在建設(shè)海洋強國的背景下,海洋科學(xué)發(fā)展逐漸邁入作業(yè)裝備的智能化、海洋觀測的系統(tǒng)化、海洋技術(shù)的綜合化、海洋戰(zhàn)略的全球化時代。海工裝備如纜控水下機器人,當(dāng)遭遇惡劣環(huán)境時,作業(yè)母船在較高海況下會產(chǎn)生大幅度的升沉、平搖、橫蕩、橫搖、縱蕩、縱搖六個自由度的運動,并通過鎧纜連接中繼器與機器人運動,海浪沖擊引發(fā)共振導(dǎo)致水下ROV作業(yè)升沉幅度放大,運動加劇,造成鎧纜斷裂和ROV的損壞。本文以提升ROV作業(yè)安全性能為出發(fā)點,主要從水下ROV拖曳鎧纜復(fù)雜的動態(tài)特性和采用主動升沉補償技術(shù)增大解耦度兩個方面進行深入研究,圍繞水下、水上兩個層面展開,具體內(nèi)容如下:(1)國內(nèi)外現(xiàn)狀。介紹水下拖曳系統(tǒng)及升沉補償技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,以及波浪補償技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。(2)研究水下拖曳作業(yè)動態(tài)載荷及狀態(tài)位形分布情況。針對海洋拖曳過程中具有的多變量、強非線性、強耦合、不確定性以及某些目標(biāo)點過程參量無法直接獲取、物理參數(shù)與拖曳狀態(tài)時變的特點,建立系統(tǒng)地鎧纜動力學(xué)模型,基于集中質(zhì)量法建立拖曳系統(tǒng)控制方程,根據(jù)牛頓第二定律,將級聯(lián)節(jié)點離散化得到連續(xù)動態(tài)特性偏微分方程,引入時域有限差分法對運動偏微分方程進行求解,編制仿真程序計算拖曳系統(tǒng)。分別給出無海流、沿海流與逆海流三種不同作業(yè)工況下的張力變化與纜繩位形,考慮多因素下拖曳系統(tǒng)的載荷張力與運動規(guī)律,對于提高海上安全性與作業(yè)效率具有實際意義。(3)對主動升沉補償系統(tǒng)及其模型進行設(shè)計與詳細(xì)的分析。首先簡單介紹主動升沉補償器的分類及其工作原理,運用載荷公式表述出被動補償中活塞桿位移量與中繼器負(fù)載升沉量之間的關(guān)系,從公式角度闡述每一個補償周期的實現(xiàn)過程;通過李導(dǎo)數(shù)推導(dǎo)確定出系統(tǒng)輸出和干擾相對程度,為進入工程化應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。(4)研究主動升沉補償系統(tǒng)電液位置伺服非線性控制策略。主動升沉補償電液位置伺服控制過程中,考慮到復(fù)雜工況下系統(tǒng)進行連續(xù)切換過程中,由于飽和函數(shù)的不連續(xù)性,存在對s進行求導(dǎo)的場合,消抖性能顯著下降,引入雙曲正切函數(shù)可有效地降低滑�？刂�(SMC)中的抖振。通過基于雙曲正切函數(shù)期望補償非線性級聯(lián)控制(DCNC)策略的絞車提升式補償系統(tǒng)進行設(shè)計,提出了詳細(xì)的非線性數(shù)學(xué)模型。針對拖曳補償過程中參數(shù)不確定性及系統(tǒng)外部負(fù)載擾動,設(shè)計擴張狀態(tài)觀測器(ESO)進行預(yù)估并有效抑制預(yù)估擾動,避免了滑輪組的加速度反饋,并與DCNC組成含擴張觀測器的期望補償級聯(lián)控制器(DCNCESO),有效地提高了系統(tǒng)的魯棒性。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：P75
【部分圖文】：

山東大學(xué)碩士學(xué)位論文??個自由度的運動，并通過鎧纜連接中繼器與機器人運動，海浪沖擊引發(fā)共振導(dǎo)致??水下ＲＯＶ作業(yè)升沉幅度放大，運動加劇，造成鎧纜斷裂和ＲＯＶ的損壞。??圖１－１纜控水下機器人??為解決上述問題，本文以水下ＲＯＶ拖曳系統(tǒng)纜繩動態(tài)特性和主動升沉補償??技術(shù)兩個方面進行深入研究，引入有效的升沉補償附加裝置實現(xiàn)解耦。通過建立??合適的數(shù)學(xué)模型、數(shù)值運算，得到纜繩內(nèi)張力、纜形形態(tài)和末端位移等參考量，??分析在無海流、沿海流與逆海流等海流作用、鎧纜長度變化及各海況環(huán)境下的纜??繩動態(tài)特性，分析多因素下拖曳系統(tǒng)的載荷張力和運動規(guī)律，為水下機器人作業(yè)??系統(tǒng)設(shè)計提供科學(xué)根據(jù)。進一步地，設(shè)計主動升沉系統(tǒng)來降低共振觸發(fā)幾率、降??低纜繩內(nèi)張力波動與ＲＯＶ升沉幅度，保證了作業(yè)的安全性能，對于提高海上安??全性與作業(yè)效率具有實際意義。??１．２水下拖曳系統(tǒng)建模國內(nèi)外研究現(xiàn)狀??建立水下拖曳系統(tǒng)模型便于描述ＲＯＶ在水下復(fù)雜的運動特性，便于分析水??下纜繩、母船運動等系統(tǒng)內(nèi)外因素之間的聯(lián)系。拖曳系統(tǒng)由拖體負(fù)載、纜索吊裝??以及拖曳收放裝置組成，拖體內(nèi)部根據(jù)其用途搭載有溫度、鹽度、深度等探測傳??感器或聲學(xué)、光學(xué)等物理傳感器；纜索承受外拉伸張力的同時，也是傳感器信號??采集、電源供給傳輸?shù)耐ǖ�。為了�?zhǔn)確描述和預(yù)測拖曳系統(tǒng)的運動狀態(tài)，實現(xiàn)操??縱作業(yè)的精確控制，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，針對拖纜和拖體的水動力理論，??搭建出系統(tǒng)水動力模型，主要包括：集中質(zhì)量法、有限差分法、有限元法和直接??積分法等。??２??

ｔｅｒ?Ｄｒｉｌｌｉｎｇ?Ｓｏｌｕｔｉｏｎ?ＡＳ（ＣＤＳ）公司以及德國的?Ｒｅｘｒｏｔｈ?公司等。??Ｄｙｎａｃｏｎ公司［１８］成立于１９８６年，是一家專門從事于絞車收放裝置、升沉補??償器設(shè)計制造的專業(yè)技術(shù)公司，為斯克里普斯海洋研究所科考船與美國海軍調(diào)查??船提供過多款升沉補償系統(tǒng)。目前主流的產(chǎn)品為ＣＴＤ運動補償起重機模型（包括??“?Ｍｏｄｅｌ?６３０?”?與?“?Ｍｏｄｅｌ?１０７５?”），滑輪組升沉補償器（包括?“?Ｍｏｄｅｌ?５０１?”?與?“?Ｍｏｄｅｌ??１１６０”），如圖１－２所示，性能參數(shù)指標(biāo)如表１－１所示。圖ｌ－２（ａ）為６３０型起重機??模型，安全工作載荷為１８００ｋｇ，升沉補償范圍為±１．２５ｍ，船外伸出極限為７．０ｍ。??圖ｌ－２（ｂ）為１０７５型ＣＴＤ補償起重機模型，安全工作載荷為３４００ｋｇ，升沉補償范??圍同為±１．２５ｍ，滑輪胎面直徑為５．５ｍ。圖ｌ－２（ｃ）為５０１型被動升沉補償裝置，??安全工作載荷可達９０００ｋｇ，升沉補償范圍為±２．７５ｎｉ。圖ｌ－２（ｄ）為１１６０型被動升??沉補償器，其滑輪直徑為１．２ｍ，安全工作載荷高達１５９００ｋｇ，升沉幅度為土３．５ｍ。??（ａ）?Ｍｏｄｅｌ?６３０?（ｂ）?Ｍｏｄｅｌ?１０７５?（ｃ）?Ｍｏｄｅｌ?５０１?（ｄ）?Ｍｏｄｅｌ?１１６０??圖１－２?Ｄｙｎａｃｏｎ公司主流的升沉補償裝置??４??

５?１＿２?１．２??Ｎａｔｉｏｎａｌ?Ｏｉｌｗｃｌｌ?Ｖａｒｃｏ?（ＮＯＶ）是一家位于德克薩斯州休斯頓的美國跨國公??司，主要從事于石油和天然氣鉆探和生產(chǎn)作業(yè)，是油田服務(wù)以及上游石油和天然??氣行業(yè)的供應(yīng)鏈集成服務(wù)所用設(shè)備和組件提供商ＮＯＶ目前主要提供三種??類型的升沉補償裝置，包括應(yīng)用丫？鉆井平臺的天車補償器（ＣＭＣ）、游車型直線補??償器（ＤＬＣ）、鉆柱補償器（ＤＳＣ）。圖ｌ－３（ａ）為高耐久性的主動升沉補償海丨：起甫機；??圖ｌ－３（ｂ）為天車補償裝置，具體分類如圖１－４所示，該裝置在鉆井過程中能提供??恒定張力并對鉆井系統(tǒng)產(chǎn)生運動補償，補償缸屮的液壓鎖緊裝置保證了補償過程??中可在任意位置鎖定，ＮＯＶ公司也提供了?７種不同類型的天車補償裝置，性能??參數(shù)指標(biāo)見表１－２所示。閣卜３（ｃ）為單缸游車型直線補償裝置，該裝置配有空氣??壓縮氣缸可減少運動補償過程中的外界干擾。另外，ＮＯＶ研發(fā)的主動絞車補償??裝置（ＡＨＤ）也被廣泛使用，不再限制于鉆井領(lǐng)域平臺，如圖卜５所示為ＡＨＤ－７５０，??省去了鉆柱運動補償部分，節(jié)宵出大量空間，動力源來自絞車本身，具有二次能??１回收的設(shè)計理念。??（ａ）海上起重機?（ｂ）天車補償裝置?（ｃ）直線補償裝置??圖１－３?ＮＯＶ公司研發(fā)的升沉補償裝置??Ｃａｓｔｅｒ?Ｄｒｉｌｌｉｎｇ?Ｓｏｌｕｔｉｏｎ?（ＣＤＳ）公＂彳設(shè)計出多款模塊化升沉補償裝置，在海洋??油氣幵發(fā)、深�？碧筋I(lǐng)域中投入丨、Ｖ：用，集成性能好、完備性高等優(yōu)點＠１。如圖１－??６（ａ）為?ＭＨＣ３０／３０ｍＴ－１２．５?型，圖?ｌ－６（ｃ）為?ＭＡＨＣ８９０／８９０－８．２?型號，兩種類型均??５??
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