動(dòng)力吸振式深海采礦主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制研究.pdf

1、深海采礦升沉補(bǔ)償系統(tǒng)作為采礦船、揚(yáng)礦系統(tǒng)及其布放系統(tǒng)的重要接口設(shè)施，能夠有效隔離深海采礦作業(yè)區(qū)隨機(jī)波浪下采礦船巨幅運(yùn)動(dòng)對(duì)揚(yáng)礦管線等水下設(shè)備的影響，是安全進(jìn)行深海采礦作業(yè)必不可少的關(guān)鍵裝備之一。因此開發(fā)占用空間小、能耗低、安裝簡(jiǎn)便的主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)成為海洋工程的當(dāng)務(wù)之急。
　　 本文針對(duì)深海采礦升沉補(bǔ)償這樣一個(gè)大慣性強(qiáng)干擾系統(tǒng)的寬頻帶振動(dòng)控制問(wèn)題，以中國(guó)深海1000m多金屬結(jié)核開采中試系統(tǒng)為研究對(duì)象，探討基于動(dòng)力吸振原理的深海采礦

2、系統(tǒng)主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論及控制應(yīng)用。首先選取了適合我國(guó)深海采礦區(qū)作業(yè)海況的隨機(jī)波浪譜，對(duì)隨機(jī)波浪下深海采礦船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析，完成了升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)力吸振式深海采礦主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模并對(duì)其主動(dòng)控制策略進(jìn)行了仿真和相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，建立了動(dòng)力吸振式深海采礦主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和規(guī)范，形成了高效可靠的控制策略。
　　 論文的主要研究成果如下:
　　 1.針對(duì)我國(guó)深海1000m多金屬

3、結(jié)核開采中試系統(tǒng)升沉補(bǔ)償性能要求，首次提出了有源主動(dòng)控制動(dòng)力吸振式深海采礦主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)方案，即通過(guò)主動(dòng)控制動(dòng)力吸振器改變大質(zhì)量主系統(tǒng)能量的分布與傳遞特性實(shí)現(xiàn)對(duì)大質(zhì)量升沉補(bǔ)償平臺(tái)及揚(yáng)礦管線進(jìn)行垂直振動(dòng)控制;
　　 2.選取了適合我國(guó)深海采礦區(qū)的隨機(jī)波浪譜，并進(jìn)行了時(shí)域仿真，確定了深海采礦船等效靜水回復(fù)剛度系數(shù)和水阻尼系數(shù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)深海采礦船在四級(jí)海況(有義波高和周期分別為2.5m和10s)和六級(jí)海況(有義波高和周期分別為6

4、m和8.8s)的典型正弦波浪和隨機(jī)波浪下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分別進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到了深海采礦船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，為深海采礦主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了條件。
　　 3.通過(guò)有源主動(dòng)動(dòng)力吸振式深海采礦升沉補(bǔ)償系統(tǒng)方案可實(shí)現(xiàn)對(duì)大質(zhì)量升沉補(bǔ)償平臺(tái)及揚(yáng)礦管線的垂直振動(dòng)控制，即可充分利用動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)靈活、安裝方便、所需控制能量小的特點(diǎn)，同時(shí)可避免對(duì)大質(zhì)量水下設(shè)備直接控制，即通過(guò)動(dòng)力吸振器閥控缸系統(tǒng)反向吸收升沉補(bǔ)償平臺(tái)因海浪激勵(lì)產(chǎn)生的升沉運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證

5、動(dòng)力吸振器運(yùn)動(dòng)在安全合理的范圍。在此基礎(chǔ)上完成了動(dòng)力吸振式深海采礦主動(dòng)升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)建模，為后續(xù)主動(dòng)控制器設(shè)計(jì)與升沉補(bǔ)償性能分析提供了基礎(chǔ)。
　　 4.綜合考慮系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)和控制能量因素，基于二次型最優(yōu)技術(shù)為動(dòng)力吸振式深海采礦升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)了最優(yōu)控制器，并進(jìn)行了升沉補(bǔ)償性能仿真研究。仿真結(jié)果表明針對(duì)此多輸入多輸出系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的最優(yōu)控制升沉補(bǔ)償系統(tǒng)在海浪振幅和頻率變化等外部干擾作用下仍能保證較好的升沉補(bǔ)償性能，作業(yè)

6、海況下升沉補(bǔ)償效果達(dá)到80％以上，同時(shí)動(dòng)力吸振器運(yùn)動(dòng)在合理的位移范圍，所設(shè)計(jì)的最優(yōu)控制主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)能更有效的隔離正弦波浪激勵(lì)下采礦船運(yùn)動(dòng)引起的揚(yáng)礦管線及其升沉平臺(tái)的垂直運(yùn)動(dòng)，滿足我國(guó)深海1000m多金屬結(jié)核開采中試系統(tǒng)升沉補(bǔ)償性能要求。
　　 5.針對(duì)深海采礦區(qū)海浪能量集中頻率范圍升沉補(bǔ)償系統(tǒng)控制性能要求，應(yīng)用H∞控制方法的回路整形技術(shù)為所建立的動(dòng)力吸振式深海采礦升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)了H∞魯棒控制器。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的H∞控制

7、器通過(guò)對(duì)海浪能量集中頻率域進(jìn)行輸出反饋與控制能量加權(quán)控制，能有效改善海浪能量集中頻率范圍的升沉補(bǔ)償效果，同時(shí)該控制系統(tǒng)能保證系統(tǒng)模型不確定帶來(lái)的魯棒穩(wěn)定性問(wèn)題。
　　 6.搭建了動(dòng)力吸振式半主動(dòng)控制減振模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)所設(shè)計(jì)的動(dòng)力吸振式深海采礦升沉補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)建模的正確性及其主動(dòng)控制策略的有效性進(jìn)行了MATLAB仿真、MATLAB與LabVIEW聯(lián)合仿真、模擬實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明施加最優(yōu)控制后，動(dòng)力吸振式雙層質(zhì)量減振系統(tǒng)

8、振動(dòng)減少80％左右，驗(yàn)證了動(dòng)力吸振式半主動(dòng)控制減振系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)建模的正確性及其半主動(dòng)最優(yōu)控制算法的有效性，從而間接論證了本文所提出的動(dòng)力吸振式深海采礦主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)建模理論及其主動(dòng)控制策略的有效性。
　　 本文的研究為高效低耗主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新思路，基于動(dòng)力吸振原理的深海采礦主動(dòng)升沉補(bǔ)償設(shè)計(jì)理論與控制策略的研究可為我國(guó)深海資源開采系統(tǒng)中主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的研究開發(fā)和性能改善提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)參考