深海剖面測量浮標(biāo)節(jié)能研究.docx

1、58卷第3期(總第223期)中國造船W.58No.3(SerialNo.223)2017年9月SHIPBUILDINGOFCHINASep.2017文章編號(hào)：1000-4882(2017)03-0128-08深海剖面測量浮標(biāo)節(jié)能研究陳鹿12,崔維成W,潘彬彬”(1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院深淵科學(xué)與技術(shù)研究中心，上海201306;2.上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心，上海201306)摘要為了設(shè)計(jì)體積小、重量輕的深海水深剖面測量浮標(biāo)，論文提出了一種節(jié)能方案.為了實(shí)現(xiàn)對深海剖面測量浮標(biāo)能耗的模擬研究，通過試驗(yàn)獲得深海剖面測量浮標(biāo)特定元件功耗等特性數(shù)據(jù).考慮海水密度變化對其浮力調(diào)節(jié)的影響，對深海剖面測

2、量浮標(biāo)建立縱向運(yùn)動(dòng)模型，并應(yīng)用四階五級龍格庫塔法對常微分方程的初值問題進(jìn)行求解.結(jié)果表明：該節(jié)能方案有效地控制了上浮速度，其上浮速度在0.1.19m/s之間，并節(jié)約能量約51.16%,為深海剖面測量浮標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ).關(guān)鍵詞：剖面測量浮標(biāo)；縱向運(yùn)動(dòng)；模擬；節(jié)能中圖分類號(hào)：P756文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0引言深海剖面測量浮標(biāo)，也稱為“自律式拉格朗日環(huán)流剖面觀測浮標(biāo)”或“自持式剖面自動(dòng)循環(huán)探測儀”,是一種可以在海洋中自由漂移，采用拉格朗日環(huán)流法，自動(dòng)測量從海面到一定水深的海水溫度、電導(dǎo)率(鹽度)和壓力，并跟蹤其漂流軌跡來獲取海流的速度和方向的測量儀器。小型水下機(jī)器人、水下滑翔機(jī)的浮力調(diào)節(jié)主要通過

3、改變自身的排水體積或自重來改變凈浮力，實(shí)現(xiàn)上浮、下潛運(yùn)動(dòng)。深海剖面測量浮標(biāo)采用改變排水體積的方法來實(shí)現(xiàn)上浮、下潛運(yùn)動(dòng)。由于深海剖面測量浮標(biāo)體積小，對其重量要求需精確到0.5g，而海水密度隨深度增加而增大；因此，在上浮、下潛過程中應(yīng)考慮海水密度變化對凈浮力的影響。研究者們在研究水下無人潛航器時(shí)，主要專注于設(shè)計(jì)體積小、能耗低的水下設(shè)備，以便在水下執(zhí)行更長時(shí)間的任務(wù)。常規(guī)2000m以淺的剖面測量浮標(biāo)，均采用細(xì)長的圓柱形設(shè)計(jì)；然而，DeepAPEX”：和DeepSOLO6000m的深海水深剖面測量浮標(biāo)則采用球形耐壓設(shè)計(jì)【氣設(shè)計(jì)體積更小、重量更輕、工作時(shí)間更長的深海剖面測量浮標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)對海洋剖面參數(shù)更精

4、確的測量；因此，對深海剖面測量浮標(biāo)的設(shè)計(jì)而言，節(jié)能研究變得十分重要。Agrawal等和Sumantr等對可變壓載的UUV的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了模擬，然而，這些運(yùn)動(dòng)過程均未考慮到海水密度變化對UUV(Unmannedunderwatervehicle)產(chǎn)生的影響。在深海剖面測量浮標(biāo)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，海水密度變化的影響不可忽略。為降低電機(jī)功耗，設(shè)計(jì)體積小、重量輕的深海剖面測量浮標(biāo)，就成為需要追求的目標(biāo)。結(jié)合這個(gè)需求，本文依據(jù)試收稿日期：2017-06-09：修改稿收稿日期：201798-14基金項(xiàng)目：上海市科委“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃"項(xiàng)目II期(15DZ1207000)；上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究

5、中心開放基金“大深度剖面浮標(biāo)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究"<HAST-T-2016-04)驗(yàn)獲得的基本數(shù)據(jù)，對深海剖面測量浮標(biāo)建立垂直運(yùn)動(dòng)模型，對其單周期的上浮運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行節(jié)能研究，期望為深海剖面浮標(biāo)的研制提供理論基礎(chǔ)。1深海剖面測量浮標(biāo)測量的一般過程深海剖面測量浮標(biāo)測量一般過程與淺于2000m的水深剖面測量浮標(biāo)類似，設(shè)定漂流深度為1000m；在水面時(shí)，浮標(biāo)開始定位，隨后打開電磁閥，外油囊液反油開始進(jìn)入到耐壓球殼內(nèi)，浮標(biāo)體積開始減小，凈浮力減小，開始下潛；累積排油量到達(dá)一定時(shí)，電磁閥關(guān)閉；深海剖面測量浮標(biāo)下潛至1000m處漂流一定時(shí)間后，電磁閥再開啟；液壓油再次從外油囊流向耐壓球殼中的內(nèi)油

6、囊，浮標(biāo)體積再次減小，繼續(xù)下潛，液壓油累積排油量達(dá)到另一個(gè)程度時(shí)，電磁閥關(guān)閉，深海剖面浮標(biāo)到達(dá)預(yù)定深度，如4500m。隨后，耐壓艙內(nèi)液壓泵開始工作，液壓油從內(nèi)油囊流向外油囊，浮標(biāo)體積開始增大，凈浮力增大，浮標(biāo)開始上浮，上浮過程中溫鹽深儀對海水溫度、電導(dǎo)率、壓力等進(jìn)行測量，排油體積累積到一定程度時(shí)，液壓泵停止工作。深海剖面測量浮標(biāo)到達(dá)水面，通過北斗導(dǎo)航再次定位，并發(fā)送測量:數(shù)據(jù)，即完成一個(gè)周期的測量。由于深海剖面測量浮標(biāo)在上浮過程中需要啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)能量消耗占整個(gè)測量周期中能量消耗的比重很大，因此，本文重點(diǎn)研究上浮階段的節(jié)能控制方案。2海水、電機(jī)和液壓泵的基本特性由于海水密度隨深度的增加而增大，

7、經(jīng)過海上實(shí)測得出了南海海水深度與密度的關(guān)系如圖1所示。圖1南中國海海水密度與深度的關(guān)系深海剖面測量浮標(biāo)浮力調(diào)節(jié)主要依賴于液壓系統(tǒng)，為了更好地掌握液壓泵的流量及電機(jī)功耗信息,對液壓泵和電機(jī)進(jìn)行測試，為深海剖面測量浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測試中，電機(jī)電流與水深壓力的關(guān)系、液壓泵流量與水深壓力的關(guān)系分別如圖2和圖3所示。0204060水深壓力/MPa水深壓力/MPa圖3液壓泵在不同水深壓力下的流量圖2電機(jī)在不同水深慶力下的電流根據(jù)電機(jī)電流與水深壓力的關(guān)系、液壓泵流量與水深壓力的關(guān)系，即可計(jì)算在某一深度下的電流以及液壓泵的流量，從而可以計(jì)算電機(jī)的累積功耗和液壓泵的累積排油量。3深海剖面測量

8、浮標(biāo)節(jié)能模型建立與求解深海剖面測量浮標(biāo)體積小，因此對重量要求十分嚴(yán)格。在剖面浮標(biāo)總體設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)，降低功耗，減小重量。3.1總體設(shè)計(jì)深海剖面測量浮標(biāo)根據(jù)市場所能提供的玻璃浮球?yàn)槟蛪簹んw進(jìn)行總體設(shè)計(jì)?？紤]到深海剖面測量浮標(biāo)的工作狀態(tài)，要求剖面測量浮標(biāo)在水面、漂流深度1000m以及最大設(shè)計(jì)深度4500m凈浮力為零，達(dá)到中性平衡狀態(tài)，即浮力和重力相等。3.2模型建立深海剖面測量浮標(biāo)下潛、上浮運(yùn)動(dòng)是對浮標(biāo)浮力調(diào)節(jié)性能進(jìn)行評估的一個(gè)重要參考，因此對浮標(biāo)建立運(yùn)動(dòng)模型分析也十分關(guān)鍵。深海剖面測量浮標(biāo)通過調(diào)整排水體積，改變其在大海中的上浮、下潛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)T】。選擇靜止的海面為參考水

9、平面，海水深度在參考水平面處為零，向下為正，浮標(biāo)的受力、速度及加速度方向均向下為正。深海剖面測量浮標(biāo)受力及運(yùn)動(dòng)分析基于以下假設(shè)：（1）將深海削面測兼浮標(biāo)看作均勻球體，在運(yùn)動(dòng)分析中，由于剖面測量浮標(biāo)外形尺寸與水下行程相比可忽略不計(jì)，在此可把浮標(biāo)體當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)。（2）受力分析中，主要是分析剖面測量浮標(biāo)的縱向運(yùn)動(dòng)，海流僅影響剖面浮標(biāo)水下運(yùn)動(dòng)的橫向位移，因此不考慮海流的影響。坐標(biāo)系及受力分析如圖4所示。水面設(shè)：，為任意時(shí)刻；Af為微小時(shí)間間隔：Qw為海水密度；匕為t時(shí)刻水深剖面測量浮標(biāo)的體積；V為速度；g為重力加速度；以為水深剖面測量浮標(biāo)總質(zhì)量；M為水深剖面浮標(biāo)附加質(zhì)量，M&3；R為深海剖面測量浮

10、標(biāo)的半徑；為深海剖面測量浮標(biāo)的投影面積；q（z）為在*3w水深Z處液壓泵流量；1（z）為在水深Z處電機(jī)電流。深海剖面測量浮標(biāo)在f時(shí)刻的浮力和水阻力之和等于浮標(biāo)重力時(shí)，處于平衡狀態(tài)，即：Mw=Fb,+Fdt時(shí)刻深海剖面測量浮標(biāo)的浮力為F&=Pw,g,K（2）t時(shí)刻深海剖面測量浮標(biāo)的體積vt為水面初始體積*與t時(shí)刻累積排油童Q之和：(3)(4)(5)(6)，時(shí)刻水深剖面測量浮標(biāo)的水阻力為將(2)和(4)代入(1)式得：Mg=Pw久-zz考慮到附加質(zhì)量力對浮標(biāo)的影響，有：W+虬)5=M.g_曲_%因此，(M+".)，=Mg-°w叫'g-Cd，Aa>，P*國方

11、")優(yōu)化后，第次啟動(dòng)電機(jī)時(shí)間為30s,微小時(shí)間步長山=0.1s,每啟動(dòng)一次電機(jī)需計(jì)算300步；因此，第1次啟動(dòng)電機(jī)時(shí)間，液壓泵對應(yīng)的累積排油量為300Q=£(sign(v)幻(z)*)(8)式中，sign(y)為符號(hào)函數(shù)，深海剖面測量浮標(biāo)向下運(yùn)動(dòng)為正方向，速度為正。sign(v)J-1*V>°I1,深海剖面測量浮標(biāo)在海水中垂直運(yùn)動(dòng)的加速度即為速度的一階導(dǎo)數(shù)、位移的二階導(dǎo)數(shù)，如式(10)所示。MgWwg(r°-Q)-：c4久|牛，5、a=vz=.(0)(M+MJ深海剖面測量浮標(biāo)在海水中垂直運(yùn)動(dòng)的速度為位移的導(dǎo)數(shù)即：(11)初始方案設(shè)計(jì)中，水深剖面測量

12、浮標(biāo)在最大設(shè)計(jì)深度4500m附近開始上浮，在啟動(dòng)電機(jī)一次的過程中完成向外油囊的排油,全程排油量即為達(dá)到理論值所需的累積排油量。為了在上浮過程中降低電機(jī)功耗，對上浮過程進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，降低電機(jī)功耗在單周期測：過程中的功耗比例?？紤]到實(shí)際情況，分階段啟動(dòng)電機(jī)，避免電機(jī)啟動(dòng)太頻繁，每次啟動(dòng)電機(jī)工作時(shí)間達(dá)fo=3Os后關(guān)閉電機(jī)，待剖面浮標(biāo)上浮速度小于O.lm/s時(shí)再次啟動(dòng)電機(jī)。其節(jié)能模型為(12)(12)(13)300min乙=24.£(£").&)><-i/!0.1<v0.2。公式中，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)次數(shù)，Q每次排油量，。為從4500m±浮到

13、海面所需的理論排油量。3.3計(jì)算求解本文采用四階五級龍格庫塔法求解微分方程“龍格庫塔法求解的基本思想是根據(jù)微積分基本定理，在一個(gè)小的步長xn,x內(nèi)：y(xn+l)=y(xn)+J：/(f,y定(14)采用格式有:(15)所以,火知)=*)+加/(%*“)(16)該常微分方程初值求解問題可表示為(17)對于二階導(dǎo)數(shù)的初值求解問題，需對二階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行降階處理，轉(zhuǎn)化為一階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行聯(lián)合求解，即:z-v(18)分別以優(yōu)化前和優(yōu)化后兩種情況，對深海剖面測量浮標(biāo)進(jìn)行模擬計(jì)算，其流程模擬分別如圖5、圖6所示。第-下*階段速度、旗度.1程舞油量上浮階段圖5優(yōu)化前流程模擬(到達(dá)水面)速度、深度、KfRff油慮度，盛

14、力計(jì)算龍格障塔法求解第二下潛物段速度、深度、累枳招油Tm否弋O.lnVs圖6節(jié)能優(yōu)化流程模擬4分析結(jié)果應(yīng)用四階五級龍格庫塔法，對深海剖面測量浮標(biāo)的下潛、上浮過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，對上浮過程中的電機(jī)功耗進(jìn)行了節(jié)能模擬計(jì)算，微小時(shí)間間隔取&=O.ls為計(jì)算步長，進(jìn)行循環(huán)迭代計(jì)算，優(yōu)化前后的結(jié)果如圖7、圖8所示。表1為上浮階段優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)比較。040404!IIS.M、«矛狀O1*98時(shí)間/s(c)累積排油量:時(shí)間/S(d)電機(jī)累積耗電量(a)深海剖面測量浮標(biāo)在水中深度(a)深海剖面測量浮標(biāo)在水中深度(b)深海剖面測最浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度(c)深海削面測量浮標(biāo)累積排油母5x1044x1

15、0*3x10,2*104IxlO4O'；11L.02468時(shí)間/s1214xlO4(d)深海剖面測量浮標(biāo)電機(jī)累積耗電量圖8優(yōu)化后深海剖面測量浮標(biāo)動(dòng)態(tài)模擬表1上浮階段優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)比較參數(shù)優(yōu)化前優(yōu)化后優(yōu)化后下降的百分比/%電機(jī)耗電量/wS100723.0649197.4751.16上浮階段耗時(shí)/s12291.435629.3上浮階段最大速度/(m/s)0.550.1965.16在環(huán)境參數(shù)變化的情況下，深海剖面測量浮標(biāo)通過調(diào)節(jié)自身的排水體積到達(dá)最大深度4583.73m,此時(shí)的累積排油量為1170.17mL。由表1可知，優(yōu)化后，上浮階段電機(jī)的累積耗電量為49197.47ws,按優(yōu)化的方法調(diào)節(jié)

16、浮力，可以節(jié)約51.16%的能量，并能成功到達(dá)水面；且上浮階段能夠更好地控制上升速度，最大速度為0.19m/s,最小速度為O.lm/s,避免速度過大引起的測量誤差。該優(yōu)化方案能夠較好地節(jié)約深海剖面測量浮標(biāo)的能耗，從而達(dá)到節(jié)約能量的目的。5結(jié)語本文以試驗(yàn)測試的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對一臺(tái)4500米級深海剖面測量浮標(biāo)在海洋中的單周期縱向運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了模擬研究，按照該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，深海剖面測量浮標(biāo)可到達(dá)漂流深度和最大設(shè)計(jì)深度，并通過對上浮過程的優(yōu)化調(diào)節(jié)，可以顯著地節(jié)約深海剖面測量浮標(biāo)的能耗，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，為深海剖面浮標(biāo)的研制提供了理論基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)許建平.阿爾戈全球海洋觀測大探秘M.北京：海洋出版社

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