恒张力绞车在海洋浮标施放回收系统中的应用研究

发布时间：2019-03-05 19:03

【摘要】：海洋浮标是监测和勘探开发海洋资源的重要工具之一。海洋浮标要发挥其重要功能，前提是能够精确、安全施放入海，此引申出海洋浮标施放技术；同时海洋浮标有寿命期限，需定期或不定期维修、回收，此涉及其回收技术。海洋浮标施放和回收作业过程中，海况复杂导致船体做横摇、纵摇、垂荡及升沉运动，缆绳中张力易发生突变。缆绳中张力过大，易造成缆绳崩断；缆绳张力过小，易使浮标与船体相撞，造成设备受损。为确保海洋浮标施放回收作业平稳、安全进行，要求作业海洋绞车必须具备对缆绳张力准确测量、设定、自动恒定的功能。当前国内对恒张力绞车的研究仍属于起步阶段，因此课题的研究工作具有重要意义。针对以上问题，论文重点研究和分析用于海洋浮标施放回收恒张力绞车。目前国内外海洋浮标施放回收技术仍存在作业步骤繁琐、安全性较差等困难，论文结合目前海洋浮标类型及系泊系统特点，优化海洋浮标施放回收方案。同时对海洋浮标拖曳作业系统中的拖缆和拖体进行水动力学分析，为海洋浮标的施放回收恒张力控制系统设计提供重要的理论支撑。根据拖曳系统水动力分析，设计能满足通用型浮标施放回收的恒张力绞车电液控制系统。为实现对张力精准控制，首次提出将PDF（伪微分反馈控制）控制算法引入恒张力电液控制系统中。采用Matlab/Simulink进行建模并仿真，仿真结果表明所设计的PDF控制器具有动态响应快、稳定性高、超调量小、抗干扰能力强等优势，有效满足复杂海况下绞车恒张力控制要求。文中通过缩比法实验，进一步论证电液控制系统和PDF控制算法可靠性和稳定性，为恒张力绞车进一步海上测试提供重要的依据，具有重要的学术意义和工程应用价值。各章节主要研究内容如下：引言部分概述国内外海洋浮标施放回收技术现状，同时分析国内外恒张力绞车发展及应用现状；以此为背景提出课题的研究意义及研究内容。海洋浮标施放回收方案设计。总结海洋浮标施放回收技术的优缺点及面临的难点，结合海洋浮标特点，从恒张力绞车设计初衷出发，对海洋浮标施放回收方案优化设计，分析海洋浮标施放回收作业注意事项。恒张力绞车整体方案设计。分析绞车作业工况及控制要求，结合绞车恒张力控制原理，对恒张力绞车结构设计及参数计算。分析缆绳张力测定技术，根据浮标施放回收作业特点，提出采用“三点弯曲法”对缆绳张力进行动态测量及闭环反馈。借鉴水下拖曳作业模型，构建海洋浮标拖曳作业水动力学控制方程。通过对拖缆及拖体的水动力学研究分析，为浮标施放回收恒张力控制系统设计提供重要的理论依据。根据海洋浮标施放回收作业要求，设计恒张力绞车电液控制系统，并对工作原理进行重点剖析。恒张力控制系统中PDF控制器设计及仿真。综述了工程控制理论发展概况及特点，首次提出将PDF控制算法应用于恒张力电液控制系统中。通过分析PDF控制算法的原理，建立恒张力绞车缆绳张力与液控马达两油口压差之比的数学模型，同时对系统参数进行优化设计。采用Matlab/Simulink进行PDF系统建模并仿真，仿真复杂海况下正弦波信号、阶跃信号、变载荷影响下模型的动态反馈。仿真结果表明，控制系统设计合理，PDF控制算法具有动态响应快，超调量小，抗干扰力强，稳定性高等优势，适合应用于复杂海况下施放回收作业。恒张力绞车控制系统实验验证。采取西门子S7-200系列PLC作为实验平台，根据电液控制原理，设计PLC现场控制方案。对PLC方案中主要部件选型及分析。采用离散化方法分析PDF控制算法通过PLC平台实现原理。在PLC现场控制方案的基础上，采用缩比法实验，标定缆绳张力与电液比例溢流阀输入电压之间的关系。实验模拟复杂海况，突变负载，分析控制系统保持缆绳恒定张力的能力。实验结果表明所设计的电液控制系统及PDF控制器可靠性高，动态响应快，抗干扰性强，满足复杂海况的作业要求。最后，对全文进行总结及展望。本文设计一款应用于海洋浮标施放回收作业的新型恒张力绞车，提出针对通用型浮标施放回收作业方案；通过分析浮标拖曳作业水动力特性，设计可精准控制的电液控制系统，首次将PDF控制算法引入电液控制系统；采用Matlab/Simulink建模并仿真分析，仿真结果表明电液控制系统稳定、可靠、快速响应，满足复杂海况下海洋浮标施放回收作业要求；缩比法实验进一步论证所设计的电液控制系统的可行性，为实际海试试验的开展奠定基础。本课题在对恒张力绞车结构及控制系统等方面研究虽取得一定进展，然而，由于条件限制，有些研究工作仍需做进一步拓展，具体可考虑以下方面：（1）缆绳张力闭环控制实验平台完善。目前搭建的实验平台对于缆绳张力闭环控制仿真仍然存在不足，液压系统与PLC平台如何顺畅通讯有待提高，实验平台的控制精度有待提高。（2）海洋浮标拖曳系统水动力分析。对于通过借鉴水下拖曳系统建立的海洋浮标拖曳系统水动力学模型，需采取试验验证。浮标拖曳与水下拖曳有一定差别，系统理论需做进一步研究。（3）开展海上实验。现阶段仅限于理论分析和模型仿真，应根据设计方案，生产样机，在海上开展海洋浮标施放回收作业，测试整机的性能。进一步验证分析所设计的恒张力绞车电液控制系统以及PDF控制算法的可靠性及优越性。（4）提高整机使用性能。本课题施放回收作业对象是海洋浮标，可加强对其他海洋结构物或漂浮物的拖曳回收作业研究。通过实验分析比较，，对恒张力绞车做进一步优化设计，使其成为海洋工程设备收放作业恒张力控制通用型设备。
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【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P715.2

【参考文献】