| Author Name | Affiliation | | Xiang Li | State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China | | Tao Wang | State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China | | Min Zhao | State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China | | Tong Ge | State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China |
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| Abstract: |
| In order to control the lateral motion of a jet trencher which is important for stable trenching operation, the oscillation characteristics of the jet trencher are researched. The jet trencher is simplified into a single degree of freedom model with restoring and damping force. The nonlinear mathematical model of the trencher laterally oscillating in ocean currents is established, and its approximate analytical solution is obtained. Results show that the analytical solution has small differences with numerical solution based on the fourth-order Runge-Kutta method and can effectively describe the underwater oscillation. A double-loop PID controller is designed to control the lateral motion displacement of the trencher to return to the center of the pipeline route which is effective and robust for the propulsion system. |
| Key words: trencher dynamic model analytical solution double-loop control ocean currents |
| DOI：10.11916/j.issn.1005-9113.15244 |
| Clc Number:P754 |
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| Descriptions in Chinese: |
| 射流式挖沟机在海流环境中的横向动力学分析和运动控制 李翔，王涛，赵敏，葛彤 （上海交通大学海洋工程国家重点实验室） 创新点说明：1 建立了水下挖沟机在海流条件下的横向偏移振动的动力学模型，以往研究关注点主要在于水下系统的垂向振动； 2 对建立的动力学模型进行简化，并采用解析方法得到其近似解析解。 研究目的： 在海流环境中，由于水面母船和脐带缆传递的外部激励影响，水下挖沟机会发生垂向振荡和横向偏移，其运动特性十分复杂。横向偏移运动对海底管线埋设作业影响巨大，挖沟机偏移预定管线路径，很有可能穿过或压到管线，对管线造成切割等损伤破坏。为了控制水下挖沟机在管线上方的悬停和定位，需要研究水下挖沟机在海流等外部激励作用下的横向偏移运动特性，进而对水下挖沟机的横向偏移进行控制，实现对海底管线的对中悬停和定位，保持作业点位置的稳定，使其不偏离海底管线路经中心线。 研究方法： 1 对建立的水下挖沟机在海流条件下的横向偏移振动的动力学模型进行简化，并采用解析方法——平均法，得到其近似解析解； 2 采用双回路控制器对水下挖沟机进行横向振动控制，实现对海底管线的对中定位。 结果： 1 采用解析方法得到水下挖沟机在海流条件下的横向偏移振动的近似解析解，在分析不同物理参数（不同吊缆长度、不同海流速度）对挖沟机悬吊系统横向振动的影响后，发现近似解析解与数值结果吻合较好。但解析法得到的振动幅值比数值方法略大，用解析法和数值法得到的横向位移之间的最大差值小于0.5m，所以用解析解去估计挖沟机的在海流中的振动是保守和安全的。 2 对于振幅微弱情形，双回路控制器具有和单回路控制器相似的控制效果。但是振荡剧烈、振动频率较高情形，双回路控制器的调整时间更短、振动幅值控制的更小和控制力更平滑。综上，双回路PID控制器对于在海流条件下的挖沟机的横向振动运动具有良好的控制效果。 结论： 1 建立的水下挖沟机在海流条件下的横向偏移振动的动力学模型具有非线性特性，为了在实际工程中进行快速求解和应用，可以采用简化非线性绝对值项的方法，求得模型的近似解析解。 2 在研究不同物理参数对挖沟机悬吊系统横向振动的影响，和分析不同类型阻尼振动的特征后，得到采用平均法求得的近似解析解与数值结果吻合较好，对海流环境中水下挖沟机的横向振动模拟的是适用的。 3 双回路PID控制器对于水下挖沟机的横向振动运动具有良好的控制效果，可以对类似水下作业悬吊系统的控制方法提供参考和借鉴。 关键词：水下挖沟机，动力学模型，解析解，双回路控制，海流 |
