1.1 研究目的及意义

随着人口数量的增长、陆地资源的日益匮乏，世界各国越来越重视对海洋蕴含的丰富资源的开采使用，越来越多的国家开始制定海洋发展蓝图，把开发海洋资源、提升海洋经济、调控海洋能力作为国家新的战略决策，把增强本国国力的方法转变为如何建设成为一个海洋强国。从上个世纪 80 年代开始，美英法等发达国家都制定了与自己国家相关的海洋发展蓝图，提出把发展海洋科技作为新的战略决策。我国在政府工作报告中也指出：“在保护海洋生态环境的前提下，提高海洋资源的开放水平，发展我国的海洋经济，早日把我国建设成为一个海洋大国。” 在水下、深海海底以及极地环境下进行海洋资源勘探和开发，都需要专门的海洋工程设备来完成，先进的海洋资源勘探与开发装备是开发海洋资源的前提和保障。

船载绞车是水面支持系统中关键装备，广泛地应用于水下拖曳系统、水下机器人，声呐等的吊放。海洋绞车依托于母船，在深海的工作环境中，母船脐带缆向海洋资源勘探与开发装备提供动力能源，同时实现传输数据的功能。由于船载绞车的工作环境在海上，受风浪、潮涌的作用，母船会出现上下起伏的现象。绞车在吊放装备过程中，由于受风浪影响，母船会上下起伏，风浪上升时，装备在海水的阻尼作用下，使缆绳受到很大的附加力作用，如果风浪过大，可能导致缆绳断裂，风浪下降时缆绳受到的附加力会减少或为0，同时会影响水下装备的水下姿态，脐带在如此环境中反复的张紧与松驰会导致脐带的损坏。因此海洋绞车必须具有升沉补偿功能，当母船与负载之间产生的张力受风浪等不可控情况发生改变时，卷筒能够自动收放缆绳，并且始终可以保持张力恒定，避免张力在不恒定情况下导致拖缆的损坏甚至断裂，对海底作业产生影响。本文将在此背景下展开对船载绞车主动升沉检测及算法的研究。

1.2 国内外研究现状

国外对升沉补偿装置研究较早，许多著名的国外公司开发出海洋绞车，用以勘探深海资源，比如MacArtney 公司（丹麦）开发的新一代 AHC海洋绞车、National Oilwell Vacro 公司（美国）开发的主动式补偿绞车、Odim 公司（挪威）开发的深海交流变频绞。同时这些设备已经实现产业化，逐步使用到了深海资源的开发科学考察船中。由于技术条件原因，我国的船载绞车研究仍然仅仅处于理论研究的阶段，国内尚没有研制开发深海船载绞车的生产厂家，海洋船载绞车和常规的矿用绞车、船用系泊绞车相比，大部分的技术参数是相同的，在研究上没有很大的差异，但是它们的工作环境却大相径庭，这也是研究船载绞车升沉补偿检测与算法需要关注的重点所在。

我国在海洋绞车的升沉补偿、恒张力控制方法与控制策略展开了大量的研究，相关学者发表了许多论文，取得了一定的研究成果。张兴强等在水上作业起重机的控制系统中采用了模糊控制的方法，通过控制比例阀，实现液压绞车的运行，从而对波浪的扰动进行补偿。王志刚提出了一种基于模糊-PI 控制的绞车恒张力系统，实现对多台绞车的全自动控制，不仅使海洋绞车在恶劣工作环境下的安全性能得到了提高，而且绞车本身也能安全的运行。李海在张力控制系统中使用模糊自适应 PID 控制器，既保证了水下绞车对缆绳恒张力的前提，又使系统响应速度快、容易控制等优点。在张力控制方面，钟天宇等提出了直接自适应鲁棒张力控制方法，使其具有良好的精准度与稳定性。为了加强绞车自身的抗干扰性，陈小星等提出了构造扰动传感器进行补偿的控制策略，并采用 AMESim 软件进行仿真分析，结果表明系统的抗干扰能力得到了很大程度的提升，增强在海洋环境中应用的可用性。黄鲁蒙等采用能量守恒原则和质量集中法相结合的方法进行系统建模，通过双控制方法提高了系统的抗干扰能力与其动态性能。杨文林等在以液压绞车为数学模型的前提下设计出主动升沉补偿前馈控制器。为了增强绞车反向跟踪舰船的升沉运动，从根本上减少同步跟踪误差，邵昱等建立了声纳拖曳装置液压主动控制系统，利用复合控制和预测控制方法，在有效频带的前提下使系统解决了绞车的滞后补偿。

总的来说，就船载绞车的升沉式补偿系统而言，国外的技术相对完善，而国内的相关技术研究尚处于理论阶段。

2. 研究的基本内容与方案

本文根据海洋船载绞车的工作环境特点，在前任研究的基础上，将针对以下内容并采用相应的技术方案进行研究。

（1）母船的运动姿态、规律建模。采用加速度传感器检测母船在作业海域的升沉加速度，经积分运算获得母船速度与位移数据，运用时间序列分析方法，建立母船升沉位移时间序列预测模块，对母船升沉运动姿态、规律进行极短时间内的预报，实现海洋绞车主动升沉补偿预测控制。

（2）绞车系统的建模与仿真。综合考虑缆索弹性、水介质等非线性影响因素，建立起包括滚筒、缆索、负载的绞车“质量-弹簧-阻尼”模型。针对该绞车系统进行动态仿真与分析，探索缆索弹性对系统稳定性的影响，分析系统动态响应特性，研究大直径大转动惯量滚筒的瞬时启停、反复正反转的响应特性，为实现主动升沉补偿打下理论基础。