本发明专利技术涉及一种用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法及其张紧器装置，包括以下步骤，步骤1：获取海浪参数，构建用于铺管船运动的海浪运动方程；步骤2：分析铺管船在铺管过程中船体的运动状态；步骤3：计算铺管船的张紧补偿装置液压缸连接点位移；步骤4：分析张紧补偿装置运动，计算张紧器与机构框架连接点处的位移。本发明专利技术提出的控制方法，通过计算海浪与船体之间的运动关系，建立完整的带有张紧补偿的铺管船张紧器的主动控制模型，使得张紧器抗干扰能力强，张紧控制精度高，性能稳定，补偿没有延时性，使张紧器更加平稳的保持恒张力控制；本发明专利技术提出的张紧器装置，使用张紧补偿执行液压缸装置进行反馈补偿，整体结构紧凑，张紧度可控制。可控制。可控制。
【技术实现步骤摘要】
用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法及其张紧器装置
[0001]本申请涉及液压系统仿真
，具体地涉及一种用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法及其张紧器装置。
技术介绍
[0002]随着现代海洋工程的大力发展，各种安装于铺管船、工程船等海洋船舶上的张紧器装备也应用越来越多。由于海浪等因素的干扰，铺管船在进行铺管作业时，船体因受到海浪的影响会发生不规则运动，船体的不规则运动会牵引铺管船张紧器装备随之升沉或摇摆，严重影响海上作业的开展，从而危及到整个铺管作业的安全性与精确性。
[0003]张紧补偿是指因海面起伏引起作业装备张紧力产生波动而进行的补偿校正。张紧补偿技术主要应用于海上补给、海洋钻井、深海探测等方面。通过张紧补偿，可以大大增强海上作业的安全性、高效性和可靠性。张紧补偿技术研究的核心是张紧补偿系统控制，控制系统良好的控制性能和可操作性是张紧补偿系统安全高效作业的前提。
[0004]为了确保操作人员和吊装设备的安全性，以及保证铺管过程的精准性，同时减少因为天气因素而带来的作业停工期，很有必要开发一种铺管船张紧器张紧补偿的控制系统。
[0005]基于当今成熟的液压仿真技术及利用完善的仿真软件，通过对液压系统仿真，有利于对液压系统进行预先了解，通过优化设计参数，完善系统设计，使得液压系统开发周期缩短，降低了开发成本。
技术实现思路
[0006]为了克服现有技术的不足，本专利技术通过计算海浪与船体之间的运动关系，建立带有张紧补偿的铺管船张紧器的主动控制模型，使得张紧器抗干扰能力强，张紧控制精度高，性能稳定，补偿没有延时性，使张紧器更加平稳的保持恒张力控制；本专利技术提出的张紧器装置，使用张紧补偿执行液压缸装置进行反馈补偿，整体结构紧凑，张紧工作控制效果好。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所采用的解决方案为：
[0008]一种用于铺管船张紧器张紧补偿的控制方法，其包括以下步骤：
[0009]步骤1：获取海浪参数，构建用于铺管船运动的海浪运动方程；
[0010]所述海浪参数包括海浪波高A、海浪波长λ、海浪的平均倾角θ和海浪频率ω；建立以海平面为基准的绝对坐标系，O为海平面上设定的参考点，O
‑
XY代表海平面，O
‑
Z代表与海平面垂直的方向；所述海浪运动方程如下所示：
[0011][0012]式中：Γ(x,z,t)表示用于铺管船运动的海浪运动方程；x表示波浪在坐标X轴上的位移坐标；z表示波浪在坐标Z轴上的位移坐标；t表示时间；A表示海浪波高；λ表示海浪波长；θ表示海浪的平均倾角；ω表示海浪频率；φ表示海浪作用于铺管船初始相位角；
[0013]步骤2：分析铺管船在铺管过程中船体的运动状态；
[0014]计算铺管船受海浪作用下横摇角变化曲线以及质心点处垂荡运动曲线，根据铺管船的尺寸参数，计算铺管船受海浪条件下的运动曲线，计算得到船体各个节点处的运动状态；
[0015]获取步骤1中的海浪运动方程，根据海浪运动方程确定海浪运动速度V；根据海浪运动速度确定铺管船受海浪作用下垂向受力F和海浪作用下纵向力矩T；进一步，船体的垂荡运动位移的二次导数和横摇运动偏移角的二次导数的获取方法如下所示：
[0016][0017]式中：表示垂荡运动位移的二次导数：表示横摇运动偏移角的二次导数；F表示海浪作用下垂向受力；T表示海浪作用下纵向力矩；m表示船的整体质量；J
θ
表示铺管船的转动惯量；B表示铺管船型宽；表示海浪作用于铺管船初始相位角；
[0018]步骤3：计算铺管船的张紧补偿装置液压缸连接点位移；
[0019]获取步骤2计算得到的垂荡运动位移的二次导数和横摇运动偏移角的二次导数，进行二次积分分别得到垂荡运动位移和横摇运动偏移角，将张紧补偿装置液压缸与上下履带相连接，下履带固定在底座上，底座与船体固定在一起，分别求得张紧补偿装置四个液压缸连接点处得位移的计算公式如下：
[0020][0021]式中：z0(t)表示海浪作用下船体与张紧补偿装置液压缸连接点处的位移；L表示纵向两连接点处之间距离；h(t)表示垂荡运动位移；θ(t)表示横摇运动偏移角；
[0022]步骤4：分析张紧补偿装置运动，计算张紧器与机构框架连接点处的位移；
[0023]张紧补偿运动过程中，对张紧器运动状态及铺管船运动分析，建立力平衡及力矩平衡方程；整个系统采用质心定理列出等式，建立包括液压缸受力的力平衡方程和力矩平衡方程；铺管船的转动惯量计算采用的计算公式如下所示：
[0024][0025]式中：M
I
表示海浪作用下船体的横摇力矩；I
X
和I
Y
表示船体对坐标X轴和坐标Y轴的转动惯量；L
P
表示铺管船垂线间长；B表示铺管船型宽；m表示船的整体质量；dt2表示对t2的导数；d2θ(t)表示对θ(t)的二阶导数；
[0026]张紧器与机构框架连接点处位移的获取方法如下所示：
[0027][0028]式中：z1(t)表示张紧器上履带与机构框架连接点处的位移；l1表示纵向两连接点处之间距离；l2表示横向两连接点处之间距离；θ
X
(t)和θ
Y
(t)分别表示船体横摇方向角度和纵摇方向角度；
[0029]步骤5：联立等式计算液压缸的运动，在铺管过程中控制铺管船保持稳定；
[0030]联立步骤2、步骤3和步骤4确定的等式确定液压缸的控制参数，借助位移传感器采集张紧补偿装置执行液压缸伸缩位移反馈给输入端，形成闭环控制，进而通过液压缸对张紧器进行控制，实现铺管船的稳定控制。
[0031]可优选的是，所述步骤2中的根据海浪运动方程确定海浪运动速度V，具体为：
[0032]根据海浪运动方程对时间的偏导数确定海浪运动速度如下所示：
[0033][0034]式中：V表示海浪运动速度；表示海浪运动方程对时间的偏导数。
[0035]可优选的是，所述步骤2中的根据海浪运动速度确定铺管船受海浪作用下垂向受力F和海浪作用下纵向力矩T，具体为：
[0036]所述海浪作用下垂向受力F和海浪作用下纵向力矩T的获取方法如下所示：
[0037][0038]式中：F表示海浪作用下垂向受力；T表示海浪作用下纵向力矩；V表示海浪运动速度。
[0039]可优选的是，所述步骤3中的进行二次积分分别得到垂荡运动位移h(t)和横摇运动偏移角θ(t)，具体为：
[0040][0041]式中：c1和c2分别表示垂荡运动位移和横摇运动偏移角的常数。
[0042]可优选的是，所述步骤4中的建立包括液压缸受力的力平衡方程和力矩平衡方程，具体为：
[0043]所述力平衡方程如下所示：
[0044]∑F＝F
h
‑
[mg+T1(t)+T2(t)+T3(t)+T4(t)]＝ma；
[0045]式中：F
h...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤1：获取海浪参数，构建用于铺管船运动的海浪运动方程；所述海浪参数包括海浪波高A、海浪波长λ、海浪的平均倾角θ和海浪频率ω；建立以海平面为基准的绝对坐标系，O为海平面上设定的参考点，O
‑
XY代表海平面，O
‑
Z代表与海平面垂直的方向；所述海浪运动方程如下所示：式中：Γ(x,z,t)表示用于铺管船运动的海浪运动方程；x表示波浪在坐标X轴上的位移坐标；z表示波浪在坐标Z轴上的位移坐标；t表示时间；A表示海浪波高；λ表示海浪波长；θ表示海浪的平均倾角；ω表示海浪频率；φ表示海浪作用于铺管船初始相位角；步骤2：分析铺管船在铺管过程中船体的运动状态；计算铺管船受海浪作用下横摇角变化曲线以及质心点处垂荡运动曲线，根据铺管船的尺寸参数，计算铺管船受海浪条件下的运动曲线，计算得到船体各个节点处的运动状态；获取步骤1中的海浪运动方程，根据海浪运动方程确定海浪运动速度V；根据海浪运动速度确定铺管船受海浪作用下垂向受力F和海浪作用下纵向力矩T；船体的垂荡运动位移的二次导数和横摇运动偏移角的二次导数的获取方法如下所示：式中：表示垂荡运动位移的二次导数：表示横摇运动偏移角的二次导数；F表示海浪作用下垂向受力；T表示海浪作用下纵向力矩；m表示船的整体质量；J
θ
表示铺管船的转动惯量；B表示铺管船型宽；表示海浪作用于铺管船初始相位角；步骤3：计算铺管船的张紧补偿装置液压缸连接点位移；获取步骤2计算得到的垂荡运动位移的二次导数和横摇运动偏移角的二次导数，进行二次积分分别得到垂荡运动位移和横摇运动偏移角，将张紧补偿装置液压缸与上下履带相连接，下履带固定在底座上，底座与船体固定在一起，分别求得张紧补偿装置四个液压缸连接点处得位移的计算公式如下：式中：z0(t)表示海浪作用下船体与张紧补偿装置液压缸连接点处的位移；L表示纵向两连接点处之间距离；h(t)表示垂荡运动位移；θ(t)表示横摇运动偏移角；步骤4：分析张紧补偿装置运动，计算张紧器与机构框架连接点处的位移；张紧补偿运动过程中，对张紧器运动状态及铺管船运动分析，建立力平衡及力矩平衡方程；整个系统采用质心定理列出等式，建立包括液压缸受力的力平衡方程和力矩平衡方程；铺管船的转动惯量计算采用的计算公式如下所示：
式中：M
I
表示海浪作用下船体的横摇力矩；I
X
和I
Y
表示船体对坐标X轴和坐标Y轴的转动惯量；L
P
表示铺管船垂线间长；B表示铺管船型宽；m表示船的整体质量；dt2表示对t2的导数；d2θ(t)表示对θ(t)的二阶导数；张紧器与机构框架连接点处位移的获取方法如下所示：式中：z1(t)表示张紧器上履带与机构框架连接点处的位移；l1表示纵向两连接点处之间距离；l2表示横向两连接点处之间距离；θ
X
(t)和θ
Y
(t)分别表示船体横摇方向角度和纵摇方向角度；步骤5：联立等式计算液压缸的运动，在铺管过程中控制铺管船保持稳定；联立步骤2、步骤3和步骤4确定的等式确定液压缸的控制参数，借助位移传感器采集张紧补偿装置执行液压缸伸缩位移反馈给输入端，形成闭环控制，进而通过液压缸对张紧器进行控制，实现对铺管船的控制。2.根据权利要求1所述的用于铺管船张紧器张紧补偿的主动控制方法，其特征在于，所述步骤2中的根据海浪运动方程确定海浪运动速度V，具体为：根据海浪运动方程对时间的...
【专利技术属性】
技术研发人员：王建伟，靳枭梵，刘鹏发，刘旭初，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：
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