基于力位联合控制的主动式波浪升沉补偿装置控制系统

1.本发明涉及海洋工程技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于力位联合控制的主动式波浪升沉补偿装置控制系统。


背景技术：

2.在船运货物的过程中，当两艘船进行并靠补给时，并靠的两艘船受到波浪作用会产生升沉等六自由度运动，吊装的补给物资也受到船舶运动激励产生晃动，吊装船相对于接收船之间会存在比较大的相对运动，可能对补给的物资、船体以及甲板作业人员带来危险，造成十分严重的后果，同样的岸对船的补给也存在相同的问题。因此需要对货物进行波浪升沉补偿，从而消灭货物晃动这一隐患。
3.现在比较成熟的波浪升沉补偿系统为主动式补偿系统以及被动式补偿系统，主动式补偿系统即在船舶甲板上布置一个六自由度或三自由度运动补偿平台，将负责接驳的起重机布置在运动补偿平台上，运动补偿平台将对起重机以及吊装装运的货物同时进行补偿，这种补偿方式精度很高，但是运动补偿平台需要对起重机以及货物同时进行补偿，导致功率消耗较大。被动式补偿系统通常采用机械的方式将货物升沉的能量通过钢质弹簧或者气缸吸收存储再释放的方式进行补偿，这种补偿方式补偿精度较低。


技术实现要素：

4.根据上述提出的两种补偿方式补偿精度较低或功率消耗过大的技术问题，而提供一种基于力位联合控制的主动式波浪升沉补偿装置控制系统。本发明主要利用中央控制单元对起重机液压装置和波浪升沉补偿装置进行控制，从而起到精确的对货物进行升沉补偿的目的。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种基于力位联合控制的主动式波浪升沉补偿装置控制系统，包括：中央控制单元；当起重机正常工作时，所述中央控制单元监测正常工作信号并根据第一安全方案对正常工作信号进行分析，发送相对应的补偿指令至起重机液压装置；当起重机无动作时，所述中央控制单元监测无动作信号并根据第二安全方案对无动作信号进行分析，发送相对应的补偿指令至起重机液压装置；
7.起重机液压装置；所述起重机液压装置接收补偿指令并控制波浪升沉补偿装置中的第一液压缸、主吊臂和主吊臂上的绞车动作；
8.波浪升沉补偿装置；所述波浪升沉补偿装置包括动滑轮机构、第一液压缸和定滑轮机构，所述动滑轮机构定滑轮机构间反复缠绕有主吊索，所述主吊索的前端连接有吊钩，所述吊钩上吊有货物，所述波浪升沉补偿装置中的第一液压缸动作带动动滑轮机构运动，从而改变动滑轮机构与定滑轮机构间的主吊索长度，进而改变吊钩离接收平台的高度。
9.进一步地，所述正常工作信号包括主吊索的张力信号、主吊臂的角度信号、绳索的长度信号和吊运船与目标船间的相对运动信号、以及吊钩与接收平台之间的距离信号；所
述张力信号由设置在绞车处的张力传感器测得，所述角度信号由设置在主吊臂变幅关节处的角度传感器测得，所述长度信号由设置在绞车处的同轴编码器测得，所述吊运船与目标船间的相对运动信号通过分别设置于吊运船和目标接收船上的运动参考单元测得，所述吊钩与接收平台之间的距离信号通过吊钩处的激光测距装置测得。
10.进一步地，所述无动作信号包括吊钩与接收平台的距离信号、吊运船与目标船间的相对运动信号，所述吊钩与接收平台的距离信号通过设置于吊钩上的距离传感器测得，所述吊运船与目标船间的相对运动信号通过分别设置于吊运船和目标船上的运动参考单元测得。
11.进一步地，所述第一安全方案包括：
12.设置吊钩与接收平台间的最大安全距离和最小安全距离；
13.通过设置于吊钩上的距离传感器采集吊钩和接收平台的实时位置数据，得出吊钩与接收平台的实时距离；
14.当实时距离大于最大安全距离时，中央控制单元发出补偿指令使第一液压缸收缩，重复上述步骤直至实时距离小于最大安全距离；
15.当实时距离小于最小安全距离时，中央控制单元发出补偿指令使第一液压缸伸长，重复上述步骤直至实时距离大于最小安全距离；
16.当实时距离小于最大安全距离并大于最小安全距离时，控制系统无动作。
17.进一步地，所述第二安全方案包括：
18.设置吊钩与接收平台间的固定安全距离，当吊物落在接收平台时，所述固定安全距离为0；
19.通过设置于吊钩上的距离传感器采集吊钩和接收平台的实时位置数据，得出吊钩与接收平台的实时距离；
20.当实时距离大于固定安全距离时，中央控制单元发出补偿指令使第二液压缸进行收缩，同时第一液压缸配合第二液压缸进行收缩，直至实时距离等于固定安全距离；
21.当实时距离小于固定安全距离时，中央控制单元发出补偿指令使第二液压缸进行伸长，同时第一液压缸配合第二液压缸进行伸长，直至实时距离等于固定安全距离；
22.当实时距离等于固定安全距离时，控制系统无动作。
23.进一步地，所述中央控制单元包括供电单元、主控芯片、无线接收单元和元件控制单元，所述供电单元与主控芯片、无线接收单元和元件控制单元电连接，所述主控芯片与线接收单元和元件控制单元无线连接。
24.进一步地，所述起重机液压装置包括液压站、起降回路和变幅回路，所述中央控制单元通过起降回路控制绞车收放缆绳，对吊钩上的吊物进行吊放；所述中央控制单元通过变幅回路控制主吊臂处的第二液压缸伸缩使主吊臂进行变幅。
25.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
26.本发明通过设置中央控制单元对起重机液压装置和波浪升沉补偿装置进行控制，从而改变吊钩的离地距离，进而实现对货物的升沉补偿；
27.本发明通过设置第一安全方案和第二安全方案，提供了具体的升沉补偿条件，使得升沉补偿过程更为精准、安全；
28.本发明通过设置起重机正常工作和无动作时的两种情况，对其分别设置不同的升
沉补偿控制方式，多情况的对货物进行升沉补偿；
29.本发明通过设置多种传感器、测量装置和mru，实现对船舶各项数据的精准测量，使得升沉补偿控制更为精确。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明控制系统示意图。
32.图2为本发明第一安全方案逻辑图。
33.图3为本发明第二安全方案逻辑图。
34.图4为本发明控制系统布置图。
35.图中：1、接收平台；2、波浪升沉补偿装置；3、主吊臂；4、主吊索；5、起重机液压装置。
具体实施方式
36.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
39.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
40.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关
系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
41.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
42.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
43.如图1-4所示，本发明提供了一种基于力位联合控制的主动式波浪升沉补偿装置控制系统，其特征在于，包括：
44.中央控制单元；当起重机正常工作时，所述中央控制单元监测正常工作信号并根据第一安全方案对正常工作信号进行分析，发送相对应的补偿指令至起重机液压装置5；当起重机无动作时，所述中央控制单元监测无动作信号信号并根据第二安全方案对无动作信号进行分析，发送相对应的补偿指令至起重机液压装置5；所述中央控制单元包括供电单元、主控芯片、无线接收单元和元件控制单元，所述供电单元与主控芯片、无线接收单元和元件控制单元电连接，所述主控芯片与线接收单元和元件控制单元无线连接。
45.起重机液压装置5；所述起重机液压装置5接收补偿指令并控制波浪升沉补偿装置2中的第一液压缸、主吊臂3和主吊臂3上的绞车动作；
46.波浪升沉补偿装置2；所述波浪升沉补偿装置2包括动滑轮机构、第一液压缸和定滑轮机构，所述动滑轮机构定滑轮机构间反复缠绕有主吊索4，所述主吊索4的前端连接有吊钩，所述吊钩上吊有货物，所述波浪升沉补偿装置2中的第一液压缸动作带动动滑轮机构运动，从而改变动滑轮机构与定滑轮机构间的主吊索4长度，进而改变吊钩离接收平台1的高度。
47.所述正常工作信号包括主吊索4的张力信号、主吊臂3的角度信号、绳索的长度信号和吊运船与目标船间的相对运动信号、以及吊钩与接收平台1之间的距离信号；所述张力信号由设置在绞车处的张力传感器测得，所述角度信号由设置在主吊臂3变幅关节处的角度传感器测得，所述长度信号由设置在绞车处的同轴编码器测得，所述吊运船与目标船间的相对运动信号通过分别设置于吊运船和目标接收船上的运动参考单元测得。所述吊钩与接收平台1之间的距离信号通过吊钩处的激光测距装置测得。
48.所述第一安全方案包括：
49.设置吊钩与接收平台1间的最大安全距离和最小安全距离；
50.通过设置于吊钩上的距离传感器采集吊钩和接收平台1的实时位置数据，得出吊钩与接收平台1的实时距离；
51.当实时距离大于最大安全距离时，中央控制单元发出补偿指令使第一液压缸收缩，重复上述步骤直至实时距离小于最大安全距离；
52.当实时距离小于最小安全距离时，中央控制单元发出补偿指令使第一液压缸伸长，重复上述步骤直至实时距离大于最小安全距离；
53.当实时距离小于最大安全距离并大于最小安全距离时，控制系统无动作。
54.所述无动作信号包括吊钩与接收平台的距离信号、吊运船与目标船间的相对运动信号，所述吊钩与接收平台的距离信号通过设置于吊钩上的距离传感器测得，所述吊运船与目标船间的相对运动信号通过分别设置于吊运船和目标船上的运动参考单元测得。
55.所述第二安全方案包括：
56.设置吊钩与接收平台1间的固定安全距离；当吊物落在接收平台1时，所述固定安全距离为0；
57.通过设置于吊钩上的距离传感器采集吊钩和接收平台的实时位置数据，得出吊钩与接收平台1的实时距离；
58.当实时距离大于固定安全距离时，中央控制单元发出补偿指令使第二液压缸进行收缩，同时第一液压缸配合第二液压缸进行收缩，直至实时距离等于固定安全距离；
59.当实时距离小于固定安全距离时，中央控制单元发出补偿指令使第二液压缸进行伸长，同时第一液压缸配合第二液压缸进行伸长，直至实时距离等于固定安全距离；
60.当实时距离等于固定安全距离时，控制系统无动作。
61.所述起重机液压装置5包括液压站、起降回路和变幅回路，所述中央控制单元通过起降回路控制绞车收放缆绳，对吊钩上的吊物进行吊放；所述中央控制单元通过变幅回路控制主吊臂3处的第二液压缸伸缩，使主吊臂3进行变幅。
62.本发明基于力位联合控制的主动式波浪升沉补偿装置2波浪升沉补偿过程如附图4所示，第二液压缸连接主吊臂3和塔身，用于完成主吊臂3的变幅动作；绞车4位于主吊臂3上可实现吊物的升降动作；主动式波浪升沉补偿装置2中动滑轮机构、定滑轮机构可实时调整动滑轮机构和定滑轮机构之间的主吊索4长度，可在起重机动作和吊物悬停(或落在接收平台1时)对吊物进行深沉补偿，可有效提升起重机吊装作业的安全性和效率。
63.本发明进一步说明如下：
64.一种基于力位联合控制的主动式波浪升沉补偿系统系统。本发明一种基于力位联合控制的主动式波浪升沉补偿系统系统如附图1所示，以主控芯片为中央控制单元搭建控制系统，具体包括以下内容：
65.中央控制单元通过变幅回路控制液压缸动作，实现主吊臂3的起升。
66.中央控制单元通过起降回路控制绞车收放缆绳，实现吊物的吊放。
67.中央控制单元通过实现对主动式波浪装置的控制，通过实时改变主吊索4长度，进而实现吊物的升沉补偿。
68.起重机正常作业时，中央控制单元通过布置在吊钩及接收平台1(或船舶)的运动参考单元以及起重机的变幅回转动作，测算出主动式波浪装置中液压缸的伸缩距离，进而对吊物的升沉运动进行补偿。
69.起重机无动作(吊物悬停或落在接收平台1时)，测控单元根据船舶的波浪运动信号，实现吊物的主动波浪升沉补偿功能。
70.起重机动作时主动式波浪升沉补偿装置控制逻辑图。
71.本发明起重机动作时主动式波浪升沉补偿装置控制逻辑如图2所示：
72.预设吊钩与接收平台1(或船舶)之间的安全的位置差，预设最大安全距离差为δx1，最小安全距离差为δx2。
73.读取起重机吊臂3变幅动作以及主吊索4的升降动作，读取吊钩以及接收平台mru的实时位置数据。通过测算得出吊钩与接收平台1的位置差δx。
74.当δx超过δx1时，中央控制单元控制主动式波浪升沉补偿装置2液压缸收缩，然后再次读取起重机的变幅起降动作。
75.当δx小于δx2时，中央控制单元控制主动式波浪升沉补偿装置2液压缸伸长，然后再次读取起重机的变幅起降动作。
76.当位置差在δx1与δx2范围之间时，整个主动式波浪升沉补偿装置2控制系统不动作即可。
77.吊物悬停(或落在接收平台1时)主动式波浪升沉补偿装置反馈系统。
78.吊物悬停(或落在接收平台1时)主动式波浪升沉补偿装置反馈系统如图3所示，吊物悬停(或落在接收平台1)，起重机无变幅、起升等动作。
79.其步骤可分为以下几步：
80.在中央控制单元中预设吊钩与接收平台1的距离值，当吊物悬停时，在中央控制单元预设某个安全距离值，当吊物落在接收平台1时，在中央控制单元预设距离值为零。
81.通过中央控制单元对控制主动式波浪升沉补偿装置2中液压缸的伸缩，改变动滑轮机构和定滑轮机构之间的相对位置，进而调整动滑轮机构和定滑轮机构之间主吊索4的长度，完成主吊索4长度的实时调整。
82.中央控制单元再次读取吊钩处以及接收平台1的mru，根据mru的实时位置数据控制主动式波浪升沉补偿装置2液压缸动作，使其吊钩与接收平台1的之间距离值不变。
83.本发明基于力位联合控制的主动式波浪升沉补偿装置升沉补偿过程如图4所示：
84.起重机进行正常作业时，中央控制单元单元可监测起重机的升降速度、变幅角度和速度以及钢丝绳的长度变化，同时根据吊钩以及接收平台1处的mru实时位置信号，通过控制液压站动作实现液压缸的伸缩，改变动滑轮机构和定滑轮机构之间的相对位置，进而调整动滑轮机构和动滑轮机构之间主吊索4的长度，完成主吊索4长度的实时调整。
85.起重机无动作(吊物悬停或落在接收平台1上)中央控制单元根据船舶的波浪运动信号，实现吊物的主动波浪升沉补偿功能。
86.基于力位联合控制的主动式波浪升沉补偿装置可实现吊物与接收平台1(或船舶)保持安全距离，防止吊物与接收平台1(或船舶)发生碰撞。
87.运动参考单元是比较复杂的传感器，内部集成了很多的功能，可以实时输出船舶的三维姿态数据，可以监测船舶在海中复杂的运动姿态(六自由度运动)。
88.如果是船与船接驳，mru设置在两艘船舶上。
89.岸与船进行接驳，则mru设置在船舶上。
90.mru监测船舶的在海中的六自由度运动，并将传播给的六自由度运动信号通过无线传输给中央控制单元，船与船接驳时，则需要对两船的mru信号进行分析计算，岸与船接驳时，中央控制单元只需要根据船舶的mru信号进行分析计算，然后进行升沉补偿。
91.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。