一种波浪补偿系统及其控制方法与流程

本发明涉及船用机械技术领域，特别涉及一种波浪补偿系统及其控制方法。

背景技术：

船舶在海上航行、以及海洋平台在远海作业时，都会不断消耗储备的食品、燃油、淡水等物资。为了保证船舶和平台的正常运营，在不能靠近港岸的情况下，通常采用海上补给的方式使消耗的物资得到补给。

海上补给是通过悬空设置在补给船舶和接收船舶之间的钢丝绳，将补给物资从补给船舶传输到接收船舶。在海况比较恶劣的情况下，由于补给船舶和接收船舶在波浪上的相对位置不同，补给船舶和接收船舶会受到波浪作用而产生相对运动，使得吊装在钢丝绳上的补给物资随之产生晃动，有可能导致出现补给物资坠海、撞击船舶等情况。

技术实现要素：

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种波浪补偿系统及其控制方法。所述技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种波浪补偿系统，所述波浪补偿系统包括高架索绞车、张力作动筒、滑轮组、吊车、蓄能器、驱动装置；所述高架索绞车的钢丝绳依次穿过所述张力作动筒、所述滑轮组、所述吊车，所述张力作动筒包括定滑轮、动滑轮、以及设置在所述定滑轮和所述动滑轮之间的液压油缸，所述液压油缸的缸体与所述定滑轮固定连接，所述液压油缸的活塞杆与所述动滑轮固定连接，所述蓄能器与所述液压油缸连通，所述驱动装置与所述高架索绞车传动连接；所述波浪补偿系统还包括控制装置，所述控制装置包括：

位移传感器，用于检测所述活塞杆的位移；

控制器，分别与所述位移传感器和所述驱动装置电连接，用于根据所述活塞杆的位移，控制所述高架索绞车转动。

可选地，所述控制器用于，

当所述活塞杆的位移的绝对值不大于第一设定值时，控制所述高架索绞车处于刹车状态；

当所述活塞杆的位移大于第一设定值时，控制所述高架索绞车沿收缆方向转动；

当所述活塞杆的位移小于第一设定值的相反数时，控制所述高架索绞车沿放缆方向转动；

其中，所述第一设定值大于0，所述活塞杆的位移为所述活塞杆从所述张力作动筒的半程位置向所述活塞杆的伸出方向的位移。

优选地，所述控制器用于按照以下公式控制所述高架索绞车转动：

当L₁＜L≤L₂时，V＝X₁*(L-L₁)*Vn/(L₂-L₁)；

当L₂＜L≤L₃时，V＝X₂*(L-L₃)*Vn/(L₃-L₂)+Vn；

当L＞L₃时，V＝Vn；

其中，L₁为所述第一设定值，L₂为第二设定值，L₃为第三设定值，L₁＜L₂＜L₃，V为所述高架索绞车的实时转动速度，L为所述活塞杆从所述张力作动筒的半程位置向所述活塞杆的伸出方向的位移，X₁为设定的第一比例值，X₂为设定的第二比例值，X₁≤X₂，Vn为所述高架索绞车的最大转动速度。

优选地，所述控制器用于按照以下公式控制所述高架索绞车转动：

当-L₂＜L≤-L₁时，V＝X₁*(L+L₁)*Vn/(L₂-L₁)；

当-L₃＜L≤-L₂时，V＝X₂*(L+L₃)*Vn/(L₃-L₂)-Vn；

当L＜-L₃时，V＝Vn；

其中，L₁为所述第一设定值，L₂为第二设定值，L₃为第三设定值，L₁＜L₂＜L₃，V为所述高架索绞车的实时转动速度，L为所述活塞杆从所述张力作动筒的半程位置向所述活塞杆的伸出方向的位移，X₁为设定的第一比例值，X₂为设定的第二比例值，X₁≤X₂，Vn为所述高架索绞车的最大转动速度。

优选地，所述控制装置还包括：

编码器，与所述控制器电连接，用于检测所述高架索绞车的转动速度。

优选地，所述驱动装置包括液压马达、用于控制所述液压马达的转动方向和转动速度的阀组，所述阀组的工作油口与液压马达的控制油口连通，所述电液比例控制阀的控制端与所述控制器连接，所述液压马达的输出轴与所述高架索绞车传动连接。

可选地，所述滑轮组包括导向滑轮组件和升降滑轮组件，所述导向滑轮组件包括第一滑轮和第二滑轮，所述第二滑轮设置在所述第一滑轮的上方，所述第一滑轮与所述定滑轮设置在同一水平面上，所述升降滑轮组件包括三个滑轮，所述三个滑轮的中心连成一个三角形。

第二方面，本发明实施例提供了一种如第一方面提供波浪补偿系统的控制方法，所述控制方法包括：

获取活塞杆的位移；

当所述活塞杆的位移的绝对值不大于第一设定值时，控制高架索绞车处于刹车状态；

当所述活塞杆的位移大于第一设定值时，控制所述高架索绞车沿收缆方向转动；

当所述活塞杆的位移小于第一设定值的相反数时，控制所述高架索绞车沿放缆方向转动；

其中，所述第一设定值大于0，所述活塞杆的位移为所述活塞杆从所述张力作动筒的半程位置向所述活塞杆的伸出方向的位移。

可选地，所述当所述活塞杆的位移大于第一设定值时，控制所述高架索绞车沿收缆方向转动，包括：

当L₁＜L≤L₂时，V＝X₁*(L-L₁)*Vn/(L₂-L₁)；

当L₂＜L≤L₃时，V＝X₂*(L-L₃)*Vn/(L₃-L₂)+Vn；

当L＞L₃时，V＝Vn；

其中，L₁为所述第一设定值，L₂为第二设定值，L₃为第三设定值，L₁＜L₂＜L₃，V为所述高架索绞车的实时转动速度，L为所述活塞杆从所述张力作动筒的半程位置向所述活塞杆的伸出方向的位移，X₁为设定的第一比例值，X₂为设定的第二比例值，X₁≤X₂，Vn为所述高架索绞车的最大转动速度。

可选地，所述当所述活塞杆的位移小于第一设定值的相反数时，控制所述高架索绞车沿放缆方向转动，包括：

当-L₂＜L≤-L₁时，V＝X₁*(L+L₁)*Vn/(L₂-L₁)；

当-L₃＜L≤-L₂时，V＝X₂*(L+L₃)*Vn/(L₃-L₂)-Vn；

当L＜-L₃时，V＝Vn；

其中，L₁为所述第一设定值，L₂为第二设定值，L₃为第三设定值，L₁＜L₂＜L₃，V为所述高架索绞车的实时转动速度，L为所述活塞杆从所述张力作动筒的半程位置向所述活塞杆的伸出方向的位移，X₁为设定的第一比例值，X₂为设定的第二比例值，X₁≤X₂，Vn为所述高架索绞车的最大转动速度。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

在接收船舶远离补给船舶时，钢丝绳变大的压力促使张力作动筒的活塞杆缩回液压油缸，蓄能器存储能量，在接收船舶靠近补给船舶时，储能器释放能量，驱使张力作动筒的活塞杆伸出液压油缸，通过活塞杆的位移量补偿接收船舶相对补给船舶的位移量，张力作动筒实现波浪补偿。同时控制装置控制高架索绞车根据张力作动筒的补偿情况主动参与波浪补偿，高架索绞车可以在海况比较恶劣的情况下协同张力作动筒共同进行波浪补偿，保障补给物资能够平稳地运输到补给船舶上，避免补给物资由于海浪的不规则运动而发生不受控运动，进而发生坠海或者撞击船舶的危险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种波浪补偿系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的张力作动筒和蓄能器的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的驱动装置和控制装置的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的活塞杆的位移与高架索绞车的速度的关系示意图；

图5a是本发明实施例一提供的接收船舶远离补给船舶时波浪补偿系统的动作示意图；

图5b是本发明实施例一提供的接收船舶靠近补给船舶时波浪补偿系统的动作示意图；

图6是本发明实施例二提供的一种波浪补偿系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种波浪补偿系统，参见图1，该波浪补偿系统包括高架索绞车10、张力作动筒20、滑轮组30、吊车40、蓄能器50(参见图2)、驱动装置60(参见图3)。高架索绞车10的钢丝绳11依次穿过张力作动筒20、滑轮组30、吊车40，参见图2，张力作动筒20包括定滑轮21、动滑轮22、以及设置在定滑轮21和动滑轮22之间的液压油缸23，液压油缸23的缸体23a与定滑轮21固定连接，液压油缸23的活塞杆23b与动滑轮22固定连接，参见图2，蓄能器50与液压油缸23连通，参见图3，驱动装置60与高架索绞车10传动连接。

在本实施例中，高架索绞车10用于主动进行波浪补偿，张力作动筒20用于被动进行波浪补偿，滑轮组30用于为高架索绞车10的钢丝绳11导向，吊车40用于悬挂补给物资100，蓄能器50为张力作动筒20提供恒定压力的，驱动装置60用于驱动高架索绞车10。高架索绞车10、张力作动筒20、滑轮组30、蓄能器50、驱动装置60和控制装置70均设置在补给船舶200上，高架索绞车10的钢丝绳11依次穿过张力作动筒20、滑轮组30、吊车40后固定在接收船舶300上。

在本实施例中，参见图3，该波浪补偿系统还包括控制装置70，控制装置70包括：

位移传感器71，用于检测活塞杆23b的位移；

控制器72，分别与位移传感器71和驱动装置60电连接，用于根据活塞杆23b的位移，控制高架索绞车10转动。

具体地，位移传感器72设置在张力作动筒20上。

可选地，控制器72可以用于，

当活塞杆的位移的绝对值不大于第一设定值时，控制高架索绞车处于刹车状态；

当活塞杆的位移大于第一设定值时，控制高架索绞车沿收缆方向转动；

当活塞杆的位移小于第一设定值的相反数时，控制高架索绞车沿放缆方向转动；

其中，第一设定值大于0，活塞杆的位移为活塞杆从张力作动筒的半程位置向活塞杆的伸出方向的位移。

优选地，参见图4，控制器72可以按照以下公式控制高架索绞车转动：

当L₁＜L≤L₂时，V＝X₁*(L-L₁)*Vn/(L₂-L₁)；

当L₂＜L≤L₃时，V＝X₂*(L-L₃)*Vn/(L₃-L₂)+Vn；

当L＞L₃时，V＝Vn；

其中，L₁为第一设定值，L₂为第二设定值，L₃为第三设定值，L₁＜L₂＜L₃，V为高架索绞车的实时转动速度，L为活塞杆从张力作动筒的半程位置向活塞杆的伸出方向的位移，X₁为设定的第一比例值，X₂为设定的第二比例值，X₁≤X₂，Vn为高架索绞车的最大转动速度。

优选地，参见图4，控制器71可以按照以下公式控制高架索绞车转动：

当-L₂＜L≤-L₁时，V＝X₁*(L+L₁)*Vn/(L₂-L₁)；

当-L₃＜L≤-L₂时，V＝X₂*(L+L₃)*Vn/(L₃-L₂)-Vn；

当L＜-L₃时，V＝Vn；

其中，L₁为第一设定值，L₂为第二设定值，L₃为第三设定值，L₁＜L₂＜L₃，V为高架索绞车的实时转动速度，L为活塞杆从张力作动筒的半程位置向活塞杆的伸出方向的位移，X₁为设定的第一比例值，X₂为设定的第二比例值，X₁≤X₂，Vn为高架索绞车的最大转动速度。

在具体实现中，第一设定值、第二设定值、第三设定值、第一比例值、第二比例值可以综合考虑张力作动筒的和高架索绞车的波浪补偿能力进行设定。

容易知道，当0＜L≤L₁时，V＝0；当-L₁＜L≤0时，V＝0。控制器72通过控制高架索绞车的实时转动速度进行波浪补偿：当0＜L≤L₁或者-L₁＜L≤0时，海浪比较平静或者波动很小，可以完全通过张力作动筒完成波浪补偿；当L₂＜L≤L₃或者-L₂＜L≤-L₁时，海浪波动较小，但已无法完全通过张力作动筒完成波浪补偿，高架索绞车参与波浪补偿，补偿速度较慢；当L₂＜L≤L₃或者-L₃＜L≤-L₂时，海浪波动较大，高架索绞车和张力作动筒共同实现波浪补偿，并且高架索绞车的补偿速度较快；当L＞L₃或者L＜-L₃时，波浪波动很大，高架索绞车以最大补偿能力和张力作动筒共同进行波浪补偿。

进一步地，参见图3，控制装置70还可以包括：

编码器73，与控制器72电连接，用于检测高架索绞车的转动速度。

具体地，编码器73可以设置在高架索绞车上。

具体地，参见图3，驱动装置60可以包括液压马达61、用于控制液压马达61的转动方向和转动速度的阀组62，阀组62的工作油口与液压马达61的控制油口连通，电液比例控制阀62的控制端与控制器71连接，液压马达61的输出轴与高架索绞车10传动连接。

在实际应用中，阀组62可以包括用于控制液压马达61的转动方向的换向阀和用于控制液压马达61的转动速度的电液比例阀。

可选地，参见图1，滑轮组30可以包括导向滑轮组件31和升降滑轮组件32，导向滑轮组件31包括第一滑轮31a和第二滑轮31b，第二滑轮31b设置在第一滑轮31a的上方，第一滑轮31a与定滑轮21设置在同一水平面上，升降滑轮组件32包括三个滑轮32a，三个滑轮32a的中心连成一个三角形。

下面简单介绍一下本发明实施例提供的波浪补偿系统的工作原理：

在海上补给的过程中，补给船舶200和接收船舶300均跟随波浪运动(一般为正弦波运动)，为了方便阐述，将补给船舶200和接收船舶300都处于波浪运动的状态进行等同变换，假定补给船舶200处于静止状态，接收船舶300相对补给船舶200处于两倍波浪运动的状态。如果不进行波浪补偿，补给物资100会随补给船舶200运动；进行波浪补偿，可以使补给物资100的运输过程趋于平稳，类似一条水平线。需要说明的是，波浪补偿之前，活塞杆23b位于张力作动筒20的全位移的一半位置(简称半程位置)，即张力作动筒20的平衡位置。

参见图5a，当接收船舶300相对补给船舶200向远离补给船舶200的方向运动时，高架索绞车10的钢丝绳11张力变大，压迫活塞杆23b缩回液压油缸23a内，活塞杆23b压缩的位移参与补偿接收船舶300远离补给船舶200的位移量，张力作动筒20实现被动波浪补偿，同时蓄能器50储存能量。若活塞杆23b的位移的绝对值不大于第一设定值时，控制装置70控制高架索绞车10处于刹车状态，高架索绞车10不参与波浪补偿；若活塞杆23b的位移小于第一设定值的相反数时，控制装置70控制高架索绞车10沿放缆方向转动，高架索绞车10主动参与波浪补偿，避免活塞杆23b进一步压缩，活塞杆23b的位移的绝对值随着高架索绞车10放缆慢慢回到不大于第一设定值的范围内，此时控制装置70控制高架索绞车10停止放缆。

参见图5b，当接收船舶300相对补给船舶200向靠近补给船舶200的方向运动时，高架索绞车10的钢丝绳11张力变小，蓄能器50释放能量，驱动活塞杆23b伸出液压油缸23a，活塞杆23b伸出的位移参与补偿接收船舶300靠近补给船舶200的位移量，张力作动筒20实现被动波浪补偿。若活塞杆23b的位移的绝对值不大于第一设定值时，控制装置70控制高架索绞车10处于刹车状态，高架索绞车10不参与波浪补偿；若活塞杆的位移大于第一设定值时，控制装置70控制高架索绞车10沿收缆方向转动，高架索绞车10主动参与波浪补偿，避免活塞杆23b进一步伸出，活塞杆23b的位移的绝对值随着高架索绞车10收缆慢慢回到不大于第一设定值的范围内，此时控制装置70控制高架索绞车10停止放缆。

本发明实施例在接收船舶远离补给船舶时，钢丝绳变大的压力促使张力作动筒的活塞杆缩回液压油缸，蓄能器存储能量，在接收船舶靠近补给船舶时，储能器释放能量，驱使张力作动筒的活塞杆伸出液压油缸，通过活塞杆的位移量补偿接收船舶相对补给船舶的位移量，张力作动筒实现波浪补偿。同时控制装置控制高架索绞车根据张力作动筒的补偿情况主动参与波浪补偿，高架索绞车可以在海况比较恶劣的情况下协同张力作动筒共同进行波浪补偿，保障补给物资能够平稳地运输到补给船舶上，避免补给物资由于海浪的不规则运动而发生不受控运动，进而发生坠海或者撞击船舶的危险。

实施例二

本发明实施例提供了一种如实施例一提供的波浪补偿系统的控制方法，参见图6，该控制方法包括：

步骤201：获取活塞杆的位移。当活塞杆的位移的绝对值不大于第一设定值时，执行步骤202；当活塞杆的位移大于第一设定值时，执行步骤203；当活塞杆的位移小于第一设定值的相反数时，执行步骤204。其中，第一设定值大于0，活塞杆的位移为活塞杆从张力作动筒的半程位置向活塞杆的伸出方向的位移。

在实际应用中，可以由设置在定滑轮和动滑轮之间的位移传感器检测活塞杆的位移并传输给控制器。

步骤202：控制高架索绞车处于刹车状态。

具体地，该步骤202可以包括：

当0＜L≤L₁时，V＝0；

当-L₁＜L≤0时，V＝0；

其中，L为活塞杆从张力作动筒的半程位置向活塞杆的伸出方向的位移，L₁为第一设定值，V为高架索绞车的实时转动速度。

步骤203：控制高架索绞车沿收缆方向转动。

可选地，该步骤203可以包括：

当L₁＜L≤L₂时，V＝X₁*(L-L₁)*Vn/(L₂-L₁)；

当L₂＜L≤L₃时，V＝X₂*(L-L₃)*Vn/(L₃-L₂)+Vn；

当L＞L₃时，V＝Vn；

其中，L₁为第一设定值，L₂为第二设定值，L₃为第三设定值，L₁＜L₂＜L₃，V为高架索绞车的实时转动速度，L为活塞杆从张力作动筒的半程位置向活塞杆的伸出方向的位移，X₁为设定的第一比例值，X₂为设定的第二比例值，X₁≤X₂，Vn为高架索绞车的最大转动速度。

步骤204：控制高架索绞车沿放缆方向转动。

可选地，该步骤204可以包括：

当-L₂＜L≤-L₁时，V＝X₁*(L+L₁)*Vn/(L₂-L₁)；

当-L₃＜L≤-L₂时，V＝X₂*(L+L₃)*Vn/(L₃-L₂)-Vn；

当L＜-L₃时，V＝Vn；

其中，L₁为第一设定值，L₂为第二设定值，L₃为第三设定值，L₁＜L₂＜L₃，V为高架索绞车的实时转动速度，L为活塞杆从张力作动筒的半程位置向活塞杆的伸出方向的位移，X₁为设定的第一比例值，X₂为设定的第二比例值，X₁≤X₂，Vn为高架索绞车的最大转动速度。

本发明实施例在接收船舶远离补给船舶时，钢丝绳变大的压力促使张力作动筒的活塞杆缩回液压油缸，蓄能器存储能量，在接收船舶靠近补给船舶时，储能器释放能量，驱使张力作动筒的活塞杆伸出液压油缸，通过活塞杆的位移量补偿接收船舶相对补给船舶的位移量，张力作动筒实现波浪补偿。同时控制装置控制高架索绞车根据张力作动筒的补偿情况主动参与波浪补偿，高架索绞车可以在海况比较恶劣的情况下协同张力作动筒共同进行波浪补偿，保障补给物资能够平稳地运输到补给船舶上，避免补给物资由于海浪的不规则运动而发生不受控运动，进而发生坠海或者撞击船舶的危险。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。