深海泵工作性能及适应性控制分析

发布时间：2020-11-15 05:22

　　 海洋中蕴藏的宝贵而丰富的矿产、生物等资源具有良好的开采利用价值。随着水下装备技术的日益发展,海洋探索由浅海层逐步向深海层迈进。深海高压、低温等极端环境对水下作业设备的性能提出更高要求。液压技术具有承载能力强、功率密度大、易实现无级调速等优势,因而在深海装备中应用前景广阔。液压泵作为液压系统的核心动力元件,对系统的整体性能影响很大。本文以深海电液比例柱塞泵为研究对象,分析了不同水深下油液粘度和刚度变化对柱塞泵的工作特性影响,获得了柱塞泵的动、静态性能随水深的变化规律;运用模型参考自适应控制MRAC(Model Reference Adaptive Control)方法对深海泵的动态性能进行适应性控制分析,获得了变深环境下动态综合性能良好的控制系统。具体研究内容如下:首先,以水深为变量分别构建压力-水深、水温-水深等深海环境模型,获得两者随水深的变化规律。以温度、压力为自变量分别建立变温变压下油液动粘度、变刚度模型,结合深海环境模型,进一步获得油液粘度-水深、油液刚度-水深的动态迁移模型。以ISO VG 32液压油为例,对油液介质特性进行计算分析,结果表明粘度随水深增加呈“快速增加、稳定上升”的变化规律,油液刚度随水深增加则呈“迅速增大、缓慢增加、渐进上升”变化规律。进一步分析单一环境参数作用下油液动粘度、变刚度的迁移规律,表明不同水深下压力、温度两环境参数对油液介质特性的影响不同。具体表现为在浅水深下,油液粘度、刚度主要受温度影响,而压力的作用较小;在大水深下,温度的影响相对减弱,压力成为主要影响因素。相关研究成果为深海柱塞泵的动、静态特性分析打下基础。而后,分别建立了深海柱塞泵压力、流量控制模型,借助MATLAB软件分析不同水深下油液粘度和油液刚度变化对系统动、静态性能的影响,并通过实验验证理论分析结果的合理性。结果表明粘度单独变化作用时,系统快速响应性和稳定性随水深增加分别呈降低和增加的变化规律;而油液刚度单独变化时,二者随水深的变化关系与粘度单作用时相反;两者复合作用时,系统的快速响应性和稳定性随水深增加的变化趋势与粘度单作用一致,但变化幅度略有差别。比较不同水深下油液粘度和油液刚度对系统动、静态性能的影响程度,控制系统在水深0-1000m内可视为变刚度动粘度系统,1000m-7000m内的则视为定刚度变粘度系统。最后,基于Lyapunov稳定性理论,运用模型参考自适应控制(MRAC)方法分析前述深海泵控制系统的动态综合性能,设计出Lyapunov-MRAC控制器,并计算获得相应控制律。将海平面下的深海泵的控制模型视为参考模型,以不同水深下的泵控制模型为实际被控模型。对设计的控制系统给定不同的输入信号进行仿真实验分析,结果表明系统控制误差随时间增加而不断降低,即控制系统的精度逐渐提高,被控模型具备良好的跟随参考模型变化的能力;与未经控制的模型对比分析可知Lyapunov-MRAC控制下的系统具有更好的动态响应性能;分析控制器参数对控制系统的性能影响,表明增大输入信号幅值,系统的初始控制精度随之降低,但系统的稳定速度则加快;而增大控制系统的增益值,则能同时提高系统的初期控制精度及稳定速度。研究获得的不同水深下油液介质特性迁移规律、变介质特性对柱塞泵动、静态性能的影响及基于Lyapunov-MRAC的泵动态性能的优化结果,为深海液压设备的介质选择和深海液压泵的研制奠定基础。
【学位单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P742
【部分图文】：

第一章 绪论制技术，易维护、灵活性高、可靠性强。经过不断地改进，推出了目前最先进的 Titan4，如图 1.2 所示。该机械手由机械本体、水上控制盒、水下通信电路板、伺服控制阀组、集成式液压管路、摄像头等组件组成。其作业深度可达水下 7000m；作业范围广约 1.9m；空中、水中质量分别为 97kg、76kg；采用钛合金制造，负载自重比高，作业能力强[17]。

图 1.4 韩国 Crabster CR200 水下行走机器人俄罗斯的深海技术一直处于比较领先的地位，早在前苏联时期 PaymaPeiiona 研究所就研制出了深海运载器和平 1 号（MIR-I）及和平二号（MIR-II），如图 1.5 所示。两种潜水器的最大潜水深度 6100m左右，持续作业时间约 14h。近几十年来，MIR-I 和 MIR-II在印度洋、太平洋等多个区域完成了上百次科考任务，如对已失事的“共青团员”号核潜艇的核辐射进行定时检测、深海下脊水温场的测量、“泰坦尼克号”沉船的海底调查等[21]。法国于上世纪八十年代中期研制出了 6000m水深级的深海潜水器-“Nautile”（鹦鹉螺）号，如图 1.6 所示。迄今，该深潜器已经拥有数千次下潜记录，完成了对海沟、海底火山、大洋多金属结核区、深海海底生态的调查和探测以及沉船打捞等许多任务[22]。

图 1.4 韩国 Crabster CR200 水下行走机器人俄罗斯的深海技术一直处于比较领先的地位，早在前苏联时期 PaymaPeiiona 研究所就研制出了深海运载器和平 1 号（MIR-I）及和平二号（MIR-II），如图 1.5 所示。两种潜水器的最大潜水深度 6100m左右，持续作业时间约 14h。近几十年来，MIR-I 和 MIR-II在印度洋、太平洋等多个区域完成了上百次科考任务，如对已失事的“共青团员”号核潜艇的核辐射进行定时检测、深海下脊水温场的测量、“泰坦尼克号”沉船的海底调查等[21]。法国于上世纪八十年代中期研制出了 6000m水深级的深海潜水器-“Nautile”（鹦鹉螺）号，如图 1.6 所示。迄今，该深潜器已经拥有数千次下潜记录，完成了对海沟、海底火山、大洋多金属结核区、深海海底生态的调查和探测以及沉船打捞等许多任务[22]。
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王勋龙;于青;王燕;;深海材料及腐蚀防护技术研究现状[J];全面腐蚀控制;2018年10期

2 泽川;;深海的鱼为什么能抵抗那么大的压力[J];山西老年;2017年03期

3 ;厉害了,中国科技:中国迈向深海科考中心[J];科学家;2017年14期

4 蕾切尔·米尔斯;蒙蒙;;为何各国纷纷对深海海床宣称主权?[J];课堂内外(作文独唱团);2017年09期

5 张兆瑛;;深海水文仪研制中的几个问题[J];海洋技术;1988年01期

6 王国志;张毅;刘桓龙;邓斌;肖鹏;;深海环境下的O形圈静密封设计[J];润滑与密封;2014年10期

7 郭为民;张慧霞;侯建;程文华;郑家青;;钝化金属深海环境电偶腐蚀性能研究[J];装备环境工程;2012年06期

8 李菡丹;;刘峰:保护深海就是保护人类[J];中华儿女;2019年12期

9 孙飞龙;李晓刚;卢琳;程学群;董超芳;高瑾;;5052和6061铝合金在中国南海深海环境下的腐蚀行为研究[J];金属学报;2013年10期

10 谢强;邓斌;曹学鹏;;深海环境下电液比例阀的动态特性仿真研究[J];机床与液压;2010年15期

相关博士学位论文 前5条

1 熊磊;Shewanella piezotolerans WP3两套DMSO呼吸系统在深海环境适应性中的作用研究[D];上海交通大学;2017年

2 王春齐;聚合物复合材料深海环境吸湿行为及耐湿和阻湿方法研究[D];国防科学技术大学;2012年

3 杨欣伟;Shewanella piezotolerans WP3深海环境适应性研究—厌氧呼吸系统对不同环境因子与调控因子的响应[D];上海交通大学;2014年

4 张鑫;深海环境及深海沉积物拉曼光谱原位定量探测技术研究[D];中国海洋大学;2009年

5 杨子旋;X70钢在模拟深海环境中腐蚀及应力腐蚀行为研究[D];北京科技大学;2018年

相关硕士学位论文 前10条

1 曾致豪;深海泵工作性能及适应性控制分析[D];长安大学;2019年

2 张成斌;深海环境下管道湿式保温性能研究[D];中国石油大学(华东);2017年

3 杨海飞;模拟训练和深海实潜作业中人体生理功能研究和脑力负荷评估[D];上海交通大学;2017年

4 张磊;深海环境下材料剪切模量检测实验台的研究[D];河南科技大学;2019年

5 郭洋;模拟深海环境老化试验装置的设计与实现[D];中国计量大学;2017年

6 张雷励;深海环境模拟实验技术研究及其实验装置研制[D];哈尔滨工程大学;2015年

7 程坤;深海环境下铝基块体复合防护材料的研究[D];青岛科技大学;2018年

8 董贤信;深海环境模拟装置监测与控制系统设计[D];浙江大学;2012年

9 王帅;模拟深海环境10CrNi3MoV钢与Q235钢腐蚀行为及预测研究[D];哈尔滨工程大学;2017年

10 夏秋;基于HHT的深海环境下压力探测信号处理方法的研究[D];合肥工业大学;2014年

本文编号：2884391