深海潛標(biāo)布放運(yùn)動(dòng)與定深控制策略研究

葛德宏，朱　海，高大遠(yuǎn)，王光輝（.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 26699；2.中國(guó)人民解放軍92267部隊(duì)，山東 青島 26602）

深海潛標(biāo)布放運(yùn)動(dòng)與定深控制策略研究

葛德宏1，2，朱海1，高大遠(yuǎn)1，王光輝1
（1.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199；2.中國(guó)人民解放軍92267部隊(duì)，山東 青島 266102）

深海潛標(biāo)是一種海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，具有多元化的海洋科學(xué)研究能力。本文針對(duì)一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分離、錨泊的一體化潛標(biāo)，開(kāi)展布放運(yùn)動(dòng)與定深控制研究。建立潛標(biāo)水中整體和分離運(yùn)動(dòng)的模型，其中考慮了剎車(chē)的過(guò)渡過(guò)程；提出 bang-bang 控制定深策略。仿真結(jié)果表明，潛標(biāo)分離后可以自動(dòng)布放至海底錨泊，同時(shí)將上段平臺(tái)定深至某一深度。

深海潛標(biāo)；布放；運(yùn)動(dòng)仿真；定深控制

0　引 言

深海潛標(biāo)是一種海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，可根據(jù)需求搭載不同的監(jiān)測(cè)設(shè)備和儀器來(lái)測(cè)量海流、水溫、電導(dǎo)率、聲速、密度等參數(shù)，具有多元化的海洋科學(xué)、環(huán)境研究的價(jià)值和能力［1-3］。目前，國(guó)內(nèi)外的深海潛標(biāo)多采用單點(diǎn)繃緊式系留系統(tǒng)，即將探測(cè)設(shè)備串接在系留索上，并在每個(gè)探測(cè)設(shè)備上方配置玻璃球組以確保探測(cè)姿態(tài)。由于玻璃球多且分散，導(dǎo)致潛標(biāo)布放方法復(fù)雜，時(shí)間長(zhǎng)［4-5］。研究可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分離、錨泊的一體化潛標(biāo)是未來(lái)重要的發(fā)展方向。該類(lèi)潛標(biāo)采用頂端浮力實(shí)現(xiàn)系留姿態(tài)穩(wěn)定，布放方法簡(jiǎn)單，可自動(dòng)定深。本文對(duì)一體化潛標(biāo)在水中垂直平面的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，研究基于 bang-bang 控制的自動(dòng)定深策略，為樣機(jī)研制提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1　潛標(biāo)布放概述

1）初始狀態(tài)。浮筒與剎車(chē)裝置和儲(chǔ)索筒為一個(gè)整體（浮筒段），錨為一個(gè)整體（錨段），兩段由連接分離機(jī)構(gòu)連接。浮筒段具有正浮力，錨段具有負(fù)浮力，剎車(chē)裝置鎖緊，纜索不能從儲(chǔ)索筒中抽出。

2）目的。因?yàn)楦⊥捕文蛪翰怀^(guò) 330m，同時(shí)為保證布放的安全性，要求浮筒段布放后震蕩深度不能淺于 80m。則通過(guò)調(diào)整纜索拉力，在錨著底之前保證浮筒段在該深度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，錨著底后，最終將浮筒段定深在 200m 深度進(jìn)行海洋測(cè)量，見(jiàn)圖2。

圖1　一體化深海潛標(biāo)示意圖Fig.1　The diagrammatic sketch of submerged buoy

圖2　布放定深最終狀態(tài)圖Fig.2　Final state diagram of laying and depth control

3）運(yùn)動(dòng)過(guò)程。深海潛標(biāo)布放入水中，整體下沉到一定深度后，剎車(chē)裝置松開(kāi)，分離機(jī)構(gòu)動(dòng)作將浮筒段和錨段分開(kāi)，則在錨的負(fù)浮力和浮筒的正浮力的作用下，纜索被從儲(chǔ)索筒中抽出，錨下沉，浮筒上浮。在浮筒段達(dá)到需要控制的深度時(shí)，剎車(chē)裝置剎車(chē)，停止放索，使錨和浮筒繼續(xù)以一個(gè)整體下沉，下沉一段時(shí)間到達(dá)浮筒深度限制下限后，可以逐步松開(kāi)剎車(chē)?yán)^續(xù)放纜索，浮筒上浮，錨段繼續(xù)下沉。整個(gè)過(guò)程往復(fù)，達(dá)到將消耗時(shí)間使錨著底的目的。

2　布放運(yùn)動(dòng)建模

2.1基本假設(shè)

1）布放過(guò)程中，纜索無(wú)伸長(zhǎng)，且纜索不斷線。實(shí)際過(guò)程中應(yīng)該在分離、剎車(chē)、錨著底等時(shí)機(jī)使用制動(dòng)器滑差放索緩沖，以防止纜索斷開(kāi)；

2）海流為水平流向，不影響布放定深過(guò)程；

3）潛標(biāo)由水面船布放于水中，分析運(yùn)動(dòng)從布放時(shí)潛標(biāo)豎直且速度為 0 開(kāi)始，該假設(shè)對(duì)潛標(biāo)運(yùn)動(dòng)及控制定深不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響。

2.2兩段自由運(yùn)動(dòng)受力分析

1.《秀才胡同》的種種典故不是簡(jiǎn)單的疊加，是雖未看破紅塵卻無(wú)可奈何終于拋卻所有的悲涼入骨；而《東風(fēng)破》卻是將本就破碎的東西進(jìn)行縫補(bǔ)，以修辭為針線，典故為布料進(jìn)行創(chuàng)作，讓歌曲充斥看破一切但心卻仍會(huì)為往事所動(dòng)的蒼茫惆悵之感。《秀才胡同》中如“沽酒當(dāng)壚”、“人比黃花瘦”等典故無(wú)疑完整使用了典故本身完整的氛圍，多個(gè)典故的氛圍累加，形成復(fù)雜而統(tǒng)一的感覺(jué)；而《東風(fēng)破》用典則是通過(guò)關(guān)鍵詞如“古道”、“孤燈”等典故的片段來(lái)交織成完整的情緒。

對(duì)浮筒段在水中自由運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力情況進(jìn)行分析，如圖3所示，F(xiàn)1為纜索拉力，R1為流體阻力，W1為浮力，G1為重力。無(wú)論是浮筒段還是錨段的受力狀態(tài)基本相同，區(qū)別僅在部分力的方向上，下部錨段不單獨(dú)分析。

圖3　浮筒段自由運(yùn)動(dòng)時(shí)受力分析Fig.3　Stress analysis of free movement of submerged buoy

海水阻力為：

式中：CD為浮筒或錨段阻力系數(shù)［6］，取 CD=1.2；ρ為流體密度；Vs為豎直方向上浮筒相對(duì)流體的速度；A1為迎流面積。

潛標(biāo)布放時(shí)，浮筒在海水中豎直運(yùn)動(dòng)，由于海水粘性力的作用，產(chǎn)生一部分的附加質(zhì)量，該附加質(zhì)量的估算公式為［6］：

式中：L，B，H 分別為平臺(tái)的長(zhǎng)、寬、高，K為附加質(zhì)量系數(shù)，查表［2］為 0.02。

假設(shè)浮筒段向下運(yùn)動(dòng)速度向下為正，可得下式

將式（1）代入式（2），整理可得：

其中，質(zhì)量m1隨著放纜而發(fā)生變化，如下式：

式中：m為浮筒段與纜總質(zhì)量；Lf為放纜長(zhǎng)度；Ll為纜索總長(zhǎng)；ml為纜索總質(zhì)量。

2.3兩段整體運(yùn)動(dòng)受力

當(dāng)剎車(chē)裝置剎車(chē)后，浮筒段和錨段成為一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)，平衡態(tài)時(shí)，具體受力分析如圖4所示。

圖4　潛標(biāo)整體運(yùn)動(dòng)受力分析Fig.4　The force analysis of the overall movement of submerged buoy

可得：

得出整體運(yùn)動(dòng)時(shí)的下降速度 Vz，由該速度可得出阻尼力大小。

2.4剎車(chē)瞬間運(yùn)動(dòng)分析

假設(shè)浮筒段和錨段均自由運(yùn)動(dòng)至恒定速度后進(jìn)行剎車(chē)，即剎車(chē)前處于受力平衡狀態(tài)，剎車(chē)時(shí)過(guò)渡時(shí)間較短，則剎車(chē)瞬間上段和下段可以看做是一個(gè)碰撞過(guò)程，滿(mǎn)足動(dòng)量守恒定律：

此后整體受力為：

式中：mf和 Gf為已放纜索的水中質(zhì)量與重量，該過(guò)程持續(xù)到 V3與第2階段整體平衡段速度 Vz相等，因纜索直徑很小，忽略其附加質(zhì)量。

3　定深控制

考慮到剎車(chē)裝置的最小工作時(shí)間，為避免剎車(chē)裝置處于剎車(chē)與松開(kāi)頻繁交替工作狀態(tài)，將定深過(guò)程分為2段，即前期粗控段、著底前控制段。前期粗控段主要目的是通過(guò)在定深線附近震蕩消耗時(shí)間，以達(dá)到放纜索及錨段下沉的目的，使用深度量測(cè)進(jìn)行定深 bangbang 控制［7-9］。

浮筒段裝有深度計(jì)，錨段裝有高度計(jì)，通過(guò)量測(cè)浮筒段深度進(jìn)行定深控制，通過(guò)高度計(jì)測(cè)量錨段距離海底的距離確定開(kāi)始著底段控制的時(shí)機(jī)。

根據(jù)需要，潛標(biāo)布放區(qū)域 4 000m 水深，要求錨著底；浮筒段定深在水下 200m 深度。從制造成本考慮，浮筒段最大耐壓深度約為 330m；而從安全性考慮，浮筒的深度不得小于 80m。因此在錨段下沉過(guò)程中，浮筒的深度應(yīng)該在 80～330m之間，最終定深 200m?？紤]需保留一定的余量，確定 bang-bang 控制策略為：

粗控段：

因?yàn)楦⊥捕握鹗幏禐?200m，因此確定進(jìn)行錨著底段控制的時(shí)機(jī)為錨段高度計(jì)測(cè)量距離海底小于或等于 200m 時(shí)，即當(dāng)錨下降到 3 800m 深度時(shí)開(kāi)始。

此時(shí)應(yīng)保證錨著底后，浮筒段處于 200m 水深以下，因此調(diào)整剎車(chē)深度控制值

錨著底后，因浮筒段仍處于 200m以下，松開(kāi)剎車(chē)，至 200m 深度剎停。此后，如浮筒段在流的作用下產(chǎn)生沉降，則以錨著底控制方式將其定深在 200m。

4　仿真分析

仿真條件：纜索 4 000m，纜索水中重 48kg，上、下段平臺(tái)為直徑 400mm的圓柱，上段長(zhǎng) 3.5m，質(zhì)量 350kg，浮力 50kg；下段長(zhǎng) 1.5m，質(zhì)量 600kg，浮力 80kg。

圖5～圖7分別為潛標(biāo)布放運(yùn)動(dòng)及定深控制仿真圖，顯示了布放、定深震蕩粗控和錨著底控制時(shí)浮筒段和錨段的速度、深度和加速度變化歷程。第1階段是布放開(kāi)始，初始下沉速度為 0，浮筒和錨整體下沉到 300m，其速度經(jīng)歷了短暫的加速過(guò)程后達(dá)到平衡；第2階段為松開(kāi)纜索自由運(yùn)動(dòng)時(shí)期，浮筒和錨具有相同的初速度與深度，此后自由運(yùn)動(dòng)到各自的平衡狀態(tài)，即浮筒段在正浮力的作用下達(dá)到向上的勻速運(yùn)動(dòng)，錨段在負(fù)浮力的作用下向下勻速運(yùn)動(dòng)；至浮筒段上升到水下 100m為止；第3階段經(jīng)歷自由平衡狀態(tài)、剎車(chē)至整體運(yùn)動(dòng)的平衡狀態(tài)，下沉到 300m。在錨著底控制前保持 2、3階段重復(fù)運(yùn)動(dòng)。第4階段為錨著底控制段，轉(zhuǎn)換控制方式?？梢?jiàn)潛標(biāo)分離后可以自動(dòng)布放至海底錨泊，同時(shí)將浮筒段定深至 200m。

圖5　布放及定深控制過(guò)程平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度變化Fig.5　Speed dynamic change of submerged buoy on depth control process

圖6　布放及定深控制過(guò)程平臺(tái)深度變化Fig.6　Depth dynamic change of submerged buoy on depth control process

圖7　布放過(guò)程上段平臺(tái)運(yùn)動(dòng)加速度變化Fig.7　Acceleration dynamic change of upper platform on laying process

5　結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)深海潛標(biāo)布放運(yùn)動(dòng)和定深控制技術(shù)進(jìn)行仿真研究。首先，建立了布放過(guò)程中浮筒段和錨段水中整體和分離運(yùn)動(dòng)的模型，其中考慮了剎車(chē)的過(guò)渡過(guò)程；其次，提出了bang-bang 控制定深方法，并完成仿真。結(jié)果表明，系統(tǒng)分離后可以自動(dòng)布放至海底錨泊，同時(shí)將浮筒段定深至某一深度。下一步將開(kāi)展布放定深試驗(yàn)，為樣機(jī)研制提供技術(shù)支撐。

［1］方書(shū)甲.海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)是海洋發(fā)展和維權(quán)的支撐［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34（2）：3-10.FANG Shu-jia.Marine environment monitoring：essential to marine development and rights guarding［J］.Ship science and Technology，2012，34（2）：3-10.

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Research on laying motion simulation and depth control of deep-sea submerged buoy

GE De-hong1，2，ZHU Hai1，GAO Da-yuan1，WANG Guang-hui1
（1.Navy Submarine Academy，Qingdao 266199，China；2.No.92267 Unit of PLA，Qingdao 266102，China）

The submerged buoy is a kind of platform for ocean/marine environment survey； it can be used for sea scientific research.The laying method of common submerged buoy is complicated and time-consuming.Aiming at a incorporate submerged buoy which can separate and moor automatically，this paper study the laying motion and depth control of platform.Firstly，the model of motion is established considering the transition process.Secondly，the bang-bang control method of depth control is presented and simulation has been completed.The result of simulation shows that the submerged buoy can separate and moor automatically and control the upper platform to appointed deep.

submerged buoy；laying；motion simulation；depth control

U661.33；TP273

A

1672-7619（2016）07-0087-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.019

2015-12-14；

2016-03-04

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2014M552660）

葛德宏（1977-），男，博士后，工程師，從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)控制與導(dǎo)航相關(guān)研究。