用于电动绞车的主动升沉补偿系统的动态响应优化

《Ocean Engineering》：Dynamic response optimisation of active heave compensation systems for electrical winches

针对风浪扰动和非线性系统导致的AHC响应延迟及死区问题，提出EKF与AMPC协同控制策略，通过实时状态估计和动态参数优化实现补偿效果提升7.6%-11.9%，验证了其在复杂海况下的有效性。

　　本文主要探讨了在深海风浪涌扰动环境下，电气绞车主动垂向补偿（AHC）系统所面临的挑战，并提出了一种结合扩展卡尔曼滤波（EKF）与自适应模型预测控制（AMPC）的协同控制策略，以解决系统响应延迟和非线性死区补偿的问题。该研究聚焦于负载位移与动态补偿参数之间的非线性流体-固体耦合效应，旨在提升系统在复杂海况下的控制精度与稳定性。

在深海作业中，风浪涌扰动对船舶的垂向运动产生显著影响，进而导致负载位移与船舶运动之间出现相位滞后。这种滞后现象不仅影响了AHC系统的响应速度，还可能造成缆绳张力超出极限，甚至引发断裂故障。因此，为了提高AHC系统的性能，必须考虑负载位移与动态补偿参数之间的非线性耦合特性，以及如何通过控制策略来应对这些复杂因素。

传统AHC方法在应对高负载和深海作业时存在明显的局限性，主要表现在补偿精度不足和响应延迟较高。这使得系统在面对非线性、随机性和时变参数时，难以维持稳定的控制效果。为此，本文提出了一种基于EKF和AMPC的协同控制策略，通过实时估计系统状态和关键参数，结合在线参数识别与滚动优化，实现了对非线性死区效应的有效补偿。这种策略不仅提升了系统的动态响应能力，还确保了在指定状态下负载的高精度姿态控制。

在实际工程应用中，AHC系统的执行机构往往存在输入饱和和死区非线性的问题，这会导致控制动态出现时间延迟，并加剧模型偏差，最终影响整体补偿效果。为此，本文提出了一种基于EKF-AMPC的协同控制框架，该框架通过EKF实时估计电机状态，并利用绞车驱动力来纠正VFD的死区效应。同时，结合AMPC的预测算法，实现对船舶运动的前馈控制，从而达到绞车-负载耦合系统的动态解耦。该策略的目标是提高系统在响应不及时情况下的非线性特性，减少响应延迟，并确保负载在复杂海况下实现高精度姿态稳定控制。

在研究过程中，实验结果表明，基于EKF-AMPC的AHC系统在2至6级海况下的补偿效果比传统PID控制高出7.613%至11.898%。这一结果验证了所提出的协同控制策略的有效性和实际可行性。此外，本文还讨论了AHC系统在不同海况下的表现，以及如何通过优化算法来提升系统的动态响应能力和补偿精度。

在AHC系统的设计与实现中，考虑了多种因素，包括负载位移的动态特性、船舶运动的预测能力以及执行机构的非线性影响。这些因素相互作用，决定了系统在复杂海况下的整体性能。因此，为了提升AHC系统的适应性，必须采用一种能够实时估计和自适应控制的策略，以应对死区非线性效应和系统响应延迟的问题。

本文还探讨了在不同类型的AHC系统中，如液压和电气绞车，各自的优缺点。液压系统在深海和高负载环境下具有较高的功率密度和抗冲击能力，但其响应延迟和流体泄漏问题限制了其应用。相比之下，电气绞车具有较高的能量效率和快速响应能力，但其在非线性耦合特性方面的系统建模和解耦控制研究仍较为薄弱。因此，本文提出的协同控制策略在电气绞车中具有更广泛的应用前景。

此外，本文还分析了在AHC系统中，如何通过预测算法来优化系统参数，并提升补偿效果。传统的预测算法在稳态条件下能够有效减少定位误差，但在面对复杂的动态特性，如时变负载、非线性死区效应和参数扰动时，其性能受到一定限制。因此，本文提出了一种基于AMPC的预测算法，通过动态融合模型和在线参数更新，实现了更准确的预测和补偿效果。

在实际应用中，本文还讨论了如何通过实验验证所提出的协同控制策略的有效性。实验结果表明，该策略在深海环境下能够显著提升AHC系统的补偿效果，同时减少响应延迟，确保负载在复杂海况下实现高精度姿态控制。此外，本文还探讨了在不同海况下的AHC系统表现，并提出了相应的优化措施，以提高系统的适应性和稳定性。

本文的研究成果对于提升深海作业中AHC系统的性能具有重要意义。通过结合EKF和AMPC的协同控制策略，不仅能够有效应对风浪涌扰动和系统非线性问题，还能够提升系统的动态响应能力和补偿精度。这些成果为未来的深海AHC系统设计提供了理论依据和技术支持，有助于推动相关技术在海洋工程领域的应用和发展。

综上所述，本文提出了一种基于EKF和AMPC的协同控制策略，以解决深海环境下AHC系统的响应延迟和非线性死区问题。该策略通过实时估计系统状态和关键参数，结合在线参数识别与滚动优化，实现了对负载位移和动态补偿参数之间的非线性耦合效应的有效控制。实验结果表明，该策略在提升补偿效果和减少响应延迟方面具有显著优势，验证了其有效性和实际可行性。这些研究为深海作业中AHC系统的优化提供了新的思路和技术支持，有助于推动相关技术在海洋工程领域的进一步应用和发展。