（机械电子工程专业论文）动力吸振器与蓄能器复合作用的补偿方案设计与仿真研究.pdf

中南人学硕l ：学位论文摘要 摘要 升沉补偿系统是海洋浮式作业系统中用来隔离由于风浪流引起 的水面设备运动对水下设备影响的一个必不可少的系统。探讨不消耗 动力、节能简单的被动系统和根据结构的响应和外激励的反馈信息实 时调整结构参数、有效的减小结构振动响应、构造简单、所需能量小 的半主动控制系统是很有意义的。 针对5 0 0 0 m 中国大洋多金属结核采矿系统，提出了动力吸振器 与蓄能器复合作用的升沉补偿系统。综合运用数学建模和m a t l a b 数 字仿真建模的研究方法，选取了系统的参数，研究了被动系统的补偿 性能，对系统进行了改进使系统成为半主动控制系统，并对h 控制 系统的补偿效果和鲁棒性能进行了仿真研究。本文的主要成果及结论 如下： 1 、根据升沉补偿系统的作业条件，研究了采矿船在简谐波作用 下的响应，提出了动力吸振器与蓄能器复合作用的升沉补偿系统，分 析了其工作原理。 2 、建立了系统的数学模型，选取了系统的一组较优参数，研究 了系统的补偿效果，结果表明所设计的动力吸振器与蓄能器复合作用 的被动升沉补偿系统在我国矿区四级海况下有较好的补偿效果。 3 、在周期为5 8 s 时，通过改变吸振系统的弹性刚度和阻尼系数， 补偿平台的补偿率由6 0 提高到7 0 以上，因此，提出了将磁流变 阻尼器作为作动器的动力吸振器与蓄能器复合作用的半主动控制升 沉补偿系统；通过对磁流变液的流变机理及力学特性，磁流变阻尼器 的工作机理、工作模式和阻尼力的计算的分析，对磁流变阻尼器的性 能进行实验研究，得到了磁流变阻尼器阻尼力与电流之间的关系曲 线；建立了半主动控制系统的数学模型。 4 、应用h 鲁棒控制方法的回路整形技术为所建的半主动控制 升沉补偿系统设计了一个h 鲁棒控制器。在设计过程中，考虑了系 统的性能指标要求和鲁棒性要求。对所设计的h 控制器的控制效果 进行了数字仿真分析。结果表明，通过一个集中加权的加速度和速度 输出反馈控制，改善了系统在我国矿区海浪能量集中频率域内的加速 度和速度响应性能，仿真结果还表明，该控制器在保证系统对于系统 模型不确定的鲁棒稳定性方面也是有效的。 关键词：深海采矿，补偿系统，复合作用，建模，h 控制 i i 中南人学硕f _ 学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t h e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e mi sa ne s s e n t i a ls y s t e mo ft h ef l o a t i n g o p e r a t i n gs y s t e m ，w h i c hi s u s e dt oi s 0 1 a t et h ei m p a c to fu n d e r 、v a t e r e q u i p m e n tf r o mt h em o v e m e n to fs u r f a c e f a c i l i t i e sc a u s e db ys t o r mw a t e r i ti s r e a s o n a b l ym e a n i n g m l t o i n v e s t i g a t e t h e s i m p l ep a s s i v e c o m p e n s a t i o ns y s t e m w i t hn o p o w e rc o n s u m p t i o na n d t h es i m p l e s e m i a c t i v ec o n t r o ls y s t e mw h i c hc a ni n s t a n t l ya d i u s tt h es t m c t u r a l p a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h er e s p o n s eo ft h es t m c t u r ea n dt h ef e e d b a c k 行o me x t e m a le x c i t a t i o n ，e f r e c t i v e l yr e d u c e st h ev i b r a t i o nr e s p o n s eo ft h e s t r u c t u r e ，n e e d ss m a l le n e 曙y ah e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e mc o m b i n e da c t i o no fv i b r a t i o na b s o r b e r a n da c c u m u l a t o ri sp r o p o s e di nt h el i g h to f5 0 0 0 m d e e ps e ap 0 1 y m e t a u i c m i n i n gs y s t e mo fc h i n a t h es t u d ym e t h o d sw h i c hi n c l u d em a t h e m a t i c a l s i m u l a t i o na n dm a 兀，a bs i m u l a t i o na n dm o d e l i n ga r ec o m p r e h e n s i v e l y u s e d ，s e l e c t i n gp a r a m e t e r so ft h es y s t e m ，r e s e a r c h i n gt h ec o m p e n s a t i o n p e r f o r m a n c eo ft h ep a s s i v es y s t e m ，i m p r o v i n gt h es y s t e mt o b e c o m e s e m i - a c t i v ec o n t r o ls y s t e m ，a n ds i m u l a t i n gc o m p e n s a t i o ne 仃e c to ft h eh c o n t r o ls y s t e ma n dr o b u s tp e 晌n n a n c e t h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w i n g ： 1 a c c o r d i n gt ot h ew o r kc o n d i t i o no fh e a v ec o m p e n s a t i o n ，t h e r e s p o n s eo fm i n i n gv e s s e li so b t a i n e du n d e re f f e c to ft h es i m p l eh a n n o n i c w a v e ah e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e mc o m b i n e da c t i o no fv i b r a t i o n a b s o r b e ra n da c c u m u l a t o ri s p r e s e n t e d ，w o r k i n gp r i n c i p l e s a n d c h a r a c t e r i s t i c so fw h i c ha r ea n a l y z e d 2 m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h i sh e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e mi sb u i l t ，a g r o u po p t i m u mp a r 锄e t e r so ft h i ss y s t e ma r es e l e c t e d ，c o m p e n s a t i o n e f r e c to ft h es y s t e mi sr e s e a r c h e d ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tm ep a s s i v e h e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e mc o m b i n e da c t i o no fv i b r a t i o na b s o r b e ra n d a c c u m u l a t o rc a nm a k eb e t t e rc o m p e n s a t i o ne f r e c tu n d e rg r a d ef o u ro c e a n c o n d i t i o ni nc h i n e s em i n e 3 w h e nc y c l ew a s5 8 s e c o n d s ，t h ec o m p e n s a t i o ne m c i e n c y i s e n h a n c e df r o m6 0 t om o r et h a n7 0 w i t hc h a n g i n ge l a s t i cs t i 行n e s sa n d d a m p i n gc o e f j i c i e n t o ft h ev i b r a t i o na b s o r b e rs y s t e m h e n c e ，t h e s e m i a c t i v ec o n t r o ih e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e mc o m b i n e da c t i o no f v i b r a t i o na b s o r b e ra n da c c u m u l a t o ri sp r e s e m e d ，w h i c hh a sm rd a m p e r a c t u a t o r t h er e l a t i o n s h i p c u r v eb e t w e e nd a m p e rd a m p i n gf o r c ea n d c u r r e n ti so b t a i n e d ，b a s e do na n a l y s i n gm a g n e t o r h e o l o g i c a ln u i dn o w m e c h a n i s ma n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w o r k i n gm e c h a n i s ma n dm o d eo f m rd a m p e r c a l c u l a t i o no fd a m p i n gf o r c e ，e x p e r i m e n t a ls t u d yo fm r d a m p e rp e r f o m a n c e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h i s s e m i a c t i v ec o n t r o l h e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e mi sb u i l t 4 ah r o b u s tc o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o rt h es e m i a c t i v ec o n t r o l h e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e mb y 印p l i c a t i o no f r o b u s tl o o ps h 印i n gc o n t r 0 1 i nt h ed e s i g np r o c e s s ，t h ep e r f o r m a n c ea n dr o b u s t n e s sr e q u l r e m e n t so ft h e s v s t e ma r ec o n s i d e r e d t h ed i 西t a ls i m u l a t i o no fc o n t r o le f f e c t si sc a r r i e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti ti m p r o v ea c c e l e r a t i o n a n ds p e e dr e s p o n s e p e r f o r n l a n c e o ft h e s y s t e m i nw a v ee n e 玛yc o n c e n t r a t e d仔e q u e n c y d o m a i ni nc h i n e s em i n i n gb yac o n c e n t r a t i o n w e i g h t e do u t p u tf e e d b a c k c o n t r o lf o ra c c e l e r a t i o na n ds p e e d a l s os h o wt h a tt h i sc o n t r o l l e ri s e f 梵c t i v ei na s s u r a n c et h er o b u s ts t a b i l i t yo ft h eu n c e r t a i ns y s t e mm o d e l k e yw o r d s ： d e e ps e am i n i n g ，h e a v ec o m p e n s a t i o n ，c o m b i n e da c t i o n ， m o d e l i n g ，h o 。c o n t r o l l i n g l v 中南入学硕i j 学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 开发深海矿产资源的意义 第一章绪论 海洋有着广阔的空间和丰富的资源。加快海洋资源开发，向海洋要财富，变 海洋优势为经济优势已成为世界经济发展的大趋势。世界各国围绕大洋海底矿产 资源的调查研究及开采工作均投入了巨资并展开了新一轮竞争【l ，2 】。 经多年的勘探和研究发现，表面积为3 6 亿k m 2 、大约占地球表面积的7 1 的海洋是人类无比巨大资源宝藏【3 1 。海底矿产资源的矿种多，数量大，品位富， 有很大的开发利用前景。深海矿产资源主要包括多金属结核、钴结壳、热液金属 硫化物等三大矿物，普遍认为目前最具开发前景的是多金属结核。其中大洋多金 属结核也称锰结核，是2 0 世纪7 0 年代大量发现的一种深海矿产，是2 l 世纪深 海标志性矿产，分布于8 0 的深海瓮地表面或浅层，水深为3 0 0 0 6 0 0 0m 。世 界各大洋底储藏的多金属结核中含有的镍、铜、钴的高经济价值，且储量估计达 三万亿吨，陆地上的铜只能供人类使用四十年，但海底下的铜却可供人类用六千 年；锰、镍、钴陆地上的储量只能供人类用一百余年，而海底储量则够人类使用 三至十五万年【4 】。因此，海洋丰富的矿产资源已经成为举世瞩目的具有商业开发 利用前景的战略资源，深海矿产资源丌采技术也已成为全球的研究课题焦点。 在世界许多国家积极向海洋挺进，大力发展海洋技术特别是深海技术的今 天，我国也清醒地认识到深海大洋对于一个国家的重要性，适时提出了新世纪国 防和国家海洋战略、世界第一造船大国的发展战略以及深海重大科技工程的发展 规划，这为我们大力发展深海技术提供了良好的契机【5 】。到目前为止，已探明的 深海矿产资源占我国支柱矿产数的6 7 ，占我国主要矿产数的4 2 ，占我国可 保障矿产数的1 3 6 ，占我国基本保障矿产数的5 8 3 ，占我国稀有矿产资源 总量的7 2 7 【酬。根据统计，占我国矿产消费量9 0 的4 5 种主要陆地矿产，在 进入2 1 世纪后将会有5 0 以上无法满足经济发展的需求。因此，开发和利用国 际海底资源，开辟我国新的矿产资源基地，将是实现国民经济建设目标的重要战 略之一。 与此同时，海洋研究开发不仅关系到一个国家的资源战略问题，而且和国家 的安全紧密相连，这个安全包含了一个国家的政治、经济权益。在国家管辖海域 之外的国际海底区域，面积大约为2 5 1 7 亿平方公里，占据地球表面积的4 9 ， 根据联合国海洋法公约的相关规定，这一区域及其蕴藏的丰富资源将是全人 中南大学硕士学位论文第一章绪论 类共同继承的财产，将由国际海底管理局代表全世界进行管理与协调。但从上世 纪6 0 年代起，国际海底矿产资源开发的实际“游戏规则”就是捷足先登，谁投 资谁就占有，谁开发谁就受益。只要有能力和实力，开发就占据优先权。因此， 一些发达国家利用自己在资金、技术上的优势，竞相开始抢夺国际海底资源。身 为发展中国家的中国在反对发达国家借“公海自由 原则和其优势占有海底矿产 资源并任意对深海底资源做勘探与开发的同时，应建设一个相对完备的海洋调查 系统、加速引进现代技术、改善海洋科学研究的体制、捉高海洋研究的效率，迅 速改变我国海洋科学的落后面貌。 1 1 2 深海矿产资源开采技术的研究进展 深海矿产资源的开采是一个多环节串联的系统工程，在几千米水深、承受海 流与风浪流影响以及海水腐蚀的环境下作业，工作条件恶劣，开采难度非常大， 这就对丌发技术提出了非常高的要求和需要比较长的周期。根据国外的经验，深 海开采技术的研究开发周期需要1 5 2 0 年的时间，才会达到深海预开采中间试验 的目标。比如以美国为首的几个国际集团从2 0 世纪6 0 年代中期研究开发至7 0 年代末进行了深海试验，花了大约1 5 年时间；日本自1 9 8 1 年开始进行集矿机采 集、管道提升开采方案的研究，至9 0 年代后期仍未实现深海试验目标。 国际l 深海采矿技术自1 9 7 2 年开始研制，经过长达3 0 年的开发研究，技 术日趋成熟。到目前为止，美国、日本、加拿大、德国、法国等国家已提出了多 种开采方案，譬如液压提升式、气压提升式、链斗提升式和深潜器开采等，作业 深度达到5 0 0 0 6 0 0 0 m 。液压提升式采矿原理类似水泵，将海底矿物吸扬上来。 这种方法被认为是一种比较好的开采方法，目前已经研制出若干中样机，比如日 本1 9 8 9 年开发的一种样机，它作业水深达5 0 0 0 m ，具有同产矿1 0 0 0 0 t 的作业能 力l _ 7 1 。目前，大多数国家的研究重心转向了深海多种资源的全方位技术开发。其 中多金属结核开采系统的研制技术己基本成熟，大致有流体提升式采矿系统、连 续链斗采矿系统、海底机器人采矿系统、拖网采集法等【8 9 j 。世界普遍趋向采用 的是以下三种开采技术：流体提升式采矿系统、海底机器人采矿系统、拖网采集 法。中国深海采矿技术的研发开始于1 9 9 0 年代初，之后在实施1 9 9 1 年9 月完成 的中国大洋锰结核资源研究开发第一期( 1 9 9 1 2 0 0 5 年) 发展规划的1 5 年中，深海 矿产资源开采技术实现了从无到有，从单元技术研究演变到成组技术集成的验 证，取得了一些以当前最新科学发现与创造为基础，具有十分重要应用价值的自 主创新成果，初步构建出了中国深海采矿的技术体系，奠定了深海技术的发展基 础。中国在多金属结核开采技术研究上取得了起点高、发展快的成绩。根据总体 设计，2 0 0 1 年4 月大洋协会采矿总师组完成了中试采矿系统的技术设计。2 0 0 2 2 中南人学硕l ：学位论文第一章绪论 年1 月完成了1 0 0 0m 海上试验总体设计。随后于2 0 0 4 年1 1 月，完成了1 0 0 0m 海上试验总体系统技术设计。设计提出的试验系统为串联系统：由履带自行集矿 机软管输送装置中问仓硬管输送装置水面支持及水声定位装备组成1 6 j 。 总之，我国在深海矿产资源开发技术方面进行了多年有益的探索，取得了 定的成果，但是目前大多处于机理论证、模型样机研发及实验阶段，距离真正拥 有高效、实用的深海矿产资源开发技术，开采出深海底多金属结核、钴结壳及热 液矿还有很长的路。而核心、关键的技术和设备仍依赖引进和进口，这种状况严 重制约了我国建立深海产业、进行深海矿产资源商业性开发的进程。使得我国在 这一技术领域与先进国家存在很大的差距i l 。因此，我国应积极推进国家有关 的技术发展规划与产业发展相关计划间的链接互动。通过深海开采技术发展创立 深海矿物开采产业，通过深海矿物开采产业发展创新深海开采技术。 1 1 3 深海采矿系统的研究现状 深海采矿系统的核心任务是在海底采集结核矿石，然后将其提升到海面、经 脱水并运输到口岸。根据我国“八五 期间深海采矿技术的基础研究成果与“九 五前期对系统的运动学与动力学特性进行的相关理论研究及室内试验，通过对 国际上深海采矿较为认同的流体提升式采矿系统、海底机器人采矿系统与拖网采 集法三种主要采矿方法以及各种变型方案的技术经济分析，确定了我国大洋多金 属结核采矿系统是自行式集矿机水力管道提升采矿系统i l 。这个系统主要出集矿 子系统、扬矿子系统、定位和监控中心及水面支持子系统( 采矿船) 组成【i 引。 1 布放回收装置2 采矿支持船3 扬矿输送系统4 集矿机5 水声定位部分 图卜l 深海采矿系统结构简图 中南人学硕上学位论文 第一章绪论 图卜1 为系统的结构示意图。集矿子系统给集矿机构与破碎机构提供 工作平台的海底作业车按照预定轨迹运行，进而完成海底采集结核矿石、 脱泥及破碎等工作后，把采集的矿料通过扬矿子系统运送到洋面的采矿船 上。目前我国采矿系统采用的是自行式集矿机。扬矿子系统包括垂直提升 硬管段、中间仓和软管段三部分。为了确保自行式集矿机的机动性，避免 扬矿管对它产生动力影响，扬矿管利用一段软管与集矿机相连。中间仓位 于硬管和软管之间，当结核丰度化引起采集结核量变化时，保证向扬矿管 供矿量的稳定，并提高了扬矿效率。在系统作业前需要定位系统采用超短 基线定位技术，提供水下设备位置状态信息。而监控中心则是集成所有子 系统信息，并且具备安全可靠的符合相关要求的控制、通信、监测与导航 定位等功能的深海采矿中试综合控制管理系统，其保障丌采作业安全、可 靠、高效、连续地运行。由于多金属结核矿位于3 0 0 0 6 0 0 0 m 的深海底，扬 矿子系统需要将采集的矿料垂直输送到离海底数千米的水面采矿船上，因 此，水面支持子系统即采矿船( m i n i n gs u p p o r tv e s s e l ，m s v ) 除了有足够大的 吨位来支撑扬矿子系统之外，必须还具有可靠的补偿升沉和纵横摇运动的 装置来确保扬矿系统安全地进行作业。可见，采矿船在整个深海采矿系统 中占据十分重要的位置。 1 2 深海采矿升沉补偿系统的研究现状 1 2 1 采用升沉补偿装置的重要性 升沉补偿系统是水力提升式深海采矿系统采矿船的重要组成部分，是联接船 体与深海采矿装备的重要装置。因此，升沉补偿问题是深海采矿过程中必须考虑 和解决的重要问题。 在海洋环境中，采矿船受到风、浪、流、潮的综合影响，会产生六个自由度 的运动，其分别为：纵摇、横摇、艏摇、纵荡、横荡、升沉。船体的这六个运动 都会使扬矿子系统和集矿子系统的工作受到影响。在进行采矿作业时，可以通过 动力定位的办法来消除船体的艏摇、纵荡和横荡；但若没有特殊的补偿装置，船 体的纵摇、横摇与升沉运动将是不可避免地【l3 1 4 j 。 现在最具有开发前景的水力管道提升开采系统中，扬矿子系统则是必不可少 的组成部分。扬矿子系统悬挂在采矿船的下端，深入海底大约5 0 0 0 米，随着采 矿船的周期性升沉和纵横摇运动，扬矿子系统也呈现周期性的升沉和纵横摇运 动。在这个过程中，扬矿子系统分别受到海流和海浪产生的液动力、采矿船的升 沉运动、扬矿系统本身的重力、采矿船的拖航力、扬矿管道内向上的结核混合物 4 中南大学颁1 j 学位论文第一章绪论 流等影响，这些运动和受力情况都比较复杂。若扬矿管和采矿船之间是刚性连接， 且没有任何补偿装置来补偿采矿船产生的以上运动，扬矿管将既会有轴向的振动 和变形，又会有水平方向的偏移和弯曲变形，既受到了轴向的拉应力，还要承受 弯曲应力与扭矩，其运动及受力在扬矿管的不同位置也是不一样的，且各种运动 与应力之间还存在耦合，给整个系统带来了极大的附加载荷l l 引，直接影响了扬 矿管的稳定性、可靠性、使用寿命与整个扬矿系统的工作效率和经济性。 因此，必须研究设计补偿以上运动的装置，即升沉和纵横摇运动补偿装置来 减轻船舶运动对扬矿系统的影响，让其影响达到扬矿系统允许的范围内。没有升 沉与纵横摇补偿系统就没有可能在大洋上进行采矿作业，这是大洋特殊的环境条 件所决定的。 1 2 2 国外升沉补偿系统的研究进展 升沉补偿技术大多是用于海洋工程中，其中以深海采矿采油最为普遍。海 洋工程中的升沉补偿装置最早应用于石油钻井平台，主要有半潜式和动力定位式 石油钻井平台【1 4 ，1 6 ，17 1 。之后在大型海洋船舶作业中也得到了广泛应用，比如大型 海洋起重机，起吊装置和耙吸式挖泥船耙头装置及深潜器支援船等i l 引。从2 0 世 纪7 0 年代起，世界各国相继开始研究发展深海采矿采油的管道补偿技术【1 8 3 2 1 。 目前发达国家基本都已经掌握了该项技术，而且可以应用到大规模商业行为中。 美国威提柯( v e t c d ) 公司在1 9 6 8 年提出了一种游动滑车与大钩间升沉补 偿装置，此装置是石油钻井平台升沉补偿装置中应用最广的一种，也是一种较为 成功的方案【m 】。其主要组成部分有液压缸、活塞、蓄能器和锁紧装置等，如图 1 2 所示。 图卜2 美国成提柯公司升沉补偿方案示意图 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 图示系统中，两个液压缸是由上框架和游动滑车相连接的，随船体的上下运动， 由游动滑车通过上框架带动液压缸缸体产生升沉运动；两个液压缸中的活塞杆都 和固定在大钩上的下框架相连接，当大钩上的载荷改变时，活塞通过活塞杆和下 框架随着大钩在液压缸中可做上下往返运动，大钩载荷由活塞下液体承担；两个 储能器各和一个液压缸相连，储能器的活塞下端是液体，利用软管与液压缸相通， 活塞的上端为气体，利用管路与气缸相通；锁紧装置可将上框和下框锁紧成一体， 从而使游动滑车和大钩连在一起，在起下钩时进行正常上升工作。此套装置中， 液压缸中活塞行程比波浪的升沉大，可以实现钻杆的自动送进。升沉补偿装置中 的液压缸活塞行程有3 、5 、7 m 三种规格，可以适应不同的海况要求，液压缸承 受的负荷将近6 0 0 t 。 上世纪7 0 年代，美国成功建造了g l o m a re x p l o r e 深海采矿船【2 0 j ，其管道提 升系统可以把深达5 4 0 0 多米的海底矿石传输到海面船上，其最大提升负载高达 6 8 0 0 多吨。采矿船上有一个很大的月池，移动门，管道处理系统和提升系统及 运动补偿系统。船上的升沉补偿系统如图1 3 所示。为了消除由于船体运动所产 生的弯曲负载对提升管道的影响，所设计的负载支撑平台为万向架式的升沉补偿 平台。其中万向架是由内外环轴承构成的一种能够补偿采矿船纵横摇的装置，其 外回转环通过销轴横向支撑在补偿液压缸柱塞的顶端，使其能够绕船的横轴转 动，以此来解决纵摇的补偿问题，内回转平台是通过销轴支撑在外回转环上，让 其能绕船纵轴转动，用以解决横摇补偿问题。作业平台安装在内回转平台上，并 在内回转平台下装有提放扬矿管束的装置，整套装置装在巨大的a 型支架上， 支架与母船的基座相连接。支撑万向架外坏上的升沉补偿油缸用来补偿船体升沉 方向的位移。 图l - 3g l o m a re x p l o r e 采矿船升沉补偿系统 荷兰于1 9 8 5 年发明了一种海上钻井管悬挂系统的升沉补偿装置【2 3 】，如图1 4 所示。钻井管悬挂系统为桁架结构，安装在平底船上，在钻塔下面开有一个月池， 中南大学硕i ：学位论文 第一章绪论 钻井管是通过月池在垂直方向上上升或者下降。钻塔上的悬挂装置由一个被动的 与一个主动的上升补偿器构成。为了能够实现这些运动：这些运动对于实现补偿 器连接的操控来讲是必须的，特别是当一个很大的重量被悬吊系统吊起时，而此 时又没有地面支撑来分担重量。钻塔要有一定数量的垂直导轨彼此间隔的排列。 水平担梁安装在导轨之间可在垂直导轨上移动，且在小齿轮带动下能在垂直导轨 上上下运动。牵引部件悬挂担梁，并承受着担梁的重量。整个系统一共有4 个平 衡重锤来承担担梁的自重。此系统是一个被动的且不可调刚度的补偿设备；通过 齿轮带动的链条牵引管道，管道悬在活动的梁上；相对于独立的升沉补偿装置或 者张紧装置，可取消或者减少备用设备，结构简单；通过平衡重锤实现补偿作用。 图l - 4 荷兰海上钻井管悬挂系统的升沉补偿装置 1 9 9 8 年，美国u a k o r d e 博士研究了不规则海浪中的钻井船主动升沉补偿 系鲥2 7 】。图1 5 所示的是海上钻井船系统一个抽象模型，包括船，钻井管支撑块， 无阻尼质量块和钻井管。钻井管支撑块由弹簧支撑，下面接有钻井管。所有的质 量都被假设在垂直方向上运动。使钻井管支撑块在大频率范围内保持稳定，其反 馈用来控制无阻尼质量块。这样的控制方式在不规则海浪中很有用，海浪作用在 船上的激振力可以用一系列不同频率、幅度和相位的正弦力表示。无阻尼质量块 也是由弹簧支撑，被一个水平放置液压缸控制。钻井管在钻井管支撑块处转动， 钻井管支撑块在安装两根弹簧的竖杆约束下运动，并由一对装在钻塔上垂直放置 液压缸控制。使用加速度传感器获取质量的加速度。在钻井管支撑块的四个角上 分别安装一个传感器，取他们的平均值作为钻井管支撑块的加速度。同样在船与 钻塔接触的四个脚上分别安传感器，这样船任何小的摇摆和俯仰都可以测量到， 控制油缸的信号用专门的数字信号处理器。该系统是主动式补偿系统，使用传感 器把各部分的相对运动传输给数字信号芯片，由芯片控制液压缸；综合利用机电 液一体化技术，机械结构简单；可以作为研究补偿机构运动和力学特性的模型。 中南大学硕_ i 学位论文第一章绪论 液压 图1 5 不规则海浪中的钻井船主动升沉补偿系统示意图 缸 图1 - 6 半潜式钻井平台系统及升沉补偿装置 2 0 0 3 年，挪威发明了一种半潜式钻井平台的升沉补偿装置1 3 。如图1 6 所 示。整个钻井平台是一个浮力体一漂浮结构，当海浪迫使漂浮结构向上时，由于 连接管道的钻塔与漂浮结构是可以相对活动的，因此钻塔就相对整个平台往下运 动；而发生横向摆动时，由于连接铰链和铰链的存在，钻塔也会相对平台转动， 从而抵消了海浪影响。漂浮结构拥有一个浮力体和若干支撑柱，支撑主平台。主 平台上安装钻井塔架、闪光吊臂和其他一些海上钻井采油设备。管道从钻塔一直 伸到海底的集流箱和模块，钻塔连接在浮力箱的上面，浮力箱的中间是一个月池， 管道通过月池中央，浮力箱的两侧安装了平衡臂，平衡臂可以在铰链处旋转并且 大致保持在水平方向，平衡臂的两外端装了平衡块，在平衡块与铰链中间有一个 连接铰链，该铰链连接漂浮结构和平衡臂，平衡臂也可以在连接铰链处旋转以保 持水平。漂浮结构和浮力箱可以在垂直方向上相对自由移动，浮力箱的垂直移动 8 中南大学硕j 二学位论文第一章绪论 受到垂直导向系统引导作用，这个导向系统包括安装在浮力箱上部和下部的导向 轮，导向轮被液压缸、绞车或其他机构调节，尽量使浮力箱保持在垂直位置上。 平衡块通过调节自身的重量或者在平衡臂的位置上起平衡作用，安装有空气系统 或水力泵的浮力箱也类似。这个系统可以在垂直方向上下移动，也可以绕水平轴 转动。显然，这是一种典型的被动式升沉一摇摆补偿装置。该装置利用浮力箱体 承受载荷，平衡梁保持管道始终垂直，可以补偿较大海浪情况下的纵向、横向移 动、摇摆，但系统平台自身不易稳定。 1 2 3 国内升沉补偿系统的研究进展 我国对大洋采矿系统的研究是从2 0 世纪7 0 年代开始的，而对采矿系统上的 升沉补偿系统的研究起步比较晚，只有在最近几年国内少数几所高校和研究所对 升沉补偿系统进行了一些基础性研刭3 3 枷】，而华中科技大学提出的串并联补偿机 构以及广州工业大学设计的升沉补偿系统模拟实验平台比较典型【3 邛4 1 。 华中科技大学的郑相周博士提出了一种采用串并联机构为广义升沉补偿装 置的驱动平台，如图1 7 所示。此串并联机构通过移动型3 u p u 和转动型3 u p u 并联机构串联而成，其中移动型3 u p u 并联机构由机座和中间平台构成，转动 型3 u p u 并联机构由中间平台和静平台构成。机座固连在采矿船甲板上，静平 台上安装扬矿管系统。纯移动型3 u p u 并联机构用来补偿升沉和由于纵横摇产 生的扬矿管的偏移，而纯转动型3 u p u 并联机构用来补偿由于纵横摇产生的扬 矿管的倾斜。通过对串并联机构的位置、工作空间、刚度特点及运动学特性进行 了分析与应用仿真研究，确定了作为广义升沉补偿平台的串并联机构的大小，且 进行了3 d 运动仿真研究。结果表明，设计的串并联机构的尺寸规格可以满足四 级海况下的补偿需求，并且指出了所提出的串并联机构作为大洋采矿补偿平台是 可行的。 图1 7 大洋采矿补偿平台串并联机构仿真模型 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 广州工业大学的肖体兵博士运用电液比例、计算机控制与智能控制等技术提 出了轻、中、重载三种适应于不同情况的升沉补偿系统设计方案：对采用速度型 升沉补偿策略的用于扬矿管的升沉补偿的重载升沉补偿系统进行了参数设计；搭 建多功能的模拟试验台，利用试验台和相似原理，分别建立了轻载、中载和重载 升沉补偿模拟试验系统，如图1 8 、图1 9 、图1 1 0 所示。研究的结果表明，提 出的升沉补偿系统的设计方案是可行的，仿真建模的方法是正确的，设计的控制 器是有效的，达到了一定的补偿效果。 图1 8 轻载升沉补偿模拟试验系统 图1 9 中载升沉补偿模拟试验系统图1 1 0 重载升沉补偿模拟试验系统 从上述的国内外研究概述可知，现在所研究的升沉补偿装置形式比较多，但 是从动力供应的角度来看可分为三大类：主动型、被动型和半主动型。其中的主 动型升沉补偿系统( a c t i v eh e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e m ，a h c s ) 的补偿工作依靠补 偿系统本身的动力机的能源来工作的，如液压泵，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，但是结构复杂、 1 0 中南人学硕j ：学位论文第一章绪论 维护成本高、消耗的功率较大，只适合于小功率场合；被动型升沉补偿系统 ( p a s s i v eh e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e m ，p h c s ) 的补偿动力来源于采矿船的升沉，当 采矿船升沉时，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，该类型的升沉补偿系统几乎不消耗动力，因此应用比 较广泛，如钻井船的钻柱的升沉补偿系统，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；半主动型是主动型与被动型升沉补偿系统的结合， 充分利用了各自的优点，扬长避短，是比较理想的一种升沉补偿系统。从力学理 论来看，升沉补偿属于系统隔振控制问题。系统隔振控制的原理有隔离振源、弹 簧阻尼器式吸振、有源主动振动控制、动力吸振等多种，在工业生产和日常生 活中有着广泛的应用。 1 3 动力吸振技术 动力吸振是一种经典的减振方式，它通过改变系统能量的分布与传递特性实 现对主振系振动的控制。动力吸振系统中的动力吸振器( d v n a n l i c b r a t i o n a b s o r b e r 简称d v a ) 是1 9 0 9 年由f r a h m 发明的【4 ，至今已有一百多年的历史。它 结构简单，能有效地抑制频率范围变化较小的结构与设备的振动，因此被广泛应 用于各种机械工程、航空航天工程、船舶工程、交通运输和高层建筑等方面【4 2 。56 1 。 其中，在船舶上的应用最早可追溯到2 0 世纪2 0 年代，在1 9 2 8 年出版w e d a l b y 所 著的t h o m a sl o 、eg r a y 一书中作了描述，至于研制和应用独立的动力吸振器 则主要是近3 0 年来发展起来的【4 9 1 。1 9 7 5 年r 本西芝电机株式会社研制了一种自 动追从式电动吸振器，又于1 9 8 0 年研制成功采用滑差电机作为吸振器拖动电动机 的新型自动追从式电动吸振器，1 9 8 6 年又报道新建立了n e b x _ 2 5 0 0 e c ，n e b y 一5 0 0 0 e c ，n e b w 一5 0 0 0 e c 3 个系列【5 0 】。“a s i a ne a g l e 集装箱船舶采用了 西芝电机生产的n e b w l 8 0 0 0 e c 型动力吸振器来降低船体振动【5 l j 。8 0 年代美国 研究者在3 艘姐妹船上进行的减振实验证明了吸振装置良好的减振性能【5 引。丹麦 的f l 史密斯公司所研制的几种吸振装置在调节控制力方面较日本有所改进，而 且该公司还研制了一种双重吸振装置【5 3 5 4 1 。2 0 世纪9 0 年代中期韩国釜山国立大学 研制了一种可无极连续调节力幅与相位的主动式动力吸振器，能实现跟踪振动响 应的相位和幅值【5 5 】。我国关于动力吸振技术的研究还较少，像利用主动式吸振 技术来控制矿井井塔建筑结构振动这样的工程实例就更少了【5 酬。 传统的d v a 属于被动式，但随着计算机与自动控制技术的发展以及对结构振 动与噪声控制水平要求的不断提高，振动主动( 有源) 控制技术日益受到重视， 其中主动式动力吸振技术迅速发展。先后提出了半主动式和全主动式d v a ，其中 半主动式d v a 采用丌环控制，通过调整d v a 结构参数，使其有效吸振频率跟踪主 系统外干扰力频率，充分发挥d v a 的减振能力；全主动式d v a 采用闭环控制，通 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 过反馈主振系振动状态参量按一定规律调节d v a 的振动，从而达到降低主振系振 动响应的目的。半主动控制系统根据结构的响应和外激励的反馈信息实时地调整 结构参数，有效的减小结构振动响应，而且构造简单，所需能量小，不会使结构 系统发生不稳定，已经成为目前结构振动控制领域研究的热剧5 7 j 。半主动式动 力吸振系统具有自己的能源和检测装置，可检测和反馈系统( 及环境) 的状态， 并按预设规律调节吸振器的振动状态，使副振系与主振系的振动加速度反相，从 而可以在较宽的频带内降低主振系的周期振动或随机振动响应。在这种半主动式 动力吸振系统中，由于不直接对大质量的主振系施控( 在必要时还可采用由多个 小吸振器构成的离散分布式动力吸振系统) ，因而有可能以较小的控制能量( 或 多个较小的控制设备) 实现对较大质量主振系的振动控制：同时，由于副振系的 振动状态是通过半主动控制方式调节，可以根据主振系或环境的状态输出相应的 控制力，因而可以极大地拓展系统的抑振频率范围。研究已表明，在离散分布式 动力吸振系统中，通过合理的分配各小吸振器的调谐频率，可以获得更宽的消振 频带和更稳定的抑振效剿删；更进一步，如果合适地应用自适应控制、h 。鲁棒 控制等现代控制理论设计系统的控制算法，使控制系统具有对应随机振动的良好 自适应性能或对应某些特定频域的加权抑振功能，则可能大幅提高系统的振动控 制性能。 1 4 本课题的提出与研究内容 1 4 1 本课题的提出 本课题的来源是国家自然科学基金资助项目“有源主动控制动力吸振式升沉 补偿系统设计理论及控制策略研究”( 5 0 6 7 5 2 2 6 ) 。该项目要求，根据中国矿区四 级作业海况下采矿船上下运动对深海采矿系统的实际影响，由此提出满足系统设 计指标的升沉补偿系统方案，研究其主要技术参数，运用h o 。鲁棒控制理论设计 了动力吸振式半主动控制升沉补偿系统的鲁棒控制器，并用m a t l a b 对控制性 能进行了仿真分析，为实际升沉补偿系统的研发及制造提供理论依据与技术参 考。 1 4 2 本课题研究的基本思路与主要内容 本论文共有七章，各章内容简述如下： 第一章绪论，介绍课题研究背景，分析采用升沉补偿装置的重要性，总结归 纳升沉补偿系统的国内外研究进展，概述动力吸振技术： 第二章动力吸振器与蓄能器复合作用的补偿系统方案设计，根据采矿系统作 1 2 中南人学硕一l ：学位论义 第一帝绪论 业条件，得到简谐波作用下采矿船的响应，设计分析了动力吸振器与蓄能器复合 作用的升沉补偿系统，并说明了其工作原理： 第三章复合作用下的补偿系统数学建模及仿真分析，建立各个元件和系统的 数学模型，进行主系统参数的选取，应用m a t l a b 仿真软件讨论了动力吸振系 统中的参数并进行参数确定，分析典型四级海况下系统的补偿性能，提出一种半 主动控制升沉补偿系统； 第四章磁流变阻尼器的工作特性和阻尼力的计算，分析磁流变阻尼器的流变 机理及力学特性，介绍磁流变阻尼器的工作模式和阻尼力的计算，利用l a b v i e w 软件、多功能数据采集卡及各种传感器，为一个安装了磁流变阻尼器的单自由度 液压实验台建立一整套测控系统，对磁流变阻尼器的性能进行试验研究： 第五章升沉补偿系统的h 鲁棒控制研究，利用h o 。鲁棒控制策略并运用 m a t l a b 软件及其自带的鲁棒控制工具箱，对半主动控制升沉补偿系统进行仿 真研究； 第六章总结，对全文主要内容和研究结果进行总结。 1 5 本章小结 本章介绍了开发深海矿产资源的意义及开采技术的研究进展和深海采 矿系统的研究现状，分析了升沉补偿系统在整个深海采矿系统中的重要性， 讲述了国内外升沉补偿系统的研究现状，综述了动力吸振技