統(tǒng)的實船應用，并經(jīng)中國船級社認證。并靠補給工作示意圖如圖2所示。

圖2 并靠補給工作示意圖

1 起重機參數(shù)及組成

起重機配置主鉤和副鉤，主鉤額定載荷50 t，額定起升速度25 m/min；副鉤額定載荷5 t，額定起升速度50 m/min，具備載人功能；起重機采用折臂式結(jié)構(gòu)，工作幅度8～35 m，主臂變幅時間130 s，折臂變幅時間100 s；起重機能夠360°全回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)速度0.6 r/min。主鉤具備主動升沉波浪補償功能，能夠在四級海況下正常工作，補償模式時額定載荷20 t，補償浪高±1.6 m，周期10 s，起吊速度10 m/min，補償精度要求達到90%。

起重機由主臂及驅(qū)動油缸、折臂及驅(qū)動油缸、塔身、轉(zhuǎn)臺、基柱、主起升機構(gòu)、副起升機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、穩(wěn)鎖機構(gòu)、司機室、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成，起重機結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 起重機結(jié)構(gòu)示意圖

2 主動波浪補償工作原理

本文采用絞車式主動波浪補償（升沉方向），主動波浪補償控制原理如圖4所示。雙船動態(tài)測量單元根據(jù)布置的傳感器，計算吊點處兩船之間的相對升程運動位移和速度，將數(shù)據(jù)傳輸給絞車控制單元，絞車控制單元進行閉環(huán)控制，輸出信號給絞車驅(qū)動元件，控制絞車補償?shù)觞c的相對位移。

圖4 主動波浪補償控制原理

為了降低裝機功率和提高系統(tǒng)響應，采用二次驅(qū)動元件。二次驅(qū)動元件響應高，轉(zhuǎn)速從0加速到額定速度2 000 r/min 的時間為60 ms，能夠滿足系統(tǒng)高響應的要求；同時在運行過程中，利用貨物在下放時二次驅(qū)動元件在泵工況工作，通過蓄能器和氣瓶實現(xiàn)能量回收和再利用[3]，降低系統(tǒng)裝機功率。

3 主動波浪補償控制系統(tǒng)設計

主動波浪補償控制系統(tǒng)由雙船動態(tài)姿態(tài)測量單元和絞車控制單元組成，分別承擔測量和控制作用。

3.1 雙船動態(tài)姿態(tài)測量單元

雙船動態(tài)姿態(tài)測量單元由被補給船運動參考單元（MRU）和MRU 控制箱、母船MRU 和MRU控制箱、起重機回轉(zhuǎn)編碼器、起重機主臂和折臂編碼器、兩船通訊單元組成，雙船動態(tài)姿態(tài)測量單元組成如圖5 所示。圖5 中profinet 為profibus 國際組織推出的基于以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標準，具有安全、低延時的特征，特別適用于工業(yè)控制；MRU 和MRU 控制箱采用UDP（User Dargram Protocol）通訊協(xié)議，即用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，是一種跨互聯(lián)網(wǎng)使用的通訊協(xié)議，常用于對時間敏感的系統(tǒng)通訊。

圖5 雙船動態(tài)姿態(tài)測量單元組成

MRU 是一種基于慣性技術(shù)的捷聯(lián)式載體姿態(tài)測量裝置，能為載體提供水平姿態(tài)信息[4]，是捷聯(lián)式慣性傳感器的特殊應用。其與應用在導航系統(tǒng)中的捷聯(lián)式慣性傳感器不同點在于其不僅能夠測量船傾角度及角速度，而且內(nèi)含船舶升沉數(shù)字濾波器，濾波器采用卡爾曼濾波等算法，能夠?qū)崟r準確測量輸出船舶MRU安裝點處升沉位移、速度。

在本系統(tǒng)中，為準確測量出目標點的升沉運動，建立以MRU安裝點為原點的坐標系如圖6所示。

圖6 以MRU安裝點為原點的坐標系

設與船體連接的結(jié)構(gòu)件某位置相對于MRU 安裝點的坐標為（X，Y，Z），則此位置升沉位移d和升沉速度v計算如下：

式中，d0為MRU 安裝點測量的升沉位移；θ1為MRU 安裝點測量的縱傾角度；θ2為MRU 安裝點測量的橫傾角度。

式中，v0為MRU 安裝點測量的升沉速度；ω1為MRU 安裝點測量的縱傾角速度；ω2為MRU 安裝點測量的橫傾角速度。

集裝箱在被補給船甲板面上有序布置，每個集裝箱位有一個箱號標識。在起重機操作室的觸摸屏中配有集裝箱布置圖，操作人員根據(jù)調(diào)度指令在觸摸屏中選擇目標箱號，目標箱號通過網(wǎng)絡傳遞給被補給船MRU 控制箱，目標箱號相對于被補給船MRU 安裝點的坐標是固定的，在調(diào)試階段已固化在系統(tǒng)中，設為（X1，Y1，Z1）。被補給船MRU 控制箱接收MRU 實時輸入的信號，根據(jù)目標箱號的坐標，代入式（1）和式（2），得到其目標位置點實時升沉位移d1和升沉速度v1。

母船上的MRU 安裝在基柱中央，母船MRU 控制箱根據(jù)起重機基柱高度、主臂長度、折臂長度等結(jié)構(gòu)尺寸，以及實時測量的回轉(zhuǎn)角度、主臂角度、折臂角度計算出吊臂頭部相對于母船MRU 安裝點的坐標（X2，Y2，Z2），將（X2，Y2，Z2）坐標代入式（1）和式（2）能夠得到起重機吊點（吊臂頭部）升沉位移d2和升沉速度v2。

3.2 絞車控制單元

操作員操作起重機，將集裝箱從母船上轉(zhuǎn)運到被補給船目標箱號正上方后，在需要補償時按下“AHC 啟動”按鈕，絞車控制單元開始執(zhí)行主動補償程序。絞車控制單元讀取按鈕“AHC 啟動”按下時刻，被補給船MRU 控制箱輸出的目標箱位升沉位移d3和母船MRU 控制箱輸出吊點升沉位移d4，計算兩船初始升沉位移差Δd：

絞車控制單元同時根據(jù)絞車編碼器反饋的絞車旋轉(zhuǎn)位置，計算出“AHC 啟動”按下時刻吊鉤高度（距吊臂頭部）h0。

在開啟補償后，為保證集裝箱和被補給船甲板的位置不變，需要實時（任意時刻）控制吊鉤實時高度ht與初始吊鉤高度h0的差值Δh，和兩船升沉實時位移差（d5-d6）與初始位移差Δd之間的差值dt相等。即：

式中，d5為實時被補給船目標箱位升沉位移；d6為實時母船吊點升沉位移。

為了控制吊鉤實時高度ht實現(xiàn)位移補償，采用位置閉環(huán)和速度閉環(huán)的串聯(lián)控制算法，其中位置閉環(huán)采用以吊點升沉速度差（v1t-v2t）為主要擾動的復合閉環(huán)控制（v1t為母船吊點處的升沉速度，v2t為被補給船吊點處的升沉速度），計算出二次驅(qū)動元件目標轉(zhuǎn)速vt。速度閉環(huán)以vt為控制目標，通過采集二次驅(qū)動元件實際速度進行閉環(huán)控制，最終輸出控制電壓給二次驅(qū)動元件速度控制伺服閥控制驅(qū)動元件轉(zhuǎn)速。控制框圖如圖7所示，圖7中，derp為補償位移偏差，verv為速度偏差，f1（derp）為補償位移的閉環(huán)控制函數(shù)，f2（verv）為補償速度的閉環(huán)控制函數(shù)，f1（derp）和f2（verv）都采用動態(tài)變參數(shù)PID算法，以避免啟動沖擊和提高補償精度。在主動波浪補償控制算法中，采用動態(tài)變參數(shù)方法較多，如單神經(jīng)元自適應PID 算法[5]、模糊自整定PID 控制算法等[6]。為降低控制器計算負荷，提高系統(tǒng)響應，本項目采用較為簡單的分段PID動態(tài)參數(shù)方法[7]。

圖7 控制框圖

當母船上的起重機進行水下起吊、定位安裝等作業(yè)時，為補償母船自身受海浪影響的升沉運動，在觸摸屏中將補償模式由“船—船補償模式”變更為“單船補償模式”，控制系統(tǒng)自動將被補給船的升沉位移和升沉速度設為0，其他控制算法不變，即能實現(xiàn)單船主動波浪補償功能。

4 試驗驗證

為驗證起重機的船—船主動波浪補償性能，縮短海事試驗調(diào)試時間，在工廠搭建了雙船波浪運動模擬平臺，如圖8所示。

圖8 雙船波浪運動模擬平臺

模擬平臺1為升沉單自由度運動平臺，模擬被補給船的升沉動作，行程±1.7 m，最高速度1.5 m/s；模擬平臺2 為三自由度運動平臺，模擬母船運動，最大橫、縱傾角角度±6°，傾角速度±5°/s，最大升沉±0.3 m，最高速度±0.3 m/s。將2 個MRU 分別安裝在模擬平臺上，模擬平臺1加載被補給船升沉運動曲線，模擬平臺2 加載母船三自由度運動曲線。雙船動態(tài)測量單元檢測計算出2個模擬平臺的相對升沉運動位移、速度，由絞車控制單元控制吊鉤跟隨此曲線運動，校驗吊鉤運動曲線和2個模擬平臺相對升沉運動位移曲線的差值，計算補償精度。經(jīng)多海況模擬、多負載工廠試驗，補償精度可達到95%。

在完成工廠試驗后，起重機安裝在一條半潛船上，與一條散貨船進行了并靠補給海事試驗，海事試驗時補償精度與工廠試驗相當。