复合液压缸式半主动升沉补偿系统建模及仿真.pdf

2 0 1 3年 1 月 第 4 l 卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS J a n ． 2 0 1 3 Vo 1 ． 41 No ．1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 3 9 复合液压缸式半主动升沉补偿系统建模及仿真 全伟才 ，张艾群 ，张竺英 1 ．中国科 学院沈阳 自动化研 究所机器人学国家重点实验室，辽宁沈阳 1 1 0 0 1 6 ； 2 ．中国科 学院大学，北京 1 0 0 0 4 9 摘要为提高深海有缆水下机器人吊放作业的安全性，提出一种复合液压缸式半主动升沉补偿系统，介绍系统的工作 原理 ，并利用 A M E S i m分别建立了系统在被动升沉补偿模式与半主动升沉补偿模式下的仿真模型。对 比分析了不同升沉频 率下系统的补偿性能和补偿过程中复合液压缸活塞位移与蓄能器压力的变化规律。分析结果表明，所提出的半主动升沉补 偿系统能有效降低周期性母船升沉运动对铠缆张力和中继器位移的影响。 、 关键词有缆水下机器人；半主动升沉补偿 ；复合液压缸 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 1 3 7 5 M o de l i n g a nd S i mu l a tio n f o r S e mi - a c tiv e He a v e Co mp e n s a tio n S y s t e m o f Co mpo s i t e c y l i n de r Ty pe Q U A N We i c a i ， Z HA N G A i q u n ， Z H A N G Z h u y i n g 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f R o b o t i c s ，S h e n y a n g I n s t i t u t e o f A u t o ma t i o n ，C h i n e s e A c a d e my o f S c i e n c e， S h e n y a ng L i a o ni ng 1 1 0 01 6，Ch i n a； 2 ． G r a d u a t e S c h o o l o f C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e ，B e i j i n g 1 0 0 0 4 9 ，C h i n a Ab s t r a c t A s e mi - a c t i v e h e a v e c o mp e n s a t i o n s y s t e m o f c o mp o s i t e c y l i n d e r t y p e wa s p r e s e n t e d a c c o r d i n g t o t h e req u i reme n t o f i m p r o v i n g the s a f e t y o f h a n d l i n g o f d e e p s e a r e m o t e l y o p e r a t e d v e h i c l e R O Vi n h a r s h s e a s t a t e ． T h e s e mi a c ti v e h e a v e c o m p e n s a t i o n p r i n e i p l e s we ro i n t r o d u c e d ，a n d t h e s i mu l a ti o n mo d e l s o f the s y s t e m u n d e r p a s s i v e h e a v e c o mp e n s a t i o n mo d e a n d s e mi - a c t i v e h e a v e c o mp e n s a t i o n mo d e w e re s e t u p r e s p e c t i v e l y v i a t h e AME S i m．Th e p e r f o r manc e o f h e a v e c o mp e n s a ti o n s y s t e m u n d e r d iffe ren t h e a v e f r e - q u e n c i e s a n d t h e c h ang e l a ws o f p i s t o n d i s p l a c e me n t o f c o mp o s i t e -t y p e c y l i n d e r and a c c u mu l a t o r p r e s s u re w e re ana l y z e d t h r o u g h c ant r ast i v e an aly s i s ．Th e r e s u l t s d e mo n s t r a t e tha t t h e s e mi - a c t i v e h e a v e c o mp e n s a t i o n s y s t e m c a n b e u s e d t o red u c e the s t r o n g i n fl u e n c e o f per i od i c s h i p h e a v e mo t i o n o n u mb i l i c al t e n s i o n an d t e t h e r mana g e me n t - s y s t e m d i s p l a c e me n t e ff e c ti v e l y ． Ke y wo r d sRO V ；S e mi a c t i v e h e a v e c o mpe n s a t i o n；Co mp o s i t e - c y l i n d e r 出于对丰 富海洋资源 的重视 ，世界 主要 海洋国家 都先后研发 了不 同潜深 的深海有 缆水下 机器人 R e - m o t e l y O p e r a t e d V e h i c l e ，R O V 。深海 R O V系统 主要 由母船、控制室、收放系统、铠缆、中继器 、系缆与 R O V等组成⋯，其 中，母船通过铠缆连接中继器， 中继器通过中性浮力 的系缆连接 R O V。母船在高海 况下会产生较 大幅度 的周期 性升沉 运动 ，使铠缆张 力大 幅波 动 ，导致 中继器 不断振 荡 ，在 与 R O V对 接 时易损坏铠缆及 中继器 与 R O V上 的敏感元器件 。 为降低母船升沉运动对水下中继器与 R O V的影 响，深海 R O V系统都安装了升沉补偿系统。根据执 行元件的不同，升沉补偿系统可以分为直线液压缸式 和旋转液压 马达式两类 ；根 据工作 原理的不 同，又可 分为 被 动 式 、主动 式 与 半 主 动 式 3类 ，各 有 优 缺 点 。被动升沉补偿方式不需要主动提供动力，借助 气液蓄能器来储存和释放波浪能，结构较简单，补偿 时间长 ，但补偿效率低 ；主动升沉补偿方式需要利用 精密的运动传感器来测量母船的运动 ，进而控制油 缸或液压 马达回收和释 放铠 缆 ，优点 是补偿 精度 高 、 抗干扰性能强，缺点是能源消耗大、系统复杂 ； 半 主动升沉补偿 方式则 结合了前两种方式的优点 ，是 近年来国外研究的热点。作者提出一种基于复合液压 缸 的半 主动升沉补偿系统 ，建立了两种工作模式下 的 A M E S i m仿 真模型 ，分析了不 同升 沉频率 下系统 的补 偿性能，以及复合液压缸活塞位移与蓄能器压力的变 化 规律 ，得出了有用的结论 ，为半主动升沉补偿系统 的设计与实际应用提供参考。 1 复合缸式半主动升沉补偿系统原理 复合缸式半主动升沉补偿系统原理如 图 1 所示 ， 执行元件为复合缸 1 1 ，底部固定在母船甲板上，由 内外两缸筒与空心活塞杆嵌套而成，分为内缸腔 E、 外 缸有杆腔 F和外缸无 杆腔 G 3个油腔 。其 中 ，缸腔 收稿 日期 2 0 1 11 2 0 1 作者简介全伟才 1 9 8 4 一 ，男，博士研究生，主要从事有缆水下机器人与电液控制技术研究。E ma i l q w c s c n 。 1 3 8 机床与液压 第 4 1 卷 G与气液蓄能器 1 9 相连 ，与工作气瓶 2 0组成被动升 沉补偿子系统；缸腔 E、F与电液 比例阀 6相通 ，与 电机 2 、定量泵 3组成 主动升沉补偿 子系统 。两个 限 压溢流阀 7 、8 跨接在复合缸进、回油路上，能防止 复合缸油腔 内压力过高而导致 的密封元件损坏 。模块 l 6采集母船升沉位移 与复合缸活塞位移 ，经控 制器 1 7得到电液控制指令，通过模块 1 8 控制电液比 例阀驱动活塞杆上下运动。中继器 1 5通过铠缆 1 4悬 挂在复合缸顶端动滑轮 1 0上，随着母船的升沉而上 下运动 。 l 一 油箱2 一 电机3 一 撅 压泵4 一 单 向 阀5 一 安 全 阁6 一 电} 瑷比例 网 7 、8 一限压溢流阀 9 一电磁换 向阀 l O ～动滑轮l 1 一复合缸 l 2 一导 向滑轮 l 3 一支架定滑轮 l } 一铠缆 l 卜 中继器 l 6 _ - 模， 数转换器 1 7 一控制器 l 卜 数， 模转换器 1 9 一营能器 2 O 一气瓶 图 1 半主动升沉补偿系统原理图 在母船的上升、下降过程 中，只要复合缸释放、 回收铠缆的方向与母船升沉运动相反 ，就达到了降低 母船升沉对水下 中继器 位移与铠 缆张力 影响 的 目的。 具体来说，图 1的半主动升沉补偿系统有两种工作模 式 1 被动升沉补偿模式。电磁换向阀 9处于左 位 ，电液比例阀 6 处于中位，只有被动升沉补偿子系 统动作 ； 2 半主动升 沉 补偿模 式 。电磁换 向阀 9处 于 右位 ，主动升沉补偿子系统与被动升沉补偿子系统同 时进行补偿。补偿过程为当母船上升 下降时， 因中继器具有大惯性，作用在复合缸顶端动滑轮上的 外载荷增大 减小 ，活塞杆会往下 上 移动 ，蓄 能器与工作气瓶内的气体压缩 膨胀 ，同时，电液 比例阀6在控制器的作用下处于左 右位，电机 带动定量泵旋转输出压力油，经单向阀4进入复合缸 腔 F 缸腔 E ，克服活塞与缸筒 、活塞杆与缸筒间 的摩擦阻力及其惯性力，使活塞杆进一步下 上 移 ，释放 回收铠缆，复合缸腔 E 缸腔 F 的低 压油则经 电液 比例 阀 6流 回油箱 。 2 系统仿真模型的建立 在 系统模型建立的过程 中作如下假设 1 铠 缆处 于铅直 状态 ，中继器 视 为附加 在铠 缆末端的质点 ，不考虑水下洋流 ； 2 假设 液压 系统无 泄 漏 ，忽 略液压 管道 沿程 压力损失与局 部压力损失 ，不考虑油液的质量和可压 缩性 。 2 ． 1 被动 升沉 补偿模 式 的仿 真模 型 根据牛顿第二定 律 ，复合缸 活塞驱 动力 F 可 表 示为 F m 茹 2 c fi 2 2 m z 三 2 c 1 l ， 孔 g 2 m z g y 1 式 中m 为复合缸 活塞杆 、活塞 和顶 端动 滑 轮等 可 动部件的总质量；c 为复合缸活塞、活塞杆与缸筒问 的阻尼系数 ；m 表 示铠 缆 与 中继器 的 总质 量 ； 为复合缸 活塞位移 ； 表示 中继 器 的位移 ；c 是 铠 缆与海水间的阻尼系数；y为浮力指数，y∈ 0 ， 1 ； g为重力加速度 。 式 1 可 以分 成两 类 静 态载 荷 重力 与 浮力 和动态 载荷 Wd 与速 度和加 速度有关 的惯 性 力与阻尼力 ，即 m g 2 m z g T 2 Wd m 。 2 c x 2 2 m z j 2 c z l l 3 图 1 的半主动升沉补偿系统中，当主动升沉补偿 子系统不动作时，被动升沉补偿子系统应能承受全部 的外载荷 ，这时复合缸承受 的载荷将在 左右波 动，若动态载荷 I I ≤ ，k 0 ，1 ，则复合缸 所承受 的总载荷 。 的变化范 围为 W d ∈ 1 一 k ， 1 k W 设活塞相对复合缸筒移动6时的蓄能器气体压力 为P ，也即作用在复合缸活塞上的压力，A 。 为复合缸 的活塞面积 ，△ 为复合缸行程。当 0 ，时活塞处 于复合缸的最上端，此时蓄能器气体压力为最小压力 p 。 ，对应气体体积为最大体积 V 1 ；当6 △ 时，活塞 处于复合缸的最底端，此时蓄能器气体压力为最大压 力 P ，气体体积正好是工作气瓶容积 ，则有 1一k 1k ， 、 一 ，P2 一 一 A 。 A 5 由玻义耳定律知P p ，n为气体绝热指数 ， 令 1 k ／ 1 一k ，结 合式 4 、 5 ，工 作气瓶的容积可表示为 Ap _ Ah ‘ 一 1 6 当0 6 △ 时，蓄能器气体体积为 VV 1 一 。 7 结合式 4 、 6 、 7 ，将 p V p 两边 同 时乘以A ，得被动升沉补偿子系统对复合缸活塞的 第 1 期 全伟才 等复合液压缸式半主动升沉补偿系统建模及仿真 1 3 9 驱动力为 P。 A p 。 A 。 v jv 1 k ／ 一 6 Ol 1 一 h 8 ／Zi h 8 当 F A W 时 ，可 以认 为 复合 缸 活塞 处 于静 态平衡位置 ，此时活塞 的位移 9 在 A M E S i m里建立被动升沉 补偿模式的仿真模 型，如图 2所示 ，模块 1输出母船的升沉运动信号 。，模块 2得到复合缸活塞位移 ，模块 3得到叠加 后的铠缆首端位移 2 ，模块 4是收放铠缆的液 压绞车，通过铠缆模块 5对中继器模块 6进行收放， 模块 7输 出作用在 复合缸 活塞杆上的载荷 。 图2 被动升沉补偿模式的仿真模型 已知某深水 吊放系统主要参数为铠缆长度为 5 0 0 0 m，弹性 刚度为 9 1 0 0 N ／ m，水 中单 位长的质量 为 2 ． 5 9 k g ，中继器水 中质量为 4 3 2 0 k g 。结合 式 1 一 9 设置被动模式下的仿真模型参数 ，如复 合缸行程为 2 m，缸腔 G等效 内径为 1 7 0 m m，缸 腔 E 、F内的最高油压为 1 5 M P a ，等效 内径为 7 7 m m， 最大 流量 为 2 8 2 L ／ m i n ；蓄能器 最小 压力 为 1 2 MP a ， 最大压力 为 1 8 MP a ，最小 『 气体体积为 1 3 5 L ，最大 ． f 气体体积为 1 8 0 L ，气体 戛 『 绝热指数 n1 ． 4 ，载荷波 0 ． 5 } 动系数 k 0 ． 2 。稳态平衡 I 时，复合缸活塞位移 ， 理 o 论 计 算 值 为1 ． 1 7 r n ， A ME S i m 仿 真结 果 为 1 ． 1 8 m，如 图 3所 示 ，这 说 明 了仿真模型 的正确性 。 图 3 1 O 2 0 3 0 f ， s 稳态平衡 时的复 合缸活塞位移 2 ． 2 半主动升沉补偿模式的仿真模型 在前面被 动升 沉补 偿 的基 础上 加 入 主动 升沉 补 偿 ，根据系统原理 图 1 ，采用 A M E S i m建 立 的半 主动 升沉补偿模式的仿真模型如 图 4所示 ，将 模块 3输 出 的位移与 目标位移 模块 8 进行比较，得到的差值 经 P I D控 制器 处理 后得 到 电液 比例 阀的控 制 电压信 号，通过改变控制信号的大小和极性来改变油路的通 流截面积 ，对流量和方 向同时进行控制 。当输入 电流 为正时 ，电液 比例 阀处于左位 ，复合缸处于释放铠缆 状态；电流为负时，电液比例阀处于右位，复合缸处 于 回收铠缆状态 。在前面 的基础上进一步设定仿真 系 统液压元件主要参 数 ，如液压 泵 的额 定转 速为 1 5 0 0 r ／ m i n ，排量为 2 0 0 m L ／ r ，额定压 力为 2 0 MP a ；电液 比例阀的最大流量 为 3 0 0 L ／ m i n ，对应 的最 大压 降为 1 M P a ；等等。 图4 半主动升沉补偿模式的仿真模型 3仿真结果分析 考 察五级海 况下 半 主动 升沉 补 偿 系统 的补偿 性 能，设母船的升沉运动为简谐运动 。 A s i n 2 ， ④ 1 4 0 机床与液压 第4 1 卷 其中A为运动幅值， ．厂 为运动频率。设置 4种五级海 况下母船升沉运动激励信号，运动幅值 A均为 1 m， 运动频率．厂 依次为 0 ． 1 、0 ． 1 5 、 0 ． 2 、0 ． 2 5 H z 。 3 ． 1 补偿性能分析 图5和 6分别表示在 4种不同母船升沉频率下的 铠缆张力和中继器升沉位移结果。可知不同频率下 的铠缆 张力 和 中继器 位 移始终 在 某个值 附 近上 下波 动，显然该值为稳态平衡值。被动子系统在低频信号 0 ． 1 ≤厂 0 ． 1 5 H z 激励下基本不起作 用 ，直到高频 0 ． 2 ≤， 一 一 昌 H 一 偿 _． 一3 一引 沉升 ．一m 偿升动 ．_ 一 上上卜 V 一 一 偿 1 n 一。 育 ． 一 动 主 ， ， J 一 嚣 。 j 。 磷 。 一 偿 一 丽 一 蜀 刖 州 一 第 1 期 全伟才 等复合液压缸式半主动升沉补偿系统建模及仿真 1 4 1 气体膨胀，压力减小，体积相应增大。在 0 ． 1 ≤， ≤ 0 ． 2 5 H z内，半主动升沉补偿时蓄能器气体压力变化 幅度要大于被动补偿情形，显然这是因为主动子系统 同时施加驱动力的缘故，能有效增加蓄能器的能量储 存与释放，进而提高补偿效率。 l 6 皇 1 4 as a ／ 0 ． 1Hz 1 一被动升沉补偿 2 --半主动升沉补偿 ／ 2 ， 、 、f “ O 1 O 2 0 3 O t ／ s c 产 O ． 2 Hz 1 8 重 1 4 1 --] 升沉补偿 2 一 半 主动 升沉 朴偿 太 O l O 2 O 3 0 t ／ s b f ffi 0 ． 1 s Hz 1 8 l 6 罢 l 4 l 一被动升沉补偿 ，2 一半主动升沉补偿 ， l上 l l 0 l O 2 0 3 0 t ／ s c 1 y o ． 2 5Hz 图9 不同升沉频率时的蓄能器压力变化 4结 论 1 针对有缆水下机器人安全吊放的要求 ，提 出一种复合液压缸式的半主动升沉补偿系统 ，建立了 系统在被动升沉补偿模式与半主动升沉补偿模式下的 仿真模型 ； 2 半主动升沉补偿效率随着升沉频率的增加 而有所降低，但可保持在 8 0 ％以上；被动升沉补偿 效率变化恰好相反，最高仅能达到 6 4 ％，适合在高 频段使用； 3 在 O ． 1 厂 ≤ 0 ． 2 5 H z 内 ，由于主动 升沉补偿 子系统对复合缸活塞的驱动力作用，半主动升沉补偿 时的活塞位移和相应的蓄能器压力变化幅度都要大于 被动升沉补偿情形； 4 主动升沉补偿子系统失效时，仍可使用被 动升沉补偿子系统，提高了系统的可靠性 ，降低了吊 放作业风险，为提高深水作业设备的收放安全性提供 了一定的参考。 参考文献 【 1 】K Y O M， H I Y A Z A K I E ， T S U K I O K A S ， e t a 1 ． T h e S e a T r i o l o f“ K A I K O” ， t h e F u l l O e a n D e p t h R e s e a r c h R O V[ C ] ／ ／ C o n f e r e n c e P r o c e e d i n g s o n C h a l l e n g e s o f Ou r C h a n g i n g G l o b a l E n v i r o n me n t ， 1 9 9 5 1 9 9 11 9 9 6 ． 【 2 】魏素芬， 杨文林 ， 张竺英． 液压绞车主动升沉补偿控制研 究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 9 7 2 7 2 9 ． 【 3 】杨文林， 张竺英 ， 张艾群． 水下机器人主动升沉补偿系统 研究[ J ] ． 海洋工程， 2 0 0 7 ， 2 5 3 6 8 7 2 ． 【 4 】肖体兵， 吴百海 ， 龙建军． 深海作业装置主动型升沉补偿 系统控制器的研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 8 4 I 8 2 1 ． 【 5 】肖体兵， 吴百海 ， 罗忠辉． 重型扬矿管主动升沉补偿系统 的设计与仿真研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 2 6 4 75 O ． 【 6 】张超， 王庆丰， 王海波． 水下拖曳升沉补偿模拟加载系统 的设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 2 7 5 7 7 ． 上接第 1 6 4页 【 4 】 许锷俊． 航空发动机导管结构完整性要求的初步研究 [ J ] ． 航空发动机， 1 9 9 4 ， 6 3 5 36 2 ． 【 5 】 航空发动机设计手册总编委会． 航空发动机设计手册 [ M] ． 北京 航空工业出版社， 2 0 0 0 3 1 8 3 1 9 ． 【 6 】 王国鹏， 万利 ， 周杨娜． 航空发动机管路振动故障研究 [ J ] ． 振动工程学报， 2 0 0 8 s 1 1 9 11 9 4 ． 【 7 】 初飞雪． 两端简支输液管道流固耦合振动分析[ J ] ． 中 国机械工程 ， 2 0 0 6 ， 1 7 3 2 4 8 2 5 1 ． 【 8 】J I A N G Ho n g y u a n ， Y A N Hu i ， L I G u i x i a n ， e t a 1 ． E x p e r i m e n t al Re s e a r c h o n S t a t i c Ch ara c t e r i s t i c s of S p e c i a l W i r e r o p e I s o l a t o r [ J ] ． J o u rna l o f S o u t h e a s t U n i v e r s i t y E n g l i s h E d i t i o n ， 2 0 0 6 4 5 0 55 0 9 ． 【 9 】 李艳华， 柳贡民， 张寅豹． 流体管道横向振动的频域传递 矩阵法[ J ] ． 振动工程学报， 2 0 0 9 ， 2 2 6 5 9 7 6 0 1 ． 【 1 0 】卢丽金， 黄超广 ， 沈祖辉． 飞机液压／ 燃油管路系统振动 故障模式 、 机制及排除方法 [ J ] ． 振动工程学报 ， 2 0 0 8 S 1 7 8 8 2 ． 【 1 1 】贾志刚， 陈志英． 基于参数化的航空发动机管路调频方 法研究[ J ] ． 航空发动机 ， 2 0 0 8 ， 3 8 4 3 43 7 ． 【 1 2 】 王本利 ， 王世忠， 安为民， 等． 用有限元法分析导管固液 祸合振动[ J ] ． 哈尔滨工业大学学报 ， 1 9 8 5 2 81 3 ． 【 1 3 】 沈惠杰， 温激鸿 ， 郁殿龙 ， 等． 基于 T i m o s h e n k o 梁模型 的周期充液管路弯曲振动带隙特性和传输特性 [ J ] ． 物理学报 ， 2 0 0 9 ， 5 8 1 2 8 3 5 78 3 6 3 ． 【 1 4 】 孙玉东 ， 王锁泉， 刘忠族 ， 等． 液 一 管耦合空间管路系统 振动噪声的有限元分析方法[ J ] ． 振动工程学报 ， 2 0 0 5 ， 1 8 2 1 4 91 5 4 ． 【 1 5 】张废 ， 艾延廷， 刘秀芳． 基于经验模式分解法的航空发 动机振动传感器故障诊断技术研究[ J ] ． 沈 阳航空工 业学院学报 ， 2 0 0 8 ， 2 5 4 5 8 ． 【 1 6 】 张宝诚． 航空发动机试验和测试技术[ M] ． 北京 北京 航空航天大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 1 7 】 郭华 ， 钟德均， 周长悦． 某型飞机燃油系统飞行试验管 路振动特性分析[ J ] ． 振动工程学报， 2 0 0 8 s 1 2 1 9 2 2 1 ． 【 1 8 】 高芳 ， 陈阳， 张振鹏 ， 等． 液体火箭发动机实验台液路系 统工作过程仿真 [ J ] ． 航空动力学报， 2 0 0 6， 2 1 2 41 74 2 0． 【 1 9 】 张鹏， 黄金泉． 航空发动机气路故障诊断的平方根 U K F 方法研究[ J ] ． 航空动力学报， 2 0 0 8 ， 2 3 1 1 6 91 7 3 ．