面向水下ROV拖曳作业与主动升沉补偿控制技术研究

发布时间：2020-11-12 08:14

　　 在建设海洋强国的背景下,海洋科学发展逐渐迈入作业装备的智能化、海洋观测的系统化、海洋技术的综合化、海洋战略的全球化时代。海工装备如缆控水下机器人,当遭遇恶劣环境时,作业母船在较高海况下会产生大幅度的升沉、平摇、横荡、横摇、纵荡、纵摇六个自由度的运动,并通过铠缆连接中继器与机器人运动,海浪冲击引发共振导致水下ROV作业升沉幅度放大,运动加剧,造成铠缆断裂和ROV的损坏。本文以提升ROV作业安全性能为出发点,主要从水下ROV拖曳铠缆复杂的动态特性和采用主动升沉补偿技术增大解耦度两个方面进行深入研究,围绕水下、水上两个层面展开,具体内容如下:(1)国内外现状。介绍水下拖曳系统及升沉补偿技术的国内外发展现状,以及波浪补偿技术领域的发展趋势。(2)研究水下拖曳作业动态载荷及状态位形分布情况。针对海洋拖曳过程中具有的多变量、强非线性、强耦合、不确定性以及某些目标点过程参量无法直接获取、物理参数与拖曳状态时变的特点,建立系统地铠缆动力学模型,基于集中质量法建立拖曳系统控制方程,根据牛顿第二定律,将级联节点离散化得到连续动态特性偏微分方程,引入时域有限差分法对运动偏微分方程进行求解,编制仿真程序计算拖曳系统。分别给出无海流、沿海流与逆海流三种不同作业工况下的张力变化与缆绳位形,考虑多因素下拖曳系统的载荷张力与运动规律,对于提高海上安全性与作业效率具有实际意义。(3)对主动升沉补偿系统及其模型进行设计与详细的分析。首先简单介绍主动升沉补偿器的分类及其工作原理,运用载荷公式表述出被动补偿中活塞杆位移量与中继器负载升沉量之间的关系,从公式角度阐述每一个补偿周期的实现过程;通过李导数推导确定出系统输出和干扰相对程度,为进入工程化应用提供一定的理论基础。(4)研究主动升沉补偿系统电液位置伺服非线性控制策略。主动升沉补偿电液位置伺服控制过程中,考虑到复杂工况下系统进行连续切换过程中,由于饱和函数的不连续性,存在对s进行求导的场合,消抖性能显著下降,引入双曲正切函数可有效地降低滑模控制(SMC)中的抖振。通过基于双曲正切函数期望补偿非线性级联控制(DCNC)策略的绞车提升式补偿系统进行设计,提出了详细的非线性数学模型。针对拖曳补偿过程中参数不确定性及系统外部负载扰动,设计扩张状态观测器(ESO)进行预估并有效抑制预估扰动,避免了滑轮组的加速度反馈,并与DCNC组成含扩张观测器的期望补偿级联控制器(DCNCESO),有效地提高了系统的鲁棒性。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P75
【部分图文】：

山东大学硕士学位论文??个自由度的运动，并通过铠缆连接中继器与机器人运动，海浪冲击引发共振导致??水下ＲＯＶ作业升沉幅度放大，运动加剧，造成铠缆断裂和ＲＯＶ的损坏。??图１－１缆控水下机器人??为解决上述问题，本文以水下ＲＯＶ拖曳系统缆绳动态特性和主动升沉补偿??技术两个方面进行深入研究，引入有效的升沉补偿附加装置实现解耦。通过建立??合适的数学模型、数值运算，得到缆绳内张力、缆形形态和末端位移等参考量，??分析在无海流、沿海流与逆海流等海流作用、铠缆长度变化及各海况环境下的缆??绳动态特性，分析多因素下拖曳系统的载荷张力和运动规律，为水下机器人作业??系统设计提供科学根据。进一步地，设计主动升沉系统来降低共振触发几率、降??低缆绳内张力波动与ＲＯＶ升沉幅度，保证了作业的安全性能，对于提高海上安??全性与作业效率具有实际意义。??１．２水下拖曳系统建模国内外研究现状??建立水下拖曳系统模型便于描述ＲＯＶ在水下复杂的运动特性，便于分析水??下缆绳、母船运动等系统内外因素之间的联系。拖曳系统由拖体负载、缆索吊装??以及拖曳收放装置组成，拖体内部根据其用途搭载有温度、盐度、深度等探测传??感器或声学、光学等物理传感器；缆索承受外拉伸张力的同时，也是传感器信号??采集、电源供给传输的通道。为了准确描述和预测拖曳系统的运动状态，实现操??纵作业的精确控制，国内外学者做了大量研究，针对拖缆和拖体的水动力理论，??搭建出系统水动力模型，主要包括：集中质量法、有限差分法、有限元法和直接??积分法等。??２??

ｔｅｒ?Ｄｒｉｌｌｉｎｇ?Ｓｏｌｕｔｉｏｎ?ＡＳ（ＣＤＳ）公司以及德国的?Ｒｅｘｒｏｔｈ?公司等。??Ｄｙｎａｃｏｎ公司［１８］成立于１９８６年，是一家专门从事于绞车收放装置、升沉补??偿器设计制造的专业技术公司，为斯克里普斯海洋研究所科考船与美国海军调查??船提供过多款升沉补偿系统。目前主流的产品为ＣＴＤ运动补偿起重机模型（包括??“?Ｍｏｄｅｌ?６３０?”?与?“?Ｍｏｄｅｌ?１０７５?”），滑轮组升沉补偿器（包括?“?Ｍｏｄｅｌ?５０１?”?与?“?Ｍｏｄｅｌ??１１６０”），如图１－２所示，性能参数指标如表１－１所示。图ｌ－２（ａ）为６３０型起重机??模型，安全工作载荷为１８００ｋｇ，升沉补偿范围为±１．２５ｍ，船外伸出极限为７．０ｍ。??图ｌ－２（ｂ）为１０７５型ＣＴＤ补偿起重机模型，安全工作载荷为３４００ｋｇ，升沉补偿范??围同为±１．２５ｍ，滑轮胎面直径为５．５ｍ。图ｌ－２（ｃ）为５０１型被动升沉补偿装置，??安全工作载荷可达９０００ｋｇ，升沉补偿范围为±２．７５ｎｉ。图ｌ－２（ｄ）为１１６０型被动升??沉补偿器，其滑轮直径为１．２ｍ，安全工作载荷高达１５９００ｋｇ，升沉幅度为土３．５ｍ。??（ａ）?Ｍｏｄｅｌ?６３０?（ｂ）?Ｍｏｄｅｌ?１０７５?（ｃ）?Ｍｏｄｅｌ?５０１?（ｄ）?Ｍｏｄｅｌ?１１６０??图１－２?Ｄｙｎａｃｏｎ公司主流的升沉补偿装置??４??

５?１＿２?１．２??Ｎａｔｉｏｎａｌ?Ｏｉｌｗｃｌｌ?Ｖａｒｃｏ?（ＮＯＶ）是一家位于德克萨斯州休斯顿的美国跨国公??司，主要从事于石油和天然气钻探和生产作业，是油田服务以及上游石油和天然??气行业的供应链集成服务所用设备和组件提供商ＮＯＶ目前主要提供三种??类型的升沉补偿装置，包括应用丫？钻井平台的天车补偿器（ＣＭＣ）、游车型直线补??偿器（ＤＬＣ）、钻柱补偿器（ＤＳＣ）。图ｌ－３（ａ）为高耐久性的主动升沉补偿海丨：起甫机；??图ｌ－３（ｂ）为天车补偿装置，具体分类如图１－４所示，该装置在钻井过程中能提供??恒定张力并对钻井系统产生运动补偿，补偿缸屮的液压锁紧装置保证了补偿过程??中可在任意位置锁定，ＮＯＶ公司也提供了?７种不同类型的天车补偿装置，性能??参数指标见表１－２所示。阁卜３（ｃ）为单缸游车型直线补偿装置，该装置配有空气??压缩气缸可减少运动补偿过程中的外界干扰。另外，ＮＯＶ研发的主动绞车补偿??装置（ＡＨＤ）也被广泛使用，不再限制于钻井领域平台，如图卜５所示为ＡＨＤ－７５０，??省去了钻柱运动补偿部分，节宵出大量空间，动力源来自绞车本身，具有二次能??１回收的设计理念。??（ａ）海上起重机?（ｂ）天车补偿装置?（ｃ）直线补偿装置??图１－３?ＮＯＶ公司研发的升沉补偿装置??Ｃａｓｔｅｒ?Ｄｒｉｌｌｉｎｇ?Ｓｏｌｕｔｉｏｎ?（ＣＤＳ）公＂彳设计出多款模块化升沉补偿装置，在海洋??油气幵发、深海勘探领域中投入丨、Ｖ：用，集成性能好、完备性高等优点＠１。如图１－??６（ａ）为?ＭＨＣ３０／３０ｍＴ－１２．５?型，图?ｌ－６（ｃ）为?ＭＡＨＣ８９０／８９０－８．２?型号，两种类型均??５??
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本文编号：2880512