面向深海作业的自动起重装备基础理论与关键技术

There are vast petroleum, gas, and mineral deposits under the sea to be explored and developed. Due to complex sea conditions, ship/floating platform-mounted automatic crane systems which can work together with human operators are urgently needed for accomplishing such tasks as hoisting and installing pipes in deep water, transporting and hoisting resources from seabed. Considering complex sea conditions in deep water, the project aims at developing an automatic crane system with high operability, reliability, and safety for operating in deep water. The research focuses on fundamental theories and key techniques, such as underwater load dynamics modeling, smooth control for heavy loads to get into or out of water, heave compensation control, heave compensation actuating devices and electro-hydraulic servo control systems, and simulation and hardware experiment platforms. The project will further improve the design and analysis of ship/floating platform-mounted automatic cranes operated in deep water, which has both theoretical and practical significances for the development of deep sea equipment.

海底蕴含着巨大油气、矿产资源，需要勘查和开发，由于海况复杂，迫切需求适应该类环境的船（或海上浮动平台）用自动起重装备协同人类完成深海起重铺管等水下作业设备的安装、海底资源的运输提升等任务。本项目拟研究适应高海况的深海作业环境，具有高可操作性、高可靠性、高安全性的深海作业起重装备自动控制系统，重点突破水下负载动力学建模、入水/出水平稳控制、水下升沉补偿控制、节能型升沉补偿执行装置及电液伺服控制系统、深海作业起重系统仿真平台和实验平台研制等基础理论与关键技术。该项目的完成将进一步完善适应深海作业环境的船（或海上浮动平台）用自动起重系统的设计和分析，对推动深海作业装备的研发具有重要的理论意义和实用价值。

海底蕴含着巨大油气、矿产资源，需要勘查和开发，由于海况复杂，迫切需求适应深海环境的船用自动起重装备协同人类完成深海起重铺管等水下作业设备的安装、海底资源的运输提升等任务。. 本项目针对复杂深海环境水下作业设备安装的重大需求，研究适应深海作业环境的船用起重系统的分析、控制和设计方法，在深海作业起重机系统水动力建模与分析、船用起重机动力学建模、船用起重机升沉补偿、定位防摆控制等多个方面开展了深入研究，并取得了一些研究成果：. 1）利用开源计算流体力学软件OpenFOAM建立了深海起重机系统的水动力模型，对在波浪和洋流作用下的负载水动力特性进行数值计算，研究了在起重船的运动及波浪和洋流影响下的水下负载起吊或下放过程中的运动特性；2）针对现有升沉补偿控制方法无法补偿由水下洋流引起的负载升沉运动以及船用起重机执行机构存在死区、饱和等非线性特性问题，提出了一种具有双环结构的主动升沉补偿控制策略；3）利用拉格朗日方法建立二级摆动力学模型，设计反馈控制器并引入双曲正切函数，实现二级摆船用起重机定位防摆控制；4）针对海浪干扰下起重机系统负载稳定控制问题，提出了平滑有效的时间最优轨迹规划、自适应控制、有限时间定位控制等多种消摆控制方法；5）针对船用起重机系统参数不确定、信号不可测的问题，设计基于观测器的饱和输出反馈控制策略、运动约束控制等控制方法。以上研究成果发表了论文38篇，发明专利13项。. 本项目的研究成果提高了深海作业环境高海况情形下深海作业船用起重机安装水下设备时的可靠性、安全性、平稳性，对在深海环境中与人协同实现吊装作业任务的深海作业船用起重平台自动控制系统具有重要的工程意义。另外，深海起重船这类欠驱动系统控制的研究对控制理论的完善和发展有着重要的科学意义。