【摘要】：海洋油氣資源是我國能源安全戰(zhàn)略的核心，海洋油氣資源勘探開發(fā)又是我國能源戰(zhàn)略的重點。作為傳統(tǒng)的地質勘探技術，地震波勘探是目前全球進行海洋資源勘探開發(fā)活動中應用最廣泛、效率最高的地球物理技術。為了提高勘探作業(yè)的效率，控制勘探陣列的深度和水平間距，防止拖曳陣列之間的纏繞，需要仔細研究拖曳陣列動力學特性，準確預報勘探陣列的姿態(tài)，提出有效的勘探拖纜姿態(tài)控制策略。 本文在對國內外學者關于勘探拖曳系統(tǒng)的研究進行了比較系統(tǒng)的回顧與總結的基礎上，建立了勘探拖纜的三維非線性動力學模型，通過數(shù)值和實驗的方法研究了勘探拖纜的動力學特性，研制了嵌入式勘探拖纜控制器，設計了魯棒自適應勘探拖纜姿態(tài)控制策略。 本文首先在拉格朗日坐標系下，考慮拖纜的彎曲剛度，分析作用在拖纜上的各種外載荷，使用微元法建立了各拖纜的三維動力學方程。經(jīng)簡化處理，同時給出了不考慮彎曲剛度的張緊拖纜的動力學方程。 鑒于有限差分Box method在求解拖纜非線性方程上的不穩(wěn)定性及其對拖纜初值的強依賴性，本文在拖纜的數(shù)值求解中，在時域上采用廣義算法。在一階非線性系統(tǒng)上應用廣義算法，分析了廣義算法的精度。并通過譜半徑法分別分析了中心差分Box method、向后差分算法、廣義梯形算法以及值不同時廣義算法的穩(wěn)定性。采用相同權重法計算復雜的非線性動力學方程的平均系數(shù)矩陣，當廣義算法運用到多自由度的非線性動力系統(tǒng)時，在空間上使用Box method的離散方法，在時間上使用廣義算法。 編寫了求解拖纜三維非線性動力學方程的計算程序Sjtu-tow。采用New-Raphson法求解微分方程的兩點邊值問題。由于拖纜可能出現(xiàn)局部變量變化較快的特性，在計算程序中，采用了一種基于變分法的自適應空間網(wǎng)格方法以減少計算時間，提高計算效率。在時域上，同樣采用了自適應時間步長的方法以防止強非線性引起時域不收斂性。通過對勘探拖纜的實際算例的計算，與其他已有的算法進行了比較研究。 通過在拖曳水池進行拖纜的拖曳實驗研究了拖纜動力學特性。在0.55m/s、1.01m/s、1.5m/s三種拖曳速度下研究了拖纜的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)動力學響應，測量了拖纜頂端和距離自由端1米處的張力和剪力。為了考查拖車振動的影響，測量了拖曳過程中拖車振動的加速度信號。在數(shù)值與實驗的比較研究中，采用非一致網(wǎng)格處理頂端固定處的快速的張力和剪力變化。采用增強的水動力學系數(shù)，計算拖纜的穩(wěn)態(tài)響應。同時，采用變阻力系數(shù)和定阻力系數(shù)兩種方法研究了拖纜的瞬態(tài)動力學響應。 勘探拖纜的運動控制與姿態(tài)優(yōu)化是現(xiàn)代地震勘探技術發(fā)展的重點和趨勢。為了對海洋資源勘探拖曳陣列進行有效地控制，本文研制了嵌入式海洋資源勘探拖纜控制器—Sjtu-bird。首先進行了機械結構，通信和控制模塊的設計，為滿足性能指標的要求，特別的研制了一種高精度，抗干擾能力強的壓力傳感器。設計了橢圓形三維水翼，用以減少流動噪聲，提高升阻比。根據(jù)總體設計要求，進行了水翼水動力性能試驗、壓力傳感器精度及抗干擾性能試驗、耐壓及密封性能試驗、轉動摩擦阻力矩的測量試驗。 勘探拖纜的運動是降低勘探效率，引起勘探拖纜纏繞的主要原因。勘探拖纜被水鳥分為兩部分：一部分是控制段，即低應力段，另一部分是未控段，即高應力段。本文利用哈密爾頓原理建立了勘探拖纜和水鳥的耦合動力學模型，包括描述勘探拖纜線性化的變系數(shù)的雙曲偏微分方程和描述水鳥動力學的常微分方程�；诶钛牌罩Z夫方法，在勘探拖纜的精確模型下，設計了基于精確模型的魯棒控制規(guī)律。然后考慮到實際勘探作業(yè)時系統(tǒng)的不確定參數(shù)，在基于精確模型的控制規(guī)律的基礎上，設計了魯棒自適應規(guī)律。兩種控制規(guī)律用于隔離由勘探船的偏航引起的運動，自適應規(guī)律還能在線更新勘探拖纜密度的變化和水鳥處的張力變化。理論上分別證明了兩種控制算法的穩(wěn)定性，通過數(shù)值仿真研究了確定邊界擾動和不確定邊界擾動下，兩種控制規(guī)律的有效性。 通過以上的研究得出了以下主要的結論： 1)理論分析表明當廣義算法應用到簡單一階非線性系統(tǒng)時，該方法具有二階精度。譜半徑法分析結果表明當?shù)娜≈捣秶鸀椋篬-0.3,-0.7]時，廣義算法求解穩(wěn)定性較好。與向后差分、有限差分Box method、廣義梯形法的對比仿真實驗表明，本文開發(fā)的計算程序Sjtu-tow不僅求解精度高，而且仿真運算求解時間短。 2)低頻加速度信號的頻譜分析表明，三種拖曳速度下拖車自身振動的頻段和拖纜的低階固有頻率不在同一頻段范圍，因此拖車自身的振動對穩(wěn)態(tài)工況下拖纜的響應影響不大。穩(wěn)態(tài)拖曳速度下，拖曳點處和距尾端1米處的張力和剪力的變化及其FFT變換表明了拖纜拖曳過程中存在復雜的渦擊振動現(xiàn)象和拖曳點處彎矩在拖纜動力學響應中所起到的主要作用。采用增強的水動力學系數(shù)計算拖纜的穩(wěn)態(tài)響應能夠與實驗結果保持較好的一致性。采用變阻力系法計算的拖纜瞬態(tài)動力學響應與實驗結果吻合較好。 3)水翼水動力性能試驗、壓力傳感器精度及抗干擾性能試驗、耐壓及密封性能試驗、轉動摩擦阻力矩的測量試驗的試驗結果表明，各試驗技術指標能完全滿足惡劣海況作業(yè)時的要求。 4)基于精確模型的控制規(guī)律和魯棒自適應規(guī)律分別能指數(shù)和漸進的驅使勘探拖纜的位移到零。魯棒自適應控制規(guī)律能夠在不犧牲隔振性能的前提下，改進系統(tǒng)的阻尼性能。在水鳥上沒有外界擾動作用時，魯棒自適應控制規(guī)律能有效的隔離船舶偏航引起的拖纜的運動，在水鳥上有外界擾動作用時，控制規(guī)律能夠將外界的擾動控制在一個較小的界內。 5)所提出的魯棒自適應控制規(guī)律能夠在線更新勘探拖纜及水鳥的不確定性參數(shù)，同時所提出的控制規(guī)律具有魯棒性，能夠抵抗建模誤差、參數(shù)不確定性、未知擾動等不確定性。所提出的控制規(guī)律只需要拖纜水鳥處的斜率和速度做為反饋，并不需要實際作業(yè)中難以測量的位移。勘探拖纜的斜率可以很容易的通過傾角傳感器測量得到，因此本文所提出的控制規(guī)律在實際工程中是很容易實施的。所提出的控制規(guī)律不但能夠用于勘探拖纜水平振動的控制，同時也可以擴展到勘探拖纜深度方向的控制。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P715;P631.46

【參考文獻】

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1 劉濤;張維競;馬捷;張廣磊;;低應力拖纜瞬態(tài)動力學分析與實驗研究(英文)[J];船舶力學;2013年03期

本文編號：2795697