海上浮吊平台作业的波浪补偿系统的仿真与研究

第１４卷第３期　２０１６年６月　中国工程机械学报　ＶｏＩ．１４　Ｎｏ．３　ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　ＭｌＡＣＨＩＮＥＲＹ　Ｊｕｎ．２０１６　海上浮吊平台作业的波浪补偿系统的仿真与研究　孙友刚，李万莉，刘祥勇　（同济大学机械与能源工程学院，上海２０１８０４）　摘要：浮吊在海上施工建设时，波浪的起伏会造成下降中的重物与突然上升的施工或补给对象的碰撞，导致重　大安全事故的发生．为了抑制波浪对浮吊海上作业的动态影响，提高作业效率，提出一种基于在线遗传算法整定　ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ—Ｉｎｔｅｇｒａｌ—Ｄａｒｉｖａｔｉｖｅ）控制器的主动式波浪补偿系统；在设计系统的基础上，采用ＡＤＡＭＳ、　ＡＭＥＳｉｍ和ＭＡＴＬＡＢ联合仿真平台，对本方案的波浪补偿系统的控制效果进行仿真与研究．最后在物理样机中　对该系统的控制策略的有效性进行试验验证．仿真和试验结果表明：该补偿系统能使吊运载荷的相对运动和波　浪作用下船体的运动在升沉方向解耦，并且本文提出的控制器具有较高的鲁棒性和稳定性，能根据海况的变化　及时调整控制参数，控制效果令人满意．　关键词：海上施工；浮吊；波浪补偿系统；控制策略；港口机械　中图分类号：ＴＧ　１５６　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７２—５５８１（２０１６）０３—０１９８—０８　…　ｌｍＵＩａｔｍｎ　０ｎ　ｎｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏｒ　Ｉｌｏａｔｌｎｇ　ＣｒａｎｅＳ　１　・■　１　・●　－　ｆ■　Ｊｎ　●●　ｄｕｒｉｎｇ　ｏｆｆｓｈｏｒｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ＳＵＮ　Ｙｏｕ—ｇａｎｇ，ＬＩ　Ｗａｎ—ｌｉ，ＬＩＵ　Ｘｉａｎｇ－ｙｏｎｇ　（Ｃｏｌｉｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１８０４）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅａ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｃｒａｎｅｓ，ｔｈｅ　ｈｅａｖｅｓ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｃｅｎｄｉｎｇ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　ａｓｃｅｎｄｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｗａｖｅ　ｉｍｐａｃｔ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｆｏｒ　ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｆｉｒｓｔ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｇｅｎｅｔｉｃ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．ｔｈｅ　ＣＯ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｉｓ　ｔｈｅｎ　ｕｔｉｌｉｚｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｆｆｅｃｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｅｒｅｉｎ，ｉｔ　ｉｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｄｅｃｏｕｐｌｅ　ｔｈｅ　ｐａｙｌｏａｄ　ｍｏｔｉｏｎ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｗａｖｅ—ｉｎｄｕｃｅｄ　ｓｈｉｐ　ｍｏｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｃａｎ　ｔｉｍｅｌｙ　ａｄｊｕｓｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｓｅａ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｆｆｓｈｏｒｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｃｒａｎｅ；ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ；　ｐｏｒｔ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　随着海洋资源的开发、海上工程建设不断扩　用而偏离设定好的位置．国内外很多研究学者在防　大，在海况恶劣的海面更加安全、平稳、准确地进行　止船体水平方向偏离设定位置方面做了大量的研　工程建设、补给货物变得越来越重要．浮吊是海洋　究，给出了路径规划和安全距离ｌ＿４　］．但浮吊的作　工程装备里最重要的设备之一．在海上工程建设、　业安全隐患更多来自于波浪作用下海洋结构物或　海上货物补给调运等方面发挥着重要的作用［１　Ｉ３］．　船体在升沉方向的意外起伏．波浪补偿是指因海面　浮吊的作业环境比较特殊，船体容易受到波浪的作　起伏引起作业装备产生波动而进行的补偿校正．浮　基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１３ＢＡＧ１９Ｂ００　０１），“十二五”国家科技支撑计划项目（２０１１ＢＡＪ０２Ｂ００）　作者简介：孙友刚（１９８９一），男，博士研究生．Ｅ．ｍａｌｉ　１９８９ｙｏｇａ＠ｔｏｎｇｉｉ．ｅｄｕ．ｃｎ　第３期　孙友刚，等：海上浮吊平台作业的波浪补偿系统的仿真与研究　吊在进行物资补给时，下降中的重物容易和突然上　了波浪补偿的主动控制．陆卫杰等＿１１］人建立了导　升的船体发生碰撞，造成重大事故．而波浪补偿系　弹补给动力学方程并进行了仿真，得到了不同海　统则能保证货物与被补给船甲板具有较恒定的相　况、不同位置的运动规律，并在国内首次建成了以　对速度，将货物平稳地下放到被补给船上．　图１浮吊海上作业　Ｆｉｇ．１　Ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｃｒａｎｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ　波浪补偿控制的结构形式繁多，一般按控制力　的执行方式分为被动式控制和主动式控制．被动式　波浪补偿控制是指当两船的升沉运动引起测量绳　索的张力变化后，通过绳索张力的变化来控制补偿　参数．被动式控制主要由执行装置和随动装置组　成，根据吊钩感受到的被补给船升沉起伏信号拖动　随动装置，达到补偿控制的目的．主要形式有气液　混合型、随动型、液压缓冲补偿型等形式Ｌ７　］．我国　目前比较广泛运用的就是这种控制方式，但它的缺　点比较明显：①刚度、阻尼等参数一般通过经验设　计，在作业中不能随外部状态变化而变化，适应性　差；②补偿时系统冲击较大，给海上作业带来安全　隐患；③结构体积十分庞大，需要对被补给船有较　大改装．　主动式波浪补偿控制主要由传感器、执行器和　控制器组成，控制器为核心部件．作业时，控制器根　据传感器检测到的船舶相对运动信号，立刻产生与　之方向相反、大小相同的主动力驱动信号，通过控　制执行器实现波浪补偿．因其冲击不大、补偿的范　围大、控制精度高、安全性好、钢丝绳使用寿命长等　优点成为未来研究的主要方向．目前虽然主动式控　制的工程实际应用尚不成熟，特别是国内仍处于研　究试验阶段，但国内外近年来对其研究还是取得了　一定的进展．　ＪＯＨＮ等［９］分析了依赖ＧＰＳ—ＲＴＫ和船舶运动　高精度加速度感应器如ＭＩ　（Ｍｏｔｉｏｎ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｕｎｉｔ）￣Ｊ量的船舶运动状态．提出的测量信号离线　处理方法，为主动式补偿控制系统中船体运动的预　报开拓了思路．ＳＶＥＩＮ等Ｌ１０＿人将带前馈补偿的阻　抗控制方法应用于浮吊的波浪补偿控制研究，实现　ＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｌｏｇｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）为核心的军　舰并靠补给控制系统，安全地实现海上导弹的直接　补给安装，并通过试验平台验证了补给控制系统的　可靠性和安全性．徐小军＿１。］等提出了基于耦合式　行星传动调速的主动式波浪补偿控制系统．完成了　系统的数学建模、调速器动力学分析、多目标模糊　可靠性优化设计、控制策略研究和原型样机研制等　工作，验证了补偿控制系统在补偿能力、范围、精度　等方面能满足在复杂海况下作业的要求．　以上的方案旨在有效地检测船体姿态然后设　计一个闭环控制系统．然而一个新产品从设计到应　用需要在样机的搭建、测试和验证上花费大量的时　间和金钱，因此本文应用基于　）ＡＭＳ、　ＥＳｉｍ和　ＭＡＴ　联合仿真平台的虚拟样机技术，来帮助工　程师修改机械设计、完善控制策略．在联合仿真平　台上可对不同海况下波浪补偿系统的控制性能进　行仿真研究．因为外部环境即海况是不断变化的，　故本文提出遗传算法在线整定ＰＩＤ控制参数的控　制策略，并在缩比的物理样机上对控制效果进行了　验证．　１　波浪补偿系统的组成和工作原理　本文研究的波浪补偿系统主要由机械执行系　统、电液伺服驱动系统、传感器检测系统和计算机　控制系统４个子系统组成，如图２所示．　图２波浪补偿系统的机构组成　Ｆｉｇ．２　Ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　机械执行系统由卷扬机、钢丝绳、滑轮组及臂　架等组成，是实现重物吊运的最终装置．电液伺服　驱动系统由油泵、蓄能器、安全阀块、伺服阀、平衡　阀和液压马达等组成．油泵提供系统压力及流量，　根据输入信号，通过伺服阀对液压马达进行转速控　制．传感器检测系统由高性能传感器（如专业的船　扣　Ｉ．程机械学报　体姿态检测传感器ＭＲＵ）及数据处理单）￡组成，实　现船舶姿态运动以及吊重速度、位移等信号的实时　采集．汁算机控制系统由软件系统和硬件平台组　成．根据执行装置输入量、船舶姿态的运动量、反馈　量，通过控制算法来控制执行机构．　浮吊和被补给船升沉方向的速度分别为　和　Ｖ　吊蓖相对于全局坐标的下降速度为ＶＭ，吊重　相对于被补给船的速度为　－洲，额定补给速度为　，浮吊和被补给船之间的升沉方向相对速度　为　ＢＡ．　（１）　无波浪补偿时　：ＶＭ—Ｖｌ｛＝Ｖｓ＋　Ａ—ＶＢ＝Ｖｓ＋　ＢＡ　（】）　（２）　有波浪补偿时，补偿的同标为　ｓ　（２　设补偿速度为　，则重物速度为　ＶＭ＝Ｖｓ＋　ｃ＋　Ａ　（３）　Ｉ　＝ＶＭ—ＶＢ＝Ｖｓ＋Ｖｃ＋　Ａ—Ｖｌ｛＝Ｖｓ＋Ｖｃ＋　ＲＡ　（４）　对比公式（１）和（４），得出补偿速度与船体运动　关系为　Ｖｃ＝～ＶＩｎ＝一（ＶＡ—ＶＢ）　（５）　引入补偿速度　使得重物相对于被补给船　的下降速度与两船的相对运动（Ｖ　一　ｎ）无关，重　物就可以由浮吊平稳地下放到被补给船　，达到波　浪补偿的日的．　因为在海上：亡作。浮吊受到风浪影响较为　著．风作用在浮吊结构上的拖拽力Ｆｏ（ｔ）　为　１　ＦＩ）（ｆ）＝　ｌ　ｐＣＩ）Ａ　Ｕ　＋ｌｃ）　Ｉ１Ａ己，　（ｆ）＋　１　ｐＣＤＡ　ｚ　ｃ＇（ｔ）　（ｔ）【　（７）　厶　式中：　为　气密度；　为拖拽力系数；Ａ为结构　的投影而积；Ｕ为基于海拔高度的风速；？　（ｔ）为　随机紊流风速波动．在本文中投影而积和结构高度　町以被忽略不汁．所以作用在浮吊结构上的力可以　被忽略．　另外，海浪引起的干扰是浮式平台运动的主要　影响因素．描述海浪这个激励是建立浮吊模型的至　关重要的部分．为Ｊ　分析非线性系统，海浪力被分　成了２个部分：主要频率的正弦波力的叠加和一个　小的随机部分．波浪被下式描述　：　８　（ｔ）＝ｆｏｓｉｎ（Ｑｆ＋￡）＋　（８）　式中：．，’　．Ｑ和ｅ分别表示波浪的振幅．频率和相　位．此处，力的正弦部分被　ｓｉｎ（Ｑｔ＋￡）描述，砹　图３浮吊在海上的运动　Ｆｉｇ．３　Ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｃｒａｎｅ　灰示随机。ｆ：扰，Ｂ为随机干扰幅值，　为随机干扰　本项．　２　浮吊系统的动力学建模　为Ｊ’建立浮吊系统的机械ｆ｝ｌ　．根据物理模型　的尺寸干”形状用ＳＯＬＩＤＷＯＲＫＳ建市浮吊系统的　３Ｄ模型．然后将模型　入ＡＤＡＭＳ环境【ｌＩ，根据实　际的材料属性。质　，转动惯　≮相天参数来定义　各个部件．＿ｊ｝：Ｈ　通过约束来连接　个部件．奠¨：转台　和船体之问用旋转剐连接；变幅钢丝绳的一端和　臂架通过球铰来连接．起升钢丝绳的一端干¨巷简直　接通过㈣定剐来连接　．在船体巾心添『ＪＩｊ波浪ｆ　扰，如图４所示．　图４波浪作用下的浮吊模型　Ｆｉｇ．４　Ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｃｒａｎｅ　ｗｉｔｈ　ｗａＶｅ　通过在仿真中修改参数恤　叮获得浮ｍ的吊物　系统在　ｎｄ情况下的动　学响　．比如在　级海况　Ｆ（９．３　Ｓ的波浪刷期，１．２　ｍ的仃义波高），起升钢　丝绳的长度为２２　ｍ（共振长度），得到重物悬停状态　下的摇摆角发（　。　）。如图５所示．而内角ａ秆Ｊ面外　角　的摆动规律和幅值和义献［１５—１６］彳Ｉ｛接近．其　ｆｊ　ＭＡＳＯＵＤ等¨］在３自【ｌＪ度运动平台Ｉ　通过Ｔ一　第３期　孙友刚，等：海上浮吊平台作业的波浪补偿系统的仿真与研究　ｍ液压系统中．在ＡＤＡＭＳ中分别将需要　ＡＣＳ船只的１／２４比例模型对模型的有效性进行了　到　ＥＳｉ验证．这一定程度上验证了本文虚拟样机模型的可　输入、输出的参数设置为状态变量，通常使用　信度．　Ｏ　５　罨　ｏ　—Ｏ・５　—１．０　Ｏ　１００　２００　３００　４００　５００　时间／Ｓ　ｌＪＯ　０．５　置　０　一Ｏ・５　一１．０　０　１００　２００　３００　４００　５００　时间／Ｓ　图５吊重的摇摆角度（ａ，　）　Ｆｉｇ．５　Ｌｏａｄ’Ｓ　ｓｗｉｎｇ　ａｎｇｌｅｓ（口，　）　３波浪补偿系统的建模　波浪补偿系统的控制系统结构如图６所示，其　中伺服阀控液压马达为速度伺服系统‘　图６波浪补偿控制系统结构图　Ｆｉｇ．６　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　伺服系统根据速度的指令输入与实际检测到　的重物速度相比较，得到速度偏差信号．偏差信号　通过控制器运算、放大后，实时控制伺服阀的阀口　大小与方向，进而控制重物的速度与方向．　在ＡＤＡＭＳ和　ＥＳｉｍ联合仿真平台上建立　主动波浪补偿的仿真模型，建模完成后，进入参数　设置模式，对各元件进行参数设置．　在　ＥＳｉｍ环境中将波浪的位移曲线和液压　马达的输出扭矩传递到　）ＡＭＳ机械动力系统中．　ＤＡＭＡＳ里的卷轮转速，重物位移和重物速度反馈　ＤＡＡＭＳ内部函数来定义．被补给船相对于重物的　运动用ＭＯＴＩＯＮ变量驱动，卷轮所需要驱动的扭　矩用ＴＯＲＱＵＥ变量驱动，将卷轮转速、重物位移和　重物速度作为输出变量．在ＡＭＥＳｉｍ中，导人定义　好的ＡＤＡＭＳ机械运动模块，完整的联合仿真模型　可建立．如图７所示．　图７波浪补偿系统的虚拟样机模型　Ｆｉｇ．７　Ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｃｒａｎｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏ－ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　４　控制策略的设计　浮吊在海上作业模型是非线性系统，不同情况　下的海况是不一样的．传统的比例一积分一微分　（ＰＩＤ）控制器是比例、积分、微分的线性组合，表　达为：　广　１　ｒｔ　］　（ｔ）＝ｋ　ＪＬ　　ｅ（ｔ）＋　ｉ　Ｊ　０　Ｉ　ｅ（ｔ）ｄｔ＋ｔ　ｄ　（ｔ）Ｊ．Ｊ　　（９）　式中：ｅ（ｔ）为系统误差；ｋ　为比例系数；ｔ　为积分　时间常数；ｔ　ａ为微分时间常数．　传统的试错法是在工程中最广泛运用的ＰＩＤ　参数整定方法．它对工程经验要求很高且对超调的　抑制效果不好，达不到最优控制效果．对于浮吊而　言，要在不同的海况下工作，在一种海况下整定的　控制参数在另一种海况下不一定适用．而且如果超　调过大，还是会影响浮吊的作业安全．因此，本文提　出一种基于遗传算法在线整定ＰＩＤ参数的方法．　４．１基于遗传算法的在线整定过程　遗传算法（ＧＡ）是一种随机化的搜索方法，是　中国工程机械学报　第１４卷　　由生物界的适者生存、优胜劣汰的进化规律演化而　号）来的．其主要特征是直接对结构对象等进行操作，　不存在求导和函数连续性的限定；具有内在的隐　并行性和更好的全局寻优能力．已被人们广泛地应　用于组合优化、机器学习、信号处理、自适应控制和　人工生命等领域．　由于ＰＩＤ控制器有３个参数需要整定，本文的　遗传算法采用多参数的实数编码方式．染色体是由３　个实数ｋ　，ｋ　，ｋａ结合起来的编码串．解码即将其　无交叉　交叉　无交叉　切断就可得到相应的实数．最小目标函数为误差、误　差积分和误差变化率的绝对值的加权和．同时引入　惩罚功能，当出现ｅ（　）＜０时，最小目标函数将加上　一个大于０的项．整个遗传优化的流程如图８所示．　图８基于遗传算法的在线整定过程　Ｆｉｇ．８　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｏｎｌｉｎｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＧＡ　４．２改进型遗传算法　基于遗传算法的波浪补偿控制系统有较高的　实时性要求，并且为了避免无效的交叉和繁殖，需　要对遗传操作进行一些改进，具体如下：　（１）改变遗传操作的顺序组织使得交叉和复　制同时存在；设置父代的个体适应度值＿厂（　），使得　选择概率Ｐ。为　ｆ，　、　Ｐ　＝　（１０）　∑＿Ｊ…　厂（　）　ｉ＝１　式中：ｎ为种群的大小，个体复制数为ｍ＝Ｐ。　，如　果ｍ＜１，设置ｍ＝０并且ｎ　＝（ｎ一∑ｍ）＞０　（２）改变交叉操作完全随机的特征，使得其具　有选择性．对个体引入家族检索编号．禁止具有相　同编号的进行交叉操作，见图１３．（ｒ　表示检索编　图９选择性交叉操作　Ｆｉｇ．９　Ａ　ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　个体ｉ和歹的交叉操作如下所示：　１ｆ　ｘ｝Ｈ＝ａ＋１：（ｘｆ＋（１一口）ｘ｝＋１一ａ　ｘ；）ｘ　　ｕ　式中：Ｘ　和ｘ｝是在父代中ｉ和Ｊ的个体；而ｘ　¨　和ｘ｝¨是子代；ａ表示（０，１）之间的一个随机数．　（３）将随机变异改变为可控的随机操作．种群　中的个体顺序按适应度值从小到大排序，ｉ。表示个　体ｉ的编号．变异率Ｐ　可由下式表示．　ｐ　＝Ａ一　（１２）　式中：Ａ是一个限制最大变异率的常数；　是小于　１的控制因子．　５联合仿真结果　波浪补偿系统的仿真在　Ｓ、ＡＭＥＳ　和　ＭＡＴＬＡＢ联合仿真的平台下进行．基于前文建立的　动力学、液压、控制模型，进行联合仿真来研究波浪　补偿系统在不同海况下的动态特性和安全效果．相　关仿真参数的值见表１．　表１波浪补偿系统参数　Ｔａｂ．１　Ｓｙｓｔｅｍ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　参数名　仿真时间／ｓ　控制目标：　设定的相对速度　。／（ｍ・Ｓ一　）　模型参数：　液压系统流量／（Ｌ・ｍｉｎ。）　伺服阀固有频率／Ｈｚ　伺服阀阻尼比　蓄能器容量／Ｌ　平衡阀压力／ＭＰａ　重物质量／ｔ　干扰参数：　波高ｈ　／ｍ　波浪频率ｆ　／（ｒａｄ・Ｓ一　）　第３期　孙友刚，等：海ｊ：浮吊平台作、ｌ　的波浪补偿系统的仿真　研究　为了保证海上作业的安全，波浪补偿系统必须　验室环境下建立了缩比物理样机来验证波浪补偿　㈨　姗　　在任何海况下具有快速反应，较小的超调等良好的　系统的控制策略．０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　０　０　０　０　动态特性．将传统的ＰＩＤ控制器和本文提出的控制　试验设备包括传感器测量系统，伺服电机驱动　器分别在两种海况下进行仿真．两个控制器各自在　系统，ＤＳＰ控制系统和机械执行系统，如图１２所　两种海况下的阶跃响应如图１０所示．红色和蓝色　示．其中伺服电机运行特性良好，足典型的数字控　的线分别表示传统ＰＩＤ控制器和本文提出的控制　制执行元件．选择伺服电机作为伺服驱动来代替液　器在第一种海况下的阶跃响应．相应的．紫色和绿　压马达，对验证控制策略的有效性影响很小．传感　包！Ｊ！ｌＪ为第二种海况下的阶跃响应．在图中町以明显　器的一端固定在重物上，另一端固定在模拟的甲板　的看出．传统ＰＩＤ控制器在海况改变时动态表现很　荸　Ｈ超调很大．而本文提出的控制器在海况改变　的情况下依然有很优秀的动态表现，收敛迅速、静　态误差趋近于０而且超调小于２％．　图１ｔｌ两种控制器在两种不同海况下的阶跃响应　Ｆｉｇ．１　０　Ｓｔｅｐ　ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｗｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｅａ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　图１１在不同海况下的相对速度　Ｆｉｇ．１　１　Ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｓｐｅｅｄ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｅａ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　图１１是本文提出的控制器在不同海况下的仿　真结果．町以看出即使海况改变．重物相对于被补　给船甲板住垂直方向上始终保持０．３　ｍ・ｓ　的速　度，波浪的干扰被很明显的消除，这样就能保证浮　吊　海上过驳时的安全性和高效性．仿真的结果表　明本文提出的波浪补偿系统能满足浮吊在不同海　况下安全作、Ｊ　的基本要求．　６试验结果　因为建立浮吊以及波浪补偿系统，并在真实的　各种海况下进行测试研究是比较困难的．我们在试　上．传感器可以方便的测出下降的　物和＿ｊ　下运动　的甲板的卡臼对速度．图１３为物理样机的实物模　型图．　图１２试验样机的结构图　Ｆｉｇ．１２　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　图１３试验样机的结构图　Ｆｉｇ．１３　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｅｔｕｐ　系统的参数分别为：吊重Ⅲ　＝１０　ｋｇ．日标相　对速度　＝３　ｃｍ・ｓ　．模拟甲板低频运动的频率　为ｆｌｗ≈（）．１２５　Ｈｚ，高频为．　＝０．５　Ｈｚ．　改进遗传算子使得控制器有更高的搜索效率，　在ＤＳＰ控制器中编写基于遗传算法在线整定ＰＩＤ　参数的程序．进化代数不超过１０代就能达到最小　值且在线整定一次的时间不超过０．０３　ｓ．　中国工程机械学报　第１４卷　如图１４所示，在低频下主动式控制系统的效　反馈调速控制策略，并用遗传算法对ＰＩＤ参数进行　＾ｍ　旨　＼越　靛　—ｍ，ｌｌ曼　＼巡　茛　果良好，稳态误差小于４％，因为真实海浪的激励频　们弱暑；｝　∞　在线整定，提高了控制系统的鲁棒性和稳定性．仿　ｍ　Ｏ　∞弱｛；；　∞垢加　Ｏ　率也偏低，所以试验完全达到预期的控制效果．从　真结果表明对波浪干扰的控制效果令人满意．　图１５可以看出，控制系统在稳定补给时，船舶的受　（３）试验室条件下建立波浪补偿系统的物理　迫运动频率对补偿效果和控制性能影响很大．在高　样机．对本文提出的控制策略的可行性和有效性进　频下，吊重呈现出微幅的振荡，降低了补偿精度．但　行用试验验证，结果表明所提出的控制策略满足所　可以看出本主动式升沉补偿系统的控制策略基本　需的控制要求．　原理正确，速度跟随性能较好，达到所需的控制　效果．　图１４低频干扰下吊重的相对速度　Ｆｉｇ．１４　Ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆ　ｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　图１５高频干扰下吊重的相对速度　Ｆｉｇ。１５　Ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆ　ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　另外，由图ｌ３，１４可以看出，吊重的运动具有　一定的振荡．产生此现象的主要原因是开式齿轮传　动系统不平稳，存在振动现象．另外速度改变时的　冲击和传感器的检测误差等对其也有一定的影响．　在目前的试验条件下，振荡还不太容易消除，这也　是值得继续研究的课题之一．　７　结论　（１）在　Ｓ中对浮吊模型进行动力学仿　真，直观的揭示不同系统参数和工况下浮吊的吊物　系统的动力学响应特性．　（２）基于ＡＤＡＭＳ、　ＥＳｉｍ和ＭＡＴＬＡＢ建立　波浪补偿系统的机电液一体化联合仿真模型，研究　补偿系统在海浪干扰下的表现．系统采用闭环ＰＩＤ　参考文献：　［１］董达善，孙友刚，刘龙，等．基于虚拟样机技术的浮吊补给作　业动态特性仿真研究［Ｊ］．机械科学与技术，２０１５，３４（３）：３９３　—３９７．　ＤＯＮＧ　Ｄａｓｈａｎ，ＳＵＮ　Ｙｏｕｇａｎｇ，ＬＩＵ　Ｌｏｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｏｆ　ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｃｒａｎｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥＪ］．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，３４（３）：３９３—３９７．　［２］王悦民，童民慧．超大型浮吊重载打捞波浪补偿系统的关键　技术［Ｊ］．中国工程机械学报，２００９，７（３）：３６２—３６６．　Ｗ＿ＡＮＧ　Ｙｕｅｍｉｎ，Ｔ０ＮＧ　Ｍｉｎｈｕｉ．Ｖｉｔａｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｎ　ｈｅａｖｙ—　ｌｏａｄｉｎｇ　ｓａｌｖａｇｅ　ｆｏｒ　ｗａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｕｌｔｒａ—ｌａｒｇｅ　ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｃｒａｎｅｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２００９，７（３）：３６２—３６６．　［３］董达善，孙友刚，刘龙．浮吊海上补给作业的动态特性仿真分　析与研究［Ｊ］．科学技术与工程，２０１３，２０：５８７２—５８７６．　Ｄ０ＮＧ　Ｄａｓｈａｎ，ＳＵＮ　Ｙｏｕｇａｎｇ。ＬＩＵ　Ｌｏｎｇ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｏｆ　ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｃｒａｎｅｓ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，２０：５８７２—５８７７．　［４］ＤＯＫＤ，ＪＬ￣．ＮＧ　ｚ　Ｐ，ＰＡＮ　Ｊ．Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　ｆｏｒ　ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ　ｓｈｉｐｓ［Ｊ］．Ｓｙｓｔｅｍｓ　＆Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００２，４７（４）：２９９—３１７．　［５］ＬＩＡＯ　Ｙ　Ｌ，ＳＵ　Ｙ　Ｍ，０　Ｊ．Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ　ｕｎｍａｎｎｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｖｅｓｓｅｌｓ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。２０１４，２１（２）：５４０—５４９．　［６］　ＳＥＲＲＡＮ０ＭＥ，ＳＣＡＧＬＩＡ　Ｇ　Ｊ　Ｅ，ＧＯＤＯＹ　Ｓ　Ａ．Ｔｒａｊｅｃｏｔｒｙ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｖｅｓｓｅｌｓ：ａ　ｌｉｎｅａｒ　ａｌｇｅｂｒａ　ａｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．２０１４，２２（３）：１１０３—１１１１．　［７］邵曼华，寇雄，赵鹏程．几种船用起重机波浪补偿装置Ｅｌｉ．机　械工程师，２００４（２）：２５—２８．　ＳＨＡ０　Ｍａｎｈｕａ，Ｋ０Ｕ　Ｘｉｏｎｇ，ＺＨ　０　Ｐｅｎｇｃｈｅｎｇ．Ｓｅｖｅｒａｌ　ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　ｓｈｉｐ　ｂａｓｅｄ　ｃｒａｎｅ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ，２００４（２）：２５—２８．　［８］姜飞龙，赵瑞姜，飞燕．被动式波浪补偿系统的研究［Ｊ］．起重　运输机械，２０１１（４）：１０—１２．　ＪＩＡＮＧ　Ｆｅｉｌｏｎｇ，ＺＨＡ０　Ｒｕ￣ｉａｎｇ，ＦＥＩ　Ｙａｎ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｌｉｆｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，２０１１（４）：１０—１２．　［９］ＪＯ　Ｍ　Ｇ．Ｈｉｇｈ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｈｅａｖｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＧＰＳ　ＲＴＫ　ａｎｄ　ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＯＣＥＡＮＳ　２０００　ＭＴｓ／　ＩＥＥＥ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ，２０００，２（１）：３０９—３１４．　第３期　孙友刚，等：海上浮吊平台作业的波浪补偿系统的仿真与研究　１２ｔｈ（２００２）Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　０ｆｆｌｓｈｅｒｅ　Ａｎｄ　Ｐｏｌａｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　［１０］　ＳＶＥＩＮＩ　Ｓ．Ａｃｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．　ＩＥＥＥＴ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍａ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２．　１０（５）：７４３—７４８．　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｃｕｐｅｒｔｉｎｏ：ＩＳ０ＰＥ，２００２：４４２—４４９．　［１４］董达善，孙友刚，刘龙．基于虚拟样机技术的钢丝绳动张力仿　真研究［Ｊ］．机床与液压．２０１３，４１（１７）：１５６—１５８．　ＤＯＮＧ　Ｄａｓｈａｎ。ＳＵＮ　Ｙｏｕｇａｎｇ，ＬＩＵ　Ｌｏｎｇ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｔｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｒｅ　ｒｏｐｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　［１１］　陆卫杰．船艇并靠导弹补给及波浪补偿系统研究［Ｄ］．南京：　南京理工大学，２００６．　ＬＵ　Ｗｅｉｊｉｅ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｉｓｓｉｌｅ　ｒｅｐｌｅｎｉｓｈｍｅｎｔ　ｂｙ　ｂｏａｔ　ａｎｄ　ｈｅｔ　ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｄ］．Ｎａｎｊｉｎｇ：Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．２００６．　［Ｊ］．Ｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｓ　ａｎｄ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ．２０１３，４１（１７）：１５６—１５８．　［１５３　ＭＡｓＯ１　ｚ　Ｎ，ＮＡＹＦＥＨ　Ａ　Ｈ，ＭＯＯＫ　Ｄ　Ｔ．Ｃａｒｇｏ　ｐｅｎｄｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｈｉｐ．ｍｏｕｎｔｅｄ　ｃｒａｎｅｓ［Ｊ］．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ，　２００４，３５（３）：２９９～３１１．　１－１２］　徐小军．基于耦合行星传动调速的波浪补偿系统研究［Ｄ］．长　沙：国防科学技术大学，２００９．　ＸＵ　Ｘｉａｏｊｕｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｅａｖｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　［１６］　ＩＤＲｇＳ　Ｍ　Ｍ，ＹＯＵＳＳＥＦ　Ｋ　Ｓ，Ｍ００Ｋ　Ｄ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　８一　ＤＯＦ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｃｒａｎｅ—ｓｈｉｐ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｄｅｌ［Ｃ］／／Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ—ＡＩ　ｆ　｜　｜　｜　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｒｅｓｔｏｎ：　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ（ＡＩＡＡ），　２００３：４１８７—４１９７．　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｐｌａｎｅｔａｒｙ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｐｅｅｄ［Ｄ］．Ｃｈａｎｇｓｈａ：　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　工）ｅｆｅｎｓｅ，２００９．　［１３］　ＪＡＩ　Ｊ　Ｊ，ＬＥＥ　Ｃ　Ｓ．Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｗｉｎｄ　ｆｏｒｃｅ　ｆｏｒ　ｏｆｆｓｈｏｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　～…一………　一一　＾　＿　通　生　口　因出版印刷费用增加，原收版面费太少，故此，经中国工程机械学　会和学报编辑部协商，从２０１６年第四期开始，不再付稿费，敬请相关作　者谅解。　中国工程机械学会　２０１６．６　～　＇Ｈ…】Ｈ…】Ｈ…