水下机器人主动升沉补偿系统研究

介绍一种基于水下机器人常规液压收放绞车的主动升沉补偿系统,利用加速度传感器获得母船的升沉运动信号,控制绞车的运转来降低母船的升沉运动对水下机器人的影响。通过理论计算建立主动升沉补偿系统的数学模型,仿真分析绞车运动对水下机器人升沉运动的补偿效果,并利用主动升沉补偿系统实验台验证基于常规液压收放绞车的主动升沉补偿方案的可行性。     

海洋绞车主动升沉补偿控制系统建模与仿真分析

针对海洋绞车主动升沉补偿系统的控制要求,通过对主动升沉补偿系统的控制机理进行分析,于Simulink软件中搭建海洋绞车主动升沉补偿控制系统的仿真模型。根据负载所处不同海况,设置相应仿真参数,得出负载在不同海况下主动升沉补偿控制系统的补偿特性,绘制了负载在升沉补偿作用下的位移响应曲线及补偿时电机转速响应曲线,并与无升沉补偿作用下的仿真结果进行对比。仿真结果表明,该主动升沉补偿控制系统具备理想的补偿精度。将主动升沉补偿控制系统应用于海洋绞车进行模拟试验,得到了电驱动海洋绞车主动升沉补偿控制系统在四级模拟海况下的试验数据。试验结果表明该主动升沉补偿控制系统满足补偿能力设计要求。研究可为海洋绞车主动升沉补偿控制系统补偿性能的改进与完善提供参考。     

多点液压式波浪能海水淡化系统建模与仿真

为缓解淡水资源短缺及化石能源过度使用问题,提出多点液压式波浪能海水淡化系统,该系统主要由采能装置、液压传递系统与反渗透膜海水淡化设备组成。系统的采能装置采用振荡浮子式,可将波浪能转换为浮子振荡从而被液压系统吸收达到采集波浪能的目的。为了提高液压式波浪能海水淡化系统的采能效率及淡水率,利用AMEsim软件对液压传递系统进行建模与仿真,分析了蓄能器、浮子个数及波高对液压传递系统输出响应的影响。结果表明:蓄能器能够使液压马达的输出响应更加稳定;当浮子的数量增加时,液压系统达到稳定的运行状态所需的时间更短,从而有利于提高系统的效率;波高在2 m左右时,本系统的产水量达到最大。     

海况对水下运载器吊放回收的影响

本文将水下运载器，吊索和母船看作是一个由弹簧连接的单自由度系统，通过对系统进行分析和研究，建立了水下被吊物体在吊索带动下，由吊臂端点运动引起的运动响应的物理模型、数学方程，并编制了各项参数可调的计算机程序以求解水下物体的运动轨迹。运用此程序，对影响参数作系列变化后进行了运动响应计算，并绘制成运动响应随这些参数变化的曲线，为水下吊放回收系统的设计提供了依据     

水下拖曳升沉补偿系统水动力数学模型研究

建立变缆长的水下拖曳升沉补偿系统水动力学偏微分方程组和边界条件.拖缆动力学模型基于Ablow and Schechter模型,拖体采用水下运载体六自由度方程模拟,运用有限差分法离散偏微分方程组和牛顿迭代法计算变缆长情况下拖体深度与拖缆各点张力的动态取值.数值计算结果表明采用收放拖缆的升沉补偿方法能够有效削弱母船升沉运动对拖体深度和拖缆张力的影响.     

新型鱼雷发射系统前盖柔性开闭仿真设计

针对传统鱼雷发射系统前盖开启、关闭瞬时撞击噪声大的问题,设计了基于高速开关阀的改进型前盖开闭装置速度控制液压回路,通过 AMESim 和 Simulink 软件建立了液压回路的计算机仿真模型,并对其进行联合仿真。由仿真结果可以看出：与传统前盖开闭装置相比,改进型装置能够有效降低前盖开闭瞬间的速度,从而降低撞击噪声。     

深海采矿机器人行走液压系统特性研究

针对深海采矿机器人"鲲龍500"行走液压系统,建立深海采矿机器人行走液压系统理论模型,分析深海高压和低温环境对油液特性影响,并基于AMESim软件平台,建立深海采矿机器人行走液压系统数值模型,研究了0～6 000 m不同作业深度下的行走液压系统泵和马达的动态特性,以及在6 000 m水深时不同牌号液压油和行走启动特性对其行走性能的影响,对比分析了深海采矿机器人水池行走试验和500 m海底行走试验的行走泵的输出压力与流量曲线与其数值模拟曲线。研究表明,随着超过1 000 m作业水深的增加,深海行走液压系统的动态响应性能和稳定性显著降低,通过减小行走输入电压斜坡斜率和减小控制电压可以提高行走液压系统的稳定性,并通过试验验证了行走液压系统数值建模与仿真的正确性,为深海液压系统研究提供理论基础。     

通过电缆续接技术修复水下油田电力通讯故障的技术实践

南海某油田采用水下生产系统技术进行开发,其8口水下井通过回接13 km外的现有油田设施进行生产,油田作业水深约300 m。水下控制采用了复合电液控制系统,电、液、通讯信号等由现有生产设施通过一条约14 km长的脐带缆提供。该油田投产后不久出现了电力通讯缆绝缘电阻低的问题,1 a后,该脐带缆中所有3根4芯电力通讯缆绝缘全部归零,失去了对水下井口远程操控功能。为了尽快修复故障,恢复水下操控,技术人员创新性地提出利用油田电潜泵供电用中压多芯电缆中3根备用电缆芯作为供电和通讯回路使用的方案。通过研究和分析,设计了特殊的水下电缆续接装置,将1条3芯中压电飞线输入转接为输出2条双回路低压信号电飞线,接入到原系统的水下电力分配模块中去,且满足100%的通讯回路冗余要求。通过原创技术研发成功完成了相关水下转接装置的研制和安装应用,恢复了对所有井口的远程控制,改造后的系统已稳定运行多年。     

深海设备的升沉补偿系统

随着深海开发的不断增长,可靠安装方式的需求也在增加。为了响应市场的需求,研发了一种适应于深水设备的新型主动升沉补偿系统。这套系统在2003年早期就建造完成并成功测试。本文介绍了AHC175／40／6200型主动升沉补偿系统,它安装在“Normand Progress”号船上,目前在水深达到2400m的非洲海域进行海底结构安装操作。     

基于浮力调节的液压系统动态特性仿真

AUV在水下作业时浮力会受到海水温度、深度等的影响而发生变化,为了解决浮力变化引起的航行性能问题研制了浮力调节装置,它对于大航程、大潜深AUV的发展具有重要的意义。针对以上问题,设计了一套活塞缸式浮力调节装置,它利用液压系统驱动液压缸吸排海水改变浮力从而实现浮力调节的目的,浮力调节的大小是通过直线位移传感器测量油液的改变量间接计算得到的;接着利用AMESim进行液压系统仿真,重点分析了液压缸的动态特性,为实际系统的试验提供了理论的指导意义;最后为了验证液压库建模和HCD库建模的等效性,采用HCD库建模进行比较分析。     

半潜式平台垂荡响应抑制措施研究

半潜式平台垂荡响应较大,对生产平台立管和采油树系统的选择、钻井平台钻杆升沉补偿装置等提出更高要求,增大了作业和维护成本。针对这一问题,在传统结构基础上提出了三种新的结构概念:1)在浮筒底部加垂荡板;2)沿立柱外延加垂荡板;3)改变立柱为变截面结构。通过数值分析对各平台模型水动力性能进行比较,结果表明,各新型结构对半潜式平台垂荡起到一定程度的抑制效果。由于在浮筒底部加垂荡板的方案效果比较突出,对该方案进一步做了优化和改进工作,并对平台在南海百年一遇波浪环境条件下的垂荡响应概率密度函数和响应极值进行了预报和对比研究。     

AUV水下对接装置控制系统设计

自主式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)在航行使命结束后需要回收至甲板或陆地进行补给和维护。为避免重复布放回收所带来的不便,根据锥形导向式回收原理,针对水下对接装置及其控制系统进行了设计。水下对接装置控制系统由水面控制终端,水下控制系统和水下外部设备等部分组成,使用超短基线引导AUV进入指定区域,在对接过程中依靠行程开关和无线电反馈的信息判断AUV的相对位置及状态,并通过驱动相应的液压机构对AUV姿态进行校正和固定,进而完成对接过程。水下对接装置在千岛湖进行了试验,在吊装水下7 m的情况下实现了AUV的水下对接,并利用湿插拔电连接器完成了对AUV的有线充电和数据上传。试验验证了对接方案的可行性以及控制系统的稳定性,为将来AUV能够进行长时间、不间断航行提供了可能。     

海水液压水下作业工具

２１世纪人类将全面进入海洋开发时代,各种海洋水下工程都需要大量的水下作业。对体积小,重量轻、灵活方便、驱动功率又大、高效节能、与环境相容的水下作业工具将是现代水下作业的首选装备。本文在分析比较现有几类水下作业用机械工具特点的基础上,着重论述海水液压水下作业工具的突出优越性,并介绍近年来国际上关于海水液压水下作业工具的研究和发展情况,以供水下作业工具使用和研究开发工作者参考。     

基于Newton法优化ARMA模型参数的船舶升沉运动预测研究

为解决波浪补偿系统中时延现象导致的控制性能下降问题,通过建立Newton-ARMA模型提前预测船舶升沉运动来消除时延现象。首先设计卡尔曼滤波器对船舶升沉运动加速度信号进行降噪滤波处理;然后使用加速度二次积分模块将加速度信号转换为位移信号;最后建立自回归滑动平均(ARMA)模型,并使用牛顿(Newton)法对模型参数进行优化,得到船舶升沉运动的Newton-ARMA预测模型。仿真结果表明,Newton-ARMA模型对船舶升沉运动的预测时间可达10 s,预测误差随着预测时间的增加而增大; Newton-ARMA模型对二级海况、三级海况和四级海况下的船舶升沉运动平均预测精度分别达到89.43%、88.53%以及87.78%,远高于ARMA模型对船舶升沉运动预测的精度,说明采用Newton法优化ARMA模型参数可以显著提高船舶升沉运动的预测精度,也即Newton-ARMA模型对控制波浪补偿系统时延具有较好的补偿效果。     

基于MATLAB and Simulink的波浪能装置液压能量转换系统仿真研究

液压式能量转换系统是波浪能发电装置应用最为广泛的一种能量转换方式。本文针对波浪能液压能量转换系统展开了模型仿真研究,建立了带有蓄能稳压环节和液压自治控制器的波浪能装置液压能量转换系统的数学模型。基于所建立的数学模型搭建了波浪能装置液压转换系统的MATLAB and Simulink仿真框图,对系统进行仿真,并利用实海况实验得到的发电数据和仿真数据进行对比。结果显示,二者之间的相对误差较小,验证了该系统仿真模型的准确性。此外,还分别模拟了规则波和随机波输入情况下液压能量转换系统的发电特性曲线。仿真结果表明,无论是规则波还是随机波,经过液压能量转换系统之后,输出的发电特性都比较稳定,也即是利用该能量转换系统实现将不稳定的波浪能转换成稳定的电能,提高了发电质量,为后续的电力输送及并网提供了便利。     

海水液压水下作用工具

２１世纪人类将全面进入海洋开发时代,各种海洋水下工程都需要大量的水下作业。对体积小,重量轻、灵活方便、驱动功率双大、高效节能、与环境相容的水下作业工具将是现代水下作业的首选装备。本文在分析比较现有几类水下作用机械工具特点的基础上,着重讨论海水液压水下作用工具的突出优越性,并介绍了近年来国际上关于海水液压水下作业工具的研究和发展情况,以供水下作业工具使用和研究开发工作者参考。     

波浪能发电装置液压模拟测试技术研究

文中针对波浪能发电装置液压系统测试需要,介绍了液压系统测试平台的研制工作。该平台采用由电液伺服阀和比例压力阀组成的液压系统模拟波浪能发电装置在波浪作用下往复运动,实现测试液压系统工作性能。建立系统传递函数,分析了系统稳定性;通过计算仿真分析,其结果表明所设计的波浪能发电装置液压检测平台能够满足模拟波浪输入条件的要求。     

可潜器吊放回收过程中动负荷的确定

可潜器在海上的吊放回收操作是可潜器安全使用的重要方面,而合理地估算可潜器在吊放回收过程中的最大动力负荷又是吊放回收操作安全的关键。本文导出了可潜器从水下30米左右到水面这一吊放过程中可能出现的最大动力负荷的计算方法,并用可潜器模型进行了模型试验。试验结果与计算结果比较表明,两者具有良好的一致性。本文导出的计算方法也可用于计算打捞作业中提升重物至水面附近时吊索的最大张力.     

不规则波下船舶运动响应特征数值分析

针对不规则波浪作用下Wigley型船的运动响应问题进行了系统的研究,采用统计学方法深入探讨了船舶不规则运动幅值和响应周期的分布规律,并通过傅里叶变换对船舶运动响应进行了频谱特征分析。结果表明,船舶横摇方向与升沉和纵摇方向随机运动的响应特征有显著差异。在升沉与纵摇方向,波浪谱峰频率远离自振频率,前十分之一大振幅运动对应周期离散性较小,基本稳定在波浪谱峰周期附近,但小振幅运动周期分布离散性较大,频谱分析指出船舶升沉与纵摇运动响应频谱在波浪谱峰频率附近出现明显峰值。而在横摇方向,波浪谱峰频率与自振频率相耦合,不同振幅的横摇运动响应周期均稳定在自振周期附近,且周期离散性较小,频谱分析也表明横摇运动响应频谱主要集中于船舶运动自振频率附近。     

海水液压作业工具系统的研制

介绍了一种以海水液压驱动的水下作业工具,分析了该系统的组成、工作原理、研制难点及解决方案。该工具系统能工作于300m以浅的海域,完成水下钢缆切断、船体和水下结构物表面的清刷、打磨等工作。