CN108045499B - 一种混联机构的海浪主动补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种混联机构的海浪主动补偿系统。混联机构的海浪主动补偿系统能够检测运维船受海浪影响后的姿态和位移，通过控制混联机构实现海浪的主动补偿。该混联机构的海浪主动补偿系统由混联机构、检测系统、运动控制系统和电气系统组成。混联机构由上平台和六自由度并联平台组成，是海浪主动补偿系统的执行机构，执行元件采用液压缸和液压马达；检测系统用于检测船体的位置和姿态变化参数，以及混联机构的状态参数，为控制系统提供控制信息反馈；运动控制系统根据检测系统检测的参数，通过模型解算和运动控制计算，为混联机构提供实时控制量；电气系统为整体机构提供稳定能源电力、人机信息对接和系统参数实时监控等工作。

Description

一种混联机构的海浪主动补偿系统

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体涉及一种混联机构的海浪主动补偿系统。

背景技术

风力发电是新能源领域中技术最成熟、最具开发条件和最有发展前景的发电方式之一，各国纷纷视其为新能源战略中最重要的组成部分。我国海上风能资源丰富，近海5到25米水深线以内区域可装机容量约2亿千瓦，远海还有更为丰富的风资源。海上风机发展受限于条件之一缺乏专业的安装船舶资源，海上施工成本高、风险大。国家高度关注海上风电发展，陆续出行了一些指导文件和规定，以促进海上风电稳步发展。液压运动系统具有以下难点：与陆地风电场建设相比，海上风电场要面对风浪流等多重载荷的考验，环境条件更复杂，技术开发难度更大，面临许多新的挑战。目前，潮间带、潮下带滩涂风电场及近海风电场，这些水深不超过50米的海上风电场，常用的是固定式基础结构形式，风机轮毂高度80m～110m。风机平台经常需要维修和维护，然而海上风浪原因，人员从船上到平台上具有很大的危险性，非常需要海上补偿平台将人员和设备安全从船上运送到风机平台上。

目前关于混联机构的海浪主动补偿系统研究的进展列举如下：国内初步研究波浪补偿技术的为华东石油学院的方华灿，他从七十年代开始对波浪补偿运用各种方式进行研究，主要包括海洋依船体为载体波浪补偿、钻井平台的钻柱对地面的动力学强度分析、大钩和钢丝绳等附属件的强度分析、海上游车以及附属载体上的波浪补偿结构设计和技术原理分析等，取得了一定的技术成果。济南大学的马汝建对波浪补偿结构进行动力学分析和补偿结构优化，利用频谱与数学分析的方法，计算出波浪补偿系统的动态响应特性和动态响应曲线，推算出大钩和钻井装置的动态载荷的计算公式，并对装置的疲劳强度和寿命进行理论性计算。我国的广东工业大学和中南大学在上述研究的基础上，提出了主动、被动波浪补偿系统，而且对上述系统进行仿真和试验研究。主动补偿是靠液压缸的活塞运动抵消波浪升沉，该装置控制精度较高，但是消耗能量较大。半主动补偿是靠平台随着波浪上升压缩蓄能器存储能量抵消波浪升沉，该装置控制精度不高，能源消耗量较小。中国石油大学的张彦廷在位移补偿上做了研究，主要把位移的动态变化作为控制信号，利用泵和阀联合控制的方式，该系统主要是液压缸的无杆腔承受外负载力，控制部分主要是对无杆腔的液体压力进行控制。该系统运用了液压泵和蓄能器联合作用与补偿液压缸，两液压补偿缸承并联形式，蓄能器在平台上升时储存的能量主要对补偿缸的无杆腔进行供油而液压泵主要是对补偿缸的有杆腔进行供油。

发明内容

针对目前现有技术中存在的不足，本发明旨在提供一种可靠性高、稳定性好的一种混联机构的海浪主动补偿系统，能够供维修人员安全顺利走到风机平台上去，还能供海上军舰与运输船之间的货物运输；还能够根据海浪主动补偿系统的需要，实时将船体受海浪影响后的姿态和位移检测出来，同时通过控制并联平台实现海浪的主动补偿。

本发明的目的是这样实现的：

本发明为一种混联机构的海浪主动补偿系统，由机械机构、液压系统、控制系统和电气系统组成；其特征在于，机械机构由上平台和六自由度并联平台组成，上平台与六自由度并联平台之间通过铰支座组成,液压缸和液压马达为执行元件，六自由度并联平台由六台铰支座与六台伺服油缸构成；液压系统由液压缸、伺服阀、位移传感器、压力传感器、阀块组成；控制系统包括任务管理控制器和运动控制控制器；电气系统由监控单元、伺服控制柜及信号转接柜、液压源控制柜和液压源启动柜组成，伺服控制柜内包括运动控制计算机和相关采集调理单元。

上平台具有三个自由度由具有伸缩功能的廊桥、俯仰机构、回转机构和操作平台组成，自下而上依次为回转机构、俯仰机构和伸缩功能的廊桥，形式为串联结构；回转机构具有360°全方位旋转角度，以液压马达作为执行元件；俯仰机构采用双液压缸作为执行元件；伸缩功能的廊桥采用直流无刷电机加双向缆绳方式控制廊桥的伸缩。

六台伺服油缸的缸杆端与上铰支座铰接，缸底与下铰支座铰接；上铰支座与运动平台下表面固连，下铰支座与下平台上表面固连；下平台通过地脚螺栓与甲板固连。

液压系统中，液压缸是单出杆非对称缸，全行程同轴安装内置式位移传感器(2)，三向测振传感器(5)和垂向拾震器(7)；伺服阀为三级非对称伺服阀，与液压缸面积比匹配；伺服阀和液压缸由阀块连接，同时安装有液压锁紧阀。

控制系统在船舶运动模拟平台(3)及稳定平台(6)上安装有3个加速度传感器(1)，1个三向测振加速度传感器(5)。

运动控制控制器以六自由度并联平台建立如下模型：运动坐标系固联在运动平台上，X-Y平面位于六台液压缸上耳轴中心所在平面内，Z轴垂直向下，右手坐标系原点位于上三点所在圆的圆心。运动控制系统的固定坐标系固联在固定平台上，X-Y平面位于六台液压缸下耳轴中心所在平面内，Z轴垂直向下，右手系坐标原点位于下三点所在圆的圆心。动坐标系与定坐标系的原点位于同一铅垂线上。将绕X轴的转动定义为俯仰将绕Y轴的转动定义为滚转θ，将绕Z轴的转动定义为航向ψ，定义运动过程中的六台缸为六个空间矢量定义平台运动过程中六个自由度上的线位移向量X(t)、Y(t)、Z(t)和角位移向量ψ(t)、θ(t)、则平台六自由度位移与六台缸空间位置之间的矢量函数关系，为i号缸中立位置时的长度：

求解得每台缸的长度i＝1,2,3，......6,液压缸的伸长量为i＝1,2,3,......6；故在平台实时仿真运动过程中，可算得每一采样周期△T中各缸的位置信号；该信号作为指令信号送至闭环伺服控制，伺服系统硬、软件高速迭代，驱动液压缸在△T时间内快速稳定的到达指令位置。

监控单元通过以太网总线至伺服控制柜；监控单元和运动控制计算机之间通过以太网进行数据和信号的传递；监控单元和液压源控制单元之间通过RS-485串行通讯进行数据和信号的传递；六台伺服油缸为相互独立的液压伺服回路，每一回路由伺服油缸，位移传感器、加速度传感器、伺服阀、A/D、D/A转换模板和计算机构成。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明确定了一种混联机构的海浪主动补偿系统，该系统能够保证人员从船上到平台上的安全性，保证维修人员通过该平台上的廊桥能够安全顺利地走到风机平台上去。本发明遵循可靠性的设计原则，保证设备的使用寿命和延长平均故障间隔。本发明遵循人机设计原则，使设备使用方便。本发明充分考虑到试验件在研制阶段存在一定的不确定因素，使六自由度液压平台具有一定的适应性、可靠性。

附图说明

图1为混联机构的海浪主动补偿系统组成图。

图2为液压系统示意图。

图3为电气系统示意图。

图4为各传感器安装位置示意图。

图5为运动采集及补偿系统控制单元的信号总流程图。

图6为闭环伺服控制系统图。

图7为一种混联机构的海浪主动补偿系统模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细地描述：

如图1所示，混联机构的海浪主动补偿系统包括机械机构、液压系统、控制系统、电气系统、船梯、上平台、液压缸、上铰组件、下铰组件、基座、伺服阀、位移传感器、压力传感器、阀块、任务管理控制器、运动控制控制器、监控单元、伺服控制柜及信号转接柜、液压源控制柜和液压源启动柜。

如图2所示为液压系统示意图。液压缸具有应急退出功能和锁紧功能。液压系统由液压缸、伺服阀、位移传感器、压力传感器、阀块五部分组成：液压缸为单出杆非对称缸，全行程同轴安装内置式位移传感器，由伺服阀控制实现要求的运动。伺服阀是控制的核心元件，接收控制系统的指令，完成液压缸的控制，采用三级非对称伺服阀，与液压缸面积比匹配，消除压力突跳和气蚀。位移传感器是测量和反馈元件，精确测量液压缸的位移，实现位移反馈，采用数字量输出，精度可达5μm。压力传感器用于测量液压缸两腔的压力，实现控制系统的动压反馈校正，改善系统的特性。阀块用于连接伺服阀和液压缸，安装有液压锁紧阀，具有锁定功能。

如图3所示为电气系统示意图，由监控单元、伺服控制柜及信号转接柜、液压源控制柜和液压源启动柜等组成。监控单元是运动系统与操作人员交互的界面，进行各种试验参数的设置和运行状态显示，通过以太网总线至伺服控制柜。

运动控制计算机和相关采集调理单元(伺服控制柜内)，完成运动台的实时闭环运动控制、逻辑控制、故障诊断和安全保护等。监控单元和运动控制计算机之间通过以太网进行数据和信号的传递；监控单元和液压源控制单元之间通过RS-485串行通讯进行数据和信号的传递。

如图4所示，在船舶运动模拟平台3上安防加速度传感器1、位移传感器2、补偿油缸4、三向测振传感器5、补偿稳定平台6、垂向拾震器7和运动油缸8。在加速度传感器1的选择上，选用了朗斯公司LC01系列内装IC压电加速度传感器和中国地震局的941型动圈往复式超低频测振仪LC01系列加速度传感器与相应的信号调理器配套使用。941型测振仪则与其对应的放大器配套。位移传感器2采用了上海海智公司的KTC-400型超精密导电塑料位移传感器。该传感器由美国BEI DUNCAN公司超精密导电塑料基片以及银钯合金电刷组装而成，量程为400mm，线性精度为±0.07％，重复精度0.013mm，寿命达一亿次，分辨率无穷小，电流强度<10mA，使用温度-55～+125℃。

如图5所示，计算机是整个控制系统的控制中心，负责对运动数据的测量记录和解算处理、控制信号的产生和输出；而数据采集卡是计算机与外界硬件连接和数据交换的重要接口。系统先把船舶运动模拟平台的实时运动信号以及补偿油缸的行程位置信号通过采集卡的A/D端口传输到计算机处理中心；经过计算机的比较和解算之后，再通过采集卡的D/A端口和数字输出端口共同输出控制信号，并经过外部接口电路，最终传送到电液比例方向阀，从而驱动补偿执行油缸进行运动补偿。

如图6所示，六台伺服油缸为相互独立的液压伺服回路，每一回路由伺服油缸，位移传感器、加速度传感器、伺服阀、A/D、D/A转换模板和计算机构成。在计算机控制下，运动驱动软件实现对六缸运动的同步与协调，使平台实现海浪主动补偿。

如图7所示，运动坐标系固联在运动平台上，其X-Y平面位于六台液压缸上耳轴中心所在平面内，Z轴垂直向下，(右手系)坐标系原点位于上三点所在圆的圆心。固定坐标系固联在固定平台上，其X-Y平面位于六台液压缸下耳轴中心所在平面内，Z轴垂直向下(右手系)坐标原点位于下三点所在圆的圆心。动坐标系与定坐标系的原点位于同一铅垂线上，故两个坐标系是平行的。

六自由度运动是指运动平台分别沿动坐标系的X、Y、Z轴的平动运动和分别绕X、Y、Z轴的转动运动。将绕X轴的转动定义为俯仰将绕Y轴的转动定义为滚转θ，将绕Z轴的转动定义为航向ψ。

在如上所述的坐标系内，将运动过程中的六台缸视作六个空间矢量

定义平台运动过程中六个自由度上的线位移X(t)、Y(t)、Z(t)和角位移ψ(t)、θ(t)、为向量。

则根据液压缸的初始几何参数利用欧拉变换可得平台六自由度位移与六台缸空间位置之间的矢量函数关系：

其中，为i号缸中立位置时的长度。

在每一特定时刻(当前采样周期)t0，为定值。于是，求解上述矢量函数可得每台缸的长度i＝1,2,3，......6,

因此，液压缸的伸长量就为i＝1,2,3,......6，在平台实时仿真运动过程中，通过上述算法，可算得每一采样周期△T中，各缸的位置信号。该信号作为指令信号送至闭环伺服控制，伺服系统硬、软件高速迭代，驱动液压缸在△T时间内快速稳定的到达指令位置，随着采样周期数的增加，平台即可实现运动过程的仿真。

Claims (6)

1.一种混联机构的海浪主动补偿系统，由机械机构、液压系统、控制系统和电气系统组成；其特征在于：机械机构由上平台和六自由度并联平台组成，上平台与六自由度并联平台之间以铰支座相连,包括液压缸和液压马达；六自由度并联平台由六台铰支座与六台伺服油缸构成；液压系统由液压缸、伺服阀、位移传感器、压力传感器、阀块组成；控制系统包括任务管理控制器和运动控制控制器；电气系统由监控单元、伺服控制柜及信号转接柜、液压源控制柜和液压源启动柜组成，伺服控制柜内包括运动控制计算机和相关采集调理单元；所述的运动控制控制器以六自由度并联平台建立如下模型：定义运动过程中的六台缸为六个空间矢量定义平台运动过程中六个自由度上的线位移向量X(t)、Y(t)、Z(t)和角位移向量ψ(t)、θ(t)、φ(t)，则平台六自由度位移与六台缸空间位置之间的矢量函数关系，为i号缸中立位置时的长度为：

求解得到每台缸的长度以及液压缸的伸长量在平台实时仿真运动过程中，算得每一采样周期△T中各缸的位置信号并将该信号作为指令信号送至闭环伺服控制系统硬、软件高速迭代。

2.根据权利要求1所述的一种混联机构的海浪主动补偿系统，其特征在于，所述的上平台具有三个自由度，由具有伸缩功能的廊桥、俯仰机构、回转机构和操作平台组成，自下而上依次为回转机构、俯仰机构和伸缩功能的廊桥，形式为串联结构；回转机构具有360°全方位旋转角度，以液压马达作为执行元件；俯仰机构采用双液压缸作为执行元件；廊桥采用直流无刷电机加双向缆绳方式。

3.根据权利要求1所述的一种混联机构的海浪主动补偿系统，其特征在于，所述的六台伺服油缸的缸杆端与上铰支座铰接，缸底与下铰支座铰接；上铰支座与运动平台下表面固连，下铰支座与下平台上表面固连；下平台通过地脚螺栓与甲板固连。

4.根据权利要求1所述的一种混联机构的海浪主动补偿系统，其特征在于，所述的液压系统中，液压缸是单出杆非对称缸，全行程同轴安装内置式位移传感器(2)，三向测振传感器(5)和垂向拾震器(7)；伺服阀为三级非对称伺服阀，与液压缸面积比匹配；伺服阀和液压缸由阀块连接，同时安装有液压锁紧阀。

5.根据权利要求1所述的一种混联机构的海浪主动补偿系统，其特征在于，所述的控制系统在船舶运动模拟平台(3)及稳定平台(6)上安装有3个加速度传感器(1)，1个三向测振加速度传感器(5)。

6.根据权利要求1所述的一种混联机构的海浪主动补偿系统，其特征在于，所述的监控单元通过以太网总线至伺服控制柜；监控单元和运动控制计算机之间通过以太网进行数据和信号的传递；监控单元和液压源控制单元之间通过RS-485串行通讯进行数据和信号的传递；六台伺服油缸为相互独立的液压伺服回路，每一回路由伺服油缸，位移传感器、加速度传感器、伺服阀、A/D、D/A转换模板和计算机构成。