深海起重机升沉补偿滑模预测控制

受海浪、风力等因素的干扰,深海起重机升沉补偿系统的响应速度缓慢,系统对于负载位移的控制精度较差。为了提高升沉补偿系统响应速度与系统对负载位移的控制精度,保证起重机在各种海况下正常作业,提出了基于CNN-LSTM深度学习网络的滑模预测控制方法。首先,将CNN网络与LSTM网络结合,建立CNN-LSTM深度学习网络控制系统预测模型。其次,通过参考位移与实际位移的误差建立滑模面,并根据幂次函数设计滑模面参考轨迹;采用粒子群算法(PSO)对性能指标进行寻优,得出控制律,根据控制律控制负载实际位移跟随参考位移。最后,进行了仿真研究。结果表明与传统模型预测控制相比,在该方法的控制作用下,系统的响应速度更快,系统对负载位移的控制精度更高,系统的鲁棒性能更强。

基于惯性测量和卡尔曼多步观测器的船舶升沉运动测量方法

为了得到精确的船舶升沉运动信息,解决升沉加速度二次积分后的漂移和相位超前现象,基于卡尔曼滤波算法建立船舶升沉运动的多步观测模型,提出一种基于惯性测量和卡尔曼多步观测器的船舶升沉运动测量方法。首先,升沉平台模拟船舶升沉运动,使用惯性测量元件采集升沉加速度,经过滤波二次积分得到升沉位移。然后,对升沉加速度进行误差分析,运用升沉位移与升沉加速度的关系建立船舶升沉运动的状态空间模型并利用状态转移矩阵进行多步观测,消除升沉位移的漂移和延时。实验结果表明,本文所提出的测量方法可以解决不同幅值船舶运动中的偏移和相位超前问题,测量误差在0.01 m之内,体现了测量的精确性。

基于AMESim的采矿船升沉补偿系统能耗分析

因为浪涌产生的升沉运动会对采矿船的作业造成巨大的负面影响,所以需要升沉补偿系统来保障采矿船作业的安全性和稳定性。升沉补偿系统可分为被动式、主动式和主被动式,主被动式是主动模块和被动模块的结合。针对被动式补偿精度不高、主动式系统能耗过大的缺点,设计一套主被动升沉补偿系统,利用AMESim软件搭建2 MN主被动升沉补偿模型,并与相关试验结合,先证明建立的仿真模型是可信的,然后在不同负载、不同波浪周期、不同波浪幅值下模拟主被动升沉补偿系统主动模块能耗功率特性。结果表明:主动补偿模块功率的平均贡献比在20%左右,被动补偿模块承担约80%,体现了主被动升沉补偿系统的节能性。

舰船升沉测量的自适应算法

给出了舰船升沉运动的具体定义;建立了升沉测量误差模型,并依此设计了升沉滤波器来实现低频衰减和特定频段的二次积分;详细分析了误差特性,指出各个误差源对测量结果的影响;提出了自适应算法来实时估计海浪运动状态,即平均海浪高度和主导频率,基于此求解出使误差达到最小值的滤波器参数;最后用仿真的手段,对此测量算法进行验证,并与传统的数字滤波器进行对比,仿真结果表明,提出的舰船升沉测量的自适应算法实现了测量的实时性和准确性。

深海主动升沉补偿起重机基座设计研究

深海主动升沉补偿起重机技术长期被国外企业垄断,国内的发展也刚刚起步,其关联的基座设计也缺乏相关的指导文件,为研究该类起重机基座的设计方法,从起重机的组成出发,结合实际工程经验,对各组成部分的相互关系和基座的设计要点进行阐述,同时采用有限元分析方法对基座强度进行校核,验证设计的可行性,并据此总结出了适用于深海主动升沉补偿起重机基座的设计方法,为同类基座的设计提供参考。

基于观测器的深海起重机互补滑模主动升沉补偿

针对深海起重机主动升沉补偿系统的非线性时变负载特性,在互补滑模控制器的基础上利用扰动观测器补偿扰动,实现主动升沉补偿。首先,将复合扰动分为匹配扰动和非匹配扰动两部分,采用互补滑模控制器对匹配扰动进行补偿,并降低系统稳态误差;同时设计扰动观测器对非匹配扰动的导数及其一阶、二阶导数进行估计,补偿至滑模控制律。最后采用MATLAB软件对深海起重机进行建模,搭建基于扰动观测器的互补滑模控制器,在给定负载位移条件下,进行负载位移跟踪仿真研究。结果表明,所设计的控制器在不同系统参数的情况下可实现迅速和精确的补偿控制,并与PID控制器进行对比,有更好的响应速度和控制效果,与普通滑模相比可缩短到达滑平面的时间。

基于自抗扰技术的主动升沉补偿控制研究

文中针对海洋绞车主动升沉补偿系统非线性时变的特点,提出基于自抗扰控制(ADRC)的海洋绞车主动升沉补偿控制系统,通过理论分析和建模仿真相结合的方法,建立海洋绞车控制系统模型,在不同工况下对海洋绞车控制系统进行仿真,并与未加控制的模型效果进行对比,深入研究海洋绞车主动升沉补偿控制策略,证明了自抗扰控制器用于海洋绞车主动升沉补偿控制系统的可行性。

基于简化Sage-Husa自适应滤波的船舶升沉估计方法

为实时准确获得船舶升沉信息,提出一种基于简化Sage-Husa自适应滤波的船舶升沉估计方法。对船舶短时间内测量的升沉信息进行频谱分析,建立近似升沉运动模型,以升沉位移和升沉速度为状态量,升沉加速度为观测量构建简化Sage-Husa自适应滤波器。通过3组仿真验证所提出算法的准确性,结果表明,和卡尔曼滤波相比简化Sage-Husa自适应滤波对随机系统的适应性更好,符合船舶随机运动状态的测量要求,具有更高的实用价值。

深海拖曳系统升沉补偿控制探究

作为重要的海洋装备,拖曳系统广泛一级应用于海洋探测、海底科研、考古等领域,是海洋强国战略的支撑之一。拖曳系统一般由拖曳母船、水面绞车、拖缆、拖体等组成。海洋环境比较复杂,拖曳系统的运动状态容易受到海况、母船状态的扰动,从而影响采集数据的质量,以至导致任务的失败。在执行任务过程中,为保证探测精度,拖曳系统的稳定性至关重要,需在不同海况下保持相对稳定。为减缓水面扰动对拖曳系统的影响,提高探测数据质量,保证任务完成度,设计了拖曳系统升沉补充控制系统,实现拖曳系统在不同海况下的相对稳定。综合考虑拖曳母船、水面绞车、拖缆、拖体等运动状态以及各运动单元之间的耦合作用,计算了系统的响应幅值算子(Response Amplitude Operator RAO),建立了各子系统的数学模型,并在此基础上分析了其耦合关系,利用波浪同步方法,通过水面绞车收放缆补偿拖体的垂向运动,实现了拖体运动的有效可控。数值仿真结果表明,利用该方法设计的升沉补偿系统能够有效减缓水面扰动,可在最高4级海况下工作。

关于自适应主动升沉补偿系统仿真分析

开展自适应主动升沉补偿系统仿真分析,本文从缆绳直径、负载质量、缆绳下放长度等多个参数对缆绳收放运动进行仿真分析。结果表明:缆绳直径、负载重量、缆绳下放长度的变化均会引起升沉补偿系统位移、响应时间的变化。

15 t钻柱升沉补偿空气动力站的研制

针对近海域、适用于浪高±1.5 m、小吨位的小型综合地质勘察船,需要一种具备模块化设计、布置灵活、钻探系统移植方便、对船舶的适配性好等特点的空气动力站。为此,作者对其关键设备—升沉补偿的高压气源系统进行了研究设计。该系统是一种紧凑型、集装箱装载、高防护等级,并集成了空气控制阀组的空气动力站,已完成了厂内充排气试验、高压试验、升沉补偿流程动作试验。试验结果表明,相关参数满足了设计的需求。通过对15 t钻柱升沉补偿空气动力站的研究,为我国小型勘探船在近海进行钻探、勘察、取样等作业提供了更多的窗口时间选择,加快了升沉补偿系统国产化研究的步伐,为后续研究提供了一定的借鉴作用。

船舶甲板吊放设备升沉补偿系统研究

伴随着海洋开发的不断深化,海洋资源开发、海洋运输、海洋工程装备等都得到了迅速发展。海洋工程装备技术水平的高低将对我国的国民经济和国防建设产生重大的影响,其重要性日益凸显。海上运输装备的海上运输能力是衡量一个国家海上力量的主要标志。海洋中的船只在航行过程中,由于受海浪的作用,使其受到较大的冲击,从而造成了许多的工作难度和安全性问题。因此,就要求有一种能够起到辅助作用的升降补偿装置。对船舶进行升沉补偿,能够提高船舶在船舶航行时的安全、可靠程度。

深海作业主动升沉补偿起重机

当前深海作业对海洋工程装备的要求不断提高,主动升沉补偿起重机应运而生。文中在国内外研究成果基础上,从环境适应性、补偿系统与起重机适配性、补偿系统与起重机功率集发等关键技术出发,介绍了起重机研制过程中的技术路线,设计制造了一种具有能量回收功能的深海作业主动升沉补偿起重机结构样机,采用折臂式结构形式和绞车式主动升沉补偿系统,并对样机进行试验验证,起重机起吊能力达到200 t,试验结果与国外同类型吊机参数进行了对比总结,样机补偿精度超95%。

升沉补偿模拟试验系统的设计与实验研究

提出和研制了深海采矿扬矿管的主动型升沉补偿模拟试验系统 ,实现了采矿船的升沉模拟和升沉补偿模拟 ,并进行了实验研究。实验的结果证明 ,采用电液比例阀控缸执行机构进行主动升沉补偿的方案是可行的和有效的 。

基于BMFLC算法的舰船升沉测量方法

在舰船升沉信息的实时测量过程中,升沉滤波器实现了低频衰减和特定频段二次积分,但其存在输出相位超前的问题,并且超前相位的大小随输入信号频率变化。首先分析了升沉滤波器的误差特性,然后针对相位超前和噪声、零偏对系统影响的问题,提出了基于带限傅里叶线性组合(band-limited multiple Fourier linear combiner,BMFLC)算法校正滤波器输出的方法,并分析了算法中参数的选取和算法的计算量,实现了在抑制噪声和零偏的影响下对滤波器的输出进行幅度和相位补偿,进而提高了测量精度。仿真结果表明,提出的基于BMFLC算法的舰船升沉测量方法对升沉滤波器的输出进行了补偿,能够很好地解决超前相位误差和噪声、零偏影响的问题,实现了舰船升沉信息测量的实时性和准确性。

基于SINS舰船升沉测量误差分析与补偿

在利用捷联惯导系统(strapdown inertial navigation system,SINS)对舰船升沉运动测量中,针对传统方法采用积分环节和数字高通滤波器组合引起相位超前的问题,分析了超前相位对升沉测量精度的影响,提出了增加相应低通滤波器进行相位校正的方法。针对实际工程应用中升沉监测点与舰船重心(center of gravity,COG)往往不重合的问题,定义两者之间的距离为测量杆臂,分析了舰船升沉测量过程中由测量杆臂引起的杆臂升沉的产生机理,提出了杆臂升沉的计算方法,最终给出监测点处升沉的精确测量算法。仿真结果表明,提出的监测点处升沉测量算法测量误差在0.05 m以内,具有较高的精度和稳定性。

基于NARX神经网络的船舶升沉运动实时预测方法

[目的]对船舶升沉运动进行预测有助于增强升沉补偿器的补偿效果,减少海浪对作业设备的干扰。为提高升沉预测模型的精度和稳定性,提出一种船舶升沉运动实时预测方法。[方法]基于带外源输入的非线性自回归(NARX)神经网络建立单海况预测模型,利用船舶系统仿真器获取母船升沉运动仿真数据,将NARX模型与卡尔曼(Kalman)模型、普通反向传播(BP)模型的预测结果进行对比。在此基础上,对单海况预测模型进行改进,建立多海况预测模型。[结果]多海况预测模型预测精度较高,且稳定性优于单海况模型,在2~5级海况下的最大预测误差均小于10-4量级。[结论]仿真结果表明,NARX神经网络对复杂海浪环境具有良好的适应性,它的预测速度和精度均优于BP神经网络和传统滤波方法,在高海况下仍可保持高预测精度。

浮式钻井平台钻柱升沉补偿系统研究

在前人研究基础上提出一种半主动浮式钻井平台钻柱升沉补偿方案,将被动补偿能耗低和主动补偿精度高的特点有机结合在一起。建立系统数学模型,在仿真基础上,设计并搭建升沉补偿试验台,进行被动、主动和半主动的升沉补偿试验。结果表明,基于蓄能器的半主动升沉补偿系统收敛速度快,性能稳定,补偿效果较好,可以补偿平台97%的升沉运动。

天车升沉补偿系统摇摆装置的设计

为了确定天车升沉补偿系统关键部件摇摆装置的结构参数,基于Simulink软件系统,建立摇摆装置的数学模型,对天车、补偿缸和摇臂装置进行了系统动力学数值模拟,分析了摇摆装置钢丝绳倾角、钢丝绳对天车作用力与天车位移之间的相互关系,以及摇臂装置2个摇臂夹角与补偿缸受力状态的关系.研究表明:摇摆装置的摇臂长度、摇臂下臂固定铰链点位置等结构参数对天车的运动规律、受力状态和补偿性能具有较大影响,天车从最低临界位置向最高临界位置运动的过程中,补偿缸受力随两摇臂夹角的增大先减小后增大.计算得到了摇摆装置各摇臂的长度,确定了摇臂下臂固定铰链点的位置参数和补偿缸固定铰链点的位置参数.

半主动式钻井绞车升沉补偿系统

为了简化海洋钻井绞车升沉补偿系统的结构、降低主动式绞车补偿系统的能耗,通过系统结构设计、系统建模、内模PID鲁棒位移控制器设计等,设计了一种半主动式海洋钻井绞车升沉补偿系统,并通过非线性时域仿真与实验研究对系统进行了验证。系统结构设计实现了升沉补偿与自动送钻两种运动的解耦控制,降低了系统能耗。系统建模时采用质量集中法和能量守恒原则对系统进行了简化。提出了外环大钩位移闭环与内环电机转速闭环的双层控制方案,设计了外层内模PID鲁棒位移控制器,内模控制在模型匹配与模型失配情况下的稳态偏差均为零,滤波器时间常数越小动态性能越好、抗干扰能力越强。仿真模拟和实验研究的补偿率均在90%以上,补偿效果良好,系统具有可行性。