Design and research on a variable ballast system for deep-sea manned submersibles

第 37 卷第 4 期2024 年4 月振 动 工 程 学 报Journal of Vibration EngineeringVol. 37 No. 4Apr. 2024风浪联合作用下分布式调谐质量阻尼器对海上半潜漂浮式风机的减振控制罗一帆1，2，孙洪鑫1，2，王修勇1，2，陈安华3，彭剑1，2，左磊4（1.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201； 2.湖南科技大学结构抗风与振动控制湖南省重点实验室，湖南湘潭 411201； 3.湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭 411201；4.美国密歇根大学船舶海洋工程系，美国安娜堡 48109）摘要: 海上半潜漂浮式风机在复杂深海环境下产生有害振动会威胁风机的安全性和耐久性，针对该问题并结合美国NREL的5 MW样机的漂浮平台几何结构构造，提出利用分布式调谐质量阻尼器（Tuned Mass Dampers，TMDs），即分别在漂浮平台的3根浮筒中布置TMD，形成等边三角形布置，对随机风浪联合作用下海上半潜漂浮式风机的平台纵摇振动进行控制。

为了更好地描述分布式TMDs对海上半潜漂浮式风机的减振效果，基于拉格朗日方程和模态叠加法，对海上半潜漂浮式风机‑TMDs耦合系统提出并建立了9自由度多体动力学模型。

基于H∞算法，即以平台纵摇频响函数的峰值为优化目标，对分布式TMDs的参数进行优化设计，优化设计中考虑了3个TMDs之间的耦合关系。

对风机‑TMDs耦合系统开展了风浪联合作用下的数值模拟，分析了分布式TMDs对平台纵摇响应的减振效果。

结果表明：最优设计下的分布式TMDs对海上半潜漂浮式风机平台纵摇振动具有良好的减振性能；在三种不同工况的随机风浪荷载作用下，分布式TMDs对平台纵摇固有频率附近的功率谱密度曲线峰值减振率和标准差减振率能分别达到39%和52%以上。

关键词:振动控制；海上半潜漂浮式风机；多体耦合动力学模型；分布式调谐质量阻尼器；参数优化中图分类号: TB535；TK83 文献标志码: A 文章编号: 1004-4523（2024）04-0565-13DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2024.04.004引言随着全球变暖的加速和人们环境保护意识的增强，可再生清洁能源的生产和使用变得越来越重要，其中海上风能因其风速高、风力稳定、对环境影响小等优点受到广泛关注。

运动升沉补偿装置的设计和分析完成日期：指导教师签字：答辩小组成员签字：运动升沉补偿装置的设计和分析摘要升沉补偿系统作为海洋浮式钻井平台的关键设备之一。

在进行深海钻井时, 钻机将会受波浪等作用而带动井下钻具上下运动, 因而无法控制钻压, 这样不但影响效率, 严重时还会损坏钻具。

升沉补偿装置可克服上述升沉运动的影响, 调整深海井底钻压, 提高钻井效率和安全性, 而且能够延长钻井设备的使用寿命。

通过分析国内外升沉补偿技术原理及发展动态，在原理上提出并设计一种半主动升沉补偿装置，同时具有主动式补偿系统与半主动式补偿系统的优点，比传统升沉补偿装置相比具有补偿性能高、能耗低的优点；结构上采用采用游车与大钩之间装设的机械结构，进行具体的结构设计、校核、理论分析，并绘制出二维、三维零件图及装置整体装配图。

关键词：升沉补偿，主动式，被动式，半主动式，游车大钩式Design and analysis of Heave Compensation DeviceAbstractHeave compensation system is the key to Floating offshore platform.Rig will be driven by the wave functions cause down hole drill move up and down when deepwater drilling, it can’t guarantee a stable pressure.It not only influence efficiency, but also can damage drilling tools. Heave compensation system can overcome the influence of heave movement，adjusting the bottom-hole drilling pressure of the deep-sea.Enhance drilling efficiency and safety and prolong the service life of the drilling equipment.Keywords:Heave Compensation, active, passive, semi-active, compensator between travelling block and hook目录1绪论 (1)1.1课题背景及研究意义 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.2.1国外研究现状 (1)1.2.2国内研究现状 (2)2 升沉补偿装置的结构与补偿原理 (3)2.1升沉补偿装置的结构 (3)2.1.1游车与大钩间的升沉补偿装置 (3)2.1.2天车上装设的升沉补偿装置 (4)2.1.3死绳上装设的升沉补偿装置 (5)2.2升沉补偿装置的原理 (6)2.2.1被动式升沉补偿系统 (6)2.2.2主动式升沉补偿系统 (7)2.2.3半主动式升沉补偿系统 (7)3设计方案选择 (9)3.1机械结构方案的选择 (9)3.2补偿原理方案的选择 (10)4 半主动游车大钩式升沉补偿装置的设计 (11)4.1半主动游车大钩式升沉补偿系统原理 (11)4.2钻柱的参数 (12)4.3半主动游车大钩式升沉补偿系统设计参数选择及计算 (13)4.3.1设计参数的选取 (13)4.3.2补偿液压缸的设计计算 (14)4.3.3气能蓄液器缸的设计计算 (20)4.3.4气能蓄液器缸充气压力及高压所需气体体积的计算 (26)4.3.5主动液压缸的设计计算 (27)4.3.6钢丝绳的选用计算及固定方式 (33)4.3.7滑轮及滑轮组的计算设计、校核 (35)4.3.8液压系统的设计 (42)5 总结和体会 (46)参考文献 (48)致谢 (49)1绪论1.1课题背景及研究意义随着人们对海洋油气资源认识的不断提高及对海洋油气勘探开发工作的逐渐深入, 世界范围内海洋石油钻采装备技术研究已进入一个崭新的历史阶段。

第29卷第5期水下无人系统学报 Vol. 29No.5 2021年10月 JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Oct. 2021收稿日期: 2020-11-02; 修回日期: 2021-01-27.作者简介: 张炜权(1981-), 男, 硕士, 高工, 主要研究方向为流体转动与控制.[引用格式] 贾国涛, 张炜权, 刘国庆. 一种异步电机全阶磁链观测器设计方法[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(5): 596-600.一种异步电机全阶磁链观测器设计方法贾国涛, 张炜权, 刘国庆(中国船舶集团有限公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650101)摘 要: 随着新型水下电动混流泵发射动力技术的不断发展, 对高速电机驱动提出了新的要求。

但传统全阶磁链观测器设计会引发系统极点产生正实部, 造成无速度传感器控制系统不能在低转速区域保持稳定, 促使装置启动失败。

针对此, 文中提出一种新的异步电机全阶磁链观测器设计方法, 设计了一种基于全阶磁链观测器的误差反馈矩阵, 可同时保证观测器极点实部和估计转速传递函数的零点实部都小于零, 从而保证了观测器以及估计转速的稳定。

实验验证了该方法的有效性。

关键词: 异步电机; 全阶磁链观测器; 无速度传感器; 矢量控制; 转速估计中图分类号: TJ630; TM343 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2021)05-0596-05DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.012New Design Method for an Asynchronous Motor Full-Order Flux ObserverJIAGuo-tao , ZHANG Wei-quan , LIU Guo-qing(The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Kunming 650101, China)Abstract: New technologies for electric underwater mixed-flow pump launch power are increasingly becoming an active research topic in the underwater attack and defense field, in which the reliability design of equipment is the key feature. However, the traditional design method of an asynchronous motor full-order flux observer leads to a positive real part of the poles of the system, resulting in a speed sensorless control system that is not stable in low-speed regions, and, thereby, in the failure of the start-up of the device. This study, therefore, proposes a new design method for an asyn-chronous motor full-order flux observer, which is designed based on a full-order flux observer while ensuring that the real part of the pole of the observer and the real part of the zero point of the estimated speed transfer function are less than zero. As a result, the stability of the observer is ensured while the speed is estimated. Finally, the effectiveness of the method is verified experimentally.Keywords: asynchronous motor; full-order flux observer; speed sensorless; vector control; speed estimation0 引言 为满足水下新型预置式武器平台、深海试验平台、新型潜艇及攻击型无人水下航行器(unman- ned undersea vehicle, UUV)等低噪声、小型化发射的需求, 新型水下电动混流泵发射动力技术越来越成为水下攻防的研究热点, 发射动力装备对高速电机驱动提出了新的要求, 其可靠性设计成为关键技术。

基于速变LOS的无人船反步自适应路径跟踪控制余亚磊;苏荣彬;冯旭;郭晨【摘要】[目的]为了解决无人船由系统建模误差和参数摄动引起的混合不确定项、模型含非零非对角项和控制器输入饱和情况下的路径跟踪问题,[方法]提出基于速变视线导航法(LOS)的反步自适应无人船路径跟踪控制方法.首先引入坐标变换法,把系统模型转变为斜对角形式.把控制系统分为制导子系统和控制子系统,在制导子系统设计速变LOS算法,使纵向速度制导律与横向跟踪误差呈正相关,确保无人船能有效地朝着并保持在期望的路径上;在控制子系统设计反步自适应算法以补偿系统混合不确定项,同时引入辅助系统处理系统控制输入饱和问题.[结果]运用李雅普诺夫稳定性理论证明制导—控制闭环系统一致最终有界稳定.[结论]仿真结果验证了所提出方法的有效性和鲁棒性,对无人船反步自适应路径跟踪控制有一定的参考价值.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2019(014)003【总页数】9页(P163-171)【关键词】无人船;路径跟踪;视线导航法;输入饱和;自适应控制【作者】余亚磊;苏荣彬;冯旭;郭晨【作者单位】大连海事大学航海学院,辽宁大连116026;大连海事大学航海学院,辽宁大连116026;大连海事大学航海学院,辽宁大连116026;大连海事大学船舶电气工程学院,辽宁大连116026【正文语种】中文【中图分类】U664.820 引言过去十几年，无人船在搜救、科研、探险和商业方面应用广泛［1-5］。

无人船运动控制的主要研究问题有航迹跟踪、编队控制和镇定控制，其中航迹跟踪又分为轨迹跟踪和路径跟踪［6］。

轨迹跟踪指无人船能够在指定的时间到达指定位置；而路径跟踪只需完成几何性质的位置跟踪且不依赖于时间信息。

事实上，船舶在大洋航行时一般不要求在指定时间到达指定地点，而只需沿着计划航线航行，因而路径跟踪对于航海实践具有更大的研究意义［7］。

Wang 等［8-14］在基于视线（Line-of-Sight，LOS）导航法的路径跟踪制导研究方面取得了许多成果。