水下拖曳升沉補償液壓系統(tǒng)及其控制研究.pdf

1、水下拖曳系統(tǒng)在海洋學研究、海底資源開發(fā)、海洋打撈救助以及水下目標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行拖曳作業(yè)，其必須具備升沉補償功能。當前國內(nèi)對拖曳升沉補償?shù)难芯炕咎幱诳瞻?，因此?/p>

2、文對其進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，補償拖船升沉運動對拖體深度的影響作為研究目標，通過理論分析、建模仿真和試驗研究，掌握拖曳升沉補償系統(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、拖曳升沉補償系統(tǒng)的工作原理和分類，回顧和綜述了拖曳升沉補償及其相關(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動和變幅運動，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，提出了基于前饋補償?shù)暮銖埩ν绞辗趴刂撇呗?。陸上和海上試驗研究表明，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償液壓系統(tǒng)回路，基于進油、回油節(jié)流切換控制的單馬達驅(qū)動主動拖曳升沉補償液壓系統(tǒng)回路和集成被動補償、主動補償?shù)碾p馬達驅(qū)動半主動拖曳升沉補償液壓系統(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)學模型，建立了主動拖曳升沉補償液壓系統(tǒng)的試驗裝置并進行了試驗。建模分析表明，被動系統(tǒng)補償能力有限；主動系統(tǒng)設(shè)計靈活，具有更好的補償性能；半主動系統(tǒng)不僅設(shè)計靈活，補償性能好，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)拖曳升沉補償系統(tǒng)被控對象——拖纜和拖體的水動力數(shù)學模型及其初始，邊界條件，其中拖纜動力學模型基于Ablow&schechter模型，拖體采用水下運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)學模型在其平衡位置附近的近似解析解，運用有限差分法離散數(shù)學模型偏微分方程組，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)學模型進行了分析。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)學模型分析表明，拖體深度與拖船升沉運動位移、拖纜絞車收放運動位移之間的關(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)對目標位移的快速、無靜差跟蹤；外層子系統(tǒng)確定拖纜絞車運動目標位移以補償拖體深度變化。分別設(shè)計了采用內(nèi)模控制策略的內(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)和拖曳升沉補償控制系統(tǒng)進行了仿真。仿真表明，內(nèi)層位置伺服控制器抗干擾能力強，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