動力吸振式深海采礦主動升沉補償系統(tǒng)設(shè)計及控制研究.pdf

1、深海采礦升沉補償系統(tǒng)作為采礦船、揚礦系統(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)隨機波浪下采礦船巨幅運動對揚礦管線等水下設(shè)備的影響，是安全進行深海采礦作業(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、安裝簡便的主動升沉補償系統(tǒng)成為海洋工程的當(dāng)務(wù)之急。
　　 本文針對深海采礦升沉補償這樣一個大慣性強干擾系統(tǒng)的寬頻帶振動控制問題，以中國深海1000m多金屬結(jié)核開采中試系統(tǒng)為研究對象，探討基于動力吸振原理的深海采礦

2、系統(tǒng)主動升沉補償系統(tǒng)設(shè)計理論及控制應(yīng)用。首先選取了適合我國深海采礦區(qū)作業(yè)海況的隨機波浪譜，對隨機波浪下深海采礦船的運動響應(yīng)進行了分析，完成了升沉補償液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計，在此基礎(chǔ)上對動力吸振式深海采礦主動升沉補償系統(tǒng)進行了數(shù)學(xué)建模并對其主動控制策略進行了仿真和相關(guān)實驗研究，建立了動力吸振式深海采礦主動升沉補償系統(tǒng)設(shè)計理論和規(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.針對我國深海1000m多金屬

3、結(jié)核開采中試系統(tǒng)升沉補償性能要求，首次提出了有源主動控制動力吸振式深海采礦主動升沉補償系統(tǒng)方案，即通過主動控制動力吸振器改變大質(zhì)量主系統(tǒng)能量的分布與傳遞特性實現(xiàn)對大質(zhì)量升沉補償平臺及揚礦管線進行垂直振動控制;
　　 2.選取了適合我國深海采礦區(qū)的隨機波浪譜，并進行了時域仿真，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)上對深海采礦船在四級海況(有義波高和周期分別為2.5m和10s)和六級海況(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波浪下的運動響應(yīng)分別進行了數(shù)值仿真，得到了深海采礦船運動響應(yīng)規(guī)律，為深海采礦主動升沉補償系統(tǒng)設(shè)計提供了條件。
　　 3.通過有源主動動力吸振式深海采礦升沉補償系統(tǒng)方案可實現(xiàn)對大質(zhì)量升沉補償平臺及揚礦管線的垂直振動控制，即可充分利用動力吸振器設(shè)計靈活、安裝方便、所需控制能量小的特點，同時可避免對大質(zhì)量水下設(shè)備直接控制，即通過動力吸振器閥控缸系統(tǒng)反向吸收升沉補償平臺因海浪激勵產(chǎn)生的升沉運動，同時保證

5、動力吸振器運動在安全合理的范圍。在此基礎(chǔ)上完成了動力吸振式深海采礦主動升沉補償液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計與數(shù)學(xué)建模，為后續(xù)主動控制器設(shè)計與升沉補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)為動力吸振式深海采礦升沉補償系統(tǒng)設(shè)計了最優(yōu)控制器，并進行了升沉補償性能仿真研究。仿真結(jié)果表明針對此多輸入多輸出系統(tǒng)所設(shè)計的最優(yōu)控制升沉補償系統(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償性能，作業(yè)

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

7、器通過對海浪能量集中頻率域進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償效果，同時該控制系統(tǒng)能保證系統(tǒng)模型不確定帶來的魯棒穩(wěn)定性問題。
　　 6.搭建了動力吸振式半主動控制減振模擬實驗系統(tǒng)，對所設(shè)計的動力吸振式深海采礦升沉補償系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計、數(shù)學(xué)建模的正確性及其主動控制策略的有效性進行了MATLAB仿真、MATLAB與LabVIEW聯(lián)合仿真、模擬實驗研究。結(jié)果表明施加最優(yōu)控制后，動力吸振式雙層質(zhì)量減振系統(tǒng)

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