CN104851354A - 一种用于船用起重机升沉补偿系统研究的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种用于船用起重机升沉补偿系统研究的实验装置，属于船用起重机技术领域，主要包括：船舶运动模拟台，起重机起吊机构、控制系统和辅助设备。其中船舶运动模拟台包括底座（18）、平台（9）以及连接底座和平台的三根可伸缩杆件，可伸缩杆件均由虎克铰（3）、伺服缸（4）和球铰（5）组成；起重机起吊机构包括卷筒（10）、双电机（8）、吊臂（11）、吊绳（13）和吊物（15）；控制系统包括船舶运动模拟台控制系统和升沉补偿控制系统；辅助设备包括高速数字摄像机（14）、升降台（17）和水槽（16）。本发明可为陆上研究船用起重机升沉补偿系统提供实验装置。

Description

一种用于船用起重机升沉补偿系统研究的实验装置

技术领域

本发明涉及一种实验装置，具体是一种用于船用起重机升沉补偿系统研究的实验装置。属于船用起重机技术领域。

背景技术

船用起重机是海上补给、海洋钻井、深海探测与海上打捞、救助等领域必不可少的工具。具有升沉补偿系统的船用起重机能对因海面起伏引起的波动进行补偿校正，可在恶劣天气条件下（5级海况以下）提供安全、准确、高效的起重机操作，可使得因恶劣天气引起的停工期减到最少。要想提高升沉补偿系统在不同海况下的稳定性和适用性，将进行升沉补偿系统在各级海况下的补偿精度变化规律和控制策略研究。

由于在海上进行船用起重机主动升沉补偿系统实验研究的周期长、投入大，随着运动模拟、控制和仿真技术的应用与发展，很多空中及海上实验项目都改在陆地上进行，地面实验安全可靠又节省资金。

发明内容

本发明的目的是为船用起重机升沉补偿系统研究提供地面实验装置。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种用于船用起重机升沉补偿系统研究的实验装置主要包括船舶运动模拟台、起重机起吊机构、控制系统（船舶运动模拟台控制系统和升沉补偿控制系统）和辅助设备。船舶运动模拟台控制系统控制船舶运动模拟台中伺服缸的伸缩，固定安装在船舶运动模拟平台上的起吊机构会跟随平台一起运动，为了减少吊物因平台的运动而引起的升沉（垂向）运动，升沉补偿控制系统通过各传感器数据和控制算法进行主动升沉补偿控制，当平台上升时绞车卷筒实时放绳，当平台下降时绞车卷筒实时收绳。

船舶运动模拟台包括底座、平台以及连接底座和平台的三根可伸缩杆件，可伸缩杆件均由虎克铰、伺服缸和球铰组成，伺服缸尾部与虎克铰连接，伺服缸伸缩杆与球铰连接；各虎克铰均与底座相连，三个虎克铰中心在底座上呈等腰三角形布置；各球铰与平台相连，三个球铰中心与平台的垂直距离相等。

起重机起吊机构包括卷筒、双电机、吊臂、吊绳和吊物，其中卷筒，双电机，吊臂均固定安装在船舶运动模拟台的平台上；卷筒上缠绕吊绳，吊绳通过固定在吊臂顶端的定滑轮与吊物相连；卷筒由双电机驱动，双电机均采用两个液冷电机与各自减速机相连接后安装于卷筒端部的基座上，各减速机输出轴上小齿轮与固定于卷筒两端的大齿轮相啮合。双电机是由升沉补偿控制系统中的电机驱动器驱动。

控制系统包括船舶运动模拟台控制系统和升沉补偿控制系统。船舶运动模拟台控制系统包括信号采集单元、计算机和显示器；升沉补偿控制系统包括信号采集单元、计算机、显示器、运动控制卡和电机驱动器。

其中信号采集单元包括：传感器和数据采集器，传感器包括姿态传感器、角位移传感器、力传感器。姿态传感器安装于船舶运动模拟台平台上，随平台一起运动并测得平台运动姿态数据；角位移传感器安装于卷筒上，用于测量卷筒旋转角度，可以获得吊绳的收放长度、收放速度和收放加速度；力传感器安装于吊臂的定滑轮处，为销轴式力传感器；传感器采集到的信号通过数据采集器传送至计算机中并能在显示器上显示。

船舶运动模拟台控制系统中各部分连接方式为：计算机通过数据线连接显示器，船舶运动模拟台中伺服缸与计算机相连，船舶运动模拟台上各传感器与数据采集器相连，数据采集器与计算机相连。船舶运动模拟台运动姿态数据主要来自海上实船所记录的纵摇、横摇和升沉运动时间历程数据，基于该实测船舶运动姿态数据，通过建立模拟台逆运动学方程分别求出三根可伸缩杆长度，随后计算机据此长度分别给各伺服缸发送相应的伸缩位移指令，同时采集平台上姿态传感器的输出数据作为反馈信号，形成闭环控制系统，以保证模拟台真实准确地复现实船在海上的运动姿态；其次，也可人为设置模拟台的纵摇、横摇和升沉运动幅值和频率，使模拟台能模拟出更加复杂环境下的船舶运动姿态。

升沉补偿控制系统中各部分连接方式为：计算机通过数据传输线连接显示器，运动控制卡插入计算机的PCI插槽中，其输出端口与电机驱动器输入端相连，其输出端与双电机相连，数据采集器通过数据线连接至计算机。升沉补偿控制系统工作流程为：计算机经数据采集器采集平台姿态传感器数据，通过坐标变换计算出吊臂顶端定滑轮上出绳点（以下简称出绳点）的升沉位移，将该升沉位移将作为因平台摇荡运动产生的起重机起吊机构的补偿位移，计算机通过运动控制卡和电机驱动器控制双电机带动绞车卷筒作旋转运动以补偿该升沉位移，从而保持吊物垂向平稳运动。安装于卷筒端部基座上的角位移传感器可以检测卷筒角位移量，据此角位移量和卷筒直径可获得吊绳的收放长度，将出绳点升沉位移作为输入信号，吊绳的收放长度作为反馈信号，组成一个闭环控制回路，为进一步提高补偿精度，将定滑轮处力传感器信号作为辅助反馈信号与前一控制回路一起组成双闭环控制系统。

辅助设备主要包括：高速数字摄像机、升降台和水槽，水槽安放于吊臂定滑轮的正下方，为模拟吊物在海底的起落过程，实现吊物的平稳起落，水槽底部可放置合适的软质或硬质散状材料，以模拟不同的海底状况。高速数字摄像机安装在可升降的升降台上，升降台固定在船舶运动模拟台底座上，升降台采用带手轮的蜗轮丝杆升降机，以手摇的方式调整摄像机的位置。摄像机信号能通过数据线传输至计算机中。用户可通过对高速数字摄像机拍下的图像进行分析处理，观察吊物升沉补偿前后的运动状况。

本发明能够根据不同海况的要求，使非专业人员可以通过计算机人机界面控制船舶运动模拟台，使其复现船舶在海洋中的纵摇、横摇和升沉运动，并通过升沉补偿控制系统，开展升沉补偿控制策略的实验研究。

附图说明

图1为本发明结构示意简图。

图中：1.显示器，2.计算机，3.虎克铰，4.伺服缸，5.球绞，6.数据采集器，7.姿态传感器，8.双电机，9.平台，10.卷筒，11.吊臂，12.定滑轮，13.吊绳，14.高速数字摄像机，15.吊物，16.水槽，17.升降台，18.底座，19.电机驱动器，20.运动控制卡。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要包括：船舶运动模拟台、起重机起吊机构、控制系统和辅助设备；其中船舶运动模拟台包括底座（18）、平台（9）以及连接底座和平台的三根可伸缩杆件，可伸缩杆件均由虎克铰（3）、伺服缸（4）和球铰（5）组成；起重机起吊机构包括卷筒（10）、双电机（8）、吊臂（11）、吊绳（13）和吊物（15）；控制系统包括船舶运动模拟台控制系统和升沉补偿控制系统，船舶运动模拟台控制系统包括信号采集单元、计算机（2）和显示器（1），其中信号采集单元包括传感器和数据采集器（6），升沉补偿控制系统包括信号采集单元、计算机（2）、显示器（1）、运动控制卡（20）和电机驱动器（19）；辅助设备包括高速数字摄像机（14）、升降台（17）和水槽（16）。

其中信号采集单元包括：传感器和数据采集器6，传感器包括姿态传感器7、角位移传感器、力传感器。姿态传感器7安装于船舶运动模拟台的平台9上，随平台9一起运动来测量模拟的船舶运动姿态数据，角位移传感器安装于绞车卷筒10上，力传感器安装于吊臂的定滑轮12处，为销轴式力传感器；传感器采集到的信号通过数据采集器6传送至计算机2中并在显示器1上显示。

如图1所示，伺服缸4的尾部与虎克铰3连接，伺服缸4的伸缩杆与球铰5连接；各虎克铰3均与底座相连，平台9的姿态控制依靠控制三个伺服缸4的运动来实现。当设定平台拟复现的船舶运动姿态数据后，计算机根据建立模拟台逆运动学方程分别求出三根可伸缩杆长度，随后计算机2将此长度信号分别传输至各伺服缸4，伺服缸4执行相应的位移指令，同时将平台上姿态传感器7的输出数据在计算机中同船舶运动姿态数据进行比较，形成闭环控制系统，以保证模拟台真实准确地复现实船在海上的运动姿态；其次，也可人为设置模拟台的纵摇、横摇和升沉运动幅值和频率，使模拟台能模拟出更加复杂环境下的船舶运动姿态。

船舶运动模拟台模拟海上实船运动，安装在船舶运动模拟台上的起重机起吊机构模拟实船上的起重机，当船舶运动模拟台模拟实船运动时，安装在船舶运动模拟台上的起吊机构将跟随模拟台一起运动，计算机2经数据采集器6采集平台姿态传感器数据，通过坐标变换计算出吊臂11顶端定滑轮上出绳点的升沉位移，将该升沉位移作为因平台摇荡运动产生的需补偿位移，计算机通过运动控制卡20和电机驱动器19控制双电机8带动绞车卷筒10作旋转运动以补偿该升沉位移，从而保持吊物垂向平稳运动。安装于卷筒10端部基座上的角位移传感器可以检测卷筒10的角位移量，据此角位移量和卷筒10直径可获得吊绳的收放长度，以此作为主反馈信号，定滑轮处力传感器信号作为辅助反馈信号，出绳点升沉位移作为输入信号，将此三信号输出至计算机2中组成双闭环控制系统，实现吊物和模拟平台的垂向运动解耦。

操作人员通过系统的人机界面可方便地选择不同海况下的实测数据，并可通过软件界面进行控制算法设置，由计算机执行相应的控制算法进行升沉补偿控制。本发明装置的实验过程如下：操作人员通过系统人机界面选择某海况下的实测数据，计算机2根据该数据算出三根伺服缸的伸缩位移值，将该位移值转变为输出信号通过数据线发送至伺服缸4，驱动三根伺服缸进行相应的伸缩运动，此时固定安装在船舶运动模拟平台9上的起重机起吊机构跟随平台9一起运动，信号采集单元将各传感器数据经数据采集器传送至计算机2，计算机2与运动控制卡20根据传感器数据计算出双电机8的运转控制量，输出该控制量信号至电机驱动器19，控制双电机8驱动卷筒10收放吊绳以补偿吊物15的升沉波动。当平台9运动使出绳点产生向上位移时，电机驱动卷筒10放绳，放绳长度等于出绳点向上的位移量；当平台9运动使出绳点产生向下位移时，电机驱动卷筒10收绳，放绳长度等于出绳点向下的位移量。为模拟吊物在海底的起落过程，开展水下吊物升沉补偿控制研究，水槽16底部可放置相应的软质或硬质散状材料，以模拟不同的海底状况。高速数字摄像机14可拍摄到吊物在整个试验过程中的运动状况，高速数字摄像机的位置可通过手动调节升降台的方式进行调整。高速数字摄像机信号通过数据线传输至计算机2中，操作人员可通过显示器1查看这些图像，并对试验中吊物的升沉补偿情况进行即时观测。

本发明提供了一种用于船用起重机升沉补偿系统研究的实验装置，为在实验室验证不同控制算法的控制效果提供了方便。试验中可选择多海况下的实船测量数据开展实验研究，具有适应范围广、功能多和模拟准确等特点，本发明的实验装置结构简单、操作方便，在船用起重机升沉补偿系统陆上实验研究中具有广泛的应用价值。

Claims (5)

1.一种用于船用起重机升沉补偿系统研究的实验装置，其特征在于，该装置包括：船舶运动模拟台、起重机起吊机构、控制系统和辅助设备；其中船舶运动模拟台包括底座（18）、平台（9）以及连接底座和平台的三根可伸缩杆件，可伸缩杆件均由虎克铰（3）、伺服缸（4）和球铰（5）组成；起重机起吊机构包括卷筒（10）、双电机（8）、吊臂（11）、吊绳（13）和吊物（15）；控制系统包括船舶运动模拟台控制系统和升沉补偿控制系统，船舶运动模拟台控制系统包括信号采集单元、计算机（2）和显示器（1），其中信号采集单元包括传感器和数据采集器（6），升沉补偿控制系统包括信号采集单元、计算机（2）、显示器（1）、运动控制卡（20）和电机驱动器（19）；辅助设备包括高速数字摄像机（14）、升降台（17）和水槽（16）。

2.根据权利要求1所述的一种用于船用起重机升沉补偿系统研究的实验装置，其特征在于：所述升沉补偿控制系统中信号采集单元、计算机（2）、运动控制卡（20）、电机驱动器（19）与双电机（8）构成闭环控制回路。

3.根据权利要求1所述的一种用于船用起重机升沉补偿系统研究的实验装置，其特征在于：所述传感器包括姿态传感器（7）、角位移传感器、力传感器；姿态传感器（7）安装于船舶运动模拟台的平台（9）上；角位移传感器安装于卷筒（10）基座上；力传感器安装于吊臂的定滑轮（12）处，为销轴式力传感器。

4.根据权利要求1所述的一种用于船用起重机升沉补偿系统研究的实验装置，其特征在于：所述双电机（8）采用两台液冷电机与各自减速机相连接后安装于卷筒（10）端部的基座上。

5.根据权利要求1所述的一种用于船用起重机升沉补偿系统研究的实验装置，其特征在于：所述辅助装置包括高速数字摄像机（14）、升降台（17）和水槽（16），其中高速数字摄像机（14）的位置可通过手动调节升降台（17）进行调整。