海上浮吊平臺(tái)作業(yè)的波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真與研究

孫友剛,李萬(wàn)莉,劉祥勇

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 201804)

摘要：浮吊在海上施工建設(shè)時(shí),波浪的起伏會(huì)造成下降中的重物與突然上升的施工或補(bǔ)給對(duì)象的碰撞,導(dǎo)致重大安全事故的發(fā)生.為了抑制波浪對(duì)浮吊海上作業(yè)的動(dòng)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(dòng)式波浪補(bǔ)償系統(tǒng);在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,采用ADAMS、AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真平臺(tái),對(duì)本方案的波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行仿真與研究.最后在物理樣機(jī)中對(duì)該系統(tǒng)的控制策略的有效性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明:該補(bǔ)償系統(tǒng)能使吊運(yùn)載荷的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和波浪作用下船體的運(yùn)動(dòng)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(jù)海況的變化及時(shí)調(diào)整控制參數(shù),控制效果令人滿意.

關(guān)鍵詞：海上施工; 浮吊; 波浪補(bǔ)償系統(tǒng); 控制策略; 港口機(jī)械

隨著海洋資源的開(kāi)發(fā)、海上工程建設(shè)不斷擴(kuò)大,在海況惡劣的海面更加安全、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地進(jìn)行工程建設(shè)、補(bǔ)給貨物變得越來(lái)越重要.浮吊是海洋工程裝備里最重要的設(shè)備之一.在海上工程建設(shè)、海上貨物補(bǔ)給調(diào)運(yùn)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(shè)定好的位置.國(guó)內(nèi)外很多研究學(xué)者在防止船體水平方向偏離設(shè)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(lái)自于波浪作用下海洋結(jié)構(gòu)物或船體在升沉方向的意外起伏.波浪補(bǔ)償是指因海面起伏引起作業(yè)裝備產(chǎn)生波動(dòng)而進(jìn)行的補(bǔ)償校正.浮吊在進(jìn)行物資補(bǔ)給時(shí),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(bǔ)償系統(tǒng)則能保證貨物與被補(bǔ)給船甲板具有較恒定的相對(duì)速度,將貨物平穩(wěn)地下放到被補(bǔ)給船上.

圖1 浮吊海上作業(yè)

Fig.1 Floating crane systems

波浪補(bǔ)償控制的結(jié)構(gòu)形式繁多,一般按控制力的執(zhí)行方式分為被動(dòng)式控制和主動(dòng)式控制.被動(dòng)式波浪補(bǔ)償控制是指當(dāng)兩船的升沉運(yùn)動(dòng)引起測(cè)量繩索的張力變化后,通過(guò)繩索張力的變化來(lái)控制補(bǔ)償參數(shù).被動(dòng)式控制主要由執(zhí)行裝置和隨動(dòng)裝置組成,根據(jù)吊鉤感受到的被補(bǔ)給船升沉起伏信號(hào)拖動(dòng)隨動(dòng)裝置,達(dá)到補(bǔ)償控制的目的.主要形式有氣液混合型、隨動(dòng)型、液壓緩沖補(bǔ)償型等形式[7-8].我國(guó)目前比較廣泛運(yùn)用的就是這種控制方式,但它的缺點(diǎn)比較明顯:①剛度、阻尼等參數(shù)一般通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),在作業(yè)中不能隨外部狀態(tài)變化而變化,適應(yīng)性差;②補(bǔ)償時(shí)系統(tǒng)沖擊較大,給海上作業(yè)帶來(lái)安全隱患;③結(jié)構(gòu)體積十分龐大,需要對(duì)被補(bǔ)給船有較大改裝.

主動(dòng)式波浪補(bǔ)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(shí),控制器根據(jù)傳感器檢測(cè)到的船舶相對(duì)運(yùn)動(dòng)信號(hào),立刻產(chǎn)生與之方向相反、大小相同的主動(dòng)力驅(qū)動(dòng)信號(hào),通過(guò)控制執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)波浪補(bǔ)償.因其沖擊不大、補(bǔ)償?shù)姆秶?、控制精度高、安全性好、鋼絲繩使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)成為未來(lái)研究的主要方向.目前雖然主動(dòng)式控制的工程實(shí)際應(yīng)用尚不成熟,特別是國(guó)內(nèi)仍處于研究試驗(yàn)階段,但國(guó)內(nèi)外近年來(lái)對(duì)其研究還是取得了一定的進(jìn)展.

JOHN等[9]分析了依賴GPS-RTK 和船舶運(yùn)動(dòng)高精度加速度感應(yīng)器如MRU(Motion Reference Unit)測(cè)量的船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài).提出的測(cè)量信號(hào)離線處理方法,為主動(dòng)式補(bǔ)償控制系統(tǒng)中船體運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)開(kāi)拓了思路.SVEIN等[10]人將帶前饋補(bǔ)償?shù)淖杩箍刂品椒☉?yīng)用于浮吊的波浪補(bǔ)償控制研究,實(shí)現(xiàn)了波浪補(bǔ)償?shù)闹鲃?dòng)控制.陸衛(wèi)杰等[11]人建立了導(dǎo)彈補(bǔ)給動(dòng)力學(xué)方程并進(jìn)行了仿真,得到了不同海況、不同位置的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并在國(guó)內(nèi)首次建成了以PLC(Programmable Logic Controller)為核心的軍艦并靠補(bǔ)給控制系統(tǒng),安全地實(shí)現(xiàn)海上導(dǎo)彈的直接補(bǔ)給安裝,并通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了補(bǔ)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(dòng)調(diào)速的主動(dòng)式波浪補(bǔ)償控制系統(tǒng).完成了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、調(diào)速器動(dòng)力學(xué)分析、多目標(biāo)模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制策略研究和原型樣機(jī)研制等工作,驗(yàn)證了補(bǔ)償控制系統(tǒng)在補(bǔ)償能力、范圍、精度等方面能滿足在復(fù)雜海況下作業(yè)的要求.

以上的方案旨在有效地檢測(cè)船體姿態(tài)然后設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng).然而一個(gè)新產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到應(yīng)用需要在樣機(jī)的搭建、測(cè)試和驗(yàn)證上花費(fèi)大量的時(shí)間和金錢(qián)，因此本文應(yīng)用基于ADAMS、AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真平臺(tái)的虛擬樣機(jī)技術(shù),來(lái)幫助工程師修改機(jī)械設(shè)計(jì)、完善控制策略.在聯(lián)合仿真平臺(tái)上可對(duì)不同海況下波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行仿真研究.因?yàn)橥獠凯h(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(jī)上對(duì)控制效果進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的組成和工作原理

本文研究的波浪補(bǔ)償系統(tǒng)主要由機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)、電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器檢測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)組成,如圖 2所示.

圖2 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)組成

Fig.2 Heave compensation system

機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)由卷?yè)P(yáng)機(jī)、鋼絲繩、滑輪組及臂架等組成,是實(shí)現(xiàn)重物吊運(yùn)的最終裝置.電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由油泵、蓄能器、安全閥塊、伺服閥、平衡閥和液壓馬達(dá)等組成.油泵提供系統(tǒng)壓力及流量,根據(jù)輸入信號(hào),通過(guò)伺服閥對(duì)液壓馬達(dá)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制.傳感器檢測(cè)系統(tǒng)由高性能傳感器(如專業(yè)的船體姿態(tài)檢測(cè)傳感器MRU)及數(shù)據(jù)處理單元組成,實(shí)現(xiàn)船舶姿態(tài)運(yùn)動(dòng)以及吊重速度、位移等信號(hào)的實(shí)時(shí)采集.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件平臺(tái)組成.根據(jù)執(zhí)行裝置輸入量、船舶姿態(tài)的運(yùn)動(dòng)量、反饋量,通過(guò)控制算法來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu).

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

(1) 當(dāng)無(wú)波浪補(bǔ)償時(shí)

(1)

(2) 當(dāng)有波浪補(bǔ)償時(shí),補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)為

(2)

設(shè)補(bǔ)償速度為VC,則重物速度為

(3)

(4)

對(duì)比公式(1)和(4),得出補(bǔ)償速度與船體運(yùn)動(dòng)關(guān)系為

(5)

引入補(bǔ)償速度VC使得重物相對(duì)于被補(bǔ)給船的下降速度與兩船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(VA-VB)無(wú)關(guān),重物就可以由浮吊平穩(wěn)地下放到被補(bǔ)給船上,達(dá)到波浪補(bǔ)償?shù)哪康?

因?yàn)樵诤Ｉ瞎ぷ?浮吊受到風(fēng)浪影響較為顯著.風(fēng)作用在浮吊結(jié)構(gòu)上的拖拽力FD(t)[13]為

(7)

式中:ρ為空氣密度; CD為拖拽力系數(shù); A為結(jié)構(gòu)的投影面積; 為基于海拔高度的風(fēng)速; w(t)為隨機(jī)紊流風(fēng)速波動(dòng).在本文中投影面積和結(jié)構(gòu)高度可以被忽略不計(jì).所以作用在浮吊結(jié)構(gòu)上的力可以被忽略.

另外,海浪引起的干擾是浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的主要影響因素.描述海浪這個(gè)激勵(lì)是建立浮吊模型的至關(guān)重要的部分.為了分析非線性系統(tǒng),海浪力被分成了2個(gè)部分:主要頻率的正弦波力的疊加和一個(gè)小的隨機(jī)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(jī)干擾,B為隨機(jī)干擾幅值，ξ為隨機(jī)干擾基本項(xiàng).

圖3 浮吊在海上的運(yùn)動(dòng)

Fig.3 Movement of the floating crane

2 浮吊系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模

為了建立浮吊系統(tǒng)的機(jī)械模型,根據(jù)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(dǎo)入ADAMS環(huán)境中,根據(jù)實(shí)際的材料屬性,質(zhì)量,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等相關(guān)參數(shù)來(lái)定義各個(gè)部件.并且通過(guò)約束來(lái)連接每個(gè)部件.如:轉(zhuǎn)臺(tái)和船體之間用旋轉(zhuǎn)副連接; 變幅鋼絲繩的一端和臂架通過(guò)球鉸來(lái)連接.起升鋼絲繩的一端和卷筒直接通過(guò)固定副來(lái)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

Fig.4 Dynamic model of floating crane with wave

通過(guò)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(dòng)力學(xué)響應(yīng).比如在三級(jí)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(zhǎng)度為22 m(共振長(zhǎng)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(nèi)角α和面外角β的擺動(dòng)規(guī)律和幅值和文獻(xiàn)[15-16]很接近.其中MASOUD等[15]在3自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上通過(guò)T-ACS船只的1/24比例模型對(duì)模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證.這一定程度上驗(yàn)證了本文虛擬樣機(jī)模型的可信度.

圖5 吊重的搖擺角度(α,β)

Fig.5 Load’s swing angles (α,β)

3 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的建模

波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示,其中伺服閥控液壓馬達(dá)為速度伺服系統(tǒng).

圖6 波浪補(bǔ)償控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.6 Structure of the control structure diagram of heave compensation system

伺服系統(tǒng)根據(jù)速度的指令輸入與實(shí)際檢測(cè)到的重物速度相比較,得到速度偏差信號(hào).偏差信號(hào)通過(guò)控制器運(yùn)算、放大后,實(shí)時(shí)控制伺服閥的閥口大小與方向,進(jìn)而控制重物的速度與方向.

在ADAMS和AMESim聯(lián)合仿真平臺(tái)上建立主動(dòng)波浪補(bǔ)償?shù)姆抡婺Ｐ?建模完成后,進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置模式,對(duì)各元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置.

在AMESim環(huán)境中將波浪的位移曲線和液壓馬達(dá)的輸出扭矩傳遞到ADAMS機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)中.ADMAS里的卷輪轉(zhuǎn)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(shè)置為狀態(tài)變量,通常使用ADAMS內(nèi)部函數(shù)來(lái)定義.被補(bǔ)給船相對(duì)于重物的運(yùn)動(dòng)用MOTION變量驅(qū)動(dòng),卷輪所需要驅(qū)動(dòng)的扭矩用TORQUE變量驅(qū)動(dòng),將卷輪轉(zhuǎn)速、重物位移和重物速度作為輸出變量.在AMESim 中,導(dǎo)入定義好的ADAMS 機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(bǔ)償系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型

Fig.7 Heave compensation system virtual model of the floating crane in the co-simulation environment

4 控制策略的設(shè)計(jì)

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(dá)為:

(9)

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

傳統(tǒng)的試錯(cuò)法是在工程中最廣泛運(yùn)用的PID參數(shù)整定方法.它對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)要求很高且對(duì)超調(diào)的抑制效果不好,達(dá)不到最優(yōu)控制效果.對(duì)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(diào)過(guò)大,還是會(huì)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(guò)程

遺傳算法(GA)是一種隨機(jī)化的搜索方法,是由生物界的適者生存、優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化規(guī)律演化而來(lái)的.其主要特征是直接對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)象等進(jìn)行操作,不存在求導(dǎo)和函數(shù)連續(xù)性的限定; 具有內(nèi)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(yīng)用于組合優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)、信號(hào)處理、自適應(yīng)控制和人工生命等領(lǐng)域.

由于PID控制器有3個(gè)參數(shù)需要整定,本文的遺傳算法采用多參數(shù)的實(shí)數(shù)編碼方式.染色體是由3個(gè)實(shí)數(shù)kp，ki，kd結(jié)合起來(lái)的編碼串.解碼即將其切斷就可得到相應(yīng)的實(shí)數(shù).最小目標(biāo)函數(shù)為誤差、誤差積分和誤差變化率的絕對(duì)值的加權(quán)和.同時(shí)引入懲罰功能,當(dāng)出現(xiàn)e(i)<0時(shí),最小目標(biāo)函數(shù)將加上一個(gè)大于0>

圖8 基于遺傳算法的在線整定過(guò)程

Fig.8 Process of online optimization based on GA

4.2 改進(jìn)型遺傳算法

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

(1) 改變遺傳操作的順序組織使得交叉和復(fù)制同時(shí)存在; 設(shè)置父代的個(gè)體適應(yīng)度值f(i),使得選擇概率ps為

(10)

式中:n為種群的大小,個(gè)體復(fù)制數(shù)為m=psn,如果m<>m=0并且nr=(n-∑m)>0

(2) 改變交叉操作完全隨機(jī)的特征,使得其具有選擇性.對(duì)個(gè)體引入家族檢索編號(hào).禁止具有相同編號(hào)的進(jìn)行交叉操作,見(jiàn)圖13.(rsi表示檢索編號(hào))個(gè)體i和j的交叉操作如下所示:

圖9 選擇性交叉操作

Fig.9 A selective crossover operation

(11)

式中和是在父代中i和j的個(gè)體; 而和是子代; α表示(0,1)之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù).

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

(12)

式中:A是一個(gè)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(jié)果

波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真在ADAMS、AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真的平臺(tái)下進(jìn)行.基于前文建立的動(dòng)力學(xué)、液壓、控制模型,進(jìn)行聯(lián)合仿真來(lái)研究波浪補(bǔ)償系統(tǒng)在不同海況下的動(dòng)態(tài)特性和安全效果.相關(guān)仿真參數(shù)的值見(jiàn)表1.

表1 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)

Tab.1 System parameters for simulation

參數(shù)名數(shù)值仿真時(shí)間/s180控制目標(biāo):設(shè)定的相對(duì)速度vz/(m·s-1)0.3模型參數(shù):液壓系統(tǒng)流量/(L·min-1)1000伺服閥固有頻率/Hz80伺服閥阻尼比0.8蓄能器容量/L1000平衡閥壓力/MPa2重物質(zhì)量/t30干擾參數(shù):波高h(yuǎn)w/m0.5;0.8波浪頻率fw/(rad·s-1)1.4;0.7

為了保證海上作業(yè)的安全,波浪補(bǔ)償系統(tǒng)必須在任何海況下具有快速反應(yīng),較小的超調(diào)等良好的動(dòng)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(jìn)行仿真.兩個(gè)控制器各自在兩種海況下的階躍響應(yīng)如圖10所示.紅色和藍(lán)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(yīng).相應(yīng)的,紫色和綠色則為第二種海況下的階躍響應(yīng).在圖中可以明顯的看出,傳統(tǒng)PID控制器在海況改變時(shí)動(dòng)態(tài)表現(xiàn)很差而且超調(diào)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(dòng)態(tài)表現(xiàn),收斂迅速、靜態(tài)誤差趨近于0而且超調(diào)小于2%.

圖10 兩種控制器在兩種不同海況下的階躍響應(yīng)

Fig.10 Step responses of the two controllers under two different sea conditions

圖11 在不同海況下的相對(duì)速度

Fig.11 Relative speed in different sea conditions

圖11是本文提出的控制器在不同海況下的仿真結(jié)果.可以看出即使海況改變,重物相對(duì)于被補(bǔ)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(guò)駁時(shí)的安全性和高效性.仿真的結(jié)果表明本文提出的波浪補(bǔ)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(yàn)結(jié)果

因?yàn)榻⒏〉跻约安ɡ搜a(bǔ)償系統(tǒng),并在真實(shí)的各種海況下進(jìn)行測(cè)試研究是比較困難的.我們?cè)谠囼?yàn)室環(huán)境下建立了縮比物理樣機(jī)來(lái)驗(yàn)證波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的控制策略.

試驗(yàn)設(shè)備包括傳感器測(cè)量系統(tǒng),伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),DSP控制系統(tǒng)和機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng),如圖12所示.其中伺服電機(jī)運(yùn)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(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)來(lái)代替液壓馬達(dá),對(duì)驗(yàn)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(cè)出下降的重物和上下運(yùn)動(dòng)的甲板的相對(duì)速度.圖13為物理樣機(jī)的實(shí)物模型圖.

圖12 試驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

Fig.12 Structure of the experimental system

圖13 試驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

Fig.13 Experimental setup

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

改進(jìn)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(xiě)基于遺傳算法在線整定PID參數(shù)的程序.進(jìn)化代數(shù)不超過(guò)10代就能達(dá)到最小值且在線整定一次的時(shí)間不超過(guò)0.03 s.

如圖14所示,在低頻下主動(dòng)式控制系統(tǒng)的效果良好,穩(wěn)態(tài)誤差小于4%,因?yàn)檎鎸?shí)海浪的激勵(lì)頻率也偏低,所以試驗(yàn)完全達(dá)到預(yù)期的控制效果.從圖15可以看出,控制系統(tǒng)在穩(wěn)定補(bǔ)給時(shí),船舶的受迫運(yùn)動(dòng)頻率對(duì)補(bǔ)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(bǔ)償精度.但可以看出本主動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的控制策略基本原理正確,速度跟隨性能較好,達(dá)到所需的控制效果.

圖14 低頻干擾下吊重的相對(duì)速度

Fig.14 Relative velocity of low-frequency disturbance

圖15 高頻干擾下吊重的相對(duì)速度

Fig.15 Relative velocity of high-frequency disturbance

另外,由圖13,14可以看出,吊重的運(yùn)動(dòng)具有一定的振蕩.產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因是開(kāi)式齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)不平穩(wěn),存在振動(dòng)現(xiàn)象.另外速度改變時(shí)的沖擊和傳感器的檢測(cè)誤差等對(duì)其也有一定的影響.在目前的試驗(yàn)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(jié)論

(1) 在ADAMS中對(duì)浮吊模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性.

(2) 基于ADAMS、AMESim和MATLAB建立波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的機(jī)電液一體化聯(lián)合仿真模型,研究補(bǔ)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(diào)速控制策略,并用遺傳算法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)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(jié)果表明對(duì)波浪干擾的控制效果令人滿意.

(3) 試驗(yàn)室條件下建立波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的物理樣機(jī).對(duì)本文提出的控制策略的可行性和有效性進(jìn)行用試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)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)

Abstract：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.

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

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAG19B00-01),“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAJ02B00)

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 156

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5581(2016)03-0198-08