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高温高压深海极端环境模拟装置及其控制策略研究

蒋凯  
【摘要】: 现代海底热液系统的发现对地质学、地球化学和生命科学等一系列学科具有重大的意义,特别是通过对该环境下进行的生物成矿作用、生命起源等科学问题的研究,产生了许多新发现,并对传统的理论进行了挑战。然而由于其处于深海极端环境这一特殊性,难以身临其境进行观察与研究,需要在实验室建立海底极端环境的模拟系统进行实验来配合相关科学研究。海洋热液考察是当前我国海洋科考任务中的最为关键的环节,并在多个方向已取得重大成果,但要对取回的珍贵样品开展深入研究,就必须要有设备支持,模拟装置的开发是科学研究的必然要求。 目前国内设备都不能满足深海极端环境的特性要求,而国外的先进装置在某些方面也存在一定的不足,为了开发极端环境的模拟装置以满足日益迫切的科学研究需求,论文针对极端环境的特殊性,对以下几个方面开展研究: 1.构建极端环境模拟装置的系统研究。针对极端环境高温高压、易腐蚀、微生物易污染等特点,利用钛金属抗腐蚀、强生物亲和力的特性,以其为原材料,设计了耐高温高压的反应釜,以及温度与压力控制系统的机械部件和控制电路,构建了极端环境模拟装置的硬件平台。 2.温度控制策略研究。温控控制的成功与否直接影响到整个实验的成败,如果温度控制失误,可能会对科学研究产生偏差,甚至产生误导。论文通过对温度控制系统建立模型,发现其存在着二阶的严重滞后,普通控制策略极易引起温度超调,而因为Smith预估控制在消除滞后环节具有很强的优势,论文根据温度系统模型采用双闭环Smith预估控制器,研究Smith预估控制对模拟装置滞后系统的控制品质影响,实现了温度系统的精确控制。 3.压力高精度检测技术及控制策略研究。压力精确检测是进行深海科学探索的重要保障技术之一,在高温情况下普通硅压力传感器的应变电阻与衬底间漏电加剧,使得传感器特性严重恶化以至失效,论文以钛金属为材料设计了压力传感器,实现了极端环境压力的高精度检测。压力控制的精确性决定了实验结果数据可靠性与有效性,论文通过建立压力系统模型,分析了模型中存在的非线性环节,并针对这一类非线性特性开发了梯度变分迭代自学习控制算法,实现了对压力系统快速、稳定、精确的控制。 4.面向仪器系统的软件体系模型研究。由于仪器系统对实时性、可靠性的要求高,而对于资源的利用率要求低,与普通软件有明显区别。论文引入模块化与结构化分层思想,建立仪器软件体系模型,提高仪器软件开发的可靠性与简易性,提高了软件代码的复用率。 论文的创新主要体现在以下几个方面: 1、提出了梯度变分迭代自学习控制算法,提高了压力控制系统控制精度。 2、设计了适合于极端环境检测要求的钛压力传感器,利用多维线性插值的标定方法提高了检测精度。 3、设计了面向仪器系统的软件体系模型,提高了软件的开发效率与可靠性。


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