主动排油上浮过程是剖面浮标的应用中最耗能的环节之一，直接影响到剖面浮标的续航能力，本文通过对剖面浮标运动特性及其耗能原因分析，建立了剖面浮标上浮运动过程动力学模型，并基于能量转化分析，利用变分法推导了剖面浮标在给定时间、给定深度条件下所对应的最为节能的上浮速度。在此基础上设置了速度区间并提出了有效的闭环控制算法，使得浮标在上浮过程中的速度严格保持在此速度区间内，最终实现了节能和节时的兼顾。
Floating up by oil discharge is one of the most energy-consuming processes in the application of buoys, which directly affects its endurance. In this paper, Based on the analysis of the motion characteristics of section buoys and the causes of their energy consumption, the most energy-saving floating velocity of the buoy at a given time and depth is obtained through the analysis of energy conversion and the derivation of variational method by modeling the buoyancy floating motion. Based on the most energy-saving floating velocity, an effective closed-loop control algorithm is proposed to keep the buoy's floating speed strictly within this speed interval, and finally the goal of energy saving and time saving is achieved.
2022,44(4): 72-76 收稿日期：2020-11-06
DOI：10.3404/j.issn.1672-7649.2022.04.015
分类号：U644.4
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51779142，41527901）
作者简介：温福详(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为智能浮标控制与强化学习
参考文献：
[1] 王波, 李民, 刘世萱, 等. 海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势[J]. 仪器仪表学报, 2014, 35: 2401–2414
[2] 陈鹿, 潘彬彬, 曹正良, 等. 自动剖面浮标研究现状及展望[J]. 海洋技术学报, 2017, 36(2): 1–9
[3] 杨海, 刘雁集. 水下滑翔机浮力调节系统研制[J]. 中国舰船研究, 2018, 13(6): 128–133+165
[4] 赵伟, 杨灿军, 陈鹰. 水下滑翔机浮力调节系统设计及动态性能研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2009, 43(10): 1772–1776
[5] AGRAWAL A., PRASAD B., VISWANATHAN, et al. Dynamic modeling of variable ballast tank for spherical underwater robot[P]. 2013.
[6] SUMANTR, BAMBANG, KARSITI, et al. Development of variable ballast mechanism for depth positioning of spherical URV[P]. Information Technology, 2008. ITSim 2008. International Symposium on, 2008.
[7] PETZRICK E, TRUMAN J, FARGHER H. Profiling from 6000 m with the APEX-deep float[J]. Sea Technology, 2014, 55(2): 27–32
[8] 穆为磊, 邹振兴, 孙海亮, 等. 潜器浮力调节系统的低功耗控制策略[J]. 西安交通大学学报, 2018, 52(12): 44–49
[9] 陈鹿, 崔维成, 潘彬彬. 深海剖面测量浮标节能研究[J]. 中国造船, 2017, 58(3): 128–135
[10] 郭凤祥, 4000米Argo剖面浮标液压系统设计与节能优化研究[D]. 济南: 山东大学. 2020.
[11] 王雷, 姚宝恒, 魏照宇, 等. 剖面浮标的分段浮力调节策略研究[J]. 舰船科学技术, 2020, 42(5): 98–102
[12] 王世明, 吴爱平, 马利娜. 剖面探测浮标上浮运动研究[J]. 船舶工程, 2010, 32(06): 57–59+81
[13] 李志彤, Argo浮标壳体外形优化与能耗灵敏度分析研究[D]. 济南: 山东大学, 2020.
[14] 董涛, 杨庆保. 自持式剖面循环探测漂流浮标水下运动过程实例分析[J]. 海洋技术, 2006, 25(1): 20–23
[15] 鄢文军. 圆柱形浮标运动计算和试验研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2011.
[16] 邹一麟, 曹军军, 姚宝恒, 等. 新型蓄能器浮标上浮运动水动力性能研究[J]. 舰船科学技术, 2018, 40(5): 42–48
[17] 姜言清, 李晔, 王友康, 等. 全海深水下机器人的重力和浮力计算[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2020, 41(4): 481–486
[18] 陈丹峰, 邹一麟, 曾铮, 等. 深海氮气浮标运动特性分析[J]. 海洋工程, 2019, 37(2): 112–119
[19] 胡寿松, 王执铨, 胡维礼. 最优控制理论与系统[M]. 第三版. 北京: 科学出版社, 2017.
[20] 赵艳龙, 李醒飞, 杨少波, 等. 剖面浮标“浮星”可变浮力系统性能研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(6): 1240–1248
