二次调节技术的主动升沉补偿教学设计

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摘要：利用基于二次调节技术的主动升沉补偿实验平台，设计为轮机工程专业配套的在线波浪预报实验，钢丝绳动态伸长量状态观测实验以及主动升沉补偿综合实验。此三实验涉及了前馈控制，状态观测器设计方法等现代自动控制理论的相关知识点，包含了Matlab编程、仿真、实操验证以及数据处理等环节。实验具有学科前沿性，在深化和巩固所学知识点的过程中能够全方位地锻炼学生的科研能力。

关键词：主动升沉补偿；二次调节；波浪预报；状态观测器

长期以来，高校实验室一直是培育优秀创新人才的载体和核心基地[1]。对于理工学科而言，实验教学也是将所学知识和实际问题相结合的重要途径[2]。轮机工程涉及机、电、液、光等多个学科，具有显著的学科交叉性和复杂性，与快速发展的海洋工程现状相比，现有的实验设施尚不能满足高水平创新人才的培养要求。因此，让该专业学生接触海洋工程装备前沿领域，促使其结合所掌握的基本控制理论，进行相关实践教学势在必行。

本文旨在设计三种与轮机工程前沿技术——主动升沉补偿有关的实验：在线波浪预报实验，钢丝绳动态伸长量状态观测实验，主动升沉补偿综合实验。通过进行该三种实验，可以使学生接触到轮机工程的科研前沿，有助于启迪其创新思维，提高其综合应用知识的能力以及掌握相关领域的基本研究方法。

一、背景知识

对起重机母船所受的升沉干扰运动进行补偿，用以保证吊装作业在升沉方向上平稳可靠进行的运动补偿系统，称为升沉补偿系统（HeaveCompensation）。总的来说，现存在两种升沉补偿方法，即被动升沉补偿（Pas⁃siveHeaveCompensation,PHC）以及主动升沉补偿（Ac⁃tiveHeaveCompensation,AHC）[3-4]。

主动升沉补偿系统主要由执行机构、惯导、控制器及动力源组成。控制器用于接收惯导所测得的母船实时姿态数据，并利用这些数据结合相关算法预报出负载下一时刻的升沉位移，继而执行元件输出一个与该升沉位移等大反向的运动，消除波浪对负载升沉方向上的运动干扰，从而完成补偿任务。主动型升沉补偿系统补偿精度高、适应性好，且可以结合复杂的控制策略进行防晃、入水同步等多方面的控制，大大提高了补偿效果。

二次调节技术是指在恒压网络中通过调节二次单元（液压马达/液压泵）的斜盘倾角来改变二次单元的排量，以适应负载的变化，从而使负载按设定的规律变化的一种液压技术。利用该技术，可以使二次单元工作在“液压马达”工况或者“液压泵”工况。当二次单元工作在“液压马达”工况时，由于进出口压力恒定，因此二次单元的输出转矩便与其排量成正比；当二次单元工作在“液压泵”工况时，在负载拖动下，二次单元反转，液压油便回流到液压网络，由高压蓄能器回收，实现能量存储。采用二次调节技术能够有效降低主动升沉补偿的能耗。

本文将基于二次调节的主动升沉补偿技术引入轮机工程实验教学，设计了在线波浪预报实验，钢丝绳动态伸长量状态观测实验以及主动升沉补偿综合实验。学生在进行实验之前必须查阅相关资料文献，掌握一定的主动升沉补偿知识；然后进行模型的搭建与仿真，在理论上证实可行之后方可在实验台上操作验证，最后撰写实验报告。此三种实验有益于培养学生的科研思维、资料检索能力、自主学习能力和创新能力。

二、主动升沉补偿实验平台

利用二次调节技术，我校搭建了以二次单元为核心部件的主动升沉补偿实验平台。该平台主要硬件包括：二次单元（即液压马达/泵）及二次单元控制器（HNC）、六自由度转台、工控机、EtherCAT耦合器和IO接线端子、编码器、温度传感器、销轴力传感器和液位传感器等。

工控机作为系统的控制中心，安装有TwinCAT、Mat⁃lab、Simulink等自动控制常用软件,且搭载有TwinCATTE1400代码编译器，在对Simulink程序稍作修改之后，该软件模块可将程序转化为控制软件—TwinCAT所能够识别的代码，降低了学生对编程能力的要求。4实验台操作面板实验装置工作原理大致如下：工控机将运动指令发送给嵌入式控制器，随后嵌入式控制器控制六自由度转台，使之模拟因波浪运动而引起的舰船在六个自由度上的运动。在手动模式下，可通过安装在实验台上的手柄直接控制二次单元正反转，由此控制负载的上升与下降。

在主动升沉补偿模式（AHC模式）下，安装在六自由度转台中的下位机会将六自由度转台当前运动姿态发送给工控机，而工控机便会通过AR模型[5]在线预报六自由度转台升沉方向上的位移，利用该信息计算出负载下一时刻的升沉位移。随后HNC控制器控制二次单元的伺服阀，改变二次单元的液压缸活塞位移，从而改变二次单元排量，驱动绞车正反转，消除六自由度转台运动对负载的干扰，以达到主动升沉补偿的目的。

三、在线波浪预报实验

（一）实验目的

波浪预报的意义在于克服系统的时滞，从而保证控制器能够较好地完成补偿任务。波浪补偿实验目的在于让学生利用AR模型编写海浪升沉预报程序，并在实验台上验证其预报效果。此实验锻炼了学生的资料检索能力以及程序编写能力。

（二）实验原理

就本实验而言，波浪预报算法存在很多，如自回归模型（AR，AutoRegressive），自动回归滑动模型（ARMA，AutoRegressiveandMovingAverageModel）以及滑动平均模型（MA，MovingAverageModel）等[6]。考虑到篇幅限制，这里仅挑选AR模型做介绍。AR模型可以如下表述：时间序列上的任何一个值都可以由过去P个时刻上的数值的线性组合加上该时刻的一个随机数[7]。先求出向量a的最小二乘估计a ̂，接着定义最大阶数M，针对p=1,2,...,M的每一个值都计算出AR模型的残差平方和，然后再计算出每一个模型的AIC准则数Sp(N)，具体公式为：AIC(p)=ln[Sp(N)/N]+2p/N（3-2）其中：Sp(N)为模型的残差。最终选取AIC准则数最小的模型的p值作为选定阶数。利用所定阶数p和估计的系数向量a ̂预报x̂(N+l)，其中整数l>0。

（三）实验内容

学生应预先查阅相关资料，根据算法预报效果，算法实现难度等特性自主选定预报算法，并利用Matlab/Simulink软件进行该算法的编写。

教师应预先给定三组波浪数据，这些波浪数据的浪高应该有所区别。学生可利用该组数据分别设定不同的超前时间进行仿真，从而比较在不同浪高数据下，不同超前时间下预报算法的仿真预报效果。

学生向教师上交搭建好的程序以及仿真结果，在经过教师确认可行并同意之后，学生方可将已建立好的模型上传到实验平台的工控机之中。并利用TE1400代码编译器在Matlab/Simulink软件中将该模型转化为Twin⁃CAT可识别的代码。

打开升沉补偿系统的上位机控制界面，该程序采用Labview编写。点击“启泵”，启动液压泵，系统内部会自动进行星-三角启动，待液压泵启动完成后，开启高低压电磁阀，使能二次单元等一系列操作。待系统启动后将模式控制旋钮旋到手动模式，控制二次单元将负载向上吊起一定的高度，然后运行六自由度转台操作软件，输入需要模拟的波浪数据，六自由度转台便会根据给定波浪数据运动。实验结束后，首先下放负载至一定高度，然后复位六自由度平台，再将负载完全下放至地面后关闭液压油泵。学生应当将在三组波浪数据下分别进行实验，记录下预报数据，并和原始波浪数据作比较，分析算法的预报效果。

四、钢丝绳动态伸长量状态观测实验

（一）实验目的

钢丝绳的伸长量为动态伸长量与静态伸长量之和。由于其动态伸长量不能被直接测量，需要设计合适的状态观测器。状态观测实验的目的在于设计出合适的状态观测器以观测钢丝绳的动态伸长量。该实验将理论与实践相结合，要求学生能够灵活利用所学到的现代控制理论的知识，从而充分锻炼学生的工程实践能力。

（二）实验原理

为设计钢丝绳的动态伸长状态观测器，有必要建立钢丝绳负载系统模型。将钢丝绳负载系统等效为弹簧-质量-阻尼模型，将钢丝绳的伸长分为动态伸长量Δld和静态伸长量Δls，令负载在垂直方向上的位移为xl，xl0是负载初始位移，xh是吊钩综合位移。M为负载货物质量，m为钢丝绳单位长度质量，l为钢丝绳长度，k为钢丝绳弹性系数，θm为二次单元转动角度，i为减速器的传动比，R为绞车滚筒的半径，xh为吊钩在垂直方向上的综合升沉位移。y ̂为作用在钢丝绳上的拉力的估计值，L作为反馈校正矩阵，可通过零极点配置得到。

（三）实验内容

学生应预先状态观测器的相关工程控制知识，利用Matlab软件进行该状态观测器的M程序的编写，在编写过程中学生应当自行配置反馈校正矩阵L。教师应预先给出一组波浪数据，而学生可利用该数据设定不同的负载质量进行仿真，比较收敛效果。在经教师许可之后，学生可将自己的编写好的状态观测器程序上传到工控机中，在教师或者相关工程人员指导之下转化为TwinCAT可识别的程序，学生应按照在线波浪预报实验中的操作启泵、使能并运行二次单元、提升负载、初始化和启动六自由度转台。工控机会接收销轴式力传感器所发送回来的张力数据，在经过程序的滤波以及比例放大处理之后，用作状态观测器的钢丝绳动态伸长量的观测。同样，学生应当在多个浪高下进行实验，导出动态伸长量观测数据，以及负载速度、钢丝绳张力以及升沉方向上的位移等数据，分析观测器的观测效果。

五、主动升沉补偿综合实验

（一）实验目的

该实验的目的在于通过将前二实验所设计的算法相结合，并运用到实验平台上，进行主动升沉补偿。将阶段性成果运用到实际的工程实践中，让学生能够对一般的科研过程有所了解，为之后的深造打下基础。此外，该实验具有的趣味性让学生在接触轮机工程前沿的同时极大地激发其学习兴趣。

（二）实验原理

为升沉补偿实验平台的系统框图，通过三环控制器分别控制由外而内的负载位置环、二次单元速度环、以及阀控液压缸位置环。

（三）实验内容

由于建立模型的工作较为复杂，工作量也较大，因此教师直接给出系统的Matlab/Simulink模型。由学生自行结合波浪预报算法以及设计出的状态观测器，利用教师所给出的三组不同浪高的波浪数据进行仿真。向教师上交程序和仿真结果。在经教师许可之后，在工控机中备好的TwinCAT程序中添加在线波浪预报程序和动态伸长量状态观测程序，然后在教师或者相关工程人员指导下按照在线波浪预报实验中相同的操作进行实验。

学生应当利用上位机界面记录下补偿开始前与补偿开始后的负载的实际位移、补偿位移以及钢丝绳张力等数据，并结合给出的三组的波浪数据，分析预报算法以及状态观测器的有效性，同时根据浪高的不同，分析波浪预报的效果和观测器对于补偿效果（负载的位置相对于锚定点的偏移，钢丝绳张力的波动大小）的影响。

六、结束语

实验教学是高校理工类课程的重要组成部分，是将所学知识和实际问题相结合的重要途径[7]。在实验教学之中融合一些前沿性的内容，使学生能够接触到前沿科学的相关概念和技术，这样不光能让学生学习到本学科相关专业知识，对培养学生的科研思维，锻炼其科研能力也大有裨益。本文所设计的基于主动升沉补偿实验平台的实验立足于建设创新型国家的发展核心战略，着眼于我校的轮机工程专业对本科人才和研究生的培养目标，让学生充分接触并了解轮机工程的前沿领域，且在实验过程中兼顾了理论教学和实践训练，对学生的自主学习能力和创新能力的提高起到了重要作用。

参考文献：

［1］张永山,汪大洋,赵桂峰,etal.高校实验室创新人才培养与建设研究［J］.大学教育,2014（15）:68-69.

［2］赵晓晖.开设综合性实验提高学生应用能力［J］.大学教育,2013（6）:48-49.

［3］贺子奇.海上作业绞车式主动升沉补偿系统设计与仿真［D］.2015.

［4］彭秀艳.船舶运动姿态在线预报及仿真技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学,2006.

作者：吴金波 张煌 郭睿文 李维嘉 单位：华中科技大学船舶与海洋工程学院