船用起重机升沉补偿系统分析_张大兵
船用起重机液压缸式主动波浪升降补偿装置研究
１ 补 偿 原理
主动式 波浪升 降补偿分 为速度 补偿 和张力 补偿 。 速度补 偿 ： 消除 因船 舶运动 引起 的补给装 置与被 补给 船之 间的相对运 动 ， 补给装 置按补 给速度 （ 即
正常 的 吊装速度 ） 进行 物资补 给 。
张 力补偿 ：减小起 重钢 丝绳张 力变化 幅度 ，并维持 在一定 范 围之 内。
机 的绞车 、钢丝绳 等过载 ，增 强对所 吊货物运 动 的控 制 ，增加 吊机工作 的天气 窗 口。
鉴 于国 内对该项 技术 的研 究起步较 晚，大部 分专 业人 员对 Ａ Ｃ Ａ ｔ ｖ ｅ ｖ ｏ ｐ ｎ ａ ｉ ｎ 吊 Ｈ （ｃ ｉ ｅ Ｈ ａ ｅ Ｃ ｍ ｅ ｓ ｔ ｏ ） 机 了解较少 ，该项技 术 的深 入研究 ，对 Ａ Ｃ吊机 的使用和 维护 以及深 水工程 施工 具有非 常重要 的现实 Ｈ
＝一 （） ６
１２ 张 力补 偿 ． 设重物 质量 为 Ｍ ，补给 船与被 补给 船升 降加速度 分 别为 ａ 和 ａ ，钢丝绳 张 力为 Ｔ ，补偿 张力 Ｂ 为 。
在 重物被 悬 吊的过程 中 ，根据 速度 补偿 的 目标 为重 物相对 被补给 船 的加 速度 为零 ，因此受 力分析
液压 缸式主 动波浪 补偿装 置 由测量和 控制 系统 、被 动 补偿装 置和 主动补 偿装置 三部 分组成 。被 动
补偿 装置通 过对 张力 的控制 来实现 补偿 ，这种方 式不 需要 主动控 制和 动力 ；主动波 浪补偿（ ＨＣ装 置 Ａ ）
通过 测量和控 制 系统 的实时信 号来 主动补 偿钩头 的运 动 。
船 甲板 ，严 重 时会 对补给 货物和 被补给 船造成 损伤 …。另外 ，当工程 船进行 水下采 油树 或者 管汇等水
深水吊装升沉补偿液压系统建模与优化
深水吊装升沉补偿液压系统建模与优化摘要：在深海提升作业中，由于风浪的共同作用，安装载体的起伏运动容易引起起重设备，起重装置的垂直波动受到严重影响，严重影响了起重设备的安全。
水下起重生产。
为确保水下作业的安全性和可靠性，设计并了主动升沉补偿的液压系统。
并且指出了一种双液压回路升沉的一种有效的补偿系统，其中涉及到了升降回路以及补偿回路这样的两个低速和高扭矩液压马达其主要是被用在对行星绞车进行驱动。
使其能够对升沉补偿功能给予实现。
通过对于理论进行的分析，还设置了补偿回路的相关数学模型，并通过Matlab / Simulink去完成了建模以及仿真的要求。
仿真所获得的结果显示，液压其自身的阻尼比相对较小，这是使得液压系统自身无法保持稳定的主要因素，同时也是其自身响应并不是很快的核心原因。
动态压力反馈装置并联连接在补偿回路液压马达的入口以及出口之间，其主要的目的就是为了能够使得液压系统其自身的动态响应特性以及稳定性得到提升。
其自身保持响应的需要保持在0.35S，振荡的补偿效果也相对要好一些，运行自身的稳定性比较的稳定，同时还能够对系统性能的要求给予满足。
关键词：深水吊装；主动升沉补偿；液压；建模；优化随着世界海上石油和天然气开发继续向深海发展，对深海工程设备的需求不断增加，我们国家深海海洋工程装备制造业和世界上一些比较先进的技术水平相比之间仍然有比较大的差距。
在深海环境里去开始完成提升作业的时候，当前整体操作系统则主要是通过海风以及海浪去进行组合而成，其中涉及到了三个比较自由的度以及摇摆和俯仰自由。
托架其自身的运动运动程度的起重设备在进行升降的时候主要是沿着垂直的方向去进行波动，甚至其自身已经超出了船舶自身产生的起伏运动，严重的还会对起重设备自身的安全性以及海底升降的准确性产生影响。
为了能够有效的处置产生的这些问题，在深水提升系统里可以适当的安装升沉的补偿系统，使其能够减少或者是消除提升设备其自身的升沉运动，使得水下设备在进行提升的时候能够具有一定的安全性。
船用起重机升沉补偿系统建模与仿真
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沉补偿系统动 力 学 状 态 空 间 模 型，在 主 动—被 动 补偿模式中对比分析不同控制策略下得到的仿真 结 果 ，重 点 关 注 系 统 的 补 偿 误 差 和 抗 干 扰 性 能 ，同 时还考虑物理上 实 现 的 可 行 性 和 难 易 程 度，为 将 来搭建现实物理控制系统提供帮助。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ｗａｖｅ ｏｎ ｔｈｅ ｈｏｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ｓｈｉｐ－ ｍｏｕｎｔｅｄ ｃｒａｎｅ ｄｕｒｉｎｇ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｒｏｕｇｈ ｗｅａｔｈｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａ ｓｅｔ ｏｆ ｈｅａｖｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｓｈｉｐ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｃｒａｎｅ．Ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔａｔｅ ｓｐａｃｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｓｈｉｐ ｈｅａｖｅ ｍｏｔｉｏｎ ａｓ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔａｔｅ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ａｓ ｆｅｅｄｂａｃｋ，ｔｈｅ ｐａｙｌｏａｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｐａｓｓｉｖｅ ａｎｄ ａｃｔｉｖｅ－ｐａｓｓｉｖｅ ｈｅａｖｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｓ ｗｅｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｕｎｄｅｒ ｓｕｓｐｅｎｓｏｒｙ ｓｔａｔｅ．Ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ，ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｍｏｄｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ， ｔｈｅｎ ａ ｃａｓｃａｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ａｓ ａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｎ ａｃｔｉｖｅ－ｐａｓｓｉｖｅ ｈｅａｖｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ．
一种新型船用起重机综合补偿系统原理及运动学模型
第 １ 期
大 连 海 事 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｄａ ｌ ｉ ａ ｎ Ｍａ ｒ ｉ ｔ ｉ ｍｅ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｖｏ １ ． ４１ Ｎｏ ．１ Ｆｅ ｂ ．． ２ ０１ ５
２ ０ １ ５年 ２月
文章编号 ： １ ０ ０ ６ － ７ ７ ３ ６ （ ２ ０ １ ５ ） ０ １ － ０ ０ ３ ７ － ０ ５
系统 、 德国 Ｌ ｉ ｅ ｂ ｈ ｅ ｒ ｒ 公 司 绞 车 形 式 的升 沉 补 偿
系统 、 荷兰Ｉ ＨＣ Ｇ ｕ ｓ ｔ ｏ 公 司基 于 复合油 缸 和滑轮 组 的升沉 补偿 系 统 ． 防摇 系统 主 要 用 于 抑 制 由船 舶
Ｄ Ｕ Ｊ ｉ ａ — ｌ ｕ ， Ｑ Ｉ Ａ Ｏ Ｗｅ ｉ — ｌ ｉ ａ ｎ ｇ
ｃ ｒ ａ ｎ ｅ ｃ ｏ ｍ ｐｒ ｅ ｈｅ ｎｓ ｉ ｖ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｅ ｎ ｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍ
Ｗ ＡＮＧ Ｓ ｈｅ ｎ ｇ — ｈａ ｉ ，ＣＨＥＮ Ｈａ ｉ — ｑ ｕａ ｎ ，Ｓ ＵＮ Ｙｕ・ ｑｉ ｎｇ ，
综合 补偿 系统． 升 沉 补 偿 系 统 主 要 对 船 舶 升沉 进 行 补偿 ， 包括 基 于 行 星 齿 轮 减 速 机 构 的升 沉 补 偿
摇、 纵摇 运 动进 行综 合补偿 ， 包 括 基 于 马里 兰索 具
ｈ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｅ ｎ ｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｗ ａ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ． Ａ ｎ ａ ｎ ｔ ｉ — ｓ ｗ ｉ ｎ ｇ ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ｗａ ｓ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｌ ｌ ｅ ｄ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｄ ｅ ｓ ｔ ａ ｌ ｏ ｆ ｏ ｆ ｓ ｈ ｏ ｒ ｅ ｃ ｒ ａ ｎ ｅ Ｓ Ｏ ａ ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｅ ｐ ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ ｆ ｓ ｈ ｏ ｒ ｅ ｃ ｒ ａ ｎ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ． Ｍｅ ａ ｎ ｗｈ ｉ ｌ ｅ ｔ ｈ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ
船用起重机主动式升沉补偿控制的研究
船用起重机主动式升沉补偿控制的研究祝福;刘晓林【摘要】This paper studies and models ship motion and crane rising and falling motion offshore. It analyzes the principle of marine crane active rising and falling compensation control from two aspects of velocity compensation needle and displacement compensation.%对海上作业的船舶运动和起重机升沉运动进行分析、建模，从速度补偿和位移补偿两个方面分析了船舶起重机主动式升沉波浪补偿控制的原理。
【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2016(036)004【总页数】4页(P30-32,36)【关键词】升沉运动;船用起重机;自由度;波浪补偿【作者】祝福;刘晓林【作者单位】武汉船舶职业技术学院，武汉430050;武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064【正文语种】中文【中图分类】U6640 引言在海洋环境中执行运输作业离不开船用起重机，它主要用于运输转移舰船间的货物、海上物资的补给等任务。
我国海洋经济在由浅海向深海的发展过程中，深海工程起重机的需求会日益增多。
在海洋环境中，船舶受到洋流、海风和海浪的作用，便会产生升沉、纵倾和横倾方向的运动。
船用起重机在起吊作业过程中，由于船舶的晃动,被吊重物也会随着晃动，这会威胁到作业的安全。
在波浪的影响下, 海上航行的船舶会产生如图1所示的升沉、横荡、纵荡、横倾、纵倾和偏航六个自由度，其中升沉、纵倾和横倾对船舶的影响最大，要减少自由度方向运动对起重机起吊作业的影响，必须采用一种具备对由海浪引起的船舶运动姿态进行检测和控制的具有升沉补偿控制功能的波浪补偿装置。
1 海上作业船用起重机的建模1.1对船舶运动的进行假设分析在海上由于受到海浪、洋流的影响，航行的船舶因此会摇摆晃动，对起重机的工作产生影响的因素很多也很复杂，要确立船舶和流体之间准确的关系式尤为困难。
211048413_深海作业主动升沉补偿起重机
深海作业主动升沉补偿起重机张光锋 陈 刚 胡 茂 姬红斌武汉船用机械有限责任公司 武汉 430084摘 要：当前深海作业对海洋工程装备的要求不断提高，主动升沉补偿起重机应运而生。
文中在国内外研究成果基础上，从环境适应性、补偿系统与起重机适配性、补偿系统与起重机功率集发等关键技术出发，介绍了起重机研制过程中的技术路线，设计制造了一种具有能量回收功能的深海作业主动升沉补偿起重机结构样机，采用折臂式结构形式和绞车式主动升沉补偿系统，并对样机进行试验验证，起重机起吊能力达到200 t，试验结果与国外同类型吊机参数进行了对比总结，样机补偿精度超95%。
关键词：深海作业起重机；主动升沉补偿；能量回收；二次控制单元中图分类号：TH213 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2023）06-0050-05Abstract: Recently, with the increasingly demanding requirements for offshore engineering equipment in deep-sea operation, the application of active heave compensation crane came into being. In this paper, based on the research results at home and abroad, starting from the key technologies such as environmental adaptability, adaptability between compensation system and crane, compensation system and crane power collection and development, the technical route in the development process of crane is introduced, and the design of an active heave compensation crane structure prototype with energy recovery function is put forward. The prototype is equipped with a folding arm structure and a winch active heave compensation system, and the prototype is verified by experiments. The lifting capacity of the crane reaches 200 t. Comparing the test results with the parameters of similar cranes abroad, it is found that the compensation accuracy of the prototype is over 95%.Keywords:deep-sea crane; active heave compensation; energy recovery; secondary control unit0 引言用于深海安装作业的水面工作母船受到海面风浪流的干扰影响将产生空间的波频摇荡运动。
深海折臂式起重机主动升沉补偿液压系统建模与仿真
深海折臂式起重机主动升沉补偿液压系统建模与仿真戴炼【期刊名称】《《价值工程》》【年(卷),期】2019(038)024【总页数】2页(P172-173)【关键词】深海起重机; 波浪补偿; AMESim【作者】戴炼【作者单位】润邦卡哥特科工业有限公司太仓215437【正文语种】中文【中图分类】U674.350 引言随着海上货物贸易的发展，船用起重机在上海运输中的地位越来越高，其成为执行运输作业的重要设备之一。
船用起重机主要的作用就是实现船舰货物之间的运输以及水下作业设备的投放与回收等重要任务。
然而由于船上作业环境比较复杂，尤其是在海上作业的过程中船用起重机的控制容易受水流、风力等方面的限制导致起重机出现左右摇摆或者起重机降落位置不准等现象。
具体而言船用起重机控制影响因素主要包括：一是由于起重机是固定在船舶等平台上，起重机在工作的过程中会受到平台本身移动的影响，而导致起重机起吊的降落点与吊车本身的运动不一致；二是由于起重机负荷较大，其在海上作业的过程中会因为波浪等因素而导致起重机与船舶等发生碰撞，最终导致缆绳出现疲劳损伤，进而造成严重的后果[1]。
尤其在进行舰船间弹药补给时，这种耦合运动可能造成非常严重的后果。
为了消除上述问题，本文设计一种深海折臂式起重机主动升沉补偿液压系统，以此提升起重机的工作性能，降低缆绳疲劳损害。
1 折臂式起重机升沉补偿系统工作原理折臂式起重机升沉补偿系统有效地解决了传统的船用起重机所存在的受船体运动而产生的摇摆、碰撞船体等问题，可以大大提高起重机的工作性能。
结合相关工作实践及参照相关文献技术，本文设计一种固定在船体甲板上的升沉补偿系统，并且将其进行机电液一体化建模，其示意图如图1所示。
船体本身的运动对于吊车的工作性能起着关键性的作用，因此针对海上起重机的作业性能，应该优化船体的运动状态。
结合深海折臂式起重机的工作原理建立如图2所示固定于船体的坐标系IS，其原点位于船的质心处，x正方向指向船头，z轴正方向垂直于甲板向上（假设船位于静水中时，甲板与水面平行）。
二次调节主动升沉补偿系统的控制特性研究
二次调节主动升沉补偿系统的控制特性研究
吴金波;宋宇宸;陈冰
【期刊名称】《液压与气动》
【年(卷),期】2016(000)008
【摘要】船用起重机的主动升沉补偿系统可以提高工作船在恶劣海况下作业时的安全性和效率,有效减小由船体升沉运动引起的缆绳张力变化.基于二次调节静液传动技术设计了船用起重机绞车驱动系统,建立了升沉补偿系统数学模型,构造了包含二次单元变量油缸位置环、二次单元马达速度环及起重机货物位置环的三闭环控制结构.随后,将船体的升沉运动作为可测干扰,应用结构不变性原理设计了前馈补偿器,并利用缆绳张力构造了起重机货物位移的状态观测器.最后通过仿真实例验证了控制器设计方法的有效性.
【总页数】8页(P10-17)
【作者】吴金波;宋宇宸;陈冰
【作者单位】华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学机械科学与工程学院,湖北武汉430074
【正文语种】中文
【中图分类】TH137
【相关文献】
1.浮式钻井平台升沉补偿系统主动力研究 [J], 张彦廷;刘振东;姜浩;武光斌;张作龙
2.船舶起重机半主动升沉补偿控制特性研究 [J], 宋豫;胡中望
3.深海作业装置主动型升沉补偿系统控制器的研究 [J], 肖体兵;吴百海;龙建军
4.基于AMESim的半主动式升沉补偿系统仿真研究 [J], 刘茹;徐涛
5.船用起重机主动升沉补偿系统时延的实时控制研究 [J], 吴汪洋;刘贤胜;郭知峰;王汉升
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船用吊车变幅补偿
船用吊车变幅补偿
船用吊车变幅补偿作为一种船用起重机的波浪补偿系统，包括船用起重机、波浪补偿系统，其特征在于：船用起重机包括门座架、固定支柱、回转机构、升降液压绞车、变幅液压绞车、回旋支柱、升降定滑轮、变幅定滑轮、升降钢丝绳、变幅钢丝绳、悬臂、吊钩、吊钩滑轮组件、悬臂连接座、混凝土配重平台、人字架，其特征在于：所述门座架上方安装有固定支柱，固定支柱上面安装有回转机构，回转机构上面安装有回旋支柱、悬臂连接座、升降液压绞车、变幅液压绞车，回转机构一侧与混凝土配重平台的一端连接。
本实用新型专利技术解决海浪起伏会导致重物对钢丝绳形成巨大的冲击力，容易导致钢丝绳断裂的问题，确保起重机正常工作，具有使用安全可靠、制造维护成本低、自动化程度高的优点。
船用起重机主被动式升沉补偿系统的建模
船用起重机主被动式升沉补偿系统的建模王哲骏;罗友高;谢金辉;邓智勇【摘要】在海上利用起重机转运货物时,为了使被吊货物在垂直方向保持在一定的位移范围,配备升沉补偿系统是十分必要的.文中介绍了主被动式升沉补偿系统的工作原理,根据设计要求建立了主被动式补偿系统的数学模型,对补偿系统中的液压缸直径、蓄能器总容积、比例阀最大最小流量等主要参数进行了分析计算,并对设计的补偿系统负载位移变化进行了仿真.仿真结果表明,该系统能够对负载起到补偿作用,对系统设计能够起到理论指导作用.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】4页(P57-60)【关键词】升沉补偿;复合油缸;船用起重机【作者】王哲骏;罗友高;谢金辉;邓智勇【作者单位】武汉第二船舶设计研究所,武汉430064;武汉第二船舶设计研究所,武汉430064;武汉第二船舶设计研究所,武汉430064;武汉第二船舶设计研究所,武汉430064【正文语种】中文【中图分类】U653.9210 引言海上舰船或者平台之间在进行吊装作业时，由于海浪起伏的影响,作业船舶或平台会随波浪上下运动，船体或平台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］。
这些影响都有可能对货物或者起重机造成损伤，为了使海上吊放作业能平稳有效地进行，配备升沉补偿系统是很有必要的［2］。
升沉补偿技术作为海洋装备物品吊放、海上石油钻采和海上设备布放回收等作业中的重要技术，在世界范围内已经得到了广泛的应用和深入的研究。
德国博世力士乐公司推出基于二次液压元件以及复合油缸的多功能主被动式补偿系统；荷兰Huisman公司其海上桅杆式起重机配备了主动式风浪补偿系统，起升能力能达到300t。
国内上海交通大学的对被动式ROV深海吊放回收装置进行了研究［3］，中南大学的刘少军［4］以及广东工业大学的肖体兵等［5］对深海采矿装置升沉补偿系统进行了研究。
船用起重机波浪补偿技术研究
船用起重机波浪补偿技术研究
赵珍强
【期刊名称】《船舶标准化工程师》
【年(卷),期】2009(042)002
【摘要】船用起重机是海上运输物资补给船舶间输转的重要设备,解决因波浪引起的吊运物资相对接收船甲板的升降变速和摇摆对于提高物资补给速度和安全性有重要意义.本文介绍了现有的几种波浪补偿技术及美海军在这项技术领域的部分研究成果,并初步提出一种主动式波浪补偿控制技术.
【总页数】3页(P15-17)
【作者】赵珍强
【作者单位】海军后勤技术装备研究所,北京,100072
【正文语种】中文
【中图分类】U6
【相关文献】
1.几种船用起重机波浪补偿装置 [J], 邵曼华;寇雄;赵鹏程
2.波浪补偿在船用起重机液压系统中的设计研究 [J], 罗朝霞;白云新;蔡长江;李玲
3.基于波浪补偿技术的船用起重机系统的改进 [J], 王洪波
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基于模糊PID的拖网渔船升沉补偿系统研究
第1期
张志伟等:基于模糊 PID 的拖网渔船升沉补偿系统研究
107
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"24 24
4
图 1 主动液压缸式升沉补偿方案
Fig. 1 Active hydraulic cylinder heave compensation scheme
驱动系统而言,液压缸直线式补偿系统则面临着 响应时间长与控制精度差的问题[13] 。 江东[14] 在 液压缸式升沉补偿系统中采用了 PID 控制器,补 偿效率达到 85%,但其中 PID 参数需要根据不同 海况人为调整。
为了提高拖网渔船升沉补偿系统响应速度与 补偿精度,本研究采用主动液压缸式升沉补偿方 案,建立了系统数学模型,针对液压系统响应慢与 参数时变问题[15] ,设计了模糊 PID 控制器,最后 在 Matlab / Simulink 中研究补偿效果。 1 主动液压缸式升沉补偿方案
2. 2 比例放大器数学模型
比例放大器可视为比例环节[17] ,其公式为:
Ka
=
I( s) U( s)
(1)
式中:Ka—放大增益,A / V;I( s)—比例放大器输 出电流,A;U(s) —偏差电压信号,V。
2. 3 位移传感器数学模型
位移传感器可视为比例环节[18] ,其公式为:
Kf
=
uf( s) Yf( s)
第 49 卷第 1 期 2022 年 2 月
渔业现代化
FISHERY MODERNIZATION
DOI:10. 3969 / j. issn. 1007-9580. 2022. 01. 014
Vol. 49 No. 1 Feb. 2022
基于模糊 PID 的拖网渔船升沉补偿系统研究
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（ 1 College of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092； 2 College of Mechanical Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105）
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
266
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
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
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。
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。
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］。
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。
DOI:10.13433/ki.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
February 2012 Vol． 31 No． 2
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
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
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
时为被动补偿方式，复合油缸吸收冲击力，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
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
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
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