绞车型升沉补偿模拟试验台虚拟样机

周 强， 肖体兵， 刘建群， 张永康， 邹大鹏

(广东工业大学 机电工程学院， 广东 广州 510006)

引言

升沉补偿系统作为海上浮式作业平台(如钻井平台、风电安装船、CTV船)进行浮式作业必不可少的装备之一，可减少占用作业平台空间，并且补偿行程不限，是很有应用前景和研究意义的一种新型升沉补偿系统[1-2]。考虑到绞车型升沉补偿系统研制成本高，难以搭建全尺寸模型试验台，根据相似原理，课题组搭建了简化版绞车型升沉补偿模拟试验台[3]。然而，搭建的试验台许多参数已固定且每次试验耗时耗力，不便开展更进一步研究，虚拟样机的出现很好地弥补了物理样机的不足[4]。

虚拟样机能真实地模拟复杂系统的工作过程，可大幅降低产品研制费用和缩短产品研制周期[5-6]。为对升沉补偿绞车各方面的特性进行深入而详细的研究，绞车型升沉补偿模拟试验台虚拟样机的搭建将有助于进一步优化系统的设计参数和控制器。绞车型升沉补偿模拟试验台结构复杂，存在多学科交叉融合问题，使用单一软件很难准确建立其仿真模型，基于多软件联合仿真的虚拟样机技术为这类问题提供了有效解决手段[7]。

Simcenter 3D motion软件支持机械结构的动力学建模，相对于传统动力学分析软件ADAMS[8-10]，其与AMESim的联合仿真接口更加友好。本研究拟根据已有的绞车型升沉补偿模拟试验台，利用不同软件的各自优势，在Simcenter 3D motion，AMESim和Simulink 3个软件中分别搭建模拟试验台的不同模块，并基于接口实现联合仿真，建立整个试验台的虚拟样机模型。最后将虚拟样机仿真结果与模拟试验台的试验结果进行对比分析，验证虚拟样机模型的准确性，为下一步改进绞车型升沉补偿系统的设计参数和控制策略，提高补偿进度提供验证平台。

1 绞车型升沉补偿模型试验台

绞车型升沉补偿模型试验台包括升沉运动模拟子系统、钻柱负载模拟子系统和升沉补偿绞车模拟子系统，如图1所示为绞车型升沉补偿模拟试验台。升沉运动模拟子系统为哈尔滨工业大学研制的液压六自由度运动模拟平台。用户可通过运行于上位机的监控程序发布各种命令，并查看当前运动模拟器的运行状态及参数。钻柱负载模拟子系统由质量块、弹簧、连接板组成，质量块的质量可模拟钻柱质量，弹簧的弹性可模拟钻柱弹性，连接板之间连接不同数量或刚度的弹簧可用于模拟不同深度的钻柱[11]。升沉补偿模拟子系统的硬件组成主要包括工控机、采集卡、伺服电机、 变量泵、定量马达、绞车、传感器等。

图1 绞车型升沉补偿模拟试验台

绞车型升沉补偿模拟试验台的原理如图2所示，六自由度平台在6个液压缸的驱动下产生升沉运动，位移传感器1检测平台升沉运动，位移传感器2检测模拟负载升沉运动，转速编码器检测绞车转速，将收集到的3个传感器的信号发送至工控机，经控制系统计算后分别向伺服电机、变量泵输出控制电压信号，实时调节伺服电机转速和变量泵排量，控制定量马达的转速和转向，最终使模拟负载的升沉位移保持在一定范围内，实现升沉补偿[12]。

1.伺服电机 2.变量泵 3.溢流阀 4.电磁球阀 5.液控单向阀 6.压力表 7.压力传感器1 8.压力传感器2 9.双向马达 10.减速器 11.绞车 12.磁粉制动器 13.转速编码器 14.位移传感器1 15.拉力传感器 16.位移传感器2 17.质量块 18.六自由度平台

2 试验台虚拟样机联合仿真方案

绞车型升沉补偿模拟试验台结构复杂，涉及多个学科，基于接口的多软件联合仿真的方式可实现其虚拟样机的搭建。在本研究中，3个软件并行运行，虚拟样机的各个模块在不同的软件中使用各自的求解器进行计算，然后通过接口实现实时数据交换，从而实现3个软件的联合仿真。实现各软件间通讯的接口设置是影响联合仿真成败的关键。首先在Simcenter 3D motion中建立控制输入、输出的端口信息，求解并导出MCOSIM类型的联合仿真接口文件；其次，在AMESim中点击导入Simcenter 3D motion的模型接口文件并生成接口模块，即可实现Simcenter 3D motion与AMESim的信息交互，然后创建SimuCosim接口模块，连线后进入仿真模式即可生成MATLAB Mex类型的联合仿真接口文件； 最后，打开主仿真平台MATLAB/Simulink，创建与AMESim的联合仿真的AME2SLCoSim模块并链接到上一步生成的接口文件，连线后启动仿真，即可实现在本方案中的3个软件的联合仿真。

绞车型升沉补偿模拟试验台的虚拟样机可分为4个模块，图3所示为不同模块间关键信号的传递路径，表1所示为关键信号的具体含义。在本研究中，位于Simulink中的指令输入模块用于输入六自由度平台的期望位姿和期望的钻柱负载的位移量。主控制器模块在Simulink实现，用于编写六自由度平台的逆解算法和直驱容积控制的算法。液压控制系统模块在AMESim中建模，六自由度平台的液压系统以及用于升沉补偿的泵控马达系统将在此处搭建完成。多体动力学分析模块在Simcenter 3D motion中建模，包括液压六自由度平台的动力学模型和钻柱负载模拟系统的动力学模型。

图3 联合仿真软件间信号传递简易方案

表1 传递信号含义(x=1～6)

3 试验台虚拟样机各模块的搭建

3.1 多体动力学模块的建模

多体动力学模块在Simcenter 3D motion中搭建完成，该模块可为3个部分，分别是用于模拟升沉运动的液压六自由度平台，模拟钻井钻柱的负载模块以及绞车型升沉补偿模块，如图4所示。

图4 多体动力学分析模块

液压六自由度平台的主要组成部分包括上平台、下平台、上连接轴、下连接轴、缸筒、活塞杆等。添加运动副后，平台整体自由度为6[13]。下平台固定于地面，通过软件接口，6个液压缸接收力信号并返回伸缩运动信号，上平台即可产生升沉运动。负载模块主要由上连接板、下连接板和质量块组成，上板与下板之间添加有带阻尼的弹簧连接器，通过软件接口，上板接收拉力并返回升沉运动信号。设置好材料属性后，软件即可自动计算出各组成部分的质量，表2所示为动力学模块主要参数表。

表2 动力学模块主要参数

3.2 液压控制系统模块的建模

在AMESim中完成液压控制系统模块的建模，如图5所示， 仿真模型的主要参数设置如表3所示。上部分用于实现绞车型升沉补偿的泵控马达系统，下部分用于升沉运动模拟的六自由度平台的液压系统，与其他模块信息交互的主要信号含义如表1所示。在六自由度平台的液压系统中，6个液压缸接收多体动力学模块传来的伸缩运动信号并返回对活塞杆的推力，主控制器模块计算出的期望伸缩量与多体动力学模块返回的实际伸缩量形成PID闭环控制。此外，接收多体动力学模块传来平台的6个位姿信号并输出到Simulink主控制器模块，以便实时查看平台测量位姿。在泵控马达系统中， 当接收到多体动力学模块的平台升沉信号时，将产生对钻柱负载系统的拉力信号并返回钻柱升沉运动信号，同时，将平台升沉运动、绞车转速、钻柱负载升沉信号作为输入传递给Simulink主控制器模块，并返回变量泵排量电压与伺服电机转速电压信号，实现双变量控制泵控马达调速系统。

图5 液压控制系统模块

表3 仿真模型主要参数设置

3.3 主控制器模块的建模

主控制器模块在MATLAB/Simulink中搭建完成，如图6所示。当输入平台期望位姿时，控制模块计算出6个液压缸的期望伸缩量，即六自由度平台的逆解[14-15]，并将该信号值通过接口传递给AMESim液压控制系统模块。同时， 控制器接收来自AMESim的平台升沉运动、绞车转速、负载升沉信号，并输出变量泵排量、伺服电机转速控制信号。负载位移在最外环做反馈PID控制，位移偏差计算产生的速度值与平台实时升沉速度的和作为前馈，由双变量直驱马达泵控系统跟踪，该值的正负将影响变量泵排量的正负及增益，此外，绞车转速将与计算出的实时期望转速做内环PID控制。仿真时，按试凑法逐步调节PID的比例、积分、微分系数进行优化，如表4所示为主控制器主要参数的设置。双变量控制策略实现了升沉补偿系统的正反转要求，使排量控制更加平稳，又充分利用了伺服电机控制的快速性和稳定性[12]。

图6 主控制器模块

表4 主控制器主要参数设置

4 仿真结果与试验对比分析

对仿真系统与试验系统的平台给定同样的幅值为30 mm，周期为5 s的正弦期望升沉运动信号，且仿真模型的有关参数与试验台的设置参数基本一致。仿真与试验结束后，整理数据并绘图。图7所示为平台升沉运动跟踪性能对比曲线，图8所示为升沉补偿性能对比曲线，图9所示为六自由度平台中某一液压缸中活塞杆所受推力对比曲线，图10为模拟负载所受拉力对比曲线，图11为补偿绞车转速对比曲线。

图7 平台升沉运动跟踪性能

图8 升沉补偿性能

图9 活塞杆所受推力

图10 模拟负载所受拉力

图11 补偿绞车转速

由平台升沉运动跟踪性能对比曲线可知，仿真平台与试验平台跟踪升沉运动均存在少许滞后，但与期望升沉运动信号的偏差维持在较低水平且基本保持一致；由升沉补偿性能对比曲线可知，仿真与试验系统的升沉补偿系统均有效且补偿性能大体一致；由活塞杆所受推力对比曲线可知，仿真值与试验值的变化趋势一样，但前者明显大于后者。之所以如此，主要原因是联合仿真时液压缸的黏滞摩擦系数必须设置为较大值，否则联合仿真振荡剧烈，甚至导致仿真失败。此外，与使用一个软件仿真相比，联合仿真中各软件间数据交换总是存在一个仿真步长的延迟，这是联合仿真技术有待解决的一个难题，可能也是造成仿真系统易振荡甚至失败的原因。由模拟负载所受拉力对比曲线、补偿绞车转速对比曲线可知，仿真模型与试验实测中负载所受拉力、补偿绞车转速均存在一定抖动，但基本保持一致。

综上，从最终效果上来看，所建立绞车型升沉补偿模拟试验台虚拟样机是准确的，仿真模型中平台能很好地跟踪期望平台运动，双变量控制升沉补偿系统有效，并且平台跟踪性能与补偿特性与试验实测大体一致。

5 结论

本研究联合Simcenter 3D motion、AMESim和MATLAB/Simulink 3个软件搭建了绞车型升沉补偿模拟试验台的虚拟样机。仿真与试验结果表明，所搭建的绞车型升沉补偿模拟试验台虚拟样机是准确的，能较真实地反映绞车型升沉补偿模拟试验台物理样机，为进一步优化绞车型升沉补偿系统的设计参数和控制策略，提高补偿精度提供了很好的验证平台。该虚拟样机搭建方法也为其他复杂机电液系统的仿真提供有益参考。