鋪纜船拖鏈建模及航跡控制技術(shù)研究.pdf

1、海底光纜埋設(shè)施工時(shí),埋設(shè)犁需要鋪纜船通過(guò)拖鏈驅(qū)動(dòng)。埋設(shè)犁的路徑和速度,亦即鋪纜路徑和速度需要通過(guò)控制鋪纜船的航跡和速度來(lái)得到。鋪纜船的運(yùn)動(dòng),除了海洋環(huán)境的影響之外,拖鏈張力對(duì)其的影響也不可忽略。為了精確控制鋪纜船以一定的速度和航跡航行,需要分析拖鏈的運(yùn)動(dòng)情況,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)軌跡跟蹤控制器進(jìn)行航跡控制。
　　本文首先建立了拖鏈和鋪纜船的數(shù)學(xué)模型,然后研究了鋪纜船和拖鏈的耦合運(yùn)動(dòng)情況,建立了鋪纜船-拖鏈耦合運(yùn)動(dòng)模型。最后針對(duì)鋪纜船-

2、拖鏈耦合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)軌跡跟蹤控制器。鑒于滑模變結(jié)構(gòu)控制的響應(yīng)快速、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn),本文使用基于指數(shù)趨近率的滑?？刂破?并采用云模型理論解決抖振的問(wèn)題。鋪纜船的航跡通過(guò)簡(jiǎn)化的方式由埋設(shè)犁的路徑確定,將仿真得出的鋪纜船和埋設(shè)犁的路徑與期望路徑對(duì)比,分析結(jié)果。具體如下:
　　(1)首先綜合鋪纜船的水面作業(yè)和低速運(yùn)行特性,從普通船舶的六自由度模型出發(fā),建立鋪纜船的三自由度數(shù)學(xué)模型和環(huán)境干擾數(shù)學(xué)模型。然后簡(jiǎn)要介紹了勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的埋設(shè)犁

3、數(shù)學(xué)模型,為后續(xù)分析奠定基礎(chǔ)。
　　(2)從穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)兩方面考慮,建立拖鏈運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析時(shí),以拖鏈微元為研究對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)已知的拖鏈狀態(tài)值將拖鏈的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為初始值問(wèn)題,進(jìn)而通過(guò)龍格庫(kù)塔法數(shù)值求解;仿真分析穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)與拖鏈下端姿態(tài)角的關(guān)系,以及海流對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)的影響。動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析時(shí),采用集中質(zhì)量法,將拖鏈在空間上離散成一系列節(jié)點(diǎn),以節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象,得出其運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,以穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)值為初始值進(jìn)行數(shù)值

4、求解;仿真分析變速直航和定?；剞D(zhuǎn)時(shí)拖鏈的運(yùn)動(dòng)情況。
　　(3)通過(guò)耦合條件將鋪纜船和拖鏈的數(shù)學(xué)模型結(jié)合成一個(gè)整體,建立鋪纜船-拖鏈耦合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)比鋪纜船在一定的推力和轉(zhuǎn)矩的作用下運(yùn)行時(shí),鋪纜船自身以及在拖鏈作用下的回轉(zhuǎn)半徑、航行速度等情況,分析拖鏈對(duì)鋪纜船運(yùn)動(dòng)的影響。
　　(4)通過(guò)假設(shè)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中鋪纜船和埋設(shè)犁的水平距離保持恒定,由埋設(shè)犁路徑確定了鋪纜船航跡。
　　(5)針對(duì)耦合系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng),應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控