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原文传递深水勘察船提取关键设备运动仿真与系统控制

论文题名：	深水勘察船提取关键设备运动仿真与系统控制
关键词：	深水勘察船;波浪补偿;液压系统;运动仿真;系统控制
摘要：	我国南海地区,幅员辽阔,资源丰富,战略位置十分重要。它不仅是在我国占重要地位的海洋渔场,同时海底蕴藏着丰富的矿产资源,尤其是石油和天然气储量巨大,地质学家认为,南海南沙群岛的石油和天然气十分丰富,有“第二波斯湾”的美誉,是我国重要的能源基地和交通要道,在国家海洋发展战略和能源战略中占据着重要地位。自上世纪七十年代以来,南海周边多个国家觊觎南海在军事、经济上日益显要的战略地位,通过与西方国家合作,在南沙海域勘探、开采油田、气田一百多个,平均每年开采石油、天然气达1.2亿吨,我国南海主权维护正面临着日益严峻的挑战。　　南海海底虽然蕴藏着丰富的矿产资源,但由于我国深水勘察技术起步较晚和国家经济战略的影响,我国南沙的石油天然气等自然资源只能搁置开采,其它的石油天然气等资源,如公海资源只能看着别国开采而无能为力。　　随着我国经济的发展,国家的能源战略逐渐由陆地转向海洋,我国海洋的开发也日益增多,海洋深水勘察作业日趋频繁。船体在海面上受到海风或海浪的影响,会产生多个自由度的运动,继而产生基盘钢丝绳的收紧或放松、取样钢管随船体的偏移等,对深水勘察系统带来极大的附加载荷。同时钢丝绳受到极大的拉伸应力的作用,极易导致疲劳断裂,给深水作业船舶和工作人员带来极大的安全隐患。因此常规的海岸勘察设备在海上将无法进行安全有效地工作,海上勘察设备需要具备波浪补偿功能。解决基盘着底和取样过程中船舶随波浪升沉运动对基盘和取样工作的影响,最有效的方法是在提取设备与工作平台(船)之间安装一套升沉补偿系统,确保对应钢丝绳处于一定的张紧状态,使提取设备不受作业平台(船)升沉的影响而基本上保持相对静止。现有深水补偿技术主要应用于海洋勘察、深海打捞等方面。通过在工作平台或船体上使用波浪补偿技术,可以保障海上作业安全、高效和可靠的进行。因此船舶升沉运动补偿系统是海洋勘察工作走向深海的关键,对我国的能源战略由陆地转向海洋,高效实现海上勘察有着深远意义。　　本论文根据南海海况和地貌特征,设计服务南海深水工程勘察船的波浪补偿系统,研究的总体目标是实现波浪补偿的系统控制,对波浪补偿在整个工作过程进行监测、控制。设计补偿系统的液压控制系统,确定液压元件的参数,并完成对被动型和主动型波浪补偿的系统仿真,利用Pro/E建立深水勘察船波浪补偿系统的三维模型,完成对其运动特性的仿真分析以验证其运动平稳性,以及完成 PLC系统控制及人机界面的设计,实现对整个波浪补偿过程的控制和监控。　　论文首先根据被动和主动型波浪补偿的原理、作业海况等设计深水勘察船勘察补偿方案,并对系统方案中被动波浪补偿液压控制系统和主动波浪补偿液压控制系统进行详细设计。通过泵控型方案和阀控型方案的对比分析,选择阀控型方案作为本系统的终选方案。然后确定液压系统的参数、建立被动和主动型波浪补偿系统控制模型,用Matlab/simulink完成对被动型和主动型波浪补偿的系统仿真,仿真的结果表明控制系统设计合理,系统具有良好静动态特性,补偿精度高。利用三维实体软件Pro/E建立深水勘察船波浪补偿系统的模型;应用运动仿真软件对其动态进行仿真,并绘制出动态速度的变化曲线,然后分析整体的动态平稳性。构建整体控制方案,根据深水勘察船波浪补偿控制系统高精度、智能化的控制要求,设计一套基于Siemens S7-300 PLC的波浪补偿集中控制系统,以满足波浪补偿控制系统的响应速度,并完成该控制系统的硬件和软件的设计。采用MCGS监控组态软件设计了波浪补偿控制系统的实时监控系统,该系统具有监控显示,参数设置,实时曲线显示,历史曲线显示,历史数据保存、查询和导出,数据采集与处理,超限报警等功能。该监控系统具有良好的人机界面,方便工作人员直观准确地查看设备运行状况,对工作过程中的数据进行查看、提取和分析,自动化程度高,具有一定的创新性。　　通过验证该系统的合理性与科学性,为系统实物开发奠定了基础。该波浪补偿控制系统的科研价值和战略意义极大,并具有良好的应用前景。
作者：	刘帅
专业：	机械设计及理论
导师：	谌志新
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海海洋大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文