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海上廊桥设计与波浪补偿控制研究
| 论文题名： | 海上廊桥设计与波浪补偿控制研究 |
| 关键词： | 海上风电平台;海上廊桥;升沉运动;横摇运动;波浪补偿 |
| 摘要： | 随着人类对海上风能资源的开发，越来越多的海上风电平台被建立起来，在海上风电平台的建设与维护过程中，工作人员需要频繁在工程船和海上风电平台之间换乘。由于海浪的扰动，海上作业的船舶会产生升沉、横荡、纵荡、横摇、纵摇和艏摇运动，其中横荡、纵荡和艏摇运动可以被船舶动力定位系统补偿，但是船舶的升沉、横摇和纵摇运动依然给海上换乘作业的安全性和效率造成了不利影响。本文设计了一款用于海上风电平台的建设与维护的海上廊桥，该海上廊桥具有主动波浪补偿与被动波浪补偿两种补偿模式。主动波浪补偿模式下，海上廊桥通过包含俯仰机构、伸缩机构和回转机构在内的执行机构来补偿波浪扰动引起的船舶升沉、横摇和纵摇运动，使得廊桥梯架末端静止于风电平台入口上方；海上廊桥梯架末端与风电平台搭接后，海上廊桥处于被动波浪补偿模式，工作人员可以快速完成换乘作业。本文的研究内容如下： 首先，根据海上廊桥的使用场景，制定了设计目标和整体框架，设计了桁架结构的廊桥梯架，分析了海上廊桥梯架承受的载荷，用有限元分析的方法对梯架结构强度进行校核，设计了俯仰机构、伸缩机构和回转机构，这些执行机构可以驱动廊桥梯架做回转运动、俯仰运动和伸缩运动；然后，分别建立惯性坐标系、船舶附体坐标系、廊桥基座坐标系，根据船舶的运动姿态、海上廊桥的安装位置与几何参数、风电平台入口的位置，通过坐标变换和运动学反解，求出主动波浪补偿时俯仰机构、伸缩机构和回转机构所需的运动量；根据各个执行机构的工作要求与物理特性，制定了电液伺服阀控液压系统设计方案，设计液压回路，并建立液压系统数学模型；进一步，为了实现对海上廊桥的同步波浪补偿控制，利用时间序列分析方法对动力定位船舶的升沉运动、横摇运动和纵摇运动进行预报；最后，考虑到海上廊桥液压系统存在参数不确定且作用于廊桥梯架的负载是未知时变的，并根据船舶运动预报信息，结合海上廊桥的安装位置与几何参数、风电平台入口的位置，通过坐标变换和运动学反解求得补偿船舶升沉运动、横摇运动、纵摇运动各执行机构所需运动量，构造扩张状态观测器，实时估计由模型参数不确定和未知时变的负载所构成的总扰动，并结合动态面控制方法设计海上廊桥波浪补偿控制律，使得各个执行机构的运动量恰好可以补偿船舶的升沉运动、横摇运动与纵摇运动，实现廊桥梯架末端在惯性坐标系下的静止；并用MATLAB/Simulink仿真验证所设计的控制律的有效性。 |
| 作者： | 杜少彬 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 杜佳璐 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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