輸油軟管張力補(bǔ)償振蕩現(xiàn)象研究

當(dāng)前，行進(jìn)中兩船之間輸油作業(yè)主要采用高架索法，通過(guò)跨索吊掛輸油管進(jìn)行輸油作業(yè)。某新型輸油裝置的工作方式是在輸油船與受油船中間，通過(guò)一根自身承受張力的輸油軟管完成輸油作業(yè)。該在行進(jìn)中開(kāi)展輸油作業(yè)，輸油軟管由于自身承重，會(huì)在兩船之間產(chǎn)生   的下垂高度H。由于兩船間距的不斷變化以及風(fēng)浪等因素的影響，可能導(dǎo)致以下情況：

1）下垂高度過(guò)大，張力太小軟管落入水中；

2）下垂高度過(guò)小，軟管所承受的張力太大。這兩種情況都會(huì)影響輸油裝置的使用   。

如果   依靠人工操作來(lái)保持適當(dāng)?shù)南麓垢叨葧?huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：

1）行進(jìn)中輸油作業(yè)一般持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，僅憑人工控制下垂高度，操作人員體力上很難勝任；

2）人工操作只能憑感官判斷，控制精度不高；

3）反應(yīng)不夠及時(shí)。

針對(duì)上述問(wèn)題，該輸油裝置在設(shè)計(jì)中采用基于PLC、扭矩傳感器、液壓伺服器件的自動(dòng)補(bǔ)償控制系統(tǒng)，控制軟管絞車(chē)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸油軟管的下垂高度，使其在輸油作業(yè)中始終處于正常工作范圍內(nèi)。由于軟管下垂高度H與其所承受的張力N之間呈近似的線性關(guān)系，可以用軟管張力補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)下垂高度的自動(dòng)補(bǔ)償。

一、自動(dòng)補(bǔ)償原理

該輸油裝置主要包括軟管絞車(chē)、液壓驅(qū)動(dòng)單元、軟管組件、控制系統(tǒng)四部分。輸油軟管張力自動(dòng)補(bǔ)償工作原理是：用扭矩傳感器檢測(cè)出軟管絞車(chē)驅(qū)動(dòng)軸承受的扭矩，間接計(jì)算出軟管承受的張力；用光電開(kāi)關(guān)組測(cè)出軟管絞車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和圈數(shù)，間接計(jì)算出絞車(chē)收放軟管的長(zhǎng)度。PLC根據(jù)預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)表判斷當(dāng)軟管長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)，承受的張力是否超過(guò)上下限值，張力過(guò)小時(shí)，控制絞車(chē)自動(dòng)放出軟管，張力過(guò)大時(shí)控制絞車(chē)自動(dòng)收管，使軟管始終保持合適的下垂高度。

二、共振產(chǎn)生原因及解決方案

1.共振產(chǎn)生原因分析

該輸油裝置張力補(bǔ)償試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，軟管產(chǎn)生共振是一個(gè)需要解決的主要問(wèn)題：軟管本身具有   的彈性，其自身承受了張力，加上補(bǔ)償動(dòng)作、慣性、海風(fēng)、船身起伏的影響，在輸油作業(yè)中將不可避免的始終處于上下振蕩狀態(tài)中，當(dāng)振蕩幅度增大到   程度時(shí)，將嚴(yán)重影響輸油作業(yè)。導(dǎo)致軟管產(chǎn)生振蕩的原因主要分為以下三類(lèi)：

1）共振問(wèn)題：自動(dòng)補(bǔ)償收管和放管動(dòng)作產(chǎn)生的振蕩會(huì)相互干擾，可能發(fā)生共振問(wèn)題，導(dǎo)致振幅越來(lái)越大，這是對(duì)自動(dòng)補(bǔ)償影響   大的問(wèn)題；

2）慣性影響：絞車(chē)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)和停止轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間，絞車(chē)驅(qū)動(dòng)軸上的扭矩出現(xiàn)階躍跳變；收放管動(dòng)作停止時(shí)，軟管由于慣性繼續(xù)向上／下運(yùn)動(dòng)帶來(lái)振蕩。兩種情況會(huì)導(dǎo)致收放高度與實(shí)際需要的補(bǔ)償量之間出現(xiàn)偏差；

3）海況影響：船身上下起伏、左右擺動(dòng)、兩船間距變化、海風(fēng)海浪對(duì)軟管的作用都會(huì)造成軟管的振蕩。

2.補(bǔ)償系統(tǒng)振蕩分析

穩(wěn)定是控制系統(tǒng)能夠運(yùn)行的   要條件，解決軟管振蕩對(duì)補(bǔ)償?shù)挠绊憜?wèn)題，實(shí)質(zhì)是自動(dòng)控制系統(tǒng)在輸入信號(hào)和擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。分析軟管產(chǎn)生振蕩的三類(lèi)原因可知，自動(dòng)補(bǔ)償控制面對(duì)的   主要，也是對(duì)補(bǔ)償性能影響   大的擾動(dòng)信號(hào)屬于瞬時(shí)變化的階躍函數(shù)，補(bǔ)償系統(tǒng)輸入信號(hào)為斜坡函數(shù)。將自動(dòng)補(bǔ)償控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)：R(s)為輸入信號(hào)，M(s)為比例放大器控制的輸出，N(s)為擾動(dòng)信號(hào)，K1為前向通道增益。

3.振蕩解決途徑

振蕩是大多數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)固有的問(wèn)題，振蕩并不是要使軟管   沒(méi)有振蕩，而是盡量減小振蕩的幅度，使振蕩處于自動(dòng)補(bǔ)償工作可以接受的范圍內(nèi)，對(duì)補(bǔ)償和輸油作業(yè)不會(huì)產(chǎn)生大的影響。事實(shí)上該輸油裝置中軟管的振蕩是不可能   的。根據(jù)前述理論方法，采取擾動(dòng)措施如下：

1）對(duì)扭矩傳感器檢測(cè)出的扭矩值進(jìn)行積分處理后再作為控制系統(tǒng)輸入信號(hào)使用，其實(shí)質(zhì)是軟件濾波。

2）將補(bǔ)償中收管和放管動(dòng)作由連續(xù)改為步進(jìn)方式。設(shè)定絞車(chē)以恒定節(jié)奏收、放管，每個(gè)收、放管動(dòng)作持續(xù)較短時(shí)間T，收放管長(zhǎng)度為相同定值L；T結(jié)束時(shí)判斷軟管張力是否滿足要求，仍超過(guò)限定值則繼續(xù)收放管動(dòng)作直到滿足張力要求，實(shí)質(zhì)也是加入積分環(huán)節(jié)進(jìn)行濾波（用一階函數(shù)近似代替積分），避免軟管在張力上下限臨界點(diǎn)處發(fā)生振蕩。

3）實(shí)際使用中，要求收管速度相對(duì)較快（軟管下垂高度過(guò)大會(huì)落入水中），采取收管和放管動(dòng)作不同速度（V1、V2），不同持續(xù)時(shí)間（T1、T2）的方法減小振蕩，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，V1：V2＝1．5：1，T1：T2＝1：1．5時(shí)具有較好的減振效果，實(shí)質(zhì)是利用收管放管動(dòng)作的不同頻率來(lái)防止共振的發(fā)生。自動(dòng)控制系統(tǒng)中加入積分環(huán)節(jié)在擾動(dòng)作用影響的同時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。因此需要權(quán)衡考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性、抗擾動(dòng)誤差和動(dòng)態(tài)性能之間的關(guān)系，在實(shí)際中，要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)找到   佳的平衡點(diǎn)。

實(shí)踐結(jié)果表明，采用前述振蕩措施的控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)補(bǔ)償輸油軟管的下垂高度，具有較高的靈敏度和反應(yīng)速度，較好的了各種擾動(dòng)帶來(lái)的振蕩，提高了輸油裝置使用   性，其解決思路也為面對(duì)類(lèi)似振蕩問(wèn)題的自動(dòng)控制系統(tǒng)提供了   的參考。