CN116293083A - 用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法及其张紧器装置 - Google Patents

用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法及其张紧器装置 Download PDF

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CN116293083A CN202211091137.3A CN202211091137A CN116293083A CN 116293083 A CN116293083 A CN 116293083A CN 202211091137 A CN202211091137 A CN 202211091137A CN 116293083 A CN116293083 A CN 116293083A
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hydraulic cylinder
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刘鹏发
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Abstract

本发明涉及一种用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法及其张紧器装置，包括以下步骤，步骤1：获取海浪参数，构建用于铺管船运动的海浪运动方程；步骤2：分析铺管船在铺管过程中船体的运动状态；步骤3：计算铺管船的张紧补偿装置液压缸连接点位移；步骤4：分析张紧补偿装置运动，计算张紧器与机构框架连接点处的位移。本发明提出的控制方法，通过计算海浪与船体之间的运动关系，建立完整的带有张紧补偿的铺管船张紧器的主动控制模型，使得张紧器抗干扰能力强，张紧控制精度高，性能稳定，补偿没有延时性，使张紧器更加平稳的保持恒张力控制；本发明提出的张紧器装置，使用张紧补偿执行液压缸装置进行反馈补偿，整体结构紧凑，张紧度可控制。

Description

用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法及其张紧器装置
技术领域
本申请涉及液压系统仿真技术领域，具体地涉及一种用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法及其张紧器装置。
背景技术
随着现代海洋工程的大力发展，各种安装于铺管船、工程船等海洋船舶上的张紧器装备也应用越来越多。由于海浪等因素的干扰，铺管船在进行铺管作业时，船体因受到海浪的影响会发生不规则运动，船体的不规则运动会牵引铺管船张紧器装备随之升沉或摇摆，严重影响海上作业的开展，从而危及到整个铺管作业的安全性与精确性。
张紧补偿是指因海面起伏引起作业装备张紧力产生波动而进行的补偿校正。张紧补偿技术主要应用于海上补给、海洋钻井、深海探测等方面。通过张紧补偿，可以大大增强海上作业的安全性、高效性和可靠性。张紧补偿技术研究的核心是张紧补偿系统控制，控制系统良好的控制性能和可操作性是张紧补偿系统安全高效作业的前提。
为了确保操作人员和吊装设备的安全性，以及保证铺管过程的精准性，同时减少因为天气因素而带来的作业停工期，很有必要开发一种铺管船张紧器张紧补偿的控制系统。
基于当今成熟的液压仿真技术及利用完善的仿真软件，通过对液压系统仿真，有利于对液压系统进行预先了解，通过优化设计参数，完善系统设计，使得液压系统开发周期缩短，降低了开发成本。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明通过计算海浪与船体之间的运动关系，建立带有张紧补偿的铺管船张紧器的主动控制模型，使得张紧器抗干扰能力强，张紧控制精度高，性能稳定，补偿没有延时性，使张紧器更加平稳的保持恒张力控制；本发明提出的张紧器装置，使用张紧补偿执行液压缸装置进行反馈补偿，整体结构紧凑，张紧工作控制效果好。
为实现上述目的，本发明所采用的解决方案为：
一种用于铺管船张紧器张紧补偿的控制方法，其包括以下步骤：
步骤1：获取海浪参数，构建用于铺管船运动的海浪运动方程；
所述海浪参数包括海浪波高A、海浪波长λ、海浪的平均倾角θ和海浪频率ω；建立以海平面为基准的绝对坐标系，O为海平面上设定的参考点，O-XY代表海平面，O-Z代表与海平面垂直的方向；所述海浪运动方程如下所示：
Figure BDA0003837020160000021
式中：Γ(x,z,t)表示用于铺管船运动的海浪运动方程；x表示波浪在坐标X轴上的位移坐标；z表示波浪在坐标Z轴上的位移坐标；t表示时间；A表示海浪波高；λ表示海浪波长；θ表示海浪的平均倾角；ω表示海浪频率；φ表示海浪作用于铺管船初始相位角；
步骤2：分析铺管船在铺管过程中船体的运动状态；
计算铺管船受海浪作用下横摇角变化曲线以及质心点处垂荡运动曲线，根据铺管船的尺寸参数，计算铺管船受海浪条件下的运动曲线，计算得到船体各个节点处的运动状态；
获取步骤1中的海浪运动方程，根据海浪运动方程确定海浪运动速度V；根据海浪运动速度确定铺管船受海浪作用下垂向受力F和海浪作用下纵向力矩T；进一步，船体的垂荡运动位移的二次导数和横摇运动偏移角的二次导数的获取方法如下所示：
Figure BDA0003837020160000022
式中：
Figure BDA0003837020160000023
表示垂荡运动位移的二次导数：/>
Figure BDA0003837020160000024
表示横摇运动偏移角的二次导数；F表示海浪作用下垂向受力；T表示海浪作用下纵向力矩；m表示船的整体质量；Jθ表示铺管船的转动惯量；B表示铺管船型宽；/>
Figure BDA0003837020160000025
表示海浪作用于铺管船初始相位角；
步骤3：计算铺管船的张紧补偿装置液压缸连接点位移；
获取步骤2计算得到的垂荡运动位移的二次导数和横摇运动偏移角的二次导数，进行二次积分分别得到垂荡运动位移和横摇运动偏移角，将张紧补偿装置液压缸与上下履带相连接，下履带固定在底座上，底座与船体固定在一起，分别求得张紧补偿装置四个液压缸连接点处得位移的计算公式如下：
Figure BDA0003837020160000026
式中：z0(t)表示海浪作用下船体与张紧补偿装置液压缸连接点处的位移；L表示纵向两连接点处之间距离；h(t)表示垂荡运动位移；θ(t)表示横摇运动偏移角；
步骤4：分析张紧补偿装置运动，计算张紧器与机构框架连接点处的位移；
张紧补偿运动过程中，对张紧器运动状态及铺管船运动分析，建立力平衡及力矩平衡方程；整个系统采用质心定理列出等式，建立包括液压缸受力的力平衡方程和力矩平衡方程；铺管船的转动惯量计算采用的计算公式如下所示：
Figure BDA0003837020160000031
式中：MI表示海浪作用下船体的横摇力矩；IX和IY表示船体对坐标X轴和坐标Y轴的转动惯量；LP表示铺管船垂线间长；B表示铺管船型宽；m表示船的整体质量；dt2表示对t2的导数；d2θ(t)表示对θ(t)的二阶导数；
张紧器与机构框架连接点处位移的获取方法如下所示：
Figure BDA0003837020160000032
式中：z1(t)表示张紧器上履带与机构框架连接点处的位移；l1表示纵向两连接点处之间距离；l2表示横向两连接点处之间距离；θX(t)和θY(t)分别表示船体横摇方向角度和纵摇方向角度；
步骤5：联立等式计算液压缸的运动，在铺管过程中控制铺管船保持稳定；
联立步骤2、步骤3和步骤4确定的等式确定液压缸的控制参数，借助位移传感器采集张紧补偿装置执行液压缸伸缩位移反馈给输入端，形成闭环控制，进而通过液压缸对张紧器进行控制，实现铺管船的稳定控制。
可优选的是，所述步骤2中的根据海浪运动方程确定海浪运动速度V，具体为：
根据海浪运动方程对时间的偏导数确定海浪运动速度如下所示：
Figure BDA0003837020160000033
式中：V表示海浪运动速度；
Figure BDA0003837020160000034
表示海浪运动方程对时间的偏导数。
可优选的是，所述步骤2中的根据海浪运动速度确定铺管船受海浪作用下垂向受力F和海浪作用下纵向力矩T，具体为：
所述海浪作用下垂向受力F和海浪作用下纵向力矩T的获取方法如下所示：
Figure BDA0003837020160000041
式中：F表示海浪作用下垂向受力；T表示海浪作用下纵向力矩；V表示海浪运动速度。
可优选的是，所述步骤3中的进行二次积分分别得到垂荡运动位移h(t)和横摇运动偏移角θ(t)，具体为：
Figure BDA0003837020160000042
式中：c1和c2分别表示垂荡运动位移和横摇运动偏移角的常数。
可优选的是，所述步骤4中的建立包括液压缸受力的力平衡方程和力矩平衡方程，具体为：
所述力平衡方程如下所示：
∑F＝Fh-[mg+T1(t)+T2(t)+T3(t)+T4(t)]＝ma；
式中：Fh表示船体所受浮力和波浪作用下船体所受垂向力在质心处的合力；g表示重力加速度；T1(t)、T2(t)、T3(t)和T4(t)分别表示第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸和第四液压缸对下履带的反作用力；a表示合力加速度；
所述的力矩平衡方程如下所示：
Figure BDA0003837020160000043
式中：∑mx(F)和∑my(F)分别表示张紧补偿运动过程中船体所受外力矩分别在坐标X轴和坐标Y轴上的投影；εx(t)和εy(t)表示张紧补偿运动过程中船体的角加速度在坐标X轴和坐标Y轴上的投影。
可优选的是，所述步骤5中的通过液压缸对张紧器进行控制，具体为：
给定张紧器液压缸动作信号之后，液压缸运动过程中与下履带产生反作用力对系统影响及误差存在，下履带与执行液压缸连接点处位移变化；通过联立力方程求解张紧补偿运动过程中执行液压缸对系统得反作用力T，与压力传感器初测量值进行比较，使得液压缸减小原有方向上的位移量，达到补偿效果；将得到的反作用力作为张紧补偿运动过程张紧器外部主框架运动信号输入，求解出张紧补偿运动过程中船体与张紧补偿装置执行液压缸连接点处的位移变化；将计算得到的船体连接点处的位移变化量作为张紧补偿装置执行液压缸的输入量，计算出张紧器与机构框架液压缸连接点处的位移变化量。
本发明的第二个方面提出了一种用于前述铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法的张紧器装置，通过执行液压缸的张紧补偿反馈实现控制张紧器的张紧运动，所述张紧器装置总体结构包括夹紧机构、履带机构、驱动机构、主框架、张力传感器、导轨、销轴、轴套、履带链轨、液压缸、履带、履带框架、钢架、驱动轴和框架底座；所述夹紧机构包括四个夹紧液压缸，用于驱动上履带上下运动，从而实现张紧器上下履带对管线的夹紧作用，在运动的时候保证四个液压缸具有同步性；所述履带机构包括两条履带总成，每条履带总成包括若干链轨节，通过销轴和轴套将相邻的履带链轨连接起来；每个履带链轨上安装有履带靴，用于加大与铺设管道的摩擦力和接触面积；在履带的工作端设有拖链结构，使得工作时链轨能够夹持在管径的轴线上；所述驱动机构包括驱动轴、液压驱动系统控制电机和马达；所述主框架包括底座和两个履带框架，用于张紧器外部的支撑以及张紧器与铺管船的连接；所述张力传感器安装在张紧器和框架底座之间，用以测量管线张力。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提出的用于铺管船张紧器张紧补偿的控制方法，通过计算海浪与船体之间的运动关系，建立完整的带有张紧补偿的铺管船张紧器的主动控制模型，使得张紧器抗干扰能力强，张紧控制精度高，性能稳定，补偿没有延时性，使张紧器更加平稳的保持恒张力控制；
(2)本发明提出的用于铺管船张紧器张紧补偿的控制方法的张紧器装置，使用张紧补偿执行液压缸装置进行反馈补偿，整个平台由4个液压缸来支撑，整个工作模块及平台重量都分配在4个液压缸上面，液压缸活塞缸的行程就是张紧行程，整体结构紧凑，张紧工作控制好。
附图说明
图1为本发明实施例用于铺管船张紧器张紧补偿的控制方法的控制框图；
图2为本发明实施例张紧器结构示意图；
图3为本发明实施例履带结构示意图；
图4为本发明实施例张紧器张紧液压原理图；
图5为本发明实施例张紧运动装置和张紧补偿运动装置总体建模示意图；
图6为本发明实施例仿真结果的示意图。
1、夹紧机构；2、履带机构；3、驱动机构；4、主框架；5、张力传感器；6、导轨；7、销轴；8、轴套；9、履带链轨；10、液压缸；11、履带；12、履带框架；13、钢架；14、驱动轴；15、框架底座。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
本发明实施例以S型铺管船为例，实现了S型铺管船张紧器张紧补偿的控制方法的应用，通过计算海浪与铺管船船体之间的运动关系，建立完整的带有张紧补偿的铺管船张紧器的主动控制模型，使得张紧器抗干扰能力强，张紧控制精度高，性能稳定，补偿没有延时性，使张紧器更加平稳的保持恒张力控制；本发明提出的张紧器装置，使用张紧补偿执行液压缸装置进行反馈补偿，整体结构紧凑，张紧工作控制好；本发明实施例借助了AMESim成熟的仿真平台，将建立的数学模型封装成AMESim的标准模块，简化了建模难度，提高建模效率，仿真结果证明本发明具有较好的应用效果。如图1所示为本发明实施例用于铺管船张紧器张紧补偿的控制方法的控制框图。
本发明实施例提供了一种用于铺管船张紧器张紧补偿的控制方法及张紧器装置，为了证明本发明的适用性，将其应用于实例，具体包含如下步骤：
S1：获取海浪参数，构建用于铺管船运动的海浪运动方程；
海浪参数包括海浪波高A、海浪波长λ、海浪的平均倾角θ和海浪频率ω；建立以海平面为基准的绝对坐标系，O为海平面上设定的参考点，O-XY代表海平面，O-Z代表与海平面垂直的方向；海浪运动方程如下所示：
Figure BDA0003837020160000061
式中：Γ(x,z,t)表示用于铺管船运动的海浪运动方程；x表示波浪在坐标X轴上的位移坐标；z表示波浪在坐标Z轴上的位移坐标；t表示时间；A表示海浪波高；λ表示海浪波长；θ表示海浪的平均倾角；ω表示海浪频率；φ表示海浪作用于铺管船初始相位角。
S2：分析铺管船在铺管过程中船体的运动状态；
计算铺管船受海浪作用下横摇角变化曲线以及质心点处垂荡运动曲线，根据铺管船的尺寸参数，计算铺管船受海浪条件下的运动曲线，计算得到船体各个节点处的运动状态；获取S1中的海浪运动方程，根据海浪运动方程确定海浪运动速度V；根据海浪运动方程对时间的偏导数确定海浪运动速度如下所示：
Figure BDA0003837020160000071
式中：V表示海浪运动速度；
Figure BDA0003837020160000072
表示海浪运动方程对时间的偏导数。
根据海浪运动速度确定铺管船受海浪作用下垂向受力F和海浪作用下纵向力矩T；海浪作用下垂向受力F和海浪作用下纵向力矩T的获取方法如下所示：
Figure BDA0003837020160000073
式中：F表示海浪作用下垂向受力；T表示海浪作用下纵向力矩；V表示海浪运动速度。
进一步，船体的垂荡运动位移的二次导数和横摇运动偏移角的二次导数的获取方法如下所示：
Figure BDA0003837020160000074
式中：
Figure BDA0003837020160000075
表示垂荡运动位移的二次导数：/>
Figure BDA0003837020160000076
表示横摇运动偏移角的二次导数；F表示海浪作用下垂向受力；T表示海浪作用下纵向力矩；m表示船的整体质量；Jθ表示铺管船的转动惯量；B表示铺管船型宽；/>
Figure BDA0003837020160000077
表示海浪作用于铺管船初始相位角。
S3：计算铺管船的张紧补偿装置液压缸连接点位移；
获取S2计算得到的垂荡运动位移的二次导数和横摇运动偏移角的二次导数，进行二次积分分别得到垂荡运动位移和横摇运动偏移角，具体为：
Figure BDA0003837020160000078
式中：c1和c2分别表示垂荡运动位移和横摇运动偏移角的常数。
将张紧补偿装置液压缸与上下履带相连接，下履带固定在底座上，底座与船体固定在一起，分别求得张紧补偿装置四个液压缸连接点处得位移的计算公式如下：
Figure BDA0003837020160000079
式中：z0(t)表示海浪作用下船体与张紧补偿装置液压缸连接点处的位移；L表示纵向两连接点处之间距离；h(t)表示垂荡运动位移；θ(t)表示横摇运动偏移角。
S4：分析张紧补偿装置运动，计算张紧器与机构框架连接点处的位移；
张紧补偿运动过程中，对张紧器运动状态及铺管船运动分析，建立力平衡及力矩平衡方程；力平衡方程如下所示：
∑F＝Fh-[mg+T1(t)+T2(t)+T3(t)+T4(t)]＝ma；
式中：Fh表示船体所受浮力和波浪作用下船体所受垂向力在质心处的合力；g表示重力加速度；T1(t)、T2(t)、T3(t)和T4(t)分别表示第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸和第四液压缸对下履带的反作用力；a表示合力加速度。
力矩平衡方程如下所示：
Figure BDA0003837020160000081
式中：∑mx(F)和∑my(F)分别表示张紧补偿运动过程中船体所受外力矩分别在坐标X轴和坐标Y轴上的投影；εx(t)和εy(t)表示张紧补偿运动过程中船体的角加速度在坐标X轴和坐标Y轴上的投影。
整个系统采用质心定理列出等式，建立包括液压缸受力的力平衡方程和力矩平衡方程；铺管船的转动惯量计算采用的计算公式如下所示：
Figure BDA0003837020160000082
式中：MI表示海浪作用下船体的横摇力矩；IX和IY表示船体对坐标X轴和坐标Y轴的转动惯量；LP表示铺管船垂线间长；B表示铺管船型宽；m表示船的整体质量；dt2表示对t2的导数；d2θ(t)表示对θ(t)的二阶导数；
张紧器与机构框架连接点处位移的获取方法如下所示：
Figure BDA0003837020160000083
式中：z1(t)表示张紧器上履带与机构框架连接点处的位移；l1表示纵向两连接点处之间距离；l2表示横向两连接点处之间距离；θX(t)和θY(t)分别表示船体横摇方向角度和纵摇方向角度。
S5：联立等式计算液压缸的运动，在铺管过程中控制铺管船保持稳定；
联立S2、S3和S4确定的等式确定液压缸的控制参数，借助位移传感器采集张紧补偿装置执行液压缸伸缩位移反馈给输入端，形成闭环控制，进而通过液压缸对张紧器进行控制，实现铺管船的稳定控制。
给定张紧器液压缸动作信号之后，液压缸运动过程中与下履带产生反作用力对系统影响及误差存在，下履带与执行液压缸连接点处位移变化；通过联立力方程求解张紧补偿运动过程中执行液压缸对系统得反作用力T，与压力传感器初测量值进行比较，使得液压缸减小原有方向上的位移量，达到补偿效果；将得到的反作用力作为张紧补偿运动过程张紧器外部主框架运动信号输入，求解出张紧补偿运动过程中船体与张紧补偿装置执行液压缸连接点处的位移变化；将计算得到的船体连接点处的位移变化量作为张紧补偿装置执行液压缸的输入量，计算出张紧器与机构框架液压缸连接点处的位移变化量。
根据液压系统设计原则，结合本实例实际情况设计张紧补偿装置液压系统原理图，如图3所示，本系统采用三位四通电液伺服阀作为液压缸的控制阀，通过液压伺服阀的开口大小调节液压缸的伸缩速度，通过换向来调节液压缸的伸缩，从而进一步实现对张紧器张紧力大小的调整。由于海浪变化的随机性，采用的液压控制系统的响应速度必须敏捷，在主油路上添加蓄能器能够有效克服恒压变量系统反应慢的缺点。
将S5搭建好完整的仿真模型连接到液压系统中，对其几何参数进行参数调试和优化设计。选择AMESim软件提供的元件模型，将元件参数代入张紧器液压仿真模型中，表1模型仿真参数表详细列出了各模型仿真参数。
表1模型仿真参数表
参数名称 参数值
变量泵额定流量 200L/min
单个液压缸模拟配重 10000kg
液压缸活塞杆直径 160mm
液压缸活塞直径 250mm
液压缸行程 1500mm
蓄能器气体压力 160bar
通过仿真得出位移曲线，进行分析，并不断调整上述参数，以获得最优的补偿反馈效果，非常方便对张紧器的控制结构进行优化设计。补偿阶段液压缸的活塞杆推动上履带上下运动，缸的负载是履带及其附件的自重，泵的输出流量分别设置为20L/min、30L/min、40L/min三种，运行AMESim模型，得到液压缸活塞杆的位移曲线如图6所示为本发明实施例仿真结果，从仿真结果可以看出，补偿时液压缸活塞杆的位移主要由泵的流量决定，当单缸流量达到20L/min时，活塞杆位移达到1.5m可达到设计要求。
本发明的第二个方面提出了一种用于本发明前述铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法的张紧器装置，通过执行液压缸的张紧补偿反馈功能实现控制张紧器的张紧运动，如图5所示为本发明实施例张紧运动装置和张紧补偿运动装置总体建模示意图。图2为本发明实施例张紧器结构示意图，张紧器装置总体结构包括夹紧机构1、履带机构2、驱动机构3、主框架4、张力传感器5、导轨6、销轴7、轴套8、履带链轨9、液压缸10、履带11、履带框架12、钢架13、驱动轴14和框架底座15。
夹紧机构1包括四个夹紧液压缸10，用于驱动上履带11上下运动，从而实现张紧器上下履带11对管线的夹紧作用，在运动的时候保证四个液压缸10具有同步性。如图4所示为本发明实施例张紧器张紧液压原理图，介绍了液压结构的运行原理。
履带机构2包括两条履带总成，如图3所示为本发明实施例履带结构示意图；每条履带总成包括若干链轨节，通过销轴7和轴套8将相邻的履带链轨9连接起来；每个履带链轨9上安装有履带靴，用于加大与铺设管道的摩擦力和接触面积，保证了管道在铺设过程中不打滑，不被压坏，同时避免了管线表面的机械损伤，降低了履带链轨9与管道的接触比压；在履带11的工作端，为防止链轨在重力作用下发生变形，在结构上使用了拖链结构，保证工作时链轨能够夹持在管径的轴线上，使履带总成运转更加顺利；依据铺管规格尺寸的变动范畴，上履带总成必须具有一定的升降调节空间，夹紧液压缸10的有效工作行程根据调节行程决定。
驱动机构3主要包括驱动轴14、液压驱动系统控制电机和马达；驱动轴14转动实现履带11的前进与后退及运行速度。
主框架4主要包括底座和两个履带框架12；用于张紧器外部的支撑，也是张紧器与铺管船连接的唯一部件；由于履带11都固定到履带框架12中，主框架4承受的自重较大，所以支撑左右履带11的位置选用强度较好的工字钢和板梁焊接；框架底座15是张紧器最主要的承力部件，与钢架13直接焊接在一起，履带总成放置在钢架13上，并通过夹紧液压缸10完成上下运动。
张力传感器5安装在张紧器和框架底座15之间，用以测量管线张力。
综上，本案例提出的用于铺管船张紧器张紧补偿的控制方法的计算结果证明了具有很好的效果。
(1)本发明实施例以铺管船为例，用于铺管船张紧器张紧补偿的控制方法的实现，通过计算海浪与铺管船船体之间的运动关系，建立完整的带有张紧补偿的铺管船张紧器的主动控制模型，使得张紧器抗干扰能力强，张紧控制精度高，性能稳定，补偿没有延时性，使张紧器更加平稳的保持恒张力控制。
(2)本发明提出的用于铺管船的张紧器装置，使用张紧补偿执行液压缸装置进行反馈补偿，整个平台由4个液压缸来支撑，整个工作模块及平台重量都分配在4个液压缸上面，液压缸活塞缸的行程就是张紧行程，整体结构紧凑，张紧工作控制好。
(3)本发明实施例中的铺管船张紧器张紧补偿装置借助了AMESim成熟的仿真平台，不仅提升了数学模型的准确性，也非常方便将建立的数学模型封装成AMESim的标准模块，与其它成熟的液压元件模块组成复杂液压系统模型，便捷的实现复杂系统的仿真，套用AMESim标准模块，简化了建模难度，提高建模效率，仿真结果证明本发明具有较好的应用效果。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤1：获取海浪参数，构建用于铺管船运动的海浪运动方程；
所述海浪参数包括海浪波高A、海浪波长λ、海浪的平均倾角θ和海浪频率ω；建立以海平面为基准的绝对坐标系，O为海平面上设定的参考点，O-XY代表海平面，O-Z代表与海平面垂直的方向；所述海浪运动方程如下所示：
Figure FDA0003837020150000011
式中：Γ(x,z,t)表示用于铺管船运动的海浪运动方程；x表示波浪在坐标X轴上的位移坐标；z表示波浪在坐标Z轴上的位移坐标；t表示时间；A表示海浪波高；λ表示海浪波长；θ表示海浪的平均倾角；ω表示海浪频率；φ表示海浪作用于铺管船初始相位角；
步骤2：分析铺管船在铺管过程中船体的运动状态；
计算铺管船受海浪作用下横摇角变化曲线以及质心点处垂荡运动曲线，根据铺管船的尺寸参数，计算铺管船受海浪条件下的运动曲线，计算得到船体各个节点处的运动状态；
获取步骤1中的海浪运动方程，根据海浪运动方程确定海浪运动速度V；根据海浪运动速度确定铺管船受海浪作用下垂向受力F和海浪作用下纵向力矩T；船体的垂荡运动位移的二次导数和横摇运动偏移角的二次导数的获取方法如下所示：
Figure FDA0003837020150000012
式中：
Figure FDA0003837020150000013
表示垂荡运动位移的二次导数：/>
Figure FDA0003837020150000014
表示横摇运动偏移角的二次导数；F表示海浪作用下垂向受力；T表示海浪作用下纵向力矩；m表示船的整体质量；Jθ表示铺管船的转动惯量；B表示铺管船型宽；/>
Figure FDA0003837020150000015
表示海浪作用于铺管船初始相位角；
步骤3：计算铺管船的张紧补偿装置液压缸连接点位移；
获取步骤2计算得到的垂荡运动位移的二次导数和横摇运动偏移角的二次导数，进行二次积分分别得到垂荡运动位移和横摇运动偏移角，将张紧补偿装置液压缸与上下履带相连接，下履带固定在底座上，底座与船体固定在一起，分别求得张紧补偿装置四个液压缸连接点处得位移的计算公式如下：
Figure FDA0003837020150000016
式中：z0(t)表示海浪作用下船体与张紧补偿装置液压缸连接点处的位移；L表示纵向两连接点处之间距离；h(t)表示垂荡运动位移；θ(t)表示横摇运动偏移角；
步骤4：分析张紧补偿装置运动，计算张紧器与机构框架连接点处的位移；
张紧补偿运动过程中，对张紧器运动状态及铺管船运动分析，建立力平衡及力矩平衡方程；整个系统采用质心定理列出等式，建立包括液压缸受力的力平衡方程和力矩平衡方程；铺管船的转动惯量计算采用的计算公式如下所示：
Figure FDA0003837020150000021
式中：MI表示海浪作用下船体的横摇力矩；IX和IY表示船体对坐标X轴和坐标Y轴的转动惯量；LP表示铺管船垂线间长；B表示铺管船型宽；m表示船的整体质量；dt2表示对t2的导数；d2θ(t)表示对θ(t)的二阶导数；
张紧器与机构框架连接点处位移的获取方法如下所示：
Figure FDA0003837020150000022
式中：z1(t)表示张紧器上履带与机构框架连接点处的位移；l1表示纵向两连接点处之间距离；l2表示横向两连接点处之间距离；θX(t)和θY(t)分别表示船体横摇方向角度和纵摇方向角度；
步骤5：联立等式计算液压缸的运动，在铺管过程中控制铺管船保持稳定；
联立步骤2、步骤3和步骤4确定的等式确定液压缸的控制参数，借助位移传感器采集张紧补偿装置执行液压缸伸缩位移反馈给输入端，形成闭环控制，进而通过液压缸对张紧器进行控制，实现对铺管船的控制。
2.根据权利要求1所述的用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法，其特征在于，所述步骤2中的根据海浪运动方程确定海浪运动速度V，具体为：
根据海浪运动方程对时间的偏导数确定海浪运动速度如下所示：
Figure FDA0003837020150000023
式中：V表示海浪运动速度；
Figure FDA0003837020150000024
表示海浪运动方程对时间的偏导数。
3.根据权利要求1所述的用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法，其特征在于，所述步骤2中的根据海浪运动速度确定铺管船受海浪作用下垂向受力F和海浪作用下纵向力矩T，具体为：
所述海浪作用下垂向受力F和海浪作用下纵向力矩T的获取方法如下所示：
Figure FDA0003837020150000031
式中：F表示海浪作用下垂向受力；T表示海浪作用下纵向力矩；V表示海浪运动速度。
4.根据权利要求1所述的用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法，其特征在于，所述步骤3中的进行二次积分分别得到垂荡运动位移h(t)和横摇运动偏移角θ(t)，具体为：
Figure FDA0003837020150000032
式中：c1和c2分别表示垂荡运动位移和横摇运动偏移角的常数。
5.根据权利要求1所述的用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法，其特征在于，所述步骤4中的建立包括液压缸受力的力平衡方程和力矩平衡方程，具体为：
所述力平衡方程如下所示：
∑F＝Fh-[mg+T1(t)+T2(t)+T3(t)+T4(t)]＝ma；
式中：Fh表示船体所受浮力和波浪作用下船体所受垂向力在质心处的合力；g表示重力加速度；T1(t)、T2(t)、T3(t)和T4(t)分别表示第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸和第四液压缸对下履带的反作用力；a表示合力加速度；
所述的力矩平衡方程如下所示：
Figure FDA0003837020150000033
式中：∑mx(F)和∑my(F)分别表示张紧补偿运动过程中船体所受外力矩分别在坐标X轴和坐标Y轴上的投影；εx(t)和εy(t)表示张紧补偿运动过程中船体的角加速度在坐标X轴和坐标Y轴上的投影。
6.根据权利要求1所述的用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法，其特征在于，所述步骤5中的通过液压缸对张紧器进行控制，具体为：
给定张紧器液压缸动作信号之后，液压缸运动过程中与下履带产生反作用力对系统影响及误差存在，下履带与执行液压缸连接点处位移变化；通过联立力方程求解张紧补偿运动过程中执行液压缸对系统得反作用力T，与压力传感器初测量值进行比较，使得液压缸减小原有方向上的位移量，实现补偿；将得到的反作用力作为张紧补偿运动过程张紧器外部主框架运动信号输入，求解出张紧补偿运动过程中船体与张紧补偿装置执行液压缸连接点处的位移变化；将计算得到的船体连接点处的位移变化量作为张紧补偿装置执行液压缸的输入量，计算出张紧器与机构框架液压缸连接点处的位移变化量。
7.一种用于实现根据权利要求1至6之一所述的用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法的张紧器装置，其特征在于，通过执行液压缸的张紧补偿反馈实现控制张紧器的张紧运动，所述张紧器装置总体结构包括夹紧机构、履带机构、驱动机构、主框架、张力传感器、导轨、销轴、轴套、履带链轨、液压缸、履带、履带框架、钢架、驱动轴和框架底座；
所述夹紧机构包括四个夹紧液压缸，用于驱动上履带上下运动，从而实现张紧器上下履带对管线的夹紧作用，在运动的时候保证四个液压缸具有同步性；
所述履带机构包括两条履带总成，每条履带总成包括若干链轨节，通过销轴和轴套将相邻的履带链轨连接起来；每个履带链轨上安装有履带靴，用于加大与铺设管道的摩擦力和接触面积；在履带的工作端设有拖链结构，使得工作时链轨能够夹持在管径的轴线上；
所述驱动机构包括驱动轴、液压驱动系统控制电机和马达；
所述主框架包括底座和两个履带框架，用于张紧器外部的支撑以及张紧器与铺管船的连接；
所述张力传感器安装在张紧器和框架底座之间，用以测量管线张力。
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