重型海工裝備升沉補(bǔ)償電液控制系統(tǒng)研究.pdf

1、深海拖曳系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于海底資源勘探、大功率聲納拖曳等多種領(lǐng)域，在拖曳過(guò)程中，拖體隨母船因海浪作用產(chǎn)生的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生巨幅升沉運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，鎧裝纜繩及拖體因升沉運(yùn)動(dòng)受到不規(guī)則往復(fù)的動(dòng)態(tài)負(fù)載力，拖體的性能及鎧裝纜繩的壽命受到巨大影響。對(duì)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的位移波動(dòng)和動(dòng)態(tài)負(fù)載力影響更大。升沉補(bǔ)償器可以有效的緩沖并補(bǔ)償拖體的升沉運(yùn)動(dòng)，使負(fù)載免受母船升沉運(yùn)動(dòng)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(dòng)式升沉補(bǔ)償器對(duì)拖體的位移以及纜繩的張力都有一定的補(bǔ)償效果，且不需要消耗動(dòng)力，因此應(yīng)用比較廣泛，但其補(bǔ)償精度低，存在較大的滯后且參數(shù)設(shè)計(jì)不匹配容易造成系統(tǒng)補(bǔ)償性能不穩(wěn)定;主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)可以有效的補(bǔ)償負(fù)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(dòng)復(fù)合式升沉補(bǔ)償器的研究成為主流。但目前我國(guó)升沉補(bǔ)償技術(shù)仍處于起步階段，升沉補(bǔ)償器的參數(shù)設(shè)計(jì)及電液系統(tǒng)的補(bǔ)償控制方法的研究和開發(fā)相對(duì)滯后，而國(guó)外壟斷企業(yè)均

3、將升沉補(bǔ)償器的研究成果列為重點(diǎn)保密技術(shù)。本文根據(jù)海工裝備中重型深海拖曳系統(tǒng)的負(fù)載特性及功能需求，設(shè)計(jì)一種復(fù)合式升沉補(bǔ)償電液系統(tǒng)，通過(guò)原理設(shè)計(jì)、理論建模、仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法展開研究，具體內(nèi)容如下:
　　第一章，闡述了升沉補(bǔ)償器的相關(guān)研究背景及意義，綜述了升沉補(bǔ)償器的工作原理、分類及國(guó)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(yù)測(cè)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的方面對(duì)國(guó)內(nèi)、外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，在對(duì)本課題研究對(duì)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?jī)?nèi)容。
　　第二章，研究了海工裝備在海浪中的運(yùn)動(dòng)特性，基于Matlab/Simulink軟件搭建了母船升沉運(yùn)動(dòng)模擬器，對(duì)母船在3～6級(jí)海況下升沉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真研究。采用MRU運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量?jī)x在中國(guó)南海海域?qū)δ复诓煌r下的升沉運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)況采集及分析。通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的升沉補(bǔ)償器時(shí)滯特性及所研究的深海拖曳裝備在海浪中運(yùn)動(dòng)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(cè)器及參數(shù)自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)暮?/p>

5、浪模型預(yù)測(cè)算法，通過(guò)所模擬的不同海浪下的升沉運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及實(shí)測(cè)的母船在中國(guó)南海某海域的升沉運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)所提出的預(yù)測(cè)算法進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的升沉預(yù)測(cè)算法對(duì)不同時(shí)滯及不同海況下的母船升沉運(yùn)動(dòng)可以取得很好預(yù)報(bào)效果，可以用于后續(xù)升沉補(bǔ)償控制中MRU檢測(cè)及執(zhí)行器動(dòng)態(tài)時(shí)滯的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
　　第三章，以100T級(jí)深海重型拖曳系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)深海中重型拖曳過(guò)程拖體及纜繩所受負(fù)載力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，建

6、立了負(fù)載力數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)控制算法的設(shè)計(jì)提供了理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)了100T級(jí)被動(dòng)式升沉補(bǔ)償器，建立了被動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在AMESim和Matlab/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)上對(duì)被動(dòng)式升沉升沉補(bǔ)償器進(jìn)行了仿真研究及參數(shù)優(yōu)化，對(duì)其設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，著重討論了蓄能器容積、蓄能器平均負(fù)載壓力以及升沉運(yùn)動(dòng)頻率對(duì)被動(dòng)式升沉補(bǔ)償效果的影響。對(duì)三級(jí)海況、四級(jí)海況、五級(jí)海況及六級(jí)海況等不同海況環(huán)境下被動(dòng)式升沉系統(tǒng)位移補(bǔ)償

7、及張力抑制效果進(jìn)行了仿真研究。基于對(duì)重型拖曳系統(tǒng)的負(fù)載工況分析及被動(dòng)式升沉補(bǔ)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(shè)計(jì)適用于該重型拖曳系統(tǒng)的100T級(jí)復(fù)合式升沉補(bǔ)償電液系統(tǒng)，并建立的其數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)復(fù)合式升沉補(bǔ)償電液系統(tǒng)的控制提供基礎(chǔ)。
　　第四章基于深海拖曳系統(tǒng)中拖體及纜繩張力受到的時(shí)變不規(guī)則升沉擾動(dòng)負(fù)載特性，以補(bǔ)償缸負(fù)載壓力（或纜繩張力）為控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)研究了一種適用于重型拖曳系統(tǒng)的主被動(dòng)復(fù)合式升沉張力補(bǔ)償電液控制

8、系統(tǒng)。通過(guò)建立復(fù)合式升沉張力補(bǔ)償系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合自適應(yīng)魯棒控制及積分滑模等現(xiàn)代控制理論，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)于深海拖曳系統(tǒng)恒張力補(bǔ)償控制系統(tǒng)的非線性自適應(yīng)魯棒積分滑?？刂疲ˋRISMC）方法，其中:(1)通過(guò)高階微分跟蹤器對(duì)補(bǔ)償缸負(fù)載壓力或纜繩張力在一段時(shí)間內(nèi)觀測(cè)值的平均值估計(jì)作為系統(tǒng)的控制指令（即期望壓力），引入補(bǔ)償缸的位移并經(jīng)高階微分器濾波求解各階導(dǎo)數(shù)作為壓力補(bǔ)償控制器的內(nèi)模前饋或狀態(tài)限定變量;(2)對(duì)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(yīng)控制在線更新估計(jì)，并引入積分滑模項(xiàng)抑制參數(shù)估計(jì)誤差;(3)將系統(tǒng)已建模部分作為控制輸出的前饋，通過(guò)添加非線性魯棒反饋?lái)?xiàng)提高壓力動(dòng)態(tài)補(bǔ)償精度并保證控制器系統(tǒng)鎮(zhèn)定;(4)基于反步法設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制器，將系統(tǒng)分解為兩個(gè)子系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。該控制器同時(shí)解決了重型深海拖曳系統(tǒng)系統(tǒng)張力補(bǔ)償過(guò)程中的模型非線性、參數(shù)不確定性及非線性

10、擾動(dòng)等難題。搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及海況模擬綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，基于實(shí)測(cè)的母船在中國(guó)南海海域升沉運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)及3～6級(jí)海況時(shí)母船升沉運(yùn)動(dòng)模擬軌跡，展開了本章所提算法在不同工況下的壓力補(bǔ)償效果的仿真及實(shí)驗(yàn)研究。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的ARISMC張力補(bǔ)償控制器對(duì)系統(tǒng)的模型非線性、參數(shù)不確定性及非線性擾動(dòng)特性具有較好的抑制作用，表現(xiàn)出良好的張力補(bǔ)償精度和強(qiáng)魯棒性。
　　第五章基于主被動(dòng)復(fù)合式升沉補(bǔ)償器電液系統(tǒng)的負(fù)載特性及功能需求，設(shè)計(jì)了一種基于擴(kuò)張

11、狀態(tài)的自適應(yīng)擾動(dòng)觀測(cè)器（EADOB），引入非線性級(jí)聯(lián)控制(NCC)及魯棒控制(RC)，提出基于擴(kuò)張狀態(tài)自適應(yīng)擾動(dòng)觀測(cè)器的非線性魯棒級(jí)聯(lián)控制算法（EADOB-NCRC），結(jié)合海浪升沉預(yù)測(cè)算法，研究了一種適用于主被動(dòng)復(fù)合式升沉補(bǔ)償器的基于擴(kuò)張狀態(tài)自適應(yīng)擾動(dòng)觀測(cè)器的非線性魯棒級(jí)聯(lián)預(yù)測(cè)控制算法（EADOB-NCRPC）。該方法中，EADOB在線估計(jì)補(bǔ)償參數(shù)不確定性和未知負(fù)載擾動(dòng)，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(gè)相互相獨(dú)立

12、的部分，在外環(huán)控制中引入動(dòng)態(tài)滑模項(xiàng)來(lái)抑制干擾估計(jì)誤差，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的魯棒性，預(yù)測(cè)算法(PC)用以補(bǔ)償MRU測(cè)量時(shí)延及執(zhí)行器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)滯的影響，基于back-stepping反步法設(shè)計(jì)系統(tǒng)的虛擬壓力控制量輸入及實(shí)際的控制輸出值，并基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論驗(yàn)證了本文算法應(yīng)用于復(fù)合式升沉補(bǔ)償閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的信號(hào)噪聲及微分噪聲放大問(wèn)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。基于實(shí)際復(fù)合式升沉補(bǔ)償器的參數(shù)設(shè)計(jì)并搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及海況模擬綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，基于不同負(fù)載工況下3～6級(jí)海況時(shí)母船升沉運(yùn)動(dòng)模擬曲線及實(shí)測(cè)的母船在中國(guó)南海海域的升沉運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了本文所提出的EADOB-NCRPC控制算法的良好升沉位移補(bǔ)償效果，在控制精度和魯棒性方面的優(yōu)越性。
　　第六章，對(duì)全文的研究工作內(nèi)容的進(jìn)行了總結(jié)，歸納出了本課題的研究結(jié)論及創(chuàng)新點(diǎn)，為后續(xù)相關(guān)研究提出了建議