二次調(diào)節(jié)技術(shù)的主動升沉補償教學(xué)設(shè)計
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摘要：利用基于二次調(diào)節(jié)技術(shù)的主動升沉補償實驗平臺，設(shè)計為輪機工程專業(yè)配套的在線波浪預(yù)報實驗，鋼絲繩動態(tài)伸長量狀態(tài)觀測實驗以及主動升沉補償綜合實驗。此三實驗涉及了前饋控制，狀態(tài)觀測器設(shè)計方法等現(xiàn)代自動控制理論的相關(guān)知識點，包含了Matlab編程、仿真、實操驗證以及數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)。實驗具有學(xué)科前沿性，在深化和鞏固所學(xué)知識點的過程中能夠全方位地鍛煉學(xué)生的科研能力。
關(guān)鍵詞：主動升沉補償；二次調(diào)節(jié)；波浪預(yù)報；狀態(tài)觀測器
長期以來，高校實驗室一直是培育優(yōu)秀創(chuàng)新人才的載體和核心基地[1]。對于理工學(xué)科而言，實驗教學(xué)也是將所學(xué)知識和實際問題相結(jié)合的重要途徑[2]。輪機工程涉及機、電、液、光等多個學(xué)科，具有顯著的學(xué)科交叉性和復(fù)雜性，與快速發(fā)展的海洋工程現(xiàn)狀相比，現(xiàn)有的實驗設(shè)施尚不能滿足高水平創(chuàng)新人才的培養(yǎng)要求。因此，讓該專業(yè)學(xué)生接觸海洋工程裝備前沿領(lǐng)域，促使其結(jié)合所掌握的基本控制理論，進行相關(guān)實踐教學(xué)勢在必行。
本文旨在設(shè)計三種與輪機工程前沿技術(shù)——主動升沉補償有關(guān)的實驗：在線波浪預(yù)報實驗，鋼絲繩動態(tài)伸長量狀態(tài)觀測實驗，主動升沉補償綜合實驗。通過進行該三種實驗，可以使學(xué)生接觸到輪機工程的科研前沿，有助于啟迪其創(chuàng)新思維，提高其綜合應(yīng)用知識的能力以及掌握相關(guān)領(lǐng)域的基本研究方法。
一、背景知識
對起重機母船所受的升沉干擾運動進行補償，用以保證吊裝作業(yè)在升沉方向上平穩(wěn)可靠進行的運動補償系統(tǒng)，稱為升沉補償系統(tǒng)（HeaveCompensation）?？偟膩碚f，現(xiàn)存在兩種升沉補償方法，即被動升沉補償（Pas⁃siveHeaveCompensation,PHC）以及主動升沉補償（Ac⁃tiveHeaveCompensation,AHC）[3-4]。
主動升沉補償系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)、慣導(dǎo)、控制器及動力源組成。控制器用于接收慣導(dǎo)所測得的母船實時姿態(tài)數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)算法預(yù)報出負載下一時刻的升沉位移，繼而執(zhí)行元件輸出一個與該升沉位移等大反向的運動，消除波浪對負載升沉方向上的運動干擾，從而完成補償任務(wù)。主動型升沉補償系統(tǒng)補償精度高、適應(yīng)性好，且可以結(jié)合復(fù)雜的控制策略進行防晃、入水同步等多方面的控制，大大提高了補償效果。
二次調(diào)節(jié)技術(shù)是指在恒壓網(wǎng)絡(luò)中通過調(diào)節(jié)二次單元（液壓馬達/液壓泵）的斜盤傾角來改變二次單元的排量，以適應(yīng)負載的變化，從而使負載按設(shè)定的規(guī)律變化的一種液壓技術(shù)。利用該技術(shù)，可以使二次單元工作在“液壓馬達”工況或者“液壓泵”工況。當(dāng)二次單元工作在“液壓馬達”工況時，由于進出口壓力恒定，因此二次單元的輸出轉(zhuǎn)矩便與其排量成正比；當(dāng)二次單元工作在“液壓泵”工況時，在負載拖動下，二次單元反轉(zhuǎn)，液壓油便回流到液壓網(wǎng)絡(luò)，由高壓蓄能器回收，實現(xiàn)能量存儲。采用二次調(diào)節(jié)技術(shù)能夠有效降低主動升沉補償?shù)哪芎摹?/p>
本文將基于二次調(diào)節(jié)的主動升沉補償技術(shù)引入輪機工程實驗教學(xué)，設(shè)計了在線波浪預(yù)報實驗，鋼絲繩動態(tài)伸長量狀態(tài)觀測實驗以及主動升沉補償綜合實驗。學(xué)生在進行實驗之前必須查閱相關(guān)資料文獻，掌握一定的主動升沉補償知識；然后進行模型的搭建與仿真，在理論上證實可行之后方可在實驗臺上操作驗證，最后撰寫實驗報告。此三種實驗有益于培養(yǎng)學(xué)生的科研思維、資料檢索能力、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。
二、主動升沉補償實驗平臺
利用二次調(diào)節(jié)技術(shù)，我校搭建了以二次單元為核心部件的主動升沉補償實驗平臺。該平臺主要硬件包括：二次單元（即液壓馬達/泵）及二次單元控制器（HNC）、六自由度轉(zhuǎn)臺、工控機、EtherCAT耦合器和IO接線端子、編碼器、溫度傳感器、銷軸力傳感器和液位傳感器等。
工控機作為系統(tǒng)的控制中心，安裝有TwinCAT、Mat⁃lab、Simulink等自動控制常用軟件,且搭載有TwinCATTE1400代碼編譯器，在對Simulink程序稍作修改之后，該軟件模塊可將程序轉(zhuǎn)化為控制軟件—TwinCAT所能夠識別的代碼，降低了學(xué)生對編程能力的要求。4實驗臺操作面板實驗裝置工作原理大致如下：工控機將運動指令發(fā)送給嵌入式控制器，隨后嵌入式控制器控制六自由度轉(zhuǎn)臺，使之模擬因波浪運動而引起的艦船在六個自由度上的運動。在手動模式下，可通過安裝在實驗臺上的手柄直接控制二次單元正反轉(zhuǎn)，由此控制負載的上升與下降。
在主動升沉補償模式（AHC模式）下，安裝在六自由度轉(zhuǎn)臺中的下位機會將六自由度轉(zhuǎn)臺當(dāng)前運動姿態(tài)發(fā)送給工控機，而工控機便會通過AR模型[5]在線預(yù)報六自由度轉(zhuǎn)臺升沉方向上的位移，利用該信息計算出負載下一時刻的升沉位移。隨后HNC控制器控制二次單元的伺服閥，改變二次單元的液壓缸活塞位移，從而改變二次單元排量，驅(qū)動絞車正反轉(zhuǎn)，消除六自由度轉(zhuǎn)臺運動對負載的干擾，以達到主動升沉補償?shù)哪康摹?/p>
三、在線波浪預(yù)報實驗
（一）實驗?zāi)康?/p>
波浪預(yù)報的意義在于克服系統(tǒng)的時滯，從而保證控制器能夠較好地完成補償任務(wù)。波浪補償實驗?zāi)康脑谟谧寣W(xué)生利用AR模型編寫海浪升沉預(yù)報程序，并在實驗臺上驗證其預(yù)報效果。此實驗鍛煉了學(xué)生的資料檢索能力以及程序編寫能力。
（二）實驗原理
就本實驗而言，波浪預(yù)報算法存在很多，如自回歸模型（AR，AutoRegressive），自動回歸滑動模型（ARMA，AutoRegressiveandMovingAverageModel）以及滑動平均模型（MA，MovingAverageModel）等[6]。考慮到篇幅限制，這里僅挑選AR模型做介紹。AR模型可以如下表述：時間序列上的任何一個值都可以由過去P個時刻上的數(shù)值的線性組合加上該時刻的一個隨機數(shù)[7]。先求出向量a的最小二乘估計a ̂，接著定義最大階數(shù)M，針對p=1,2,...,M的每一個值都計算出AR模型的殘差平方和，然后再計算出每一個模型的AIC準(zhǔn)則數(shù)Sp(N)，具體公式為：AIC(p)=ln[Sp(N)/N]+2p/N（3-2）其中：Sp(N)為模型的殘差。最終選取AIC準(zhǔn)則數(shù)最小的模型的p值作為選定階數(shù)。利用所定階數(shù)p和估計的系數(shù)向量a ̂預(yù)報x̂(N+l)，其中整數(shù)l>0。
（三）實驗內(nèi)容
學(xué)生應(yīng)預(yù)先查閱相關(guān)資料，根據(jù)算法預(yù)報效果，算法實現(xiàn)難度等特性自主選定預(yù)報算法，并利用Matlab/Simulink軟件進行該算法的編寫。
教師應(yīng)預(yù)先給定三組波浪數(shù)據(jù)，這些波浪數(shù)據(jù)的浪高應(yīng)該有所區(qū)別。學(xué)生可利用該組數(shù)據(jù)分別設(shè)定不同的超前時間進行仿真，從而比較在不同浪高數(shù)據(jù)下，不同超前時間下預(yù)報算法的仿真預(yù)報效果。
學(xué)生向教師上交搭建好的程序以及仿真結(jié)果，在經(jīng)過教師確認可行并同意之后，學(xué)生方可將已建立好的模型上傳到實驗平臺的工控機之中。并利用TE1400代碼編譯器在Matlab/Simulink軟件中將該模型轉(zhuǎn)化為Twin⁃CAT可識別的代碼。
打開升沉補償系統(tǒng)的上位機控制界面，該程序采用Labview編寫。點擊“啟泵”，啟動液壓泵，系統(tǒng)內(nèi)部會自動進行星-三角啟動，待液壓泵啟動完成后，開啟高低壓電磁閥，使能二次單元等一系列操作。待系統(tǒng)啟動后將模式控制旋鈕旋到手動模式，控制二次單元將負載向上吊起一定的高度，然后運行六自由度轉(zhuǎn)臺操作軟件，輸入需要模擬的波浪數(shù)據(jù)，六自由度轉(zhuǎn)臺便會根據(jù)給定波浪數(shù)據(jù)運動。實驗結(jié)束后，首先下放負載至一定高度，然后復(fù)位六自由度平臺，再將負載完全下放至地面后關(guān)閉液壓油泵。學(xué)生應(yīng)當(dāng)將在三組波浪數(shù)據(jù)下分別進行實驗，記錄下預(yù)報數(shù)據(jù)，并和原始波浪數(shù)據(jù)作比較，分析算法的預(yù)報效果。
四、鋼絲繩動態(tài)伸長量狀態(tài)觀測實驗
（一）實驗?zāi)康?/p>
鋼絲繩的伸長量為動態(tài)伸長量與靜態(tài)伸長量之和。由于其動態(tài)伸長量不能被直接測量，需要設(shè)計合適的狀態(tài)觀測器。狀態(tài)觀測實驗的目的在于設(shè)計出合適的狀態(tài)觀測器以觀測鋼絲繩的動態(tài)伸長量。該實驗將理論與實踐相結(jié)合，要求學(xué)生能夠靈活利用所學(xué)到的現(xiàn)代控制理論的知識，從而充分鍛煉學(xué)生的工程實踐能力。
（二）實驗原理
為設(shè)計鋼絲繩的動態(tài)伸長狀態(tài)觀測器，有必要建立鋼絲繩負載系統(tǒng)模型。將鋼絲繩負載系統(tǒng)等效為彈簧-質(zhì)量-阻尼模型，將鋼絲繩的伸長分為動態(tài)伸長量Δld和靜態(tài)伸長量Δls，令負載在垂直方向上的位移為xl，xl0是負載初始位移，xh是吊鉤綜合位移。M為負載貨物質(zhì)量，m為鋼絲繩單位長度質(zhì)量，l為鋼絲繩長度，k為鋼絲繩彈性系數(shù)，θm為二次單元轉(zhuǎn)動角度，i為減速器的傳動比，R為絞車滾筒的半徑，xh為吊鉤在垂直方向上的綜合升沉位移。y ̂為作用在鋼絲繩上的拉力的估計值，L作為反饋校正矩陣，可通過零極點配置得到。
（三）實驗內(nèi)容
學(xué)生應(yīng)預(yù)先狀態(tài)觀測器的相關(guān)工程控制知識，利用Matlab軟件進行該狀態(tài)觀測器的M程序的編寫，在編寫過程中學(xué)生應(yīng)當(dāng)自行配置反饋校正矩陣L。教師應(yīng)預(yù)先給出一組波浪數(shù)據(jù)，而學(xué)生可利用該數(shù)據(jù)設(shè)定不同的負載質(zhì)量進行仿真，比較收斂效果。在經(jīng)教師許可之后，學(xué)生可將自己的編寫好的狀態(tài)觀測器程序上傳到工控機中，在教師或者相關(guān)工程人員指導(dǎo)之下轉(zhuǎn)化為TwinCAT可識別的程序，學(xué)生應(yīng)按照在線波浪預(yù)報實驗中的操作啟泵、使能并運行二次單元、提升負載、初始化和啟動六自由度轉(zhuǎn)臺。工控機會接收銷軸式力傳感器所發(fā)送回來的張力數(shù)據(jù)，在經(jīng)過程序的濾波以及比例放大處理之后，用作狀態(tài)觀測器的鋼絲繩動態(tài)伸長量的觀測。同樣，學(xué)生應(yīng)當(dāng)在多個浪高下進行實驗，導(dǎo)出動態(tài)伸長量觀測數(shù)據(jù)，以及負載速度、鋼絲繩張力以及升沉方向上的位移等數(shù)據(jù)，分析觀測器的觀測效果。
五、主動升沉補償綜合實驗
（一）實驗?zāi)康?/p>
該實驗的目的在于通過將前二實驗所設(shè)計的算法相結(jié)合，并運用到實驗平臺上，進行主動升沉補償。將階段性成果運用到實際的工程實踐中，讓學(xué)生能夠?qū)σ话愕目蒲羞^程有所了解，為之后的深造打下基礎(chǔ)。此外，該實驗具有的趣味性讓學(xué)生在接觸輪機工程前沿的同時極大地激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。
（二）實驗原理
為升沉補償實驗平臺的系統(tǒng)框圖，通過三環(huán)控制器分別控制由外而內(nèi)的負載位置環(huán)、二次單元速度環(huán)、以及閥控液壓缸位置環(huán)。
（三）實驗內(nèi)容
由于建立模型的工作較為復(fù)雜，工作量也較大，因此教師直接給出系統(tǒng)的Matlab/Simulink模型。由學(xué)生自行結(jié)合波浪預(yù)報算法以及設(shè)計出的狀態(tài)觀測器，利用教師所給出的三組不同浪高的波浪數(shù)據(jù)進行仿真。向教師上交程序和仿真結(jié)果。在經(jīng)教師許可之后，在工控機中備好的TwinCAT程序中添加在線波浪預(yù)報程序和動態(tài)伸長量狀態(tài)觀測程序，然后在教師或者相關(guān)工程人員指導(dǎo)下按照在線波浪預(yù)報實驗中相同的操作進行實驗。
學(xué)生應(yīng)當(dāng)利用上位機界面記錄下補償開始前與補償開始后的負載的實際位移、補償位移以及鋼絲繩張力等數(shù)據(jù)，并結(jié)合給出的三組的波浪數(shù)據(jù)，分析預(yù)報算法以及狀態(tài)觀測器的有效性，同時根據(jù)浪高的不同，分析波浪預(yù)報的效果和觀測器對于補償效果（負載的位置相對于錨定點的偏移，鋼絲繩張力的波動大小）的影響。
六、結(jié)束語
實驗教學(xué)是高校理工類課程的重要組成部分，是將所學(xué)知識和實際問題相結(jié)合的重要途徑[7]。在實驗教學(xué)之中融合一些前沿性的內(nèi)容，使學(xué)生能夠接觸到前沿科學(xué)的相關(guān)概念和技術(shù)，這樣不光能讓學(xué)生學(xué)習(xí)到本學(xué)科相關(guān)專業(yè)知識，對培養(yǎng)學(xué)生的科研思維，鍛煉其科研能力也大有裨益。本文所設(shè)計的基于主動升沉補償實驗平臺的實驗立足于建設(shè)創(chuàng)新型國家的發(fā)展核心戰(zhàn)略，著眼于我校的輪機工程專業(yè)對本科人才和研究生的培養(yǎng)目標(biāo)，讓學(xué)生充分接觸并了解輪機工程的前沿領(lǐng)域，且在實驗過程中兼顧了理論教學(xué)和實踐訓(xùn)練，對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的提高起到了重要作用。
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作者：吳金波 張煌 郭睿文 李維嘉 單位：華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院