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摘要：利用基于二次調節技術的主動升沉補償實驗平臺，設計為輪機工程專業配套的在線波浪預報實驗，鋼絲繩動態伸長量狀態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，狀態觀測器設計方法等現代自動控制理論的相關知識點，包含了Matlab編程、仿真、實操驗證以及數據處理等環節。實驗具有學科前沿性，在深化和鞏固所學知識點的過程中能夠全方位地鍛煉學生的科研能力。
關鍵詞：主動升沉補償；二次調節；波浪預報；狀態觀測器
長期以來，高校實驗室一直是培育優秀創新人才的載體和核心基地[1]。對于理工學科而言，實驗教學也是將所學知識和實際問題相結合的重要途徑[2]。輪機工程涉及機、電、液、光等多個學科，具有顯著的學科交叉性和復雜性，與快速發展的海洋工程現狀相比，現有的實驗設施尚不能滿足高水平創新人才的培養要求。因此，讓該專業學生接觸海洋工程裝備前沿領域，促使其結合所掌握的基本控制理論，進行相關實踐教學勢在必行。
本文旨在設計三種與輪機工程前沿技術——主動升沉補償有關的實驗：在線波浪預報實驗，鋼絲繩動態伸長量狀態觀測實驗，主動升沉補償綜合實驗。通過進行該三種實驗，可以使學生接觸到輪機工程的科研前沿，有助于啟迪其創新思維，提高其綜合應用知識的能力以及掌握相關領域的基本研究方法。
一、背景知識
對起重機母船所受的升沉干擾運動進行補償，用以保證吊裝作業在升沉方向上平穩可靠進行的運動補償系統，稱為升沉補償系統（HeaveCompensation）。總的來說，現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]。
主動升沉補償系統主要由執行機構、慣導、控制器及動力源組成。控制器用于接收慣導所測得的母船實時姿態數據，并利用這些數據結合相關算法預報出負載下一時刻的升沉位移，繼而執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。主動型升沉補償系統補償精度高、適應性好，且可以結合復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。
二次調節技術是指在恒壓網絡中通過調節二次單元（液壓馬達/液壓泵）的斜盤傾角來改變二次單元的排量，以適應負載的變化，從而使負載按設定的規律變化的一種液壓技術。利用該技術，可以使二次單元工作在“液壓馬達”工況或者“液壓泵”工況。當二次單元工作在“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矩便與其排量成正比；當二次單元工作在“液壓泵”工況時，在負載拖動下，二次單元反轉，液壓油便回流到液壓網絡，由高壓蓄能器回收，實現能量存儲。采用二次調節技術能夠有效降低主動升沉補償的能耗。
本文將基于二次調節的主動升沉補償技術引入輪機工程實驗教學，設計了在線波浪預報實驗，鋼絲繩動態伸長量狀態觀測實驗以及主動升沉補償綜合實驗。學生在進行實驗之前必須查閱相關資料文獻，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學生的科研思維、資料檢索能力、自主學習能力和創新能力。
二、主動升沉補償實驗平臺
利用二次調節技術，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化為控制軟件—TwinCAT所能夠識別的代碼，降低了學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送給嵌入式控制器，隨后嵌入式控制器控制六自由度轉臺，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，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，安裝在六自由度轉臺中的下位機會將六自由度轉臺當前運動姿態發送給工控機，而工控機便會通過AR模型[5]在線預報六自由度轉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，驅動絞車正反轉，消除六自由度轉臺運動對負載的干擾，以達到主動升沉補償的目的。
三、在線波浪預報實驗
（一）實驗目的
波浪預報的意義在于克服系統的時滯，從而保證控制器能夠較好地完成補償任務。波浪補償實驗目的在于讓學生利用AR模型編寫海浪升沉預報程序，并在實驗臺上驗證其預報效果。此實驗鍛煉了學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個時刻上的數值的線性組合加上該時刻的一個隨機數[7]。先求出向量a的最小二乘估計a ̂，接著定義最大階數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準則數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準則數最小的模型的p值作為選定階數。利用所定階數p和估計的系數向量a ̂預報x̂(N+l)，其中整數l>0。
（三）實驗內容
學生應預先查閱相關資料，根據算法預報效果，算法實現難度等特性自主選定預報算法，并利用Matlab/Simulink軟件進行該算法的編寫。
教師應預先給定三組波浪數據，這些波浪數據的浪高應該有所區別。學生可利用該組數據分別設定不同的超前時間進行仿真，從而比較在不同浪高數據下，不同超前時間下預報算法的仿真預報效果。
學生向教師上交搭建好的程序以及仿真結果，在經過教師確認可行并同意之后，學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軟件中將該模型轉化為Twin⁃CAT可識別的代碼。
打開升沉補償系統的上位機控制界面，該程序采用Labview編寫。點擊“啟泵”，啟動液壓泵，系統內部會自動進行星-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臺操作軟件，輸入需要模擬的波浪數據，六自由度轉臺便會根據給定波浪數據運動。實驗結束后，首先下放負載至一定高度，然后復位六自由度平臺，再將負載完全下放至地面后關閉液壓油泵。學生應當將在三組波浪數據下分別進行實驗，記錄下預報數據，并和原始波浪數據作比較，分析算法的預報效果。
四、鋼絲繩動態伸長量狀態觀測實驗
（一）實驗目的
鋼絲繩的伸長量為動態伸長量與靜態伸長量之和。由于其動態伸長量不能被直接測量，需要設計合適的狀態觀測器。狀態觀測實驗的目的在于設計出合適的狀態觀測器以觀測鋼絲繩的動態伸長量。該實驗將理論與實踐相結合，要求學生能夠靈活利用所學到的現代控制理論的知識，從而充分鍛煉學生的工程實踐能力。
（二）實驗原理
為設計鋼絲繩的動態伸長狀態觀測器，有必要建立鋼絲繩負載系統模型。將鋼絲繩負載系統等效為彈簧-質量-阻尼模型，將鋼絲繩的伸長分為動態伸長量Δld和靜態伸長量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為負載貨物質量，m為鋼絲繩單位長度質量，l為鋼絲繩長度，k為鋼絲繩彈性系數，θm為二次單元轉動角度，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）實驗內容
學生應預先狀態觀測器的相關工程控制知識，利用Matlab軟件進行該狀態觀測器的M程序的編寫，在編寫過程中學生應當自行配置反饋校正矩陣L。教師應預先給出一組波浪數據，而學生可利用該數據設定不同的負載質量進行仿真，比較收斂效果。在經教師許可之后，學生可將自己的編寫好的狀態觀測器程序上傳到工控機中，在教師或者相關工程人員指導之下轉化為TwinCAT可識別的程序，學生應按照在線波浪預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臺。工控機會接收銷軸式力傳感器所發送回來的張力數據，在經過程序的濾波以及比例放大處理之后，用作狀態觀測器的鋼絲繩動態伸長量的觀測。同樣，學生應當在多個浪高下進行實驗，導出動態伸長量觀測數據，以及負載速度、鋼絲繩張力以及升沉方向上的位移等數據，分析觀測器的觀測效果。
五、主動升沉補償綜合實驗
（一）實驗目的
該實驗的目的在于通過將前二實驗所設計的算法相結合，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，讓學生能夠對一般的科研過程有所了解，為之后的深造打下基礎。此外，該實驗具有的趣味性讓學生在接觸輪機工程前沿的同時極大地激發其學習興趣。
（二）實驗原理
為升沉補償實驗平臺的系統框圖，通過三環控制器分別控制由外而內的負載位置環、二次單元速度環、以及閥控液壓缸位置環。
（三）實驗內容
由于建立模型的工作較為復雜，工作量也較大，因此教師直接給出系統的Matlab/Simulink模型。由學生自行結合波浪預報算法以及設計出的狀態觀測器，利用教師所給出的三組不同浪高的波浪數據進行仿真。向教師上交程序和仿真結果。在經教師許可之后，在工控機中備好的TwinCAT程序中添加在線波浪預報程序和動態伸長量狀態觀測程序，然后在教師或者相關工程人員指導下按照在線波浪預報實驗中相同的操作進行實驗。
學生應當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據，并結合給出的三組的波浪數據，分析預報算法以及狀態觀測器的有效性，同時根據浪高的不同，分析波浪預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、結束語
實驗教學是高校理工類課程的重要組成部分，是將所學知識和實際問題相結合的重要途徑[7]。在實驗教學之中融合一些前沿性的內容，使學生能夠接觸到前沿科學的相關概念和技術，這樣不光能讓學生學習到本學科相關專業知識，對培養學生的科研思維，鍛煉其科研能力也大有裨益。本文所設計的基于主動升沉補償實驗平臺的實驗立足于建設創新型國家的發展核心戰略，著眼于我校的輪機工程專業對本科人才和研究生的培養目標，讓學生充分接觸并了解輪機工程的前沿領域，且在實驗過程中兼顧了理論教學和實踐訓練，對學生的自主學習能力和創新能力的提高起到了重要作用。
參考文獻：
［1］張永山,汪大洋,趙桂峰,etal.高校實驗室創新人才培養與建設研究［J］.大學教育,2014（15）:68-69.
［2］趙曉暉.開設綜合性實驗提高學生應用能力［J］.大學教育,2013（6）:48-49.
［3］賀子奇.海上作業絞車式主動升沉補償系統設計與仿真［D］.2015.
［4］彭秀艷.船舶運動姿態在線預報及仿真技術研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學,2006.
作者：吳金波 張煌 郭睿文 李維嘉 單位：華中科技大學船舶與海洋工程學院