深海提升机波浪补偿电液控制系统研究

发布时间：2020-03-31 19:25

【摘要】：随着经济和科学技术的发展,人类对资源的需求日益增长,全球使用的90%能源取自化石燃料,而陆地资源的数量有限,在不久的将来将会逐渐无法满足人类的生产需求。地球71%的面积被海洋覆盖,蕴藏海底的资源已成为世界各国能源开发的重点对象,是人类可持续发展的重要财富。海洋运输具有运量大、成本低、适合长距离大宗货物运输等优点。而无论是对海洋资源的开采,还是对于海上运输,吊装设备都是必不可少的,它被广泛应用于海洋平台或船舶上,用于海洋设备的海上吊装或海上运输货物在港口的装卸等。然而与陆上工况不同的是,受到海上风浪的影响,进行海上作业的吊装设备及船舶会随风浪起伏,导致所吊放的货物极易撞击甲板,严重时甚至毁坏货物和造成人员伤亡,导致巨大的经济损失。因此,如何补偿由于波浪引起的起伏,以保证吊放货物时的平稳安全,对海洋资源的开发利用具有非常重要的意义。本论文以深海提升机为研究对象,设计了一套模拟试验系统对深海提升设备的波浪位置干扰补偿控制问题进行研究。首先本文在吸收国内外相关试验台搭建经验及建造方法的基础上,结合研究需求,设计了具有波浪模拟及补偿提升功能的试验台,并对其液压系统及控制系统进行了详细地设计及选型。其次,针对波浪的运动模拟控制问题,根据试验台的结构组成对其进行运动学分析,使系统可以完成各自由度的独立控制。在此基础上对建立了波浪补偿装置液压系统数学模型,并通过构建仿真模型对系统建模进行验证,并对系统的动态特性进行分析。为了提高波浪补偿控制的精度,消除由波浪带来的外界干扰,根据建立的系统模型对系统的反步控制器进行设计,并在此基础上采用干扰观测器及参数自适应的方法对控制器进行改进。将两种控制器进行仿真试验,验证非线性控制器在波浪位移补偿控制系统下的控制效果。最后,对所设计的试验台进行搭建,并对控制系统软件进行详细地设计,对所设计的波浪补偿控制器进行实验验证。分别对比与传统控制器及所设计的反步控制器和基于干扰观测器的自适应控制器在波浪的位置补偿中的控制效果,最后对输出信号的跟踪精度进行比较,从而验证提出的波浪补偿控制策略的有效性。
【图文】：

海上作业,浮吊

开采在不久的将来就会无法满足日常生产需要。而占地球表面的海洋，蕴藏着巨大的资源宝库，对海洋资源的开发利用将成为解决未来资源匮乏的有效方法。目前对海洋资源开采利用主要有海洋矿产的开采以及海上风力发电、潮汐能发电等[1,2]。另一方面，人类对海洋的利用也不仅仅限于其所蕴含的实物资源，海洋在货物运输上的价值在当代依然享有无可替代的地位。海洋运输具有运量大、成本低、适合长距离大宗货物运输等优点[3]。而无论是对海洋资源的开采，还是对于海上运输，吊装设备都是必不可少的，如图 1-1 所示，它被广泛应用于海洋平台或船舶上，用于海洋设备的海上吊装或海上运输货物在港口的装卸等[4]，。然而与陆上工况不同的是，受到海上风浪的影响，深海海工装备将随海面的波浪产生巨幅纵摇、横摇、艏摇，纵荡、横荡、垂荡及其耦合运动，如果不加以控制，由此而带动长达数千米的管道或拖曳系统做相应的运动，将使系统产生巨大附加载荷，，使海底作业装置不稳定，严重影响工作效率，甚至造成关系的损坏，使系统完全失效，造成海上作业的诸多不便和危险，导致巨大的经济损失[5]。因此，如何补偿由于波浪引起的起伏，对海洋资源的开发利用具有非常重要的意义，从而有必要对吊放提升装置的吊放过程和波浪补偿问题进行研究。

升沉补偿器,波浪

硕士学位论文1.2 波浪补偿技术简述（Brief Introduction of Wave CompensationTechnology）波浪升沉补偿系统按其动力供应、执行器、补偿策略、负载大小等可以分为不同的类型。升沉补偿技术按其执行元件来分可以分为直线型和旋转型两种类型。旋转型升沉补偿器采用原系统现有的拖缆绞车根据升沉传感器的反馈信号实时跟踪补偿母船运动，其原理如图 1-2 所示[6]，该补偿方式具有无需额外安装空间且补偿行程不受限制等优点。但由于拖缆绞车系统转动惯量往往较大，集成被动式波浪升沉补偿系统的难度较大[7]。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH137.9;P742;P743.2

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