二次调节主动升沉补偿实验平台的设计与开发

吴金波 于文超 郭睿文 李维嘉

华中科技大学船舶与海洋工程学院 湖北武汉 430074

为加快建设一流大学和一流学科，我校以实验教学体系和内容改革为先导，提倡创新精神，激发创新活力，积极开发研制新型实验设备。轮机工程专业涉及机械、电气、液压等多个学科领域，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，现有的实验教学设备尚不能满足高水平人才的培养要求。为使学生对本专业学科产生进一步的学习兴趣，急需建设立足于当代海洋工业反映其领域前沿技术的教学实验平台。

我校与德国力士乐公司紧密合作，设计和开发了以二次调节技术为核心的主动式升沉补偿实验平台。该平台采用二次液压元件作为动力源，并在设计中加入了舰船预报算法和前馈控制器，解决了传统主动升沉补偿起重机补偿精度低、严重滞后、功率回收困难、负载刚度差等问题[1]。其控制系统结合德国倍福公司的半实物仿真技术搭建了三闭环控制结构。学生只需在其熟悉的MatLab软件搭建系统模型、编写相应的控制算法，无须了解底层程序，直接利用半实物仿真模块便可得到相应的TwinCAT程序代码。实践表明，船用起重机主动升沉补偿实验能让学生了解先进的液压传动技术，锻炼其动手操作和软件编程的能力，又提高了实验教学的质量和效率。

1 二次调节技术简介

本实验台采用的二次调节技术是一种新型的静液传动技术，最早由德国汉堡国防工业大学Nikolans教授于1977年提出。二次调节静液传动技术是一种典型的、基于能量回收再利用的节能技术[2]，其核心为能够将液压能和机械能相互转化的二次液压元件。与一次元件不同，二次液压元件既有液压马达的工况，也有液压泵的工况[3]。二次元件处于液压泵工况时，液压起重机的吊臂释放钢丝缆绳，负载重物下降，其位能被系统中的蓄能器回收。二次元件处于马达工况时，液压起重机的吊臂收回钢丝缆绳，负载重物上升，系统中的蓄能器释放之前储存的能量。整个过程实现了能量的回收和再次利用，相比于传统的液压系统极大地提高了能量利用率(具体过程如图1所示)。

图1 二次调节系统能量回收利用过程

2 实验平台设计

本实验平台的功能包含船体运动模拟和对货物垂向升沉运动的主动补偿。主要由机械系统、液压系统和控制系统组成。

2.1 机械系统设计

机械系统主要由六自由度转台，液压卷筒，地面架和钢丝缆绳等组成(如图2所示)。六自由度转台可模拟不同海况下的船体运动。钢丝缆绳一端缠绕在液压卷筒上，绕过地面架上的定滑轮组，再与负载相连，通过控制卷筒的正反转实现对负载垂向运动的补偿。定滑轮组件上配有销轴式力传感器和多圈式编码器，分别测量钢丝缆绳所受张力和定滑轮的转动角位移。地面架安装有上限位开关和下限位开关以进行电气限位，保证了实验过程的安全。

图2 实验平台机械部分

2.2 液压系统设计

液压系统主要包含液压泵站(如图3所示)和二次单元组件(如图4所示)。液压泵站由冷却风扇、恒压变量泵、三相异步电机、蓄能器、油箱与各类液压阀件组成。二次单元组件由电液伺服阀、对称双出杆变量液压缸、二次液压元件(马达/泵)、摆角传感器、编码器等组成。液压蓄能器起到释放和回收能量的作用，还可以避免系统出现压力尖峰，降低功率消耗的作用[4]。系统工作原理为：工控机通过现场总线给出转速指令，HNC(Hydraulic Numerical Controller)控制器接收到指令转速和实际转速信号并经过运算后，控制电液伺服阀带动对称双出杆变量液压缸移动，改变二次单元斜盘摆角，使其排量变化，达到控制卷筒转速的目的(如图5所示)。

图3 实验平台液压泵站

图4 实验平台二次元件组件

图5 二次单元工作原理图

2.3 控制系统设计

控制系统选用了德国倍福公司C6640型工控机，并搭配TwinCAT控制软件和TE1400工程环境。在该工程环境下，学生可直接将MatLab/Simulink中建立的系统模型、编写的控制算法转化为TwinCAT软件的执行代码。

图6 控制系统硬件组成

控制系统架构(如图6所示)，借助于工业以太网，工控机实现对六自由度转台和HNC的数据交互。工控机借助EtherCAT耦合器建立与Profibus模块、I/O模块之间的通信。I/O模块采集张力、限位、压力、转角等模拟、数字量信号。工控机对这些信号进行接收、转换和调理。通过采集和传输这些I/O数据信号，控制系统能实时监控液压泵站油泵的工作状态、油液温度和油液压力，钢丝缆绳所受张力和移动速度，以及负载是否触发地面架上、下限位开关等。

如图7所示，采用LabVIEW软件编写人机交互界面，学生可以通过界面的操作按钮直接运行实验。LabVIEW采用简单易用的图形化开发环境，结合了强大的硬件驱动、图形显示能力，其设计是面向终端用户，为过程测量控制及实验室研究和自动化应用提供了一个高效的设计环境[5]。实验教学过程中，学生需提前了解各个操作按钮所关联的变量以及整个系统控制逻辑，从而操作实验平台进行升沉补偿实验。

图7 人机交互界面

3 实验原理及结果分析

六自由度转台返回其姿态数据给工控机，通过波浪预报算法进行舰船运动短时预报，并通过变换矩阵和状态观测器折算成被吊货物即将产生的垂向位移。工控机发出指令信号给Profibus模块，使HNC控制器对二次单元排量进行调整。从而使卷筒的转向和转速变化，完成对负载货物垂向运动的主动升沉补偿。实验台采用三闭环控制结构(如图8所示)：内环为二次单元变量缸位置闭环，指令由中间环速度控制器给出，反馈量则由摆角传感器测得；二次单元实际转速由编码器所测转角微分得到，将其输入HNC控制器，形成二次单元转速闭环；货物的实际位置信号由基于钢丝绳动态伸长量的状态观测器测得，将其输入轨迹跟踪控制器构成货物垂向位置闭环。为了提高系统的控制精度，课题组还设计了前馈补偿器。

图8 系统三闭环控制结构

实验前，学生在MATLAB/Simulink软件中搭建好系统模型，实验时直接导入到控制软件TwinCAT中。之后在六自由度转台的软件界面输入模拟的船体运动信号，切换到主动升沉补偿模式，观察货物实际的垂向位置如何变化，然后调节控制器参数直至获得较好的补偿效果(如图9所示)。经过本实验，学生可以了解到当今最新型的液压二次调节技术以及如何对其实际应用，并能把学习到的电液伺服系统知识与实物相对应，加深对课程中闭环控制理论的理解[6-8]。

图9 货物垂向位移及补偿曲线

4 结语

本文搭建了以二次调节技术为核心的主动升沉补偿实验平台。该实验平台不仅能完成对被吊货物垂向运动主动升沉补偿这一教学目的，还通过实验锻炼了学生动手实践能力。主动升沉补偿实验平台融合了机械、液压、控制、电气等各种学科知识，拓展了学生的思维，解决了以往实验教学内容与工程实践脱节的问题。使学生把理论和实践相结合，能更好地适应将来的工作。