恒張力絞車在海洋浮標施放回收系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.pdf

1、海洋浮標是監(jiān)測和勘探開發(fā)海洋資源的重要工具之一。海洋浮標要發(fā)揮其重要功能，前提是能夠精確、安全施放入海，此引申出海洋浮標施放技術(shù)；同時海洋浮標有壽命期限，需定期或不定期維修、回收，此涉及其回收技術(shù)。海洋浮標施放和回收作業(yè)過程中，海況復(fù)雜導(dǎo)致船體做橫搖、縱搖、垂蕩及升沉運動，纜繩中張力易發(fā)生突變。纜繩中張力過大，易造成纜繩崩斷；纜繩張力過小，易使浮標與船體相撞，造成設(shè)備受損。為確保海洋浮標施放回收作業(yè)平穩(wěn)、安全進行，要求作業(yè)海洋絞車必須具

2、備對纜繩張力準確測量、設(shè)定、自動恒定的功能。當(dāng)前國內(nèi)對恒張力絞車的研究仍屬于起步階段，因此課題的研究工作具有重要意義。
　　針對以上問題，論文重點研究和分析用于海洋浮標施放回收恒張力絞車。目前國內(nèi)外海洋浮標施放回收技術(shù)仍存在作業(yè)步驟繁瑣、安全性較差等困難，論文結(jié)合目前海洋浮標類型及系泊系統(tǒng)特點，優(yōu)化海洋浮標施放回收方案。同時對海洋浮標拖曳作業(yè)系統(tǒng)中的拖纜和拖體進行水動力學(xué)分析，為海洋浮標的施放回收恒張力控制系統(tǒng)設(shè)計提供重要的理論支

3、撐。根據(jù)拖曳系統(tǒng)水動力分析，設(shè)計能滿足通用型浮標施放回收的恒張力絞車電液控制系統(tǒng)。為實現(xiàn)對張力精準控制，首次提出將PDF（偽微分反饋控制）控制算法引入恒張力電液控制系統(tǒng)中。采用Matlab/Simulink進行建模并仿真，仿真結(jié)果表明所設(shè)計的PDF控制器具有動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性高、超調(diào)量小、抗干擾能力強等優(yōu)勢，有效滿足復(fù)雜海況下絞車恒張力控制要求。文中通過縮比法實驗，進一步論證電液控制系統(tǒng)和PDF控制算法可靠性和穩(wěn)定性，為恒張力絞車進一步

4、海上測試提供重要的依據(jù)，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。
　　各章節(jié)主要研究內(nèi)容如下：
　　引言部分概述國內(nèi)外海洋浮標施放回收技術(shù)現(xiàn)狀，同時分析國內(nèi)外恒張力絞車發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀；以此為背景提出課題的研究意義及研究內(nèi)容。
　　海洋浮標施放回收方案設(shè)計?？偨Y(jié)海洋浮標施放回收技術(shù)的優(yōu)缺點及面臨的難點，結(jié)合海洋浮標特點，從恒張力絞車設(shè)計初衷出發(fā)，對海洋浮標施放回收方案優(yōu)化設(shè)計，分析海洋浮標施放回收作業(yè)注意事項。
　　恒張

5、力絞車整體方案設(shè)計。分析絞車作業(yè)工況及控制要求，結(jié)合絞車恒張力控制原理，對恒張力絞車結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)計算。分析纜繩張力測定技術(shù)，根據(jù)浮標施放回收作業(yè)特點，提出采用“三點彎曲法”對纜繩張力進行動態(tài)測量及閉環(huán)反饋。借鑒水下拖曳作業(yè)模型，構(gòu)建海洋浮標拖曳作業(yè)水動力學(xué)控制方程。通過對拖纜及拖體的水動力學(xué)研究分析，為浮標施放回收恒張力控制系統(tǒng)設(shè)計提供重要的理論依據(jù)。根據(jù)海洋浮標施放回收作業(yè)要求，設(shè)計恒張力絞車電液控制系統(tǒng)，并對工作原理進行重點剖析。

6、
　　恒張力控制系統(tǒng)中PDF控制器設(shè)計及仿真。綜述了工程控制理論發(fā)展概況及特點，首次提出將PDF控制算法應(yīng)用于恒張力電液控制系統(tǒng)中。通過分析PDF控制算法的原理，建立恒張力絞車纜繩張力與液控馬達兩油口壓差之比的數(shù)學(xué)模型，同時對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。采用Matlab/Simulink進行PDF系統(tǒng)建模并仿真，仿真復(fù)雜海況下正弦波信號、階躍信號、變載荷影響下模型的動態(tài)反饋。仿真結(jié)果表明，控制系統(tǒng)設(shè)計合理，PDF控制算法具有動態(tài)響應(yīng)快，

7、超調(diào)量小，抗干擾力強，穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，適合應(yīng)用于復(fù)雜海況下施放回收作業(yè)。
　　恒張力絞車控制系統(tǒng)實驗驗證。采取西門子S7-200系列PLC作為實驗平臺，根據(jù)電液控制原理，設(shè)計PLC現(xiàn)場控制方案。對PLC方案中主要部件選型及分析。采用離散化方法分析PDF控制算法通過PLC平臺實現(xiàn)原理。在PLC現(xiàn)場控制方案的基礎(chǔ)上，采用縮比法實驗，標定纜繩張力與電液比例溢流閥輸入電壓之間的關(guān)系。實驗?zāi)M復(fù)雜海況，突變負載，分析控制系統(tǒng)保持纜繩恒定張力

8、的能力。實驗結(jié)果表明所設(shè)計的電液控制系統(tǒng)及PDF控制器可靠性高，動態(tài)響應(yīng)快，抗干擾性強，滿足復(fù)雜海況的作業(yè)要求。
　　最后，對全文進行總結(jié)及展望。本文設(shè)計一款應(yīng)用于海洋浮標施放回收作業(yè)的新型恒張力絞車，提出針對通用型浮標施放回收作業(yè)方案；通過分析浮標拖曳作業(yè)水動力特性，設(shè)計可精準控制的電液控制系統(tǒng)，首次將PDF控制算法引入電液控制系統(tǒng)；采用Matlab/Simulink建模并仿真分析，仿真結(jié)果表明電液控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、快速響應(yīng)，

9、滿足復(fù)雜海況下海洋浮標施放回收作業(yè)要求；縮比法實驗進一步論證所設(shè)計的電液控制系統(tǒng)的可行性，為實際海試試驗的開展奠定基礎(chǔ)。本課題在對恒張力絞車結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)等方面研究雖取得一定進展，然而，由于條件限制，有些研究工作仍需做進一步拓展，具體可考慮以下方面：
　?。?）纜繩張力閉環(huán)控制實驗平臺完善。目前搭建的實驗平臺對于纜繩張力閉環(huán)控制仿真仍然存在不足，液壓系統(tǒng)與PLC平臺如何順暢通訊有待提高，實驗平臺的控制精度有待提高。
　?。?

10、）海洋浮標拖曳系統(tǒng)水動力分析。對于通過借鑒水下拖曳系統(tǒng)建立的海洋浮標拖曳系統(tǒng)水動力學(xué)模型，需采取試驗驗證。浮標拖曳與水下拖曳有一定差別，系統(tǒng)理論需做進一步研究。
　　（3）開展海上實驗?，F(xiàn)階段僅限于理論分析和模型仿真，應(yīng)根據(jù)設(shè)計方案，生產(chǎn)樣機，在海上開展海洋浮標施放回收作業(yè)，測試整機的性能。進一步驗證分析所設(shè)計的恒張力絞車電液控制系統(tǒng)以及PDF控制算法的可靠性及優(yōu)越性。
　?。?）提高整機使用性能。本課題施放回收作業(yè)對象是海