【摘要】：海洋油氣資源是我國能源安全戰(zhàn)略的核心，海洋油氣資源勘探開發(fā)又是我國能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)。作為傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探技術(shù)，地震波勘探是目前全球進(jìn)行海洋資源勘探開發(fā)活動(dòng)中應(yīng)用最廣泛、效率最高的地球物理技術(shù)。為了提高勘探作業(yè)的效率，控制勘探陣列的深度和水平間距，防止拖曳陣列之間的纏繞，需要仔細(xì)研究拖曳陣列動(dòng)力學(xué)特性，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)勘探陣列的姿態(tài)，提出有效的勘探拖纜姿態(tài)控制策略。 本文在對(duì)國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于勘探拖曳系統(tǒng)的研究進(jìn)行了比較系統(tǒng)的回顧與總結(jié)的基礎(chǔ)上，建立了勘探拖纜的三維非線性動(dòng)力學(xué)模型，通過數(shù)值和實(shí)驗(yàn)的方法研究了勘探拖纜的動(dòng)力學(xué)特性，研制了嵌入式勘探拖纜控制器，設(shè)計(jì)了魯棒自適應(yīng)勘探拖纜姿態(tài)控制策略。 本文首先在拉格朗日坐標(biāo)系下，考慮拖纜的彎曲剛度，分析作用在拖纜上的各種外載荷，使用微元法建立了各拖纜的三維動(dòng)力學(xué)方程。經(jīng)簡(jiǎn)化處理，同時(shí)給出了不考慮彎曲剛度的張緊拖纜的動(dòng)力學(xué)方程。 鑒于有限差分Box method在求解拖纜非線性方程上的不穩(wěn)定性及其對(duì)拖纜初值的強(qiáng)依賴性，本文在拖纜的數(shù)值求解中，在時(shí)域上采用廣義算法。在一階非線性系統(tǒng)上應(yīng)用廣義算法，分析了廣義算法的精度。并通過譜半徑法分別分析了中心差分Box method、向后差分算法、廣義梯形算法以及值不同時(shí)廣義算法的穩(wěn)定性。采用相同權(quán)重法計(jì)算復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)方程的平均系數(shù)矩陣，當(dāng)廣義算法運(yùn)用到多自由度的非線性動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，在空間上使用Box method的離散方法，在時(shí)間上使用廣義算法。 編寫了求解拖纜三維非線性動(dòng)力學(xué)方程的計(jì)算程序Sjtu-tow。采用New-Raphson法求解微分方程的兩點(diǎn)邊值問題。由于拖纜可能出現(xiàn)局部變量變化較快的特性，在計(jì)算程序中，采用了一種基于變分法的自適應(yīng)空間網(wǎng)格方法以減少計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。在時(shí)域上，同樣采用了自適應(yīng)時(shí)間步長的方法以防止強(qiáng)非線性引起時(shí)域不收斂性。通過對(duì)勘探拖纜的實(shí)際算例的計(jì)算，與其他已有的算法進(jìn)行了比較研究。 通過在拖曳水池進(jìn)行拖纜的拖曳實(shí)驗(yàn)研究了拖纜動(dòng)力學(xué)特性。在0.55m/s、1.01m/s、1.5m/s三種拖曳速度下研究了拖纜的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，測(cè)量了拖纜頂端和距離自由端1米處的張力和剪力。為了考查拖車振動(dòng)的影響，測(cè)量了拖曳過程中拖車振動(dòng)的加速度信號(hào)。在數(shù)值與實(shí)驗(yàn)的比較研究中，采用非一致網(wǎng)格處理頂端固定處的快速的張力和剪力變化。采用增強(qiáng)的水動(dòng)力學(xué)系數(shù)，計(jì)算拖纜的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。同時(shí)，采用變阻力系數(shù)和定阻力系數(shù)兩種方法研究了拖纜的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。 勘探拖纜的運(yùn)動(dòng)控制與姿態(tài)優(yōu)化是現(xiàn)代地震勘探技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)和趨勢(shì)。為了對(duì)海洋資源勘探拖曳陣列進(jìn)行有效地控制，本文研制了嵌入式海洋資源勘探拖纜控制器—Sjtu-bird。首先進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)，通信和控制模塊的設(shè)計(jì)，為滿足性能指標(biāo)的要求，特別的研制了一種高精度，抗干擾能力強(qiáng)的壓力傳感器。設(shè)計(jì)了橢圓形三維水翼，用以減少流動(dòng)噪聲，提高升阻比。根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了水翼水動(dòng)力性能試驗(yàn)、壓力傳感器精度及抗干擾性能試驗(yàn)、耐壓及密封性能試驗(yàn)、轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力矩的測(cè)量試驗(yàn)。 勘探拖纜的運(yùn)動(dòng)是降低勘探效率，引起勘探拖纜纏繞的主要原因。勘探拖纜被水鳥分為兩部分：一部分是控制段，即低應(yīng)力段，另一部分是未控段，即高應(yīng)力段。本文利用哈密爾頓原理建立了勘探拖纜和水鳥的耦合動(dòng)力學(xué)模型，包括描述勘探拖纜線性化的變系數(shù)的雙曲偏微分方程和描述水鳥動(dòng)力學(xué)的常微分方程�；诶钛牌罩Z夫方法，在勘探拖纜的精確模型下，設(shè)計(jì)了基于精確模型的魯棒控制規(guī)律。然后考慮到實(shí)際勘探作業(yè)時(shí)系統(tǒng)的不確定參數(shù)，在基于精確模型的控制規(guī)律的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了魯棒自適應(yīng)規(guī)律。兩種控制規(guī)律用于隔離由勘探船的偏航引起的運(yùn)動(dòng)，自適應(yīng)規(guī)律還能在線更新勘探拖纜密度的變化和水鳥處的張力變化。理論上分別證明了兩種控制算法的穩(wěn)定性，通過數(shù)值仿真研究了確定邊界擾動(dòng)和不確定邊界擾動(dòng)下，兩種控制規(guī)律的有效性。 通過以上的研究得出了以下主要的結(jié)論： 1)理論分析表明當(dāng)廣義算法應(yīng)用到簡(jiǎn)單一階非線性系統(tǒng)時(shí)，該方法具有二階精度。譜半徑法分析結(jié)果表明當(dāng)?shù)娜≈捣秶鸀椋篬-0.3,-0.7]時(shí)，廣義算法求解穩(wěn)定性較好。與向后差分、有限差分Box method、廣義梯形法的對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文開發(fā)的計(jì)算程序Sjtu-tow不僅求解精度高，而且仿真運(yùn)算求解時(shí)間短。 2)低頻加速度信號(hào)的頻譜分析表明，三種拖曳速度下拖車自身振動(dòng)的頻段和拖纜的低階固有頻率不在同一頻段范圍，因此拖車自身的振動(dòng)對(duì)穩(wěn)態(tài)工況下拖纜的響應(yīng)影響不大。穩(wěn)態(tài)拖曳速度下，拖曳點(diǎn)處和距尾端1米處的張力和剪力的變化及其FFT變換表明了拖纜拖曳過程中存在復(fù)雜的渦擊振動(dòng)現(xiàn)象和拖曳點(diǎn)處彎矩在拖纜動(dòng)力學(xué)響應(yīng)中所起到的主要作用。采用增強(qiáng)的水動(dòng)力學(xué)系數(shù)計(jì)算拖纜的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)能夠與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持較好的一致性。采用變阻力系法計(jì)算的拖纜瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。 3)水翼水動(dòng)力性能試驗(yàn)、壓力傳感器精度及抗干擾性能試驗(yàn)、耐壓及密封性能試驗(yàn)、轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力矩的測(cè)量試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果表明，各試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)能完全滿足惡劣海況作業(yè)時(shí)的要求。 4)基于精確模型的控制規(guī)律和魯棒自適應(yīng)規(guī)律分別能指數(shù)和漸進(jìn)的驅(qū)使勘探拖纜的位移到零。魯棒自適應(yīng)控制規(guī)律能夠在不犧牲隔振性能的前提下，改進(jìn)系統(tǒng)的阻尼性能。在水鳥上沒有外界擾動(dòng)作用時(shí)，魯棒自適應(yīng)控制規(guī)律能有效的隔離船舶偏航引起的拖纜的運(yùn)動(dòng)，在水鳥上有外界擾動(dòng)作用時(shí)，控制規(guī)律能夠?qū)⑼饨绲臄_動(dòng)控制在一個(gè)較小的界內(nèi)。 5)所提出的魯棒自適應(yīng)控制規(guī)律能夠在線更新勘探拖纜及水鳥的不確定性參數(shù)，同時(shí)所提出的控制規(guī)律具有魯棒性，能夠抵抗建模誤差、參數(shù)不確定性、未知擾動(dòng)等不確定性。所提出的控制規(guī)律只需要拖纜水鳥處的斜率和速度做為反饋，并不需要實(shí)際作業(yè)中難以測(cè)量的位移�？碧酵侠|的斜率可以很容易的通過傾角傳感器測(cè)量得到，因此本文所提出的控制規(guī)律在實(shí)際工程中是很容易實(shí)施的。所提出的控制規(guī)律不但能夠用于勘探拖纜水平振動(dòng)的控制，同時(shí)也可以擴(kuò)展到勘探拖纜深度方向的控制。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：P715;P631.46

【參考文獻(xiàn)】

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1 劉濤;張維競(jìng);馬捷;張廣磊;;低應(yīng)力拖纜瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)研究(英文)[J];船舶力學(xué);2013年03期

本文編號(hào)：2795697