一种深远海打桩船超大油缸的耐波性补偿控制方法及装置与流程

本发明涉及海洋工程装备控制，尤其是涉及一种深远海打桩船超大油缸的耐波性补偿控制方法及装置。

背景技术：

1、深远海打桩作业通常由浮式打桩船、可变幅桩架、驱动桩架姿态的液压缸以及吊装系统共同完成。船体在风、浪、流作用下产生横摇、纵摇和升沉，船体运动经桩架支承和吊装机构传递后，会引起桩架相对于地固坐标系的姿态变化、变幅油缸两腔压力及活塞杆速度波动，并可能激发悬吊桩体或吊具摆动。上述扰动具有不同的主导频段和传播路径，且会随波谱、船舶装载、桩架角度、悬吊绳长及载荷变化而变化。

2、现有船体减摇技术包括减摇鳍、压载调节及减摇水舱等。其中，u型减摇水舱利用舱内液体振荡产生减摇力矩，其减摇效果与船舶横摇周期、水舱液柱固有周期及相位关系密切。纯被动水舱的参数一旦确定，适用频带相对有限；当波浪主导周期或船舶装载状态变化时，水舱可能偏离调谐状态，减摇效果下降，特定频段还可能出现增摇。采用气路节流或阀门调节的可控被动水舱虽可改变液柱振荡特性，但其调节速度和作用带宽仍受液体惯性及水舱结构限制，难以独立承担桩架快速姿态补偿。

3、海工装备还采用液压缸、蓄能器、伺服阀或比例阀进行主动、被动或混合式运动补偿。对于支承超大型桩架的变幅油缸，负载惯量大、两腔有效面积不对称，并受阀口流量、油液压缩性、结构摩擦、行程、速度及压力上限约束。若仅依据船体横摇角设置固定阻尼或直接给定推力修正量，容易忽略船体运动经桩架几何关系映射到油缸行程/载荷的差异，也无法兼顾姿态跟踪、冲击抑制和液压系统安全约束。

4、船载吊装系统的主动抑摆通常根据船舶姿态、吊臂状态、绳长及吊物运动控制吊臂、回转机构或绞车。现有方案多以吊物摆角或吊点位置为独立控制目标；船体减摇、桩架变幅油缸补偿和吊物抑摆分别形成控制指令时，各控制器可能对同一船体运动重复补偿或产生相反动作。由此不仅会增加执行器动作和能耗，还可能使桩架姿态修正改变吊点运动，进而再次激发吊物摆动。

5、因此，现有技术仍需要解决的问题并非简单增加若干补偿装置，而是：在统一地固坐标系及统一扰动状态估计下，根据各补偿执行器的作用频带、响应能力和安全约束，将船体运动对桩架姿态、油缸载荷及吊物摆动的影响进行分解与分配；在可控减摇水舱、超大变幅油缸液压回路和吊机执行机构之间形成具有防冲突机制的协调控制，并在传感器异常、压力/行程接近限值或海况超出许可包线时实现连续、可预测的安全降级。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种深远海打桩船超大油缸的耐波性补偿控制方法及装置，能够以桩架相对于地固坐标系的姿态残差及超大变幅油缸的载荷残差为主控目标，把船体扰动分解到不同时间尺度，并在半主动水舱、油缸液压补偿支路和吊机抑摆执行机构之间进行约束分配；各子系统不再独立追踪同一船体运动。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：本发明提供一种深远海打桩船超大油缸的耐波性补偿控制方法，包括以下步骤：

3、s1：获取船体姿态、桩架相对角度、油缸几何参数和油缸两腔压差，根据船体姿态、桩架相对角度和油缸几何参数生成桩架地固姿态残差，由油缸两腔压差生成油缸载荷残差；

4、s2：获取船体横摇状态、水舱相位/液位反馈及带宽约束，根据船体横摇状态、水舱相位/液位反馈及带宽约束估计水舱控制贡献并生成水舱目标量；

5、s3：根据水舱控制贡献修正桩架地固姿态残差，生成水舱作用后桩架地固姿态残差；

6、s4：根据带宽约束、水舱作用后桩架地固姿态残差和油缸载荷残差生成油缸目标量；

7、s5：获取吊机当前广义坐标、吊机几何参数和吊机自由度配置，结合油缸目标量和油缸几何参数生成吊机自由度下的吊点等效修正量；

8、s6：获取吊物摆动状态，根据吊物摆动状态生成扣除吊机自由度下的吊点等效修正量的吊物摆动控制量；

9、s7：以水舱目标量、油缸目标量和吊物摆动控制量分别控制半主动水舱、油缸补偿回路和吊机抑摆机构。

10、优选的方案中，步骤s1包括：

11、建立地固坐标系、船体坐标系和桩架局部坐标系之间的坐标变换关系，根据船体姿态、桩架相对角度、油缸活塞杆位移和油缸几何参数生成桩架地固实际姿态，并根据桩架地固目标姿态和桩架地固实际姿态生成桩架地固姿态残差；

12、获取无杆腔压力和有杆腔压力，根据无杆腔有效面积与有杆腔有效面积之间的比例关系生成油缸两腔压差，根据油缸两腔压差生成油缸等效驱动力；

13、根据船体姿态、桩架相对角度、吊载作用力和油缸几何参数生成油缸参考载荷，并根据油缸等效驱动力与油缸参考载荷之间的差值生成油缸载荷残差。

14、优选的方案中，在滑动时间窗内，根据船体横摇角的时间序列生成船体横摇主导周期、船体横摇幅值和船体横摇相位；

15、根据半主动水舱的执行总时延和有效观测范围确定预测时域，并根据船体横摇主导周期、船体横摇幅值和船体横摇相位生成船体预测横摇状态；

16、根据油缸目标量确定预测时域内的油缸预测位移，根据油缸预测位移和油缸几何参数生成桩架预测相对角度；

17、在相同的船体预测横摇状态和吊机当前广义坐标下，分别生成油缸作用前吊点预测位置和油缸作用后吊点预测位置，根据油缸作用前吊点预测位置与油缸作用后吊点预测位置生成油缸引起的吊点预测位移；

18、根据吊机几何参数、吊机当前广义坐标和吊机自由度配置建立吊机运动学灵敏度关系，并将油缸引起的吊点预测位移转换为吊机自由度下的吊点等效修正量，以供s6从吊机原始抑摆修正量中扣除。

19、优选的方案中，半主动水舱为半主动u型减摇水舱；半主动u型减摇水舱包括左右液舱、分别位于左右液舱上部的左右气室、连接左右气室的气路连通通道、设置于气路连通通道的气路节流阀、液位传感器和阀位反馈组件；

20、根据液位传感器获取的第一水舱液位和第二水舱液位生成水舱相位/液位反馈、水舱液柱周期及水舱相位，根据阀位反馈组件获取气路节流阀实际有效面积；

21、根据船体横摇状态生成船体横摇主导周期、船体横摇幅值和船体横摇相位，并生成船体预测横摇状态；

22、根据船体预测横摇状态、水舱相位/液位反馈、气路节流阀实际有效面积、桩架相对角度和油缸几何参数，将半主动u型减摇水舱的预测作用换算为桩架地固姿态域中的水舱控制贡献；

23、根据船体横摇主导周期、水舱液柱周期、水舱相位和气路节流阀实际有效面积确定气路节流阀最终目标有效面积，并将气路节流阀最终目标有效面积写入水舱目标量。

24、优选的方案中，根据水舱液柱周期与船体横摇主导周期之间的差值生成水舱调谐误差，根据水舱相位与船体横摇相位之间的差值生成水舱相位差；

25、根据水舱调谐误差、水舱相位差、气路节流阀的阀件有效状态、船体横摇主导频率及水舱相位/液位反馈确定水舱可用状态；

26、水舱调谐误差限值、水舱允许相位区间和水舱可调频带根据半主动u型减摇水舱的几何参数、液位范围、气路结构及气路节流阀标定结果确定；

27、水舱可用状态表示水舱调谐误差未超过水舱调谐误差限值、水舱相位差位于水舱允许相位区间、船体横摇主导频率位于水舱可调频带、气路节流阀有效且水舱相位/液位反馈连续有效时，根据船体预测横摇状态、水舱相位/液位反馈和气路节流阀实际有效面积生成水舱控制贡献，并对气路节流阀最终目标有效面积施加变化率限制；

28、水舱可用状态表示任一前述条件不满足时，将水舱控制贡献确定为零，使水舱作用后桩架地固姿态残差等于桩架地固姿态残差，并使气路节流阀最终目标有效面积保持为气路节流阀实际有效面积。

29、优选的方案中，获取油缸活塞杆位移和油缸活塞杆速度，并根据船体姿态、桩架相对角度、吊载作用力和油缸几何参数生成油缸参考载荷；

30、油缸目标量同时包括油缸目标位移、油缸目标速度和油缸等效目标力；

31、根据船体姿态、桩架相对角度、油缸活塞杆位移和油缸几何参数生成油缸几何灵敏度关系，并根据油缸几何灵敏度关系将水舱作用后桩架地固姿态残差转换为油缸初始位移修正量；

32、根据油缸初始位移修正量、油缸活塞杆位移和油缸行程约束生成油缸目标位移，根据油缸目标位移、油缸活塞杆位移、油缸目标响应时间和油缸速度约束生成油缸目标速度；

33、根据油缸参考载荷、油缸目标位移、油缸活塞杆位移、油缸目标速度、油缸活塞杆速度和油缸载荷残差生成油缸等效目标力；

34、油缸补偿回路采用外环姿态/位移控制和内环压力/流量控制的串级控制结构，外环根据油缸目标位移生成运动需求，油缸目标速度作为运动前馈量，内环根据油缸等效目标力生成压力/流量控制指令。

35、优选的方案中，油缸补偿回路包括比例或伺服控制主回路、设置于油缸两腔外部液压管路的外部可控节流—蓄能阻尼支路、补油防空化支路、压力保护组件和失效安全阀组；

36、获取无杆腔压力、有杆腔压力、无杆腔压力变化率和有杆腔压力变化率；

37、根据无杆腔压力变化率、有杆腔压力变化率、油缸活塞杆速度、无杆腔压力和有杆腔压力生成外部可控节流—蓄能阻尼支路目标有效面积，并将外部可控节流—蓄能阻尼支路目标有效面积写入外部可控节流—蓄能阻尼支路目标量；

38、根据油缸目标速度确定体积增大腔室，将体积增大腔室的当前压力与补油防空化压力条件进行比较，并在体积增大腔室的当前压力低于补油防空化压力条件时生成补油防空化状态，以控制补油防空化支路向体积增大腔室补油；

39、压力保护组件根据无杆腔压力和有杆腔压力执行压力限制，失效安全阀组在液压泵源故障、主控阀故障、压力越限或系统断电时控制油缸补偿回路进入保持状态或安全停止状态。

40、优选的方案中，在同一协调控制周期内执行带约束的多时间尺度残差分配，包括：

41、将适合慢时间尺度调谐的窄带横摇分量分配给半主动水舱，并根据半主动水舱的实际相位、实际液位和实际阀位估计水舱控制贡献；

42、利用水舱控制贡献仅修正桩架地固姿态残差的姿态分量，生成水舱作用后桩架地固姿态残差，并保持油缸载荷残差作为油缸补偿回路的载荷分量输入；

43、根据水舱作用后桩架地固姿态残差、油缸载荷残差、油缸行程约束、油缸速度约束、油缸压力约束和主控阀流量约束生成油缸目标量；

44、根据油缸目标量、油缸几何参数、吊机当前广义坐标、吊机几何参数和吊机自由度配置，生成吊机自由度下的吊点等效修正量；

45、根据吊物摆动状态和船体预测横摇状态生成吊机原始抑摆修正量，从吊机原始抑摆修正量中扣除吊机自由度下的吊点等效修正量，生成去重复吊机抑摆修正量，并根据吊机执行速度约束、吊机执行加速度约束、吊机工作空间约束和吊机允许载荷约束对去重复吊机抑摆修正量执行约束投影，生成吊物摆动控制量；

46、根据安全状态对吊物摆动控制量进行调整，生成吊机执行控制量，并根据吊机执行控制量、吊载作用力、吊机当前广义坐标、桩架相对角度、预测时域、吊机约束集合、油缸几何参数和吊机几何参数生成抑摆等效油缸附加载荷；

47、将抑摆等效油缸附加载荷反馈至油缸执行力的生成过程，并在油缸压力约束和油缸载荷约束下调整油缸执行力；

48、根据起吊阶段、移运阶段、对位阶段或沉桩阶段选择对应的控制参数，并在作业阶段发生变化时采用连续插值或滞回切换更新控制参数。

49、优选的方案中，根据状态数据的时间戳连续性、物理量程、机构几何一致性及载荷一致性生成传感器可信度，根据油缸两腔压力及对应压力上下限生成油缸压力裕度，根据油缸活塞杆位移及油缸行程上下限生成油缸行程裕度；

50、根据传感器可信度、油缸压力裕度、油缸行程裕度、系统故障状态和作业包络状态确定正常状态、降额状态、被动保持状态或安全停止状态，并根据确定的安全状态生成安全斜坡系数；

51、根据安全斜坡系数和水舱目标量生成水舱执行目标，根据安全斜坡系数和油缸目标量生成油缸执行位移、油缸执行速度及油缸执行力，根据安全斜坡系数和吊物摆动控制量生成吊机执行控制量；

52、预置被动阻尼有效面积，根据安全斜坡系数、被动阻尼有效面积和外部可控节流—蓄能阻尼支路目标有效面积生成外部可控节流—蓄能阻尼支路执行有效面积；

53、在被动保持状态下，使油缸执行位移取当前油缸活塞杆位移，使油缸执行速度取零，使油缸执行力取当前油缸等效驱动力，使吊机执行控制量取零，并使外部可控节流—蓄能阻尼支路执行有效面积取被动阻尼有效面积；

54、在安全状态发生变化时，将半主动水舱的目标起始值同步为气路节流阀实际有效面积，将油缸外环和内环的目标起始值分别同步为当前油缸活塞杆位移和当前油缸等效驱动力，将吊机抑摆机构的目标起始值同步为吊机当前广义坐标。

55、优选的方案中，还提供一种深远海打桩船超大油缸的耐波性补偿控制装置，其特征在于，包括状态采集单元、半主动水舱、油缸补偿回路、吊机抑摆机构和协调控制器；

56、状态采集单元和半主动水舱分别向协调控制器输出原始检测数据；

57、协调控制器根据原始检测数据生成船体姿态、船体横摇状态、桩架相对角度、油缸两腔压差、水舱相位/液位反馈、吊物摆动状态和吊机当前广义坐标，并预置油缸几何参数、吊机几何参数、吊机自由度配置和带宽约束；

58、协调控制器根据船体姿态、桩架相对角度和油缸几何参数生成桩架地固姿态残差，由油缸两腔压差生成油缸载荷残差；根据船体横摇状态、水舱相位/液位反馈及带宽约束估计水舱控制贡献并生成水舱目标量；根据水舱控制贡献生成水舱作用后桩架地固姿态残差；根据带宽约束、水舱作用后桩架地固姿态残差和油缸载荷残差生成油缸目标量；结合油缸目标量、油缸几何参数、吊机当前广义坐标、吊机几何参数和吊机自由度配置生成吊机自由度下的吊点等效修正量；根据吊物摆动状态生成扣除吊机自由度下的吊点等效修正量的吊物摆动控制量；以水舱目标量、油缸目标量和吊物摆动控制量分别控制半主动水舱、油缸补偿回路和吊机抑摆机构。

59、本发明提供了一种深远海打桩船超大油缸的耐波性补偿控制方法及装置，通过上述结构之间的配合，与现有方法相比，具有以下有益效果：

60、一是，通过以桩架地固姿态而非船体横摇角作为统一目标，能够把船体运动、桩架机构运动和油缸位移之间的几何关系纳入控制，减少船体已减摇但桩架仍偏移的目标错位。

61、二是，通过水舱低频调谐与油缸残差补偿的分工，可避免超大油缸追踪不适合其带宽的全部船体运动，降低阀口流量需求、行程占用及压力冲击风险。

62、三是，通过外置可控阻尼支路、两腔压力反馈和防空化约束，可在姿态补偿与能量耗散之间切换，且不破坏油缸活塞杆-缸筒的密封导向结构。

63、四是，通过把桩架修正造成的吊点运动反馈给抑摆控制器，可减少吊机与桩架油缸对同一扰动的重复补偿及相反动作，降低二次激摆。

64、五是，通过显式处理行程、速度、压力、阀口和吊机工作区约束，可使控制输出保持在工程可执行范围内，提高超大惯量重载工况下的稳定性。

65、六是，通过基于故障类型和状态可信度的无扰安全降级，可在传感异常或执行器能力不足时保留被动耗能/保持能力，并避免固定参数硬切换带来的瞬态冲击。