长期以来，高校实验室一直是培育优秀创新人才的载体和核心基地[1]。对于理工学科而言，实验教学也是将所学知识和实际问题相结合的重要途径[2]。轮机工程涉及机、电、液、光等多个学科，具有显著的学科交叉性和复杂性，与快速发展的海洋工程现状相比，现有的实验设施尚不能满足高水平创新人才的培养要求。因此，让该专业学生接触海洋工程装备前沿领域，促使其结合所掌握的基本控制理论，进行相关实践教学势在必行。
本文旨在设计三种与轮机工程前沿技术——主动升沉补偿有关的实验：在线波浪预报实验，钢丝绳动态伸长量状态观测实验，主动升沉补偿综合实验。通过进行该三种实验，可以使学生接触到轮机工程的科研前沿，有助于启迪其创新思维，提高其综合应用知识的能力以及掌握相关领域的基本研究方法。
一、背景知识
对起重机母船所受的升沉干扰运动进行补偿，用以保证吊装作业在升沉方向上平稳可靠进行的运动补偿系统，称为升沉补偿系统（Heave Compensation）。总的来说，现存在两种升沉补偿方法，即被动升沉补偿（Pas⁃sive Heave Compensation, PHC）以及主动升沉补偿（Ac⁃tive Heave Compensation, AHC）[3-4]。主动升沉补偿系统主要由执行机构、惯导、控制器及动力源组成。控制器用于接收惯导所测得的母船实时姿态数据，并利用这些数据结合相关算法预报出负载下一时刻的升沉位移，继而执行元件输出一个与该升沉位移等大反向的运动，消除波浪对负载升沉方向上的运动干扰，从而完成补偿任务。主动型升沉补偿系统补偿精度高、适应性好，且可以结合复杂的控制策略进行防晃、入水同步等多方面的控制，大大提高了补偿效果。二次调节技术是指在恒压网络中通过调节二次单元（液压马达/液压泵）的斜盘倾角来改变二次单元的排量，以适应负载的变化，从而使负载按设定的规律变化的一种液压技术。利用该技术，可以使二次单元工作在“液压马达”工况或者“液压泵”工况。当二次单元工作在“液压马达”工况时，由于进出口压力恒定，因此二次单元的输出转矩便与其排量成正比；当二次单元工作在“液压泵”工况时，在负载拖动下，二次单元反转，液压油便回流到液压网络，由高压蓄能器回收，实现能量存储。采用二次调节技术能够有效降低主动升沉补偿的能耗。
本文将基于二次调节的主动升沉补偿技术引入轮机工程实验教学，设计了在线波浪预报实验，钢丝绳动态伸长量状态观测实验以及主动升沉补偿综合实验。学生在进行实验之前必须查阅相关资料文献，掌握一定的主动升沉补偿知识；然后进行模型的搭建与仿真，在理论上证实可行之后方可在实验台上操作验证，最后撰写实验报告。此三种实验有益于培养学生的科研思维、资料检索能力、自主学习能力和创新能力。
二、主动升沉补偿实验平台
利用二次调节技术，我校搭建了以二次单元为核心部件的主动升沉补偿实验平台。该平台主要硬件包括：二次单元（即液压马达/泵）及二次单元控制器（HNC）、六自由度转台、工控机、EtherCAT 耦合器和 IO 接线端子、编码器、温度传感器、销轴力传感器和液位传感器等。图1为系统硬件架构及其连接方式的示意图。
工控机作为系统的控制中心，安装有TwinCAT、Mat⁃lab、Simulink 等自动控制常用软件,且搭载有 TwinCATTE1400 代码编译器，在对 Simulink 程序稍作修改之后，该软件模块可将程序转化为控制软件—TwinCAT 所能够识别的代码，降低了学生对编程能力的要求。
图2为华中科技大学波浪补偿实验室所研制的主动升沉补偿实验平台，图3为二次单元。
实验台操作面板（图 4）可完成泵的启停、工作模式切换及对二次单元的手动操作。
实验装置工作原理大致如下：工控机将运动指令发送给嵌入式控制器，随后嵌入式控制器控制六自由度转台，使之模拟因波浪运动而引起的舰船在六个自由度上的运动。
在手动模式下，可通过安装在实验台上的手柄直接控制二次单元正反转，由此控制负载的上升与下降。在主动升沉补偿模式（AHC模式）下，安装在六自由度转台中的下位机会将六自由度转台当前运动姿态发送给工控机，而工控机便会通过AR模型[5]在线预报六自由度转台升沉方向上的位移，利用该信息计算出负载下一时刻的升沉位移。随后 HNC 控制器控制二次单元的伺服阀，改变二次单元的液压缸活塞位移，从而改变二次单元排量，驱动绞车正反转，消除六自由度转台运动对负载的干扰，以达到主动升沉补偿的目的（图5）。