當前，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)保持適當的下垂高度會(huì )產(chǎn)生以下問(wèn)題：

1）行進(jìn)中輸油作業(yè)一般持續時(shí)間較長(cháng)，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）反應不夠及時(shí)。

針對上述問(wèn)題，該輸油裝置在設計中采用基于PLC、扭矩傳感器、液壓伺服器件的自動(dòng)補償控制系統，控制軟管絞車(chē)自動(dòng)調節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。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(xiàn)性關(guān)系，可以用軟管張力補償來(lái)實(shí)現下垂高度的自動(dòng)補償。

一、自動(dòng)補償原理

該輸油裝置主要包括軟管絞車(chē)、液壓驅動(dòng)單元、軟管組件、控制系統四部分。輸油軟管張力自動(dòng)補償工作原理是：用扭矩傳感器檢測出軟管絞車(chē)驅動(dòng)軸承受的扭矩，間接計算出軟管承受的張力；用光電開(kāi)關(guān)組測出軟管絞車(chē)轉動(dòng)的方向和圈數，間接計算出絞車(chē)收放軟管的長(cháng)度。PLC根據預設的數據表判斷當軟管長(cháng)度為L(cháng)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

該輸油裝置張力補償試驗中發(fā)現，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，當振蕩幅度增大到   程度時(shí)，將嚴重影響輸油作業(yè)。導致軟管產(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，導致振幅越來(lái)越大，這是對自動(dòng)補償影響   大的問(wèn)題；

2）慣性影響：絞車(chē)開(kāi)始轉動(dòng)和停止轉動(dòng)瞬間，絞車(chē)驅動(dòng)軸上的扭矩出現階躍跳變；收放管動(dòng)作停止時(shí)，軟管由于慣性繼續向上／下運動(dòng)帶來(lái)振蕩。兩種情況會(huì )導致收放高度與實(shí)際需要的補償量之間出現偏差；

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)海浪對軟管的作用都會(huì )造成軟管的振蕩。

2.補償系統振蕩分析

穩定是控制系統能夠運行的   要條件，解決軟管振蕩對補償的影響問(wèn)題，實(shí)質(zhì)是自動(dòng)控制系統在輸入信號和擾動(dòng)作用下的穩態(tài)誤差。分析軟管產(chǎn)生振蕩的三類(lèi)原因可知，自動(dòng)補償控制面對的   主要，也是對補償性能影響   大的擾動(dòng)信號屬于瞬時(shí)變化的階躍函數，補償系統輸入信號為斜坡函數。將自動(dòng)補償控制系統控制結構：R(s)為輸入信號，M(s)為比例放大器控制的輸出，N(s)為擾動(dòng)信號，K1為前向通道增益。

3.振蕩解決途徑

振蕩是大多數自動(dòng)補償系統固有的問(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)補償工作可以接受的范圍內，對補償和輸油作業(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。根據前述理論方法，采取擾動(dòng)措施如下：

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

2）將補償中收管和放管動(dòng)作由連續改為步進(jìn)方式。設定絞車(chē)以恒定節奏收、放管，每個(gè)收、放管動(dòng)作持續較短時(shí)間T，收放管長(cháng)度為相同定值L；T結束時(shí)判斷軟管張力是否滿(mǎn)足要求，仍超過(guò)限定值則繼續收放管動(dòng)作直到滿(mǎn)足張力要求，實(shí)質(zhì)也是加入積分環(huán)節進(jìn)行濾波（用一階函數近似代替積分），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），不同持續時(shí)間（T1、T2）的方法減小振蕩，根據實(shí)驗結果，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)控制系統中加入積分環(huán)節在擾動(dòng)作用影響的同時(shí)也會(huì )降低系統的動(dòng)態(tài)性能和穩定性。因此需要權衡考慮系統穩定性、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)驗找到   佳的平衡點(diǎn)。

實(shí)踐結果表明，采用前述振蕩措施的控制系統能夠自動(dòng)補償輸油軟管的下垂高度，具有較高的靈敏度和反應速度，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類(lèi)似振蕩問(wèn)題的自動(dòng)控制系統提供了   的參考。