因为浪涌产生的升沉运动会对采矿船的作业造成巨大的负面影响,所以需要升沉补偿系统来保障采矿船作业的安全性和稳定性。升沉补偿系统可分为被动式、主动式和主被动式,主被动式是主动模块和被动模块的结合。针对被动式补偿精度不高、主动式系统能耗过大的缺点,设计一套主被动升沉补偿系统,利用AMESim软件搭建2 MN主被动升沉补偿模型,并与相关试验结合,先证明建立的仿真模型是可信的,然后在不同负载、不同波浪周期、不同波浪幅值下模拟主被动升沉补偿系统主动模块能耗功率特性。结果表明:主动补偿模块功率的平均贡献比在20%左右,被动补偿模块承担约80%,体现了主被动升沉补偿系统的节能性。

为了提高船舶在海面上作业时补偿精度,采用BP神经网络PID控制方法,并对船舶升沉运动输出误差进行仿真。建立船舶主动升沉补偿系统简图,分析船舶升沉运动工作原理,给出液压缸驱动传递函数。引用BP神经网络算法,采用梯度下降法对BP神经网络加权值进行修正,通过学习速率来补偿控制系统输出误差,从而实现PID控制器参数在线调节。在受到不同负载影响状况下,采用MATLAB软件对船舶升沉运动补偿精度进行仿真,并且与PID控制补偿精度进行对比。结果表明:采用PID控制器,船舶升沉运动输出误差较大,控制系统反应速度较慢;而采用BP神经网络PID控制器,船舶升沉运动输出误差较小,控制系统反应速度较快,同时,随着负载质量的增加,输出误差就会增大。采用BP神经网络PID控制系统,响应速度快,补偿精度高,提高了船舶在海面上作业定位精度。

针对不确定性及外部干扰下主动升沉补偿系统的非线性控制问题,提出一种基于扩展干扰观测器自适应鲁棒控制器。扩展状态观测器将外部扰动扩张成新的状态变量,利用输出反馈观测扩张的状态。基于反步法构建自适应控制器,结合拓展状态观测器处理系统方程存在的建模误差、外干扰、不确定性及参数不确定性。基于滑模控制方法,设计非线性滑模反馈律,从而提高系统在外部干扰下的鲁棒性能。最后,通过李雅普诺夫函数证明整个闭环系统的稳定性。基于升沉补偿电液伺服系统进行仿真实验,结果表明:所设计控制器在存在不确定性及外部干扰的情况下具有良好的控制精度及鲁棒性。

为验证液压缸非线性力对半主动升沉补偿系统的影响,设计了一种半主动升沉补偿系统的非线性模型,并提出了提高系统补偿效率的方法。首先建立液压缸受到的非线性摩擦力和非线性弹簧力的仿真模型,然后将非线性力的影响加入到被动和半主动升沉补偿仿真模型中,最后提出了增大液压缸和蓄能器之间的油管直径的方法以提高半主动升沉系统补偿效率。仿真结果表明:在峰值为6 m,周期为10 s的规则正弦波浪作为船舶升沉位移输入时,非线性摩擦力会使被动和半主动升沉补偿系统的补偿效率降低,而非线性弹簧力对系统的影响较小,可以忽略不计。提出的方法能有效提高半主动升沉补偿系统补偿效率。

针对在大吨位沉船打捞中的升沉补偿技术,提出了一种基于韩国“世越”号沉船打捞的双驳抬吊半主动升沉补偿打捞系统,模拟了双驳共66组带有半主动升沉补偿器(SAHC)系统在类似历史海况下对沉船位姿和缆绳拉力的补偿过程。建立了半主动升沉补偿液压系统、缆绳系统与沉船运动的数学模型,以及负载-缆绳-补偿系统的耦合系统,推导了驳船各吊点的升沉补偿量。通过MATLAB/Simulink仿真系统的负载特性、缆绳拉力和沉船位姿变化。证明半主动升沉补偿对削弱负载位移和减轻缆绳拉力同时有显著作用,为实际沉船打捞中应用半主动升沉补偿技术提供了理论依据和技术参考。

游车大钩升沉补偿装置是浮式钻井平台应用较广泛的设备之一。为了研究新型游车大钩升沉补偿装置的补偿效果,分析了游车大钩升沉补偿装置的工作原理,建立了数学模型。基于AMESim软件建立了仿真模型,分析了两种升沉补偿装置的补偿效果。仿真结果表明,新型游车大钩的升沉补偿装置有良好的补偿效果。

在海上利用起重机转运货物时,为了使被吊货物在垂直方向保持在一定的位移范围,配备升沉补偿系统是十分必要的。文中介绍了主被动式升沉补偿系统的工作原理,根据设计要求建立了主被动式补偿系统的数学模型,对补偿系统中的液压缸直径、蓄能器总容积、比例阀最大最小流量等主要参数进行了分析计算,并对设计的补偿系统负载位移变化进行了仿真。仿真结果表明,该系统能够对负载起到补偿作用,对系统设计能够起到理论指导作用。

概述了钻井升沉补偿绞车系统的技术现状，介绍了国内外补偿绞车的发展情况。对主动补偿绞车的特点和补偿原理进行了介绍，研制了一种交流变频电驱动的1000 hp主动钻井升沉补偿绞车，适用于4000 m勘察船。对补偿绞车的补偿原理、设计计算、联合仿真进行了技术分析。补偿绞车的厂内试验表明，补偿绞车的补偿速度、补偿精度达到设计要求，对海洋补偿绞车的发展起到重要指导作用。

该文针对深水钻井船升沉补偿绞车负载模拟系统位置控制特性进行研究介绍了模拟实验台阀控缸位置控制系统原理和结构采用理论分析的方法建立了液压控制系统的数学模型和仿真模型通过仿真分析得到了不同负载、波浪模拟幅值、波浪模拟周期条件下系统位置控制的响应特性验证了模拟系统原理与性能的有效性为该波浪补偿绞车的开发奠定了基础。

为了检验半主动式补偿绞车的控制性能与节能效果，根据相似理论研制了补偿绞车原理样机及其液压试验系统，主要包括升沉模拟液压系统、负载模拟液压系统、1：5缩尺的补偿绞车原理样机，分别实现了造波、加载、升沉补偿与自动送钻等试验功能。开发了电控系统，升沉补偿采用大钩位移闭环，自动送钻采用负载压力闭环，电机采用带速度反馈的矢量控制模式。最后通过试验模拟了补偿绞车原理样机的升沉补偿过程、自动送钻过程以及二者的联动过程，测试了补偿绞车的控制性能及液压蓄能节能效果。试验结果表明：补偿绞车的控制效果良好，半主动补偿方式相对于主动补偿方式有明显的节能效果。