一種無動力雙片體浮體的設(shè)計

1海上自動懸浮平臺在海上，需要提供相對穩(wěn)定的工作平臺，并且需要在一定范圍內(nèi)靈活改變變換單元。在某些特定的場合,環(huán)境孤立且本身可能受到快速移動小目標(biāo)的破壞,此時平臺的運載、使用便捷且效費比成為設(shè)計的關(guān)鍵。因此,相比海上固定設(shè)施,可沉浮平臺成為最理想的選擇之一。本文針對雙浮體工作平臺在人工排注水過程中自由液面會使平臺存在傾覆的危險等問題,通過結(jié)構(gòu)改進設(shè)計并把原人工注排水系統(tǒng)改為自動裝置,實現(xiàn)了平臺的自動排注水和平穩(wěn)沉浮。海上自動沉浮平臺主要由浮體、拖帶系泊設(shè)備、任務(wù)設(shè)備支架等結(jié)構(gòu)件和注排水自動控制系統(tǒng)兩部分組成。海上自動沉浮平臺由保障船拖航至工作海域后,在保障船上遙控啟動注排水自動控制裝置的注水功能,自動向片體內(nèi)注水,直至將平臺下沉到海底以坐底方式工作;工作結(jié)束后,再次啟動注排水自動控制裝置的排水功能,自動將片體內(nèi)的水排出,使平臺浮出海面。2平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計海上自動沉浮平臺的浮體主要包括兩個片體、縱梁、橫梁、壓載混凝土等;拖帶系泊設(shè)備包括錨、帶纜、拖纜、龍須纜、系纜樁、碰墊等。其基本結(jié)構(gòu)是:浮體的兩個片體用鋼質(zhì)縱、橫工字梁從底部托起并連為一體,在縱、橫工字梁中間澆灌鋼筋混凝土,在兩片體上部用鋼結(jié)構(gòu)連接并鋪設(shè)鋼板網(wǎng)形成工作平臺,平臺上設(shè)置安裝任務(wù)支架的法欄,支架用非金屬圓形材料制作。兩個片體各分為三個水密艙,其中中間水密艙的總?cè)莘e略大于平臺的儲備浮力,使其注滿水后,平臺即可下沉。同時,在中間密閉艙內(nèi)均勻設(shè)置三塊上部密閉、下部留有5cm左右間隙的非水密隔板。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的作用:1)雙浮體結(jié)構(gòu)形式不僅系泊、航行穩(wěn)性好,而且寬闊的底部更增加了坐底后的穩(wěn)性和抗海浪能力,滿足系統(tǒng)對縱橫搖角度的要求。2)片體分成三個水密艙且只對中間艙注水平臺即沉底的設(shè)計,既可減小注水過程中自由液面對平臺穩(wěn)性的影響,同時兩端空艙又可產(chǎn)生上浮力,有效防止下沉過程中自由液面造成平臺的加速傾斜,非水密隔板能有效減小自由液面的快速變化和重心的快速轉(zhuǎn)移,進一步增強沉浮過程中的縱向穩(wěn)定性,防止側(cè)翻(見圖1)。3)在片體下部連接加強結(jié)構(gòu)并澆筑混凝土的設(shè)計能夠降低重心,提高浮心,增強航行和沉底后的穩(wěn)定性。4)其余艙室注滿水后能大大增加平臺噸位,進一步減小縱橫搖,提高穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)能力。五是當(dāng)平臺下沉到海底后,只露出非金屬框架,可有效減少對雷達散射特性的影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是片體長度、寬度、中間艙長度以及儲備浮力、密閉艙室容積的綜合計算,保證中間艙注滿水后平臺可安全下沉,同時在艏艉四個艙室注滿水的情況下,只排空中間艙足以保證靶標(biāo)上浮至水面。經(jīng)計算,平臺儲備浮力為8.56t,中間艙橫截面面積S為(片體寬×片體高-底部折角截面積)×2,其中片體寬為0.8m、片體高為1.5m,底部折角截面為左右對稱的兩個三角形,底為0.25m,高為0.2m,計算得S=2.3m2,則使靶全部浸水的中間艙室長度=8.56/(2.3×1.025)=3.63m(1.025為海水比重),即中間艙長度為3.63m時,中間兩艙注滿水后的重力和儲備浮力相等,此時只要稍有一個向下的力,靶標(biāo)就會沉入海底。因此,確定中間艙的長度為3.8m。艏艉兩艙注水的總重量為4.48t,經(jīng)計算,這些水壓載足夠保證靶標(biāo)穩(wěn)固坐底,不致因海流沖擊造成移位;計算保留壓載水浮起后穩(wěn)性情況:經(jīng)查平臺正浮狀態(tài)下吃水變化1cm時,重量改變?yōu)?.164t,艏艉兩艙注水的總重量為4.48t,得到平臺浮起后干舷減小27.3cm,而其正常干舷為50cm,由此得出在艏艉兩艙不排水浮起后干舷為23.7cm,能滿足人員作業(yè)安全要求,待最后全部排空水后干舷恢復(fù)正常。3水泵、電磁閥、蓄電池組和遙控裝置注排水自動控制系統(tǒng)包括PID為核心的處理控制器、水位傳感器、直流潛水泵、電磁閥、蓄電池組和遙控裝置等。其中對流量計、直流潛水泵、電磁閥、蓄電池組和遙控裝置等部分無特殊要求,本文不再贅述,本文在論述PID控制基本原理的基礎(chǔ)上,重點討論PID控制方法在水位控制中的應(yīng)用。3.1水位偏差的控制注排水自動控制系統(tǒng)是海上自動沉浮平臺的基本組成單元,其對注排水的控制是影響平臺安全沉浮的關(guān)鍵因素。PID控制具有原理簡單、參數(shù)物理意義明確、使用方便、穩(wěn)定可靠、無靜差、理論分析體系完整、應(yīng)用經(jīng)驗豐富等優(yōu)點,因此在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天仍具有強大的生命力。水位控制系統(tǒng)要求的控制范圍為0～150cm,偏差控制精度為±5cm,控制對象為注水的電磁閥和排水的潛水泵。水位控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,為一個輸入輸出反饋控制系統(tǒng)。計算機用于設(shè)置水位偏差的期望值。水位引起的水位傳感器參數(shù)變化通過惠斯頓電橋轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕淖兓?再經(jīng)由運算放大器、濾波器輸入至單片機進行處理。單片機對由濾波器輸入的電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,執(zhí)行片內(nèi)預(yù)置的PID控制程序,根據(jù)采樣得到的實際水位偏差與期望值的比較結(jié)果,在P3口輸出0/1信號控制固態(tài)繼電器的斷開與閉合。采用固態(tài)繼電器,可以避免機械觸點開斷過程中的干擾信號影響單片機的運行,使系統(tǒng)更為穩(wěn)定。若固態(tài)繼電器閉合,電磁閥或潛水泵的供電電路接通,電磁閥或潛水泵開始注水或排水,艙內(nèi)水位上升或下降;若固態(tài)繼電器斷開,電磁閥或潛水泵的供電電路斷開,電磁閥或潛水泵停止注水或排水。電磁閥或潛水泵的工作與否通過下沉、上浮等遙控指令控制。系統(tǒng)通過持續(xù)檢測、調(diào)整水位,達到控制平臺橫傾并平穩(wěn)下沉或上升的目的。具體控制過程是:當(dāng)平臺正常拖航至工作地點拋錨后,通過遙控設(shè)備,向平臺上注排水自動控制裝置發(fā)出下沉指令,控制裝置即打開電磁閥直接對兩片體中間密閉艙注入海水,使平臺下沉,下沉過程中,隨時監(jiān)控平臺狀態(tài)并進行調(diào)整,直至坐底,注滿水后自動關(guān)閉電磁閥,接著打開片體其他四個水密藏電磁閥并注滿水后關(guān)閉電磁閥,即可開展后續(xù)任務(wù);待任務(wù)結(jié)束后,向注排水自動控制裝置發(fā)出上浮指令,控制裝置即啟動直流潛水泵先將艏、艉四個密閉艙的水排出后,再同時排出中間二個密閉艙的水,在中間密閉艙排水過程中根據(jù)平臺狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動調(diào)整排水量,保證其平穩(wěn)上浮至拖航狀態(tài)后,按正常程序進行返航。3.2積分控制作用的影響具有比例、積分、微分控制規(guī)律的控制稱為PID控制,其運動方程為u(t)=Kp[e(t)+1Ti∫t0e(t)dt+Tdde(t)dt]u(t)=Κp[e(t)+1Τi∫0te(t)dt+Τdde(t)dt](1)比例環(huán)節(jié)是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差信號e(t),系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是過大的比例Kp使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。要有效消除靜差,需引入積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)。積分環(huán)節(jié)用于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差,提高無差度。輸出信號與偏差存在隨時間的增長而增強,直到偏差消除,輸出信號保持原輸出值不變,故能消除靜差。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù),Ti越小,積分作用就越強。反之則積分作用弱,但加入積分調(diào)節(jié)會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動態(tài)過程變慢。而微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出與偏差對時間的微分成比例,微分調(diào)節(jié)器在水位有變化“苗頭”時就有調(diào)節(jié)信號輸出,變化速度越快、輸出信號越強,故能加快調(diào)節(jié)速度,降低水位波動幅度,改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間Td選擇合適情況下,可減少超調(diào),減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用,因此過強的加微分調(diào)節(jié),對系統(tǒng)抗干擾不利。PID控制方法是基于反饋的控制方法,反饋理論的要素包括三個部分:測量、比較和執(zhí)行。將測量值與期望值相比較,并用這個誤差來調(diào)節(jié)控制器,進而實現(xiàn)對系統(tǒng)控制。PID控制方法結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。3.3超聲波傳感器傳感器是實現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵器件。目前主要常用液位壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、超聲波傳感器等三種。目前的液位壓力傳感器大部分是投入式靜壓液位變送器,而投入式靜壓液位傳感器只有參考大氣壓才能準(zhǔn)確測量。而連接電纜的通氣會受到環(huán)境的影響,造成測量不準(zhǔn)確,并且安裝不便。壓阻式壓力傳感器是用集成電路工藝直接在硅平膜片上岸一定晶向制作擴散壓敏電阻:硅平膜片在微笑變形時有良好的彈性特征,當(dāng)硅片受壓后,膜片變形使擴散電阻的阻值發(fā)生變化,此變阻器容易受到外部環(huán)境影響,如溫度,從而造成測量不準(zhǔn),而且體積一般較大,不易安裝,比易攜帶。一般精確度也比較低。超聲波傳感器是工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)第一款在產(chǎn)品上帶有按鍵設(shè)定功能和自診斷功能的小型傳感器。他雖然體積小,但具有其它大型傳感器所具有的功能,安裝使用方便而且不受被測物體的影響。綜上所述,經(jīng)實驗試用,選用超聲波傳感器作為本設(shè)計的水位傳感器。由于在排注水過程中,艙內(nèi)水平面在無規(guī)律晃動,因此如何準(zhǔn)確測定水位,即如何安裝水位傳感器為準(zhǔn)確控制的關(guān)鍵,實驗發(fā)現(xiàn)無論平臺縱橫搖,其中心水位幾乎等于艙內(nèi)靜止?fàn)顟B(tài)的水位,因此,把傳感器裝在兩個密閉艙使得中心位置的頂端,可較準(zhǔn)確地測量兩個艙的水位差,為更好地減小波動影響,在傳感器外部加裝一根與艙幾乎等高下部與艙內(nèi)聯(lián)通的管子。還可多裝幾個傳感器,取每一個艙