AUV浮力调节系统及深海模拟实验研究

摘要

随着社会的不断发展，陆上不可再生资源逐渐匮乏，海洋资源的探索利用逐渐受到人们的关注。自治式水下机器人（AUV：Autonomous Underwater Vehicle）已经成为在深海中进行探索与开发的重要装备。在复杂的深海环境中，浮力调节系统作为AUV姿态调节、大深度升沉运动的节能动力源而受到人们的重视。同时在浮力调节系统设计与研制的过程中要对其进行陆上模拟实验，通过深海模拟实验装置检验浮力调节系统工作性能。因此，研究AUV浮力调节系统与深海模拟实验装置具有重要的意义和研究价值。
　　本文针对浮力调节与深海模拟实验技术，主要进行以下研究工作：
　　（1）研究针对浮力调节系统的深海模拟实验平台。针对传统加载方式无法模拟浮力调节系统启动时的外界负载的问题及实验室早期研制的模拟实验平台因为油水转换缸体积较小导致平台工作时间短、通过油压控制水压导致稳定负载压力能力较差、没有相应的传感器导致无法测量浮力调节系统工作性能等问题，本文提出由压力容器与溢流阀相结合并带有测量系统的实验平台方案。根据方案对平台的组成元件进行选型，研制实验平台，为进行实验验证奠定基础。
　　（2）为完善浮力调节系统，本文分析AUV浮力调节系统启动与稳定运行时的工作特性。针对浮力调节系统在深海工作时电机启动电流过大的问题，为限制启动电流，采用电机斜坡软启动的方法。针对AUV浮力调节液压系统在深海重载启动造成液压泵损伤及液压泵启动力矩大引起电机堵转的问题，为避免重载启动，研究液压系统重载启动的原因，提出在增压泵水路处安装空载启动阀使液压泵启动时进出口压力差为零的方法，并通过AMESim仿真进行验证。
　　浮力调节系统能耗的多少对AUV的性能有重要影响，为确定浮力调节系统稳定运行时具体耗能情况，本文进行系统能耗理论分析计算。浮力调节系统在工作情况下液压油的温度高低对液压系统是否能够正常工作有重要影响，为确定浮力调节系统在水下工作时液压油的温度，对系统液压油温升进行理论计算。为精确控制液位，建立浮力调节控制系统数学模型，针对原有比例控制控制精度低等问题，设计PID液位控制器，为验证PID控制器的控制效果，利用Simulink对PID与原有比例控制进行液位控制仿真，并就系统在阶跃响应、阶跃抗干扰特性方面的仿真结果进行对比分析。
　　（3）针对本文AUV浮力调节系统在实验时发现存在较大振动导致管路系统泄露失效从而影响系统运行安全性等问题，本文研究浮力调节系统减振技术。针对浮力调节系统齿轮油泵产生较大压力脉动的问题，研究衰减压力脉动的方法，提出采用缓冲瓶式消振器衰减液压脉动的方法，设计适用于深海环境的消振器，运用 AMESim进行仿真验证。针对浮力调节液压系统闭式液压回路结构易产生气穴现象从而发生剧烈振动的问题，研究预防闭式回路发生气穴现象的方法，提出采用油压蓄能器维持回油压力的方法，进行 AMESim仿真验证，研制适用于深海环境的油压蓄能器。针对浮力调节系统的管路振动较大的问题，改进管路系统，对管路进行ANSYS振动仿真分析，验证改进方案的可行性。
　　（4）对深海模拟实验平台与改进后的AUV浮力调节系统进行实验研究。为检验深海模拟实验平台是否满足设计要求，对深海模拟实验平台进行模拟压力测试实验。为检验电机斜坡软启动方法的效果，进行电机全压启动与软启动对比实验。为验证空载启动阀是否能够避免液压系统重载启动，进行浮力调节系统重载与空载启动对比实验。为验证本文研究的减振措施的效果，进行浮力调节系统振动测试实验。为验证浮力调节系统能耗理论计算的准确性，进行系统能耗深海模拟实验。为验证浮力调节系统液压油在水下工作时温升理论计算的准确性，进行系统液压油温升深海模拟实验。为验证本文所设计的PID相对于原有比例控制算法更适合浮力调节控制系统，进行浮力调节系统水量控制实验。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外浮力调节系统研究现状

1.3 国内外深海模拟实验研究现状

1.4 课题来源与本文主要研究内容

第2章 浮力调节系统方案改进与深海模拟实验平台研究

2.1 引言

2.2深海模拟实验平台方案研究

2.3 深海模拟实验平台研制

2.4 本章小结

第3章 浮力调节系统启动与稳定运行特性研究

3.1 引言

3.2 浮力调节系统的电机启动研究

3.3 浮力调节液压系统启动研究

3.4 浮力调节系统工作能耗与液压油温升研究

3.5 浮力调节稳定运行时液位控制方案研究

3.6 本章小结

第4章 浮力调节系统减振技术研究

4.1 引言

4.2 浮力调节系统产生振动原因分析

4.3 浮力调节液压系统压力脉动衰减研究

4.4 预防闭式液压回路发生气穴现象研究

4.5 衰减浮力调节系统管路振动研究

4.6 本章小结

第5章 深海模拟实验平台与浮力调节系统实验研究

5.1 引言

5.2 深海模拟实验平台实验

5.3 浮力调节系统深海模拟实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢