CN115184059A - 基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台及其工作方法，属于海洋工程技术及装备技术领域，包括实验台架、母船模拟液压缸、扰动模拟液压缸、储缆绞车、四象限马达、被动马达、负载、定滑轮组机构、弹簧机构、控制器和泵站系统；储缆绞车的缆绳穿过定滑轮组机构、末端连接拉力传感器，拉力传感器下端经弹簧机构连接负载；MRU姿态传感器、拉力传感器、拉线位移传感器、泵站系统均与控制器信号连接。本发明在升沉补偿技术方面结合了主被动升沉补偿方式，在更高补偿精度的前提下减少了能耗，提高了系统效率及可靠性，适用的海况范围更广，占用工作空间小，便于安装及维护，可移植性强，极大地降低了使用、维护成本，有更好的综合性能。

Description

基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台及其工作方法，属于海洋工程技术及装备技术领域。

背景技术

随着世界海洋资源的不断开发以及各国对海洋技术与装备的高度重视，对海洋工程系统及装备的需求量日益增加。诸如海洋油气开采、深海探测、海上风电安装及海上物资运输等重大海洋工程作业中，皆需由船舶起重机执行设备布放和吊装等作业。然而受海上风浪影响，母船在海上作业中会产生横摇、横荡、纵摇、纵荡、艏摇、垂荡六个自由度的运动，带动起吊负载随母船运动，对起吊作业的安全产生很大威胁。

升沉补偿技术就是抵消海洋装备上述六自由度运动中升沉方向运动的补偿校正技术。利用此技术可以避免负载大幅运动且位置不准、钢丝绳断裂、工作效率低下、威胁工作人员人身安全等一系列问题，从而大幅增强海洋作业的效率及安全性。升沉补偿系统按照补偿形式分为被动补偿、主动补偿和主被动补偿。在负载发生变化之后，被动补偿系统利用蓄能器缓冲的原理，通过压力的变化驱动补偿装置动作，此种升沉补偿方式存在着精度低、滞后严重、补偿效率低、无法适应恶劣海况等诸多短板。主动式升沉补偿系统依靠系统本身的能源动力，通过检测元件和控制器的共同作用，使负载几乎与海上作业设备同时、反向运动，改进了被动补偿系统的缺点和不足，但是主动升沉补偿系统存在着造价及能耗较高的问题。主被动补偿器是主动补偿和被动补偿的结合，应用较为广泛，但仍存在能量损失，结构复杂，且无法解决穿越浪溅区时缆绳断裂或脱缆等问题。因此，无论是被动补偿、主动补偿还是主被动补偿装备的研制都需要做大量实验确保有效性才能投入实际使用。

升沉补偿系统实海况测试成本巨大，且遇恶劣天气时，施工工期拖延导致耽误研制进度，而现有的升沉补偿实验台大多功能单一，系统参数大多为设计好的，难以根据所需更改，实验台适应性较差，且一般不能模拟负载实际工况的功能，例如，中国专利文献CN114279737A提出了一种升沉补偿实验台架，采用动滑轮式机械结构进行海浪模拟，油缸结合蓄能器式结构用于补偿的形式，虽较好地模拟了海浪上升下降，但忽略了真实工况下负载与水之间的相互作用关系；中国专利文献CN101032996A提出了一种基于恒定压差的水下拖体被动升沉补偿系统，采用蓄能器和比例溢流阀建立了液压马达两端恒定的压差实现被动补偿，虽相较于传统被动补偿提高了精度，但因被动补偿方式自身的滞后性和单一性，其相较于主动式或半主动式仍有较大差距，且其液压回路较为复杂，增加了成本；中国专利文献CN104851354A提出了一种船用起重机升沉补偿系统研究的实验装置，采用双电机作为补偿驱动器，可伸缩杆带动平台模拟船舶运动，水槽模拟负载入水，实验条件较为完备，但与实际使用情况较为偏离，电机作为驱动器不能很好地模拟大多数实际工程使用的液压驱动方式，含虎克铰的可伸缩杆其长度经计算机逆运动学方程计算后可能产生较大偏差，作为反馈信号可能不够精确，水槽仅底部放置不同材质材料模拟不同海底状况，忽略了水面波浪及水流流动才是对升沉补偿系统造成影响的主要因素。

为此有必要建立能灵活根据所需更改系统参数且能进行模拟海况测试的实验台，更好地验证所研制升沉补偿控制系统的有效性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台及其工作方法，在升沉补偿技术方面结合了主被动升沉补偿方式，在更高补偿精度的前提下减少了能耗，提高了系统效率及可靠性，适用的海况范围更广，占用工作空间小，便于安装及维护，可移植性强，极大地降低了使用、维护成本，有更好的综合性能。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，包括实验台架、母船模拟液压缸、扰动模拟液压缸、储缆绞车、四象限马达、被动马达、负载、定滑轮组机构、弹簧机构、控制器和泵站系统；

所述实验台架共有三层，层与层之间依靠四根导向柱连接，实验台架的最下层固定于地面上，母船模拟液压缸和扰动模拟液压缸上均设置有一油缸位移传感器，油缸位移传感器与控制器连接，母船模拟液压缸、扰动模拟液压缸及油缸位移传感器均固定于实验台架的第下层；实验台架的中间层为母船模拟平台，母船模拟液压缸的液压杆上端固定于母船模拟平台底部，母船模拟液压缸中液压杆的伸缩能够带动母船模拟平台相对于导向柱上下运动；母船模拟平台上还固定有MRU姿态传感器；

所述四象限马达和被动马达均固定在母船模拟平台上，被动马达与四象限马达分布于储缆绞车两侧，均通过联轴器与储缆绞车连接，储缆绞车的缆绳穿过最上层中心孔通过定滑轮组机构，绳穿过最上层中心孔可以最大限度减少负载的重量给实验台架带来的偏载，避免由于负载重量大时导致实验台架发生大的形变，也可以减少需要为实验台架配重的成本，缆绳末端连接拉力传感器，拉力传感器下端连接弹簧机构，弹簧机构下端连接负载，负载底部固定于扰动模拟液压缸的液压杆顶端或者位于水中；

所述实验台架的最上层固定于导向柱顶端，定滑轮组机构固定于实验台架的最上层；

所述定滑轮组机构的底部与负载之间设置有拉线位移传感器，用于测量负载位移，所述MRU姿态传感器、拉力传感器、拉线位移传感器、泵站系统均与控制器信号连接。

本发明在实海况模拟方面针对负载所需不同控制方式，结合液压缸式负载扰动加入了MRU姿态传感器、销轴传感器、拉力传感器及拉线位移传感器等传感器，实现实验台完备的测试方式。

优选的，所述定滑轮组机构包括三个定滑轮、两个支撑架、四根支撑杆和一个安装底板，安装底板固定于实验台架的最上层，三个定滑轮包括定一滑定轮A和两定滑轮B，滑定轮A安装于安装底板中部且附加有销轴传感器，销轴传感器与控制器连接，

两定滑轮B通过支撑架和支撑杆对称安装于两侧，支撑架一端与定滑轮B固定连接，另一端与安装底板铰接，四根支撑杆中两两配合形成两对支撑杆，每一对支撑杆中的两个支撑杆之间能够伸缩，每一对支撑杆的一端与定滑轮A铰接，另一端与支撑架靠近定滑轮B的一端铰接；缆绳依次穿过其中一个定滑轮B上部、定滑轮A底部和另一个定滑轮B上部后连接拉力传感器，拉线位移传感器固定于安装底板底部，另一端连接于负载上，测量负载位移反馈到控制器构成闭环控制。

销轴传感器用于测量缆绳张力反馈到控制器构成闭环控制，四根支撑杆连接支撑架保障机构可靠性，同时支撑杆长度可调，以此可以改变两支撑架之间的夹角，中间段缆绳与竖直方向的夹角θ也会随之改变，销轴传感器所受力

与缆绳中的张力

之间的关系为：

一般可调整支撑杆长度使得θ=60°，此时

，方便计算；

当负载重量变化或负载工况改变时，缆绳中的张力会变化，当张力增大时，销轴传感器所受力

也会增大，为防止传感器所受力超出量程，可以适当增大夹角θ，使销轴传感器所受力

始终在量程范围内，因此可以使同一个销轴传感器适配多种工况，节约成本；

本发明中，控制器可接受MRU姿态传感器和拉线位移传感器测得的速度和位移信号（MRU姿态传感器测得加速度和速度信号，可经过控制器内部积分出位移，拉线位移传感器测得位移信号），依靠预设程序综合计算，计算出母船真正的实际位移，作为控制升沉补偿实验台的信号输入（MRU姿态传感器和拉线位移传感器主要用于实验台的升沉补偿功能，位移信号输入到实验台的四象限马达变排量机构，实现四象限马达转速改变进而调节缆绳长度，马达的转速控制由四象限马达自带编码器测得的转速信号反馈到控制器构成闭环实现，最终实现补偿升沉位移的功能），同时根据测得信号的时间判断从母船模拟平台发生位移到四象限马达带动负载补偿掉负载和母船模拟平台之间的相对位移的系统响应滞后，可以再经过预设程序，实现相位矫正，弥补传统升沉补偿系统的大惯性特性带来的补偿精度较低的问题，预设计算程序并不是本发明的重点，可采用现有技术进行，不影响本发明的实施；

本发明中，控制器可接受销轴传感器和拉力传感器的力信号，设计升沉补偿缆绳张力补偿控制系统，实现张力控制；

本发明中，控制器可接受泵站系统所有电信号并根据实验人员需要输出指令，如所有的电磁开关阀、伺服比例阀、电机编码器、电磁减压阀以及各类传感器的电信号均由控制器接受和输出；

优选的，所述泵站系统包括恒压蓄能器、第一电磁开关阀、第一液控单向阀、第二液控单向阀、第一伺服比例阀、第二伺服比例阀、泵、电机、油箱、电磁溢流阀、第二电磁减压阀、第六电磁开关阀、低压蓄能器、第五电磁开关阀、高压蓄能器、电磁换向阀、第四电磁开关阀、第三电磁开关阀、第四液控单向阀、第三液控单向阀和第二电磁开关阀；

所述电机为伺服电机，电机与泵连接，根据所设不同等级的期望压力值与主油路压力值反复调整定量泵的转速，进而控制流量，实现主油路的恒压控制，泵站系统的主油路为恒压，扰动模拟液压缸、母船模拟液压缸、四象限马达、被动马达等执行器均工作在恒压主油路中，恒压蓄能器工作在主油路中，恒压蓄能器连接第一电磁开关阀，主要用来降低扰动升降液压缸、母船模拟液压缸、推波液压缸等执行器造成的压力波动以及回收四象限马达在泵工况下能量；

母船模拟液压缸两油口连接于泵站系统的第一伺服比例阀的A、B口，两油路之间采用第一液控单向阀和第二液控单向阀实现互锁，当模拟母船运动时，可以通过控制器根据油缸位移传感器测得母船模拟平台的运动反馈到控制器构成闭环控制，可方便由实验人员自行选择控制母船模拟平台的运动曲线；

扰动模拟液压缸两个油口连接于泵站系统的第二伺服比例阀的A、B口，两油路之间用第三液控单向阀和第四液控单向阀实现互锁，两油口分别再通过第二电磁开关阀和第三电磁开关阀连接到油箱，当模拟只考虑负载质量不考虑负载扰动的工况下进行升沉补偿控制系统测试时，可以打开两个电磁开关阀，使两端压力均为零，此时油缸伸出杆重量可以视为负载重量的一部分；

当需要在负载上施加扰动时，可以通过控制器根据扰动模拟液压缸的油缸位移传感器反馈做闭环控制，输出指令到第二伺服比例阀实现所需负载扰动，此时第二电磁开关阀和第三电磁开关阀均处于关闭状态；

四象限马达的进油口连接于泵站系统的第四电磁开关阀，可以控制马达油路通断，出油口直接回油箱，油箱进出油路之间连接电磁溢流阀用以调节主油路压力，四象限马达工作在恒压蓄能器构成的恒压网络中，因此工作时其输出扭矩与其排量相关，四象限马达的进油口的压力可以通过第二电磁减压阀调节，因此其进出油口压差为可调的，以此来模拟当其他条件一致时，仅调节四象限马达进出油口压差，测试所设计升沉补偿系统的适应性和有效性；四象限马达优点在于转速与输出扭矩方向相反时，本发明中一般为负载下落带动马达转动时，马达工况可以切换为泵工况，将负载重力势能转换为油的液压能，储存在恒压蓄能器中实现节能；

四象限马达的刹车油口连接于泵站系统的电磁换向阀，刹车油口是指为保障系统安全自带的机械刹车装置即一个弹簧活塞机构的油口，当刹车油口没有压力油时，活塞杆被弹簧顶出，实现机械刹车，当电磁换向阀得电时，高压油进入刹车油口的活塞腔，使其松开刹车，为保证安全，设置断电状态为自动刹车状态；

被动马达接入实验台时，被动马达与主油路之间连接第五电磁开关阀和第六电磁开关阀，被动马达油路与泵站系统主油路被第五电磁开关阀和第六电磁开关阀断开，得电时才能连通，第五电磁开关阀和第六电磁开关阀分别连接高压蓄能器和低压蓄能器，被动马达为定排量的马达，工作在高压蓄能器和低压蓄能器形成的定压差闭路中，实现输出转矩的恒定输出，其输出转矩与其进出油口压差相关，用来克服负载和扰动模拟液压缸伸出杆的自重，减少四象限马达的功率输出，达到节能的效果；

当被动马达未接入实验台时，四象限马达带动储缆绞车转动需要克服负载重量，因为F-mg=ma，当被动马达未接入实验台时，因为其排量固定，通过调节其进出口压差，可以使其输出转矩改变至平衡掉mg，此时四象限马达的输出力F=ma，对于扰动模拟液压缸伸出杆一样的，当扰动模拟液压缸进出口压力为0时，油缸伸出杆重量可以视为负载重量的一部分。

当高压蓄能器和低压蓄能器之间的压差需要改变时，可以通过切换电磁开关阀的状态实现，当需要更改高压蓄能器的压力时，关闭第六电磁开关阀，打开第五电磁开关阀，当需要更改低压蓄能器的压力时，关闭第五电磁开关阀，打开第六电磁开关阀，以此实现对不同质量负载的大小不同的恒转矩输出，达到负载匹配（负载匹配即根据负载去调节高压蓄能器和低压蓄能器之间的压差，被动马达永远是平衡负载的）的效果。

优选的，所述母船模拟平台与导向柱之间采用导向套连接，导向套为空心圆柱形，外侧为母船模拟平台固定连接，内侧与导向柱之间构成滑动摩擦副；

导向套可选用球面导向套或者普通导向套，使用时导向套与导向柱之间涂润滑油，避免直接接触，当实验台受到较大偏载使导向柱发生形变时，导向套可以自动调位，使导向套轴线始终与运动方向一致，避免导向柱的形变影响母船模拟平台的运动，带有油缸位移传感器的母船模拟液压缸的上端固定于母船模拟平台底端，三者构成母船模拟运动系统，母船模拟液压缸的伸缩带动母船模拟平台上下运动，实现母船运动的模拟，油缸位移传感器测得母船模拟平台的运动反馈到控制器构成闭环控制，可方便由实验人员自行选择控制母船模拟平台的运动曲线。

优选的，所述弹簧机构包括上吊钩、下吊钩以及连接上吊钩和下吊钩的弹簧，通过更换不同刚度的弹簧，能够模拟深海拖曳时缆绳不同刚度的情况下测试所设计升沉补偿控制系统的有效性。

所述负载包括带钩底座和片状负载，所述带钩底座中部为螺纹杆，上端钩子与弹簧机构的下吊钩连接，片状负载上设置有缺口，多个片状负载从缺口处穿过螺纹杆依次堆叠在带钩底座上，依靠螺纹杆上端的螺母锁紧。

根据所需不同重量的负载，可调节片状负载的数量达到要求，除了可调节数量之外，还可以通过设计不同的材质、形状的负载进行水动力测试；

当需要测试同体积不同质量的负载在入水时缆绳受到的张力波动时，可以通过调整不同材质的负载实现，用于研究不同重量负载惯性对缆绳恒张力控制影响实验；

当需要测试不同形状负载在入水时缆绳受到的张力波动时，可以通过调整叠加片状负载的形状实现，不限于实现正方体、长方体、圆柱体、圆球以及不规则形状的实现，用于研究不同形状负载的水动力结果对缆绳恒张力影响的实验。

优选的，为模拟真实海况下负载入水过程的缆绳张力波动，本发明还包括椭圆形水池和推波机构，椭圆形水池内部固定设置有一椭圆平台，试验台架和泵站系统均固定在椭圆平台上，椭圆平台相当于地面，是固定不动的，负载能够入水用于模拟真实海况；

所述试验台架、泵站系统和推波机构均沿椭圆平台两侧的水平段分布，推波机构安装在椭圆形水池底部，用于产生所需海况相对应的波浪。

采用椭圆形水池的好处是避免了传统造波系统占地面积过大，波浪经过两次转向可以削弱波浪中蕴含的能量，避免传统消波机构带来的昂贵成本。

优选的，所述推波机构包括推波机构安装底座、推波液压缸、推波滑块、推波板和推波板安装底座；

所述推波机构安装底座和推波板安装底座均固定在椭圆形水池底部，推波液压缸固定于波机构安装底座上，推波液压缸的伸出杆通过推波滑块与推波板连接，推波滑块与伸出杆铰接；

所述推波板铰接于推波板安装底座上，推波板上设置有导轨，推波滑块能够在导轨中移动，当推波液压缸伸出杆伸长时，带动推波滑块在导轨中滑动，推波滑块带动推波板转动产生波浪，波浪的频率和幅值控制由推波液压缸的第三比例伺服阀设定指令决定，具体的，第三比例伺服阀输入的指令可直接控制推波液压缸往复运动的频率和幅值，进而控制推波板转动的频率和角度。

所述导轨垂直分布于推波板中部，导轨为T型槽结构，推波滑块为T型，推波滑块嵌套在T型槽结构内沿T型槽结构滑动；

本发明中，推波滑块一端与推波液压缸伸出杆铰接，另一端为T型，与推波板的T型槽结构相配合构成滑动摩擦副，推波板的T型槽结构分布在推波板中间，当推波液压缸伸出杆运动时，推波滑块在推波板的T型槽中运动带动推波板转动；推波滑块在安装时从推波板的T型槽结构上端滑入，与推波液压缸连接好后，推波滑块受推波液压缸行程限制始终在导轨内不分离；

优选的，所述推波液压缸通过第三伺服比例阀、第一电磁减压阀与主油路连接，推波液压缸的伸出杆往复运动通过切换第三伺服比例阀电信号实现，通过控制第一电磁减压阀电信号可以控制推波液压缸进口压力。

优选的，所述椭圆形水池内设置有沙坑和消波机构，沙坑和消波机构分别分布于靠近椭圆平台水平段两侧的椭圆形水池内；沙坑的作用是模拟负载接触不同海底环境时对缆绳带来的影响，消波机构的作用是疏散推波机构之前的波浪，使进入推波机构的水更平缓，防止对将要产生的波浪产生影响；

所述消波机构环绕椭圆形水池呈阶梯式上升结构，最高处与推波机构背面相连接，如此可以使波浪撞击到侧壁时产生反方向的流动，消耗能量，每一阶梯上均设置有竖向分布的通孔，每一阶梯上的通孔孔径从内到外依次增大，阶梯的形状为扇形，另外受离心力影响，外侧水流更大，因此外侧孔要比内侧大，以保证外侧水流良好的通过性，避免反向流动过大影响负载所在侧水流。

一种上述权利要求所述的基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台的工作方法，实验工况包括A、B、C和D，A工况为负载在空气中的运动过程，即模拟从甲板起吊至空气过程，研究基于四象限马达的升沉补偿系统的位置补偿控制实验，B工况为负载从接触水波至完全穿过水波浪溅区的过程，即模拟负载穿越水波浪溅区过程，研究基于四象限马达的升沉补偿系统的缆绳恒张力补偿控制实验，C工况为负载是从完全进入水中至达到海底的过程，即模拟负载在水下到海底着陆过程，研究基于四象限马达的升沉补偿系统负载位移控制实验，D工况为负载是从海底着陆到吊起过程，模拟负载海床着陆及起吊所受泥沙的影响，研究基于四象限马达的升沉补偿系统负载位移与缆绳张力复合控制实验，A、B、C和D四个工况下的工作过程都是一样的，主要是看进行的是位置补偿还是张力补偿；

本发明中所有工况均需有母船模拟运动部分和四象限马达部分；

当接入被动马达时，需有被动马达部分；

当不在实验水池进行实验时，需添加负载扰动模拟部分；

当在实验水池进行实验时，需添加推波机构和消波机构部分，除去扰动模拟部分；

母船模拟运动部分，带有油缸位移传感器的母船模拟液压缸伸缩带动母船模拟平台上下运动，实现母船运动的模拟，母船模拟液压缸两油口连接于泵站系统的第一伺服比例阀的A、B口，两油路之间采用第一液控单向阀和第二液控单向阀实现互锁，当模拟母船运动时，可以根据油缸位移传感器测得母船模拟平台的运动反馈到控制器构成闭环控制，通过控制器给第一伺服比例阀电信号控制母船模拟液压缸的伸缩，可方便由实验人员自行选择控制母船模拟平台的运动曲线；

扰动模拟部分，扰动模拟液压缸两个油口连接于泵站系统的第二伺服比例阀的A、B口，两油路之间用第三液控单向阀和第四液控单向阀实现互锁，两油口分别再通过第二电磁开关阀和第三电磁开关阀连接到油箱，当模拟只考虑负载质量不考虑负载扰动的工况下进行升沉补偿控制系统测试时，可以打开第二电磁开关阀和第三电磁开关阀，使两端压力均为零，此时扰动模拟液压缸伸出杆重量可以视为负载重量的一部分，当需要在负载上施加扰动时，可以通过控制器根据扰动模拟液压缸的油缸位移传感器反馈做闭环控制，输出指令到第二伺服比例阀实现所需负载扰动，此时第二电磁开关阀和第三电磁开关阀均处于关闭状态；

被动马达油路与泵站系统主油路被第五电磁开关阀和第六电磁开关阀断开，得电时才能连通，被动马达为定排量的马达，工作在高压蓄能器和低压蓄能器形成的定压差闭路中，实现输出转矩的恒定输出，其输出转矩与其进出油口压差相关；

四象限马达部分，四象限马达的进油口连接于泵站系统的第四电磁开关阀，可以控制马达油路通断，出油口直接回油箱，四象限马达工作在恒压蓄能器构成的恒压网络中，因此工作时其输出扭矩和转速与其排量相关，其进油口的压力可以通过第二电磁减压阀调节；

母船模拟液压缸伸缩带动母船模拟平台上下运动，当被动马达不接入系统时，四象限马达根据MRU姿态传感器和拉线位移传感器通过控制器计算出的母船真实位移带动储缆绞车转动以保持负载的运动不受母船模拟平台运动的影响，即补偿掉了母船运动对负载的影响，转动的控制是四象限马达根据其自带的编码器传送到控制器的电信号构成闭环，控制四象限马达的排量实现，通过改变四象限马达的排量，还可以实现四象限马达的马达和泵工况切换，当马达带动负载运动时为马达工况，当负载带动马达转动时为泵工况，四象限马达的技术为现有技术不属于本发明重点内容，当四象限马达工作在泵工况时，可以从油箱吸油储存在恒压蓄能器中以重复利用能量，达到节能效果；

对于扰动模拟液压缸造成的扰动主要体现在缆绳张力的波动，实验台进行张力补偿主要是依靠销轴传感器传入到控制器的电信号换算出缆绳张力作为控制系统的反馈输入，通过控制器输出电信号到四象限马达，通过改变排量改变输出力矩补偿掉张力的波动，拉力传感器的存在是为了实验台自身矫正销轴传感器测得的缆绳张力加入的，目的是保证测得的张力准确；

当被动马达接入时，工作过程同上，只是被动马达的恒转矩输出平衡掉了负载的重力，因此四象限马达的输出功率减少了，达到了节能效果；

值得注意的是，不管是位置补偿还是张力补偿，虽然都是控制四象限马达的排量来实现补偿，但两者并不冲突可以同时进行，这主要是与实验人员采取的补偿算法有关，本发明只是阐述了实验台在正常补偿工作的使用方式，对于采取的算法并不是本发明的重点内容，可参考现有技术进行。

优选的，当在椭圆形水池进行实验时，扰动模拟液压缸造成的扰动被水池里的水波替代，以模拟真实海况下的负载工况；

推波机构工作时，推波液压缸与第三伺服比例阀油路连接，并固定在推波机构安装底座上，伸出杆通过推波滑块与推波板连接，推波滑块在推波板中的导轨中移动，推波板安装在推波板安装底座上，当推波液压缸伸出杆伸长时，带动推波滑块在导轨中滑动，推波滑块带动推波板转动，控制器对第三比例伺服阀输入的指令直接控制到推波液压缸往复运动的频率和幅值，进而控制到推波板转动的频率和角度，最终控制产生的波浪幅值和频率；

消波机构环绕椭圆形水池呈阶梯式上升布置在推波结构背面，如此能够使波浪撞击到侧壁时产生反方向的流动，消耗能量，每个阶梯均设置通孔，通孔由内到外直径逐渐增大，以保证水流良好的通过性；

沙坑用于模拟负载海床着陆及起吊所受泥沙的影响。

本发明未详尽之处，均可参见现有技术。

本发明的有益效果为：

本发明包含了绞车式升沉补偿实验台进行实验测试所需的所有结构，整体结构完善，可以进行母船运动模拟实验、负载扰动模拟实验、位置补偿实验、张力补偿实验、负载不同工况吊放实验、模拟真实海况实验等；

本发明中设计了实验台架整体结构，采用上中下三层立式结构减少了实验台的占地面积，采用液压缸带动母船模拟平台上下运动来模拟真实海况下的母船升沉运动，运动曲线可以通过控制器方便由实验人员自行选取，保证了母船模拟运动的多样性和适应性；

本发明中设计了定滑轮组机构，中间的定滑轮轴附加销轴传感器用于测量缆绳张力，四根支撑杆连接支撑架保障机构可靠性，同时支撑杆长度可调，以此可以改变两支撑架之间的夹角，中间段缆绳与竖直方向的夹角也会随之改变，可以调整此夹角使同一个销轴传感器适配不同重量的负载，避免超出传感器量程，节约成本；

本发明设计了MRU姿态传感器、拉线位移传感器测得位移信号，四象限马达自带编码器测得转速信号，依靠预设程序综合计算，计算出母船真正的实际位移，作为控制升沉补偿实验台四象限马达转速控制的信号输入进行母船位移补偿，具有比单一传感器数据误差小的优点，同时根据测得信号的时间判断从母船模拟平台发生位移到四象限马达带动负载补偿掉负载和母船模拟平台之间的相对位移的系统响应滞后，可以再经过预设程序，实现相位矫正，弥补传统升沉补偿系统的大惯性特性带来的补偿精度较低的问题；

本发明中设计了销轴传感器和拉力传感器共同测得缆绳张力，相互对比，保证测得缆绳张力的真实有效性，作为控制系统输入，更好地实现实验台对所设计的张力控制算法的验证；

本发明中设计了基于四象限马达实现主动升沉补偿的机械和液压结构，并在其基础上设计了可添加的定排量被动马达通过联轴器与储缆绞车连接实现恒转矩输出以平衡掉负载重量，其转矩可以通过改变所设计进出口油路蓄能器压差实现调节达到负载匹配的效果，减少了四象限马达用于平衡负载重量的额外做功，降低系统整体功耗；

本发明设计了扰动模拟液压缸实现陆地测试无水池时模拟波浪对负载施加扰动，扰动强度可通过控制负载扰动模拟液压缸动作实现调节，以保证实验台在陆地测试也能更真实；

另外，本发明还设计了椭圆形水池和推波机构进行真实海况下的波浪模拟，配合升沉补偿实验台可实现测试负载在各种工况下的升沉补偿效果，实验条件更接近真实情况；椭圆形水池中包括的消波机构使进入推波机构的水更平缓，防止对将要产生的波浪产生影响；

综上，本发明在升沉补偿技术方面结合了主被动升沉补偿方式，在更高补偿精度的前提下减少了能耗，提高了系统效率及可靠性，适用的海况范围更广，占用工作空间小，便于安装及维护，可移植性强，极大地降低了使用、维护成本，有更好的综合性能。

附图说明

图1为本发明的基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台整体结构示意图；

图2为本发明中储缆绞车的连接关系示意图；

图3为本发明中实验台架结构示意图；

图4为本发明中定滑轮组机构结构示意图；

图5为本发明的被动马达安装的结构示意图；

图6为本发明的弹簧机构结构示意图；

图7为本发明的负载机构结构示意图；

图8为本发明的泵站系统原理图；

图9为本发明的椭圆形水池结构示意图；

图10为本发明的消波机构结构示意图；

图11为本发明的推波机构结构示意图；

图12为椭圆形水池结构俯视图；

图13为推波板和推波滑块结构示意图；

图14为不同实验工况示意图；

图中，1.控制器，2.泵站系统，2-1.恒压蓄能器、2-2.第一电磁开关阀、2-3.第一液控单向阀、2-4.第二液控单向阀、2-5.第一伺服比例阀、2-6.第二伺服比例阀、2-7.泵、2-8.电机、2-9.油箱、2-10.电磁溢流阀、2-11.第一电磁减压阀、2-12.第二电磁减压阀、2-13.第六电磁开关阀、2-14.低压蓄能器、2-15.第五电磁开关阀、2-16.高压蓄能器、2-17.电磁换向阀、2-18.第四电磁开关阀、2-19.第三伺服比例阀、2-20.第三电磁开关阀、2-21.第四液控单向阀、2-22.第三液控单向阀、2-23.第二电磁开关阀、3.实验台架，3-1.实验台架最下层，3-2.母船模拟平台，3-3.导向柱，3-4.实验台架最上层，4.母船模拟液压缸，5.油缸位移传感器，6.负载扰动模拟液压缸，7.负载，7-1.带钩底座，7-2.螺母，7-3.片状负载，8.弹簧机构，8-1.上吊钩，8-2.下吊钩，8-3.弹簧，9.拉力传感器，10.定滑轮组机构，10-1.定滑轮B，10-2.支撑架，10-3.支撑杆，10-4.安装底板，10-5.滑定轮A，11.拉线位移传感器，12.销轴传感器，13.四象限马达，14.MRU姿态传感器，15.储缆绞车，16.被动马达，17.椭圆形水池，17-1.沙坑，17-2.消波机构，18.推波机构，18-1.推波机构安装底座，18-2.推波液压缸，18-3.推波滑块，18-4.推波板安装底座，18-5.推波板。

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

一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，如图1-图14所示，包括实验台架3、母船模拟液压缸4、扰动模拟液压缸6、储缆绞车15、四象限马达13、被动马达16、负载7、定滑轮组机构10、弹簧机构8、控制器1和泵站系统2；

实验台架3共有三层，层与层之间依靠四根导向柱3-3连接，实验台架最下层3-1固定于地面上，母船模拟液压缸4和扰动模拟液压缸6上均设置有一油缸位移传感器5，油缸位移传感器5与控制器1连接，母船模拟液压缸4、扰动模拟液压缸6及油缸位移传感器5均固定于实验台架的第下层；实验台架的中间层为母船模拟平台3-2，母船模拟液压缸4的液压杆上端固定于母船模拟平台3-2底部，母船模拟液压缸4中液压杆的伸缩能够带动母船模拟平台3-2相对于导向柱3-3上下运动；母船模拟平台3-2上还固定有MRU姿态传感器14；

四象限马达13和被动马达16均固定在母船模拟平台3-2上，被动马达16与四象限马达13分布于储缆绞车15两侧，均通过联轴器与储缆绞车15连接，储缆绞车的缆绳穿过最实验台架最上层3-4中心孔通过定滑轮组机构10，绳穿过最上层中心孔可以最大限度减少负载的重量给实验台架带来的偏载，避免由于负载重量大时导致实验台架发生大的形变，也可以减少需要为实验台架配重的成本，缆绳末端连接拉力传感器9，拉力传感器9下端连接弹簧机构8，弹簧机构8下端连接负载7，负载7底部固定于扰动模拟液压缸6的液压杆顶端或者位于水中；

实验台架最上层3-4固定于导向柱3-3顶端，定滑轮组机构10固定于实验台架的最上层；

定滑轮组机构10的底部与负载之间设置有拉线位移传感器11，用于测量负载位移， MRU姿态传感器14、拉力传感器9、拉线位移传感器11、泵站系统2均与控制器1信号连接。

本发明在实海况模拟方面针对负载所需不同控制方式，结合液压缸式负载扰动加入了MRU姿态传感器、拉力传感器及拉线位移传感器等传感器，实现实验台完备的测试方式。

实施例2

一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，如实施例1所述，所不同的是，定滑轮组机构10包括三个定滑轮、两个支撑架10-2、四根支撑杆10-3和一个安装底板10-4，安装底板10-4固定于实验台架的最上层，三个定滑轮包括定一滑定轮A 10-5和两定滑轮B10-1，滑定轮A 10-5安装于安装底板10-4中部且附加有销轴传感器12，销轴传感器12与控制器1连接，

两定滑轮B 10-1通过支撑架和支撑杆对称安装于两侧，支撑架10-2一端与定滑轮B 10-1固定连接，另一端与安装底板10-4铰接，四根支撑杆中两两配合形成两对支撑杆，每一对支撑杆中的两个支撑杆之间能够伸缩，每一对支撑杆的一端与定滑轮A 10-5铰接，另一端与支撑架靠近定滑轮B 10-1的一端铰接；缆绳依次穿过其中一个定滑轮B上部、定滑轮A底部和另一个定滑轮B上部后连接拉力传感器9，拉线位移传感器11固定于安装底板10-4底部，另一端连接于负载7上，测量负载位移反馈到控制器构成闭环控制。

销轴传感器12用于测量缆绳张力反馈到控制器构成闭环控制，四根支撑杆连接支撑架保障机构可靠性，同时支撑杆长度可调，以此可以改变两支撑架之间的夹角，中间段缆绳与竖直方向的夹角θ也会随之改变，销轴传感器所受力

与缆绳中的张力

之间的关系为：

一般可调整支撑杆长度使得θ=60°，此时

，方便计算；

当负载重量变化或负载工况改变时，缆绳中的张力会变化，当张力增大时，销轴传感器所受力

也会增大，为防止传感器所受力超出量程，可以适当增大夹角θ，使销轴传感器所受力

始终在量程范围内，因此可以使同一个销轴传感器适配多种工况，节约成本；

本发明中，控制器可接受MRU姿态传感器和拉线位移传感器测得的速度和位移信号（MRU姿态传感器测得加速度和速度信号，可经过控制器内部积分出位移，拉线位移传感器测得位移信号），依靠预设程序综合计算，计算出母船真正的实际位移，作为控制升沉补偿实验台的信号输入（MRU姿态传感器和拉线位移传感器主要用于实验台的升沉补偿功能，位移信号输入到实验台的四象限马达变排量机构，实现四象限马达转速改变进而调节缆绳长度，马达的转速控制由四象限马达自带编码器测得的转速信号反馈到控制器构成闭环实现，最终实现补偿升沉位移的功能），同时根据测得信号的时间判断从母船模拟平台发生位移到四象限马达带动负载补偿掉负载和母船模拟平台之间的相对位移的系统响应滞后，可以再经过预设程序，实现相位矫正，弥补传统升沉补偿系统的大惯性特性带来的补偿精度较低的问题，预设计算程序并不是本发明的重点，可采用现有技术进行，不影响本发明的实施；

本发明中，控制器可接受销轴传感器和拉力传感器的力信号，设计升沉补偿缆绳张力补偿控制系统，实现张力控制；

本发明中，控制器可接受泵站系统所有电信号并根据实验人员需要输出指令，如所有的电磁开关阀、伺服比例阀、电机编码器、电磁减压阀以及各类传感器的电信号均由控制器接受和输出。

本发明中所涉及的传感器，如拉力传感器、油缸位移传感器、拉线位移传感器、销轴传感器、MRU姿态传感器，均可采用现有市售型号，均不影响本发明的实施。

实施例3

一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，如实施例2所述，所不同的是，泵站系统4包括恒压蓄能器2.1、第一电磁开关阀2-2、第一液控单向阀2-3、第二液控单向阀2-4、第一伺服比例阀2-5、第二伺服比例阀2-6、泵2.7、电机2-8、油箱2.9、电磁溢流阀2-10、第二电磁减压阀2-12、第六电磁开关阀2-13、低压蓄能器2-14、第五电磁开关阀2-15、高压蓄能器2-16、电磁换向阀2-17、第四电磁开关阀2-18、第三电磁开关阀2-20、第四液控单向阀2-21、第三液控单向阀2-22和第二电磁开关阀2-23；

电机2-8为伺服电机，电机2-8与泵2-7连接，根据所设不同等级的期望压力值与主油路压力值反复调整定量泵的转速，进而控制流量，实现主油路的恒压控制，泵站系统的主油路为恒压，扰动模拟液压缸6、母船模拟液压缸4、四象限马达13、被动马达16等执行器均工作在恒压主油路中，恒压蓄能器2-1工作在主油路中，恒压蓄能器2-1连接第一电磁开关阀2-2，主要用来降低扰动升降液压缸、母船模拟液压缸、推波液压缸等执行器造成的压力波动以及回收四象限马达在泵工况下能量；

母船模拟液压缸两油口连接于泵站系统的第一伺服比例阀2-5的A、B口，两油路之间采用第一液控单向阀2-3和第二液控单向阀2-4实现互锁，当模拟母船运动时，可以通过控制器根据油缸位移传感器测得母船模拟平台的运动反馈到控制器构成闭环控制，可方便由实验人员自行选择控制母船模拟平台的运动曲线；

扰动模拟液压缸6两个油口连接于泵站系统的第二伺服比例阀2-6的A、B口，两油路之间用第三液控单向阀2-22和第四液控单向阀2-21实现互锁，两油口分别再通过第二电磁开关阀2-23和第三电磁开关阀2-20连接到油箱，当模拟只考虑负载质量不考虑负载扰动的工况下进行升沉补偿控制系统测试时，可以打开两个电磁开关阀，使两端压力均为零，此时油缸伸出杆重量可以视为负载重量的一部分；

当需要在负载上施加扰动时，可以通过控制器根据扰动模拟液压缸的油缸位移传感器反馈做闭环控制，输出指令到第二伺服比例阀实现所需负载扰动，此时第二电磁开关阀和第三电磁开关阀均处于关闭状态；

四象限马达13的进油口连接于泵站系统的第四电磁开关阀2-18，可以控制马达油路通断，出油口直接回油箱2-9，油箱1-9进出油路之间连接电磁溢流阀2-10用以调节主油路压力，四象限马达13工作在恒压蓄能器构成的恒压网络中，因此工作时其输出扭矩与其排量相关，四象限马达13的进油口的压力可以通过第二电磁减压阀1-12调节，因此其进出油口压差为可调的，以此来模拟当其他条件一致时，仅调节四象限马达进出油口压差，测试所设计升沉补偿系统的适应性和有效性；四象限马达优点在于转速与输出扭矩方向相反时，本发明中一般为负载下落带动马达转动时，马达工况可以切换为泵工况，将负载重力势能转换为油的液压能，储存在恒压蓄能器中实现节能；

四象限马达的刹车油口连接于泵站系统的电磁换向阀2-17，刹车油口是指为保障系统安全自带的机械刹车装置即一个弹簧活塞机构的油口，当刹车油口没有压力油时，活塞杆被弹簧顶出，实现机械刹车，当电磁换向阀得电时，高压油进入刹车油口的活塞腔，使其松开刹车，为保证安全，设置断电状态为自动刹车状态；

被动马达接入实验台时，被动马达16与主油路之间连接第五电磁开关阀2-15和第六电磁开关阀2-13，被动马达油路与泵站系统主油路被第五电磁开关阀2-15和第六电磁开关阀2-13断开，得电时才能连通，第五电磁开关阀2-15和第六电磁开关阀2-13分别连接高压蓄能器2-16和低压蓄能器2-14，被动马达16为定排量的马达，工作在高压蓄能器和低压蓄能器形成的定压差闭路中，实现输出转矩的恒定输出，其输出转矩与其进出油口压差相关，用来克服负载和扰动模拟液压缸伸出杆的自重，减少四象限马达的功率输出，达到节能的效果；

当被动马达未接入实验台时，四象限马达带动储缆绞车转动需要克服负载重量，因为F-mg=ma，当被动马达未接入实验台时，因为其排量固定，通过调节其进出口压差，可以使其输出转矩改变至平衡掉mg，此时四象限马达的输出力F=ma，对于扰动模拟液压缸伸出杆一样的，当扰动模拟液压缸进出口压力为0时，油缸伸出杆重量可以视为负载重量的一部分。

当高压蓄能器2-16和低压蓄能器2-14之间的压差需要改变时，可以通过切换电磁开关阀的状态实现，当需要更改高压蓄能器的压力时，关闭第六电磁开关阀，打开第五电磁开关阀，当需要更改低压蓄能器的压力时，关闭第五电磁开关阀，打开第六电磁开关阀，以此实现对不同质量负载的大小不同的恒转矩输出，达到负载匹配（负载匹配即根据负载去调节高压蓄能器和低压蓄能器之间的压差，被动马达永远是平衡负载的）的效果。

实施例4

一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，如实施例3所述，所不同的是，母船模拟平台3-2与导向柱3-3之间采用导向套连接，导向套为空心圆柱形，外侧为母船模拟平台固定连接，内侧与导向柱之间构成滑动摩擦副；

导向套可选用球面导向套或者普通导向套，使用时导向套与导向柱之间涂润滑油，避免直接接触，当实验台受到较大偏载使导向柱发生形变时，导向套可以自动调位，使导向套轴线始终与运动方向一致，避免导向柱的形变影响母船模拟平台的运动，带有油缸位移传感器的母船模拟液压缸的上端固定于母船模拟平台底端，三者构成母船模拟运动系统，母船模拟液压缸的伸缩带动母船模拟平台上下运动，实现母船运动的模拟，油缸位移传感器测得母船模拟平台的运动反馈到控制器构成闭环控制，可方便由实验人员自行选择控制母船模拟平台的运动曲线。

实施例5

一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，如实施例4所述，所不同的是，如图6所示，弹簧机构包括上吊钩8-1、下吊钩8-2以及连接上吊钩和下吊钩的弹簧8-3，通过更换不同刚度的弹簧8-3，能够模拟深海拖曳时缆绳不同刚度的情况下测试所设计升沉补偿控制系统的有效性。

如图7所示，负载7为包括带钩底座7-1，带钩底座中间杆为螺纹杆，上端钩子与弹簧机构下吊钩8-2连接，带钩底座上堆叠有多个片状负载7-3，依靠螺纹杆上端的螺母7-2锁紧。

根据所需不同重量的负载，可调节片状负载的数量达到要求，除了可调节数量之外，还可以通过设计不同的材质、形状的负载进行水动力测试；

当需要测试同体积不同质量的负载在入水时缆绳受到的张力波动时，可以通过调整不同材质的负载实现，用于研究不同重量负载惯性对缆绳恒张力控制影响实验；

当需要测试不同形状负载在入水时缆绳受到的张力波动时，可以通过调整叠加片状负载的形状实现，不限于实现正方体、长方体、圆柱体、圆球以及不规则形状的实现，用于研究不同形状负载的水动力结果对缆绳恒张力影响的实验。

实施例6

一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，如实施例5所述，所不同的是，为模拟真实海况下负载入水过程的缆绳张力波动，本发明还包括椭圆形水池和推波机构18，如图9-14所示，椭圆形水池17内部固定设置有一椭圆平台，试验台架和泵站系统均固定在椭圆平台上，椭圆平台相当于地面，是固定不动的，负载能够入水用于模拟真实海况；

试验台架、泵站系统和推波机构均沿椭圆平台两侧的水平段分布，推波机构18安装在椭圆形水池17底部，用于产生所需海况相对应的波浪。

采用椭圆形水池的好处是避免了传统造波系统占地面积过大，波浪经过两次转向可以削弱波浪中蕴含的能量，避免传统消波机构带来的昂贵成本。

推波机构18包括推波机构安装底座18-1、推波液压缸18-2、推波滑块18-3、推波板18-5和推波板安装底座18-4；

推波机构安装底座18-1和推波板安装底座18-4均固定在椭圆形水池17底部，推波液压缸18-2固定于波机构安装底座18-1上，推波液压缸18-2的伸出杆通过推波滑块18-3与推波板18-5连接，推波滑块与伸出杆铰接；

推波板18-5铰接于推波板安装底座18-4上，推波板18-5上设置有导轨，推波滑块18-3能够在导轨中移动，当推波液压缸18-2伸出杆伸长时，带动推波滑块18-3在导轨中滑动，推波滑块18-3带动推波板18-5转动，即在图11所示平面内沿推波板与推波板安装底座之间的铰接轴前后摆动，产生波浪，波浪的频率和幅值控制由推波液压缸的第三比例伺服阀设定指令决定，具体的，第三比例伺服阀输入的指令可直接控制推波液压缸往复运动的频率和幅值，进而控制推波板转动的频率和角度。

导轨垂直分布于推波板中部，导轨为T型槽结构，如图13所示，推波滑块为T型，推波滑块嵌套在T型槽结构内沿T型槽结构滑动；本实施例中，推波滑块一端与推波液压缸伸出杆铰接，另一端为T型，与推波板的T型槽结构相配合构成滑动摩擦副，推波板的T型槽结构分布在推波板中间，当推波液压缸伸出杆运动时，推波滑块在推波板的T型槽中运动带动推波板转动；推波滑块在安装时从推波板的T型槽结构上端滑入，与推波液压缸连接好后，推波滑块受推波液压缸行程限制始终在导轨内不分离；

推波液压缸18-2通过第三伺服比例阀2-19、第一电磁减压阀2-11与主油路连接，推波液压缸的伸出杆往复运动通过切换第三伺服比例阀电信号实现，通过控制第一电磁减压阀电信号可以控制推波液压缸进口压力。

实施例7

一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，如实施例6所述，所不同的是，椭圆形水池17内设置有沙坑17-1和消波机构17-2，沙坑17-1和消波机构17-2分别分布于靠近椭圆平台水平段两侧的椭圆形水池内；沙坑的作用是模拟负载接触不同海底环境时对缆绳带来的影响，消波机构的作用是疏散推波机构之前的波浪，使进入推波机构的水更平缓，防止对将要产生的波浪产生影响；

消波机构17-2环绕椭圆形水池呈阶梯式上升结构，最高处与推波机构背面相连接，如此可以使波浪撞击到侧壁时产生反方向的流动，消耗能量，每一阶梯上均设置有竖向分布的通孔，每一阶梯上的通孔孔径从内到外依次增大，阶梯的形状为扇形，另外受离心力影响，外侧水流更大，因此外侧孔要比内侧大，以保证外侧水流良好的通过性，避免反向流动过大影响负载所在侧水流。

实施例8

一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台的工作方法，实验工况包括A、B、C和D，如图14所示，A工况为负载在空气中的运动过程，即模拟从甲板起吊至空气过程，研究基于四象限马达的升沉补偿系统的位置补偿控制实验，B工况为负载从接触水波至完全穿过水波浪溅区的过程，即模拟负载穿越水波浪溅区过程，研究基于四象限马达的升沉补偿系统的缆绳恒张力补偿控制实验，C工况为负载是从完全进入水中至达到海底的过程，即模拟负载在水下到海底着陆过程，研究基于四象限马达的升沉补偿系统负载位移控制实验，D工况为负载是从海底着陆到吊起过程，模拟负载海床着陆及起吊所受泥沙的影响，研究基于四象限马达的升沉补偿系统负载位移与缆绳张力复合控制实验，A、B、C和D四个工况下的工作过程都是一样的，主要是看进行的是位置补偿还是张力补偿；

本发明中所有工况均需有母船模拟运动部分和四象限马达部分；

当接入被动马达时，需有被动马达部分；

当不在实验水池进行实验时，需添加负载扰动模拟部分；

当在实验水池进行实验时，需添加推波机构和消波机构部分，除去扰动模拟部分；

母船模拟运动部分，带有油缸位移传感器的母船模拟液压缸伸缩带动母船模拟平台上下运动，实现母船运动的模拟，母船模拟液压缸两油口连接于泵站系统的第一伺服比例阀的A、B口，两油路之间采用第一液控单向阀和第二液控单向阀实现互锁，当模拟母船运动时，可以根据油缸位移传感器测得母船模拟平台的运动反馈到控制器构成闭环控制，通过控制器给第一伺服比例阀电信号控制母船模拟液压缸的伸缩，可方便由实验人员自行选择控制母船模拟平台的运动曲线；

扰动模拟部分，扰动模拟液压缸两个油口连接于泵站系统的第二伺服比例阀的A、B口，两油路之间用第三液控单向阀和第四液控单向阀实现互锁，两油口分别再通过第二电磁开关阀和第三电磁开关阀连接到油箱，当模拟只考虑负载质量不考虑负载扰动的工况下进行升沉补偿控制系统测试时，可以打开第二电磁开关阀和第三电磁开关阀，使两端压力均为零，此时扰动模拟液压缸伸出杆重量可以视为负载重量的一部分，当需要在负载上施加扰动时，可以通过控制器根据扰动模拟液压缸的油缸位移传感器反馈做闭环控制，输出指令到第二伺服比例阀实现所需负载扰动，此时第二电磁开关阀和第三电磁开关阀均处于关闭状态；

被动马达油路与泵站系统主油路被第五电磁开关阀和第六电磁开关阀断开，得电时才能连通，被动马达为定排量的马达，工作在高压蓄能器和低压蓄能器形成的定压差闭路中，实现输出转矩的恒定输出，其输出转矩与其进出油口压差相关；

四象限马达部分，四象限马达的进油口连接于泵站系统的第四电磁开关阀，可以控制马达油路通断，出油口直接回油箱，四象限马达工作在恒压蓄能器构成的恒压网络中，因此工作时其输出扭矩和转速与其排量相关，其进油口的压力可以通过第二电磁减压阀调节；

母船模拟液压缸伸缩带动母船模拟平台上下运动，当被动马达不接入系统时，四象限马达根据MRU姿态传感器和拉线位移传感器通过控制器计算出的母船真实位移带动储缆绞车转动以保持负载的运动不受母船模拟平台运动的影响，即补偿掉了母船运动对负载的影响，转动的控制是四象限马达根据其自带的编码器传送到控制器的电信号构成闭环，控制四象限马达的排量实现，通过改变四象限马达的排量，还可以实现四象限马达的马达和泵工况切换，当马达带动负载运动时为马达工况，当负载带动马达转动时为泵工况，四象限马达的技术为现有技术不属于本发明重点内容，当四象限马达工作在泵工况时，可以从油箱吸油储存在恒压蓄能器中以重复利用能量，达到节能效果；

对于扰动模拟液压缸造成的扰动主要体现在缆绳张力的波动，实验台进行张力补偿主要是依靠销轴传感器传入到控制器的电信号换算出缆绳张力作为控制系统的反馈输入，通过控制器输出电信号到四象限马达，通过改变排量改变输出力矩补偿掉张力的波动，拉力传感器的存在是为了实验台自身矫正销轴传感器测得的缆绳张力加入的，目的是保证测得的张力准确；

当被动马达接入时，工作过程同上，只是被动马达的恒转矩输出平衡掉了负载的重力，因此四象限马达的输出功率减少了，达到了节能效果；

值得注意的是，不管是位置补偿还是张力补偿，虽然都是控制四象限马达的排量来实现补偿，但两者并不冲突可以同时进行，这主要是与实验人员采取的补偿算法有关，本发明只是阐述了实验台在正常补偿工作的使用方式，对于采取的算法并不是本发明的重点内容，可参考现有技术进行。

实施例9

一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台的工作方法，如实施例8所示，所不同的是，当在椭圆形水池进行实验时，扰动模拟液压缸造成的扰动被水池里的水波替代，以模拟真实海况下的负载工况；

推波机构18工作时，推波液压缸与第三伺服比例阀油路连接，并固定在推波机构安装底座上，伸出杆通过推波滑块与推波板连接，推波滑块在推波板中的导轨中移动，推波板安装在推波板安装底座上，当推波液压缸伸出杆伸长时，带动推波滑块在导轨中滑动，推波滑块带动推波板转动，控制器对第三比例伺服阀输入的指令直接控制到推波液压缸往复运动的频率和幅值，进而控制到推波板转动的频率和角度，最终控制产生的波浪幅值和频率；

消波机构17-2环绕椭圆形水池呈阶梯式上升布置在推波结构背面，如此能够使波浪撞击到侧壁时产生反方向的流动，消耗能量，每个阶梯均设置通孔，通孔由内到外直径逐渐增大，以保证水流良好的通过性；

沙坑用于模拟负载海床着陆及起吊所受泥沙的影响。

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)

1.一种基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，其特征在于，包括实验台架、母船模拟液压缸、扰动模拟液压缸、储缆绞车、四象限马达、被动马达、负载、定滑轮组机构、弹簧机构、控制器和泵站系统；

所述实验台架共有三层，层与层之间依靠四根导向柱连接，实验台架的最下层固定于地面上，母船模拟液压缸和扰动模拟液压缸上均设置有一油缸位移传感器，油缸位移传感器与控制器连接，母船模拟液压缸、扰动模拟液压缸及油缸位移传感器均固定于实验台架的第下层；实验台架的中间层为母船模拟平台，母船模拟液压缸的液压杆上端固定于母船模拟平台底部，母船模拟液压缸中液压杆的伸缩能够带动母船模拟平台相对于导向柱上下运动；母船模拟平台上还固定有MRU姿态传感器；

所述四象限马达和被动马达均固定在母船模拟平台上，被动马达与四象限马达分布于储缆绞车两侧，均通过联轴器与储缆绞车连接，储缆绞车的缆绳穿过最上层中心孔通过定滑轮组机构，缆绳末端连接拉力传感器，拉力传感器下端连接弹簧机构，弹簧机构下端连接负载，负载底部固定于扰动模拟液压缸的液压杆顶端或者位于水中；

所述实验台架的最上层固定于导向柱顶端，定滑轮组机构固定于实验台架的最上层；

所述定滑轮组机构的底部与负载之间设置有拉线位移传感器，用于测量负载位移，所述MRU姿态传感器、拉力传感器、拉线位移传感器、泵站系统均与控制器信号连接。

2.根据权利要求1所述的基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，其特征在于，所述定滑轮组机构包括三个定滑轮、两个支撑架、四根支撑杆和一个安装底板，安装底板固定于实验台架的最上层，三个定滑轮包括定一滑定轮A和两定滑轮B，滑定轮A安装于安装底板中部且附加有销轴传感器，销轴传感器与控制器连接，两定滑轮B通过支撑架和支撑杆对称安装于两侧，支撑架一端与定滑轮B固定连接，另一端与安装底板铰接，四根支撑杆中两两配合形成两对支撑杆，每一对支撑杆中的两个支撑杆之间能够伸缩，每一对支撑杆的一端与定滑轮A铰接，另一端与支撑架靠近定滑轮B的一端铰接；缆绳依次穿过其中一个定滑轮B上部、定滑轮A底部和另一个定滑轮B上部后连接拉力传感器，拉线位移传感器固定于安装底板底部，另一端连接于负载上。

3.根据权利要求1所述的基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，其特征在于，所述泵站系统包括恒压蓄能器、第一电磁开关阀、第一液控单向阀、第二液控单向阀、第一伺服比例阀、第二伺服比例阀、泵、电机、油箱、电磁溢流阀、第二电磁减压阀、第六电磁开关阀、低压蓄能器、第五电磁开关阀、高压蓄能器、电磁换向阀、第四电磁开关阀、第三电磁开关阀、第四液控单向阀、第三液控单向阀和第二电磁开关阀；

所述电机为伺服电机，电机与泵连接，泵站系统的主油路为恒压，扰动模拟液压缸、母船模拟液压缸、四象限马达、被动马达均工作在恒压主油路中，恒压蓄能器工作在主油路中，恒压蓄能器连接第一电磁开关阀；

母船模拟液压缸两油口连接于泵站系统的第一伺服比例阀的A、B口，两油路之间采用第一液控单向阀和第二液控单向阀实现互锁；

扰动模拟液压缸两个油口连接于泵站系统的第二伺服比例阀的A、B口，两油路之间用第三液控单向阀和第四液控单向阀实现互锁，两油口分别再通过第二电磁开关阀和第三电磁开关阀连接到油箱；

四象限马达的进油口连接于泵站系统的第四电磁开关阀，出油口直接回油箱，油箱进出油路之间连接电磁溢流阀，四象限马达的进油口的压力通过第二电磁减压阀调节；四象限马达的刹车油口连接于泵站系统的电磁换向阀；

所述被动马达与主油路之间连接第五电磁开关阀和第六电磁开关阀，第五电磁开关阀和第六电磁开关阀分别连接高压蓄能器和低压蓄能器，被动马达为定排量的马达，工作在高压蓄能器和低压蓄能器形成的定压差闭路中，实现输出转矩的恒定输出。

4.根据权利要求1所述的基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，其特征在于，所述母船模拟平台与导向柱之间采用导向套连接，导向套为空心圆柱形，外侧为母船模拟平台固定连接，内侧与导向柱之间构成滑动摩擦副。

5.根据权利要求1所述的基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，其特征在于，所述弹簧机构包括上吊钩、下吊钩以及连接上吊钩和下吊钩的弹簧，通过更换不同刚度的弹簧，能够模拟深海拖曳时缆绳不同刚度的情况下测试所设计升沉补偿控制系统的有效性；

所述负载包括带钩底座和片状负载，所述带钩底座中部为螺纹杆，上端钩子与弹簧机构的下吊钩连接，片状负载上设置有缺口，多个片状负载从缺口处穿过螺纹杆依次堆叠在带钩底座上，依靠螺纹杆上端的螺母锁紧。

6.根据权利要求3所述的基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，其特征在于，还包括椭圆形水池和推波机构，椭圆形水池内部固定设置有一椭圆平台，试验台架和泵站系统均固定在椭圆平台上，负载能够入水用于模拟真实海况；

所述试验台架、泵站系统和推波机构均沿椭圆平台两侧的水平段分布，推波机构安装在椭圆形水池底部，用于产生所需海况相对应的波浪。

7.根据权利要求6所述的基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，其特征在于，所述推波机构包括推波机构安装底座、推波液压缸、推波滑块、推波板和推波板安装底座；

所述推波机构安装底座和推波板安装底座均固定在椭圆形水池底部，推波液压缸固定于波机构安装底座上，推波液压缸的伸出杆通过推波滑块与推波板连接，推波滑块与伸出杆铰接；

所述推波板铰接于推波板安装底座上，推波板上设置有导轨，推波滑块能够在导轨中移动，当推波液压缸伸出杆伸长时，带动推波滑块在导轨中滑动，推波滑块带动推波板转动产生波浪；

所述导轨垂直分布于推波板中部，导轨为T型槽结构，推波滑块为T型，推波滑块嵌套在T型槽结构内沿T型槽结构滑动；

所述推波液压缸通过第三伺服比例阀、第一电磁减压阀与主油路连接。

8.根据权利要求7所述的基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台，其特征在于，所述椭圆形水池内设置有沙坑和消波机构，沙坑和消波机构分别分布于靠近椭圆平台水平段两侧的椭圆形水池内；

所述消波机构环绕椭圆形水池呈阶梯式上升结构，最高处与推波机构背面相连接，每一阶梯上均设置有竖向分布的通孔，每一阶梯上的通孔孔径从内到外依次增大。

9.一种权利要求8所述的基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台的工作方法，其特征在于，实验工况包括A、B、C和D，A工况为负载在空气中的运动过程，即模拟从甲板起吊至空气过程，研究基于四象限马达的升沉补偿系统的位置补偿控制实验，B工况为负载从接触水波至完全穿过水波浪溅区的过程，即模拟负载穿越水波浪溅区过程，研究基于四象限马达的升沉补偿系统的缆绳恒张力补偿控制实验，C工况为负载是从完全进入水中至达到海底的过程，即模拟负载在水下到海底着陆过程，研究基于四象限马达的升沉补偿系统负载位移控制实验，D工况为负载是从海底着陆到吊起过程，模拟负载海床着陆及起吊所受泥沙的影响，研究基于四象限马达的升沉补偿系统负载位移与缆绳张力复合控制实验；

带有油缸位移传感器的母船模拟液压缸伸缩带动母船模拟平台上下运动，实现母船运动的模拟，母船模拟液压缸两油口连接于泵站系统的第一伺服比例阀的A、B口，两油路之间采用第一液控单向阀和第二液控单向阀实现互锁，当模拟母船运动时，根据油缸位移传感器测得母船模拟平台的运动反馈到控制器构成闭环控制，通过控制器给第一伺服比例阀电信号控制母船模拟液压缸的伸缩，方便由实验人员自行选择控制母船模拟平台的运动曲线；

扰动模拟液压缸两个油口连接于泵站系统的第二伺服比例阀的A、B口，两油路之间用第三液控单向阀和第四液控单向阀实现互锁，两油口分别再通过第二电磁开关阀和第三电磁开关阀连接到油箱，当模拟只考虑负载质量不考虑负载扰动的工况下进行升沉补偿控制系统测试时，打开第二电磁开关阀和第三电磁开关阀，使两端压力均为零，此时扰动模拟液压缸伸出杆重量视为负载重量的一部分，当需要在负载上施加扰动时，通过控制器根据扰动模拟液压缸的油缸位移传感器反馈做闭环控制，输出指令到第二伺服比例阀实现所需负载扰动，此时第二电磁开关阀和第三电磁开关阀均处于关闭状态；

被动马达油路与泵站系统主油路被第五电磁开关阀和第六电磁开关阀断开，得电时才能连通，被动马达为定排量的马达，工作在高压蓄能器和低压蓄能器形成的定压差闭路中，实现输出转矩的恒定输出；

四象限马达的进油口连接于泵站系统的第四电磁开关阀，控制马达油路通断，出油口直接回油箱，四象限马达工作在恒压蓄能器构成的恒压网络中，因此工作时其输出扭矩和转速与其排量相关，其进油口的压力通过第二电磁减压阀调节；

母船模拟液压缸伸缩带动母船模拟平台上下运动，当被动马达不接入系统时，四象限马达根据MRU姿态传感器和拉线位移传感器通过控制器计算出的母船真实位移带动储缆绞车转动以保持负载的运动不受母船模拟平台运动的影响，即补偿掉了母船运动对负载的影响，转动的控制是四象限马达根据其自带的编码器传送到控制器的电信号构成闭环，控制四象限马达的排量实现，通过改变四象限马达的排量，实现四象限马达的马达和泵工况切换，当马达带动负载运动时为马达工况，当负载带动马达转动时为泵工况，当四象限马达工作在泵工况时，从油箱吸油储存在恒压蓄能器中以重复利用能量，达到节能效果；

对于扰动模拟液压缸造成的扰动体现在缆绳张力的波动，实验台进行张力补偿是依靠销轴传感器传入到控制器的电信号换算出缆绳张力作为控制系统的反馈输入，通过控制器输出电信号到四象限马达，通过改变排量改变输出力矩补偿掉张力的波动；

当被动马达接入时，被动马达的恒转矩输出平衡掉了负载的重力。

10.根据权利要求9所述的基于四象限马达的绞车式升沉补偿实验台的工作方法，其特征在于，当在椭圆形水池进行实验时，扰动模拟液压缸造成的扰动被水池里的水波替代，以模拟真实海况下的负载工况；

推波机构工作时，推波液压缸与第三伺服比例阀油路连接，并固定在推波机构安装底座上，伸出杆通过推波滑块与推波板连接，推波滑块在推波板中的导轨中移动，推波板安装在推波板安装底座上，当推波液压缸伸出杆伸长时，带动推波滑块在导轨中滑动，推波滑块带动推波板转动，控制器对第三比例伺服阀输入的指令直接控制到推波液压缸往复运动的频率和幅值，进而控制到推波板转动的频率和角度，最终控制产生的波浪幅值和频率；

消波机构环绕椭圆形水池呈阶梯式上升布置在推波结构背面，如此能够使波浪撞击到侧壁时产生反方向的流动，消耗能量，每个阶梯均设置通孔，通孔由内到外直径逐渐增大，以保证水流良好的通过性；

沙坑用于模拟负载海床着陆及起吊所受泥沙的影响。

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