因为浪涌产生的升沉运动会对采矿船的作业造成巨大的负面影响,所以需要升沉补偿系统来保障采矿船作业的安全性和稳定性。升沉补偿系统可分为被动式、主动式和主被动式,主被动式是主动模块和被动模块的结合。针对被动式补偿精度不高、主动式系统能耗过大的缺点,设计一套主被动升沉补偿系统,利用AMESim软件搭建2 MN主被动升沉补偿模型,并与相关试验结合,先证明建立的仿真模型是可信的,然后在不同负载、不同波浪周期、不同波浪幅值下模拟主被动升沉补偿系统主动模块能耗功率特性。结果表明:主动补偿模块功率的平均贡献比在20%左右,被动补偿模块承担约80%,体现了主被动升沉补偿系统的节能性。

为了提高船舶在海面上作业时补偿精度,采用BP神经网络PID控制方法,并对船舶升沉运动输出误差进行仿真。建立船舶主动升沉补偿系统简图,分析船舶升沉运动工作原理,给出液压缸驱动传递函数。引用BP神经网络算法,采用梯度下降法对BP神经网络加权值进行修正,通过学习速率来补偿控制系统输出误差,从而实现PID控制器参数在线调节。在受到不同负载影响状况下,采用MATLAB软件对船舶升沉运动补偿精度进行仿真,并且与PID控制补偿精度进行对比。结果表明:采用PID控制器,船舶升沉运动输出误差较大,控制系统反应速度较慢;而采用BP神经网络PID控制器,船舶升沉运动输出误差较小,控制系统反应速度较快,同时,随着负载质量的增加,输出误差就会增大。采用BP神经网络PID控制系统,响应速度快,补偿精度高,提高了船舶在海面上作业定位精度。

针对不确定性及外部干扰下主动升沉补偿系统的非线性控制问题,提出一种基于扩展干扰观测器自适应鲁棒控制器。扩展状态观测器将外部扰动扩张成新的状态变量,利用输出反馈观测扩张的状态。基于反步法构建自适应控制器,结合拓展状态观测器处理系统方程存在的建模误差、外干扰、不确定性及参数不确定性。基于滑模控制方法,设计非线性滑模反馈律,从而提高系统在外部干扰下的鲁棒性能。最后,通过李雅普诺夫函数证明整个闭环系统的稳定性。基于升沉补偿电液伺服系统进行仿真实验,结果表明:所设计控制器在存在不确定性及外部干扰的情况下具有良好的控制精度及鲁棒性。

概述了钻井升沉补偿绞车系统的技术现状，介绍了国内外补偿绞车的发展情况。对主动补偿绞车的特点和补偿原理进行了介绍，研制了一种交流变频电驱动的1000 hp主动钻井升沉补偿绞车，适用于4000 m勘察船。对补偿绞车的补偿原理、设计计算、联合仿真进行了技术分析。补偿绞车的厂内试验表明，补偿绞车的补偿速度、补偿精度达到设计要求，对海洋补偿绞车的发展起到重要指导作用。

为了减小海浪、洋流对海上起重机作业稳定性的影响,保障海上作业安全进行,并针对当前主动升沉补偿系统动作频率高、能量损失严重等问题,分析升沉运动的补偿原理及系统节能潜力,设计了一种能够对负载势能进行能量回收的节能型主动绞车升沉补偿液压驱动系统,并对能量回收系统进行了具体元件的参数设计,应用AMESim软件建立了该补偿系统的仿真模型,并对典型工况进行仿真分析,研究系统的补偿性能及补偿过程中能量回收效率。结果表明,该系统可以实现较高的补偿精度,并且节能效果明显。

该文针对深水钻井船升沉补偿绞车负载模拟系统位置控制特性进行研究介绍了模拟实验台阀控缸位置控制系统原理和结构采用理论分析的方法建立了液压控制系统的数学模型和仿真模型通过仿真分析得到了不同负载、波浪模拟幅值、波浪模拟周期条件下系统位置控制的响应特性验证了模拟系统原理与性能的有效性为该波浪补偿绞车的开发奠定了基础。

为了检验半主动式补偿绞车的控制性能与节能效果，根据相似理论研制了补偿绞车原理样机及其液压试验系统，主要包括升沉模拟液压系统、负载模拟液压系统、1：5缩尺的补偿绞车原理样机，分别实现了造波、加载、升沉补偿与自动送钻等试验功能。开发了电控系统，升沉补偿采用大钩位移闭环，自动送钻采用负载压力闭环，电机采用带速度反馈的矢量控制模式。最后通过试验模拟了补偿绞车原理样机的升沉补偿过程、自动送钻过程以及二者的联动过程，测试了补偿绞车的控制性能及液压蓄能节能效果。试验结果表明：补偿绞车的控制效果良好，半主动补偿方式相对于主动补偿方式有明显的节能效果。

以“畅通轮”尾端打捞为例，提出了沉船同步提升液压升沉补偿试验平台的结构，搭建了模拟沉船同步提升升沉补偿试验平台；针对其中的二自由度升沉补偿平台，对其进行了运动学反解，搭建了基于运动学控制的Simulink模型；结合阀控缸伺服控制系统实现了二自由度平台对波浪运动的模拟，并搭建了整个运动控制及升沉补偿控制系统的模型；通过ADAMS与MATLAB的联合仿真，验证了该二自由度平台升沉补偿控制系统的运动控制能力和动态响应能力，并对比补偿前后的升沉平台位移，证明了该系统良好的补偿特性。

针对大吨位波浪补偿系统响应滞后导致的位置补偿不足的问题,提出船舶起重机半主动升沉补偿系统补偿控制方法,即当系统工作于半主动升沉补偿工况时,采用多状态反馈的复合控制方法实现对负载升沉运动的高精度补偿,建立复合液压缸、活塞蓄能器、比例阀组成的补偿控制系统数学模型,并考虑速度、加速度反馈和船舶升沉速度前馈,进行仿真与实验分析,得到不同负载、运动幅值、运动周期条件下系统位置补偿控制的响应特性,验证了船舶起重机半主动升沉补偿控制方法的有效性。

为了保障海洋钻井天车升沉补偿系统正常工作遇到钻井事故时保证人员和设备的安全根据系统工作原理设计了隔离阀的液压系统原理图搭建AMESim仿真模型进行动态特性分析和结构参数优化。结果表明：设计的液压系统具有自动关闭、手动关闭、保持常开和复位的功能满足实际工况的需求;通过NLPQL算法进行结构参数优化优化后隔离阀响应时间缩短发生钻井事故时天车速度明显降低性能显著提高;隔离阀关闭过程中无压力冲击现象系统运行平稳。