前言
由于受到风、浪、流作用以及船舶自身运动的影响，船舶停留在同定水域作业时会产生横摇、纵摇、艏摇、升沉、横荡、纵荡6个自由度的运动，进而影响需要在稳定条件下进行的海上作业，如深海钻井、海上吊装等。
通常情况下，动力定位系统可以补偿由2阶波浪力引起的横荡、纵荡、首摇3个自由度漂移运动，无法对升沉方向上的运动进行补偿。因此，需要在海上浮式结构物与负载之间加1套升沉补偿装置，用来补偿海上浮式结构物的升沉运动。
目前应用于海上吊装作业的波浪补偿器，为气液蓄能器式补偿系统，可以大幅度减小升沉运动对吊装作业的影响，使起吊设备尽可能平稳，不产生大位移。主要产品有缓冲器、被动式波浪补偿器（PHC）、主动式波浪补偿器（AHC），如下图。
波浪补偿器的补偿能力是重点研究的对象，包括补偿载荷、补偿行程、补偿精度以及响应速度等，评判以上指标的优劣最直接的方式就是对样机进行试验，但样机制作成本高昂、试验环境也不易创造。因此，可采用系统仿真技术搭建波浪补偿器的仿真模型，通过仿真模型去验证波浪补偿器的补偿能力。
被动式波浪补偿器（PHC）工作原理
被动式波浪补偿器（PHC）基本构成为弹性元件+阻尼元件。其工作原理图如图1所示，具体形式为液压油缸、氮气蓄能器以及控制阀。补偿油缸用来承担负载的重量，蓄能器用来存储和释放船的升沉能量。补偿缸的下油腔，即有杆腔与气液蓄能器的液腔相连；补偿缸的上油腔，即无杆腔通大气或接回油箱，压力与大气压相同；蓄能器的气腔与空气瓶组相连。
图1被动式波浪补偿器简要结构
运动过程（工作原理）
当船体上升时，补偿缸的缸筒会随着船体一起上升，补偿缸活塞杆以及负载由于惯性作用有停在原位的趋势，此时补偿缸有杆腔内的油液被压入蓄能器中，有杆腔油液压力升高，造成蓄能器内油液压力升高，蓄能器中的气体被压缩。因为蓄能器内气体部分压力与油液部分压力保持平衡，所以气体体积压缩，储存能量。同时，油液部分压力也不会过分升高，控制在气体体积对应的压力变化范围内，减小了活塞杆以及负载向上移动的受力，补偿上升的位移。
同理，当船体下降时，补偿缸活塞杆以及负载由于惯性作用有停在原位的趋势，补偿缸有杆腔体积增大，油液压力下降，蓄能器气体体积膨胀，把油液推入到补偿缸有杆腔中，因为气体效应（气体体积越大，压力变化范围越小），气体压力不会过分减小，使补偿缸有杆腔的油液压力尽可能保持平衡，减小活塞杆以及负载向下移动的受力，补偿下降的位移。
主动式波浪补偿器（AHC）工作原理
这种结构的主动波浪补偿器结合了被动波浪补偿模式（PHC）与主动波浪补偿模式（AHC）的优点（如图2所示）。在工作过程中，被动波浪补偿部分承担大部分补偿作用，主动波浪补偿部分起协助作用。
通过可逆泵旁通的截止阀，可以实现被动波浪补偿模式和主动波浪补偿模式的切换。一旦打开旁通阀，油液则不经过可逆泵，整个补偿器起被动补偿（PHC）的作用；反之，关闭旁通阀，补偿器起到主动补偿（AHC）的作用。
同时PlantSimulation采用图形化建模方式，支持2D/3D建模，实现模型的可视化，并通过模型逻辑和系统内置优化算法实现模型的优化。仿真和优化对象主要包括人员配备，生产节拍，设备利用率、瓶颈、系统故障模拟等，并可对生产计划的合理性进行分析。
图2主动式波浪补偿器简要结构
主动波浪补偿是在被动波浪补偿的基础上结合闭环控制加以实现。传感器的测量值包括：活塞位置传感器、加速度计和钢丝绳速度传感器。此模式的优点是结合了被动补偿模式和主动补偿模式的优点，补偿精度高，能耗较低。
运动过程（工作原理）
（1）当旁通阀关闭并且补偿油缸带动负载时，船体随波浪上移，缸筒上移，有杆腔油液进一步受压，并使活塞产生一个向上运动的合外力。蓄能器中的液压油与有杆腔油液压力相同，使得氮气体积被压缩。随着蓄能器内增压器的上移，增压器上腔油液压力被放大并作用于可逆泵，此时，随着伺服电机的运转，泵也会向AHC主动腔（补偿缸）供油，增加活塞杆内孔中油液的压力，产生一个使活塞向下运动的合外力，从而使两个方向上的力得到平衡。在此处可以利用液压马达做发电装置。
（2）船体随波浪下移时，缸筒下移，有杆腔油液所受压力减小，蓄能器中的氮气膨胀。位移传感器检测到补偿缸活塞位移的变化，传递到可逆泵处，此时泵从AHC主动腔（补偿缸）中输送油液至AHC主动腔（蓄能器），使蓄能器活塞除了受到气体膨胀产生的推力，还受到来自AHC主动腔（蓄能器）产生的推力，尽量使有杆腔油液的压力保持稳定，提高补偿精度。
标定
液压缸
为了验证搭建的HCD补偿缸模型是否存在问题，与HYD中自带的液压缸模型进行仿真对比。
图3HCD库搭建的PHC波浪补偿器仿真模型
图4HYD库验证模型
因为HYD自带的液压缸缸筒无法移动，所以在图3中给缸筒输入的位移为0，同时模型输入的其他参数基本保持一致（已添加摩擦力），在图4中无杆腔回油箱的部分把管路直径设置为mm，使无杆腔的压力尽可能减小为0。因为如果蓄能器的初始压力与负载的重力相平衡，仿真结果会显示两种模型中的负载都能保持不动，无法看出区别。所以，蓄能器给定的初始压力为bar，查看负载移动的情况。
图5负载移动情况对比
可以看到，负载位移曲线误差较小。证明HCD搭建的油缸可以应用与后续仿真中。
蓄能器
因本系统所用的蓄能器是特殊构造，所以液压库中的蓄能器模型无法使用，必须要使用HCD库搭建。在此搭建以下模型，计算参数并与液压库中的蓄能器模型进行标定。
图6HCD搭建的蓄能器模型
图7标定仿真回路
经过初步计算我们已经确定了蓄能器内活塞的直径，根据蓄能器的原理，在已知蓄能器总容积V0，预充气压力P0以及初始压力Pout的情况下，可以算出初始气体的体积，结合容积的计算，可以确定活塞的初始位置，从而得到液腔与气腔的初始长度，并经过多次调参仿真，得到以下仿真结果。
图8蓄能器内油液压力
图9蓄能器出口流量情况
可以看到，与HYD中蓄能器的压力流量曲线误差较小，因此，用HCD搭建的蓄能器模型是可以用于此仿真中的，标定成功。
值得注意的是，当蓄能器内活塞带有活塞杆时，气腔预设的压力（相当于预充气压力）需要经过换算。
仿真结果
以下为两种补偿器吊钩重物位移与船体运动位移的对比：
图10PHC模式仿真结果
可以看到，在船体随波浪做升沉运动的过程中，吊钩所带的重物在波高为1.3m时可以补偿至0.2m，并保持一个较好的平衡位置，在一定程度上抵消波浪对重物的影响。
图11AHC模式仿真结果
AHC模式相对于PHC模式，补偿率有所提高，但因为控制策略的问题，会存在一定的累计误差，需要在控制层面上继续深化。
影响补偿效率的因素：
蓄能器的气体初始体积
蓄能器主动腔面积大小
节流阀直径大小的影响
结束语
主要介绍起吊波浪补偿器的工作原理、工况，根据目标参数对PHC和AHC波浪补偿器进行初步设计，在AMESim上搭建系统模型进行仿真，验证系统的补偿能力。
通过系统仿真分析，设计人员可以找到影响补偿效率的关键参数和部位，在样机生产前即可发现设计存在的问题，避免了多次设计-验证迭代，缩短研发周期，提高研发效率。
素材提供：黄记想
排版设计：张雨晴预览时标签不可点收录于合集#个上一篇下一篇