主動波浪補償起重機控制系統設計

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，主動波浪補償系統是消除這些安全隱患的主要有效途徑。

波浪補償系統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，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；波浪補償系統按照驅動形式又分為直線機構補償和旋轉機構補償[2]，直線機構補償與主驅動絞車相對獨立，利于加裝，而旋轉機構補償由主驅動絞車實現補償功能，節約安裝空間。波浪補償系統分類如圖1所示。

圖1 波浪補償系統分類

本文運用并靠補給主動波浪補償起重機控制系統完成了廠內聯合調試和海試驗證，實現了國內首套主動波浪補償系統的實船應用，并經中國船級社認證。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構，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，回轉速度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%。

起重機由主臂及驅動油缸、折臂及驅動油缸、塔身、轉臺、基柱、主起升機構、副起升機構、回轉機構、穩鎖機構、司機室、電控系統、液壓系統等組成，起重機結構示意圖如圖3所示。

圖3 起重機結構示意圖

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。雙船動態測量單元根據布置的傳感器，計算吊點處兩船之間的相對升程運動位移和速度，將數據傳輸給絞車控制單元，絞車控制單元進行閉環控制，輸出信號給絞車驅動元件，控制絞車補償吊點的相對位移。

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響應，采用二次驅動元件。二次驅動元件響應高，轉速從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動元件在泵工況工作，通過蓄能器和氣瓶實現能量回收和再利用[3]，降低系統裝機功率。

3 主動波浪補償控制系統設計

主動波浪補償控制系統由雙船動態姿態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 雙船動態姿態測量單元

雙船動態姿態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，雙船動態姿態測量單元組成如圖5 所示。圖5 中profinet 為profibus 國際組織推出的基于以太網技術的自動化總線標準，具有安全、低延時的特征，特別適用于工業控制；MRU 和MRU 控制箱采用UDP（User Dargram Protocol）通訊協議，即用戶數據報協議，是一種跨互聯網使用的通訊協議，常用于對時間敏感的系統通訊。

圖5 雙船動態姿態測量單元組成

MRU 是一種基于慣性技術的捷聯式載體姿態測量裝置，能為載體提供水平姿態信息[4]，是捷聯式慣性傳感器的特殊應用。其與應用在導航系統中的捷聯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，而且內含船舶升沉數字濾波器，濾波器采用卡爾曼濾波等算法，能夠實時準確測量輸出船舶MRU安裝點處升沉位移、速度。

在本系統中，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

設與船體連接的結構件某位置相對于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，操作人員根據調度指令在觸摸屏中選擇目標箱號，目標箱號通過網絡傳遞給被補給船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，在調試階段已固化在系統中，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 控制箱根據起重機基柱高度、主臂長度、折臂長度等結構尺寸，以及實時測量的回轉角度、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絞車編碼器反饋的絞車旋轉位置，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實現位移補償，采用位置閉環和速度閉環的串聯控制算法，其中位置閉環采用以吊點升沉速度差（v1t-v2t）為主要擾動的復合閉環控制（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），計算出二次驅動元件目標轉速vt。速度閉環以vt為控制目標，通過采集二次驅動元件實際速度進行閉環控制，最終輸出控制電壓給二次驅動元件速度控制伺服閥控制驅動元件轉速?？刂瓶驁D如圖7所示，圖7中，derp為補償位移偏差，verv為速度偏差，f1（derp）為補償位移的閉環控制函數，f2（verv）為補償速度的閉環控制函數，f1（derp）和f2（verv）都采用動態變參數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，采用動態變參數方法較多，如單神經元自適應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，提高系統響應，本項目采用較為簡單的分段PID動態參數方法[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。