主动式水下拖曳升沉补偿系统的非线性控制

针对主动式水下拖曳升沉补偿系统的非线性时变负载特性,设计一种基于扩展扰动观测器的非线性鲁棒位移控制器。在该控制系统中,将扰动负载分成时变的未知负载与可以建模的负载2部分,并考虑系统动力学的非线性特性,采用滑模控制技术补偿观测器估计误差,通过递推反步法设计主动式升沉补偿器的非线性鲁棒运动控制系统。基于实测的3~4级海况下母船升沉位移对所设计的主动式升沉补偿器开展实验研究。研究结果表明,所设计的控制器在存在负载扰动的情况下实现了精确、迅速且具有强鲁棒性的运动补偿控制,基于本文控制算法的主动升沉补偿器使负载最大升沉位移波动范围由1.40 m衰减至0.01 m,同时缆绳张力最大波动范围由15 k N衰减至1 k N以内,表现出良好的升沉补偿性能。     

二级深拖系统的瞬态仿真及升沉补偿

采用集中质量法建立缆绳动力学模型,在给出边界条件和初始条件后,利用龙格 库塔算法对二阶偏微分方程组进行数值分析,并对缆绳运动进行仿真.结果表明：系统动态稳定存在,二级拖体升沉补偿效果良好.
     

二体水下拖曳系统的试验研究

介绍了一种将传感器测量法应用于船模试验水池中进行水下拖曳系统模型试验的方法,并借助这一方法探讨了二体水下拖曳系统的水动力性能。试验结果表明：将传感器测量法应用于船模试验水池中进行水下拖曳系统的试验可以取得令人满意的效果,它为水下拖曳系统模型试验提供了一种理想的手段;二体水下拖曳是一种使水下拖体在波浪环境下作业时保持稳定的简便、经济的水下拖曳方式,它能有效地减少拖曳点对水下拖体的波频扰动,保证水下拖体在恶劣的海洋环境下拖曳时的姿态稳定,是一种值得发展的水下拖曳系统。     

深拖系统中缆运动的力学特性

在深拖系统动态分析的基础上，研究了收放缆及垂荡运动中拖体的运动响应及缆端点处的张力变化，得到了张力变化趋势，为深拖系统设计中缆的选择提供了依据，关于拖体对收放缆及垂荡运动响应的研究，有助于在使用过程中预报拖体的运动响应，指导实际操作。     

水下多缆多体拖曳系统运动建模与模拟计算

针对水下多缆(阵列)多体拖曳系统,给出了其动力学数学模型及其对应的数值求解方案,用以预报分析其在各种情况下的运动响应特性.模型由3部分组成:基于集中质量法给出了拖缆的运动控制方程;水下工作拖体因其为系统的关键部件而采用潜艇6自由度运动控制方程进行精确描述;而系统中另一个小型拖曳体因其尺度相对很小则简化为质量点融入拖缆的控制方程中.通过建立拖缆和拖体耦合边界条件将其耦合成一个整体,并采用4阶龙格库塔方法进行积分求解.最后针对4缆2拖曳体系统展开数值计算,研究了系统在不同情况下的运动响应特性,给出了一些规律性结论.     

系绳拖曳半物理试验装置设计与方案可行性验证

空间绳系系统需进行地面试验,以验证其理论研究结果的正确性。针对其非线性动力学模型较为复杂,地面难以模拟太空复杂情况而不易开展全物理试验的问题,设计了系绳拖曳地面半物理仿真试验装置。其中,仿真系统中系绳收放与张力控制部分以实物的方式引入仿真回路,拖曳过程中系统动力学部分以数学模型描述并转化为仿真计算模型,与实物部分构建成半物理仿真闭合回路。采用基于模糊PID的主从位置闭环控制器对张力控制器进行控制,搭建半物理试验装置拖曳过程simulink仿真模型,对闭合回路实现仿真计算以验证半物理试验装置方案设计的可行性。仿真结果表明：(1)张力控制器满足半物理加载机构对模拟被动星的系绳控制指令要求;(2)半物理试验装置设计方案原理正确,可通过模拟不同工况下动力学模型特性,考核系绳收放装置性能。     

水下拖曳系统收放安全性的模拟计算

为了对置于潜艇尾部的水下拖曳系统在收放缆时的安全性进行评估,计算了螺旋浆和艇体的尾流近场.螺旋桨的计算采用升力面理论涡格法,艇体的计算采用无升力体面元法,并考虑两者之间的相互作用.建立了水下拖曳系统在非均匀流场中的力学模型,用有限差分法计算收放缆时拖缆的姿态.计算结果表明,收放缆时的安全性是有足够保障的.     

船舶拖缆作业时的循线航行和定点定位控制

针对拖缆作业船舶在进行循线航行和定点定位时受到的海洋环境力和拖缆拉力,建立了船舶、拖缆和拖体三者之间耦合的运动数学模型.因其控制系统具有较强的非线性,单独使用模糊控制效果不够理想,所以设计了Fuzzy-PID(Proportion Integration Differentiation)合成控制器.该控制器包含3个模块:大误差切换至Fuzzy控制模块;小误差切换至Fuzzy-I控制模块;微误差切换至Fuzzy-PID控制模块.仿真给出了船舶在扰动情况下循线拖曳时的拖体轨迹,并通过定点定位控制验证了该控制器具有更强的抗干扰性和鲁棒性,能够实现较高精度的定位控制.     

卷绕系统中收放卷张力控制方法研究

对卷绕系统中的收放卷张力控制原理进行了详细的分析,针对张力的控制,提出了三种实用的解决方法,即应用张力传感器、超声波模块以及伺服电机,实现料带收放卷时的速度恒定,提高了产品质量.最后对三种实现张力恒定方法的优缺点进行了比较分析.     

浮式钻井平台钻柱升沉补偿系统研究

在前人研究基础上提出一种半主动浮式钻井平台钻柱升沉补偿方案,将被动补偿能耗低和主动补偿精度高的特点有机结合在一起。建立系统数学模型,在仿真基础上,设计并搭建升沉补偿试验台,进行被动、主动和半主动的升沉补偿试验。结果表明,基于蓄能器的半主动升沉补偿系统收敛速度快,性能稳定,补偿效果较好,可以补偿平台97%的升沉运动。     

深海采矿升沉补偿系统建模及其模糊控制仿真

根据中国大洋协会(COMRA)拟定的1 000 m 大洋多金属结核中试采矿系统中升沉补偿子系统设计方案及1 km 海试的状况,应用牛顿第二运动定律和MATLAB 软件,创建了该系统的数学模型,对该数学模型进行模糊控制仿真研究.仿真结果表明1 km 海试总体设计中提出的双油缸主动控制升沉补偿系统可适应海试要求,在4级海况条件下,对系统实施模糊逻辑控制能得到满意的控制效果.但在复杂海况条件下,随着外扰频率逐渐增加,系统的升沉补偿效果会不断下降,当外扰频率大于0.7 Hz 时,主动式模糊控制几乎无减振效果.因此,建议在0～0.7 Hz 范围内采用主动式模糊控制,而在外扰频率大于0.7 Hz 范围内实施被动式升沉补偿.     

船坞牵引(定位)小车-缆绳-船舶系统动力响应分析

船坞引船系统作为船坞的重要组成部分,其性能直接关系到船舶能够安全进出船坞。基于MMG模型理论,构建了船坞牵引(定位)小车-缆绳-船舶系统的动力学方程。通过数值计算,模拟了船舶在不利海况条件下进坞运动过程的动态响应,以及缆绳张力的变化情况。重点研究探讨了牵引缆绳长度、牵引绞车启动加速时间以及牵引速度等因素对牵引缆绳受力的影响。仿真结果表明,牵引缆绳张力作为船坞引船系统的主要外载荷,一方面为船舶进坞运动提供动力;另一方面为限制船舶横向位移提供主要作用。适当加长缆绳长度、延长绞车启动加速时间以及降低绞车牵引速度,可显著改善引船系统所受载荷情况。     

深海采矿升沉补偿系统的自调整模糊控制仿真

针对深海采矿升沉补偿系统的作业过程受海洋环境和自身工作原理的影响，具有复杂性、随机性等特点，采用自调整模糊控制方法，通过可调整因子α和β自寻优，改变量化因子Ke，Kec和比例因子Ka对控制性能的影响，使升沉补偿系统具有最优的动态性能，从而实现升沉平台和扬矿管系统纵向大幅振动的最佳控制。综合运用控制软件MATLAB和虚拟样机软件ADAMS，建立升沉补偿系统的振动控制仿真模型，进行不同海况下的仿真分析。研究结果表明，应用自调整模糊控制器的升沉补偿系统能更好地抑制振动，降低振动的强度，降低幅度达75％～85％，在调整时间、控制效果及适应性等方面的性能均优于常规模糊控制器的性能，完全符合升沉补偿系统的设计要求。     

丘陵山地拖拉机电液悬挂系统的设计与仿真分析

为了满足配套农机具对丘陵坡地的地形适应性,保证配套农机具在丘陵山地的作业质量,基于2个不同负载的悬挂油缸需要同步运动的工况需求,设计了适用于丘陵山地拖拉机的电控液压悬挂系统,分析了其运行机理与控制方法.通过AMESim软件搭建了系统的仿真模型,对于个别关键液压元件建立了HCD模型以保证仿真的准确性,分别对定负载和变负载2种典型工况进行了仿真分析.结果表明:速度、位移误差控制在5%以内,该系统基本满足设计要求,在丘陵山地拖拉机悬挂系统中具有很好的推广应用价值.     

基于模糊逻辑系统的采矿船升沉补偿控制方法研究

采矿船是海洋资源开采中必不可少的海工装备。采矿船在海上作业时,船体受海浪载荷作用所引起的升沉运动对于水面下采矿系统作业安全性有恶劣的影响,为了减少升沉运动,需要对采矿船进行升沉补偿,提出了一种基于复合液压油缸的主被动一体式复合型升沉补偿系统。为了提高控制精度,本文提出了一种基于Mamdani型的模糊PID主动式补偿控制策略来减小升沉干扰下的补偿误差,首先对升沉补偿原理进行介绍,随后基于莫尔经验公式推导出不同海况下船体升沉幅值的计算过程,并建立所提升沉补偿系统的数学模型和传递函数,最后用所提的模糊控制算法进行控制,在规则海浪波和不规则海浪波下分别进行仿真,并和传统PID控制效果进行比较,结果表明,两种海浪波下,模糊控制算法的误差要小于传统PID控制算法的误差,可见模糊控制算法有着明显的优势。     

多机构控制下的拖曳体三维水动力响应分析

以一种自主稳定可控制水下拖曳体为研究对象,分析匀速拖曳时在迫沉水翼和双尾推进器联合作用下拖曳体的三维水动力响应特性.首先根据已有的单控制机构(迫沉水翼或双尾推进器)作用下拖曳体的拖曳水池样机二维试验数据作为训练样本,采用LMBP算法,建立起基于神经网络理论的自主稳定可控制水下拖曳体水动力数值模型,以此为工具分析在两种控制机构联合操纵下拖曳体的三维水动力特性.数值模拟结果表明:利用这一神经网络模型可以对拖曳体在多机构控制动作下的三维水动力响应进行有效的数值仿真模拟.     

水下拖曳系统的稳态运动分析与设计

为分析水下拖曳系统的稳态运动性能,给出了稳态运动求解方法,并将其应用到拖曳系统 的设计中.对于不同的拖曳形式和条件,拖缆的边界条件被转换为一组关于初始值的显、隐式方程,分别作为初始值和两点边值问题进行求解.通过数值仿真计算,分析了拖缆物理参数变化对系统稳 态运动的影响.结果表明:拖缆的弹性、泊松比的影响在其变化范围内微乎其微,可忽略不计;而阻力系数、拖缆密度及拖曳速度变化对系统稳态运动的影响很大.最后,以具体的拖曳系统定深器设 计和海洋勘探拖曳系统设计为例说明拖曳系统的设计方法,并根据其稳态运行要求,确定了拖曳系 统的参数.     

波浪运动补偿平台的自适应预报控制模型研究

具有广义升沉运动补偿功能的波浪运动补偿平台可以减少船舶运动对海上作业和设备的影响.该平台系统的液压机构具有非线性和大惯性的特点.为了有效地进行广义升沉运动补偿,本文采用基于等维新息的自适应自回归多步预报算法和非线性PID控制器相结合的控制策略对波浪运动补偿平台液压机构进行控制.益参数随误差变化的非线性PID控制器具有较好的适应性、抗干扰性和鲁棒性,适合波浪运动补偿平台液压机构的控制特点,可以提高控制效果.结合实验获得的船舶甲板控制点的广义升沉位移数据,仿真试验结果表明:采用上述的自适应预报控制策略对波浪运动补偿平台液压机构进行控制能有效地减少平台的广义升沉运动幅值.     

侧扫声纳系统声图几何失真分析及其改正方法

针对侧扫声纳系统声图中的几何失真问题,通过拖鱼坐标系的七参数模型,分析了侧扫声纳系统拖鱼姿态、速度、升沉及声线弯曲对侧扫声纳声图造成的几何失真,建立了声图中拖鱼姿态改正、船速和升沉改正以及声线弯曲改正模型,并分析模型误差.研究结果表明:所用模型可有效改善声图的几何形变,模型误差小,对水下目标探测具有一定的理论和实践意义.     

深海起重机被动式升沉补偿建模方法研究

为了研究被动式升沉补偿系统的工作原理及其建模方法,通过引入介质分离器活塞的动力学方程,并考虑由于滑轮惯性所导致的钢缆张力松弛影响,建立了一种改进型的被动式升沉补偿系统的数学模型.针对起重机的海底吊装作业过程,建立几种不同建模方法的仿真模型,然后进行动力学分析.分析结果表明:该方法仿真出的补偿效率约为60%,其数学模型能够真实地反映系统的工作机理,可以作为起重机被动式补偿系统的一种建模新方法,并且钢缆的张力松弛对仿真结果有3%~4%的影响;指出了被动式补偿效率不高的原因,并给出了相应的改良措施.