CN108646551A - 波浪补偿控制***设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪补偿控制***设计方法，通过波浪补偿控制器或者人工设定救生艇起升或下降的速度V_艇，由运动参考单元得到船舶升沉速度V_船，再折算出实际的绳索收放速度V^’ _绳；V_艇对应的电压信号为U_t，V_船对应的电压信为U_b，V^’ _绳对应的电压信号为U_f，三者叠加得到一个速度偏差，经过增益，并将信号送入PID控制器，在控制器中，传感器测量的反馈信号与给定期望信号进行比较得到输出量，使输出量作用在液压***上，同时与救生艇的负载信号一同对船舶绳索速度产生控制作用，使绳索速度尽量保持不变，从而实现速度补偿。本发明方法简便，易操作，能为具有波浪补偿功能的小艇收放装置的研发工作奠定一定基础。

Description

波浪补偿控制***设计方法

技术领域

本发明涉及一种波浪补偿控制***设计方法。

背景技术

在海洋产业链中，海洋平台和船舶是最主要的生产、载运工具， 而海上物资补给、货物输运则是海洋生产最为基础的作业，救生艇收 放是事关海上人命安全的应急操作，但海洋平台和船舶不同于陆地， 要随风浪、洋流作不规则的摇荡、升沉运动，这就使海上物资补给、 货物输运、救生艇收放等海上作业比较困难，容易发生事故。因此， 为了提高这些海上作业的安全性，有必要研发波浪补偿技术，补偿波 浪扰动、船舶或海洋平台晃动对相关海上作业造成的不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能为具有波浪补偿功能的小艇收放 装置的研发工作奠定一定基础的波浪补偿控制***设计方法。

本发明的技术解决方案是：

一种波浪补偿控制***设计方法，其特征是：建立波浪补偿控制 ***数学模型，具体包括：

补给船的长5.9米，宽2.3米，高2.7米，空载2605千克，满载 25人，总重4480千克；工作海况为五级海况，有效波高范围为 2.5m-4m，平均值为3.25m，谱峰周期范围为7.7-17.8s；满载补给船 下放速度应大于等于用下面公式计算得到的速度：

v＝0.4+0.02H (3)

V为降放速度，H为吊顶到水面距离，大型船舶H都在20m以 上，以20m计算，得到速度为0.8m/s，因此设定速度为0.8m/s；

***是通过伺服液压马达来实现驱动，液压马达轴的转角对阀芯 位移的传递函数为：

液压马达轴的转角对负载力矩的传递函数为：

K_q为流量增益；K_ce为总流量压力系数；θ_m为液压马达的转角； D_m为液压马达的排量；B_e为有效体积弹性模量；V_t为液压马达及连 接管道总体积；J_t为液压马达和负载折算到马达轴上的总惯量；T_L为 作用在马达轴上任意外负载力矩；X_v为阀芯位移；ω_h为液压固有频 率；ζ_h为液压阻尼比；

由式(3)、(4)可得

在式(7)、(8)中表示液压马达轴的转速；

而在***稳定工作点附近***的流量Q＝K_q×X_v带入(7)，则液 压马达轴的转速对流量的传递函数为：

式(8)(9)分别是液压马达转速对外负载力矩、流量的传递函 数；

所以波浪补偿控制***数学模型为图2所示；

Kw为卷筒比例系数，Kr为传感器比例系数；

通过波浪补偿控制器或者人工设定救生艇起升或下降的速度 V_艇，由运动参考单元得到船舶升沉速度V_船，理想的绳索收放速度 应为V_绳＝V_艇-V_船，而实际上由转速传感器测得马达转速ω_m，而由ω _m和齿轮减速比、卷筒直径即可折算出实际的绳索收放速度V’_绳；V_艇对应的电压信号为U_t，V_船对应的电压信为U_b，V’_绳对应的电压信号 为U_f，三者叠加得到一个速度偏差，经过增益，使偏差信号放大， 并将信号送入PID控制器，在控制器中，传感器测量的反馈信号与给 定期望信号进行比较得到输出量，使输出量作用在液压***上，同时 与救生艇的负载信号一同对船舶绳索速度产生控制作用，使绳索速度 尽量保持不变，从而实现速度补偿。

本发明方法简便，易操作，能为具有波浪补偿功能的小艇收放装 置的研发工作奠定一定基础。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是救生艇收放波浪补偿过程示意图。

图2是波浪补偿控制***数学模型框图。

图3是以0.8m/s速度下放救生艇时控制***仿真模型示意图。

图4是仿真实验一的PID控制器的输出电压示意图。

图5是仿真实验一的设定速度与实际速度示意图。

图6是以0.2m/s速度下放救生艇时控制***仿真模型示意图。

图7是仿真实验二的PID控制器的输出电压示意图。

图8是仿真实验二的设定速度与实际速度示意图。

图9是仿真实验三的PID控制器的输出电压示意图。

图10是仿真实验三的设定速度与实际速度示意图。

图11是控制***遇到突发情况时的仿真模型示意图。

图12是设定速度为0.2m/s，Kp＝10，Ki＝30，Kd＝0时的设定速 度与实际速度示意图。

具体实施方式

2.问题描述及模型建立

按照SOLAS公约的要求，在各种船只上都应配备有数量不等的 用于救生或补给的小船，以应对突发状况，本文所仿真的船舶就配备 有一定大小的补给船，船只下放或提升过程中容易发生摇晃，甚至可 能打翻船只，因而急需找到一种合适的控制方法实现补给船的稳定下 放与提升。

2.1***实现整体过程

整个***实现要经过以下几个阶段：

a.初始化阶段，该阶段进行***的初始化，测量波浪运动参数， 设定补给船安全距离并分析海况等级；

b.补给船以一个稳定速度下放，然后减速到安全位置，即不会被 海浪拍到的位置；

c.选择合适入水时机，将补给船放入水中；

d.补给船跟随波浪上下运动，选择合适时机脱钩，完成下放过程；

e.放下吊钩，将补给船吊点与吊钩固定；

f.观察波浪运动情况，选择合适出水时机，将补给船提升出水；

g.出水之后，以一个稳定的速度提升，到达船舶的位置停止，成 员离开补给船，完成回收过程。

救生艇收放波浪补偿过程示意图如图1所示。

图1中：转速传感器，2-运动参考单元，3-张力传感器，4-声学 波浪仪。

速度补偿是以负载或吊钩升沉的速度为控制信号，它的主要目的 是使负载或吊钩的升沉速度为零或者为一个定值。对于救生艇的收放 作业，就是要保持起升或下降的速度V_艇为一个定值(见图1)，这是 一种人性化的考虑，如果V_艇的值变化人，救生艇上的乘员就会感到 颠簸。在陆地上，起重机要勾速吊放货物，只需要卷筒的速度保持恒 定即可，但是在海上收放救生艇，船舶本身速度V_船是跟着波浪速度 V_浪上下起伏的，这时要保持救生艇收放速度稳定，就需要改变卷筒 的转速V_绳，产生一个与船舶升沉运动相反的分速度。因此，要保证 救生艇收放的绝对速度为一个稳定的值，卷筒的线速度应该是分为两 个分速度：一是救生艇收放的恒定速度，二是与船舶升沉速度等大反 向的变化速度。V_艇、V_船、V_绳的关系如式(1)所示。另外，在救生 艇入水时，若要减小波浪对救生艇的冲击，就需要使救生艇和波浪运 动的相对速度尽量小。

V_绳＝V_艇-V_船 (1)

2.2PID控制

PID控制将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组 合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。它结构简单、 稳定性好、工作可靠，调节方便^[4]。其控制原理如下所示：

式中，K_p为比例系数；T_i为积分时间常数；T_d为微分时间常数。

PID控制由于算法简单、鲁棒性好及可靠性高，被广泛应用于过 程控制和运动控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系 统。

由于补给船收放控制***是一个非线性时变***，波浪的波动带 动船舶运动，海上情况复杂多变，而本文***又是单输入单输出的， 采用复杂的控制方式也不合适，所以采用PID控制，根据工作模式、 海况等级、设定指令等来调整PID控制器的参数，达到最优控制。

2.3模型的建立

该补给船的长5.9米，宽2.3米，高2.7米，空载2605千克，满 载25人，总重4480千克。工作海况为五级海况，有效波高范围为 2.5m-4m，平均值为3.25m，谱峰周期范围为7.7-17.8s。根据公约要 求，满载补给船下放速度应大于等于用下面公式计算得到的速度：

v＝0.4+0.02H (3)

V为降放速度，H为吊顶到水面距离，大型船舶H都在20m以 上，以20m计算，得到速度为0.8m/s，因此设定速度为0.8m/s；

***是通过伺服液压马达来实现驱动，液压马达轴的转角对阀芯 位移的传递函数为：

液压马达轴的转角对负载力矩的传递函数为：

K_q为流量增益；K_ce为总流量压力系数；θ_m为液压马达的转角； D_m为液压马达的排量；B_e为有效体积弹性模量；V_t为液压马达及连 接管道总体积；J_t为液压马达和负载折算到马达轴上的总惯量；T_L为 作用在马达轴上任意外负载力矩；X_v为阀芯位移；ω_h为液压固有频 率；ζ_h为液压阻尼比；

由式(3)、(4)可得

在式(7)、(8)中表示液压马达轴的转速；

而在***稳定工作点附近***的流量Q＝K_q×X_v带入(7)，则液 压马达轴的转速对流量的传递函数为：

式(8)(9)分别是液压马达转速对外负载力矩、流量的传递函 数；

所以波浪补偿控制***数学模型为图2所示；

Kw为卷筒比例系数，Kr为传感器比例系数；

通过波浪补偿控制器或者人工设定救生艇起升或下降的速度V_艇， 由运动参考单元得到船舶升沉速度V_船，理想的绳索收放速度应为V _绳＝V_艇-V_船，而实际上由转速传感器测得马达转速ω_m，而由ω_m和齿 轮减速比、卷筒直径即可折算出实际的绳索收放速度V’_绳；V_艇对应的 电压信号为U_t，V_船对应的电压信为U_b，V’_绳对应的电压信号为U_f， 三者叠加得到一个速度偏差，经过增益，使偏差信号放大，并将信号 送入PID控制器，在控制器中，传感器测量的反馈信号与给定期望信 号进行比较得到输出量，使输出量作用在液压***上，同时与救生艇 的负载信号一同对船舶绳索速度产生控制作用，使绳索速度尽量保持 不变，从而实现速度补偿。

3仿真试验与分析

为了验证所设计的PID控制的有效性，本节利用 MATLAB/Simulink对补给船进行仿真研究。根据实际***以及翻阅 参考书，可得出这些参数的数值，如表2-1所示：

表2-1波浪补偿控制***仿真参数列表：

下文，就针对于五级海况下救生艇设定不同收放速度时的速度补 偿问题进行仿真实验分析。

(1)仿真实验一：救生艇下放速度0.8m/s

据上面的参数以及图2波浪补偿控制***数学模型，加入PID控 制环节，可以得到图3救生艇以0.8m/s速度下放时控制***仿真模 型。由于不同的波浪对应着不同的数学模型，本文一开始以简单的正 弦波为输入波形，则得到的表达式为：y＝0.75cos(πt/5)(五级海况下)。 此时设定速度为0.8m/s，Kp＝1.95，Ki＝0.2，Kd＝0.4。

仿真结果如图4、图5所示。

从这两张图中可以看出：救生艇下放速度0.8m/s时，卷筒的设 定线速度范围是0.03～1.6m/s而稳定状态时实际卷筒线速度为0.2～1.15m/s，PID控制器输出电压超调量为0.4V,设定速度与实际速 度的偏差最大达0.45m/s。因此，在设定速度0.8m/s时，即是***己 经超调，依然无法控制设定速度与实际速度之间的偏差。因此，要达 到速度补偿的目的，卷筒的设定线速度不能大于0.96m/s，也即是救 生艇设定速度不能大于0.21m/s。下面设定救生艇下放速度为0.2m/s， 进行仿真分析。

(2)仿真实验二：救生艇下放速度0.2m/s

与实验一类似，救生艇下放速度0.2m/s时***仿真模型如图6 所示。

由图6可知，此时***已经超调，仍然无法控制设定速度与实际 速度的偏差，这是由于设定速度过大导致的，下面将设定速度改为 0.2m/s。

设定速度改为0.2m/s，Kp＝9，Ki＝6，Kd＝0，这里的Kd＝0是为 了屏蔽微分作用，避免***刚开始的超调现象，实验结果如图7、图 8所示。

由图可知，设定速度与实际速度偏差几乎为0，能够很好的实现 跟踪进行速度补偿。因此，微分动作会导致***在刚启动出现超调， 在稳定状态下效果不明显。

(3)仿真实验三：输入波形是正弦波和三角波的组合

当然，波浪是不规则运动的，所以也不可能是规则的正弦波，所 以我将输入的波形改为由正弦波和三角波进行叠加，看最终是否仍能 实现速度补偿，设定速度仍为0.2m/s，Kp＝10，Ki＝5，Kd＝0。实验结 果如图9、图10所示。

可知，不论输入什么波形，***都能较好的跟踪，实现速度补偿， 从而保证补给船的稳定收放。

但是海上情况复杂多变，很可能会遇到一些突发状况，下面我就 模拟了一种波浪突然变化很大的情况，看该***是否还能很好的实现 跟踪补偿，其控制***的仿真模型如图11所示。此时补给船的下放 速度仍是0.2m/s，Kp＝10，Ki＝30，Kd＝0。

设定速度为0.2m/s，Kp＝10，Ki＝30，Kd＝0，实验结果如图12 所示。

由仿真图可知，即使遇到突发状况，***也能较好的实现跟踪 补偿，这也充分说明了该参数PID控制***是正确的。

综上，该实验验证了***在设定正确的PID参数情况下，能实现 较好的跟踪补偿，还验证了无论输入什么波形，***也能正确跟踪， 另外，在遇到突发状况时，PID在改变参数后，***仍有较好的补偿 效果，所以正确参数的PID控制器来实现补给船的稳定下放是十分正 确的。

4结论

文章研究了船舶收放补给船的稳定性控制问题，提出了PID控制 器，该控制器考虑了不确定因素。仿真结果表明，采用PID控制能很 好的考虑海上的不确定因素和状况，来进行调整参数，实现了设定速 度与实际速度之间仅有微小偏差，进而实现速度补偿，控制补给船的 稳定收放，实验结果证明了该控制器的有效性。

Claims (1)

1.一种波浪补偿控制***设计方法，其特征是：建立波浪补偿控制***数学模型，具体包括：

补给船的长5.9米，宽2.3米，高2.7米，空载2605千克，满载25人，总重4480千克；工作海况为五级海况，有效波高范围为2.5m-4m，平均值为3.25m，谱峰周期范围为7.7-17.8s；满载补给船下放速度应大于等于用下面公式计算得到的速度：

v＝0.4+0.02H (3)

V为降放速度，H为吊顶到水面距离，大型船舶H都在20m以上，以20m计算，得到速度为0.8m/s，因此设定速度为0.8m/s；

***是通过伺服液压马达来实现驱动，液压马达轴的转角对阀芯位移的传递函数为：

液压马达轴的转角对负载力矩的传递函数为：

K_q为流量增益；K_ce为总流量压力系数；θ_m为液压马达的转角；D_m为液压马达的排量；B_e为有效体积弹性模量；V_t为液压马达及连接管道总体积；J_t为液压马达和负载折算到马达轴上的总惯量；T_L为作用在马达轴上任意外负载力矩；X_v为阀芯位移；ω_h为液压固有频率；ζ_h为液压阻尼比；

由式(3)、(4)可得

在式(7)、(8)中表示液压马达轴的转速；

而在***稳定工作点附近***的流量Q＝K_q×X_v带入(7)，则液压马达轴的转速对流量的传递函数为：

式(8)(9)分别是液压马达转速对外负载力矩、流量的传递函数；

所以得到波浪补偿控制***数学模型；

Kw为卷筒比例系数，Kr为传感器比例系数；

通过波浪补偿控制器或者人工设定救生艇起升或下降的速度V_艇，由运动参考单元得到船舶升沉速度V_船，理想的绳索收放速度应为V _绳＝V_艇-V_船，而实际上由转速传感器测得马达转速ω_m，而由ω_m和齿轮减速比、卷筒直径即可折算出实际的绳索收放速度V’_绳；V_艇对应的电压信号为U_t，V_船对应的电压信为U_b，V’_绳对应的电压信号为U_f，三者叠加得到一个速度偏差，经过增益，使偏差信号放大，并将信号送入PID控制器，在控制器中，传感器测量的反馈信号与给定期望信号进行比较得到输出量，使输出量作用在液压***上，同时与救生艇的负载信号一同对船舶绳索速度产生控制作用，使绳索速度尽量保持不变，从而实现速度补偿。