本实验针对船载起重机海上吊装作业时，因母船横摇、纵摇、升沉等运动而导致的起重机不稳定运行，采用主动波浪补偿技术对船载起重机运动进行补偿，实现在恶劣海况下的起重机平稳吊装。通过起重机认知、主动波浪补偿系统设计和系统探究三个阶段，学生身临其境，在接近真实的多个场景中开展船载起重机波浪补偿模拟实验，通过层层递进、环环相扣的内容设计，以及任务驱动式、容错式、自主探究式等教学方法，最大限度激发学生的学习兴趣，引导学生自主学习、自主设计、自主探索，力求实现以下教学目标：
（1）知识目标：①深刻理解船载起重机工作原理，掌握折臂式AHC起重机的构成。②掌握AHC起重机主动升沉波浪系统四大组成系统，即控制系统、检测系统、液压驱动系统和机械执行系统。③掌握主动波浪补偿液压控制系统的数学模型，能够设计PID等补偿控制算法，并确定合适的控制参数。
（2）能力目标：①培养学生对AHC起重机液压伺服驱动系统的设计能力：包括系统液压控制原理分析、液压泵、马达的参数计算、校核和选型能力。②培养学生对AHC起重机控制系统的创新开发能力：包括分析惯性测量单元（IMU）安装位置对起重机货物升沉测量的影响，根据吊机机械参数，构建坐标变换矩阵，实现正确测量货物的升沉能力；构建控制系统数学模型，针对迟滞型控制系统的控制算法的设计能力。③培养学生对AHC起重机控制参数的调试和优化自主运用能力：包括P、I、D三个控制参数的调试顺序和策略，分析不同负载和海况等级对补偿性能影响，进行参数优化设计，自主探究最佳实验方案，并模拟最佳主动波浪补偿效果能力。
（3）素质目标：①通过船载起重机主动波浪补偿系统应用案例培养学生对国家重大工程项目的了解，进而培养学生的爱国主义情怀，增强学生的民族自豪感。②培养学生全面发展和终身学习的能力，使其成为具有社会责任感和创新精神的公民。
本虚拟仿真实验包含了AHC起重机主动波浪补偿系统设计和性能仿真评估全过程，包含了实验认知模块、系统设计模块、建模与控制、性能探究四个实验模块的设计。具体实验原理是：
1）实验认知模块
采用VR技术建立AHC起重机和工作母船的三维虚拟模型（图1、图2），给实验者直观展示AHC起重机的主要组成结构部分，实验者可以通过自动播放方式学习每个组成部分的功能，也可以通过点选起重机结构组成菜单选择观看某个部件的结构和功能完成AHC起重机组成认知学习。通过VR技术建立二次元件的主动波浪补偿系统的电液控制原理回路，实验者可以通过点击“上升”、“下降”等按钮，控制波浪补偿回路的工作，直观学习主动波浪补偿电液控制回路的工作原理。通过播放AHC起重机海上吊放作业视频可以直观观察对比常规和AHC两种工作模式的工作效果。
图1 AHC起重机三维虚拟模型（正视）
图2 AHC起重机三维虚拟模型（侧视）
该系统主动式升沉补偿的基本原理是：在船舶安装运动参考单元（MRU）以检测船舶的运动信号，通过安装在绞车电机上的旋转编码器测得的重物实际速度，通过安装在钢丝绳上的张力传感器检测实际张力值，通过非接触式位移传感器检测物体的具体下放位移值，所有的检测信号传送到计算机控制系统（控制器可采用PLC或者数字控制器），控制系统运算得出反馈偏差量，并按控制算法控制绞车的收放来补偿船舶的升沉运动，进行速度、张力及位移的补偿动作，使重物以相对静止的速度、恒定的张力及指定的位移下放到水下平台，如图3所示。
图3 AHC起重机主动波浪补偿系统原理图
2）系统设计模块
本实验模块包括AHC起重机初始总体参数设置、机械参数的计算、二次传动单元的设计、液压系统的设计。根据AHC起重机主动波浪补偿系统设计流程（图4），首先进行AHC起重机的总体参数计算，根据AHC起重机主动波浪补偿系统设计参数要求，将正确参数值带入计算公式，依次进行最大加速度（vm）和最大速度（am）的计算。然后计算常规模式主绞车最高转速（n1）、AHC模式主绞车最高转速（n2）、AHC模式主绞车最高转速（n2）、主绞车最大加速度（a1）、常规模式主绞车输出转矩（M1）、AHC模式主绞车最大输出转矩（M2）。进一步计算AHC模式下二次元件最大输出转矩M3、M4以及常规模式和AHC模式下单个二次元件最大排量q1和q2。
液压系统参数设定，在AHC起重机泵站参数计算界面，用户依据给出的计算参数计算泵站最大流量Qp、高压修正后的高压蓄能器所需最小容积（V1）、考虑温差影响后的高压蓄能器及高压气瓶总体积（V2）和高压气瓶所需最小容积（V3）。
图4 AHC起重机参数设计流程
3）系统建模与控制模块
本实验模块包括控制系统框图设计、控制系统数学模型建立和PID控制器设计，如图5所示。根据AHC起重机主动波浪补偿系统工作原理和组成部分，首先进行控制系统总体设计，绘制控制系统框图。然后由比例电液比例阀、液压缸和斜盘式液压马达等主要部件的传递函数建立控制系统数学模型。最后设计基于PID控制的AHC起重机主动波浪补偿控制器。
根据主动波浪补偿系统主要组成和工作原理，建立控制系统框图和各环节传递函数。设计波浪补偿PID控制器，其控制规律如下：
式中，为控制器输出量；为给定输入值和实际输出值的偏差；、和分别为比例、积分和微分系数，是需要调整的控制参数。
波浪补偿PID控制是将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对起重机绞车进行控制，补偿母船在波浪中的运动，实现平稳吊放作业。
输入合适的PID控制参数进行阶跃响应仿真，通过观察仿真曲线，判断曲线的变化趋势，调整参数直至系统达到稳定。
图5 建模与仿真模块设计流程
4）性能评估模块
本实验模块包含控制参数调试、海况参数设置、仿真实验与优化和性能评价。首先通过阶跃响应调试初步确定控制器参数Kp、Ki和Kd。其次设置海况信息参数（波浪周期、波浪幅值）。然后通过位移曲线和误差曲线进行仿真实验，优化控制参数。最后从定量和定性两个方面评价波浪补偿效果，其中定量评价采用位置补偿精度偏差Cp作为评价指标，定性评价采用模拟动画展示补偿效果。
根据海况等级输入海浪的周期和幅值，通过观察船载起重机绞车的位移曲线和误差曲线微调控制参数。输入不同海况，探究波浪对船载起重机作业的影响，通过仿真动画定性展示主动波浪补偿效果。同时，采用位置补偿精度偏差Cp为定量评价指标，其定义如下：
式中，Sg为负载目标位置，Sa为负载实际位置，A为海浪幅值。Cp值越小，表示补偿效果越好。
图6 性能评估模块调试流程