深水勘察裝置波浪補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王志勇，諶志新，徐志強(qiáng)

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所 農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

深海高新技術(shù)是海洋開發(fā)和海洋技術(shù)發(fā)展的最前沿與制高點(diǎn)，也是目前世界高科技發(fā)展的方向之一.隨著世界深海高新技術(shù)的發(fā)展，這一領(lǐng)域正在形成高技術(shù)群，有望成為與航天技術(shù)、核能利用技術(shù)等相互并列的高新技術(shù)領(lǐng)域，輻射并帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.過(guò)去20多年來(lái)，我國(guó)在持續(xù)開展大洋勘察工作的同時(shí)，深?？茖W(xué)研究和技術(shù)開發(fā)也得到了快速發(fā)展，已經(jīng)初步建立了深?？辈?、深海多金屬結(jié)核礦物開采、運(yùn)載和冶煉等高技術(shù)平臺(tái)，形成了一定的技術(shù)儲(chǔ)備.但由于我國(guó)的大洋事業(yè)起步較晚，深?？辈旒夹g(shù)手段和研究水平與美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在較大的差距，在新資源的勘察上也面臨著巨大的壓力.中國(guó)作為一個(gè)發(fā)展中的大國(guó)，要想在和平開發(fā)利用國(guó)際海底資源中發(fā)揮積極作用，就必須增強(qiáng)在國(guó)際海底區(qū)域的活動(dòng)能力和監(jiān)測(cè)能力，大力發(fā)展我國(guó)的深海高新技術(shù)［1－2］.

1 勘察裝置總體結(jié)構(gòu)及工作原理

該深水勘察裝置由船體、布放絞收裝置、基盤及取樣裝置、液壓驅(qū)動(dòng)與控制、波浪補(bǔ)償裝置等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

系統(tǒng)工作過(guò)程就是基盤及取樣裝置的布放與回收，功能要求是保證布放時(shí)各個(gè)設(shè)備能夠快速、安全送到海底一定的位置；回收時(shí)能夠保證準(zhǔn)確、快速和安全回收到船上來(lái).布放過(guò)程：首先使用基盤絞車將基盤吊放到月池平臺(tái)的活門上，取樣絞車起吊取樣管對(duì)準(zhǔn)基盤上部口，然后開啟活門，基盤絞車與取樣絞車同時(shí)運(yùn)動(dòng)，將基盤與取樣管下放至一定位置后，安裝連接下一節(jié)取樣管，繼續(xù)布放直到設(shè)備下到海底指定位置.基盤與取樣裝置到達(dá)指定位置后，基盤絞車與取樣絞車剎車制動(dòng).當(dāng)船體受波浪運(yùn)動(dòng)上下升沉?xí)r，油缸和蓄能器補(bǔ)償控制調(diào)節(jié)鋼絲繩長(zhǎng)度，使基盤與取樣裝置始終保持在一定位置；如果船體升沉位移過(guò)大，絞車運(yùn)轉(zhuǎn)放出繩索，從而避免受到波浪運(yùn)動(dòng)而影響勘察取樣工作.

圖1 勘察裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of exploration device

2 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

由于船體及勘察設(shè)備在工作過(guò)程中會(huì)隨著波浪運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生縱向和橫向振動(dòng)，從而使得取樣機(jī)和基盤起吊鋼絲繩產(chǎn)生拉伸和彎曲變形，影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了波浪補(bǔ)償裝置.波浪補(bǔ)償按照動(dòng)力供應(yīng)分為主動(dòng)補(bǔ)償和被動(dòng)補(bǔ)償.主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)利用傳感器測(cè)量拖體深度或拖纜張力，控制油缸或液壓馬達(dá)運(yùn)動(dòng)，該類型補(bǔ)償系統(tǒng)可以采用反饋控制，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)性好，補(bǔ)償精度高，補(bǔ)償性能穩(wěn)定，但是消耗的功率較大.被動(dòng)型波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償動(dòng)力來(lái)源于船的升沉，當(dāng)船升沉?xí)r，依靠海浪的舉升力和船自身的重力來(lái)壓縮和釋放蓄能器中的壓縮空氣，從而實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償.該類型的波浪補(bǔ)償系統(tǒng)幾乎不消耗動(dòng)力，因此應(yīng)用比較廣泛.但是其最大缺點(diǎn)就是補(bǔ)償精度低，補(bǔ)償性能不穩(wěn)定，滯后比較大［3－4］.

2.1 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該波浪補(bǔ)償系統(tǒng)采用主動(dòng)補(bǔ)償和被動(dòng)補(bǔ)償相結(jié)合，補(bǔ)償采用位移型升沉補(bǔ)償策略.位移型升沉補(bǔ)償策略以負(fù)載的升沉位移作為主要控制信號(hào)，補(bǔ)償?shù)氖滓繕?biāo)是補(bǔ)償對(duì)象的升沉位移為零.在升沉補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，當(dāng)負(fù)載受到一個(gè)較大的升沉位移擾動(dòng)而偏離平衡位置時(shí)，負(fù)載以盡可能快的速度回到平衡位置.補(bǔ)償系統(tǒng)采用油缸和蓄能器相結(jié)合，電液伺服系統(tǒng)控制，圖2為波浪補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.電液伺服控制技術(shù)作為連接現(xiàn)代微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和液壓技術(shù)的橋梁，已經(jīng)成為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要構(gòu)成.由于它具有線性好、死區(qū)小、靈敏度高、動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)快、精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用［5－7］.系統(tǒng)補(bǔ)償原理：船體受波浪運(yùn)動(dòng)在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)時(shí)，通過(guò)壓縮和釋放蓄能器中的氮?dú)鈦?lái)補(bǔ)償鋼絲繩長(zhǎng)度.當(dāng)船體升沉位移過(guò)大，蓄能器來(lái)不及補(bǔ)償時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)位置傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)發(fā)出指令信號(hào)，在伺服控制器中與油缸的實(shí)際位置信號(hào)相比較，成為誤差的信號(hào)放大后，送入電液伺服閥，伺服閥按一定的比例將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成液壓油量控制絞機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放繩索.由位置傳感器發(fā)出的反饋信號(hào)不斷改變，直至與指令信號(hào)相等時(shí)，絞機(jī)停止運(yùn)動(dòng).油缸停在指定的位置上，蓄能器開始補(bǔ)償.位置傳感器用來(lái)測(cè)量實(shí)際位置信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)或電壓信號(hào)送至伺服控制器作為反饋信號(hào).同時(shí)控制器還接收來(lái)自主控室位置指令信號(hào)調(diào)節(jié)器的液壓油流量指令信號(hào).

2.2 油缸補(bǔ)償系統(tǒng)受力分析

以基盤絞車補(bǔ)償系統(tǒng)為例，分析其油缸補(bǔ)償過(guò)程中的受力情況，如圖3所示.

鋼絲繩的重力G為

式中：m為鋼絲繩的質(zhì)量，m＝lpl，l為在液壓缸布置位置以下鋼絲繩在海水中的豎直方向上的長(zhǎng)度，pc為鋼絲繩線質(zhì)量；g為重力加速度.

鋼絲繩所受到的浮力f為

式中：d為鋼絲繩的直徑；ρ為海水密度.最

大加速度所引起的慣性力Fi為

式中：al為最大加速度.

由于鋼絲繩在水中受到阻力較小，在計(jì)算中可以忽略，鋼絲繩拉力為

式中：F為恒張力.

單個(gè)滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所引起的鋼絲繩拉力F′j為

圖2 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of heave compensation system

圖3 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)單邊受力簡(jiǎn)圖Fig.3 Strain diagram of heave compensation system

式中：M為單個(gè)滑輪所產(chǎn)生的扭矩；r為回轉(zhuǎn)半徑.

滑輪組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所引起的鋼絲繩拉力Fj為

式中：η為滑輪效率.

對(duì)液壓缸作受力分析，于是液壓缸的推力為

圖3中各段鋼絲繩受力為

3 系統(tǒng)建模與仿真

為了分析補(bǔ)償系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性，需要對(duì)研究的系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究.Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中.可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或2種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模.它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率.Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試［8］.

根據(jù)上述油缸的受力計(jì)算公式，建立補(bǔ)償系統(tǒng)的控制方程.從MATLAB模塊庫(kù)中選擇對(duì)應(yīng)的模塊，在模型窗口中建立分析系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，模型如圖4所示.圖4中p0為初始?jí)簭?qiáng)，V0為充氣體積，C為常量，K為增益系數(shù).給模塊設(shè)置合適的參數(shù)值，運(yùn)行仿真，顯示模擬結(jié)果如圖5所示.

圖4 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型Fig.4 Mathematical model of system

圖5 補(bǔ)償位移曲線仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result

仿真結(jié)果中的曲線分別為船體和油缸的位移曲線.由圖2系統(tǒng)受力可知，系統(tǒng)波浪補(bǔ)償采用6倍速率滑輪繞繩，因此，當(dāng)船體最大升沉位移為3m時(shí)，補(bǔ)償油缸最大伸縮位移為0.5m，通過(guò)MATLAB仿真可以驗(yàn)證波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性.

4 結(jié)論

勘察裝置采用主動(dòng)補(bǔ)償和被動(dòng)補(bǔ)償相結(jié)合的方法，不僅減少了動(dòng)力消耗，而且適應(yīng)性好，提高了補(bǔ)償精度，補(bǔ)償性能穩(wěn)定.該波浪補(bǔ)償系統(tǒng)成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)3 000m深水勘察船，為海洋勘察技術(shù)提供了技術(shù)支持.

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