基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统及方法，本系统包括传感器网络、液压驱动系统和波浪补偿控制器：波浪补偿控制器包括PLC控制器；本系统利用传感器网络的MRU测量船舶运动参数，利用MRU、声学波浪仪耦合得到波浪运动参数，利用旋转编码器测量马达转速并得到负载运动参数，PLC控制器对上述运动参数进行分析，得到船舶、负载、波浪三者相对于静止海平面的运动状况，即以静止海平面为运动测量的参考系，解决了船舶、负载、波浪运动测量相互耦合的问题；PLC控制器通过对波浪参数的分析和波浪趋势的判断，选择入水(或出水)时机，并通过控制液压驱动系统动作实现对入水(或出水)过程的控制，可提高海上起吊作业的安全性、平稳性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，本系统包括传感器网络、液压驱动系统和波浪补偿控制器：波浪补偿控制器包括PLC控制器；本系统利用传感器网络的MRU测量船舶运动参数，利用MRU、声学波浪仪耦合得到波浪运动参数，利用旋转编码器测量马达转速并得到负载运动参数，PLC控制器对上述运动参数进行分析，得到船舶、负载、波浪三者相对于静止海平面的运动状况，即以静止海平面为运动测量的参考系，解决了船舶、负载、波浪运动测量相互耦合的问题；PLC控制器通过对波浪参数的分析和波浪趋势的判断，选择入水(或出水)时机，并通过控制液压驱动系统动作实现对入水(或出水)过程的控制，可提高海上起吊作业的安全性、平稳性。【专利说明】
本专利技术涉及一种波浪补偿控制系统及方法，尤其是应用于深水作业起重机、深水绞车、救生艇(救助艇或工作艇)收放装置等领域的主动式波浪补偿控制系统及方法。
技术介绍
随着我国海洋工程产业的发展，海洋平台或船舶越来越频繁地进行着海上起吊作业，其作业范围从近海走向深海，甚至超深海，作业的难度也随之增大。涉及到海上起吊作业的领域主要包括以下几个方面:I)海洋工程深水作业起重机、起重绞车，其主要用于起吊深水装备，如钻采设备、水底管线、水下锚泊设备等；2)救生艇(救助艇或工作艇)收放装置，主要用于恶劣海况条件下的救生艇(救助艇或工作艇)收放作业；3)船用起重机，主要用于货物吊装、物资补给等，即将货物从船舶的一个位置吊装到另一位置或是从一艘船舶吊装到另一艘船舶。然而，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，船体及波浪的运动会对海上起吊作业带来很大的影响，甚至导致作业失败。因此，必须研究波浪补偿技术，补偿波浪扰动、船舶或海洋平台晃动对海上起吊作业造成的不利影响，提高作业的安全性、平稳性。国外对于波浪补偿技术的研究起步较早，一些公司已经具备生产波浪补偿系统的能力，如美国的Vetco公司、Dynacon公司及维高近海公司，挪威的Hydralift公司，英国的布朗兄弟公司，德国的Rexroth Bosch Group公司，芬兰的麦基嘉公司等。相比之下，国内起步较晚，尚处于理论探讨阶段，暂时还未见国内公司生产出波浪补偿系统实际产品的相关报道。然而，无论是现有的实际产品，还是各国学者进行的研究，主要都集中在水上、水下的速度补偿及恒张力控制，而对于入水(或出水)时机判断及过程控制则很少有人研究。实际上，在恶劣海况下，吊装负载(注:此处负载泛指设备、救生艇、货物等)在入水时(或出水时)受到很大的波浪冲击载荷，严重时甚至可能造成悬空、倾覆。
技术实现思路
为了克服现有海上起吊作业过程中吊装负载在入水时(或出水时)受到很大波浪冲击载荷的不足的问题，本专利技术提出，在现有常见主动式波浪补偿控制系统基础上增加入水(或出水)时机判断及过程控制功能，以进一步提高海上起吊作业的安全性、平稳性，可应用于深水作业起重机、深水绞车、救生艇(救助艇或工作艇)收放装置等领域。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案:基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统，其特征在于:所述主动式波浪补偿控制系统包括传感器网络、液压驱动系统和波浪补偿控制器:(I)所述传感器网络包括运动参考单元MRU (Motion Reference Unit)、声学波浪仪、旋转编码器、张力传感器以及液压驱动系统状态监测传感器；所述运动参考单元MRU安装在船体靠近起吊装置的地方，用于测量船舶升沉运动参数；所述声学波浪仪安装在伸出船体的支架上，用于测量声学波浪仪探头到海面距离参数；所述旋转编码器安装在液压马达输出端，用于测量液压马达的转速参数；所述张力传感器安装在吊臂缆绳上，用于测量吊臂缆绳的张力参数；所述液压驱动系统状态监控传感器安装在液压驱动系统中，用于测量液压驱动系统的运行参数；(2)所述液压驱动系统包括主起降回路、变幅回路、刹车回路及恒张力回路；所述主起降回路包括调速换向阀及液压马达，波浪补偿控制器通过调速换向阀控制液压马达变换转速以及进行转向动作，实现负载的起降动作；所述变幅回路包括电磁换向阀及液压缸，波浪补偿控制器通过电磁换向阀控制液压缸进行伸缩，实现变幅机构的变幅动作；所述刹车回路包括刹车电磁阀及卷筒制动器，波浪补偿控制器通过刹车电磁阀控制卷筒制动器进行抱闸与松闸；所述恒张力回路包括背压控制阀及液压马达，波浪补偿控制器通过背压控制阀控制液压马达背压，使得吊臂缆绳张力维持在预设的恒定值范围内；(3)所述波浪补偿控制器包括PLC控制器、串口通讯模块、高速计数器模块以及模拟量输入模块；所述串口通讯模块用于将采集到的声学波浪仪探头到海面距离参数、船舶升沉运动参数反馈至PLC控制器；所述的高速计数器模块用于将采集到的旋转编码器的转速脉冲信号反馈至PLC控制器；所述模拟量输入模块用于将采集到的吊臂缆绳的张力参数反馈至PLC控制器；所述PLC控制器用于将上述参数进行综合计算分析，确定静止海平面、探头基准面、安全位置参数，同时实时分析判断波浪运动趋势，选择时机将负载降放入水或是提升出水，以达到波浪补偿的目的；其中:静止海平面是指海面上下起伏的平均位置，探头基准面是指声学波浪仪探头随着船舶上下起伏运动的平均位置，安全位置是保证负载不会被波浪拍到的位置。所述的PLC控制器包括入水时机判断单元以及出水时机判断单元:所述入水时机判断单元包括入水初始化模块、下放控制模块、悬停控制模块、下放入水控制模块，其中所述入水初始化模块用于在进行吊放作业前，对MRU进行校准，使得船舶升沉位移Xh为O或者其平均值为0，利用MRU以及声学波浪仪采集到的参数分析波浪运动参数，得到探头基准面-静止海平面的距离Xba以及波面-静止海平面距离\，进而得到当前波浪特征值以及下放安全位置，所述下放控制模块用于通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，实现负载的降放动作，使得负载相对于静止海平面速度为恒定值，所述悬停控制模块用于判断当负载下放到安全位置时，通过调速换向阀控制液压马达变换到对应的转速以及进行转向动作，实现负载的悬停动作使得负载相对于静止海平面速度为0，同时悬停控制模块还用于对波浪趋势进行判断，选择下放时机；所述下放入水控制模块用于根据悬停控制模块判断的下放时机通过调速换向阀控制液压马达变换到对应的转速以及进行转向动作，将负载下放入水，负载相对于波面的速度为恒定值；所述出水时机判断单元包括出水初始化模块、跟随控制模块、提升出水控制模块；其中所述出水初始化模块用于在进行吊放作业前，对MRU进行校准，使得船舶升沉位移Xh为O或者其平均值为0，利用MRU以及声学波浪仪采集到的参数分析波浪运动参数，得到探头基准面-静止海平面的距离Xba以及波面-静止海平面距离xw，进而得到当前波浪特征值以及提升安全位置；所述跟随控制模块用于通过背压控制阀控制液压马达背压，将缆绳张力维持在恒定值，使得负载跟随波浪起伏运动，同时对波浪趋势进行判断，选择提升出水的时机；所述提升出水控制模块用于根据跟随控制模块判断的提升时机通过调速换向阀控制液压马达的转速、转向，将负载提升出水，负载相对于波面的速度为恒定值；其中，本系统不考虑船舶横摇、纵摇运动对作业的影响，取竖直向上为各参数取值正方向，Xh为MRU测得船舶升沉位移参数，Xba为探头本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统，其特征在于：所述主动式波浪补偿控制系统包括传感器网络、液压驱动系统和波浪补偿控制器：所述传感器网络包括运动参考单元MRU、声学波浪仪、旋转编码器、张力传感器以及液压驱动系统状态监测传感器；所述运动参考单元MRU用于测量船舶升沉运动参数；所述声学波浪仪用于测量声学波浪仪探头到海面距离参数；所述旋转编码器安装用于测量液压马达的转速参数；所述张力传感器用于测量吊臂缆绳的张力参数；所述液压驱动系统状态监控传感器用于测量液压驱动系统的运行参数；所述液压驱动系统包括主起降回路、变幅回路、刹车回路及恒张力回路；所述主起降回路包括调速换向阀及液压马达，波浪补偿控制器通过调速换向阀控制液压马达变换转速以及进行转向动作，实现负载的起降动作；所述变幅回路包括电磁换向阀及液压缸，波浪补偿控制器通过电磁换向阀控制液压缸进行伸缩，实现变幅机构的变幅动作；所述刹车回路包括刹车电磁阀及卷筒制动器，波浪补偿控制器通过刹车电磁阀控制卷筒制动器进行抱闸与松闸；所述恒张力回路包括背压控制阀及液压马达，波浪补偿控制器通过背压控制阀控制液压马达背压，使得吊臂缆绳张力维持在预设的恒定值范围内；所述波浪补偿控制器包括PLC控制器、串口通讯模块、高速计数器模块以及模拟量输入模块；所述串口通讯模块用于将采集到的声学波浪仪探头到海面距离参数、船舶升沉运动参数反馈至PLC控制器；所述的高速计数器模块用于将采集到的旋转编码器的转速脉冲信号反馈至PLC控制器；所述模拟量输入模块用于将采集到的吊臂缆绳的张力参数反馈至PLC控制器；所述PLC控制器用于将上述参数进行综合计算分析，确定静止海平面、探头基准面、安全位置参数，同时实时分析判断波浪运动趋势，选择时机将负载降放入水或是提升出水，以达到波浪补偿的目的；其中：静止海平面是指海面上下起伏的平均位置，探头基准面是指声学波浪仪探头随着船舶上下起伏运动的平均位置，安全位置是保证负载不会被波浪拍到的位置。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王生海，陈海泉，孙玉清，杜佳璐，张兴明，马来好，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21