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：1000-4882(2017)03-0128-08深海剖面測量浮標節能研究陳鹿12,崔維成W,潘彬彬”(1.上海海洋大學海洋科學學院深淵科學與技術研究中心，上海201306;2.上海深淵科學工程技術研究中心，上海201306)摘要為了設計體積小、重量輕的深海水深剖面測量浮標，論文提出了一種節能方案.為了實現對深海剖面測量浮標能耗的模擬研究，通過試驗獲得深海剖面測量浮標特定元件功耗等特性數據.考慮海水密度變化對其浮力調節的影響，對深海剖面測

2、量浮標建立縱向運動模型，并應用四階五級龍格庫塔法對常微分方程的初值問題進行求解.結果表明：該節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，并節約能量約51.16%,為深海剖面測量浮標的優化設計提供了理論基礎.關鍵詞：剖面測量浮標；縱向運動；模擬；節能中圖分類號：P756文獻標識碼：A0引言深海剖面測量浮標，也稱為“自律式拉格朗日環流剖面觀測浮標”或“自持式剖面自動循環探測儀”,是一種可以在海洋中自由漂移，采用拉格朗日環流法，自動測量從海面到一定水深的海水溫度、電導率(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。小型水下機器人、水下滑翔機的浮力調節主要通過

3、改變自身的排水體積或自重來改變凈浮力，實現上浮、下潛運動。深海剖面測量浮標采用改變排水體積的方法來實現上浮、下潛運動。由于深海剖面測量浮標體積小，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，主要專注于設計體積小、能耗低的水下設備，以便在水下執行更長時間的任務。常規2000m以淺的剖面測量浮標，均采用細長的圓柱形設計；然而，DeepAPEX”：和DeepSOLO6000m的深海水深剖面測量浮標則采用球形耐壓設計【氣設計體積更小、重量更輕、工作時間更長的深海剖面測量浮標，可實現對海洋剖面參數更精

4、確的測量；因此，對深海剖面測量浮標的設計而言，節能研究變得十分重要。Agrawal等和Sumantr等對可變壓載的UUV的運動過程進行了模擬，然而，這些運動過程均未考慮到海水密度變化對UUV(Unmannedunderwatervehicle)產生的影響。在深海剖面測量浮標浮力調節系統設計中，海水密度變化的影響不可忽略。為降低電機功耗，設計體積小、重量輕的深海剖面測量浮標，就成為需要追求的目標。結合這個需求，本文依據試收稿日期：2017-06-09：修改稿收稿日期：201798-14基金項目：上海市科委“科技創新行動計劃"項目II期(15DZ1207000)；上海深淵科學工程技術研究

5、中心開放基金“大深度剖面浮標浮力調節系統研究"<HAST-T-2016-04)驗獲得的基本數據，對深海剖面測量浮標建立垂直運動模型，對其單周期的上浮運動過程進行節能研究，期望為深海剖面浮標的研制提供理論基礎。1深海剖面測量浮標測量的一般過程深海剖面測量浮標測量一般過程與淺于2000m的水深剖面測量浮標類似，設定漂流深度為1000m；在水面時，浮標開始定位，隨后打開電磁閥，外油囊液反油開始進入到耐壓球殼內，浮標體積開始減小，凈浮力減小，開始下潛；累積排油量到達一定時，電磁閥關閉；深海剖面測量浮標下潛至1000m處漂流一定時間后，電磁閥再開啟；液壓油再次從外油囊流向耐壓球殼中的內油

6、囊，浮標體積再次減小，繼續下潛，液壓油累積排油量達到另一個程度時，電磁閥關閉，深海剖面浮標到達預定深度，如4500m。隨后，耐壓艙內液壓泵開始工作，液壓油從內油囊流向外油囊，浮標體積開始增大，凈浮力增大，浮標開始上浮，上浮過程中溫鹽深儀對海水溫度、電導率、壓力等進行測量，排油體積累積到一定程度時，液壓泵停止工作。深海剖面測量浮標到達水面，通過北斗導航再次定位，并發送測量:數據，即完成一個周期的測量。由于深海剖面測量浮標在上浮過程中需要啟動電機，電機能量消耗占整個測量周期中能量消耗的比重很大，因此，本文重點研究上浮階段的節能控制方案。2海水、電機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、經過海上實測得出了南海海水深度與密度的關系如圖1所示。圖1南中國海海水密度與深度的關系深海剖面測量浮標浮力調節主要依賴于液壓系統，為了更好地掌握液壓泵的流量及電機功耗信息,對液壓泵和電機進行測試，為深海剖面測量浮標運動模型的建立提供基礎數據。實驗測試中，電機電流與水深壓力的關系、液壓泵流量與水深壓力的關系分別如圖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電機在不同水深慶力下的電流根據電機電流與水深壓力的關系、液壓泵流量與水深壓力的關系，即可計算在某一深度下的電流以及液壓泵的流量，從而可以計算電機的累積功耗和液壓泵的累積排油量。3深海剖面測量

8、浮標節能模型建立與求解深海剖面測量浮標體積小，因此對重量要求十分嚴格。在剖面浮標總體設計過程中，應充分考慮各個模塊之間的協調，降低功耗，減小重量。3.1總體設計深海剖面測量浮標根據市場所能提供的玻璃浮球為耐壓殼體進行總體設計。考慮到深海剖面測量浮標的工作狀態，要求剖面測量浮標在水面、漂流深度1000m以及最大設計深度4500m凈浮力為零，達到中性平衡狀態，即浮力和重力相等。3.2模型建立深海剖面測量浮標下潛、上浮運動是對浮標浮力調節性能進行評估的一個重要參考，因此對浮標建立運動模型分析也十分關鍵。深海剖面測量浮標通過調整排水體積，改變其在大海中的上浮、下潛的運動狀態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，浮標的受力、速度及加速度方向均向下為正。深海剖面測量浮標受力及運動分析基于以下假設：（1）將深海削面測兼浮標看作均勻球體，在運動分析中，由于剖面測量浮標外形尺寸與水下行程相比可忽略不計，在此可把浮標體當作質點。（2）受力分析中，主要是分析剖面測量浮標的縱向運動，海流僅影響剖面浮標水下運動的橫向位移，因此不考慮海流的影響。坐標系及受力分析如圖4所示。水面設：，為任意時刻；Af為微小時間間隔：Qw為海水密度；匕為t時刻水深剖面測量浮標的體積；V為速度；g為重力加速度；以為水深剖面測量浮標總質量；M為水深剖面浮標附加質量，M&3；R為深海剖面測量浮

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

11、")優化后，第次啟動電機時間為30s,微小時間步長山=0.1s,每啟動一次電機需計算300步；因此，第1次啟動電機時間，液壓泵對應的累積排油量為300Q=£(sign(v)幻(z)*)(8)式中，sign(y)為符號函數，深海剖面測量浮標向下運動為正方向，速度為正。sign(v)J-1*V>°I1,深海剖面測量浮標在海水中垂直運動的加速度即為速度的一階導數、位移的二階導數，如式(10)所示。MgWwg(r°-Q)-：c4久|牛，5、a=vz=.(0)(M+MJ深海剖面測量浮標在海水中垂直運動的速度為位移的導數即：(11)初始方案設計中，水深剖面測量

12、浮標在最大設計深度4500m附近開始上浮，在啟動電機一次的過程中完成向外油囊的排油,全程排油量即為達到理論值所需的累積排油量。為了在上浮過程中降低電機功耗，對上浮過程進行節能優化，降低電機功耗在單周期測：過程中的功耗比例。考慮到實際情況，分階段啟動電機，避免電機啟動太頻繁，每次啟動電機工作時間達fo=3Os后關閉電機，待剖面浮標上浮速度小于O.lm/s時再次啟動電機。其節能模型為(12)(12)(13)300min乙=24.£(£").&)><-i/!0.1<v0.2。公式中，為電機驅動次數，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微積分基本定理，在一個小的步長xn,x內：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)對于二階導數的初值求解問題，需對二階導數進行降階處理，轉化為一階導數進行聯合求解，即:z-v(18)分別以優化前和優化后兩種情況，對深海剖面測量浮標進行模擬計算，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優化前流程模擬(到達水面)速度、深度、KfRff油慮度，盛

14、力計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節能優化流程模擬4分析結果應用四階五級龍格庫塔法，對深海剖面測量浮標的下潛、上浮過程進行了動態模擬計算，對上浮過程中的電機功耗進行了節能模擬計算，微小時間間隔取&=O.ls為計算步長，進行循環迭代計算，優化前后的結果如圖7、圖8所示。表1為上浮階段優化前后的數據比較。040404!IIS.M、«矛狀O1*98時間/s(c)累積排油量:時間/S(d)電機累積耗電量(a)深海剖面測量浮標在水中深度(a)深海剖面測量浮標在水中深度(b)深海剖面測最浮標運動速度(c)深海削面測量浮標累積排油母5x1044x1

15、0*3x10,2*104IxlO4O'；11L.02468時間/s1214xlO4(d)深海剖面測量浮標電機累積耗電量圖8優化后深海剖面測量浮標動態模擬表1上浮階段優化前后的數據比較參數優化前優化后優化后下降的百分比/%電機耗電量/wS100723.0649197.4751.16上浮階段耗時/s12291.435629.3上浮階段最大速度/(m/s)0.550.1965.16在環境參數變化的情況下，深海剖面測量浮標通過調節自身的排水體積到達最大深度4583.73m,此時的累積排油量為1170.17mL。由表1可知，優化后，上浮階段電機的累積耗電量為49197.47ws,按優化的方法調節

16、浮力，可以節約51.16%的能量，并能成功到達水面；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。該優化方案能夠較好地節約深海剖面測量浮標的能耗，從而達到節約能量的目的。5結語本文以試驗測試的數據為基礎，對一臺4500米級深海剖面測量浮標在海洋中的單周期縱向運動過程進行了模擬研究，按照該優化設計方案，深海剖面測量浮標可到達漂流深度和最大設計深度，并通過對上浮過程的優化調節，可以顯著地節約深海剖面測量浮標的能耗，從而達到優化設計的目的，為深海剖面浮標的研制提供了理論基礎。參考文獻許建平.阿爾戈全球海洋觀測大探秘M.北京：海洋出版社

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