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基于智能优化算法的海洋地震拖缆控制规律设计与实验研究

江龙克  
【摘要】:拖缆系统是海洋四维地震资源勘探技术中的关键设备,勘探作业的质量与拖缆姿态的控制情况息息相关,拖缆控制系统的设计是国内外研究热点。本文基于拖缆的动力学模型,通过仿真分析与拖曳实验研究了水下拖缆的动力学特性,并分别根据边界控制、蚁群算法、模糊算法,对拖缆的姿态控制策略进行了研究。 数学模型的确定,在若干假设条件的基础上,建立拖缆微元运动的动力学方程,给出方程中各外部作用力的确定方法。根据小攻角假设提出拖缆的线性化模型,确定边界条件,并给出水鸟节点处的运动方程。 拖曳实验的目的是研究不同拖曳速度、不同频率横向外激励条件下海洋拖缆的动力学特性,在零浮力拖缆数学模型的基础上,计算了不同航速下拖缆首端张力的大小,然后进行拖曳实验。设计了测量拖缆模型首端张力的弹性测力机构,用水下摄像机记录缆上位移变化。实验数据与数值计算结果的对比,证实了数学模型的正确性及实验方案的可靠性,讨论分析了不同条件下拖缆的动力学特性。 边界控制策略是从受控缆段的能量函数出发,建立控制目标函数,考虑非受控缆段的扰动作用,设计了拖缆振动的边界控制策略,并进行了数值仿真模拟,结果显示边界控制适用于海洋拖缆的振动抑制。 蚁群算法的设计,通过对蚂蚁觅食路径寻优过程的模拟,构造状态转移概率函数与信息素调整函数,设计算法流程,优化拖缆控制器的控制参数,控制结果与Z-N法整定的PID控制器相比,优化作用明显。 模糊控制器的设计,以水鸟深度控制为研究对象,构建模糊集及论域并选取合适的隶属函数,设计模糊推理规则查询表。基于MATLAB的Fuzzy Logic工具箱逐步设计出模糊控制器,导入Simulink中检验其控制效果。与Z-N法、蚁群算法优化后的PID控制器比较,讨论模糊控制的适用性与优缺点。


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