深水勘察装置波浪补偿系统设计

王志勇，谌志新，徐志强

（中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所 农业部渔业装备与工程重点开放实验室，上海 200092）

深海高新技术是海洋开发和海洋技术发展的最前沿与制高点，也是目前世界高科技发展的方向之一.随着世界深海高新技术的发展，这一领域正在形成高技术群，有望成为与航天技术、核能利用技术等相互并列的高新技术领域，辐射并带动相关技术产业的发展.过去20多年来，我国在持续开展大洋勘察工作的同时，深海科学研究和技术开发也得到了快速发展，已经初步建立了深海勘察、深海多金属结核矿物开采、运载和冶炼等高技术平台，形成了一定的技术储备.但由于我国的大洋事业起步较晚，深海勘察技术手段和研究水平与美国、日本等发达国家相比，还存在较大的差距，在新资源的勘察上也面临着巨大的压力.中国作为一个发展中的大国，要想在和平开发利用国际海底资源中发挥积极作用，就必须增强在国际海底区域的活动能力和监测能力，大力发展我国的深海高新技术［1－2］.

1 勘察装置总体结构及工作原理

该深水勘察装置由船体、布放绞收装置、基盘及取样装置、液压驱动与控制、波浪补偿装置等组成，总体结构如图1所示.

系统工作过程就是基盘及取样装置的布放与回收，功能要求是保证布放时各个设备能够快速、安全送到海底一定的位置；回收时能够保证准确、快速和安全回收到船上来.布放过程：首先使用基盘绞车将基盘吊放到月池平台的活门上，取样绞车起吊取样管对准基盘上部口，然后开启活门，基盘绞车与取样绞车同时运动，将基盘与取样管下放至一定位置后，安装连接下一节取样管，继续布放直到设备下到海底指定位置.基盘与取样装置到达指定位置后，基盘绞车与取样绞车刹车制动.当船体受波浪运动上下升沉时，油缸和蓄能器补偿控制调节钢丝绳长度，使基盘与取样装置始终保持在一定位置；如果船体升沉位移过大，绞车运转放出绳索，从而避免受到波浪运动而影响勘察取样工作.

图1 勘察装置结构图Fig.1 Structure of exploration device

2 波浪补偿系统原理及设计

由于船体及勘察设备在工作过程中会随着波浪运动而产生纵向和横向振动，从而使得取样机和基盘起吊钢丝绳产生拉伸和弯曲变形，影响系统的可靠性和稳定性，因此系统设计了波浪补偿装置.波浪补偿按照动力供应分为主动补偿和被动补偿.主动升沉补偿系统利用传感器测量拖体深度或拖缆张力，控制油缸或液压马达运动，该类型补偿系统可以采用反馈控制，抗干扰能力强，适应性好，补偿精度高，补偿性能稳定，但是消耗的功率较大.被动型波浪补偿系统的补偿动力来源于船的升沉，当船升沉时，依靠海浪的举升力和船自身的重力来压缩和释放蓄能器中的压缩空气，从而实现升沉补偿.该类型的波浪补偿系统几乎不消耗动力，因此应用比较广泛.但是其最大缺点就是补偿精度低，补偿性能不稳定，滞后比较大［3－4］.

2.1 波浪补偿系统设计

该波浪补偿系统采用主动补偿和被动补偿相结合，补偿采用位移型升沉补偿策略.位移型升沉补偿策略以负载的升沉位移作为主要控制信号，补偿的首要目标是补偿对象的升沉位移为零.在升沉补偿的过程中，当负载受到一个较大的升沉位移扰动而偏离平衡位置时，负载以尽可能快的速度回到平衡位置.补偿系统采用油缸和蓄能器相结合，电液伺服系统控制，图2为波浪补偿系统结构图.电液伺服控制技术作为连接现代微电子技术、计算机技术和液压技术的桥梁，已经成为现代控制技术的重要构成.由于它具有线性好、死区小、灵敏度高、动态性能好、响应快、精度高等显著优点，因而得到了广泛的应用［5－7］.系统补偿原理：船体受波浪运动在一定范围内上下波动时，通过压缩和释放蓄能器中的氮气来补偿钢丝绳长度.当船体升沉位移过大，蓄能器来不及补偿时，控制系统根据位置传感器测得数据发出指令信号，在伺服控制器中与油缸的实际位置信号相比较，成为误差的信号放大后，送入电液伺服阀，伺服阀按一定的比例将电流信号转变成液压油量控制绞机转动，释放绳索.由位置传感器发出的反馈信号不断改变，直至与指令信号相等时，绞机停止运动.油缸停在指定的位置上，蓄能器开始补偿.位置传感器用来测量实际位置信号，并将其转换成对应的电流信号或电压信号送至伺服控制器作为反馈信号.同时控制器还接收来自主控室位置指令信号调节器的液压油流量指令信号.

2.2 油缸补偿系统受力分析

以基盘绞车补偿系统为例，分析其油缸补偿过程中的受力情况，如图3所示.

钢丝绳的重力G为

式中：m为钢丝绳的质量，m＝lpl，l为在液压缸布置位置以下钢丝绳在海水中的竖直方向上的长度，pc为钢丝绳线质量；g为重力加速度.

钢丝绳所受到的浮力f为

式中：d为钢丝绳的直径；ρ为海水密度.最

大加速度所引起的惯性力Fi为

式中：al为最大加速度.

由于钢丝绳在水中受到阻力较小，在计算中可以忽略，钢丝绳拉力为

式中：F为恒张力.

单个滑轮的转动惯量所引起的钢丝绳拉力F′j为

图2 波浪补偿系统结构图Fig.2 Structure diagram of heave compensation system

图3 波浪补偿系统单边受力简图Fig.3 Strain diagram of heave compensation system

式中：M为单个滑轮所产生的扭矩；r为回转半径.

滑轮组的转动惯量所引起的钢丝绳拉力Fj为

式中：η为滑轮效率.

对液压缸作受力分析，于是液压缸的推力为

图3中各段钢丝绳受力为

3 系统建模与仿真

为了分析补偿系统的运动特性，需要对研究的系统建立数学模型，以便进行动态仿真研究.Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中.可以用连续采样时间、离散采样时间或2种混合的采样时间进行建模.它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率.Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试［8］.

根据上述油缸的受力计算公式，建立补偿系统的控制方程.从MATLAB模块库中选择对应的模块，在模型窗口中建立分析系统的数学模型，模型如图4所示.图4中p0为初始压强，V0为充气体积，C为常量，K为增益系数.给模块设置合适的参数值，运行仿真，显示模拟结果如图5所示.

图4 系统数学模型Fig.4 Mathematical model of system

图5 补偿位移曲线仿真结果Fig.5 Simulation result

仿真结果中的曲线分别为船体和油缸的位移曲线.由图2系统受力可知，系统波浪补偿采用6倍速率滑轮绕绳，因此，当船体最大升沉位移为3m时，补偿油缸最大伸缩位移为0.5m，通过MATLAB仿真可以验证波浪补偿系统的动态特性.

4 结论

勘察装置采用主动补偿和被动补偿相结合的方法，不仅减少了动力消耗，而且适应性好，提高了补偿精度，补偿性能稳定.该波浪补偿系统成功应用于国内3 000m深水勘察船，为海洋勘察技术提供了技术支持.

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