复合式液压缸型半主动波浪补偿系统的研究

张宇航

（上海海事大学工程训练中心，上海 200135）

现今，海上作业作为一项亟待发展的重要产业。由于海上的恶劣环境，作业船体在海面会受到波浪等相关环境的影响，产生横摇、纵摇、垂荡等运动，进而改变了船体的位置。这不仅对海上正常作业产生了影响，也会对船舶安全造成威胁、甚至污染海上环境。为了解决海上作业船体安全问题，需要研究相应的控制技术，因此，出现了波浪补偿技术。

国内外学者进行了大量关于波浪补偿技术的研究，并且设计了相应的波浪补偿系统。目前，在应用中波浪补偿系统的补偿效果较好。然而国内海洋资源开发技术的相关研究起步较晚，关于波浪补偿技术方面，国内外水平依然存在着较大差距。即使在波浪补偿系统的研究中，相关学者设计出的补偿系统具有实用价值，应用于国内的海上作业船体，且得到了一定的补偿效果。但是目前的补偿方法均达不到实际工程的作业要求，补偿效果较差，不能很好地进行相关的补偿。因而国内海洋作业补偿技术还主要靠外国进口。为摆脱过度依赖进口的问题，更好的拓展海洋开发技术，有必要研究出更实用、补偿效果更好的补偿系统。

就目前而言，波浪补偿系统存在很多不同方面的补偿方式，从动力供应方面，可分为被动式、主动式、半主动式三种补偿。半主动波浪补偿是一种比较理想的补偿系统，具有补偿精度高、耗能少、响应快等特点，现已被广泛应用。

波浪补偿系统主要研究方向在系统构型及控制方法上，但在系统功率特性的深入分析方面却较少。因此，文章以复合式液压缸型半主动波浪补偿系统作为研究对象进行建模仿真，分析负载位移、负载速度、系统能量、功率变化四个方面补偿系统的补偿控制精度与功率特性。

1 复合式液压缸型波浪补偿系统

1.1 复合式液压缸型半主动波浪补偿系统原理

工作原理：海上作业时，船体向上运动时，补偿缸左腔的液压油压入蓄能器中，蓄能器内由于气体被压缩，使其部分能量储存在蓄能器中，补偿平台的部分上升位移，而当蓄能器气体压缩所具有补偿能力不能满足需求时，PID控制器就会产生作用，船体作业产生位移变化，将位移变化的信息传递给控制器，经分析及计算，进而确定伺服阀处于左位，变量泵向左边油腔输送液压油，进而推动油缸的活塞杆向右运动，使补偿缸的左腔体积变大，补偿负载上升位移，使负载与活塞杆的位置保持一定。同理，船体向下运动时，推动活塞杆向左运动，使左腔压力变大，体积变小，补偿负载的下沉位移。因此，主动式与被动式波浪补偿系统混合使用时，其补偿精度更高，耗能更少。

复合式液压缸型半主动波浪补偿系统液压原理：是依靠蓄能器、液压泵、PID伺服阀进行补偿如图1所示。复合液压缸为执行元件，缸腔C与蓄能器、储气罐相连，组成了被动波浪补偿子系统；缸腔A、B与液压泵、伺服阀相连，组成了主动波浪补偿子系统。PID控制器经过相应的转换来控制复合液压缸中活塞杆的伸缩情况，进而通过滑轮组来控制负载的升沉运动。

图1 负载位移

复合式液压缸型波浪补偿系统中的控制方法部分采用的是位移型控制。平台的实时位移信号经过位移传感器的检测，将检测信号传递给PID控制器，控制器将给定的位移与实际检测的信号进行运算分析，再将分析后处理好的信号输送到伺服阀及变量泵中，进而使伺服阀确定阀的开口位置，若伺服阀处于左位，油液就会从变量泵中流到复合液压缸中，最后补偿的是带有负载的平台位移，保持了系统在垂向的稳定性。

1.2 半主动波浪补偿控制器

1.2.1 模糊PID控制器工作原理

由于海上作业环境复杂，会遇到各种情况，在选择控制系统时要考虑其控制精度、鲁棒性等问题，补偿系统中控制方法也影响补偿的效果，选择一种适合多种工况的控制方法。而在工程应用中模糊PID的调节时间、超调量都小于PID控制的，且模糊PID无滞后、控制精度更高、效果更好，因此文章采用的控制为模糊PID控制。此控制器是传统的PID控制结合模糊控制组成的，主要采用的是模糊推理判断的思维方式，进行PID参数进行在线自整定，根据不同的输入信号偏差E、偏差变化率EC改变其参数，当PID控制器中Kp、Ki、Kd三个环节转变为新参数后，输送给被控对象，进而完成整个模糊PID控制器的工作过程。

1.2.2 建立模糊PID控制器

模糊PID控制器中的输入语言变量为E、EC；输出语言变量为ΔKp、ΔKi、ΔKd；输入输出语言变量的模糊子集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；输入输出语言变量的论域均为[-6，+6]。文章将输入输出的语言值的隶属度函数类型选择为三角形。

根据E、EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd与相应关系的模糊规则表，在模糊控制器中选定控制规则，得出模糊PID控制器的隶属度函数，最终完成模糊PID控制器FIS系统文件的建立。

2 复合式液压缸波浪补偿系统的仿真模型

2.1 模糊PID控制系统仿真模型

根据模糊PID控制器原理、模糊规则以及常规PID控制器建立SIMULINK中建立模糊PID模型并调用S-Function函数，将此函数名称选择AMESim仿真模块中的lianhe_。其模糊PID控制系统仿真模型将PID的初始值分别设定为6.5、1.3、3，模糊控制器中的模糊因子分别取0.1、0.1，解模糊因子取值分别为3、0.05、0.04。

2.2 复合式液压缸型半主动波浪补偿系统仿真模型

根据复合式液压缸型波浪补偿系统的原理以及仿真构思步骤，建立复合式液压缸型半主动波浪补偿系统AMESim仿真模型以及AMESim-Simulink联合仿真模型。此设计采用单倍率，波浪信号采用正弦信号。

控制模块为AMESim中的PID控制模块，该模型为AMESim单独仿真。而控制模块为Simulink中的模糊PID控制系统时，该模型为AMESim-Simulink联合仿真，Simulink提供了泵和伺服阀的控制信号，AMESim提供了负载位移与速度信号，液压系统通过Simulink中的控制系统，将信号传递给泵和伺服阀，进而使活塞运动带动负载运动。

3 仿真结果

复合式液压缸型半主动波浪补偿系统仿真模拟过程中，设补偿系统中两个主动补偿缸直径为活塞70 mm、62 mm，复合液压缸活塞杆直径62 mm、50 mm，复合液压缸行程400 mm，充气体积25 L，液压泵排量0.045 L/rev，质量300 kg，升沉高度为3 m。控制部分采用的输入信号为正弦波，其表达式为x(t)=Asinωt，ω=2π/T。仿真时取频率与幅值为T=12 s，A=3 m，仿真时间为40 s。

再将联合仿真半主动补偿系统的补偿效果与AMESim单独仿真的补偿效果在负载位移、负载速度、系统功率、系统能量方面进行对比分析。

（1）负载位移与负载速度。如图1、图2所示，在频率与幅值为T=12 s，A=3 m，仿真时间为40 s时，其联合仿真与AMESim单独仿真时负载补偿位移相差不大，负载速度相差大约0.001 m/s，补偿效率基本近似相等约为93.6%，表明联合仿真与单独仿真都对补偿位移的补偿效果较好。

图2 负载速度

（2）系统功率与系统能量。如图3、图4所示，在频率与幅值为T=12 s，A=3 m，仿真时间为40 s时，虽然联合仿真的补偿效果与AMESim仿真的基本保持一致，但是能耗与功率明显不同。联合仿真所消耗的功率是7 kW，能量损失为45 000 J；AMESim单独仿真所消耗功率为9 kW，能量损失为105 000 J。其联合仿真消耗功率是AMESim单独仿真的0.78倍，能量损失是单独仿真的0.5倍。

图3 系统功率

图4 系统能量

4 结论

复合式液压缸型半主动波浪补偿系统进行联合仿真分析半主动补偿的负载位移、负载速度、系统能量、功率变化；在补偿效果上，验证了复合式液压缸型波浪补偿系统AMESim仿真的可行性；在能耗上，表明复合式液压缸型半主动波浪补偿系统的AMESim-Simulink联合仿真的效果更好，进而得出联合仿真更能减少能耗以及系统参数设计的合理性。