水下拖曳升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)及其控制研究.pdf

1、水下拖曳系統(tǒng)在海洋學(xué)研究、海底資源開發(fā)、海洋打撈救助以及水下目標(biāo)探測等方面具有廣泛的應(yīng)用，一般由拖體、拖纜和收放拖曳裝置組成。系統(tǒng)在海洋中拖曳作業(yè)時，拖船在海面的升沉運(yùn)動引起拖體深度和拖纜張力的變化，并隨著海況的惡化而加劇。較高海況下拖船的劇烈運(yùn)動不僅影響拖體中傳感器的正常工作，而且給拖體和拖纜的安全造成很大威脅。為保證水下拖曳系統(tǒng)在惡劣海況下能夠正常進(jìn)行拖曳作業(yè)，其必須具備升沉補(bǔ)償功能。當(dāng)前國內(nèi)對拖曳升沉補(bǔ)償?shù)难芯炕咎幱诳瞻?，因此?/p>

2、文對其進(jìn)行的研究工作具有重要意義。
　　 針對以上問題，論文以一種重型拖曳系統(tǒng)作為研究對象，補(bǔ)償拖船升沉運(yùn)動對拖體深度的影響作為研究目標(biāo)，通過理論分析、建模仿真和試驗研究，掌握拖曳升沉補(bǔ)償系統(tǒng)被控對象的基本特性，研究適合于拖曳升沉系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)和控制策略，為具有拖曳升沉補(bǔ)償?shù)乃峦弦废到y(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供設(shè)計依據(jù)，具有重要的學(xué)術(shù)價值和工程應(yīng)用前景。
　　 論文各章內(nèi)容分述如下：
　　 第一章概述了水下拖曳系統(tǒng)，介紹了

3、拖曳升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的工作原理和分類，回顧和綜述了拖曳升沉補(bǔ)償及其相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，最后，提出了本論文的研究意義和主要研究內(nèi)容。
　　 第二章設(shè)計了拖曳升沉補(bǔ)償系統(tǒng)收放裝置的液壓系統(tǒng)，分別采用比例方向閥和電磁換向閥控制收放架的水平運(yùn)動和變幅運(yùn)動，開式容積調(diào)速回路控制拖纜絞車轉(zhuǎn)動實現(xiàn)拖體的收放操作，提出了基于前饋補(bǔ)償?shù)暮銖埩ν绞辗趴刂撇呗浴ｊ懮虾秃Ｉ显囼炑芯勘砻?，設(shè)計的收放裝置液壓系統(tǒng)和提出的同步控制策略性能優(yōu)異，取得了滿意的效果

4、。
　　 第三章分別提出了被動拖曳升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)回路，基于進(jìn)油、回油節(jié)流切換控制的單馬達(dá)驅(qū)動主動拖曳升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)回路和集成被動補(bǔ)償、主動補(bǔ)償?shù)碾p馬達(dá)驅(qū)動半主動拖曳升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)回路，并結(jié)合拖纜、拖體的簡化模型建立了液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，建立了主動拖曳升沉補(bǔ)償液壓系統(tǒng)的試驗裝置并進(jìn)行了試驗。建模分析表明，被動系統(tǒng)補(bǔ)償能力有限；主動系統(tǒng)設(shè)計靈活，具有更好的補(bǔ)償性能；半主動系統(tǒng)不僅設(shè)計靈活，補(bǔ)償性能好，而且動力消耗小，安全可靠；試

5、驗研究表明，主動系統(tǒng)響應(yīng)快，調(diào)速性能好。
　　 第四章建立了垂直面內(nèi)拖曳升沉補(bǔ)償系統(tǒng)被控對象——拖纜和拖體的水動力數(shù)學(xué)模型及其初始，邊界條件，其中拖纜動力學(xué)模型基于Ablow&schechter模型，拖體采用水下運(yùn)載體六自由度方程的簡化形式模擬；應(yīng)用攝動理論求解了數(shù)學(xué)模型在其平衡位置附近的近似解析解，運(yùn)用有限差分法離散數(shù)學(xué)模型偏微分方程組，采用牛頓迭代法計算了拖纜上各計算節(jié)點(diǎn)的張力和拖體深度的變化；最后，利用數(shù)值計算結(jié)果對系統(tǒng)被

6、控對象的輸入輸出參數(shù)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析。近似解析解分析和數(shù)值計算結(jié)果表明，拖曳升沉補(bǔ)償系統(tǒng)較短的拖纜釋放長度使拖纜張力變化不會與拖船升沉運(yùn)動干擾信號產(chǎn)生共振，變化范圍有限；輸入輸出參數(shù)化數(shù)學(xué)模型分析表明，拖體深度與拖船升沉運(yùn)動位移、拖纜絞車收放運(yùn)動位移之間的關(guān)系是一個隨著拖船航速變化的時變非線性函數(shù)。
　　 第五章提出了拖曳升沉補(bǔ)償控制系統(tǒng)總體方案，它具有內(nèi)層位置伺服控制子系統(tǒng)和外層深度升沉補(bǔ)償控制子系統(tǒng)雙層結(jié)構(gòu)，其中，內(nèi)層子

7、系統(tǒng)在時變拖纜張力扭矩干擾下實現(xiàn)對目標(biāo)位移的快速、無靜差跟蹤；外層子系統(tǒng)確定拖纜絞車運(yùn)動目標(biāo)位移以補(bǔ)償拖體深度變化。分別設(shè)計了采用內(nèi)?？刂撇呗缘膬?nèi)層子系統(tǒng)控制器和基于緊格式線性化非參數(shù)模型自適應(yīng)控制理論的外層子系統(tǒng)控制器，并分別對內(nèi)層子系統(tǒng)、外層子系統(tǒng)和拖曳升沉補(bǔ)償控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真表明，內(nèi)層位置伺服控制器抗干擾能力強(qiáng)，魯棒性好，對系統(tǒng)模型要求低和參數(shù)整定方便；外層升沉補(bǔ)償控制器設(shè)計簡單，對具有時變非線性特性的控制對象具有較高的補(bǔ)