一种油囊式Argo浮标浮力精确控制方法及其实验装置与流程

文档序号:16859081 发布日期:2019-02-12 23:53
一种油囊式Argo浮标浮力精确控制方法及其实验装置与流程

本发明涉及海洋监测设备领域,尤其是一种油囊式Argo浮标浮力精确控制方法及其实验装置。



背景技术:

Argo浮标是一种广泛用于深海信息采集的自主式水下观测平台。它利用净浮力进行驱动,通过浮力调节机构实现正负净浮力的周期性转化,从而实现浮标的自主下沉与上浮,在上下运动的同时随洋流漂流,可搭载多种用于海洋观测的传感器采集海洋环境参数,并可以在海面上通过卫星系统进行数据传输与指令接收。

目前大部分Argo浮标浮力调节机构属于油液压系统,通过保持浮标重力不变,改变浮标体积达到净浮力的调节,液压系统由电机,液压泵,液压阀,内外油囊,管路等组成,当液压泵将内油囊的油液泵入外油囊时,浮标体积增大,净浮力增大;当液压泵将外油囊的油液泵入内油囊时,浮标体积减小,净浮力减少。而Argo浮标的控制方式多是在上浮下潜的过程中保持一定的净浮力,在上浮与下潜转换的位置使净浮力方向反转。由于海水的温度,盐度,密度以及浮标耐压壳体体积随海水的深度不断变化,导致浮标受到的浮力不断发生变化,而浮力的变化反映到浮标的垂向运动上后,导致浮标产生不规律的变速运动,浮标的垂直运动十分不稳定,对于浮标的数据采集产生极大的局限性,会导致浮标搭载的传感器不能有效捕捉海洋现象,易导致重要数据丢失。



技术实现要素:

本发明提供了一种油囊式Argo浮标浮力精确控制方法及其实验装置,根据试验海域的历史数据资料,建立海水密度关于深度的剖面模型,根据输入的深度输出对应密度,利用压强积分公式得到对应压强,在浮标实际观测过程中,利用实际观测结果对模型进行校正,利用校正好的模型对浮标进行试验,提出液压泵控制算法,能够控制浮标在下潜和上浮的过程中保持匀速运动,保持浮标的垂直运动相对稳定,有助于浮标的数据采集,使浮标搭载的传感器有效捕捉海洋现象,避免重要数据丢失,解决了现有技术中存在的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种油囊式Argo浮标浮力精确控制方法,包括:

S1:根据试验海域的数据资料,利用高阶多项式拟合建立海水密度关于深度的剖面模型ρdep(h);

S2:利用建立的海水密度关于深度的剖面模型ρdep(h)得出不同海水深度对应的海水密度,利用压强积分公式得到对应深度的压强;

S3:根据海水密度关于深度的剖面模型ρdep(h)以及建立的运动学方程确定各个浮力调节点深度;

S4:根据海水密度关于深度的剖面模型ρdep(h),结合浮标垂直方向的运动学方程,建立浮标液压系统液压泵控制算法;

S5:根据上述步骤设定浮标匀速运动的数据指标,在不同深度设定不同预定速度,并以预定速度为中心设定速度区间。

优选的,所述步骤S1中海水密度关于深度的剖面模型是利用matlab软件进行高阶多项式拟合建立的。

优选的,在所述步骤S1中建立海水密度关于深度的剖面模型后,利用海试采集的数据对模型进行校正。

优选的,所述步骤S3中各个浮力调节点深度的确定方法包括:

通过压力试验测量浮标的耐压壳体在多个不同水深时的体积VArgo;通过高阶多项式拟合建立浮标体积关于水深的剖面模型VArgo(h);

浮标开始下潜时净浮力方向向下且大小为浮标以设定的速度v匀速运动时受到的阻力F阻力,利用公式F净浮力=mArgog-ρsurg(VArgo0+V外0)=F阻力确定浮标在海面上开始下潜时的外油囊初始体积V外0;

确定下潜过程中的第一个浮力调节点h1:当期望的外油囊体积减少量达到上一次浮力调节后外油囊体积的8%至12%时,执行浮力调节动作,此深度即为下潜过程中的浮力调节点;根据运动学方程:

F净浮力=mArgog-ρdep(h)·g·(VArgo(h)+V外1)-F阻力=0,其中,V外1=0.9V外0,V外0为浮标在海面上开始下潜时的外油囊初始体积,代入公式可求得下潜过程中的第一个浮力调节点h1;

确定下潜过程中的第一个浮力调节点h1:当期望的外油囊体积减少量达到上一次浮力调节后外油囊体积的8%至12%时,执行浮力调节动作,此深度即为下潜过程中的浮力调节点;根据运动学方程:

F净浮力=mArgog-ρdep(h)·g·(VArgo(h)+V外1)-F阻力=0,V外1=0.9V外0,V外0浮标外油囊在海面上的初始体积,代入公式可求得下潜过程中的第一个浮力调节点h1;

确定下潜过程中的各个浮力调节点:

根据运动学方程:F净浮力=mArgog-ρdep(h)·g·(VArgo(h)+V外1)-F阻力=0,V外n=0.9V外n-1,V外n-1为上一次浮力调节后的外油囊体积,代入公式可求得浮标下潜过程中各个浮力调节点h2,h3,Λhn;

当压力变送器检测到浮标到达目标深度时,由内油囊向外油囊泵油以增加外油囊体积,浮标浮力增大且净浮力方向向上,浮标开始上浮;利用公式F净浮力=ρhg(VArgoh+V外dep)-mArgog=F阻力确定浮标在开始上浮时的外油囊初始体积V外dep,其中ρh为目标深度处海水密度,VArgoh为浮标在目标深度处的体积,F阻力为浮标以设定的速度v匀速运动时受到的阻力;随着浮标开始上浮,浮标所受阻力随上浮速度增大而增大,导致浮标净浮力不断减少直至浮标达到匀速运动状态;

确定上浮过程中第一个浮力调节点hn+1:由于浮标上浮过程中受到的浮力不断减少,为保持浮标重力与浮力平衡需增加外油囊体积,当期望的外油囊体积增加量达到上一次浮力调节后外油囊体积的8%至12%时,执行浮力调节动作,此深度即为上浮过程中的浮力调节点;根据运动学方程:

F净浮力=mArgog-ρdep(h)·g·(VArgo(h)+V外1)-F阻力=0,V外n+1=1.1V外dep,V外dep为浮标净浮力方向反转开始上浮时的外油囊体积,代入公式可求得上浮过程中的第一个浮力调节点hn+1;

确定上浮过程中的各个浮力调节点:

根据运动学方程:F净浮力=mArgog-ρdep(h)·g·(VArgo(h)+V外1)-F阻力=0,V外m=1.1V外m-1,V外m-1为上一次浮力调节后的外油囊体积,代入公式可求得浮标上浮过程中各个浮力调节点hn+2,hn+3,Λhm。

优选的,利用matlab软件进行高阶多项式拟合建立浮标体积关于水深的剖面模型VArgo(h)。

优选的,在可视压力罐内通过压力试验测量浮标的耐压壳体在多个不同水深时的体积VArgo。

优选的,所述步骤S5中浮标液压系统液压泵的控制算法包括:

利用压强积分公式得到各个浮力调节点的压强,利用压力变送器信号确定是否到达浮力调节点;

确定好各个浮力调节点浮标外油囊体积变化量0.1V外n-1后,由计算公式0.1V外n-1=n·q,其中q为液压泵的排量,可得到液压泵需要的转数n;

考虑到液压泵的功率损失α1≈0.8~0.9以及搭载的设备模块引起的浮力损失α2≈0.9~0.95,以此修正液压泵的转数n'=α·n,其中α=α1×α2≈0.72~0.855。

一种油囊式Argo浮标浮力精确控制方法的实验装置,包括耐压舱,在所述耐压舱内设有与所述控制模块相连的液压调节装置,所述液压调节装置经管路分别与内油囊、外油囊相连,在所述管路上设有压力变送器;

用以监测内油囊体积的体积监测装置,监测浮标上浮和下潜速度的速度监测装置,监测海水密度、深度的数据监测装置;

所述压力变送器、体积监测装置、速度监测装置、数据监测装置分别经导线与控制模块相连。

优选的,所述液压调节装置包括设置在耐压舱内部的液压泵,液压泵经联轴器与电机相连,电机经导线与能源模块相连,所述能源模块经导线与控制模块相连;所述液压泵经管路与液压阀块相连,液压阀块经管路分别于内油囊、外油囊相连,所述液压阀块经导线和控制模块相连。

优选的,所述内油囊设置在内油囊耐压舱内部,所述外油囊设置在保护罩内部,所述保护罩表面设有贯穿内外的通孔。

本发明采用上述结构的有益效果是,根据试验海域的历史数据资料,建立海水密度关于深度的剖面模型,根据输入的深度输出对应密度,利用压强积分公式得到对应压强,在浮标实际观测过程中,利用实际观测结果对模型进行校正,利用校正好的模型对浮标进行试验,提出液压泵控制算法,能够控制浮标在下潜和上浮的过程中保持匀速运动,保持浮标的垂直运动相对稳定,有助于浮标的数据采集,使浮标搭载的传感器有效捕捉海洋现象,避免重要数据丢失。

附图说明

图1为本发明实验装置的结构示意图。

图中,1、主耐压舱;2、控制模块;3、管路;4、内油囊;5、外油囊;6、压力变送器;7、液压泵;8、联轴器;9、电机;10、能源模块;11、液压阀块;12、内油囊耐压舱;13、保护罩;14、连接架;15、加速度传感器;16、CTD(温盐深仪)。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点,下面通过具体实施方式,并结合其附图,对本发明进行详细阐述。

如图1所示,一种油囊式Argo浮标浮力精确控制方法,包括:

S1:根据试验海域的数据资料,利用高阶多项式拟合建立海水密度关于深度的剖面模型ρdep(h);

S2:利用建立的海水密度关于深度的剖面模型ρdep(h)得出不同海水深度对应的海水密度,利用压强积分公式得到对应深度的压强;

S3:根据海水密度关于深度的剖面模型ρdep(h)以及建立的运动学方程确定各个浮力调节点深度;

S4:根据海水密度关于深度的剖面模型ρdep(h),结合浮标垂直方向的运动学方程,建立浮标液压系统液压泵控制算法;

S5:根据上述步骤设定浮标匀速运动的数据指标,在不同深度设定不同预定速度,并以预定速度为中心设定速度区间。

所述步骤S1中海水密度关于深度的剖面模型是利用matlab软件进行高阶多项式拟合建立的。

在所述步骤S1中建立海水密度关于深度的剖面模型后,利用海试采集的数据对模型进行校正。从实验数据的准确性考虑,根据历史资料建立的模型是与海试时的海水参数有一定误差的,因此在实验过程中可以利用安装在浮标上的数据监测装置实时采集数据信息,对建立的模型进行修正。

所述步骤S3中各个浮力调节点深度的确定方法包括:

通过压力试验测量浮标的耐压壳体在多个不同水深时的体积VArgo;通过高阶多项式拟合建立浮标体积关于水深的剖面模型VArgo(h);

浮标开始下潜时净浮力方向向下且大小为浮标以设定的速度v匀速运动时受到的阻力F阻力,利用公式F净浮力=mArgog-ρsurg(VArgo0+V外0)=F阻力确定浮标在海面上开始下潜时的外油囊初始体积V外0,其中ρsur为海水表面密度;VArgo0为浮标在海面上的初始体积,F阻力为浮标以设定的速度v匀速运动时受到的阻力,可通过Fluent软件仿真得到;随着浮标开始下潜,浮标所受阻力随下潜速度增大而增大,从而导致浮标净浮力不断减少直至浮标达到匀速运动状态;

确定下潜过程中的第一个浮力调节点h1:由于浮标下潜过程中受到的浮力不断增大,为保持浮标重力与浮力、阻力平衡需减少外油囊体积,当期望的外油囊体积减少量达到上一次浮力调节后外油囊体积的8%至12%时,执行浮力调节动作,此深度即为下潜过程中的浮力调节点;根据运动学方程:

F净浮力=mArgog-ρdep(h)·g·(VArgo(h)+V外1)-F阻力=0,其中,V外1=0.9V外0,V外0为浮标在海面上开始下潜时的外油囊初始体积,F阻力为浮标以设定的速度v匀速运动时受到的阻力,代入公式可求得下潜过程中的第一个浮力调节点h1;

确定下潜过程中的第一个浮力调节点h1:由于浮标下潜过程中受到的浮力不断增大,为保持浮标重力与浮力平衡需减少外油囊体积,当期望的外油囊体积减少量达到上一次浮力调节后外油囊体积的8%至12%时,执行浮力调节动作,此深度即为下潜过程中的浮力调节点;根据运动学方程:

F净浮力=mArgog-ρdep(h)·g·(VArgo(h)+V外1)=0,V外1=0.9V外0,V外0浮标外油囊在海面上的初始体积,代入公式可求得下潜过程中的第一个浮力调节点h1;

确定下潜过程中的各个浮力调节点:

根据运动学方程:F净浮力=mArgog-ρdep(h)·g·(VArgo(h)+V外n)=0,其中,ρdep(h)为海水密度关于深度的剖面模型,VArgo(h)为浮标体积-深度剖面模型,V外n=0.9V外n-1,V外n-1为上一次浮力调节后的外油囊体积,代入公式可求得浮标下潜过程中各个浮力调节点h2,h3,Λhn;

当压力变送器检测到浮标到达目标深度时,由内油囊向外油囊泵油以增加外油囊体积,浮标浮力增大且净浮力方向向上,浮标开始上浮;利用公式F净浮力=ρhg(VArgoh+V外dep)-mArgog=F阻力确定浮标在开始上浮时的外油囊初始体积V外dep,其中ρh为目标深度处海水密度,VArgoh为浮标在目标深度处的体积,F阻力为浮标以设定的速度v匀速运动时受到的阻力;随着浮标开始上浮,浮标所受阻力随上浮速度增大而增大,导致浮标净浮力不断减少直至浮标达到匀速运动状态。

确定上浮过程中第一个浮力调节点hn+1:确定上浮过程中各个浮力调节点的依据为:由于浮标上浮过程中受到的浮力不断减少,为保持浮标重力与浮力平衡需增加外油囊体积,当期望的外油囊体积增加量达到上一次浮力调节后外油囊体积的8%至12%时,执行浮力调节动作,此深度即为上浮过程中的浮力调节点;根据运动学方程:F净浮力=ρhg(VArgoh+V外dep)-mArgog=F阻力,其中,ρdep(h)为海水密度-深度剖面模型,VArgo(h)为浮标体积-深度剖面模型,V外n+1=1.1V外dep,V外dep为浮标净浮力方向反转开始上浮时的外油囊体积,代入公式可求得上浮过程中的第一个浮力调节点hn+1;

确定上浮过程中的各个浮力调节点:

根据运动学方程:F净浮力=ρhg(VArgoh+V外dep)-mArgog=F阻力,其中,ρdep(h)为海水密度-深度剖面模型,VArgo(h)为浮标体积-深度剖面模型,V外m=1.1V外m-1,V外m-1为上一次浮力调节后的外油囊体积,代入公式可求得浮标上浮过程中各个浮力调节点hn+2,hn+3,Λhm。

利用matlab软件进行高阶多项式拟合建立浮标体积关于水深的剖面模型VArgo(h)。

在可视压力罐内通过压力试验测量浮标的耐压壳体在多个不同水深时的体积VArgo。

所述步骤S5中浮标液压系统液压泵的控制算法包括:

利用压强积分公式得到各个浮力调节点的压强,利用压力变送器信号确定是否到达浮力调节点;

确定好各个浮力调节点浮标外油囊体积变化量0.1V外n-1后,由计算公式0.1V外n-1=n·q,其中q为液压泵的排量,可得到液压泵需要的转数n;

考虑到液压泵的功率损失α1≈0.8~0.9以及搭载的设备模块引起的浮力损失α2≈0.9~0.95,以此修正液压泵的转数n'=α·n,其中α=α1×α2≈0.72~0.855。

一种油囊式Argo浮标浮力精确控制方法的实验装置,包括主主耐压舱1,在所述主主耐压舱1内设有与所述控制模块2相连的液压调节装置,所述液压调节装置经管路3分别与内油囊4、外油囊5相连,在所述管路3上设有压力变送器6;

用以监测内油囊4体积的体积监测装置,监测浮标上浮和下潜速度的速度监测装置,监测海水密度、深度的数据监测装置;

所述压力变送器6、体积监测装置、速度监测装置、数据监测装置分别经导线与控制模块2相连。

为了确定浮标在上浮和下潜过程中是否到达各个浮力调节点,通过压力变送器6实时监测管路3中的油压,因为外油囊5与外部海水接触,所述管路3中的油压和所处深度的海水压力相同,所以压力变送器6测得油压即为浮标所在深度的海水压力,通过体积检测装置实时监测内油囊4的体积变化,当期望的外油囊5体积增加量达到上一次浮力调节后外油囊5体积的8%至12%时,选执行浮力调节动作,此深度即为上浮过程中的浮力调节点。所述Argo浮标的控制模块2为本领域的公知常识,属于市售产品,在此未作赘述。

所述液压调节装置包括设置在主耐压舱1内部的液压泵7,液压泵7经联轴器8与电机9相连,电机9经导线与能源模块10相连,所述能源模块10经导线与控制模块2相连;所述液压泵7经管路与液压阀块11相连,液压阀块11经管路3分别于内油囊4、外油囊5相连,所述液压阀块11经导线和控制模块2相连。

所述内油囊4设置在内油囊耐压舱12内部,所述外油囊5设置在保护罩13内部,所述保护罩13表面设有贯穿内外的通孔。

所述内油囊耐压舱12与主耐压舱1之间经连接架14相连。通过连接架14固定内油囊耐压舱12和主耐压舱1,使内油囊耐压舱12和主耐压舱1连接牢固。

所述内油囊耐压舱12的上、下端盖通过螺纹连接保持良好的密封性,通过连接架14与主耐压舱1连接,将内油囊单独放入内油囊耐压舱12中,可减少主耐压舱1长度,从而减少加工难度。

所述体积监测装置包括安装在内油囊耐压舱12内部的直线位移传感器15。在浮标整个浮力调节的过程中,通过直线位移传感器15监测内油囊4体积,从而监测每次浮力调节时的外油囊5体积变化,所述直线位移传感器15焊接固定在内油囊耐压舱12上。

为了实时监测浮标在上浮和下潜过程中的速度,所述速度监测装置包括安装在主耐压舱1内部的加速度传感器16,所述加速度传感器16经导线和控制模块2相连。

所述数据监测装置包括安装在连接架14上的CTD(温盐深仪)17。当CTD(温盐深仪)17采集数据时,可以利用采集到的数据实时的对建立的模型进行修正,例如:根据历史数据4000m时的密度是1046.12kg/m3,而CTD(温盐深仪)17实际测到的数据是1046.50,根据CTD(温盐深仪)17实际采集的数据对建立的海水密度关于深度的剖面模型进行修正。

所述能源模块10包括锂电池。在实验过程中,能源模块10可选择锂电池,并且选用可充电的锂电池,使用起来简单方便,节能环保。

所述连接架14选用螺纹钢连接架。螺纹钢架方便加工使用,成本低。

使用时,控制模块2发送指令到电机9转动,通过联轴器8带动液压泵7将液压油经管路3与液压阀块11从外油囊5泵入到内油囊4中,外油囊5体积减小,浮标净浮力方向向下,浮标下潜,在下潜过程中,通过压力变送器6实时监测是否到达各个浮力调节点,在浮力调节时由直线位移传感器15监测内油囊4体积从而监测外油囊5体积,并限制泵油量,在每次浮力调节完成后,外部实验的控制系统自带程序通过运动学公式以及所建立的海水密度关于深度的剖面模型和浮标体积关于水深的剖面模型计算出下一个浮力调节点以及外油囊体积减少量;

当压力变送器6检测到浮标到达目标深度时,液压阀块11改变油路方向,电机9转动,带动液压泵7将液压油经管路3通过液压阀块11从内油囊4泵入到外油囊5,外油囊5体积增大,浮标净浮力方向向上,浮标上浮,在上浮过程中,通过CTD(温盐深仪)17采集数据,通过压力变送器6实时监测是否到达各个浮力调节点。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制,对于本技术领域的技术人员来说,对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处,均为本技术领域技术人员的公知技术。

再多了解一些
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