海洋中蘊(yùn)藏的寶貴而豐富的礦產(chǎn)、生物等資源具有良好的開采利用價值。隨著水下裝備技術(shù)的日益發(fā)展,海洋探索由淺海層逐步向深海層邁進(jìn)。深海高壓、低溫等極端環(huán)境對水下作業(yè)設(shè)備的性能提出更高要求。液壓技術(shù)具有承載能力強(qiáng)、功率密度大、易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速等優(yōu)勢,因而在深海裝備中應(yīng)用前景廣闊。液壓泵作為液壓系統(tǒng)的核心動力元件,對系統(tǒng)的整體性能影響很大。本文以深海電液比例柱塞泵為研究對象,分析了不同水深下油液粘度和剛度變化對柱塞泵的工作特性影響,獲得了柱塞泵的動、靜態(tài)性能隨水深的變化規(guī)律;運(yùn)用模型參考自適應(yīng)控制MRAC(Model Reference Adaptive Control)方法對深海泵的動態(tài)性能進(jìn)行適應(yīng)性控制分析,獲得了變深環(huán)境下動態(tài)綜合性能良好的控制系統(tǒng)。具體研究內(nèi)容如下:首先,以水深為變量分別構(gòu)建壓力-水深、水溫-水深等深海環(huán)境模型,獲得兩者隨水深的變化規(guī)律。以溫度、壓力為自變量分別建立變溫變壓下油液動粘度、變剛度模型,結(jié)合深海環(huán)境模型,進(jìn)一步獲得油液粘度-水深、油液剛度-水深的動態(tài)遷移模型。以ISO VG 32液壓油為例,對油液介質(zhì)特性進(jìn)行計算分析,結(jié)果表明粘度隨水深增加呈“快速增加、穩(wěn)定上升”的變化規(guī)律,油液剛度隨水深增加則呈“迅速增大、緩慢增加、漸進(jìn)上升”變化規(guī)律。進(jìn)一步分析單一環(huán)境參數(shù)作用下油液動粘度、變剛度的遷移規(guī)律,表明不同水深下壓力、溫度兩環(huán)境參數(shù)對油液介質(zhì)特性的影響不同。具體表現(xiàn)為在淺水深下,油液粘度、剛度主要受溫度影響,而壓力的作用較小;在大水深下,溫度的影響相對減弱,壓力成為主要影響因素。相關(guān)研究成果為深海柱塞泵的動、靜態(tài)特性分析打下基礎(chǔ)。而后,分別建立了深海柱塞泵壓力、流量控制模型,借助MATLAB軟件分析不同水深下油液粘度和油液剛度變化對系統(tǒng)動、靜態(tài)性能的影響,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論分析結(jié)果的合理性。結(jié)果表明粘度單獨(dú)變化作用時,系統(tǒng)快速響應(yīng)性和穩(wěn)定性隨水深增加分別呈降低和增加的變化規(guī)律;而油液剛度單獨(dú)變化時,二者隨水深的變化關(guān)系與粘度單作用時相反;兩者復(fù)合作用時,系統(tǒng)的快速響應(yīng)性和穩(wěn)定性隨水深增加的變化趨勢與粘度單作用一致,但變化幅度略有差別。比較不同水深下油液粘度和油液剛度對系統(tǒng)動、靜態(tài)性能的影響程度,控制系統(tǒng)在水深0-1000m內(nèi)可視為變剛度動粘度系統(tǒng),1000m-7000m內(nèi)的則視為定剛度變粘度系統(tǒng)。最后,基于Lyapunov穩(wěn)定性理論,運(yùn)用模型參考自適應(yīng)控制(MRAC)方法分析前述深海泵控制系統(tǒng)的動態(tài)綜合性能,設(shè)計出Lyapunov-MRAC控制器,并計算獲得相應(yīng)控制律。將海平面下的深海泵的控制模型視為參考模型,以不同水深下的泵控制模型為實(shí)際被控模型。對設(shè)計的控制系統(tǒng)給定不同的輸入信號進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析,結(jié)果表明系統(tǒng)控制誤差隨時間增加而不斷降低,即控制系統(tǒng)的精度逐漸提高,被控模型具備良好的跟隨參考模型變化的能力;與未經(jīng)控制的模型對比分析可知Lyapunov-MRAC控制下的系統(tǒng)具有更好的動態(tài)響應(yīng)性能;分析控制器參數(shù)對控制系統(tǒng)的性能影響,表明增大輸入信號幅值,系統(tǒng)的初始控制精度隨之降低,但系統(tǒng)的穩(wěn)定速度則加快;而增大控制系統(tǒng)的增益值,則能同時提高系統(tǒng)的初期控制精度及穩(wěn)定速度。研究獲得的不同水深下油液介質(zhì)特性遷移規(guī)律、變介質(zhì)特性對柱塞泵動、靜態(tài)性能的影響及基于Lyapunov-MRAC的泵動態(tài)性能的優(yōu)化結(jié)果,為深海液壓設(shè)備的介質(zhì)選擇和深海液壓泵的研制奠定基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：長安大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P742
【部分圖文】：

第一章 緒論制技術(shù)，易維護(hù)、靈活性高、可靠性強(qiáng)。經(jīng)過不斷地改進(jìn)，推出了目前最先進(jìn)的 Titan4，如圖 1.2 所示。該機(jī)械手由機(jī)械本體、水上控制盒、水下通信電路板、伺服控制閥組、集成式液壓管路、攝像頭等組件組成。其作業(yè)深度可達(dá)水下 7000m；作業(yè)范圍廣約 1.9m；空中、水中質(zhì)量分別為 97kg、76kg；采用鈦合金制造，負(fù)載自重比高，作業(yè)能力強(qiáng)[17]。

圖 1.4 韓國 Crabster CR200 水下行走機(jī)器人俄羅斯的深海技術(shù)一直處于比較領(lǐng)先的地位，早在前蘇聯(lián)時期 PaymaPeiiona 研究所就研制出了深海運(yùn)載器和平 1 號（MIR-I）及和平二號（MIR-II），如圖 1.5 所示。兩種潛水器的最大潛水深度 6100m左右，持續(xù)作業(yè)時間約 14h。近幾十年來，MIR-I 和 MIR-II在印度洋、太平洋等多個區(qū)域完成了上百次科考任務(wù)，如對已失事的“共青團(tuán)員”號核潛艇的核輻射進(jìn)行定時檢測、深海下脊水溫場的測量、“泰坦尼克號”沉船的海底調(diào)查等[21]。法國于上世紀(jì)八十年代中期研制出了 6000m水深級的深海潛水器-“Nautile”（鸚鵡螺）號，如圖 1.6 所示。迄今，該深潛器已經(jīng)擁有數(shù)千次下潛記錄，完成了對海溝、海底火山、大洋多金屬結(jié)核區(qū)、深海海底生態(tài)的調(diào)查和探測以及沉船打撈等許多任務(wù)[22]。

圖 1.4 韓國 Crabster CR200 水下行走機(jī)器人俄羅斯的深海技術(shù)一直處于比較領(lǐng)先的地位，早在前蘇聯(lián)時期 PaymaPeiiona 研究所就研制出了深海運(yùn)載器和平 1 號（MIR-I）及和平二號（MIR-II），如圖 1.5 所示。兩種潛水器的最大潛水深度 6100m左右，持續(xù)作業(yè)時間約 14h。近幾十年來，MIR-I 和 MIR-II在印度洋、太平洋等多個區(qū)域完成了上百次科考任務(wù)，如對已失事的“共青團(tuán)員”號核潛艇的核輻射進(jìn)行定時檢測、深海下脊水溫場的測量、“泰坦尼克號”沉船的海底調(diào)查等[21]。法國于上世紀(jì)八十年代中期研制出了 6000m水深級的深海潛水器-“Nautile”（鸚鵡螺）號，如圖 1.6 所示。迄今，該深潛器已經(jīng)擁有數(shù)千次下潛記錄，完成了對海溝、海底火山、大洋多金屬結(jié)核區(qū)、深海海底生態(tài)的調(diào)查和探測以及沉船打撈等許多任務(wù)[22]。
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本文編號：2884391