波浪补偿起重机优化设计方法研究_田洪清

5 结语
（1）系 统 需 要 较 大 的 饱 合 性 能 ， 即 执 行 机 构 （ 液 压 系统）具有高输出能力，需要有较大功率的液压马达 来实现。 由于单个液压马达输出能力有限，设计中采 用多个马达叠加输出的方式。
（2）要求系统死区小、线性输出范围宽。 较大的死区 和非线性输出容易引起系统震荡，影响波浪补偿起重机 的稳定性。 使用不同的减速器来控制系统输出转速。
出轴上的转动惯量；B 为黏性阻力系数。 以上微分方
程经拉氏变换可写为：
Q=KQI－KCP
Q=DmθS+
Vt 4β
PS+CP
DmP=JθS2+BθS 经化简后得到液压系统的转角与输入电流之间
的关系：
ka
θ=
S2
2
Wh
Dm + 2ξ
Wh
S+1
I
式中，Wh 为液压系统固有频率；ξ 为液压系统阻尼比。 4.2 速度传感器数学模型
关键词：波浪补偿；起重机；数字控制系统；数学模型；仿真试验
Research on Optimization Design of Wave Compensation Crane
TIAN Hong-qing, LI Yan-zhang, ZHOU Jiang-tao (Institute of Logistics Techno-equip, Beijing100072, China)
能，并为方案设计提出合理建议。
4.1 伺服控制阀与液压马达的数学模型
由伺服控制阀与液压马达的基本工作原理可知，
其基本数学模型由三个流量方程来决定。
液 压 阀 流 量 基 本 方 程 ：Q=KQI－KCP
液
压
马
达
流
量
方
程
：Q=Dmθ觶 －
Vt 4β
p觶 +CP
起重机的力平衡方程：DmP=Jθ咬 +Bθ觶 式中，J 为负载、减速器及液压马达折算到马达输
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波浪补偿起重机优化设计方法研究
田洪清，李彦章，周江涛 （海军后勤技术装备研究所， 北京 100072）
摘 要：针对主动式波浪补偿起重机设计和制造过程中容易出现的问题，提出了一种新型波浪补偿起重机的设计 方法，建立系统数学模型，并使用 Simulink 仿真工具分析控制系统的性能，提出改善系统性能的方法。
500 1000 1500 2000 2500 3000 时 间/s
图 3 二次供水温度曲线
5 结语
系统采用免疫 PID 控制器， 根据室外温度的变化和供 热实时情况在线自动调整 PID 控制器参数， 并结合变频调 速循环水压力的方法进行温度控制，具有快速、较好的鲁 棒性以及控制精度高等特点，能 很 好 地 抑 制 系 统 的 超 调 。
波浪补偿起重机的发展经过漫长的过程，从最初 的被动式波浪补偿起重机发展到主动式波浪补偿起 重机。 被动式波浪补偿起重机由简单的纯机械结构组 成，可靠性高，但需要挂接受货船，操作复杂，对接收 船也有一定要求，适用范围小。 主动式波浪起重机适 用范围宽， 对受货船要求少， 但其自身结构涉及机、 电、液一体化设计，机构较为复杂，而且补偿动力需要 由起重机自身提供， 对起重机补偿机构设计要求高， 技术难度大，国内仍处于起步研究阶段。
起重机的系统仿真模型，如图 3 所示。
4.6 系统仿真分析
为检验系统的基本性能，输入取阶跃输入，得到
波浪起重机的阶跃响应曲线，如图 4 所示，图（a）为饱
自动化应用 2014 3 期 77
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+ -
PID
Step
PID Controller Dead Zone
12.5 0.0014s2+0.04s+1
波浪扰动
Vi
输入速度
e
+
-
控
u
制
器
放 大
U
器
液 压
q
阀
马w 达
＋
着舰
减 速 器
W
卷 V′ ＋ 筒
速 度 Vo
测速装置
图 2 波浪补偿起重机原理
4 数学模型与仿真试验
波浪补偿起重机的设计可以通过数学模型分析、
验证，使用 Matlab 中的 Simulink 模块建立系统的基本
模型，根据系统的阶跃响应来分析其稳定性和动态性
（上接第 75 页）
节时间短。
+ -
PID
K1
+
z-d
1/Z
-
f(x)
K2
换热站 温度 控制
干拢信号
图 1 免疫 PID 控制器结构
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
0
500
1000
1500
2000
时 间/s
图 2 干扰信号
85.3
传 统 PID 85.2
免 疫 PID 85.1
85
500
84.9
84.8
84.7 0
速度传感器可简化为比例环节，其数学模型为：
Ks=
Uf vo
式 中 ，Uf 为 速 度 传 感 器 输 出 电 压 ；vo 为 接 收 船 与
补给船之间的相对速度。
4.3 数字控制器
数字控制器采用 DSP 高速数字信号处理器，接收
传感器输出的电压信号， 通过其内置的模拟-数字转
换器，将其转化为数字信号，由软件滤波器对数字信
（3） 需 要 使 用 高 速 信 号 处 理 器 来 快 速 响 应 和 处 理 系统补偿， 高速信号处理器可以实现实时的信号采 集、计算和输出。
（4）需 要 采 用 速 度 传 感 器 ，实 时 采 集 舰 船 与 货 框 之间的接近速度，并通过高速信号处理器有效地滤除 干扰信号，作为信号反馈，抑制波浪干扰，实现波浪补 偿起重机功能。
Abstract: According to the problems in design and production of active wave compensation crane, a novel design method is proposed and the mathematic model is established. The performance of the system is analyzed using Simulink tools. The method of improving the performance of the system is proposed.
(a)
(b)
(c)
(d)
图4 波浪起重机的阶跃响应
由系统响应仿真结果可以看出，经系统反馈校正
后， 波浪起重机基本上可以有效地抑制干扰信号，但 由于液压系统的死区和饱合性能，系统的响应不能完 全满足波浪补偿起重机的要求。 图（a）系统响应速度 快，稳定性好，但对液压系统的快速响应性能要求高， 饱 合 指 标 高 ；图 （b）系 统 稳 定 性 好 ，但 响 应 速 度 慢 ，难 以 满 足 波 浪 起 重 机 的 高 频 响 应 要 求 ；图 （c）系 统 稳 定 性差，因为液压系统死区高，引起波浪补偿系统振动； 图 （d）因 饱 合 参 数 低 、死 区 参 数 高 ，系 统 响 应 速 度 慢 ， 采 用 提 高 PID 比 例 补 偿 系 数 的 方 法 来 提 高 响 应 速 度 后，系统产生严重的超调，失去稳定性。
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控制系统要求具有检测船体的受迫运动、实时控 制液压马达的转向和转速、检测和控制钢丝绳的拉力、 与波浪补偿系统硬件接口以及系统故障自诊断功能。
2 波浪补偿起重机的基本原理
波浪补偿起重机的基本设计如图 1 所示。 波浪补 偿马达分别安装在滑动小车与回转支承上，根据反馈 传感器信号，通过卷扬机构补偿波浪升沉运动，使得 货物的沉降及起升速度与补给船与接收船之间的相 对运动速度保持恒定。 起重马达拉动钢丝绳，控制重 物的起吊。 吊具前端安装有测量装置，测量两船之间 的相对运动速度和距离。 吊具前端配有拉力传感器和 脱钩装置，在货物吊运至接收船上方稳定后，起重马 达缓慢将货物放置于目标船，脱钩装置将自动或手动 脱开货物，完成安全吊运的全过程。 控制器用于测量 拉力传感器、测距仪的信号，并输出补偿马达、起重马 达的控制信号到放大器，从而通过电控液压阀控制波
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浪补偿机构的运动。
液压系统
起重马达
补偿马达 补偿滑车
作业吊臂
吊绳
补偿马达 补给船俯仰Βιβλιοθήκη 缸数字控制器测速传感器
吊钩
货框 货物
接收船
图 1 波浪补偿起重机示意图
3 波浪补给起重机的机电控制系统模型
波浪补偿起重机系统由电子控制器、信号放大器、 测速装置、液压阀、液压马达、补偿滑车、减速器以及辅 助机械装置等组成，原理如图 2 所示。 波浪补偿装置是 由电控系统控制液压马达，拉动补偿滑车及钢丝吊绳， 实现波浪补偿的随动控制功能。 速度传感器接收并检 测接收舰船与货框之间的相对速度，即货物着舰速度， 做为反馈信号输入到信号控制器，与设定输入速度（即 目标速度）相比较，得到偏差信号，偏差信号输入控制 器，经过一定的控制算法（如 PID 控制、模糊控制、自适 应 控 制 ），输 出 控 制 信 号 （ 电 压 信 号 ）， 经 由 信 号 放 大 器 输出电流信号，控制伺服阀的开度和方向，改变液压马 达的转速和转向，由减速器将扭转力矩放大，转速降低 后，输出到卷筒控制钢丝绳拉动货物着舰，从而克服波 浪扰动，实现主动式波浪补偿起重机原理。
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