CN108757610A - 一种泵控式半主动升沉补偿系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种泵控式半主动升沉补偿系统及其工作方法，属于深海探测与作业领域，包括复合液压缸、液压动力单元和控制单元，复合液压缸为三腔组合式液压缸，包括C腔、A腔和气腔B腔；液压动力单元包括双向变量泵和电动机，双向变量泵一路通过A油口经由第一油路连通于C腔，另一路通过B油口经由第二油路连通于A腔，第三路连接有低压泵；控制单元包括补偿控制器、均与补偿控制器连接的第一压力传感器、第二压力传感器、位移传感器和转速传感器，双向变量泵也与补偿控制器连接，补偿控制器还连接有运动参考单元；气腔B腔连接有调节气瓶和工作气瓶。本发明利用波浪补偿过程中的能量的高压可再生性进行系统设计，提高了补偿幅度。

Description

一种泵控式半主动升沉补偿系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种泵控式半主动升沉补偿系统及其工作方法，属于深海探测与作业技术领域。

背景技术

随着海洋资源的不断开发，人们对于海洋的关注与研究正在不断深入，深海探测领域中工程基础设施是海洋作业的依托。然而，海底生产设施在深水的安装过程中，需要保持在水中的位置不变，但是由于母船受到海面波浪的起伏影响，导致母船会进行上下运动，严重干扰海底设备的对中和安装。要想独立于由于波浪，潮汐等产生的影响，升沉补偿系统通常在深水安装中是不可缺少的。

液压传动以其功率体积比大、控制方便、调速范围大、安全性好等优点已被广泛应用在许多机械设备上。但是液压传动也有能量利用率不高，传动效率较低等缺点。由于当今世界能源供应日趋紧张，在设计或改造液压系统时，除了满足系统的功能、可靠性等指标，提高系统效率、节约能源也正受到越来越多的关注，越来越多的学者展开了对升沉补偿技术的研究，大型海上工程蓬勃发展，现已取得了一些阶段性成果。根据所采用的升沉补偿设备，升沉补偿方式可分为被动升沉补偿、主动升沉补偿和半主动升沉补偿等三种。其中，被动升沉补偿方式不需要主动提供动力，其借助一套气液蓄能器来储存和释放海洋波浪能，结构比较简单，连续补偿时间长，但补偿效率较低。

与被动升沉补偿不同，主动升沉补偿方式需要主动提供动力，以电能或液压驱动绞车或A型架来补偿母船的升沉运动，使水下作业设备保持定点或定轨迹状态，优点是补偿精度高，抗干扰性能强，缺点是系统复杂，尤其是当在补偿大深度大重量深海装备作业时能源消耗过大，连续补偿时间不宜过长。

主动式、半主动式波浪补偿液压系统包括阀控液压缸式补偿系统、二次马达控制补偿系统与泵控液压缸式补偿系统。其中，阀控液压缸式补偿系统是通过比例阀控制液压缸的伸缩，从而实现波浪的升沉补偿；二次马达控制补偿系统是通过二次马达的转速和转角控制，实现波浪的升沉补偿；泵控液压缸式补偿系统主要是通过伺服电机带双向定量泵控制液压缸的伸缩。阀控液压缸式补偿系统的特征是响应快、吨位大，然而由于阀控液压缸式补偿系统采用比例阀节流控制实现液压缸的伸缩速度、位置的控制，其节流口的压降全部产生热量而使油液升温，使得阀控系统的效率比较低下；二次马达控制补偿系统的技术较为成熟，但是应对大吨位大功率长周期作业时，绞车的直径将很大，无法满足空间要求。

综上所述，现在的液压缸补偿装置中大多存在被动补偿补偿精度低，主动补偿复杂耗能大，液压缸补偿幅度小等特点，并且现有系统的缺点在于它们需要先进的比例伺服阀控制与强大的液压动力驱动，整体综合性能有待进一步优化升级。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种泵控式半主动升沉补偿系统及其工作方法，利用波浪补偿过程中的能量的高压可再生性进行系统设计，提高了补偿幅度。

一方面，本发明提供一种泵控式半主动升沉补偿系统，包括复合液压缸、液压动力单元和控制单元，其中：

所述复合液压缸为三腔组合式液压缸，复合液压缸由一个双作用活塞式液压缸和一个单作用柱塞式液压缸组合，包括设有活塞杆的有杆腔C腔、设有活塞杆的无杆腔A腔和气腔B腔，有杆腔C腔与无杆腔A腔之间由活塞相互隔离，C腔经由cc口与第一油路连通以进行吸、回油运动；B腔为气腔经由bb口与调节气瓶、工作气瓶相连以实现被动补偿，A腔为油腔经由aa口与第二油路连通以进行吸、回油运动，所述复合液压缸通过滑轮组与待升沉补偿的装置连接；

此处活塞杆又兼做了柱塞式液压缸的缸体；通常而言，液压缸可分为活塞式液压缸和柱塞式液压缸，其中，活塞式液压缸按液压力的作用情况划分为单作用式和双作用式。

在单作用式液压缸中，液压油只供液压缸的一腔，靠液压力使液压缸实现单方向运动，反方向运动则靠外力(如弹簧力、自重或者外部载荷等)来实现；

而双作用液压缸活塞两个方向的运动则通过两腔交替进油，靠液压力的作用来完成。此处，当驱动活塞杆外伸时，A腔通高压油，C腔接回油，B腔为气腔接通调节气瓶单元；当驱动空心活塞杆缩回时，C腔接高压油，A腔回油，但除克服缩回时摩擦力外，还需要克服连通调压缸的气腔侧产生的平衡力，缩回时还将腔B中的气压回调压缸，贮存能量，外伸时负载大，提供液压能，缩回时吸收和贮存液压能。在活塞杆外伸时使电机输出功率可减小，缩回时电机输出功率不会减小太多，使电动机工作平稳，降低了电动机的配备功率，起到了节能的效果。

所述液压动力单元包括双向变量泵和电动机，所述双向变量泵一路通过A油口经由第一油路连通于所述复合液压缸的有杆腔C腔，另一路通过B油口经由第二油路连通于所述复合液压缸的无杆腔A腔，用于向复合液压缸提供液压油，第三路连接有低压泵，低压泵连接有油箱；

所述控制单元包括补偿控制器、第一压力传感器、第二压力传感器、位移传感器和转速传感器，此处的位移传感器为内置式激光位移传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器、内置式激光位移传感器和转速传感器均与所述补偿控制器连接，所述双向变量泵也与所述补偿控制器连接，所述补偿控制器还连接有运动参考单元，由补偿控制器驱动电动机带动双向变量泵的转动，通过第一压力传感器、第二压力传感器、转速传感器、内置式激光位移传感器的信号反馈到补偿控制器中来实现补偿系统的压力、流量、位移的精确控制；补偿控制器还可用于调节复合液压缸的当前活动腔的压力油的供应状态。

液压动力单元由补偿控制器控制，其接收来自运动参考单元MRU的加速度传感器等的输入，补偿控制系统还可以接收来自滑轮组中测力传感器的输入信号以进行升沉补偿。

所述复合液压缸的气腔B腔连接有调节气瓶和工作气瓶以实现被动补偿，所述调节气瓶和工作气瓶上均设置有控制阀，所述控制阀连接至所述补偿控制器。

另一方面，本发明提供一种泵控式半主动升沉补偿系统，包括复合液压缸、液压变压器和控制单元，此处将使用液压变压器代替上述的液压动力单元，其中：

所述液压变压器一路通过A油口经由第一油路连通于所述复合液压缸的有杆腔C腔，另一路通过B油口经由第二油路连通于所述复合液压缸的无杆腔A腔，第三路连接有低压泵，低压泵连接有油箱，所述液压蓄能器还连接有液压蓄能器；

该液压变压器单元既可以用作泵又可以用作马达，从而允许恢复和存储能量。通过接液压变压器与液压蓄能器串联使用，能以最优化的方式利用液压蓄能器的存储能力。这是因为液压蓄能器前端有了液压变压器后，其初始工作压力及储能时最高工作压力都可以不受系统的限制，所述复合液压缸为三腔组合式液压缸，包括设有活塞杆的有杆腔C腔、设有活塞杆的无杆腔A腔和气腔B腔，所述复合液压缸通过滑轮组与待升沉补偿的装置连接；

所述控制单元包括补偿控制器、第一压力传感器、第二压力传感器、位移传感器和转速传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器、位移传感器和转速传感器均与所述补偿控制器连接，所述液压变压器也与所述补偿控制器连接，所述补偿控制器还连接有运动参考单元；

所述复合液压缸的气腔B腔连接有调节气瓶和工作气瓶以实现被动补偿，所述调节气瓶和工作气瓶上均设置有控制阀，所述控制阀连接至所述补偿控制器。

根据本发明优选的，所述工作气瓶包括高压工作气瓶和低压工作气瓶，所述调节气瓶、高压工作气瓶和低压工作气瓶上均设置有开关阀，所述开关阀均连接有第二电机，各第二电机均通过集线束连接至补偿控制器。

根据本发明优选的，所述第一压力传感器安装在所述液压动力单元或液压变压器的A油口与复合液压缸的C腔之间用来反馈第一油路的压力值；

所述第二压力传感器安装在所述液压动力单元或液压变压器的B油口与复合液压缸的A腔之间用来反馈第二油路的压力值；

所述位移传感器为内置式位移传感器，所述内置式位移传感器安装在复合液压缸A腔的活塞杆上，用来反馈活塞杆的伸缩位移值，即为滑轮组往复运动的位移值；

所述转速传感器包括滑轮转速传感器和电机转速传感器，所述滑轮转速传感器安装在所述滑轮组上用于测量和反馈滑轮角速度，所述电机转速传感器安装在所述电动机与所述补偿控制器之间，用来反馈电动机的转速值。

根据本发明优选的，所述补偿控制器连接有控制面板，控制面板实现对补偿控制器的不同工况的参数调节；所述第一油路与第二油路之间设置有连通开关阀，连通开关阀均配备有电机(图中未示出)控制，电机信号通过集线束连接至补偿控制器已达到开关门阀的实时动作。

进一步优选的，所述复合液压缸为等差液压缸，所述复合液压缸的A腔的面积等于所述C腔的面积。A腔、C腔始终以相同的速度运行，B腔为气腔，这样保证A腔、C腔始终等流量运动以克服静载荷。

进一步优选的，所述泵控式半主动升沉补偿系统还包括调压缸，所述调压缸经由两个驱动电机连接至所述补偿控制器，所述调压缸的气腔侧与所述高压工作气瓶和低压工作气瓶连接，所述调压缸的油腔侧连接有单向变量泵，所述单向变量泵连接有第一电机，所述第一电机连接至所述补偿控制器，其中，调压缸的气腔侧连接两个开关阀门，开关阀门的开闭经由串联驱动的电机经集线器传递驱动信号至补偿控制器实现控制；调压缸的油腔侧直接连接于单向变量泵，单向变量泵另一路则直接连接第一电机，同样第一电机的驱动信号经集线器传递驱动信号至补偿控制器实现反馈。

B腔外接调节气瓶，达到浪溅区自适应调节的目的。当荷载/构造被部分淹没在水中时，在此阶段，水/海浪可引起负载的浮力的变化，导致提升缆索暂时性松弛，当缆索被突然拉紧时，即会产生折断荷载。折断荷载由于容易产生不可接受的高张力而成问题。本发明利用等差液压缸等流量运动克服静荷载，外接调节气瓶克服动荷载。

处于1-3级海况时，与调节气瓶连接的开关阀门接收电信号开启，瓶内气体流向B腔以克服浪溅区折断动载荷直到抵达完全浸没区；当处于4-6级海况或者更高级别海况时，负载下沉载荷压力过大，调节气瓶不足以满足工况，此时由第一电机带动单向变量泵往调压缸油腔侧供油，高压工作气瓶开启与调压缸气腔侧同时作用，完成浪溅区补偿，达到自适应调节的目的；同理，负载由完全浸没区提升至浪溅区时，与低压工作气瓶串联的第二电机接收到来自补偿控制器的驱动指令，驱动低压工作气瓶的控制阀打开，低压工作气瓶开启；同时与高压工作气瓶串联的第二电机接受到来自补偿控制器的驱动指令，驱动高压工作气瓶的控制阀关闭，高压工作气瓶关闭，此时调压缸活塞左移，油腔侧回油，复合液压缸中B腔气体回至低压工作气瓶，此时调压缸气腔侧用于上升过程中的自适应调节。

进一步优选的，所述第一油路和第二油路之间设置有管路，所述低压泵分为三路，第一路连接至所述油箱，第二路与所述管路连接，第三路连接至所述双向变量泵或液压变压器；

所述管路上还连接有高压先导压力泵，所述高压先导压力泵通过所述液压动力单元的P口与所述双向变量泵或液压变压器连接，可向双向变量泵或液压变压器提供稳定的先导压力，以促进双向变量泵或液压变压器进行快速的控制相应。

低压泵、高压先导压力泵通过第一液控单向阀和第二液控单向阀分别对复合液压缸的A腔、C腔进行预压紧与先导调节。

为了使根据本发明的系统以较高的补偿速度在较短的时间段内操作，液压动力单元工作时会造成大声响、慢执行，同时由于复合液压缸，A腔的容积比双向变量泵所吸入的容积大，因此剩余部分容积则由管路和液控单向阀连通的高压蓄能器提供。由于系统工作时存在大量泄漏，经由双向变量泵第三路连通的低压泵进行补偿，用于维持系统中的体积平衡。

进一步优选的，所述管道上在高压蓄能器与第一油路之间以及高压蓄能器与第二油路之间分别设置有第一液控单向阀和第二液控单向阀，所述第一液控单向阀和第二液控单向阀分别设置有第一液控先导油路和第二液控先导油路。

此处的第一控单向阀和第二液控单向阀反向连接在复合液压缸的两个油口之间，为了适应所带来的不平衡性，可以通过液压变压器代替上述的液压动力单元，该液压变压器单元既可以用作泵又可以用作马达，从而允许恢复和存储能量。通过接液压变压器与液压蓄能器串联使用，能以最优化的方式利用液压蓄能器的存储能力。这是因为液压蓄能器前端有了液压变压器后，其初始工作压力及储能时最高工作压力都可以不受系统的限制，回收能量的液压蓄能器和液压变压器可以当作一个独立的模块来设计、运行；

第一液控单向阀和第二液控单向阀在正常的操作情况下，其允许液压油从高压蓄能器回到相应的第一油路、第二油路中，第一液控单向阀和第二液控单向阀分别设置有它们自己的第一液控先导油路和第二液控先导油路，分别从对位安装的第一控单向阀和第二液控单向阀延伸。在第一液控先导油路和第二液控先导油路存在一定压力时，所连接的第一液控单向阀和第二液控单向阀被迫打开，从而允许在两个方向上流动。

当船体随着波浪下沉时(即杆出状态)，双向变量泵将通过第二油路以高压油送到复合液压缸的A腔。同时，双向变量泵将通过第一油路从复合液压缸的C腔回油，气腔B腔侧随着C腔压缩而体积变大，由于调压缸的开启，B腔气体压力随着系统的变化而自适应调节，缓解了复合液压缸的滞后与爬行现象。当复合液压缸缸体沿相反方向(即杆进状态)被驱动时，双向变量泵经由第一油路将液压油输送到C腔，此时需要克服B腔气压腔所带来的平衡力与缩回时摩擦力，使电动机一直保持较为稳定的输出功率。

系统中的泄露由低压泵补偿，低压泵用于维持系统中的体积平衡。高压先导压力泵向双向变量泵的控制块提供稳定的先导压力，以促进双向变量泵的必要的控制响应。第一压力传感器、第二压力传感器被安装在双向变量泵的两侧并且将信号发送到补偿控制器中。补偿控制器还接收来自用于复合液压缸的位置传感器的信号。这种控制方式的优点在于：剔除了利用比例伺服阀的死区非线性特性，整体性能较为可观。该系统还可以设置有高压侧和低压侧的安全阀，以及过滤器单元和冷却系统。

再一方面，本发明提供一种上述的泵控式半主动升沉补偿系统的工作方法，当海工作业时母船在海浪的作用下上升时，运动参考单元MRU将检测的瞬时信号通过无线通信的方式反馈给补偿控制器，所述补偿控制器通过调节电动机转速控制双向变量泵向复合液压缸的C腔排油，此时第一油路为供油状态，向复合液压缸的A腔吸油，此时第二油路为吸油状态，使复合液压缸的活塞杆收缩进行补偿；

当母船在海浪的作用下下沉时，运动参考单元(MRU)将检测的瞬时信号反馈给补偿控制器，所述补偿控制器通过调节电动机转速控制双向变量泵向复合液压缸的A腔排油，此时第二油路为供油状态，向复合液压缸的C腔吸油，此时第一油路为吸油状态，使复合液压缸活塞杆伸出进行补偿，所述滑轮组随之运动。

值得注意的是，本文提到的运动参考单元可采用本领域的常规选择，此处不再赘述。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明采用由一个双作用活塞式液压缸和一个单作用柱塞式液压缸组合而成的复合液压缸，双作用液压缸活塞两个方向的运动则通过两腔交替进油，靠液压力的作用来完成。此处，当驱动活塞杆外伸时，A腔通高压油，C腔接回油，B腔为气腔接通调节气瓶单元；当驱动空心活塞杆缩回时，C腔接高压油，A腔回油，但除克服缩回时摩擦力外，还需要克服连通调压缸的气腔侧产生的平衡力，缩回时还将腔B中的气压回调压缸，贮存能量，外伸时负载大，提供液压能，缩回时吸收和贮存液压能。在活塞杆外伸时使电机输出功率可减小，缩回时电机输出功率不会减小太多，使电动机工作平稳，降低了电动机的配备功率，起到了节能的效果。

2)本发明与传统的升沉补偿系统相比，结构紧凑，本发明的另一优点在于它可以由模块组装，优选的包括由液压动力单元、低压泵、高压先导压力泵组成的第一动力模块，控制单元以及由有关闭旁路功能的连通开关阀、各种传感器、高压蓄能器组成的第二调节模块和由复合液压缸、滑轮组组成的第三执行模块。

3)本发明采用液压变压器与液压蓄能器串联使用，液压变压器可用作组合的马达和泵，能以最优化的方式利用液压蓄能器的存储能力，液压变压器是在恒压网络二次调节下发展起来的新型液压元件，液压变压器变压过程可逆，可以向负载输出能量，也可以从负载向蓄能器回收能量；在被动补偿操作期间液压蓄能器加压，利用液压高压的可再生性，在半主动补偿期间，储存的液压能量可以在较短的时间内释放，作为一个施加力，这样即可使复合液压缸的行程容量加倍，效率提高。

4)本发明可用于钻柱钻井，绞车，起重机以及A型架等吊装应用平台，提高了补偿幅度。

综上，本发明能够通过泵控式调节形成组合式闭合回路，各种操作单元模块化，剔除比例伺服阀的死区非线性特性，效率比较高，适用性广，便于维修，整体性能较为可观。

附图说明

图1为本发明的泵控式半主动升沉补偿系统的一种实施例的结构示意图；

图2为本发明的泵控式半主动升沉补偿系统的另一种实施例的结构示意图；

图3为本发明的泵控式半主动升沉补偿系统中复合液压缸的结构示意图；

图4为应用本发明的一种升沉补偿吊装系统一的结构示意图；

图5为应用本发明的一种升沉补偿吊装系统二的结构示意图；

其中：1-复合液压缸，2-滑轮组，3-液压动力单元，4-双向变量泵，5-电动机，6-补偿控制器，7-运动参考单元，8-高压蓄能器，9-管路，10a-第一液控先导油路，10b-第二液控先导油路，11-低压泵，12-高压先导泵，13a-第一压力传感器，13b-第二压力传感器，14-位移传感器，15-连通开关阀，16-调压缸，16a-油腔，16b-气腔，17-集线器，18-开关门阀，19-单向变量泵，20-第一电机，21-调节气瓶，22-高压工作气瓶，23-低压工作气瓶，24-油箱，25-液压变压器，26-液压蓄能器，27-电机转速传感器，28-控制面板，29-第二电机，30-第一油路，31-第二油路。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

如图1-5所示，一种泵控式半主动升沉补偿系统，包括复合液压缸1、液压动力单元3和控制单元，其中：

复合液压缸1为三腔组合式液压缸，复合液压缸1由一个双作用活塞式液压缸和一个单作用柱塞式液压缸组合，包括设有活塞杆的有杆腔C腔、设有活塞杆的无杆腔A腔和气腔B腔，有杆腔C腔与无杆腔A腔之间由活塞相互隔离，C腔经由cc口与第一油路连通以进行吸、回油运动；B腔为气腔经由bb口与调节气瓶、工作气瓶相连以实现被动补偿，A腔为油腔经由aa口与第二油路连通以进行吸、回油运动，复合液压缸1通过滑轮组2与待升沉补偿的装置连接；

此处活塞杆又兼做了柱塞式液压缸的缸体；通常而言，液压缸可分为活塞式液压缸和柱塞式液压缸，其中，活塞式液压缸按液压力的作用情况划分为单作用式和双作用式。

在单作用式液压缸中，液压油只供液压缸的一腔，靠液压力使液压缸实现单方向运动，反方向运动则靠外力(如弹簧力、自重或者外部载荷等)来实现；

而双作用液压缸活塞两个方向的运动则通过两腔交替进油，靠液压力的作用来完成。此处，当驱动活塞杆外伸时，A腔通高压油，C腔接回油，B腔为气腔接通调节气瓶单元；当驱动空心活塞杆缩回时，C腔接高压油，A腔回油，但除克服缩回时摩擦力外，还需要克服连通调压缸的气腔侧产生的平衡力，缩回时还将腔B中的气压回调压缸，贮存能量，外伸时负载大，提供液压能，缩回时吸收和贮存液压能。在活塞杆外伸时使电机输出功率可减小，缩回时电机输出功率不会减小太多，使电动机工作平稳，降低了电动机的配备功率，起到了节能的效果。

液压动力单元3包括双向变量泵4和电动机5，电动机5优选为频率控制的交流伺服电机，双向变量泵4一路通过A油口经由第一油路30连通于复合液压缸1的有杆腔C腔，另一路通过B油口经由第二油路31连通于复合液压缸1的无杆腔A腔，用于向复合液压缸1提供液压油，第三路连接有低压泵11，低压泵11连接有油箱24；

控制单元包括补偿控制器6、第一压力传感器13a、第二压力传感器13b、位移传感器和转速传感器，此处的位移传感器为内置式激光位移传感器14，第一压力传感器13a、第二压力传感器13b、内置式激光位移传感器14和转速传感器均与补偿控制器6连接，双向变量泵4也与补偿控制器6连接，补偿控制器6还连接有运动参考单元7，由补偿控制器6驱动电动机5带动双向变量泵4的转动，通过第一压力传感器13a、第二压力传感器13b、转速传感器、内置式激光位移传感器14的信号反馈到补偿控制器6中来实现补偿系统的压力、流量、位移的精确控制；补偿控制器6还可用于调节复合液压缸的当前活动腔的压力油的供应状态。

液压动力单元由补偿控制器63控制，其接收来自运动参考单元7的加速度传感器等的输入，补偿控制系统还可以接收来自滑轮组中测力传感器的输入信号以进行升沉补偿。

复合液压缸1的气腔B腔连接有调节气瓶21和工作气瓶以实现被动补偿，调节气瓶21和工作气瓶上均设置有控制阀，控制阀均连接至补偿控制器6。

实施例2：

一种泵控式半主动升沉补偿系统，包括复合液压缸1、液压变压器25和控制单元，此处将实施例1使用液压变压器25代替上述的液压动力单元3，其中：

液压变压器25一路通过A油口经由第一油路30连通于复合液压缸1的有杆腔C腔，另一路通过B油口经由第二油路31连通于复合液压缸1的无杆腔A腔，第三路连接有低压泵11，低压泵11连接有油箱24，液压蓄能器25还连接有液压蓄能器26；

该液压变压器25既可以用作泵又可以用作马达，从而允许恢复和存储能量。通过接液压变压器25与液压蓄能器26串联使用，能以最优化的方式利用液压蓄能器26的存储能力。这是因为液压蓄能器26前端有了液压变压器25后，其初始工作压力及储能时最高工作压力都可以不受系统的限制，复合液压缸1为三腔组合式液压缸，包括设有活塞杆的有杆腔C腔、设有活塞杆的无杆腔A腔和气腔B腔，复合液压缸1通过滑轮组2与待升沉补偿的装置连接；

控制单元包括补偿控制器6、第一压力传感器13a、第二压力传感器13b、位移传感器和转速传感器，第一压力传感器13a、第二压力传感器13b、位移传感器和转速传感器均与补偿控制器6连接，液压变压器25也与补偿控制器6连接，补偿控制器6还连接有运动参考单元7；

复合液压缸1的气腔B腔连接有调节气瓶21和工作气瓶以实现被动补偿，调节气瓶21和工作气瓶上均设置有控制阀，控制阀均连接至补偿控制器6。

实施例3：

一种泵控式半主动升沉补偿系统，结构如实施例1所示，所不同的是，工作气瓶包括高压工作气22瓶和低压工作气瓶23，调节气瓶21、高压工作气瓶22和低压工作气瓶23上均设置有开关阀，开关阀均连接有第二电机29，各第二电机29均通过集线束17连接至补偿控制器6。

实施例4：

一种泵控式半主动升沉补偿系统，结构如实施例1所示，所不同的是，第一压力传感器13a安装在液压动力单元3的A油口与复合液压缸的C腔之间用来反馈第一油路30的压力值；

第二压力传感器13b安装在液压动力单元3的B油口与复合液压缸的A腔之间用来反馈第二油路31的压力值；

位移传感器为内置式位移传感器14，内置式位移传感器14安装在复合液压缸1的A腔的活塞杆上，用来反馈活塞杆的伸缩位移值，即为滑轮组2往复运动的位移值；

转速传感器包括滑轮转速传感器和电机转速传感器27，滑轮转速传感器安装在滑轮组2上用于测量和反馈滑轮角速度，电机转速传感器27安装在电动机5与补偿控制器6之间，用来反馈电动机5的转速值。

实施例5：

一种泵控式半主动升沉补偿系统，结构如实施例4所示，所不同的是，补偿控制器6连接有控制面板28，控制面板28实现对补偿控制器6的不同工况的参数调节；第一油路30与第二油路31之间设置有连通开关阀15，连通开关阀15均配备有电机(图中未示出)控制，电机信号通过集线束17连接至补偿控制器6已达到开关门阀的实时动作。

实施例6：

一种泵控式半主动升沉补偿系统，结构如实施例4所示，所不同的是，复合液压缸1为等差液压缸，复合液压缸1的A腔的面积等于C腔的面积。A腔、C腔始终以相同的速度运行，B腔为气腔，这样保证A腔、C腔始终等流量运动以克服静载荷。

实施例7：

一种泵控式半主动升沉补偿系统，结构如实施例4所示，所不同的是，泵控式半主动升沉补偿系统还包括调压缸16，调压缸16经由两个驱动电机连接至补偿控制器6，调压缸16的气腔侧与高压工作气瓶22和低压工作气瓶23连接，调压缸21的油腔侧连接有单向变量泵19，单向变量泵19连接有第一电机20，第一电机20连接至补偿控制器6，其中，调压缸16的气腔16b侧连接两个开关阀门18，开关阀门18的开闭经由串联驱动的电机经集线器17传递驱动信号至补偿控制器6实现控制；调压缸16的油腔16a侧直接连接于单向变量泵19，单向变量泵19另一路则直接连接第一电机20，同样第一电机20的驱动信号经集线器17传递驱动信号至补偿控制器6实现反馈。

B腔外接调节气瓶21，达到浪溅区自适应调节的目的。当荷载/构造被部分淹没在水中时，在此阶段，水/海浪可引起负载的浮力的变化，导致提升缆索暂时性松弛，当缆索被突然拉紧时，即会产生折断荷载。折断荷载由于容易产生不可接受的高张力而成问题。本发明利用等差液压缸等流量运动克服静荷载，外接调节气瓶21克服动荷载。

处于1-3级海况时，与调节气瓶21连接的开关阀门接收电信号开启，瓶内气体流向B腔以克服浪溅区折断动载荷直到抵达完全浸没区；当处于4-6级海况或者更高级别海况时，负载下沉载荷压力过大，调节气瓶21不足以满足工况，此时由第一电机20带动单向变量泵19往调压缸16油腔16a侧供油，高压工作气瓶22开启与调压缸16气腔16b侧同时作用，完成浪溅区补偿，达到自适应调节的目的；同理，负载由完全浸没区提升至浪溅区时，与低压工作气瓶23串联的第二电机29接收到来自补偿控制器6的驱动指令，驱动低压工作气瓶23的控制阀打开，低压工作气瓶23开启；同时与高压工作气瓶22串联的第二电机29接受到来自补偿控制器6的驱动指令，驱动高压工作气瓶23的控制阀关闭，高压工作气瓶22关闭，此时调压缸16活塞左移，油腔侧回油，复合液压缸1中B腔气体回至低压工作气瓶23，此时调压缸16气腔侧用于上升过程中的自适应调节。

实施例8：

一种泵控式半主动升沉补偿系统，结构如实施例1所示，所不同的是，第一油路30和第二油路31之间设置有管路9，低压泵11分为三路，第一路连接至油箱24，第二路与管路9连接，第三路连接至双向变量泵4；

管路9上还连接有高压先导压力泵12，高压先导压力泵12通过液压动力单元3的P口与双向变量泵4连接，可向双向变量泵4提供稳定的先导压力，以促进双向变量泵4进行快速的控制相应。

低压泵11、高压先导压力泵12通过第一液控单向阀9a和第二液控单向阀9b分别对复合液压缸1的A腔、C腔进行预压紧与先导调节。

为了使根据本发明的系统以较高的补偿速度在较短的时间段内操作，液压动力单元3工作时会造成大声响、慢执行，同时由于复合液压缸1，A腔的容积比双向变量泵4所吸入的容积大，因此剩余部分容积则由管路9和液控单向阀连通的高压蓄能器8提供。由于系统工作时存在大量泄漏，经由双向变量泵4第三路连通的低压泵11进行补偿，用于维持系统中的体积平衡。

实施例9：

一种泵控式半主动升沉补偿系统，结构如实施例8所示，所不同的是，管道9上在高压蓄能器8与第一油路30之间以及高压蓄能器8与第二油路31之间分别设置有第一液控单向阀9a和第二液控单向阀9b，第一液控单向阀9a和第二液控单向阀9b分别设置有第一液控先导油路10a和第二液控先导油路10b。

第一液控单向阀9a和第二液控单向阀9b在正常的操作情况下，其允许液压油从高压蓄能器8回到相应的第一油路30、第二油路31中，第一液控单向阀9a和第二液控单向阀9b分别设置有它们自己的第一液控先导油路10a和第二液控先导油路10b，分别从对位安装的第一控单向阀9a和第二液控单向阀9b延伸。在第一液控先导油路10a和第二液控先导油路10b存在一定压力时，所连接的第一液控单向阀9a和第二液控单向阀9b被迫打开，从而允许在两个方向上流动。

当船体随着波浪下沉时(即杆出状态)，双向变量泵4将通过第二油路31以高压油送到复合液压缸1的A腔。同时，双向变量泵4将通过第一油路30从复合液压缸1的C腔回油，气腔B腔侧随着C腔压缩而体积变大，由于调压缸16的开启，B腔气体压力随着系统的变化而自适应调节，缓解了复合液压缸1的滞后与爬行现象。当复合液压缸1缸体沿相反方向(即杆进状态)被驱动时，双向变量泵4经由第一油路30将液压油输送到C腔，此时需要克服B腔气压腔所带来的平衡力与缩回时摩擦力，使电动机5一直保持较为稳定的输出功率。

系统中的泄露由低压泵11补偿，低压泵11用于维持系统中的体积平衡。高压先导压力泵12向双向变量泵4的控制块提供稳定的先导压力，以促进双向变量泵4的必要的控制响应。第一压力传感器13a、第二压力传感器13b被安装在双向变量泵4的两侧并且将信号发送到补偿控制器6中。补偿控制器6还接收来自用于复合液压缸1的位置传感器的信号。这种控制方式的优点在于：剔除了利用比例伺服阀的死区非线性特性，整体性能较为可观。该系统还可以设置有高压侧和低压侧的安全阀，以及过滤器单元和冷却系统。

实施例10：

一种实施例1中的泵控式半主动升沉补偿系统的工作方法，当海工作业时母船在海浪的作用下上升时，运动参考单元7将检测的瞬时信号通过无线通信的方式反馈给补偿控制器6，补偿控制器6通过调节电动机转速控制双向变量泵4向复合液压缸1的C腔排油，此时第一油路30为供油状态，向复合液压缸1的A腔吸油，此时第二油路31为吸油状态，使复合液压缸1的活塞杆收缩进行补偿；

当母船在海浪的作用下下沉时，运动参考单元7将检测的瞬时信号反馈给补偿控制器6，补偿控制器6通过调节电动机转速控制双向变量泵4向复合液压缸1的A腔排油，此时第二油路31为供油状态，向复合液压缸1的C腔吸油，此时第一油路30为吸油状态，使复合液压缸1活塞杆伸出进行补偿，滑轮组2随之运动。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种泵控式半主动升沉补偿系统，其特征在于，包括复合液压缸、液压动力单元和控制单元，其中：

所述复合液压缸为三腔组合式液压缸，包括设有活塞杆的有杆腔C腔、设有活塞杆的无杆腔A腔和气腔B腔，所述复合液压缸通过滑轮组与待升沉补偿的装置连接；

所述液压动力单元包括双向变量泵和电动机，所述双向变量泵一路通过A油口经由第一油路连通于所述复合液压缸的有杆腔C腔，另一路通过B油口经由第二油路连通于所述复合液压缸的无杆腔A腔，第三路连接有低压泵，低压泵连接有油箱；

所述控制单元包括补偿控制器、第一压力传感器、第二压力传感器、位移传感器和转速传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器、位移传感器和转速传感器均与所述补偿控制器连接，所述双向变量泵也与所述补偿控制器连接，所述补偿控制器还连接有运动参考单元；

所述复合液压缸的气腔B腔连接有调节气瓶和工作气瓶以实现被动补偿，所述调节气瓶和工作气瓶均与所述补偿控制器连接。

2.一种泵控式半主动升沉补偿系统，其特征在于，包括复合液压缸、液压变压器和控制单元，其中：

所述复合液压缸为三腔组合式液压缸，包括设有活塞杆的有杆腔C腔、设有活塞杆的无杆腔A腔和气腔B腔，所述复合液压缸通过滑轮组与待升沉补偿的装置连接；

所述液压变压器一路通过A油口经由第一油路连通于所述复合液压缸的有杆腔C腔，另一路通过B油口经由第二油路连通于所述复合液压缸的无杆腔A腔，第三路连接有低压泵，低压泵连接有油箱，所述液压蓄能器还连接有液压蓄能器；

所述控制单元包括补偿控制器、第一压力传感器、第二压力传感器、位移传感器和转速传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器、位移传感器和转速传感器均与所述补偿控制器连接，所述液压变压器也与所述补偿控制器连接，所述补偿控制器还连接有运动参考单元；

所述复合液压缸的气腔B腔连接有调节气瓶和工作气瓶以实现被动补偿，所述调节气瓶和工作气瓶均与所述补偿控制器连接。

3.根据权利要求1或2所述的泵控式半主动升沉补偿系统，其特征在于，所述工作气瓶包括高压工作气瓶和低压工作气瓶，所述调节气瓶、高压工作气瓶和低压工作气瓶上均设置有开关阀，所述开关阀均连接至所述补偿控制器。

4.根据权利要求1所述的泵控式半主动升沉补偿系统，其特征在于，所述第一压力传感器安装在所述液压动力单元的A油口与复合液压缸的C腔之间；

所述第二压力传感器安装在所述液压动力单元的B油口与复合液压缸的A腔之间；

所述位移传感器为内置式位移传感器，所述内置式位移传感器安装在复合液压缸A腔的活塞杆上，用来反馈活塞杆的伸缩位移值；

所述转速传感器包括滑轮转速传感器和电机转速传感器，所述滑轮转速传感器安装在所述滑轮组上用于反馈滑轮角速度，所述电机转速传感器安装在所述电动机与所述补偿控制器之间，用来反馈电动机的转速值。

5.根据权利要求3所述的泵控式半主动升沉补偿系统，其特征在于，所述补偿控制器连接有控制面板；所述第一油路与第二油路之间设置有连通开关阀。

6.根据权利要求3所述的泵控式半主动升沉补偿系统，其特征在于，所述复合液压缸为等差液压缸，所述复合液压缸的A腔的面积等于所述C腔的面积。

7.根据权利要求3所述的泵控式半主动升沉补偿系统，其特征在于，所述泵控式半主动升沉补偿系统还包括调压缸，所述调压缸经由两个驱动电机连接至所述补偿控制器，所述调压缸的气腔侧与所述高压工作气瓶和低压工作气瓶连接，所述调压缸的油腔侧连接有单向变量泵，所述单向变量泵连接有第一电机，所述第一电机连接至所述补偿控制器。

8.根据权利要求1所述的泵控式半主动升沉补偿系统，其特征在于，所述第一油路和第二油路之间设置有管路，所述低压泵分为三路，第一路连接至所述油箱，第二路与所述管路连接，第三路连接至所述双向变量泵；

所述管路上还连接有高压先导压力泵，所述高压先导压力泵通过所述液压动力单元的P口与所述双向变量泵连接。

9.根据权利要求8所述的泵控式半主动升沉补偿系统，其特征在于，所述管路9上设置有高压蓄能器，所述管道上在高压蓄能器与第一油路之间以及高压蓄能器与第二油路之间分别设置有第一液控单向阀和第二液控单向阀，所述第一液控单向阀和第二液控单向阀分别设置有第一液控先导油路和第二液控先导油路。

10.一种权利要求1所述的泵控式半主动升沉补偿系统的工作方法，其特征在于，当海工作业时母船在海浪的作用下上升时，运动参考单元将检测的瞬时信号通过无线通信的方式反馈给补偿控制器，所述补偿控制器通过调节电动机转速控制双向变量泵向复合液压缸的C腔排油，此时第一油路为供油状态，向复合液压缸的A腔吸油，此时第二油路为吸油状态，使复合液压缸的活塞杆收缩进行补偿；

当母船在海浪的作用下下沉时，运动参考单元将检测的瞬时信号反馈给补偿控制器，所述补偿控制器通过调节电动机转速控制双向变量泵向复合液压缸的A腔排油，此时第二油路为供油状态，向复合液压缸的C腔吸油，此时第一油路为吸油状态，使复合液压缸活塞杆伸出进行补偿，所述滑轮组随之运动。