唐剛 胡超 胡雄

摘要：鑒于船舶在波浪中的六自由度運動中，其升沉、橫搖和縱搖運動對船舶工作平臺上的設(shè)備影響較大，設(shè)計一種三自由度并聯(lián)式波浪補償平臺來減少這種影響。通過對平臺進(jìn)行運動學(xué)分析，得到平臺的運動學(xué)模型。利用ADAMS和Simulink建立帶有控制系統(tǒng)時間延遲參數(shù)的虛擬樣機模型，依據(jù)平臺的運動學(xué)模型設(shè)計對船舶運動進(jìn)行補償?shù)目刂撇呗?，并利用虛擬樣機進(jìn)行仿真，驗證平臺機構(gòu)和相應(yīng)控制策略對船舶運動的補償效果。結(jié)果表明：當(dāng)控制系統(tǒng)的時間延遲參數(shù)取值為1 ms時，平臺對船舶升沉、橫搖和縱搖運動的補償效果分別為88.81%、95.44%和91.97%;當(dāng)控制系統(tǒng)的時間延遲參數(shù)取值為0.1 ms時，平臺對船舶升沉、橫搖和縱搖運動的補償效果分別為96.04%、99.07%和97.65%。由此可見：平臺對誤差有一定的包容性;可利用具有船舶運動預(yù)測功能的算法為平臺提供超前的船舶運動數(shù)據(jù)或者提高控制系統(tǒng)的實時性來提高補償效果。

關(guān)鍵詞： 三自由度并聯(lián)平臺; 波浪補償; 運動學(xué)模型; 仿真

中圖分類號： U661.7;TP391.9 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： In view of the fact that the heave， roll and pitch motions in the six-degree-of-freedom motion of a ship in the wave have a great influence on the equipment on the ship working platform， a three-degree-of-freedom parallel wave compensation platform is designed to reduce the influence. Through the kinematic analysis of the platform， the kinematic model of the platform is obtained. The virtual prototype model with a time delay parameter of the control system is established by ADAMS and Simulink. The control strategy of ship motion compensation is designed according to the kinematic model of the platform， and the simulation is carried out by the virtual prototype to verify the compensation effect of the platform mechanism and the corresponding control strategy on the ship motion. The results show that： when the time delay parameter of the control system is set to 1 ms， the platform has the compensation effect of 88.81% for ship heave motion， 95.44% for ship roll motion and 91.97% for ship pitch motion; when the time delay parameter of the control system is set to 0.1 ms， the platform has the compensation effect of 96.04% for ship heave motion， 99.07% for ship roll motion and 97.65% for ship pitch motion. It can be seen that the platform has certain tolerance to the error. The compensation effect can be improved by the algorithm with the ship motion prediction function to provide the platform with advanced ship motion data， or by improving the real-time performance of the control system.

Key words： three-degree-of-freedom parallel platform; wave compensation; kinematic model; simulation

0 引 言

漂浮在海上的船舶會隨著波浪一起做升沉、橫蕩、縱蕩、艏搖、橫搖和縱搖6個自由度運動，這些運動會對船舶上安裝在工作平面上的設(shè)備產(chǎn)生影響，例如BIAN等[1]為提高海洋磁力測量儀的測量精度，通過實驗測量了測量儀的動態(tài)穩(wěn)定性修正系數(shù)，說明測量儀自身的運動對其測量精度影響較大;王贛城等[2]為降低船載起重機由于重物振動而失穩(wěn)的可能性，對起重機進(jìn)行了非線性動力學(xué)建模，并優(yōu)化了吊繩參數(shù)，說明在起重機上重物的振動對起重機穩(wěn)定性的影響很大。

由于船舶的橫搖、縱搖和升沉運動都會使得工作設(shè)備各個零部件沿著重力方向有位移，因此這3個運動對工作設(shè)備的影響最大。鑒于此，設(shè)計一個機械裝置補償這三者的疊加運動就比較有意義[3]：相比于單自由度補償方案其應(yīng)用范圍更廣，可靠性更高;相比于六自由度補償方案其性價比更高。例如：上文提到的為提高海洋磁力測量儀的動態(tài)穩(wěn)定性[1]，可對橫搖、縱搖和升沉的疊加運動進(jìn)行補償，再利用船舶航行數(shù)據(jù)對測量儀的橫蕩、縱蕩、艏搖運動進(jìn)行修正;為使船載起重機的可靠性得到提高[2]，可對船載起重機在重力方向有位移的橫搖、縱搖和升沉疊加運動進(jìn)行補償（這比僅對重物運動中耦合的船舶升沉運動進(jìn)行補償更加有效）。

可以實現(xiàn)沿垂直軸移動及分別繞兩根正交的水平軸轉(zhuǎn)動的三自由度機構(gòu)才能滿足對船舶的橫搖、縱搖和升沉運動進(jìn)行補償?shù)淖杂啥纫?。例如：潘璇等[4]研究的三自由度并聯(lián)平臺結(jié)構(gòu)如圖1a所示，穩(wěn)定平臺與3個電動推桿通過鉸鏈連接（鉸鏈連接方向如圖1a所示），動平臺與3個電動推桿通過球鉸連接;于鵬等[5]設(shè)計的三自由度串聯(lián)平臺結(jié)構(gòu)如圖1b所示，在升沉電動推桿的端部安裝橫搖電機，橫搖電機驅(qū)動橫搖傳動機構(gòu)，在橫搖傳動機構(gòu)上安裝縱搖電動推桿，縱搖電動推桿驅(qū)動工作平臺運動。然而，潘璇等[4]研究的三自由度并聯(lián)平臺需要電動推桿承受豎直方向的扭矩;張智等[6]對這種電動推桿承受載荷情況的分析表明，電動推桿承受的軸向扭矩和徑向彎矩越大，對電動推桿的剛度要求越高，因此需要對機構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以免電動推桿承受軸向扭矩和徑向彎矩，從而使機構(gòu)適宜用作波浪補償機構(gòu)。于鵬等[5]設(shè)計的三自由度串聯(lián)平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間大，縱搖電動推桿需要承受懸臂彎矩，用作波浪補償機構(gòu)并不適宜。

運動控制系統(tǒng)的實時性會影響平臺對船舶運動補償?shù)膶崟r性，對船舶運動補償不及時就會造成補償誤差。葉莘[7]對運動控制系統(tǒng)做了調(diào)查研究，將應(yīng)用于不同場景的運動控制系統(tǒng)按實時性要求分成了4個級別（見圖2），而波浪補償設(shè)備屬于4級。

為進(jìn)行仿真需要模擬船舶在波浪中的運動作為平臺的輸入，參考以往學(xué)者的研究，將船舶在波浪中的運動看作多個正弦函數(shù)與余弦函數(shù)的組合，例如權(quán)曉波等[8]和李海霞[9]將攝動法用于非線性波的研究，把有限振幅的非線性波視為無限多個線性波的Fourier組合。

結(jié)合補償船舶的橫搖、縱搖和升沉運動的波浪補償設(shè)備在平臺自由度方面的需求和現(xiàn)有三自由度機構(gòu)存在的問題，設(shè)計一種用于船舶的橫搖、縱搖和升沉疊加運動補償?shù)娜杂啥炔⒙?lián)式波浪補償平臺，并且利用ADAMS建立平臺的虛擬樣機模型，設(shè)計配套的姿態(tài)檢測系統(tǒng)，并在ADAMS中添加與Simulink進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的相關(guān)接口。對平臺進(jìn)行運動學(xué)分析，推導(dǎo)平臺的運動學(xué)模型，并在Simulink中建立電動推桿補償量的計算模型（本文簡稱為BCL模型）?？紤]控制系統(tǒng)時間延遲的影響，在Simulink中設(shè)置控制系統(tǒng)的時間延時參數(shù)，模擬真實設(shè)備中影響補償誤差的因素。基于以往學(xué)者模擬船舶在波浪中的運動的研究，在Simulink中建立船舶運動模擬驅(qū)動模型（本文簡稱為HLMN模型）。通過上述操作建立虛擬樣機后，進(jìn)行仿真實驗，并計算平臺的補償效果。減小控制系統(tǒng)的時間延遲參數(shù)值，再進(jìn)行仿真實驗，探索改進(jìn)平臺的波浪補償效果的方向。

1 三自由度并聯(lián)式波浪補償平臺

1.1 機構(gòu)設(shè)計與工作原理

3 結(jié) 論

本文在現(xiàn)有三自由度機構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種三自由度并聯(lián)式波浪補償平臺，對其進(jìn)行運動學(xué)分析。考慮到波浪補償設(shè)備控制系統(tǒng)的實時性要求，通過ADAMS和MATLAB/Simulink建立帶有控制系統(tǒng)時間延遲參數(shù)的虛擬樣機模型，進(jìn)行2次仿真實驗。實驗結(jié)果表明：當(dāng)控制系統(tǒng)的時間延遲參數(shù)取值為1 ms時，平臺對船舶升沉、橫搖和縱搖運動的補償效果分別為88.81%、95.44%和91.97%;當(dāng)控制系統(tǒng)的時間延遲參數(shù)值為0.1 ms時，平臺對船舶升沉、橫搖和縱搖運動的補償效果分別為96.04%、99.07%和97.65%。由此可見，平臺對誤差有一定的包容性，在此基礎(chǔ)上提高補償效果的改進(jìn)方向為利用具有船舶運動預(yù)測功能的算法為平臺提供超前的船舶運動數(shù)據(jù)或者提高控制系統(tǒng)的實時性。

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（編輯 趙勉）