CN108821118B - 用于深水吊装作业过程中的主动升沉补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于深水吊装作业过程中的主动升沉补偿系统，包括：运动计算单元、控制单元、液压驱动单元和机械执行单元，所述运动计算单元用于检测工作母船的升沉运动信号、吊载的实时速度信号以及吊缆的实时张力信号，并结合输入的主控信号进行运算后输出至控制单元，所述控制单元用于对其进行计算以得到输出信号，以对所述液压驱动单元进行控制，所述液压驱动单元连接于控制单元与机械执行单元之间，用于为机械执行单元提供动力，所述机械执行单元用于实现补偿吊缆的非线性升沉运动。上述主动升沉补偿系统可有效控制吊载的垂向运动，最大程度地降低吊缆垂向运动对整个施工过程的影响，以提高水下施工尤其是深水作业的安全性、高效性和可靠性。

Description

用于深水吊装作业过程中的主动升沉补偿系统

技术领域

本发明属于一种用于海上安装领域的补偿系统，具体涉及一种用于深水吊装作业过程中的主动升沉补偿系统。

背景技术

深水吊装作业过程中，由工作母船运动和波、流载荷引起的吊缆非线性运动，特别是吊载处的垂向位移是影响吊载吊放方案、水下安装工艺及施工作业效率的关键因素。研究开发具有升沉补偿功能的系统——主动升沉补偿系统(Active Heave CompensationSystem)可有效控制吊载处的垂向运动，最大程度地降低吊缆垂向运动对整个施工过程的影响，以提高水下施工尤其是深水作业的安全性、高效性和可靠性。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种用于深水吊装作业过程中的主动升沉补偿系统，包括：运动计算单元、控制单元、液压驱动单元和机械执行单元，所述运动计算单元用于检测工作母船的升沉运动信号、吊载的实时速度信号以及吊缆的实时张力信号，并结合输入的主控信号进行运算后输出至控制单元，所述控制单元用于对其进行计算以得到输出信号，以对所述液压驱动单元进行控制，所述液压驱动单元连接于控制单元与机械执行单元之间，用于为机械执行单元提供动力，所述机械执行单元用于实现补偿吊缆的非线性运动。

其中，所述液压驱动单元包括恒压变量泵、蓄能器、电液伺服阀、变量液压缸及液压马达/泵，所述液压马达/泵与变量液压缸及电液伺服阀均相连，所述液压马达/泵还与恒压变量泵及蓄能器相连，所述电液伺服阀还与恒压变量泵及蓄能器均相连；所述恒压变量泵与蓄能器组成恒压油源，所述电液伺服阀、变量液压缸及液压马达/泵构成二次元件，所述恒压油源用于提供稳定的恒压，所述液压马达/泵工作于恒压油源，其工作压力恒定不变，可通过调节液压马达/泵的排量来适应负载转矩或转速的变化。

进一步的，所述液压马达/泵为轴向柱塞变量泵，通过调节其内部的斜盘倾角大小来控制液压马达/泵的排量，所述液压马达/泵的内置斜盘与变量液压缸的液压杆相连，所述变量液压缸通过电液伺服阀控制，所述电液伺服阀的开口大小与方向由控制单元控制。

进一步的，所述电液伺服阀的传递函数用二阶振荡模型来表示：

其中：Q_v(s)表示电液伺服阀的输出流量(m³/s)；I表示电液伺服阀的输入电流(A)；K_v表示电液伺服阀的流量增益[m³/(s·A)]；ω_v表示电液伺服阀的固有频率(rad/s)；ζ_v表示电液伺服阀的阻尼比，s表示传递系数。

进一步的，所述变量液压缸的连续性方程如下所示：

其中，q_v表示变量液压缸的流量(m³/s)；A表示变量液压缸的有效作用面积(m²)；Y表示变量液压缸的内部活塞位移(m)；C_tc表示变量液压缸的泄漏系数[(m·N)/s]；p_L表示变量液压缸的两腔压力差(N/m²)；V_t表示变量液压缸的两腔总容积(m³)；β_e表示液压油体积弹性模量(N/m²)；

所述变量液压缸的力平衡方程如下所示：

Ap_L＝(ms²+B_cs+K₁)Y+F_SE，

其中，m表示变量液压缸的活塞质量(kg)；B_c表示变量液压缸的阻尼系数[N/(m·s)]；K₁表示变量液压缸的弹簧等效刚度(N/m)；F_SE表示活塞和斜盘之间作用力。

进一步的，所述液压马达/泵的排量方程如下所示：

其中，V₂表示液压马达/泵的排量(m³/rad)；V_2max表示液压马达/泵的最大排量(m³/rad)；Y_max表示变量液压缸的活塞最大位移(m)；α_max表示变量斜盘最大摆动角度(°)；α表示变量斜盘摆动角度(°)；

所述液压马达/泵的力矩平衡方程如下所示：

其中，M₂表示液压马达/泵的转矩(N·m)；p₀表示恒压网络压力(N/m²)；J₂表示液压马达/泵的转动惯量(kg·m²)；

表示液压马达/泵的转角(rad)；R_H表示液压马达/泵的阻尼系数[(N·m·s)/rad]；M_L表示负载转矩(N·m)。

进一步的，所述机械执行单元包括变速箱、滑轮组、吊缆以及绞车，所述绞车与变速箱相连，所述变速箱与滑轮组相连，所述滑轮组与吊缆相连。

进一步的，所述变速箱采用多级行星齿轮变速箱。

上述主动升沉补偿系统通过运动计算单元将检测到的所有信号，结合输入的主控信号，作数学运算后形成控制单元的输入信号传递给控制单元，所述控制单元经过运算处理后得到控制信号作用于液压驱动单元，通过改变液压驱动单元的运动方向，最终由机械执行机构完成对吊缆的运动控制，可有效控制吊载处的垂向运动，最大程度地降低吊缆垂向运动对整个施工过程的影响，以提高水下施工尤其是深水作业的安全性、高效性和可靠性。

附图说明

图1是本发明一种用于深水吊装作业过程中的主动升沉补偿系统的较佳实施方式的方框图。

图2是图1中所述的液压驱动单元的较佳实施方式的方框图。

图3是图1中所述的机械执行单元的较佳实施方式的方框图。

图4是本发明一种用于深水吊装作业过程中的主动升沉补偿系统的较佳实施方式的控制模型图。

图5是本发明一种用于深水吊装作业过程中的主动升沉补偿系统的另一较佳实施方式的控制模型图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1所示，其为本发明所述的一种用于深水吊装作业过程中的主动升沉补偿系统的较佳实施方式的方框图。所述用于深水吊装作业过程中的主动升沉补偿系统的较佳实施方式包括运动计算单元、控制单元、液压驱动单元和机械执行单元。所述运动计算单元为控制单元提供母船及吊载的升沉运动和吊缆张力信号，所述控制单元通过控制算法将输入的主控信号、母船升沉运动信号及吊载垂向运动反馈信号，计算得到输出信号，实现对液压驱动单元的控制。所述液压驱动单元是连接控制单元与执行单元的桥梁，为控制单元信号的执行与实现提供动力。所述机械执行单元是实现吊缆非线性运动控制的最终执行机构。

具体的，所述运动计算单元用于将检测到的所有信号，包括工作母船的升沉运动信号、吊载的实时速度信号以及吊缆的实时张力信号，结合输入的主控信号，作数学运算后形成控制单元的输入信号，传递到控制单元，所述控制单元经过运算处理后得到控制信号作用于液压驱动单元，通过改变液压驱动单元构件的运动方向，最终由机械执行机构完成对吊缆的运动控制。

请继续参考图2所示，其为所述液压驱动单元的较佳实施方式的方框图。本实施方式中，所述液压驱动单元采用液压二次静液调节驱动系统，所述液压驱动单元的较佳实施方式包括恒压变量泵4、蓄能器5、电液伺服阀3、变量液压缸2及液压马达/泵1。所述液压马达/泵1与变量液压缸2及电液伺服阀3均相连，所述液压马达/泵1还与恒压变量泵4及蓄能器5相连，所述电液伺服阀3还与恒压变量泵4及蓄能器5均相连。

本实施方式中，所述恒压变量泵4与蓄能器5组成了恒压油源，所述电液伺服阀3、变量液压缸2及液压马达/泵1构成二次元件。所述恒压油源用于提供稳定的恒压。所述液压马达/泵1工作于恒压油源，其工作压力恒定不变，可通过调节液压马达/泵1的排量来适应负载转矩或转速的变化。本实施方式中，所述液压马达/泵1选用轴向柱塞变量泵，可通过调节其内部的斜盘倾角大小来控制液压马达/泵1的排量。所述液压马达/泵1的内置斜盘与变量液压缸2的液压杆相连，液压杆的左右移动会改变斜盘倾角。所述变量液压缸2通过电液伺服阀3控制，电液伺服阀3的开口大小与方向由控制单元控制。为提高液压马达/泵1的性能，其内部设置反馈控制回路，利用转速传感器检测液压马达/泵1的转速作为反馈信号，传送给控制单元进行控制。

所述液压二次静液调节驱动系统适用于惯性负载系统，所谓惯性负载系统是指具有一定质量的负载，在机械执行单元的驱动下处于旋转运动或者直线运动且具有一定动能的负载系统。所述液压二次静液调节驱动系统通过调节二次元件的排量进行功率匹配，系统中的压力基本不变，二次元件直接与恒压油源相连，因此可节约大量的能量。另外，由于蓄能器5的加入，不但可以较好的抑制压力限制元件发热所引起的功率损耗，而且还通过回收、释放液压能有效提高了系统的工作效率。

下面将具体对液压马达/泵1、变量液压缸2及电液伺服阀3的工作原理进行说明：

所述电液伺服阀3的传递函数用二阶振荡模型来表示，即

其中：Q_v(s)表示电液伺服阀3的输出流量(m³/s)；I表示电液伺服阀3的输入电流(A)；K_v表示电液伺服阀3的流量增益[m³/(s·A)]；ω_v表示电液伺服阀3的固有频率(rad/s)；ζ_v表示电液伺服阀3的阻尼比，s表示传递系数。

对于本发明所述的主动升沉补偿系统，所述电液伺服阀3的自身固有频率远大于补偿系统的频率，故其传递函数可以简化为如下比例环节：

所述变量液压缸2的连续性方程如下所示：

其中，q_v表示变量液压缸2的流量(m³/s)；A表示变量液压缸2的有效作用面积(m²)；Y表示变量液压缸2的内部活塞位移(m)；C_tc表示变量液压缸2的泄漏系数[(m·N)/s]；pL表示变量液压缸2的两腔压力差(N/m²)；V_t表示变量液压缸2的两腔总容积(m³)；β_e表示液压油体积弹性模量(N/m²)。

所述变量液压缸2的力平衡方程如下所示：

Ap_L＝(ms²+B_cs+K₁)Y+F_SE，

其中，m表示变量液压缸2的活塞质量(kg)；B_c表示变量液压缸2的阻尼系数[N/(m·s)]；K₁表示变量液压缸2的弹簧等效刚度(N/m)；F_SE表示活塞和斜盘之间作用力。

所述变量液压缸2的活塞与斜盘之间的力平衡方程如下所示：

其中，J_s表示斜盘转动惯量(kg·m²)；L_s表示斜盘转动中心到变量液压缸2的距离(m)；B_s表示斜盘转动相当粘滞阻尼系数[N/(m·s)]；K_s表示斜盘转角相当弹性系数(N/m)。

所述液压马达/泵1的排量方程如下所示：

其中，V₂表示液压马达/泵1的排量(m³/rad)；V_2max表示液压马达/泵1的最大排量(m³/rad)；Y_max表示变量液压缸2的活塞最大位移(m)；α_max表示变量斜盘最大摆动角度(°)；α表示变量斜盘摆动角度(°)。

所述液压马达/泵1的力矩平衡方程如下所示：

其中，M₂表示液压马达/泵1的转矩(N·m)；p₀表示恒压网络压力(N/m²)；J₂表示液压马达/泵1的转动惯量(kg·m²)；

表示液压马达/泵1的转角(rad)；R_H表示液压马达/泵1的阻尼系数[(N·m·s)/rad]；M_L表示负载转矩(N·m)。

请继续参考图3所示，所述机械执行单元由液压驱动系统驱动进行转动，进而带动吊载以不同的转速和转向进行转动，所述机械执行单元包括变速箱、滑轮组、吊缆以及绞车。本实施方式中，所述变速箱采用多级行星齿轮变速箱。所述绞车与变速箱相连，所述变速箱与滑轮组相连，所述滑轮组与吊缆相连。

本发明所述的主动升沉补偿系统的控制模型如图4所示。

其中，U表示输入电压，K_v表示电液伺服阀的流量增益[m³/(s·A)]，T_xv表示动态响应时间，V_t表示变量液压缸的两腔总容积(m³)，β_e表示液压油体积弹性模量(N/m²)，C_tc表示变量液压缸的泄漏系数[(m·N)/s]，A表示变量液压缸的有效作用面积(m²)，m表示变量液压缸活塞质量(kg)，B_c表示变量液压缸的阻尼系数[N/(m·s)]，K₁表示变量液压缸的弹簧等效刚度(N/m)，V_2max表示液压马达/泵的最大排量(m³/rad)，Y_max表示变量液压缸的活塞最大位移(m)，p₀表示恒压网络压力(N/m²)，M_L表示负载转矩(N·m)，r表示卷筒半径，J₂表示液压马达/泵的转动惯量(kg·m²)，R_H表示液压马达/泵的阻尼系数[(N·m·s)/rad]，V_m表示吊装速度，H_m表示吊装位移，J_s表示斜盘转动惯量(kg·m²)，L_s表示斜盘转动中心到变量液压缸距离(m)，B_s表示斜盘转动相当粘滞阻尼系数[N/(m·s)]，K_s表示斜盘转角相当弹性系数(N/m)，As表示液压缸横截面积。

在保证控制精度的前提下，为了减少控制响应时间，在合理的条件下对上述系统模型进行简化：结合实际应用中柱塞以及斜盘等的实际质量可知，F_SE是一个小量，故不计其作用；驱动装置收放吊载过程的固有频率是很低的，故忽略不计变量油缸的二阶项；活塞质量m很小，变量液压缸的弹簧等效刚度K₁很大，变量液压缸的腔总容积K₁相对较小，可以把液压缸环节视为一个比例积分环节。如下所示，优化后的主动升沉补偿系统的控制模型如图5所示。

上述主动升沉补偿系统通过运动计算单元将检测到的所有信号，结合输入的主控信号，作数学运算后形成控制单元的输入信号传递给控制单元，所述控制单元经过运算处理后得到控制信号作用于液压驱动单元，通过改变液压驱动单元的运动方向，最终由机械执行机构完成对吊缆的运动控制，可有效控制吊载处的垂向运动，最大程度地降低吊缆垂向运动对整个施工过程的影响，以提高水下施工尤其是深水作业的安全性、高效性和可靠性。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (4)

1.用于深水吊装作业过程中的主动升沉补偿系统，其特征在于：包括运动计算单元、控制单元、液压驱动单元和机械执行单元，所述运动计算单元用于检测工作母船的升沉运动信号、吊载的实时速度信号、吊载垂向运动反馈信号以及吊缆的实时张力信号，并结合输入的主控信号进行运算后输出至控制单元，所述控制单元用于对其进行计算以得到输出信号，以对所述液压驱动单元进行控制，所述液压驱动单元连接于控制单元与机械执行单元之间，用于为机械执行单元提供动力，所述机械执行单元用于实现补偿吊缆的非线性升沉运动；所述液压驱动单元包括恒压变量泵、蓄能器、电液伺服阀、变量液压缸及液压马达/泵，所述液压马达/泵与变量液压缸及电液伺服阀均相连，所述液压马达/泵还与恒压变量泵及蓄能器相连，所述电液伺服阀还与恒压变量泵及蓄能器均相连；所述恒压变量泵与蓄能器组成恒压油源，所述电液伺服阀、变量液压缸及液压马达/泵构成二次元件，所述恒压油源用于提供稳定的恒压，所述液压马达/泵工作于恒压油源，其工作压力恒定不变，可通过调节液压马达/泵的排量来适应负载转矩或转速的变化，所述电液伺服阀的传递函数用二阶振荡模型来表示：

其中：Q_v(s)表示电液伺服阀的输出流量(m³/s)；I表示电液伺服阀的输入电流(A)；K_v表示电液伺服阀的流量增益[m³/(s·A)]；ω_v表示电液伺服阀的固有频率(rad/s)；ζ_v表示电液伺服阀的阻尼比，s表示传递系数，所述变量液压缸的连续性方程如下所示：

其中，q_v表示变量液压缸的流量(m³/s)；A表示变量液压缸的有效作用面积(m²)；Y表示变量液压缸的内部活塞位移(m)；C_tc表示变量液压缸的泄漏系数[(m·N)/s]；p_L表示变量液压缸的两腔压力差(N/m²)；V_t表示变量液压缸的两腔总容积(m³)；β_e表示液压油体积弹性模量(N/m²)；

所述变量液压缸的力平衡方程如下所示：

Ap_L＝(ms²+B_cs+K₁)Y+F_SE，

其中，m表示变量液压缸的活塞质量(kg)；B_c表示变量液压缸的阻尼系数[N/(m·s)]；K₁表示变量液压缸的弹簧等效刚度(N/m)；F_SE表示活塞和斜盘之间作用力，所述液压马达/泵的排量方程如下所示：

其中，V₂表示液压马达/泵的排量(m³/rad)；V_2max表示液压马达/泵的最大排量(m³/rad)；Y_max表示变量液压缸的活塞最大位移(m)；α_max表示变量斜盘最大摆动角度(°)；α表示变量斜盘摆动角度(°)；

所述液压马达/泵的力矩平衡方程如下所示：

其中，M₂表示液压马达/泵的转矩(N·m)；p₀表示恒压网络压力(N/m²)；J₂表示液压马达/泵的转动惯量(kg·m²)；

表示液压马达/泵的转角(rad)；R_H表示液压马达/泵的阻尼系数[(N·m·s)/rad]；M_L表示负载转矩(N·m)。

2.如权利要求1所述的用于深水吊装作业过程中的主动升沉补偿系统，其特征在于：所述液压马达/泵为轴向柱塞变量泵，通过调节其内部的斜盘倾角大小来控制液压马达/泵的排量，所述液压马达/泵的内置斜盘与变量液压缸的液压杆相连，所述变量液压缸通过电液伺服阀控制，所述电液伺服阀的开口大小与方向由控制单元控制。

3.如权利要求1所述的用于深水吊装作业过程中的主动升沉补偿系统，其特征在于：所述机械执行单元包括变速箱、滑轮组、吊缆以及绞车，所述绞车与变速箱相连，所述变速箱与滑轮组相连，所述滑轮组与吊缆相连。

4.如权利要求3所述的用于深水吊装作业过程中的主动升沉补偿系统，其特征在于：所述变速箱采用多级行星齿轮变速箱。

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