水下拖曳升沉补偿液压系统及其控制研究

摘要

水下拖曳系统在海洋学研究、海底资源开发、海洋打捞救助以及水下目标探测等方面具有广泛的应用，一般由拖体、拖缆和收放拖曳装置组成。系统在海洋中拖曳作业时，拖船在海面的升沉运动引起拖体深度和拖缆张力的变化，并随着海况的恶化而加剧。较高海况下拖船的剧烈运动不仅影响拖体中传感器的正常工作，而且给拖体和拖缆的安全造成很大威胁。为保证水下拖曳系统在恶劣海况下能够正常进行拖曳作业，其必须具备升沉补偿功能。当前国内对拖曳升沉补偿的研究基本处于空白，因此论文对其进行的研究工作具有重要意义。
　　 针对以上问题，论文以一种重型拖曳系统作为研究对象，补偿拖船升沉运动对拖体深度的影响作为研究目标，通过理论分析、建模仿真和试验研究，掌握拖曳升沉补偿系统被控对象的基本特性，研究适合于拖曳升沉系统的液压系统和控制策略，为具有拖曳升沉补偿的水下拖曳系统的设计开发提供设计依据，具有重要的学术价值和工程应用前景。
　　 论文各章内容分述如下：
　　 第一章概述了水下拖曳系统，介绍了拖曳升沉补偿系统的工作原理和分类，回顾和综述了拖曳升沉补偿及其相关领域的研究现状，最后，提出了本论文的研究意义和主要研究内容。
　　 第二章设计了拖曳升沉补偿系统收放装置的液压系统，分别采用比例方向阀和电磁换向阀控制收放架的水平运动和变幅运动，开式容积调速回路控制拖缆绞车转动实现拖体的收放操作，提出了基于前馈补偿的恒张力同步收放控制策略。陆上和海上试验研究表明，设计的收放装置液压系统和提出的同步控制策略性能优异，取得了满意的效果。
　　 第三章分别提出了被动拖曳升沉补偿液压系统回路，基于进油、回油节流切换控制的单马达驱动主动拖曳升沉补偿液压系统回路和集成被动补偿、主动补偿的双马达驱动半主动拖曳升沉补偿液压系统回路，并结合拖缆、拖体的简化模型建立了液压系统数学模型，建立了主动拖曳升沉补偿液压系统的试验装置并进行了试验。建模分析表明，被动系统补偿能力有限；主动系统设计灵活，具有更好的补偿性能；半主动系统不仅设计灵活，补偿性能好，而且动力消耗小，安全可靠；试验研究表明，主动系统响应快，调速性能好。
　　 第四章建立了垂直面内拖曳升沉补偿系统被控对象——拖缆和拖体的水动力数学模型及其初始，边界条件，其中拖缆动力学模型基于Ablow&schechter模型，拖体采用水下运载体六自由度方程的简化形式模拟；应用摄动理论求解了数学模型在其平衡位置附近的近似解析解，运用有限差分法离散数学模型偏微分方程组，采用牛顿迭代法计算了拖缆上各计算节点的张力和拖体深度的变化；最后，利用数值计算结果对系统被控对象的输入输出参数化数学模型进行了分析。近似解析解分析和数值计算结果表明，拖曳升沉补偿系统较短的拖缆释放长度使拖缆张力变化不会与拖船升沉运动干扰信号产生共振，变化范围有限；输入输出参数化数学模型分析表明，拖体深度与拖船升沉运动位移、拖缆绞车收放运动位移之间的关系是一个随着拖船航速变化的时变非线性函数。
　　 第五章提出了拖曳升沉补偿控制系统总体方案，它具有内层位置伺服控制子系统和外层深度升沉补偿控制子系统双层结构，其中，内层子系统在时变拖缆张力扭矩干扰下实现对目标位移的快速、无静差跟踪；外层子系统确定拖缆绞车运动目标位移以补偿拖体深度变化。分别设计了采用内模控制策略的内层子系统控制器和基于紧格式线性化非参数模型自适应控制理论的外层子系统控制器，并分别对内层子系统、外层子系统和拖曳升沉补偿控制系统进行了仿真。仿真表明，内层位置伺服控制器抗干扰能力强，鲁棒性好，对系统模型要求低和参数整定方便；外层升沉补偿控制器设计简单，对具有时变非线性特性的控制对象具有较高的补偿精度；拖曳升沉补偿控制系统在各航速下都能够有效抑制拖船升沉运动对拖体深度的影响。
　　 第六章概述了论文的主要研究工作和成果，并对今后的研究工作和方向进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1水下拖曳系统

1.2拖曳升沉补偿系统

1.3课题的研究现状

1.3.1拖曳升沉补偿系统的研究现状

1.3.2相关领域的研究现状

1.4课题的研究意义

1.5课题的提出与本文的主要研究内容

1.5.1课题的提出

1.5.2课题的主要研究内容

2 拖曳升沉补偿系统收放装置的研究

2.1前言

2.2收放装置液压系统的工作原理

2.3同步控制策略

2.4试验研究

2.5本章小结

3 拖曳升沉补偿液压系统的研究

3.1前言

3.2被动拖曳升沉补偿液压系统的研究

3.2.1液压系统的工作原理

3.2.2液压系统的建模和分析

3.3主动拖曳升沉补偿液压系统的研究

3.3.1液压系统的工作原理

3.3.2液压系统的建模和分析

3.3.3试验研究

3.4半主动拖曳升沉补偿液压系统的研究

3.4.1液压系统的工作原理

3.4.2液压系统的建模和分析

3.5本章小结

4 拖曳升沉补偿系统被控对象的建模和分析

4.1前言

4.2拖曳升沉补偿系统被控对象数学模型

4.2.1坐标系和坐标变换

4.2.2拖缆的数学模型

4.2.3拖体的数学模型

4.2.4初始条件、边界条件和干扰信号

4.3数学模型的近似解析解

4.3.1近似解析解的求解

4.3.2近似解析解的分析

4.4数学模型的数值计算

4.4.1数值计算方法

4.4.2数值计算结果

4.5被控对象的输入输出数学模型

4.6本章小结

5 拖曳升沉补偿控制系统的研究

5.1前言

5.2控制系统的总体方案

5.3内层位置伺服控制子系统的研究

5.3.1位置伺服内模控制器的设计

5.3.2控制子系统的分析

5.3.3控制子系统的仿真

5.4外层升沉补偿控制子系统的研究

5.4.1升沉补偿非参数模型自适应控制器的设计

5.4.2控制子系统的分析

5.4.3控制子系统的仿真

5.5控制系统的仿真

5.6本章小结

6 总结与展望

6.1论文总结

6.1.1工作总结

6.1.2论文的创新工作

6.2工作展望

参考文献

作者简历及在攻读博士学位期间获得的科研成果