船用起重机升沉补偿系统分析_张大兵

时为被动补偿方式，复合油缸 9 的 A 腔与蓄能器 8
相连，蓄能器可以作为液压空气弹簧吸收冲击力，从
而减少了钢丝绳张力的波动。其弹簧刚度等于气囊
压缩时的压力差产生的当量液压缸作用力除以当量
液压缸的位移，即
k = （ p2 － p1） A （ V1 － V2 ） / A
（ 1）
式中： p1 为最低工作压力； p2 为最高工作压力； A 为
在建模中，通过吊钩上端滑轮的横向运动使吊钩 产生上下升沉运动，从而模拟船的升沉运动，并且在 此处设置位移检测传感器，虽然在仿真模型中能够很 容易地在吊钩处设置位移传感器，但是这样将与实际 工作情况不相符。选择正弦或余弦信号作为吊钩升 沉运动的位移信号，分别利用位移传感器检测油缸活 塞杆位移和载荷升沉位移，由于滑轮组的倍率关系， 只有当前者位移为后者位移的一半时，才能实现载荷 的运动不受船体升沉运动的影响，即实现无误差补 偿，控制部分采用 PID 闭环位置伺服控制［5］。
析了 4 种模式下系统的动态性能，同时运用 Design Exploration 优化工具箱对 PID 控制器参数进行
了自动优化，结果表明： 被动升沉补偿模式下钢丝绳张力变化最小，主动-被动升沉补偿模式下比例
阀有死区补偿时能够消除 94% 的船体升沉运动对载荷的影响，而无死区补偿只能达到 84% 。最后
入信号死区范围： － 1. 5 V ～ + 1. 5 V，死区补偿采 用以下方式［6］
{ui + 1. 5
uo =
0
ui ＞ 0 ui = 0
（ 2）
ui － 1. 5 ui ＜ 0
式中： ui 为 PID 输出信号； uo 为比例阀输入信号。
图 3 升沉补偿系统仿真模型
PID 参数的整定对闭环位置伺服系统的控制精 度至关重要，常见的整定方法有： 经验数据法、试凑 法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法等工程 整定方法，但 所 得 控 制 器 参 数 不 一 定 是 最 佳 参 数。 为了改善这种缺陷，使跟踪精度达到最佳，取目标 函数为液压缸活塞位移与船体升沉运动位移偏差绝 对值的积分，采用 Design Exploration 优化工具箱对 3 个 PID 控制器的系数 Kp、Ki 、Kd 进行自动优化，优 化算法选择 NLPQL 序列二次规划算法［7］，算法具 体参数设置为相对梯度步长为 0. 0 001，收敛精度 为 0. 0 001，优化后得到的参数值： Kp = 86. 8，Ki = 0. 069，Kd = 0. 235。
试验装置的仿真模型参数见表 1。
表 1 试验装置的仿真模型参数
参数名称 油液密度
数值 850 kg / m3
油液体积弹性模量
16 000 bar
载荷重量
1 000 kg
油缸行程
600 mm
钢丝绳运行速度
6 m / min
Zhang Dabing1，2，Wu Jianzhong1，Lu Feiping1，Lai Xin1
（ 1 College of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092； 2 College of Mechanical Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105）
第2 期
张大兵等： 船用起重机升沉补偿系统分析
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图 2 复合油缸尺寸简图
比例阀选用力士乐公司三位四通比例直控式方 向阀，阀芯带位移电反馈，放大器为电压输入型 ：
－ 10 V ～ + 10 V，－ 3 dB 频宽 18 Hz，常见作业海
面船体升沉运动周期为 8 s ～ 12 s，满足使用要求，
在阀内压 降 10 bar 时 最 大 输 出 流 量 32 L / min，输
控制，zdbpost@ 163． com； 乌建中（ 联系人） ，教授，博士， wjz@ tongji． edu． cn
构，为了延长海上作业时间，提高作业效率，在高海 况下有必要给船用起重机配备升沉补偿装置。德国
博世力士乐公司在其船用龙门摇摆起重机上分别加
装了 MAHCS 和 RAHCS 两种形式的补偿系统，升沉 位移补偿误差小于 10%［2］； 芬兰麦基嘉公司在其船 用 150 t 折臂吊上开发了绞车形式的升沉补偿装置； 国内有中船重工 704 所刘贺等人进行了起艇绞车的 波浪补偿研究［3］。目前我国在这方面的研究较少， 也没有相关成熟产品的报导。
服 阀 低 ，而 且 不 包 含 敏 感 和 精 密 的 部 件 ，更 容 易 操
作和保养，但其存在有中位死区，－ 3dB 频宽一般 在 3 Hz ～ 25 Hz［4］，频宽比较窄。
2 仿真环境和建模 AMESim （ advanced modeling environment for
simulation of engineering systems） 为多学科领域复杂 系统建模仿真解决方案，它提供了一个系统工程设 计的完整平台，使得用户可以在一个平台上建立复 杂的多学科系统模型，并在此基础上进行仿真计算 和深入分析。
船用起重机升沉补偿系统分析
张大兵
张大兵1，2 ，乌建中1 ，卢飞平1 ，来 鑫1
（ 1 同济大学 机械工程学院，上海 200092； 2 湘潭大学 机械工程学院，湘潭 411105）
摘 要：为了减少船用起重机在海上作业时风浪对吊装的影响，延长海上作业时间，介绍了一种船
用起重机的升沉补偿系统。在 LMS． AMESim 软件平台上建立了系统的仿真模型，通过仿真对比分
DOI:10.13433/j.cnki.1003-8728.2012.02.031
2012 年 2 月 第 31 卷 第 2 期
机械科学与技术 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering
Βιβλιοθήκη BaiduFebruary 2012 Vol． 31 No． 2
Abstract： In order to reduce the impact of wave to the ship-mounted crane during offshore operation under rough weather conditions and extend its period of work time，a set of heave compensation system was developed for shipmounted crane． The system simulation model was built by using LMS． AMESim software and its dynamic performances were obtained by simulating four kinds of models respectively，and the parameters of PID controller were automatically optimized by using the optimization toolbox of design exploration． The results indicated that the fluctuation of wire tension force was the least under passive heave compensation model； 94% impact of ship heave motion to load was eliminated with dead band compensation for the proportional valve in active-passive heave compensation model； however only 84% without dead band compensation． By using optimal simulation parameters to controller of test equipment，less regulation time and more consistent results were derived． Key words： ship-mounted crane； active-passive heave compensation； combination cylinder； proportional valve
dead band compensation
对于安装在甲板上的船用起重机而言，由于作 业船舶通常会因风浪的影响上下运动，船体的突然 下沉会造成下放中的货物与支持面发生碰撞，或已 放落到地面上的货物由于船体的突然上升出现再次 悬空的现 象［1］，这 些 都 有 可 能 损 伤 货 物 和 起 重 机
收稿日期：2010-12-26 作者简介：张大兵（ 1970 － ） ，讲师，博士研究生，研究方向为机电液
由于液压元件本身所包含的非线性，难以建立 精确的数学模型，在 AMESim 平台下采用基于物理 模型图形化的方式建模，由此建立的“方案图”简洁 易懂，并为需要分析的系统模型提供了合理的图形 表达。为了验证该补偿方案的可行性和确定各元件 参数的合理性，并且实现参数优化的目的，在试验装 置设计中通过 AMESim 软件建立了系统的仿真模 型，在 AMESim 中共有 4 个应用库用于仿真等温单 相工作油液元件及其系统。它们分别是液压库； 液 压阀库； 液压元件设计库； 液阻库，这些液压方面的 应用库完全相互兼容。液压元件设计库是由基本几 何结构单元组成的基本元素库，用于根据几何形状 和物理特性详细构建各种液压元件，该库非常适合 对非标的液压元件的动态特性进行建模和分析，本 文中的复合油缸就使用了该库中的元件进行建模， 建模简单可行。绞车、滑轮和钢丝绳结构可以使用 mechanical 库中的相关标准元件进行建模，根据图 1 在 AMESim 中建立了如图 3 所示的仿真模型。
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机械科学与技术
第 31 卷
1 升沉补偿原理
图 1 升沉补偿系统原理图
升沉补偿装置系统原理如图 1 所示，通过在普
通起重机上加装液压系统和滑轮组来实时控制钢丝
绳载荷端的上下运动位移，当船体下沉时活塞杆带
动滑轮伸出，当船体上升时活塞杆带动滑轮缩回，以
消除波浪对载荷产生的升沉影响。该系统共有两种
补偿方式： 一种是被动补偿方式，当电磁阀 5、7 导通
3 确定主要模型参数 在整个系统中复合油缸作为重要的执行元件，
其尺寸见图 2。根据油缸尺寸可知 B 腔和 C 腔作用 面积基本相等，属于单出杆近似对称液压缸，活塞杆 负载力主要来自两部分，分别是起被动补偿作用的 A 腔压力油作用力和钢丝绳作用在杆端滑轮上的作 用力，在主动-被动补偿方式下可以近似看成双出杆 对称液压缸。
而引起吊钩 的 额 外 升 沉 运 动，此 时 电 磁 阀 5、7 截
止，比例阀 6 控制油缸活塞的左右运动，此时复合
油缸 A 腔起到平衡主要负载的作用。选用电液比
例方向阀是因为它与电液伺服阀相比具有抗污染
能 力 强 ，减 少 了 由 于 污 染 而 造 成 的 工 作 故 障 ，可 以
提高液压系 统 的 工 作 稳 定 性 和 可 靠 性，成 本 比 伺
将仿真得到的优化控制参数应用于试验装置的控制之中，减少了试验装置的调整时间，得到了比较
好的试验结果。
关 键 词：船用起重机； 主动-被动升沉补偿； 复合油缸； 比例阀死区补偿
中图分类号：TH21； TH-39
文献标识码：A
文章编号：1003-8728（ 2012） 02-0265-05
Analysis on Heave Compensation System of Ship-mounted Crane
当量液压缸的有效面积； V1 和 V2 分别为压力 p 1 和
p2 时气体的体积。
另外一种是主动-被动补偿方式，通 常 是 使 用
MRU（ motion reference unit） 测量船舶的姿态，再通
过几何计算，得出吊钩在垂直方向的位移，从而控
制执行机构实时收 放 钢 丝 绳，以“抵 消”由 于 波 浪