重型海工裝備升沉補償電液控制系統(tǒng)研究.pdf

1、深海拖曳系統(tǒng)被廣泛應用于海底資源勘探、大功率聲納拖曳等多種領域，在拖曳過程中，拖體隨母船因海浪作用產(chǎn)生的不規(guī)則運動而產(chǎn)生巨幅升沉運動，同時，鎧裝纜繩及拖體因升沉運動受到不規(guī)則往復的動態(tài)負載力，拖體的性能及鎧裝纜繩的壽命受到巨大影響。對于重型拖曳系統(tǒng)，由于拖體重量及纜繩自重較大，拖曳方向幾乎平行于母船升沉方向，受升沉運動產(chǎn)生的位移波動和動態(tài)負載力影響更大。升沉補償器可以有效的緩沖并補償拖體的升沉運動，使負載免受母船升沉運動的影響，是保證深

2、海拖曳系統(tǒng)正常工作的必要措施。被動式升沉補償器對拖體的位移以及纜繩的張力都有一定的補償效果，且不需要消耗動力，因此應用比較廣泛，但其補償精度低，存在較大的滯后且參數(shù)設計不匹配容易造成系統(tǒng)補償性能不穩(wěn)定;主動升沉補償系統(tǒng)可以有效的補償負載位移或張力，但能耗大，并不適用于重型拖曳系統(tǒng)，主被動復合式升沉補償器的研究成為主流。但目前我國升沉補償技術仍處于起步階段，升沉補償器的參數(shù)設計及電液系統(tǒng)的補償控制方法的研究和開發(fā)相對滯后，而國外壟斷企業(yè)均

3、將升沉補償器的研究成果列為重點保密技術。本文根據(jù)海工裝備中重型深海拖曳系統(tǒng)的負載特性及功能需求，設計一種復合式升沉補償電液系統(tǒng)，通過原理設計、理論建模、仿真分析和實驗研究相結合的方法展開研究，具體內(nèi)容如下:
　　第一章，闡述了升沉補償器的相關研究背景及意義，綜述了升沉補償器的工作原理、分類及國內(nèi)外發(fā)展概述。從電液伺服系統(tǒng)位移控制及壓力控制策略、海浪預測技術等關鍵技術的方面對國內(nèi)、外研究現(xiàn)狀進行了綜述，在對本課題研究對象的必要性及創(chuàng)

4、新性綜合分析后確定了本課題的主要研究內(nèi)容。
　　第二章，研究了海工裝備在海浪中的運動特性，基于Matlab/Simulink軟件搭建了母船升沉運動模擬器，對母船在3～6級海況下升沉運動進行了仿真研究。采用MRU運動姿態(tài)測量儀在中國南海海域?qū)δ复诓煌r下的升沉運動數(shù)據(jù)進行了實況采集及分析。通過對所設計的升沉補償器時滯特性及所研究的深海拖曳裝備在海浪中運動特性的分析，提出一種基于快速傅立葉變換、自抗擾狀態(tài)觀測器及參數(shù)自適應補償?shù)暮?/p>

5、浪模型預測算法，通過所模擬的不同海浪下的升沉運動姿態(tài)及實測的母船在中國南海某海域的升沉運動數(shù)據(jù)對所提出的預測算法進行仿真和實驗研究。實驗結果表明，所提出的升沉預測算法對不同時滯及不同海況下的母船升沉運動可以取得很好預報效果，可以用于后續(xù)升沉補償控制中MRU檢測及執(zhí)行器動態(tài)時滯的實時動態(tài)補償。
　　第三章，以100T級深海重型拖曳系統(tǒng)為研究對象，對深海中重型拖曳過程拖體及纜繩所受負載力特性進行了實驗研究，在對實驗數(shù)據(jù)分析的基礎上，建

6、立了負載力數(shù)學模型，為后續(xù)控制算法的設計提供了理論及實驗基礎。設計了100T級被動式升沉補償器，建立了被動式升沉補償系統(tǒng)的數(shù)學模型，在AMESim和Matlab/Simulink聯(lián)合仿真平臺上對被動式升沉升沉補償器進行了仿真研究及參數(shù)優(yōu)化，對其設計理論及設計參數(shù)進行了仿真分析，著重討論了蓄能器容積、蓄能器平均負載壓力以及升沉運動頻率對被動式升沉補償效果的影響。對三級海況、四級海況、五級海況及六級海況等不同海況環(huán)境下被動式升沉系統(tǒng)位移補償

7、及張力抑制效果進行了仿真研究?；趯χ匦屯弦废到y(tǒng)的負載工況分析及被動式升沉補償器特性的研究，根據(jù)深海拖曳系統(tǒng)的功能模式需求，設計適用于該重型拖曳系統(tǒng)的100T級復合式升沉補償電液系統(tǒng)，并建立的其數(shù)學模型，為后續(xù)復合式升沉補償電液系統(tǒng)的控制提供基礎。
　　第四章基于深海拖曳系統(tǒng)中拖體及纜繩張力受到的時變不規(guī)則升沉擾動負載特性，以補償缸負載壓力（或纜繩張力）為控制目標，設計研究了一種適用于重型拖曳系統(tǒng)的主被動復合式升沉張力補償電液控制

8、系統(tǒng)。通過建立復合式升沉張力補償系統(tǒng)的非線性動力學模型，結合自適應魯棒控制及積分滑模等現(xiàn)代控制理論，設計了一種適應于深海拖曳系統(tǒng)恒張力補償控制系統(tǒng)的非線性自適應魯棒積分滑模控制（ARISMC）方法，其中:(1)通過高階微分跟蹤器對補償缸負載壓力或纜繩張力在一段時間內(nèi)觀測值的平均值估計作為系統(tǒng)的控制指令（即期望壓力），引入補償缸的位移并經(jīng)高階微分器濾波求解各階導數(shù)作為壓力補償控制器的內(nèi)模前饋或狀態(tài)限定變量;(2)對液壓油等效彈性模量、伺服

9、閥流量系數(shù)、液壓缸泄漏系數(shù)等參數(shù)采用參數(shù)自適應控制在線更新估計，并引入積分滑模項抑制參數(shù)估計誤差;(3)將系統(tǒng)已建模部分作為控制輸出的前饋，通過添加非線性魯棒反饋項提高壓力動態(tài)補償精度并保證控制器系統(tǒng)鎮(zhèn)定;(4)基于反步法設計系統(tǒng)的控制器，將系統(tǒng)分解為兩個子系統(tǒng)，分別設計各子系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)和虛擬控制變量，以使系統(tǒng)鎮(zhèn)定并完成系統(tǒng)控制律的設計。該控制器同時解決了重型深海拖曳系統(tǒng)系統(tǒng)張力補償過程中的模型非線性、參數(shù)不確定性及非線性

10、擾動等難題。搭建了實驗樣機及海況模擬綜合實驗臺，基于實測的母船在中國南海海域升沉運動數(shù)據(jù)及3～6級海況時母船升沉運動模擬軌跡，展開了本章所提算法在不同工況下的壓力補償效果的仿真及實驗研究。仿真及實驗結果表明，本文提出的ARISMC張力補償控制器對系統(tǒng)的模型非線性、參數(shù)不確定性及非線性擾動特性具有較好的抑制作用，表現(xiàn)出良好的張力補償精度和強魯棒性。
　　第五章基于主被動復合式升沉補償器電液系統(tǒng)的負載特性及功能需求，設計了一種基于擴張

11、狀態(tài)的自適應擾動觀測器（EADOB），引入非線性級聯(lián)控制(NCC)及魯棒控制(RC)，提出基于擴張狀態(tài)自適應擾動觀測器的非線性魯棒級聯(lián)控制算法（EADOB-NCRC），結合海浪升沉預測算法，研究了一種適用于主被動復合式升沉補償器的基于擴張狀態(tài)自適應擾動觀測器的非線性魯棒級聯(lián)預測控制算法（EADOB-NCRPC）。該方法中，EADOB在線估計補償參數(shù)不確定性和未知負載擾動，NCRC將控制系統(tǒng)分為外環(huán)位移控制器和內(nèi)環(huán)壓力控制器兩個相互相獨立

12、的部分，在外環(huán)控制中引入動態(tài)滑模項來抑制干擾估計誤差，進一步提高系統(tǒng)的魯棒性，預測算法(PC)用以補償MRU測量時延及執(zhí)行器動態(tài)響應時滯的影響，基于back-stepping反步法設計系統(tǒng)的虛擬壓力控制量輸入及實際的控制輸出值，并基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論驗證了本文算法應用于復合式升沉補償閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對實驗中存在的信號噪聲及微分噪聲放大問題，研究了一種基于4階線性系統(tǒng)的跟蹤微分濾波器(HTDF)，有效了消除了噪聲并求解出控制算法所

13、需期望軌跡的各階微分值?；趯嶋H復合式升沉補償器的參數(shù)設計并搭建了實驗樣機及海況模擬綜合實驗臺，基于不同負載工況下3～6級海況時母船升沉運動模擬曲線及實測的母船在中國南海海域的升沉運動數(shù)據(jù)進行了仿真和實驗研究。仿真及實驗結果說明了本文所提出的EADOB-NCRPC控制算法的良好升沉位移補償效果，在控制精度和魯棒性方面的優(yōu)越性。
　　第六章，對全文的研究工作內(nèi)容的進行了總結，歸納出了本課題的研究結論及創(chuàng)新點，為后續(xù)相關研究提出了建議