动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统设计及控制研究

摘要

深海采矿升沉补偿系统作为采矿船、扬矿系统及其布放系统的重要接口设施，能够有效隔离深海采矿作业区随机波浪下采矿船巨幅运动对扬矿管线等水下设备的影响，是安全进行深海采矿作业必不可少的关键装备之一。因此开发占用空间小、能耗低、安装简便的主动升沉补偿系统成为海洋工程的当务之急。
　　 本文针对深海采矿升沉补偿这样一个大惯性强干扰系统的宽频带振动控制问题，以中国深海1000m多金属结核开采中试系统为研究对象，探讨基于动力吸振原理的深海采矿系统主动升沉补偿系统设计理论及控制应用。首先选取了适合我国深海采矿区作业海况的随机波浪谱，对随机波浪下深海采矿船的运动响应进行了分析，完成了升沉补偿液压系统参数设计，在此基础上对动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统进行了数学建模并对其主动控制策略进行了仿真和相关实验研究，建立了动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统设计理论和规范，形成了高效可靠的控制策略。
　　 论文的主要研究成果如下:
　　 1.针对我国深海1000m多金属结核开采中试系统升沉补偿性能要求，首次提出了有源主动控制动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统方案，即通过主动控制动力吸振器改变大质量主系统能量的分布与传递特性实现对大质量升沉补偿平台及扬矿管线进行垂直振动控制;
　　 2.选取了适合我国深海采矿区的随机波浪谱，并进行了时域仿真，确定了深海采矿船等效静水回复刚度系数和水阻尼系数，在此基础上对深海采矿船在四级海况(有义波高和周期分别为2.5m和10s)和六级海况(有义波高和周期分别为6m和8.8s)的典型正弦波浪和随机波浪下的运动响应分别进行了数值仿真，得到了深海采矿船运动响应规律，为深海采矿主动升沉补偿系统设计提供了条件。
　　 3.通过有源主动动力吸振式深海采矿升沉补偿系统方案可实现对大质量升沉补偿平台及扬矿管线的垂直振动控制，即可充分利用动力吸振器设计灵活、安装方便、所需控制能量小的特点，同时可避免对大质量水下设备直接控制，即通过动力吸振器阀控缸系统反向吸收升沉补偿平台因海浪激励产生的升沉运动，同时保证动力吸振器运动在安全合理的范围。在此基础上完成了动力吸振式深海采矿主动升沉补偿液压系统参数设计与数学建模，为后续主动控制器设计与升沉补偿性能分析提供了基础。
　　 4.综合考虑系统状态响应和控制能量因素，基于二次型最优技术为动力吸振式深海采矿升沉补偿系统设计了最优控制器，并进行了升沉补偿性能仿真研究。仿真结果表明针对此多输入多输出系统所设计的最优控制升沉补偿系统在海浪振幅和频率变化等外部干扰作用下仍能保证较好的升沉补偿性能，作业海况下升沉补偿效果达到80％以上，同时动力吸振器运动在合理的位移范围，所设计的最优控制主动升沉补偿系统能更有效的隔离正弦波浪激励下采矿船运动引起的扬矿管线及其升沉平台的垂直运动，满足我国深海1000m多金属结核开采中试系统升沉补偿性能要求。
　　 5.针对深海采矿区海浪能量集中频率范围升沉补偿系统控制性能要求，应用H∞控制方法的回路整形技术为所建立的动力吸振式深海采矿升沉补偿系统设计了H∞鲁棒控制器。仿真结果表明所设计的H∞控制器通过对海浪能量集中频率域进行输出反馈与控制能量加权控制，能有效改善海浪能量集中频率范围的升沉补偿效果，同时该控制系统能保证系统模型不确定带来的鲁棒稳定性问题。
　　 6.搭建了动力吸振式半主动控制减振模拟实验系统，对所设计的动力吸振式深海采矿升沉补偿系统参数设计、数学建模的正确性及其主动控制策略的有效性进行了MATLAB仿真、MATLAB与LabVIEW联合仿真、模拟实验研究。结果表明施加最优控制后，动力吸振式双层质量减振系统振动减少80％左右，验证了动力吸振式半主动控制减振系统参数设计、数学建模的正确性及其半主动最优控制算法的有效性，从而间接论证了本文所提出的动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统参数设计、数学建模理论及其主动控制策略的有效性。
　　 本文的研究为高效低耗主动升沉补偿系统设计提供了一个新思路，基于动力吸振原理的深海采矿主动升沉补偿设计理论与控制策略的研究可为我国深海资源开采系统中主动升沉补偿系统的研究开发和性能改善提供理论基础和设计参考，同时为主动升沉补偿系统的直接应用奠定基础。

目录

声明

摘要

物理量符号及意义

第一章 绪论

1．1 深海采矿系统的发展历史与研究现状

1．2 升沉补偿系统的发展历史与研究现状

1．2．1 被动式升沉补偿系统

1．2．2 主动升沉补偿系统

1．2．3 半主动升沉补偿系统

1．3 动力吸振技术发展历史与研究现状

1．3．1 被动、半主动、主动动力吸振技术

1．3．2 动力吸振技术在海洋工程中的应用

1．4 升沉补偿系统主动控制策略研究

1．5 研究的意义和目的

1．6 研究内容及主要章节

第二章 随机波浪下深海采矿船运动响应分析

2．1 深海采矿作业海况数值仿真

2．1．1 中国深海采矿区海浪谱的确定

2．1．2 P-M随机海浪谱的时域数值模拟

2．2 深海采矿船响应数值模拟

2．2．1 深海采矿船系统参数设计

2．2．2 正弦波浪激励下深海采矿船运动响应时域仿真分析

2．2．3 随机波浪激励下深海采矿船响应时域仿真分析

2．3 本章结论

第三章 动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统方案与数学建模

3．1 我国深海采矿系统升沉补偿性能要求

3．2 动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统方案与工作原理

3．3 动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统数学建模

3．4 动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统参数设计

3．4．1 升沉补偿系统负载重量计算

3．4．2 升沉补偿液压油缸尺寸的计算与确定

3．4．3 动力吸振液压油缸尺寸的计算与确定

3．4．4 液压系统等效刚度系数计算

3．5 本章结论

第四章 动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统最优控制研究

4．1 动力吸振器式深海采矿主动升沉补偿系统最优控制器设计

4．2 四级海况动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统最优控制性能研究

4．3 六级海况动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统最优控制性能研究

4．4 本章结论

第五章 动力吸振式深海采矿主动升沉补偿系统鲁棒控制研究

5．1 控制目的

5．2 H∞控制基本理论

5．2．1 H∞范数

5．2．2 标准H∞问题

5．2．3 混合灵敏度问题

5．2．4 求解H∞控制问题

5．2．5 H∞控制鲁棒稳定性理论

5．3 DVA-AHCS系统H∞问题的形成

5．3．1 名义模型的建立

5．3．2 频率加权函数的选择

5．3．3 系统扩展

5．4 主动升沉补偿H∞控制系统的设计

5．4．1 控制系统设计要求

5．4．2 仿真结果及分析

5．4．3 控制器的降阶设计

5．5 主动升沉补偿H∞控制系统性能分析

5．5．1 主动升沉补偿系统的升沉补偿效果分析

5．5．2 鲁棒性分析

5．6 本章小结

第六章 基于最优控制的动力吸振半主动控制模拟实验研究

6．1 基于磁流变阻尼器的动力吸振式结构减振系统设计研究

6．1．1 试验内容及目的

6．1．2 实验系统数学建模

6．1．3 动力吸振式半主动控制结构减振实验系统设计与仿真研究

6．1．4 MRD选型与设计

6．2 基于最优控制的动力吸振式结构减振系统半主动控制模拟实验研究

6．3 本章结论

第七章 结论

7．1 全文结论及创新点

7．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果