鋪纜船拖鏈建模及航跡控制技術研究.pdf

1、海底光纜埋設施工時,埋設犁需要鋪纜船通過拖鏈驅(qū)動。埋設犁的路徑和速度,亦即鋪纜路徑和速度需要通過控制鋪纜船的航跡和速度來得到。鋪纜船的運動,除了海洋環(huán)境的影響之外,拖鏈張力對其的影響也不可忽略。為了精確控制鋪纜船以一定的速度和航跡航行,需要分析拖鏈的運動情況,并在此基礎上設計軌跡跟蹤控制器進行航跡控制。
　　本文首先建立了拖鏈和鋪纜船的數(shù)學模型,然后研究了鋪纜船和拖鏈的耦合運動情況,建立了鋪纜船-拖鏈耦合運動模型。最后針對鋪纜船-

2、拖鏈耦合系統(tǒng)數(shù)學模型設計軌跡跟蹤控制器。鑒于滑模變結構控制的響應快速、魯棒性強等特點,本文使用基于指數(shù)趨近率的滑?？刂破?并采用云模型理論解決抖振的問題。鋪纜船的航跡通過簡化的方式由埋設犁的路徑確定,將仿真得出的鋪纜船和埋設犁的路徑與期望路徑對比,分析結果。具體如下:
　　(1)首先綜合鋪纜船的水面作業(yè)和低速運行特性,從普通船舶的六自由度模型出發(fā),建立鋪纜船的三自由度數(shù)學模型和環(huán)境干擾數(shù)學模型。然后簡要介紹了勻速直線運動時的埋設犁

3、數(shù)學模型,為后續(xù)分析奠定基礎。
　　(2)從穩(wěn)態(tài)運動與動態(tài)運動兩方面考慮,建立拖鏈運動的數(shù)學模型。穩(wěn)態(tài)運動分析時,以拖鏈微元為研究對象建立數(shù)學模型,并通過已知的拖鏈狀態(tài)值將拖鏈的穩(wěn)態(tài)運動轉(zhuǎn)化為初始值問題,進而通過龍格庫塔法數(shù)值求解;仿真分析穩(wěn)態(tài)運動與拖鏈下端姿態(tài)角的關系,以及海流對穩(wěn)態(tài)運動的影響。動態(tài)運動分析時,采用集中質(zhì)量法,將拖鏈在空間上離散成一系列節(jié)點,以節(jié)點為研究對象,得出其運動數(shù)學模型,以穩(wěn)態(tài)運動的狀態(tài)值為初始值進行數(shù)值

4、求解;仿真分析變速直航和定?；剞D(zhuǎn)時拖鏈的運動情況。
　　(3)通過耦合條件將鋪纜船和拖鏈的數(shù)學模型結合成一個整體,建立鋪纜船-拖鏈耦合系統(tǒng)數(shù)學模型。通過對比鋪纜船在一定的推力和轉(zhuǎn)矩的作用下運行時,鋪纜船自身以及在拖鏈作用下的回轉(zhuǎn)半徑、航行速度等情況,分析拖鏈對鋪纜船運動的影響。
　　(4)通過假設在運動過程中鋪纜船和埋設犁的水平距離保持恒定,由埋設犁路徑確定了鋪纜船航跡。
　　(5)針對耦合系統(tǒng)的運動,應用滑模變結構控