小型潜器参数辨识与悬停控制实验研究

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1、第一章绪论1．1课题的背景和意义帚一早三百下匕在人类迈入二十一世纪，世界的经济飞速发展，人类的生活更加富足。但是，随着经济的发展，人类对资源的需求更加的需求与日俱增，快速消耗导致陆地资源的不足，国际汽油价格近几年来成倍增长⋯，钢铁、有色金属等原料也居高不下，陆地资源已不能满足人类的长期需要，因此，海洋资源将成为人类开发和利用的重要资源。深海中蕴藏有丰富矿藏，如石油、天然汽、金属结核等重要资源，其中最能引起人们注意的是多金属锰结核，其经济价值仅次于石油和天然气，广泛分布在3000—6000米深大洋海底瞳1，整个大洋

2、底的多金属结核储量约为3万亿吨，且锰结核是一种采之不竭的矿产资源，每年产生大量的沉积量。因此，对海洋资源的开采对人类的发展有着重要而深远的影响。1．1．1深海采矿现状深海采矿是开发和利用海洋资源的重要手段，越来越多的国家加入研发采矿技术行列，采矿技术也在不断提高。1872’1876年间，英国“挑战号”做环球考察时口1，发现世界大多数都有金属结核矿。但对其进行系统勘探研究是在二次世界大战以后，此时，全球经济在迅速复苏，人类对多金属结核需求急剧扩大。上世纪七十年代，以美国人首的发达国家研究了一系列的采矿装置及实验，并

3、取得了一定的成果，初步确定了采矿系统可采用挖采和提升的方法。挖采可采用高压水射流的水力集矿方式和机械挖掘的机械集矿方式；提升式可采用气力和水力提升H1。进入二十世纪八十年代以后，发达国家经济萧条，世界多数海洋强国对深海广东T业大学丁学硕}j学位论文采矿研究和实验进入低潮，而一些发展中国家，如中国、印度为代表的积极开展了深海底多金属结核的调查和勘探工作，在此基础上，积极开展深海底多金属结核的开发技术的研究。目前，印度已经成功才了一套采矿装置，并于2000年410米浅海实验成功，并正积极筹划6000米深海采矿实验。我

4、国早在上世纪七十年代就开始了多金属结核的调查工作畸3。1999年3月5日，我国获得了太平洋中部7．5万平方公里金属结核矿专属勘探权和优先商业开采权，拓展了我国战略资源的储备总量，我国已初步研究出一套自己的深海采矿系统，并于2001年6’9月在去南抚仙湖进行了130米水深实验，采回模拟结核900克，取得满意的结果。1．1．2采矿系统从深海中把金属结核传送到海面采矿船上是采矿系统中的关键技术，目前采用较多的几种采矿系统有连续绳斗式(CLB)开采系统、自动穿梭式采矿车开采系统、集矿机加管道输送采矿系统∞1。在这些采矿系

5、统中，又以集矿机加管道输送采矿系统应力潜力最大。其中流体提升采矿法最为突出，流体提升式采矿系统原理图如图卜1所示：图1-1：流体提升式采矿系统2第一章绪论流体提升式采矿系统的原理是通过扬矿管借助流体上升动力将海底的集矿机采集的金属结核提升至海面采矿船上。该系统由集矿机、输送软管、中间仓、扬矿管及采矿船等组成。集矿机在海底采集矿物，并对矿物进行清洗、脱泥和破碎处理，矿物随着流体一起进入输送软管。中间仓是起暂时存储矿物的作用，以减轻动力需求。最后矿物经过扬矿管输送到海面的采矿船上。由于海浪的作用，采矿船会随着海浪的波

6、动上下升沉摇摆，扬矿管拖动采矿装置随采矿船一起上下振动，由于采矿装置重量较大，扬矿管受到较大的拉力振动，从而容易发生疲劳损坏，扬矿管的使用寿命大大降底，从而严重影响采矿装置的稳定性、可靠性和使用寿命，进而直接影响到整个采矿系统的效率和经济性。因此，需在采矿装置的上部与采矿船之间安装一套升沉补偿系统，对采矿装置的升沉进行补偿，使补偿系统下面的采矿装置处于静止状态，减少扬矿管的疲劳损坏，从而保证采矿系统工作的稳定性，提高采矿系统的可靠性和经济性。1．1．3升沉补偿参考坐标目前应用于海洋中物体位置测定的主要方法有船载蓝

7、绿激光技术、GPS全球定位、岸基雷达定位、海底基定位等方法。蓝绿激光在水中存在衰减快，测深小的缺点，而GPS全球定位、岸基雷达定位、海底基定位等方法在精度上无法满足要求。广东工业大学在国家自然科学基金项目“深海采矿工程升沉补偿系统的研究”中提出了“零波面"概念，即把海水看成理想流体，波浪除了在海面传播外，还在重力方向传播，随着水深的增加，波高将以几何级数减小，当水深达到一定高度时，波高衰减到零，认识此存处在一个“零波面”，在“零波面’’处，波浪的影响为零。如果在“零波面"以下放置一潜器，通过控制使其保存在某一深度

8、，潜器就可以作为升沉补偿系统的静止参考坐标。我们把这个潜器称之为潜式坐标。在潜式坐标上装上信号发射装置，在船上安装信号接收装置，通过信号处理便可知道船受波浪引起的位移的变化，把位移变化量输给升沉补偿系统控制器，使升沉补偿系统根据位移的变化作出相应的补偿，以减小扬矿管受到的振动。采矿船升沉位移检测简图如图卜2所示。广东T业大学丁学硕}j学位论文图卜2采矿船升沉位移检测简图1