CN103979419B - 基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统及方法，本系统包括传感器网络、液压驱动系统和波浪补偿控制器：波浪补偿控制器包括PLC控制器；本系统利用传感器网络的运动参考单元MRU测量船舶运动参数，利用运动参考单元MRU、声学波浪仪耦合得到波浪运动参数，利用旋转编码器测量马达转速并得到负载运动参数，PLC控制器对上述运动参数进行分析，得到船舶、负载、波浪三者相对于静止海平面的运动状况，即以静止海平面为运动测量的参考系，解决了船舶、负载、波浪运动测量相互耦合的问题；PLC控制器通过对波浪参数的分析和波浪趋势的判断，选择入水(或出水)时机，并通过控制液压驱动系统动作实现对入水(或出水)过程的控制，可提高海上起吊作业的安全性、平稳性。

Description

基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种波浪补偿控制系统及方法，尤其是应用于深水作业起重机、深水绞车、救生艇(救助艇或工作艇)收放装置等领域的主动式波浪补偿控制系统及方法。

背景技术

随着我国海洋工程产业的发展，海洋平台或船舶越来越频繁地进行着海上起吊作业，其作业范围从近海走向深海，甚至超深海，作业的难度也随之增大。涉及到海上起吊作业的领域主要包括以下几个方面：

1)海洋工程深水作业起重机、起重绞车，其主要用于起吊深水装备，如钻采设备、水底管线、水下锚泊设备等；

2)救生艇(救助艇或工作艇)收放装置，主要用于恶劣海况条件下的救生艇(救助艇或工作艇)收放作业；

3)船用起重机，主要用于货物吊装、物资补给等，即将货物从船舶的一个位置吊装到另一位置或是从一艘船舶吊装到另一艘船舶。

然而，海洋平台和船舶不同于陆地，要随风浪、洋流作不规则的摇荡、升沉运动，船体及波浪的运动会对海上起吊作业带来很大的影响，甚至导致作业失败。因此，必须研究波浪补偿技术，补偿波浪扰动、船舶或海洋平台晃动对海上起吊作业造成的不利影响，提高作业的安全性、平稳性。

国外对于波浪补偿技术的研究起步较早，一些公司已经具备生产波浪补偿系统的能力，如美国的Vetco公司、Dynacon公司及维高近海公司，挪威的Hydralift公司，英国的布朗兄弟公司，德国的RexrothBoschGroup公司，芬兰的麦基嘉公司等。相比之下，国内起步较晚，尚处于理论探讨阶段，暂时还未见国内公司生产出波浪补偿系统实际产品的相关报道。

然而，无论是现有的实际产品，还是各国学者进行的研究，主要都集中在水上、水下的速度补偿及恒张力控制，而对于入水(或出水)时机判断及过程控制则很少有人研究。实际上，在恶劣海况下，吊装负载(注：此处负载泛指设备、救生艇、货物等)在入水时(或出水时)受到很大的波浪冲击载荷，严重时甚至可能造成悬空、倾覆。

发明内容

为了克服现有海上起吊作业过程中吊装负载在入水时(或出水时)受到很大波浪冲击载荷的不足的问题，本发明提出基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统及方法，在现有常见主动式波浪补偿控制系统基础上增加入水(或出水)时机判断及过程控制功能，以进一步提高海上起吊作业的安全性、平稳性，可应用于深水作业起重机、深水绞车、救生艇(救助艇或工作艇)收放装置等领域。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：所述主动式波浪补偿控制系统包括传感器网络、液压驱动系统和波浪补偿控制器：

(1)所述传感器网络包括运动参考单元MRU(MotionReferenceUnit)、声学波浪仪、旋转编码器、张力传感器以及液压驱动系统状态监测传感器；所述运动参考单元MRU安装在船体靠近起吊装置的地方，用于测量船舶升沉运动参数；所述声学波浪仪安装在伸出船体的支架上，用于测量声学波浪仪探头到海面距离参数；所述旋转编码器安装在液压马达输出端，用于测量液压马达的转速参数；所述张力传感器安装在吊臂缆绳上，用于测量吊臂缆绳的张力参数；所述液压驱动系统状态监控传感器安装在液压驱动系统中，用于测量液压驱动系统的运行参数；

(2)所述液压驱动系统包括主起降回路、变幅回路、刹车回路及恒张力回路；所述主起降回路包括调速换向阀及液压马达，波浪补偿控制器通过调速换向阀控制液压马达变换转速以及进行转向动作，实现负载的起降动作；所述变幅回路包括电磁换向阀及液压缸，波浪补偿控制器通过电磁换向阀控制液压缸进行伸缩，实现变幅机构的变幅动作；所述刹车回路包括刹车电磁阀及卷筒制动器，波浪补偿控制器通过刹车电磁阀控制卷筒制动器进行抱闸与松闸；所述恒张力回路包括背压控制阀及液压马达，波浪补偿控制器通过背压控制阀控制液压马达背压，使得吊臂缆绳张力维持在预设的恒定值范围内；

(3)所述波浪补偿控制器包括PLC控制器、串口通讯模块、高速计数器模块以及模拟量输入模块；所述串口通讯模块用于将采集到的声学波浪仪探头到海面距离参数、船舶升沉运动参数反馈至PLC控制器；所述的高速计数器模块用于将采集到的旋转编码器的转速脉冲信号反馈至PLC控制器；所述模拟量输入模块用于将采集到的吊臂缆绳的张力参数反馈至PLC控制器；所述PLC控制器用于将上述参数进行综合计算分析，确定静止海平面、探头基准面、安全位置参数，同时实时分析判断波浪运动趋势，选择时机将负载降放入水或是提升出水，以达到波浪补偿的目的；

其中：静止海平面是指海面上下起伏的平均位置，探头基准面是指声学波浪仪探头随着船舶上下起伏运动的平均位置，安全位置是保证负载不会被波浪拍到的位置。

所述的PLC控制器包括入水时机判断单元以及出水时机判断单元：

所述入水时机判断单元包括入水初始化模块、下放控制模块、悬停控制模块、下放入水控制模块，其中所述入水初始化模块用于在进行吊放作业前，对运动参考单元MRU进行校准，使得船舶升沉位移X_h为0或者其平均值为0，利用运动参考单元MRU以及声学波浪仪采集到的参数分析波浪运动参数，得到探头基准面-静止海平面的距离X_ba以及波面-静止海平面距离X_w，进而得到当前波浪特征值以及下放安全位置，所述下放控制模块用于通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，实现负载的降放动作，使得负载相对于静止海平面速度为恒定值，所述悬停控制模块用于判断当负载下放到安全位置时，通过调速换向阀控制液压马达变换到对应的转速以及进行转向动作，实现负载的悬停动作使得负载相对于静止海平面速度为0，同时悬停控制模块还用于对波浪趋势进行判断，选择下放时机；所述下放入水控制模块用于根据悬停控制模块判断的下放时机通过调速换向阀控制液压马达变换到对应的转速以及进行转向动作，将负载下放入水，负载相对于波面的速度为恒定值；

所述出水时机判断单元包括出水初始化模块、跟随控制模块、提升出水控制模块；其中所述出水初始化模块用于在进行吊放作业前，对运动参考单元MRU进行校准，使得船舶升沉位移X_h为0或者其平均值为0，利用运动参考单元MRU以及声学波浪仪采集到的参数分析波浪运动参数，得到探头基准面-静止海平面的距离X_ba以及波面-静止海平面距离X_w，进而得到当前波浪特征值以及提升安全位置；所述跟随控制模块用于通过背压控制阀控制液压马达背压，将缆绳张力维持在恒定值，使得负载跟随波浪起伏运动，同时对波浪趋势进行判断，选择提升出水的时机；所述提升出水控制模块用于根据跟随控制模块判断的提升时机通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，将负载提升出水，负载相对于波面的速度为恒定值；

其中，本系统不考虑船舶横摇、纵摇运动对作业的影响，取竖直向上为各参数取值正方向，X_h为运动参考单元MRU测得船舶升沉位移参数，X_ba为探头基准面到静止海平面垂直距离X_w为波面-静止海平面位移。

进一步的，所述的入水初始化模块在系统进行吊放作业之前，

首先对运动参考单元MRU进行校准：使得船舶在静止海平面的升沉位移为X_h＝0，若是船舶是随着波浪上下起伏，则船舶升沉位移X_h的平均值X_ha为0；

其次求取探头基准面-静止海平面的距离X_ba：首先依据《海滨观测规范》，选取对海面进行观测的时间，并按照选用声学波浪仪的采集频率，确定测量数据的组数M，随后PLC控制器实时采集声学波浪仪实测数据X_b，存储到数组X_b(n)中，即：n＝n+1，X_b(n)＝X_b，同时，PLC控制器实时采集运动参考单元MRU实测数据X_h，存储到数组X_h(n)中，即：X_h(n)＝X_h，取n初值为1，当n＝M时，求取X_b(n)的均值X_ba；

随后求取波面-静止海平面距离X_w以及求取海浪特征值：

求取波面-静止海平面距离X_w

X_w(n)＝X_ba-(X_b(n)-X_h(n))，其中n＝1～M

X_w(n)为正时表示波面高于静止海平面，X_w(n)为负时表示波面高于静止海平面；

求取海浪特征值

依据《海滨观测规范》，采用上跨零线法确定波浪波面记录的各上跨零点：即

n＝1～M，若X_w(n-1)<0，X_w(n)>0，则中间数组变量J(k)＝n，k＝k+1；

X_w(J(k))、X_w(J(k)+1)……X_w(J(k+1))为波浪的波面高度数列，通过比较上述各波面高度数列内各值的大小关系，确定各个该波面高度数列中的最大值为波峰值、最小值为波谷值，将各个波峰值均减去对应的波谷值，得到相应的波高数列H(k)，而海浪对应周期等于T(k)＝(J(k+1)-J(k))/4；

并从上述波高数列H(k)中随机选取K个数值，将其从大到小进行排序，取前K/3个数值，求其平均值H_1/3，对应周期的平均值为T_1/3；再取前K/10个数值，求其平均值H_1/10，对应周期的平均值为T_1/10，其中K≤M，且可以被3及10整除；

最后设定安全位置：

将安全位置设定在1/10大波波峰位置处,即X_s＝H_1/10/2。

所述悬停控制模块对波浪趋势进行判断，选择下放的时机，具体实现方法为：

①实时采集声学波浪仪测量数据并存储到数组X_b(n)中，实时采集运动参考单元MRU测量数据并存储到数组X_h(n)中，则可得波面高度的实时值为X_w(n)＝X_ba-(X_b(n)-X_h(n))；

②将波面高度实时值X_w(n)与H_1/3进行比较，若X_w(n)>H_1/3，则认为出现大波；

③在出现大波后，需对波浪趋势进行判断，选择在大波波峰过后下放负载，基本算法为：若X_w(n)<X_w(n-1)<X_w(n-2)且X_w(n-4)<X_w(n-3)<X_w(n-2)，则认为X_w(n-2)是处于波峰时的波面高度，而实时波面高度X_w(n)已经开始减小，说明波面经过波峰开始下降，此时为下放的时机。

所述入水时机判断单元还包括跟随阶段控制模块，当X_f-X_z<＝X_b时，PLC控制器通过背压控制阀控制液压马达背压，将缆绳张力维持在一恒定值，负载跟随波浪起伏运动；其中X_f为负载与吊臂头的垂直距离，X_z为声学波浪仪探头与吊臂头的垂直距离，X_b为声学波浪仪探头到海面的距离。

所述的出水初始化模块在系统进行吊放作业之前，其初始化过程与所述的入水初始化模块的初始化过程一致，区别仅在于出水安全位置设置不同，出水安全位置将安全位置设定在1/3大波波峰位置，X_s＝H_1/3/2。

所述出水跟随控制模块还用于对波浪趋势进行判断，选择提升出水的时机，其判断过程与悬停控制模块对波浪趋势进行判断过程原理一致。

所述提升出水控制模块用于根据跟随控制模块判断的提升时机通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，将负载提升出水，负载相对于波面的速度为恒定值。

本发明还设计了一种基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制方法，其特征在于，采用运动参考单元MRU测量船舶升沉运动参数，采用运动参考单元MRU与声学波浪仪耦合测量波浪运动参数，波浪补偿控制器对运动参数进行分析，确定静止海平面、探头基准面、安全位置，同时实时分析波浪运动趋势，选择时机，在波浪经过波峰开始下降时控制液压驱动系统将负载降放入水或是提升出水；

其中：静止海平面是海面上下起伏的平均位置，探头基准面是探头随着船舶上下起伏运动的平均位置，安全位置是保证负载不会被波浪拍到的位置。

本发明不考虑船舶横摇、纵摇运动对作业的影响，取竖直向上为正方向，采用运动参考单元MRU测得船舶升沉位移X_h，声学波浪仪实测数据X_b为声学波浪仪探头到海面的距离，负载与吊臂头的垂直距离为X_f，声学波浪仪探头与吊臂头的垂直距离为X_z，探头基准面到静止海平面垂直距离为X_ba，安全位置到静止海平面的垂直距离为X_s，波面-静止海平面位移为X_w(也即波面高度，波面到静止海平面的距离)。

本方法的负载降放入水过程包括入水初始化阶段、下放阶段、入水悬停阶段和下放入水阶段；对应的负载提升出水过程包括出水初始化阶段、出水跟随阶段和提升出水阶段；

负载降放入水过程具体过程包括：

1)初始化阶段

①运动参考单元MRU传感器校准

在进行吊放作业之前，先进行运动参考单元MRU的校准，使船舶在静止海平面的升沉位移为X_h＝0；若是船舶随着波浪上下起伏，则校准后船舶升沉位移X_h的平均值X_ha应为0；

②求取探头基准面-静止海平面的距离X_ba

依据《海滨观测规范》，选取对海面进行观测的时间，并按照选用声学波浪仪的采集频率，确定测量数据的组数M，随后PLC控制器实时采集声学波浪仪实测数据X_b，存储到数组X_b(n)中，即：n＝n+1，X_b(n)＝X_b，同时，PLC控制器实时采集运动参考单元MRU实测数据X_h，存储到数组X_h(n)中，即：X_h(n)＝X_h，取n初值为1，当n＝M时，求取X_b(n)的均值X_ba；

随后求取波面-静止海平面距离X_w以及求取海浪特征值：

③求取波面-静止海平面距离X_w

X_w(n)＝X_ba-(X_b(n)-X_h(n))，其中n＝1:M

X_w(n)为正时表示波面高于静止海平面，X_w(n)为负时表示波面高于静止海平面；

④求取海浪特征值

依据《海滨观测规范》，采用上跨零线法确定波浪波面记录的各上跨零点，即：

nn＝1～M，若X_w(n-1)<0，X_w(n)>0，则中间数组变量J(k)＝n，k＝k+1；

X_w(J(k))、X_w(J(k)+1)……X_w(J(k+1))为波浪的波面高度数列，通过比较上述各波面高度数列内各值的大小关系，确定各个该波面高度数列中的最大值为波峰值、最小值为波谷值，将各个波峰值均减去对应的波谷值，得到相应的波高数列H(k)，而海浪对应周期等于T(k)＝(J(k+1)-J(k))/4；

并从上述波高数列H(k)中随机选取K个数值，将其从大到小进行排序，取前K/3个数值，求其平均值H_1/3，对应周期的平均值为T_1/3；再取前K/10个数值，求其平均值H_1/10，对应周期的平均值为T_1/10，其中K≤M，且可以被3及10整除；

最后设定安全位置：

将安全位置设定在1/10大波波峰位置处,即X_s＝H_1/10/2；

2)下放阶段

PLC控制器通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，实现负载的降放动作，使得负载相对于静止海平面速度为恒定值V_f；

3)入水悬停阶段

当负载下放到安全位置时，PLC控制器通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，实现负载的悬停动作，使得负载相对于静止海平面速度为0，；

悬停阶段还需对波浪趋势进行判断，选择下放的时机，具体实现方法为：

①实时采集声学波浪仪测量数据并存储到数组X_b(n)中，实时采集运动参考单元MRU测量数据并存储到数组X_h(n)中，则可得波面高度的实时值为X_w(n)＝X_ba-(X_b(n)-X_h(n))；

②将波面高度实时值X_w(n)与H_1/3进行比较，若X_w(n)>H_1/3，则认为出现大波。

③在出现大波后，需对波浪趋势进行判断，选择在大波波峰过后下放负载，基本算法为：若X_w(n)<X_w(n-1)<X_w(n-2)且X_w(n-4)<X_w(n-3)<X_w(n-2)，则认为X_w(n-2)是处于波峰时的波面高度，而实时波面高度X_w(n)已经开始减小，说明波面经过波峰开始下降，此时为下放的时机；

4)下放入水阶段

在悬停阶段已经判断出波面经过大波波峰并开始下降，此时，根据下放的时机PLC控制器通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，将负载下放入水，使得负载相对于波面的速度为一个恒定值；

相应的负载提升出水过程其具体过程包括：

1)初始化阶段

所述的出水初初始化阶段在系统进行吊放作业之前，其初始化过程与所述的入水初始化过程基本一致，区别仅在于出水安全位置设置不同，出水安全位置将安全位置设定在1/3大波波峰位置，即X_s＝H_1/3/2；

2)出水跟随阶段

PLC控制器通过背压控制阀控制液压马达背压，将缆绳张力维持在恒定值，负载跟随波浪起伏运动；

跟随阶段还需对波浪趋势进行判断，选择提升出水的时机，具体实现方法为：

①实时采集声学波浪仪测量数据并存储到数组X_b(n)中，实时采集运动参考单元MRU测量数据并存储到数组X_h(n)中，则可得波面高度的实时值为X_w(n)＝X_ba-(X_b(n)-X_h(n))；

②将波面高度实时值X_w(n)与H_1/3进行比较，若X_w(n)>H_1/3，则认为出现大波；

③在出现大波后，需对波浪趋势进行判断，选择在大波波峰过后提升负载出水，基本算法为：若X_w(n)<X_w(n-1)<X_w(n-2)且X_w(n-4)<X_w(n-3)<X_w(n-2)，则认为X_w(n-2)是处于波峰时的波面高度，而实时波面高度X_w(n)已经开始减小，说明波面经过波峰开始下降，此时为提升出水时机；

3)提升出水阶段

在出水跟随阶段已经判断出波面经过大波波峰并开始下降，此时，根据提升的时机，PLC控制器通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，将负载提升出水，使得负载相对于波面的速度为恒定值；

所述负载降放入水过程还包括跟随阶段，当X_f-X_z<＝X_b时，PLC控制器通过背压控制阀控制液压马达背压，将缆绳张力维持在一恒定值，负载跟随波浪起伏运动；若需要脱钩，则人工解开吊钩即可。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1)采用运动参考单元MRU测量船舶运动参数，采用运动参考单元MRU、声学波浪仪耦合得到波浪运动参数，采用旋转编码器测量马达转速并经折算得到负载运动参数，对上述运动参数进行分析，可以得到船舶、负载、波浪三者相对于静止海平面的运动状况，即以静止海平面为运动测量的参考系，解决了船舶、负载、波浪运动测量相互耦合的问题；

2)通过对波浪参数的分析和波浪趋势的判断，选择入水(或出水)时机，并通过控制液压驱动系统对入水(或出水)过程实现控制，可提高海上起吊作业的安全性、平稳性。

附图说明

图1为基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统框架图；

图2为基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统硬件实例图；

图3为传感器布置及波浪补偿过程示意图；

图4为负载下放入水过程流程示意图；

图5为负载下放入水过程初始化阶段流程示意图。

图中主：1、船舶，2、运动参考单元MRU，3、旋转编码器，4、张力传感器，5、声学波浪仪，6、负载，7、静止海平面，8、安全位置，9、探头基准面。

具体实施方式

下面结合附图以及具体的实施例进一步说明本发明的技术方案：

如附图1所示，基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：所述主动式波浪补偿控制系统包括传感器网络、波浪补偿控制器和液压驱动系统。

如附图1、图3所示，所述传感器网络包括运动参考单元MRU2、声学波浪仪5、旋转编码器3、张力传感器4以及液压驱动系统状态监测传感器。运动参考单元MRU2安装在船体靠近起吊装置的地方，测量船舶升沉运动参数；声学波浪仪5安装在伸出船体的支架上，测量声学波浪仪探头到海面距离；旋转编码器3安装在液压马达输出端，测量液压马达的转速；张力传感器4安装在吊臂缆绳上，测量缆绳中的张力值；液压驱动系统状态监控传感器安装在液压驱动系统中，测量液压驱动系统的压力、流量、油温等运行参数。

如图1、图2所示，所述液压驱动系统包括主起降回路、变幅回路、刹车回路、恒张力回路，主起降回路包括调速换向阀、液压马达，波浪补偿控制器通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，实现负载的起降动作；变幅回路包括电磁换向阀、液压缸，波浪补偿控制器通过电磁换向阀控制液压缸伸缩，实现变幅机构的变幅动作；刹车回路包括刹车电磁阀、制动器，波浪补偿控制器通过刹车电磁阀控制卷筒制动器抱闸与松闸；恒张力回路包括背压控制阀、液压马达，波浪补偿控制器通过背压控制阀控制液压马达背压，将缆绳张力维持在一恒定值。

如附图2所示，所述波浪补偿控制器包括PLC控制器、串口通讯模块、高速计数器模块以及模拟量输入模块；所述串口通讯模块CP340用于将采集到的声学波浪仪探头到海面距离参数、船舶升沉运动参数反馈至PLC控制器；所述的高速计数器模块FM350-1用于将采集到的旋转编码器的转速脉冲信号反馈至PLC控制器；所述模拟量输入模块用于将采集到的吊臂缆绳的张力参数反馈至PLC控制器；所述PLC控制器用于将上述参数进行综合计算分析，确定静止海平面、探头基准面、安全位置参数，同时实时分析判断波浪运动趋势，选择时机，在波浪经过波峰开始下降时控制液压驱动系统将负载降放入水或是提升出水，以达到波浪补偿的目的。

如附图3所示，本发明一种基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制方法，其特征在于，采用运动参考单元MRU2测量船舶升沉运动参数，采用运动参考单元MRU2与声学波浪仪5耦合测量波浪运动参数，波浪补偿控制器对运动参数进行分析，确定静止海平面7、探头基准面9、安全位置8，同时实时分析波浪运动趋势，选择时机，在波浪经过波峰开始下降时控制液压驱动系统将负载降放入水或是提升出水。

其中：静止海平面7是海面上下起伏的平均位置，探头基准面9是探头随着船舶上下起伏运动的平均位置，安全位置8是保证负载不会被波浪拍到的位置。

本发明不考虑船舶横摇、纵摇运动对作业的影响，取竖直向上为正方向，采用运动参考单元MRU2测得船舶升沉位移X_h，声学波浪仪5实测数据X_b为声学波浪仪探头到海面的距离，负载6与吊臂头的垂直距离为X_f，声学波浪仪5探头与吊臂头的垂直距离为X_z，探头基准面9到静止海平面7垂直距离为X_ba，安全位置8到静止海平面7的垂直距离为X_s，波面-静止海平面位移为X_w(也即波面高度，波面到静止海平面的距离)。

基于本方法的负载下放入水过程包括初始化阶段、下放阶段、悬停阶段和下放入水阶段；基于本方法的负载提升出水过程包括初始化阶段、跟随阶段和提升出水阶段。

以负载下放入水过程为例，如图4，其具体过程包括：

1)初始化阶段：如图5，

①运动参考单元MRU2传感器校准

在进行吊放作业之前，先进行运动参考单元MRU2的校准，使船舶在静止海平面的升沉位移为X_h＝0；若是船舶随着波浪上下起伏，则校准后船舶升沉位移X_h的平均值X_ha应为0。

②求取探头基准面-静止海平面的距离X_ba

依据《海滨观测规范》，对海面进行观测的时间取17-20分钟，本发明中取17分4秒，若选用采集频率为4Hz声学波浪仪5，测量4096组数据。

PLC控制器实时采集声学波浪仪5实测数据X_b，存储到数组X_b(n)中，即：n＝n+1，X_b(n)＝X_b。

同时，波浪补偿控制器实时采集MRU2实测数据X_h，存储到数组X_h(n)中，即：X_h(n)＝X_h。

取n初值为1，当n＝4096时，求X_b(n)的均值X_ba。

③求取波面-静止海平面距离X_w

X_w(n)＝X_ba-(X_b(n)-X_h(n))，其中n＝1～4096。

X_w(n)为正时表示波面高于静止海平面，X_w为负时表示波面高于静止海平面。

④求取海浪特征值

依据《海滨观测规范》，采用上跨零线法确定波面记录的各上跨零点，基本算法为：

n＝1:4096，若X_w(n-1)<0，X_w(n)>0，则J(k)＝n，k＝k+1。

那么，X_w(J(k))、X_w(J(k)+1)……X_w(J(k+1))为波浪的波面高度数列，通过比较上述各波面高度数列内各值的大小关系，确定各个该波面高度数列中的最大值为波峰值、最小值为波谷值，将各个波峰值均减去对应的波谷值，得到相应的波高数列H(k)，而海浪对应周期等于T(k)＝(J(k+1)-J(k))/4；

从波高数列H(k)中随机选取600个数，将其从大到小进行排序，取前三分之一个数，求其平均值H_1/3，对应周期的平均值为T_1/3；再取前十分之一个数，求其平均值H_1/10，对应周期的平均值为T_1/10。

⑤设定安全位置

将安全位置设定在1/10大波波峰位置处,即X_s＝H_1/10/2；

2)下放阶段

PLC控制器通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，实现负载的降放动作，负载相对于静止海平面速度为一个恒定值V_f，下放阶段的控制目标为： $V_f=-({\stackrel{\&CenterDot;}{X}}_f-{\stackrel{\&CenterDot;}{X}}_h)\&RightArrow;cons.$

3)悬停阶段

当负载下放到安全位置时(即X_f＝X_ba+X_h+X_z-X_s时)，PLC控制器通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，实现负载的悬停动作，负载相对于静止海平面速度为0，悬停的控制目标为：

悬停阶段还需对波浪趋势进行判断，选择下放的时机，具体实现方法为：

①实时采集声学波浪仪测量数据并存储到数组X_b(n)中，实时采集运动参考单元MRU测量数据并存储到数组X_h(n)中，则可得波面高度的实时值为X_w(n)＝X_ba-(X_b(n)-X_h(n))。

②将波面高度实时值X_w(n)与H_1/3进行比较，若X_w(n)>H_1/3，则认为出现大波。

③在出现大波后，需对波浪趋势进行判断，选择在大波波峰过后下放负载，基本算法为：若X_w(n)<X_w(n-1)<X_w(n-2)且X_w(n-4)<X_w(n-3)<X_w(n-2)，则认为X_w(n-2)是处于波峰时的波面高度，而实时波面高度X_w(n)已经开始减小，说明波面经过波峰开始下降。

4)下放入水阶段

在悬停阶段已经判断出波面经过大波波峰并开始下降，此时，PLC控制器通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，将负载下放入水，负载相对于波面的速度为一个恒定值，下放入水阶段的控制目标为：

5)跟随阶段

当X_f-X_z<＝X_b时，PLC控制器通过背压控制阀控制液压马达背压，将缆绳张力维持在一恒定值，负载跟随波浪起伏运动。若需要脱钩，则人工解开吊钩即可。

以负载提升出水过程为例，其具体过程包括：

1)初始化阶段

①运动参考单元MRU传感器校准

在进行吊放作业之前，先进行运动参考单元MRU的校准，使船舶在静止海平面的升沉位移为X_h＝0；若是船舶随着波浪上下起伏，则校准后船舶升沉位移X_h的平均值X_ha应为0。

②求取探头基准面-静止海平面的距离X_ba

依据《海滨观测规范》，选取对海面进行观测的时间，并按照选用声学波浪仪的采集频率，确定测量数据的组数M，随后PLC控制器实时采集声学波浪仪实测数据X_b，存储到数组X_b(n)中，即：n＝n+1，X_b(n)＝X_b，同时，PLC控制器实时采集运动参考单元MRU实测数据X_h，存储到数组X_h(n)中，即：X_h(n)＝X_h，取n初值为1，当n＝M时，求取X_b(n)的均值X_ba；

再次求取波面-静止海平面距离X_w以及求取海浪特征值：

③求取波面-静止海平面距离X_w

X_w(n)＝X_ba-(X_b(n)-X_h(n))，其中n＝1～4096。

X_w(n)为正时表示波面高于静止海平面，X_w为负时表示波面高于静止海平面。

④求取海浪特征值

依据《海滨观测规范》，采用上跨零线法确定波面记录的各上跨零点，基本算法为：

n＝1:4096，若X_w(n-1)<0，X_w(n)>0，则J(k)＝n，k＝k+1。

那么，X_w(J(k))、X_w(J(k)+1)……X_w(J(k+1))为波浪的波面高度数列，通过比较上述各波面高度数列内各值的大小关系，确定各个该波面高度数列中的最大值为波峰值、最小值为波谷值，将各个波峰值均减去对应的波谷值，得到相应的波高数列H(k)，而海浪对应周期等于T(k)＝(J(k+1)-J(k))/4；

从波高数列H(k)中随机选取600个数，将其从大到小进行排序，取前三分之一个数，求其平均值H_1/3，对应周期的平均值为T_1/3；再取前十分之一个数，求其平均值H_1/10，对应周期的平均值为T_1/10。

⑤设定安全位置

将安全位置设定在三分之一大波波峰位置，

X_s＝H_1/3/2

2)跟随阶段

工作人员将负载挂到吊钩上，PLC控制器通过背压控制阀控制液压马达背压，将缆绳张力维持在一恒定值，负载跟随波浪起伏运动；

跟随阶段还需对波浪趋势进行判断，选择提升出水的时机，具体实现方法为：

①实时采集声学波浪仪测量数据并存储到数组X_b(n)中，实时采集运动参考单元MRU测量数据并存储到数组X_h(n)中，则可得波面高度的实时值为X_w(n)＝X_ba-(X_b(n)-X_h(n))。

②将波面高度实时值X_w(n)与H_1/3进行比较，若X_w(n)>H_1/3，则认为出现大波。

③在出现大波后，需对波浪趋势进行判断，选择在大波波峰过后提升负载出水，基本算法为：若X_w(n)<X_w(n-1)<X_w(n-2)且X_w(n-4)<X_w(n-3)<X_w(n-2)，则认为X_w(n-2)是处于波峰时的波面高度，而实时波面高度X_w(n)已经开始减小，说明波面经过波峰开始下降。

3)提升出水

在跟随阶段已经判断出波面经过大波波峰并开始下降，此时，PLC控制器通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，将负载提升出水，负载相对于波面的速度为一个恒定值，提升出水阶段的控制目标为：

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：所述主动式波浪补偿控制系统包括传感器网络、液压驱动系统和波浪补偿控制器：

所述传感器网络包括运动参考单元MRU、声学波浪仪、旋转编码器、张力传感器以及液压驱动系统状态监测传感器；所述运动参考单元MRU用于测量船舶升沉运动参数；所述声学波浪仪用于测量声学波浪仪探头到海面距离参数；所述旋转编码器安装用于测量液压马达的转速参数；所述张力传感器用于测量吊臂缆绳的张力参数；所述液压驱动系统状态监测传感器用于测量液压驱动系统的运行参数；

所述液压驱动系统包括主起降回路、变幅回路、刹车回路及恒张力回路；所述主起降回路包括调速换向阀及液压马达，波浪补偿控制器通过调速换向阀控制液压马达变换转速以及进行转向动作，实现负载的起降动作；所述变幅回路包括电磁换向阀及液压缸，波浪补偿控制器通过电磁换向阀控制液压缸进行伸缩，实现变幅机构的变幅动作；所述刹车回路包括刹车电磁阀及卷筒制动器，波浪补偿控制器通过刹车电磁阀控制卷筒制动器进行抱闸与松闸；所述恒张力回路包括背压控制阀及液压马达，波浪补偿控制器通过背压控制阀控制液压马达背压，使得吊臂缆绳张力维持在预设的恒定值范围内；

所述波浪补偿控制器包括PLC控制器、串口通讯模块、高速计数器模块以及模拟量输入模块；所述串口通讯模块用于将采集到的声学波浪仪探头到海面距离参数、船舶升沉运动参数反馈至PLC控制器；所述的高速计数器模块用于将采集到的旋转编码器的转速脉冲信号反馈至PLC控制器；所述模拟量输入模块用于将采集到的吊臂缆绳的张力参数反馈至PLC控制器；所述PLC控制器用于将声学波浪仪探头到海面距离参数、船舶升沉运动参数、旋转编码器的转速脉冲信号以及吊臂缆绳的张力参数进行综合计算分析，确定静止海平面、探头基准面、安全位置，同时实时分析判断波浪运动趋势，选择时机将负载降放入水或是提升出水，以达到波浪补偿的目的；

所述的PLC控制器包括入水时机判断单元以及出水时机判断单元：

所述入水时机判断单元包括入水初始化模块、下放控制模块、悬停控制模块、下放入水控制模块，其中所述入水初始化模块用于在进行吊放作业前，对运动参考单元MRU进行校准，使得船舶升沉位移X_h为0或者其平均值为0，利用运动参考单元MRU以及声学波浪仪采集到的参数分析波浪运动参数，得到探头基准面-静止海平面的距离X_ba以及波面-静止海平面距离X_w(n)，进而得到当前波浪特征值以及下放安全位置，所述下放控制模块用于通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，实现负载的降放动作，使得负载相对于静止海平面速度为恒定值，所述悬停控制模块用于判断当负载下放到安全位置时，通过调速换向阀控制液压马达变换到对应的转速以及进行转向动作，实现负载的悬停动作使得负载相对于静止海平面速度为0，同时悬停控制模块还用于对波浪趋势进行判断，选择下放时机；所述下放入水控制模块用于根据悬停控制模块判断的下放时机通过调速换向阀控制液压马达变换到对应的转速以及进行转向动作，将负载下放入水，负载相对于波面的速度为恒定值；

所述出水时机判断单元包括出水初始化模块、出水跟随控制模块、提升出水控制模块；其中所述出水初始化模块用于在进行吊放作业前，对运动参考单元MRU进行校准，使得船舶升沉位移X_h为0或者其平均值为0，利用运动参考单元MRU以及声学波浪仪采集到的参数分析波浪运动参数，得到探头基准面-静止海平面的距离X_ba以及波面-静止海平面距离X_w(n)，进而得到当前波浪特征值以及提升安全位置；所述出水跟随控制模块用于通过背压控制阀控制液压马达背压，将吊臂缆绳张力维持在恒定值，使得负载跟随波浪起伏运动，同时对波浪趋势进行判断，选择提升出水的时机；所述提升出水控制模块用于根据出水跟随控制模块判断的提升时机通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，将负载提升出水，使得负载相对于波面的速度为恒定值；

其中：静止海平面是指海面上下起伏的平均位置，探头基准面是指声学波浪仪探头随着船舶上下起伏运动的平均位置，安全位置是保证负载不会被波浪拍到的位置。

2.根据权利要求1所述的主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：所述的入水初始化模块在系统进行吊放作业之前，

首先对运动参考单元MRU进行校准：使得船舶在静止海平面的船舶升沉位移为X_h0，若是船舶是随着波浪上下起伏，则船舶升沉位移X_h的平均值X_ha为0；

其次求取探头基准面-静止海平面的距离X_ba：首先依据《海滨观测规范》，选取对海面进行观测的时间，并按照选用声学波浪仪的采集频率，确定测量数据的组数M，随后PLC控制器实时采集声学波浪仪的声学波浪仪探头到海面距离X_b，存储到数组X_b(n)中，即：每采集一次均作X_b(n)＝X_b，n＝1～M，同时，PLC控制器实时采集运动参考单元MRU的船舶升沉位移X_h，存储到数组X_h(n)中，即：每采集一次均作X_h(n)＝X_h，n＝1～M；取n初值为1，当n＝M时，求取数组X_b(n)的均值，所述均值即为探头基准面-静止海平面的距离X_ba；

随后求取波面-静止海平面距离X_w(n)以及求取海浪特征值：

求取波面-静止海平面距离X_w(n)

X_w(n)＝X_ba-(X_b(n)-X_h(n))，其中n＝1～M

X_w(n)为正时表示波面高于静止海平面，X_w(n)为负时表示波面低于静止海平面；

求取海浪特征值

依据《海滨观测规范》，采用上跨零线法确定波浪波面记录的各上跨零点：即

n＝1～M，若X_w(n-1)<0，X_w(n)>0，则中间数组变量J(k)＝n，k＝i+1，i＝0,1，…M-1；

X_w(J(k))、X_w(J(k)+1)……X_w(J(k+1))为波浪的波面高度数列，通过比较上述各波面高度数列内各值的大小关系，确定各个该波面高度数列中的最大值为波峰值、最小值为波谷值，将各个波峰值均减去对应的波谷值，得到相应的波高数列H(k)，而海浪对应周期T(k):T(k)＝(J(k+1)-J(k))/4；

并从上述波高数列H(k)中随机选取K个数值，将其从大到小进行排序，取前K/3个数值，求其平均值H_1/3,海浪对应周期T(k)的平均值为T_1/3；再取前K/10个数值，求其平均值H_1/10,海浪对应周期T(k)的平均值为T_1/10，其中K≤M，且能够被3及10整除；

最后设定安全位置：

将安全位置设定在1/10大波波峰位置处，即安全位置到静止海平面的垂直距离为X_s，X_s＝H_1/10/2。

3.根据权利要求2所述的主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：所述悬停控制模块对波浪趋势进行判断，选择下放的时机，具体实现方法为：

①实时采集声学波浪仪测量数据并存储到数组X_b(n)中，实时采集运动参考单元MRU测量数据并存储到数组X_h(n)中，则可得波面-静止海平面距离X_w(n)：X_w(n)＝X_ba-(X_b(n)-X_h(n))；

②将波面-静止海平面距离X_w(n)与H_1/3进行比较，若X_w(n)>H_1/3，则认为出现大波；

③在出现大波后，需对波浪趋势进行判断，选择在大波波峰过后下放负载，算法为：若X_w(n)<X_w(n-1)<X_w(n-2)且X_w(n-4)<X_w(n-3)<X_w(n-2)，则认为X_w(n-2)是处于波峰时的波面高度，而波面-静止海平面距离X_w(n)已经开始减小，说明波面经过波峰开始下降，此时为下放的时机。

4.根据权利要求1所述的主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：所述入水时机判断单元还包括跟随阶段控制模块，当X_f-X_z≤X_b时，PLC控制器通过背压控制阀控制液压马达背压，将吊臂缆绳张力维持在一恒定值，负载跟随波浪起伏运动；其中X_f为负载与吊臂头的垂直距离，X_z为声学波浪仪探头与吊臂头的垂直距离，X_b为声学波浪仪探头到海面距离。

5.根据权利要求1所述的主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：所述的出水初始化模块在系统进行吊放作业之前，其初始化过程与所述的入水初始化模块的初始化过程一致，区别仅在于出水安全位置设置不同，出水安全位置将安全位置设定在1/3大波波峰位置，则安全位置到静止海平面的垂直距离为X_s，X_s＝H_1/3/2。

6.根据权利要求1所述的主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：出水跟随控制模块还用于对波浪趋势进行判断，选择提升出水的时机，其判断过程与悬停控制模块对波浪趋势进行判断过程原理一致。

7.一种基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制方法，采用运动参考单元MRU测量船舶升沉运动参数，采用运动参考单元MRU与声学波浪仪耦合测量波浪运动参数，波浪补偿控制器对运动参数进行分析，确定静止海平面、探头基准面、安全位置，同时实时分析波浪运动趋势，选择时机，在波浪经过波峰开始下降时控制液压驱动系统将负载降放入水或是提升出水；其特征在于

所述主动式波浪补偿控制方法不考虑船舶横摇、纵摇运动对作业的影响，取竖直向上为正方向，采用运动参考单元MRU测得船舶升沉位移X_h，声学波浪仪实测数据为声学波浪仪探头到海面距离X_b，负载与吊臂头的垂直距离为X_f，声学波浪仪探头与吊臂头的垂直距离为X_z，探头基准面到静止海平面的距离X_ba，安全位置到静止海平面的垂直距离为X_s，波面-静止海平面距离为X_w(n)：

所述主动式波浪补偿控制方法的负载降放入水过程包括入水初始化阶段、下放阶段、入水悬停阶段和下放入水阶段；对应的负载提升出水过程包括出水初始化阶段、出水跟随阶段和提升出水阶段；

负载降放入水过程具体过程包括：

1)初始化阶段

①运动参考单元MRU传感器校准

在进行吊放作业之前，先进行运动参考单元MRU的校准，使船舶在静止海平面的升沉位移X_h为0；若是船舶随着波浪上下起伏，则校准后船舶升沉位移X_h的平均值X_ha应为0；

②求取探头基准面-静止海平面的距离X_ba

依据《海滨观测规范》，选取对海面进行观测的时间，并按照选用声学波浪仪的采集频率，确定测量数据的组数M，随后PLC控制器实时采集声学波浪仪的声学波浪仪探头到海面距离X_b，存储到数组X_b(n)中，即：每采集一次均作X_b(n)＝X_b，n＝1～M，同时，PLC控制器实时采集运动参考单元MRU船舶升沉位移X_h，存储到数组X_h(n)中，即：每采集一次均作X_h(n)＝X_h，取n初值为1，当n＝M时，求取X_b(n)的均值，所述均值即为探头基准面-静止海平面的距离X_ba；

随后求取波面-静止海平面距离X_w(n)以及求取海浪特征值：

③求取波面-静止海平面距离X_w(n)

X_w(n)＝X_ba-(X_b(n)-X_h(n))，其中n＝1～M

X_w(n)为正时表示波面高于静止海平面，X_w(n)为负时表示波面低于静止海平面；

④求取海浪特征值

依据《海滨观测规范》，采用上跨零线法确定波浪波面记录的各上跨零点，即：

n＝1～M，若X_w(n-1)<0，X_w(n)>0，则中间数组变量J(k)＝n，k＝i+1，i＝0,1，…M-1，；

X_w(J(k))、X_w(J(k)+1)……X_w(J(k+1))为波浪的波面高度数列，通过比较上述各波面高度数列内各值的大小关系，确定各个该波面高度数列中的最大值为波峰值、最小值为波谷值，将各个波峰值均减去对应的波谷值，得到相应的波高数列H(k)，而海浪对应周期T(k)：T(k)＝(J(k+1)-J(k))/4；

并从上述波高数列H(k)中随机选取K个数值，将其从大到小进行排序，取前K/3个数值，求其平均值H_1/3，海浪对应周期T(k)的平均值为T_1/3；再取前K/10个数值，求其平均值H_1/10，海浪对应周期T(k)的平均值为T_1/10，其中K≤M，且能够被3及10整除；

最后设定安全位置：

将安全位置设定在1/10大波波峰位置处，即X_s＝H_1/10/2；

2)下放阶段

PLC控制器通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，实现负载的降放动作，使得负载相对于静止海平面速度为恒定值V_f；

3)入水悬停阶段

当负载下放到安全位置时，PLC控制器通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，实现负载的悬停动作，使得负载相对于静止海平面速度为0；

悬停阶段还需对波浪趋势进行判断，选择下放的时机，具体实现方法为：

①实时采集声学波浪仪测量数据并存储到数组X_b(n)中，实时采集运动参考单元MRU测量数据并存储到数组X_h(n)中，则可得波面-静止海平面距离X_w(n)：X_w(n)＝X_ba-(X_b(n)-X_h(n))；

②将波面-静止海平面距离X_w(n)与H_1/3进行比较，若X_w(n)>H_1/3，则认为出现大波；

③在出现大波后，需对波浪趋势进行判断，选择在大波波峰过后下放负载，算法为：若X_w(n)<X_w(n-1)<X_w(n-2)且X_w(n-4)<X_w(n-3)<X_w(n-2)，则认为X_w(n-2)是处于波峰时的波面高度，而波面-静止海平面距离X_w(n)已经开始减小，说明波面经过波峰开始下降，此时为下放的时机；

4)下放入水阶段

在悬停阶段已经判断出波面经过大波波峰并开始下降，此时，根据下放的时机PLC控制器通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，将负载下放入水，使得负载相对于波面的速度为一个恒定值；

相应的负载提升出水过程其具体过程包括：

1)初始化阶段

所述的出水初初始化阶段在系统进行吊放作业之前，其初始化过程与所述的入水初始化过程一致，区别仅在于出水安全位置设置不同，出水安全位置将安全位置设定在1/3大波波峰位置，X_s＝H_1/3/2；

2)出水跟随阶段

PLC控制器通过背压控制阀控制液压马达背压，将吊臂缆绳张力维持在恒定值，负载跟随波浪起伏运动；

跟随阶段还需对波浪趋势进行判断，选择提升出水的时机，具体实现方法为：

①实时采集声学波浪仪测量数据并存储到数组X_b(n)中，实时采集运动参考单元MRU测量数据并存储到数组X_h(n)中，则可得波面-静止海平面距离X_w(n)：X_w(n)＝X_ba-(X_b(n)-X_h(n))；

②将波面-静止海平面距离X_w(n)与H_1/3进行比较，若X_w(n)>H_1/3，则认为出现大波；

③在出现大波后，需对波浪趋势进行判断，选择在大波波峰过后提升负载出水，算法为：若X_w(n)<X_w(n-1)<X_w(n-2)且X_w(n-4)<X_w(n-3)<X_w(n-2)，则认为X_w(n-2)是处于波峰时的波面高度，而波面-静止海平面距离X_w(n)已经开始减小，说明波面经过波峰开始下降，此时为提升出水时机；

3)提升出水阶段

在出水跟随阶段已经判断出波面经过大波波峰并开始下降，此时，根据提升出水的时机，PLC控制器通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，将负载提升出水，使得负载相对于波面的速度为恒定值；

其中：静止海平面是海面上下起伏的平均位置，探头基准面是探头随着船舶上下起伏运动的平均位置，安全位置是保证负载不会被波浪拍到的位置。

8.根据权利要求7所述的主动式波浪补偿控制方法，其特征在于，所述负载降放入水过程还包括跟随阶段，当X_f-X_z<＝X_b时，PLC控制器通过背压控制阀控制液压马达背压，将吊臂缆绳张力维持在一恒定值，负载跟随波浪起伏运动，若需要脱钩，则人工解开吊钩即可。