基于补偿技术的起重机深水波浪补偿系统研发

孙泳涛

0 引言
随着国内对海洋资源不断的深入开发，各类工程船舶、海洋钻井平台越来越多地进入到深海区域进行作业。海上作业难度随船体的晃动会大大增加，而深海区潜浪的起伏波动是导致船体晃动的主要原因[1-3]。波浪补偿[4]被广泛应用于船用起重机[5]、水下机器人[6]、深海勘探装置[7] 等，其原理是就海面压差导致作业船间相对速度和加速度变化而进行的补偿机制。波浪补偿对于增强海上作业稳定性至关重要，其控制系统优良的操作性是保证波浪补偿系统安全高效作业的先决条件[8]。目前，由于国外企业严密的技术封锁，国内主动波浪补偿控制系统仍存在控制系统与执行机构滞后等严重问题，相对于国外处于较落后的市场地位，同时对于深海使用的起重机，还应加入深海环境下的系统阻尼和钢丝绳弹性对控制系统的影响[9,10]。

上海振华重工历经4 年，在不具备任何参考资料的条件下，突破国外技术封锁，在国内开发出技术上国际领先的具有主动式波浪补偿的新型甲板起重机，可在水下600 m 以内的区域进行水下补给、海洋钻井、深海勘探等。

1 波浪补偿技术及其应用
常规的陆上或港口补给装备无法在海上进行安全有效的补给任务，波浪补偿功能在海上补给、海洋钻井等方面应用较广泛；波浪补偿技术在水下机器人或者水下设备对接安装方面应用较多，运动传感器测量水下机器人母船的升沉运动系统称为水下机器人主动升沉补偿系统；波浪补偿技术在深海采矿上也有较广泛的应用。

2 升沉补偿技术系统
升沉补偿系统是保证海洋工程作业安全必不可少的装置[11]，海洋浮船和半潜式平台通常采用气液运动补偿器和张紧器这两种升沉补偿系统。按动力供应升沉补偿系统可分为主动型升沉补偿系统(AHCS)、被动型升沉补偿系统(PHCS)、主动型与被动型升沉补偿系统相结合的半主动型补偿系统。

自主研发了液压缸配合蓄能器的波浪升沉补偿试验台，试验台关键参数如下：补偿吊重为1 t，模拟的波浪高度为±1 m，周期为10 s。通过检测和调试，获得波浪补偿系统运行工况的大量试验数据。以此为基础，通过理论创新和消化吸收国外先进技术等，攻克了深水环境下30 t 波浪补偿系统的技术瓶颈，成功研制了一种能用于深水环境下的带主动波浪升沉补偿系统的新型起重机。30 t 波浪补偿起重机具有自主知识产权，使其设计制造水平达到国际先进水平为主要研究目标。

2.1 主动波浪补偿系统结构
30 t 波浪补偿起重机的主动升沉波浪补偿系统硬件设备包括钢丝卷筒、绝对值编码器、船舶姿态运动传感器和补偿设备，采用如图1 所示绞车补偿结构方式。主动绞车补偿系统在控制系统的设计上较为简单，控制绞车卷筒的主动卷动即可，避免了复杂的液压和机械辅助装置，可有效节省船舶空间。由于绞车存在较大惯性，故该方法存在需要实时控制、功耗较大、被动补偿系统设计困难等缺陷。

（a）正常工况 （b）船舶吃水较高工况
（c）船舶吃水较低工况
图1 主动补偿系统示意图

如图1 所示，主动升沉波浪补偿系统中的钢丝卷筒安装在起重机上，支臂前端的支点下方悬挂一个负载，负载与钢丝卷筒由钢丝绳绕过支点进行连接。与作业工况一致，负载浸没于水面下；在钢丝卷筒上安装有绝对值编码器，实时检测钢丝卷筒的运动状态；在船体上固定有船舶姿态运动传感器，实时检测船舶升沉运动并反馈给控制系统。30 t 起重机的主动补偿系统结构如图2
所示。

图2 30 t 起重机主动补偿系统结构

2.2 二次液压系统的控制方法
30 t 起重机主动补偿系统采用博世力士乐的二次液压控制方案[12]，该技术在世界上处于领先地位，同时该方案也是针对30 t 起重机AHC 的特殊应用，主动补偿起升绞车如图3 所示。

图3 主动补偿起升绞车

30 t 起重机主动波浪补偿系统的主钢丝卷筒由5 个二次马达驱动，其优势在于具有高响应速度，同时采用二次调节技术，使液压系统保持动态平衡。起重机具有5 种控制模式，可以通过手动按钮在操作面板上进行选择和切换：起重机运作模式、起重机空载模式、恒张力模式、波浪补偿模式、手动控制模式，绞车在任何时刻只能处于一种操作模式下。

压力耦合系统采用二次马达在极短的时间内微调主动恒张力，且在调节控制时进行反馈，主动恒张力调节为二级补偿。为了满足系统压力在不同负载下无极调节的需求，采用电比例阀作为动力站的压力阀，工况分若干等级以调节压力，对二次控制马达进行精确控制，可调近似恒压系统拥有二次控制装备，是目前较先进的配置。

30 t 起重机主动补偿液压系统包括主起升、回转和变幅机构。每个机构的运行由司机室的电控手柄进行控制，除紧急停机外每个机构每次运行的启动和停止都必须经过设定的斜坡。司机室内液压系统显示状态有油温、油位、制动器、泵最低变量压力（1 MPa）、系统的待机情况等。

2.3 信号识别及检测系统
信号识别及检测系统由船舶姿态运动传感器MRU和信号识别处理模块组成，系统可以识别负载的位移、速度以及船舶运动姿态和钢丝卷筒的角度等信号。船舶姿态运动传感器以固定周期采集所需时间段内的船舶升沉运动位移数据，系统通过对船舶起伏位移的数据进行频域分析，获得船舶升沉位移数据的功率谱；随后补偿系统对功率谱进行参数化和曲线拟合，并建立这一时间段内船舶起伏运动的三维模型，从而获得船舶起伏运动的经验数据。

2.4 主动补偿系统的控制算法
主动补偿系统的控制算法运用时滞参数辨识原理识别系统的时滞参数，由于主动波浪补偿系统具有滞后性强、惯量大、非线性和参数时变等特点，采用相关的智能控制算法可以使主动波浪补偿达到一定的控制精度，该控制算法解决了滞后性、大惯量等因素对系统精度的影响 [13,14]。

通过对已有的三维模型的研究，得出消除影响主动升沉补偿控制性能的因素：液压绞车惯量较大、响应较慢、参数时变等，为了提高作业效率，采用如图4 所示主动补偿系统的控制算法，其具体操作流程如下：由于控制算法是针对水下负载作业船进行编写的，故在算法中加入钢丝绳的张力因素和水下负载的系统阻尼，从而使补偿误差准确。利用高性能数字控制器进行前馈控制，实时读取MRU 数据以及钢丝卷筒绝对值编码器和张力传感器数据，实现扰动前馈控制电压。Uforward 表示扰动前馈控制电压，其为手柄的实时操作信号减已有的动力学三维模型的参数化数据，其不完全微分反馈控制算法由相对位移差作为条件，通过化简计算得Uforward（反馈控制电压），最后，使用D/A 转换器获得总电压U，得到总电压和反馈控制电压、前馈控制电压的线性关系为U=Uforward+Ufeedback。该电压为马达驱动器的输入总电压，钢丝卷筒转动对应角度通过马达驱动实现，完成主动升沉补偿。

图4 主动升沉补偿原理图

2.5 补偿系统整机验收
30 t波浪补偿起重机与常规起重机相比结构更紧凑、装配要求更高。30 t 波浪补偿起重机引入英国劳氏船级社，按照英国劳氏船级社甲板起重机的制造要求和质量标准，经过前期充分的工艺准备，结合自主研发的波浪升沉补偿试验台获取的试验数据，通过设计、制造、总装过程中的协调优化，最终研制成功。该装置通过了船级社的验收，可在水下600 m 以内的区域进行补给、海洋钻井、深海探测等，提高了海上作业的安全性、高效性和可靠性，其实物图如图5 所示。

图5 带有主动波浪补偿技术的30 t 起重机实物图

3 结论
提出了补偿技术的工作原理，自主研发了补偿系统结构和主动波浪技术，解决了二次液压控制、信号检测和控制算法等关键技术难点，成功研制了带有主动波浪补偿技术的30 t 起重机。该起重机可以实现水下600 m以内区域的补给、海洋钻井、深海探测等工作，满足市场上通用的定位精度要求，打破国外的技术垄断，进一步提高了国产海工产品在国际市场的地位。通过实现波浪补偿装备的国产化并进行产业化推广，为国家开发深海资源战略提供有力的技术保障。