周 強(qiáng)， 肖體兵， 劉建群， 張永康， 鄒大鵬

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

引言

升沉補(bǔ)償系統(tǒng)作為海上浮式作業(yè)平臺(tái)(如鉆井平臺(tái)、風(fēng)電安裝船、CTV船)進(jìn)行浮式作業(yè)必不可少的裝備之一，可減少占用作業(yè)平臺(tái)空間，并且補(bǔ)償行程不限，是很有應(yīng)用前景和研究意義的一種新型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)[1-2]?？紤]到絞車型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)研制成本高，難以搭建全尺寸模型試驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)相似原理，課題組搭建了簡化版絞車型升沉補(bǔ)償模擬試驗(yàn)臺(tái)[3]。然而，搭建的試驗(yàn)臺(tái)許多參數(shù)已固定且每次試驗(yàn)耗時(shí)耗力，不便開展更進(jìn)一步研究，虛擬樣機(jī)的出現(xiàn)很好地彌補(bǔ)了物理樣機(jī)的不足[4]。

虛擬樣機(jī)能真實(shí)地模擬復(fù)雜系統(tǒng)的工作過程，可大幅降低產(chǎn)品研制費(fèi)用和縮短產(chǎn)品研制周期[5-6]。為對升沉補(bǔ)償絞車各方面的特性進(jìn)行深入而詳細(xì)的研究，絞車型升沉補(bǔ)償模擬試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)的搭建將有助于進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和控制器。絞車型升沉補(bǔ)償模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在多學(xué)科交叉融合問題，使用單一軟件很難準(zhǔn)確建立其仿真模型，基于多軟件聯(lián)合仿真的虛擬樣機(jī)技術(shù)為這類問題提供了有效解決手段[7]。

Simcenter 3D motion軟件支持機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模，相對于傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS[8-10]，其與AMESim的聯(lián)合仿真接口更加友好。本研究擬根據(jù)已有的絞車型升沉補(bǔ)償模擬試驗(yàn)臺(tái)，利用不同軟件的各自優(yōu)勢，在Simcenter 3D motion，AMESim和Simulink 3個(gè)軟件中分別搭建模擬試驗(yàn)臺(tái)的不同模塊，并基于接口實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，建立整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的虛擬樣機(jī)模型。最后將虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果與模擬試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證虛擬樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性，為下一步改進(jìn)絞車型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和控制策略，提高補(bǔ)償進(jìn)度提供驗(yàn)證平臺(tái)。

1 絞車型升沉補(bǔ)償模型試驗(yàn)臺(tái)

絞車型升沉補(bǔ)償模型試驗(yàn)臺(tái)包括升沉運(yùn)動(dòng)模擬子系統(tǒng)、鉆柱負(fù)載模擬子系統(tǒng)和升沉補(bǔ)償絞車模擬子系統(tǒng)，如圖1所示為絞車型升沉補(bǔ)償模擬試驗(yàn)臺(tái)。升沉運(yùn)動(dòng)模擬子系統(tǒng)為哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的液壓六自由度運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)。用戶可通過運(yùn)行于上位機(jī)的監(jiān)控程序發(fā)布各種命令，并查看當(dāng)前運(yùn)動(dòng)模擬器的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)。鉆柱負(fù)載模擬子系統(tǒng)由質(zhì)量塊、彈簧、連接板組成，質(zhì)量塊的質(zhì)量可模擬鉆柱質(zhì)量，彈簧的彈性可模擬鉆柱彈性，連接板之間連接不同數(shù)量或剛度的彈簧可用于模擬不同深度的鉆柱[11]。升沉補(bǔ)償模擬子系統(tǒng)的硬件組成主要包括工控機(jī)、采集卡、伺服電機(jī)、 變量泵、定量馬達(dá)、絞車、傳感器等。

圖1 絞車型升沉補(bǔ)償模擬試驗(yàn)臺(tái)

絞車型升沉補(bǔ)償模擬試驗(yàn)臺(tái)的原理如圖2所示，六自由度平臺(tái)在6個(gè)液壓缸的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生升沉運(yùn)動(dòng)，位移傳感器1檢測平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)，位移傳感器2檢測模擬負(fù)載升沉運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速編碼器檢測絞車轉(zhuǎn)速，將收集到的3個(gè)傳感器的信號發(fā)送至工控機(jī)，經(jīng)控制系統(tǒng)計(jì)算后分別向伺服電機(jī)、變量泵輸出控制電壓信號，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和變量泵排量，控制定量馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，最終使模擬負(fù)載的升沉位移保持在一定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償[12]。

1.伺服電機(jī) 2.變量泵 3.溢流閥 4.電磁球閥 5.液控單向閥 6.壓力表 7.壓力傳感器1 8.壓力傳感器2 9.雙向馬達(dá) 10.減速器 11.絞車 12.磁粉制動(dòng)器 13.轉(zhuǎn)速編碼器 14.位移傳感器1 15.拉力傳感器 16.位移傳感器2 17.質(zhì)量塊 18.六自由度平臺(tái)

2 試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)聯(lián)合仿真方案

絞車型升沉補(bǔ)償模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及多個(gè)學(xué)科，基于接口的多軟件聯(lián)合仿真的方式可實(shí)現(xiàn)其虛擬樣機(jī)的搭建。在本研究中，3個(gè)軟件并行運(yùn)行，虛擬樣機(jī)的各個(gè)模塊在不同的軟件中使用各自的求解器進(jìn)行計(jì)算，然后通過接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)3個(gè)軟件的聯(lián)合仿真。實(shí)現(xiàn)各軟件間通訊的接口設(shè)置是影響聯(lián)合仿真成敗的關(guān)鍵。首先在Simcenter 3D motion中建立控制輸入、輸出的端口信息，求解并導(dǎo)出MCOSIM類型的聯(lián)合仿真接口文件；其次，在AMESim中點(diǎn)擊導(dǎo)入Simcenter 3D motion的模型接口文件并生成接口模塊，即可實(shí)現(xiàn)Simcenter 3D motion與AMESim的信息交互，然后創(chuàng)建SimuCosim接口模塊，連線后進(jìn)入仿真模式即可生成MATLAB Mex類型的聯(lián)合仿真接口文件； 最后，打開主仿真平臺(tái)MATLAB/Simulink，創(chuàng)建與AMESim的聯(lián)合仿真的AME2SLCoSim模塊并鏈接到上一步生成的接口文件，連線后啟動(dòng)仿真，即可實(shí)現(xiàn)在本方案中的3個(gè)軟件的聯(lián)合仿真。

絞車型升沉補(bǔ)償模擬試驗(yàn)臺(tái)的虛擬樣機(jī)可分為4個(gè)模塊，圖3所示為不同模塊間關(guān)鍵信號的傳遞路徑，表1所示為關(guān)鍵信號的具體含義。在本研究中，位于Simulink中的指令輸入模塊用于輸入六自由度平臺(tái)的期望位姿和期望的鉆柱負(fù)載的位移量。主控制器模塊在Simulink實(shí)現(xiàn)，用于編寫六自由度平臺(tái)的逆解算法和直驅(qū)容積控制的算法。液壓控制系統(tǒng)模塊在AMESim中建模，六自由度平臺(tái)的液壓系統(tǒng)以及用于升沉補(bǔ)償?shù)谋每伛R達(dá)系統(tǒng)將在此處搭建完成。多體動(dòng)力學(xué)分析模塊在Simcenter 3D motion中建模，包括液壓六自由度平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型和鉆柱負(fù)載模擬系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。

圖3 聯(lián)合仿真軟件間信號傳遞簡易方案

表1 傳遞信號含義(x=1～6)

3 試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)各模塊的搭建

3.1 多體動(dòng)力學(xué)模塊的建模

多體動(dòng)力學(xué)模塊在Simcenter 3D motion中搭建完成，該模塊可為3個(gè)部分，分別是用于模擬升沉運(yùn)動(dòng)的液壓六自由度平臺(tái)，模擬鉆井鉆柱的負(fù)載模塊以及絞車型升沉補(bǔ)償模塊，如圖4所示。

圖4 多體動(dòng)力學(xué)分析模塊

液壓六自由度平臺(tái)的主要組成部分包括上平臺(tái)、下平臺(tái)、上連接軸、下連接軸、缸筒、活塞桿等。添加運(yùn)動(dòng)副后，平臺(tái)整體自由度為6[13]。下平臺(tái)固定于地面，通過軟件接口，6個(gè)液壓缸接收力信號并返回伸縮運(yùn)動(dòng)信號，上平臺(tái)即可產(chǎn)生升沉運(yùn)動(dòng)。負(fù)載模塊主要由上連接板、下連接板和質(zhì)量塊組成，上板與下板之間添加有帶阻尼的彈簧連接器，通過軟件接口，上板接收拉力并返回升沉運(yùn)動(dòng)信號。設(shè)置好材料屬性后，軟件即可自動(dòng)計(jì)算出各組成部分的質(zhì)量，表2所示為動(dòng)力學(xué)模塊主要參數(shù)表。

表2 動(dòng)力學(xué)模塊主要參數(shù)

3.2 液壓控制系統(tǒng)模塊的建模

在AMESim中完成液壓控制系統(tǒng)模塊的建模，如圖5所示， 仿真模型的主要參數(shù)設(shè)置如表3所示。上部分用于實(shí)現(xiàn)絞車型升沉補(bǔ)償?shù)谋每伛R達(dá)系統(tǒng)，下部分用于升沉運(yùn)動(dòng)模擬的六自由度平臺(tái)的液壓系統(tǒng)，與其他模塊信息交互的主要信號含義如表1所示。在六自由度平臺(tái)的液壓系統(tǒng)中，6個(gè)液壓缸接收多體動(dòng)力學(xué)模塊傳來的伸縮運(yùn)動(dòng)信號并返回對活塞桿的推力，主控制器模塊計(jì)算出的期望伸縮量與多體動(dòng)力學(xué)模塊返回的實(shí)際伸縮量形成PID閉環(huán)控制。此外，接收多體動(dòng)力學(xué)模塊傳來平臺(tái)的6個(gè)位姿信號并輸出到Simulink主控制器模塊，以便實(shí)時(shí)查看平臺(tái)測量位姿。在泵控馬達(dá)系統(tǒng)中， 當(dāng)接收到多體動(dòng)力學(xué)模塊的平臺(tái)升沉信號時(shí)，將產(chǎn)生對鉆柱負(fù)載系統(tǒng)的拉力信號并返回鉆柱升沉運(yùn)動(dòng)信號，同時(shí)，將平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)、絞車轉(zhuǎn)速、鉆柱負(fù)載升沉信號作為輸入傳遞給Simulink主控制器模塊，并返回變量泵排量電壓與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速電壓信號，實(shí)現(xiàn)雙變量控制泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)。

圖5 液壓控制系統(tǒng)模塊

表3 仿真模型主要參數(shù)設(shè)置

3.3 主控制器模塊的建模

主控制器模塊在MATLAB/Simulink中搭建完成，如圖6所示。當(dāng)輸入平臺(tái)期望位姿時(shí)，控制模塊計(jì)算出6個(gè)液壓缸的期望伸縮量，即六自由度平臺(tái)的逆解[14-15]，并將該信號值通過接口傳遞給AMESim液壓控制系統(tǒng)模塊。同時(shí)， 控制器接收來自AMESim的平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)、絞車轉(zhuǎn)速、負(fù)載升沉信號，并輸出變量泵排量、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號。負(fù)載位移在最外環(huán)做反饋PID控制，位移偏差計(jì)算產(chǎn)生的速度值與平臺(tái)實(shí)時(shí)升沉速度的和作為前饋，由雙變量直驅(qū)馬達(dá)泵控系統(tǒng)跟蹤，該值的正負(fù)將影響變量泵排量的正負(fù)及增益，此外，絞車轉(zhuǎn)速將與計(jì)算出的實(shí)時(shí)期望轉(zhuǎn)速做內(nèi)環(huán)PID控制。仿真時(shí)，按試湊法逐步調(diào)節(jié)PID的比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如表4所示為主控制器主要參數(shù)的設(shè)置。雙變量控制策略實(shí)現(xiàn)了升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的正反轉(zhuǎn)要求，使排量控制更加平穩(wěn)，又充分利用了伺服電機(jī)控制的快速性和穩(wěn)定性[12]。

圖6 主控制器模塊

表4 主控制器主要參數(shù)設(shè)置

4 仿真結(jié)果與試驗(yàn)對比分析

對仿真系統(tǒng)與試驗(yàn)系統(tǒng)的平臺(tái)給定同樣的幅值為30 mm，周期為5 s的正弦期望升沉運(yùn)動(dòng)信號，且仿真模型的有關(guān)參數(shù)與試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)置參數(shù)基本一致。仿真與試驗(yàn)結(jié)束后，整理數(shù)據(jù)并繪圖。圖7所示為平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)跟蹤性能對比曲線，圖8所示為升沉補(bǔ)償性能對比曲線，圖9所示為六自由度平臺(tái)中某一液壓缸中活塞桿所受推力對比曲線，圖10為模擬負(fù)載所受拉力對比曲線，圖11為補(bǔ)償絞車轉(zhuǎn)速對比曲線。

圖7 平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)跟蹤性能

圖8 升沉補(bǔ)償性能

圖9 活塞桿所受推力

圖10 模擬負(fù)載所受拉力

圖11 補(bǔ)償絞車轉(zhuǎn)速

由平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)跟蹤性能對比曲線可知，仿真平臺(tái)與試驗(yàn)平臺(tái)跟蹤升沉運(yùn)動(dòng)均存在少許滯后，但與期望升沉運(yùn)動(dòng)信號的偏差維持在較低水平且基本保持一致；由升沉補(bǔ)償性能對比曲線可知，仿真與試驗(yàn)系統(tǒng)的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)均有效且補(bǔ)償性能大體一致；由活塞桿所受推力對比曲線可知，仿真值與試驗(yàn)值的變化趨勢一樣，但前者明顯大于后者。之所以如此，主要原因是聯(lián)合仿真時(shí)液壓缸的黏滯摩擦系數(shù)必須設(shè)置為較大值，否則聯(lián)合仿真振蕩劇烈，甚至導(dǎo)致仿真失敗。此外，與使用一個(gè)軟件仿真相比，聯(lián)合仿真中各軟件間數(shù)據(jù)交換總是存在一個(gè)仿真步長的延遲，這是聯(lián)合仿真技術(shù)有待解決的一個(gè)難題，可能也是造成仿真系統(tǒng)易振蕩甚至失敗的原因。由模擬負(fù)載所受拉力對比曲線、補(bǔ)償絞車轉(zhuǎn)速對比曲線可知，仿真模型與試驗(yàn)實(shí)測中負(fù)載所受拉力、補(bǔ)償絞車轉(zhuǎn)速均存在一定抖動(dòng)，但基本保持一致。

綜上，從最終效果上來看，所建立絞車型升沉補(bǔ)償模擬試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)是準(zhǔn)確的，仿真模型中平臺(tái)能很好地跟蹤期望平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，雙變量控制升沉補(bǔ)償系統(tǒng)有效，并且平臺(tái)跟蹤性能與補(bǔ)償特性與試驗(yàn)實(shí)測大體一致。

5 結(jié)論

本研究聯(lián)合Simcenter 3D motion、AMESim和MATLAB/Simulink 3個(gè)軟件搭建了絞車型升沉補(bǔ)償模擬試驗(yàn)臺(tái)的虛擬樣機(jī)。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明，所搭建的絞車型升沉補(bǔ)償模擬試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)是準(zhǔn)確的，能較真實(shí)地反映絞車型升沉補(bǔ)償模擬試驗(yàn)臺(tái)物理樣機(jī)，為進(jìn)一步優(yōu)化絞車型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和控制策略，提高補(bǔ)償精度提供了很好的驗(yàn)證平臺(tái)。該虛擬樣機(jī)搭建方法也為其他復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)的仿真提供有益參考。