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原文传递重型海工装备升沉补偿电液控制系统研究

论文题名：	重型海工装备升沉补偿电液控制系统研究
关键词：	海工装备;重型拖曳系统;升沉补偿器;运动预测;自适应鲁棒控制;升沉补偿电液系统;补偿控制
摘要：	深海拖曳系统被广泛应用于海底资源勘探、大功率声纳拖曳等多种领域，在拖曳过程中，拖体随母船因海浪作用产生的不规则运动而产生巨幅升沉运动，同时，铠装缆绳及拖体因升沉运动受到不规则往复的动态负载力，拖体的性能及铠装缆绳的寿命受到巨大影响。对于重型拖曳系统，由于拖体重量及缆绳自重较大，拖曳方向几乎平行于母船升沉方向，受升沉运动产生的位移波动和动态负载力影响更大。升沉补偿器可以有效的缓冲并补偿拖体的升沉运动，使负载免受母船升沉运动的影响，是保证深海拖曳系统正常工作的必要措施。被动式升沉补偿器对拖体的位移以及缆绳的张力都有一定的补偿效果，且不需要消耗动力，因此应用比较广泛，但其补偿精度低，存在较大的滞后且参数设计不匹配容易造成系统补偿性能不稳定;主动升沉补偿系统可以有效的补偿负载位移或张力，但能耗大，并不适用于重型拖曳系统，主被动复合式升沉补偿器的研究成为主流。但目前我国升沉补偿技术仍处于起步阶段，升沉补偿器的参数设计及电液系统的补偿控制方法的研究和开发相对滞后，而国外垄断企业均将升沉补偿器的研究成果列为重点保密技术。本文根据海工装备中重型深海拖曳系统的负载特性及功能需求，设计一种复合式升沉补偿电液系统，通过原理设计、理论建模、仿真分析和实验研究相结合的方法展开研究，具体内容如下: 　　第一章，阐述了升沉补偿器的相关研究背景及意义，综述了升沉补偿器的工作原理、分类及国内外发展概述。从电液伺服系统位移控制及压力控制策略、海浪预测技术等关键技术的方面对国内、外研究现状进行了综述，在对本课题研究对象的必要性及创新性综合分析后确定了本课题的主要研究内容。　　第二章，研究了海工装备在海浪中的运动特性，基于Matlab/Simulink软件搭建了母船升沉运动模拟器，对母船在3～6级海况下升沉运动进行了仿真研究。采用MRU运动姿态测量仪在中国南海海域对母船在不同海况下的升沉运动数据进行了实况采集及分析。通过对所设计的升沉补偿器时滞特性及所研究的深海拖曳装备在海浪中运动特性的分析，提出一种基于快速傅立叶变换、自抗扰状态观测器及参数自适应补偿的海浪模型预测算法，通过所模拟的不同海浪下的升沉运动姿态及实测的母船在中国南海某海域的升沉运动数据对所提出的预测算法进行仿真和实验研究。实验结果表明，所提出的升沉预测算法对不同时滞及不同海况下的母船升沉运动可以取得很好预报效果，可以用于后续升沉补偿控制中MRU检测及执行器动态时滞的实时动态补偿。　　第三章，以100T级深海重型拖曳系统为研究对象，对深海中重型拖曳过程拖体及缆绳所受负载力特性进行了实验研究，在对实验数据分析的基础上，建立了负载力数学模型，为后续控制算法的设计提供了理论及实验基础。设计了100T级被动式升沉补偿器，建立了被动式升沉补偿系统的数学模型，在AMESim和Matlab/Simulink联合仿真平台上对被动式升沉升沉补偿器进行了仿真研究及参数优化，对其设计理论及设计参数进行了仿真分析，着重讨论了蓄能器容积、蓄能器平均负载压力以及升沉运动频率对被动式升沉补偿效果的影响。对三级海况、四级海况、五级海况及六级海况等不同海况环境下被动式升沉系统位移补偿及张力抑制效果进行了仿真研究。基于对重型拖曳系统的负载工况分析及被动式升沉补偿器特性的研究，根据深海拖曳系统的功能模式需求，设计适用于该重型拖曳系统的100T级复合式升沉补偿电液系统，并建立的其数学模型，为后续复合式升沉补偿电液系统的控制提供基础。　　第四章基于深海拖曳系统中拖体及缆绳张力受到的时变不规则升沉扰动负载特性，以补偿缸负载压力（或缆绳张力）为控制目标，设计研究了一种适用于重型拖曳系统的主被动复合式升沉张力补偿电液控制系统。通过建立复合式升沉张力补偿系统的非线性动力学模型，结合自适应鲁棒控制及积分滑模等现代控制理论，设计了一种适应于深海拖曳系统恒张力补偿控制系统的非线性自适应鲁棒积分滑模控制（ARISMC）方法，其中:(1)通过高阶微分跟踪器对补偿缸负载压力或缆绳张力在一段时间内观测值的平均值估计作为系统的控制指令（即期望压力），引入补偿缸的位移并经高阶微分器滤波求解各阶导数作为压力补偿控制器的内模前馈或状态限定变量;(2)对液压油等效弹性模量、伺服阀流量系数、液压缸泄漏系数等参数采用参数自适应控制在线更新估计，并引入积分滑模项抑制参数估计误差;(3)将系统已建模部分作为控制输出的前馈，通过添加非线性鲁棒反馈项提高压力动态补偿精度并保证控制器系统镇定;(4)基于反步法设计系统的控制器，将系统分解为两个子系统，分别设计各子系统的Lyapunov函数和虚拟控制变量，以使系统镇定并完成系统控制律的设计。该控制器同时解决了重型深海拖曳系统系统张力补偿过程中的模型非线性、参数不确定性及非线性扰动等难题。搭建了实验样机及海况模拟综合实验台，基于实测的母船在中国南海海域升沉运动数据及3～6级海况时母船升沉运动模拟轨迹，展开了本章所提算法在不同工况下的压力补偿效果的仿真及实验研究。仿真及实验结果表明，本文提出的ARISMC张力补偿控制器对系统的模型非线性、参数不确定性及非线性扰动特性具有较好的抑制作用，表现出良好的张力补偿精度和强鲁棒性。　　第五章基于主被动复合式升沉补偿器电液系统的负载特性及功能需求，设计了一种基于扩张状态的自适应扰动观测器（EADOB），引入非线性级联控制(NCC)及鲁棒控制(RC)，提出基于扩张状态自适应扰动观测器的非线性鲁棒级联控制算法（EADOB-NCRC），结合海浪升沉预测算法，研究了一种适用于主被动复合式升沉补偿器的基于扩张状态自适应扰动观测器的非线性鲁棒级联预测控制算法（EADOB-NCRPC）。该方法中，EADOB在线估计补偿参数不确定性和未知负载扰动，NCRC将控制系统分为外环位移控制器和内环压力控制器两个相互相独立的部分，在外环控制中引入动态滑模项来抑制干扰估计误差，进一步提高系统的鲁棒性，预测算法(PC)用以补偿MRU测量时延及执行器动态响应时滞的影响，基于back-stepping反步法设计系统的虚拟压力控制量输入及实际的控制输出值，并基于李雅普诺夫稳定性理论验证了本文算法应用于复合式升沉补偿闭环系统的稳定性。针对实验中存在的信号噪声及微分噪声放大问题，研究了一种基于4阶线性系统的跟踪微分滤波器(HTDF)，有效了消除了噪声并求解出控制算法所需期望轨迹的各阶微分值。基于实际复合式升沉补偿器的参数设计并搭建了实验样机及海况模拟综合实验台，基于不同负载工况下3～6级海况时母船升沉运动模拟曲线及实测的母船在中国南海海域的升沉运动数据进行了仿真和实验研究。仿真及实验结果说明了本文所提出的EADOB-NCRPC控制算法的良好升沉位移补偿效果，在控制精度和鲁棒性方面的优越性。　　第六章，对全文的研究工作内容的进行了总结，归纳出了本课题的研究结论及创新点，为后续相关研究提出了建议与展望。
作者：	李世振
专业：	机械电子工程
导师：	魏建华;孔晓武
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文