1.本发明属于海上升压站海运技术领域，特别涉及一种海上升压站上部组块海运主动减震控制装置以及控制方法。
背景技术：
2.海上升压站的总体组成包括上部组块和下部支撑结构两个部件。下部支撑结构主要是导管架和钢桩，上部组块为多层结构，主要含有主变压器、气体绝缘组合电器设备、中压柜、柴油发电机、二次屏柜等精密电力电气部件。海上升压站上部组块一般采用陆上完成建造与调试，整体海运至风电场指定区域安装的施工方式。海上升压站是海上风电场生产运行的关键设备，上部组块如果出现工作故障，会导致风电场电能输送障碍，影响整个海上风电场的发电效率和安全生产。因此，为了保证海上升压站的健康，避免安全隐患，在海运过程对上部组块的倾斜度具有严格要求。然而，海运过程存在大量不确定因素，如海浪、风速、航迹、船长决策等都有可能导致升压站海运过程振动过大，引起倾斜度超标。
3.目前，海上升压站上部组块海运主要依靠加强与甲板的绑扎固定强度和努力平稳驾驶等人工的方法，被动地保证海上升压站上部组块在运输船上的平稳，以尽量减少振动幅度，降低倾斜度。如田孝松等人在专利202221397211.x中提出的“一种用于海上升压站上部模块海上运输的系固工装”中，采用四套主系固组件和十套辅助系组件将海上升压站上部组块与运输船固定。杨婕在专利202011520750.3中提出的“一种海上升压站的装船装置”中，通过运输船甲板上的八个夹持板对海上升压站进行挤压和夹持。但依靠加强与甲板的绑扎固定强度和努力平稳驾驶的海运方式，遇到海况变化等不可测因素时，可靠性低、调控手段少，可重复性弱，高精度控制难。因此，采用机电控制的自动化技术方法代替人工操作，通过设计合理的减振装置，主动对倾斜度进行有效控制，以降低海运全过程的横纵摇振动情况，是一种科学可靠和良好实际工程意义的方式。
技术实现要素：
4.发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种海上升压站上部组块海运主动减震控制装置，利用机械、电气、液压、传感器与控制器等多功能部件的创新组合，设计出一种主动减震机电控制装置，通过多个船载支撑推杆的基于几何空间解耦的主动有序协调柔性伸缩运动，以达到降低海上升压站上部组块海运过程的横纵摇幅度，保证海上升压站上部组块海运过程平稳的目的。
5.技术方案：为了实现上述目的，本发明提供了一种海上升压站上部组块海运主动减震控制装置，包括：
6.一组船载支撑桩、一组伺服阀控液压顶、一组称重传感器、一组位移传感器、一组双轴倾角传感器、预均压调整控制器、减振状态决策器和柔性位移调节驱动器，所述船载支撑桩固定安装于运输船的甲板上，每根船载支撑桩上均设有伺服阀控液压顶，所述称重传感器设于伺服阀控液压顶上方，所述伺服阀控液压顶的推杆侧位设有位移传感器，且所述
伺服阀控液压顶的推杆支撑海上升压站上部组块平稳放置在运输船上，所述双轴倾角传感器安装于海上升压站上部组块几何中心点的水平面上，所述预均压调整控制器、减振状态决策器和柔性位移调节驱动器均安装于运输船上。
7.本发明中所述的海上升压站上部组块海运主动减震控制装置的控制方法，所述海上升压站上部组块几何中心点水的平面定义为x-y双轴坐标系，其中运输船的纵向前进方向为y轴正方向，运输船的横向为x轴方向；定义水平面沿着横纵轴向海平面方向偏移为正角度，横纵轴偏移角度分别为α,β，α,β由双轴倾角传感器测量。
8.本发明中所述的海上升压站上部组块海运主动减震控制装置的控制方法，具体的控制方法如下：
9.s1：首先获取称重传感器、一组位移传感器、一组双轴倾角传感器的输出信号以及预均压调整控制器接收信号，即所述称重传感器输出对应的承重信号fi，(i＝1,2,3,4)；所述位移传感器输出对应的伺服阀控液压顶的液压顶推杆伸缩长度的位移信号zi；所述双轴倾角传感器输出升压站横纵两个垂直方向上的姿态倾角信号(α,β)；所述预均压调整控制器接收各承重信号fi；
10.s2：根据步骤s1中获取的信号判断，调整相应伺服阀控液压顶推杆伸缩长度，使得四个伺服阀控液压顶承重均衡；
11.s3：减振状态决策器接收各位移信号zi和姿态倾角信号(α,β)，构建形成减振品质动态过程函数pi(zi,α,β)，用于表征升压站海运过程的横纵摇振动烈度；
12.s4：柔性位移调节驱动器接收减振品质动态过程函数pi(zi,α,β)以及各传感器信号，计算输出控制量ui，以驱动四个伺服阀控液压顶实现推杆的按规律的减振伸缩运动，最终保证海上升压站海运过程平稳。
13.本发明中所述的海上升压站上部组块海运主动减震控制装置的控制方法，所述步骤s2中伺服阀控液压顶推杆伸缩长度的调整方式如下：
14.首先各个预均压调整控制器依次获取四个称重传感器的输出信号fi，然后将各称重传感器的输出信号fi分别与理论预设值f
i0
进行比较；
15.若第i个伺服阀控液压顶支撑力fi低于理论预设值f
i0
，则单方向提升第i个伺服阀控液压顶的推杆，直至fi》f
i0
后停止；
16.当四个称重传感器的输出信号fi均不低于理论预设值f
i0
以后，设置预均压逻辑状态量信号s＝1，否则s＝0，同时记录四个伺服阀控液压顶推杆当前伸缩长度位移信号z
i0
。
17.本发明中所述的海上升压站上部组块海运主动减震控制装置，所述步骤s3减振状态决策器接收各位移信号zi和姿态倾角信号(α,β)，构建形成减振品质动态过程函数pi(zi,α,β)，用于表征升压站海运过程的横纵摇振动烈度，其具体过程如下：
18.s301：以fh的采样频率读取双轴倾角传感器输出，获取海上升压站横纵两个垂直方向上的实时姿态倾角信号(α,β)，再以fs的截止频率对姿态倾角信号(α,β)进行低通滤波，提取姿态倾角信号的低频信号(αs,βs)；
19.s302：计算海上升压站上部组块海运过程中，四个伺服阀控液压顶推杆顶端在横纵摇状态下，水平面动态偏离相对高度偏差：
20.δz1＝mβ
s-nαs,δz2＝mβs nαs,δz3＝-mβs nαs,δz4＝-mβ
s-nαs；
21.式中，m为海上升压站纵向两个支撑桩间距的半长，n海上升压站横向两个支撑桩
间距的半长；
22.s303：获取位移传感器实时输出的液压顶推杆伸缩长度位移信号zi，求取各伺服阀控液压顶推杆伸缩长度相对于水平面动态偏离的位移偏差：ei＝z
i-z
i0-δzi；
23.s304：计算海上升压站海运过程的减振品质动态过程函数
[0024][0025]
式中，和分别为ei的一和二阶导数。c
i0
、c
i1
和c
i2
为正常数；
[0026]
s305：将减振品质动态过程函数实时值pi一阶导数的绝对值与理论许可振动的预设值dp0进行比较，若|则设置逻辑状态量ri＝1，否则ri＝0。
[0027]
本发明中所述的海上升压站上部组块海运主动减震控制装置，所述步骤s4中计算输出控制量ui的具体过程如下：
[0028]
s01：接收预均压调整控制器的逻辑状态量信号s和减振状态决策器的逻辑状态量信号ri，若s＝1且ri＝1，则获取第i个称重传感器的输出信号fi，并计算其一阶导数
[0029]
s402：接收减振品质动态过程函数实时值，若pi》0，则按照下式计算第i个伺服阀控液压顶的驱动控制信号ui[0030][0031]
若pi《0，则按照下式计算第i个伺服阀控液压顶的驱动控制信号ui[0032][0033]
式中，d
i0
、d
i1
、d
i2
、d
i3
、d
i4
和ji分别为与第i个伺服阀控液压顶机电参数相关的常数；k
i0
和k
i1
分别为正常数，其中，0.5《k
i0
《1；
[0034]
s403：以fk的更新频率，间断性地将实时计算出的驱动控制信号ui接入第i个伺服阀控液压顶的控制输入端，实现第i个推杆的按规律的减振伸缩运动。
[0035]
本发明中所述的海上升压站上部组块海运主动减震控制装置，所述采样频率fh、截止频率fs和更新频率fk三者之间的数值关系满足fh》fs≥fk，且分别在百、十、个位数量级附近取值。
[0036]
本发明中所述的海上升压站上部组块海运主动减震控制装置，所述正常数c
i0
、c
i1
和c
i2
三者之间的数值关系满足c
i1ci2
》c
i0
。
[0037]
上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：
[0038]
1、本发明所述的一种海上升压站上部组块海运主动减震控制装置，通过机械、电气、液压、传感器与控制器等多功能部件的创新组合，使得海上升压站几何中心点水平面在伺服阀控液压顶推杆的按规律减振伸缩运动下，横纵摇幅度主动受控在限定范围内。减少人工干预，自动化程度、功能可靠性和自适应性高，有效保证海上升压站海运过程振动及倾斜度满足运输要求。
[0039]
2、本发明中预均压调整控制器通过将各称重传感器的输出信号与理论预设值进行比较，进而对相应伺服阀控液压顶推杆伸缩长度进行主动调节，可以保证四个支撑桩均有效承重，且各支撑力均衡，进一步提高了海运全过程的支撑稳定性。
[0040]
3、本发明通过实时姿态倾角信号计算获得的四个推杆水平面动态偏离相对高度偏差δzi的方法，达到了四个推杆减振伸缩运动的几何空间解耦的目的，实现了四个推杆伸缩调整的主动快速和协调有序，提升减振能力和效果。
[0041]
4、减振品质动态过程函数pi由位移偏差ei，代表位移偏差收敛速度的一阶导数，代表位移偏差收敛加速度的二阶导数、代表位移偏差累计值的积分等四部分状态变量加权组成，可有效地反映海上升压站振动的静态和动态过程，以及偏离水平面平衡状态的轨迹距离，利于全面表征升压站海运过程的横纵摇振动烈度。
[0042]
5、双轴倾角传感器的采样频率fh、截止频率fs和柔性位移调节驱动器的更新频率fk三者之间的数值关系及其取值范围，按照海上波浪频率和海上升压站转动惯量的固有频率进行优选，提高了推杆伸缩调整控制的工程自适应性、科学性和减振运动柔度。
[0043]
6、伺服阀控液压顶的驱动控制信号ui采用位移偏差的幅值|ei|和数值ei，位移偏差收敛的速度和加速度减振品质动态过程函数pi等反馈信号的加权组合，可以保证控制过程体现多状态协调，收敛过程快速高效；尤其是系数项fi|ei|，体现了控制量ui随支撑力大小而自适应地按比例调节，以及大偏差大控制量、小偏差小控制量的非线性柔和控制特点。
附图说明
[0044]
图1为本发明一个实施例的海上升压站上部组块海运安装位置结构侧视图；
[0045]
图2为海上升压站海运几何中心点的水平面坐标定义示意图；
[0046]
图3为水平面坐标系内的四个伺服阀控液压顶的布局结构示意图；
[0047]
图4为各类传感器信号和状态量的信号传递流向关系图；
[0048]
图中：1船载支撑桩、2伺服阀控液压顶、3称重传感器、4位移传感器、5双轴倾角传感器、6预均压调整控制器、7减振状态决策器、8柔性位移调节驱动器、9运输船、10海上升压站上部组块。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
[0050]
实施例
[0051]
如图1所示的一种海上升压站上部组块海运主动减震控制装置，包括：
[0052]
一组船载支撑桩1、一组伺服阀控液压顶2、一组称重传感器3、一组位移传感器4、一组双轴倾角传感器5、预均压调整控制器6、减振状态决策器7和柔性位移调节驱动器8，所述船载支撑桩1固定安装于运输船9的甲板上，每根船载支撑桩1上均设有伺服阀控液压顶2，所述称重传感器3设于伺服阀控液压顶2上方，所述伺服阀控液压顶2的推杆侧位设有位移传感器4，且所述伺服阀控液压顶2的推杆支撑海上升压站上部组块10平稳放置在运输船上，所述双轴倾角传感器5安装于海上升压站上部组块10几何中心点的水平面上，所述预均压调整控制器6、减振状态决策器7和柔性位移调节驱动器8均安装于运输船9上。本实施例所述的一种海上升压站上部组块海运主动减震控制装置，通过机械、电气、液压、传感器与控制器等多功能部件的创新组合，使得海上升压站几何中心点水平面在伺服阀控液压顶推杆的按规律减振伸缩运动下，横纵摇幅度主动受控在限定范围内。减少人工干预，自动化程
度、功能可靠性和自适应性高，有效保证海上升压站海运过程振动及倾斜度满足运输要求。
[0053]
如图2所示的海上升压站上部组块10几何中心点水的平面定义为x-y双轴坐标系，其中运输船9的纵向前进方向为y轴正方向，运输船9的横向为x轴方向；定义水平面沿着横纵轴向海平面方向偏移为正角度，横纵轴偏移角度分别为α,β，α,β由双轴倾角传感器5测量。
[0054]
本实施例中所述的海上升压站上部组块海运主动减震控制装置的控制方法，具体的控制方法如下：
[0055]
s1：首先获取称重传感器3、一组位移传感器4、一组双轴倾角传感器5的输出信号以及预均压调整控制器6接收信号，即所述称重传感器3输出对应的承重信号fi，i＝1,2,3,4；所述位移传感器4输出对应的伺服阀控液压顶2的液压顶推杆伸缩长度的位移信号zi；所述双轴倾角传感器5输出升压站横纵两个垂直方向上的姿态倾角信号(α,β)；所述预均压调整控制器6接收各承重信号fi；
[0056]
s2：根据步骤s1中获取的信号判断，调整相应伺服阀控液压顶推杆伸缩长度，使得四个伺服阀控液压顶2承重均衡；
[0057]
s3：减振状态决策器7接收各位移信号zi和姿态倾角信号(α,β)，构建形成减振品质动态过程函数pi(zi,α,β)，用于表征升压站海运过程的横纵摇振动烈度；
[0058]
s4：柔性位移调节驱动器8接收减振品质动态过程函数pi(zi,α,β)以及各传感器信号，计算输出控制量ui，以驱动四个伺服阀控液压顶实现推杆的按规律的减振伸缩运动，最终保证海上升压站海运过程平稳。
[0059]
本实施例中所述的海上升压站上部组块海运主动减震控制装置的控制方法，所述步骤s2中伺服阀控液压顶推杆伸缩长度的调整方式如下：
[0060]
首先各个预均压调整控制器6依次获取四个称重传感器3的输出信号fi，然后将各称重传感器3的输出信号fi分别与理论预设值f
i0
进行比较；
[0061]
若第i个伺服阀控液压顶2支撑力fi低于理论预设值f
i0
，则单方向提升第i个伺服阀控液压顶的推杆，直至fi》f
i0
后停止；
[0062]
当四个称重传感器的输出信号fi均不低于理论预设值f
i0
以后，设置预均压逻辑状态量信号s＝1，否则s＝0，同时记录四个伺服阀控液压顶推杆当前伸缩长度位移信号z
i0
。
[0063]
需要说明的是理论预设值fi0可在海上升压站上部组块10理论设计时获得。
[0064]
本实施例中所述的海上升压站上部组块海运主动减震控制装置，所述步骤s3减振状态决策器7接收各位移信号zi和姿态倾角信号(α,β)，构建形成减振品质动态过程函数pi(zi,α,β)，用于表征升压站海运过程的横纵摇振动烈度，其具体过程如下：
[0065]
s301：通过采样频率fh读取双轴倾角传感器5输出，获取海上升压站横纵两个垂直方向上的实时姿态倾角信号(α,β)，再以fs的截止频率对姿态倾角信号(α,β)进行低通滤波，提取姿态倾角信号的低频信号(αs,βs)；
[0066]
s302：计算海上升压站上部组块10海运过程中，四个伺服阀控液压顶推杆顶端在横纵摇状态下，水平面动态偏离相对高度偏差：
[0067]
δz1＝mβ
s-nαs,δz2＝mβs nαs,δz3＝-mβs nαs,δz4＝-mβ
s-nαs；
[0068]
式中，m为海上升压站纵向两个支撑桩间距的半长，n海上升压站横向两个支撑桩间距的半长；
[0069]
s303：获取位移传感器4实时输出的液压顶推杆伸缩长度位移信号zi，求取各伺服阀控液压顶推杆伸缩长度相对于水平面动态偏离的位移偏差：ei＝z
i-z
i0-δzi；
[0070]
s304：计算海上升压站海运过程的减振品质动态过程函数
[0071][0072]
式中，和分别为ei的一和二阶导数。c
i0
、c
i1
和c
i2
为正常数；
[0073]
s305：将减振品质动态过程函数实时值pi一阶导数的绝对值与理论许可振动的预设值dp0进行比较，若|则设置逻辑状态量ri＝1，否则ri＝0。
[0074]
本实施例中所述的海上升压站上部组块海运主动减震控制装置，所述步骤s4中计算输出控制量ui的具体过程如下：
[0075]
s01：接收预均压调整控制器6的逻辑状态量信号s和减振状态决策器7的逻辑状态量信号ri，若s＝1且ri＝1，则获取第i个称重传感器的输出信号fi，并计算其一阶导数
[0076]
s402：接收减振品质动态过程函数实时值，若pi》0，则按照下式计算第i个伺服阀控液压顶的驱动控制信号ui[0077][0078]
若pi《0，则按照下式计算第i个伺服阀控液压顶的驱动控制信号ui[0079][0080]
式中，d
i0
、d
i1
、d
i2
、d
i3
、d
i4
和ji分别为与第i个伺服阀控液压顶机电参数相关的常数；k
i0
和k
i1
分别为正常数，其中，0.5《k
i0
《1；
[0081]
s403：以fk的更新频率，间断性地将实时计算出的驱动控制信号ui接入第i个伺服阀控液压顶2的控制输入端，实现第i个推杆的按规律的减振伸缩运动。
[0082]
本实施例中所述的海上升压站上部组块海运主动减震控制装置，所述采样频率fh、截止频率fs和更新频率fk三者之间的数值关系满足fh》fs≥fk，且分别在百、十、个位数量级附近取值。
[0083]
本实施例中所述的海上升压站上部组块海运主动减震控制装置，所述正常数c
i0
、c
i1
和c
i2
三者之间的数值关系满足c
i1ci2
》c
i0
。
[0084]
实施例2
[0085]
本实施例所述的一种的海上升压站上部组块海运主动减震控制装置的结构以及控制方法与实施例1相同，需要说明的是本实施例中所述的船载支撑桩(1)有四桩，四桩共同支撑海上升压站上部组块10重量，因此，船载支撑桩1、伺服阀控液压顶2，称重传感器3，位移传感器4，双轴倾角传感器5均为四个。
[0086]
如图3所示四个伺服阀控液压顶2在运输船9的甲板上，围绕海上升压站上部组块10的几何中心点规则布局。其中，纵向伺服阀控液压顶两两间距(21～22)和(23～24)均为2m，横向伺服阀控液压顶两两间距(21～24)和(22～23)均为2n。
[0087]
如图4所示，给出了预均压调整控制器6、减振状态决策器7和柔性位移调节驱动器8三个部件之间的输入输出信号及其传递流向关系。
[0088]
在海上升压站上部组块10平稳居中放置到四个伺服阀控液压顶2(21、22、23、24)上以后，预均压调整控制器6首先依次获取四个称重传感器3的承重信号fi，(i＝1,2,3,4)，然后将各称重传感器的输出信号fi分别与理论预设值f
i0
进行比较，若第i个伺服阀控液压顶支撑力fi低于理论预设值f
i0
，则单方向提升第i个伺服阀控液压顶的推杆，直至fi》f
i0
后停止。
[0089]
需要说明的是该理论预设值f
i0
可在海上升压站上部组块10理论设计时获得。
[0090]
如若海上升压站上部组块10的几何中心与质量中心重叠，则理论上可认为，四个伺服阀控液压顶2均摊海上升压站上部组块10总质量，因此，预设值f
i0
可设定为海上升压站上部组块10总质量的0.25～0.2。
[0091]
在预均压调整控制器6调整各个推杆完毕，即四个称重传感器3的输出信号fi均不低于理论预设值f
i0
以后，四个伺服阀控液压顶2承重均衡，则设置预均压逻辑状态量信号s＝1，否则s＝0。同时记录四个伺服阀控液压顶推杆当前伸缩长度位移信号z
i0
。
[0092]
海运过程中，减振状态决策器7用于计算升压站上部组块10海运过程的横纵摇振动烈度，以决策是否要进行伺服阀控液压顶推杆的伸缩调节，其步骤包括：
[0093]
以fh的采样频率读取双轴倾角传感器5的输出，获取海上升压站横纵两个垂直方向上的实时姿态倾角信号(α,β)，再以fs的截止频率对姿态倾角信号(α,β)进行低通滤波，以消除测量高频噪声干扰，提取姿态倾角信号的低频信号(αs,βs)；
[0094]
计算海上升压站上部组块10海运过程中，四个伺服阀控液压顶2推杆顶端在横纵摇状态下，水平面动态偏离相对高度偏差：δz1＝mβ
s-nαs,δz2＝mβs nαs,δz3＝-mβs nαs,δz4＝-mβ
s-nαs；
[0095]
式中，m为海上升压站纵向两个支撑桩间距的半长，n海上升压站横向两个支撑桩间距的半长；
[0096]
获取位移传感器4实时输出的液压顶推杆伸缩长度位移信号zi，求取各伺服阀控液压顶推杆伸缩长度相对于水平面动态偏离的位移偏差：ei＝z
i-z
i0-δzi；
[0097]
计算海上升压站海运过程的减振品质动态过程函数
[0098][0099]
式中，和分别为ei的一和二阶导数，分别代表位移偏差收敛速度和加速度。c
i0
、c
i1
和c
i2
为正常数。
[0100]
将减振品质动态过程函数实时值pi一阶导数的绝对值与理论许可振动的预设值dp0进行比较，若|则设置逻辑状态量ri＝1，否则ri＝0。
[0101]
柔性位移调节驱动器8接收预均压调整控制器的逻辑状态量信号s和减振状态决策器的逻辑状态量信号ri，若s＝1且ri＝1，则获取第i个称重传感器的输出信号fi，并计算其一阶导数
[0102]
再接收减振品质动态过程函数实时值，若pi》0，则按照下式计算第i个伺服阀控液压顶的驱动控制信号ui[0103]
[0104]
若pi《0，则按照下式计算第i个伺服阀控液压顶的驱动控制信号ui[0105][0106]
式中，d
i0
、d
i1
、d
i2
、d
i3
、d
i4
和ji分别为与第i个伺服阀控液压顶机电参数相关的常数；k
i0
和k
i1
分别为正常数，其中，0.5《k
i0
《1，k
i0
和k
i1
一般选值越大，响应速度也快，但需要的液压顶功率也越大。
[0107]
以具体某伺服阀控液压顶参数为例，若液压缸有杆腔的有效作用面积为a，油液的体积弹性模量为δe，液压缸等效容积为v
t
，液压缸粘性阻尼系数为b
p
，液压缸推杆承受的总质量为m
t
，液压缸压力-流量系数为k
ce
，液压缸流量增益系数为kq，负载弹簧刚度为k，伺服阀控增益系数为k
sv
，则
[0108][0109][0110]
以fk的更新频率，间断性地将实时计算出的驱动控制信号ui接入第i个伺服阀控液压顶2的控制输入端，实现第i个推杆的按规律的减振伸缩运动。
[0111]
其中，采样频率fh、截止频率fs和更新频率fk三者之间的数值关系满足fh》fs≥fk，且分别在百、十、个位数量级附近取值。正常数c
i0
、c
i1
和c
i2
三者之间的数值关系满足c
i1ci2
》c
i0
。
[0112]
据此工作原理，在本发明的具体实施过程中，可根据具体海运海上波浪频率和具体海上升压站转动惯量的固有频率进行优选fh、fs、fk，根据具体减振运行要求的响应速度和具体伺服阀控液压顶的功率进行优选k
i0
和k
i1
，以提高推杆伸缩调整控制的工程自适应性、科学性和减振运动柔度，保证海上升压站海运过程振动满足运输要求。
[0113]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。