在建设海洋强国的背景下,海洋科学发展逐渐迈入作业装备的智能化、海洋观测的系统化、海洋技术的综合化、海洋战略的全球化时代。海工装备如缆控水下机器人,当遭遇恶劣环境时,作业母船在较高海况下会产生大幅度的升沉、平摇、横荡、横摇、纵荡、纵摇六个自由度的运动,并通过铠缆连接中继器与机器人运动,海浪冲击引发共振导致水下ROV作业升沉幅度放大,运动加剧,造成铠缆断裂和ROV的损坏。本文以提升ROV作业安全性能为出发点,主要从水下ROV拖曳铠缆复杂的动态特性和采用主动升沉补偿技术增大解耦度两个方面进行深入研究,围绕水下、水上两个层面展开,具体内容如下:(1)国内外现状。介绍水下拖曳系统及升沉补偿技术的国内外发展现状,以及波浪补偿技术领域的发展趋势。(2)研究水下拖曳作业动态载荷及状态位形分布情况。针对海洋拖曳过程中具有的多变量、强非线性、强耦合、不确定性以及某些目标点过程参量无法直接获取、物理参数与拖曳状态时变的特点,建立系统地铠缆动力学模型,基于集中质量法建立拖曳系统控制方程,根据牛顿第二定律,将级联节点离散化得到连续动态特性偏微分方程,引入时域有限差分法对运动偏微分方程进行求解,编制仿真程序计算拖曳系统。分别给出无海流、沿海流与逆海流三种不同作业工况下的张力变化与缆绳位形,考虑多因素下拖曳系统的载荷张力与运动规律,对于提高海上安全性与作业效率具有实际意义。(3)对主动升沉补偿系统及其模型进行设计与详细的分析。首先简单介绍主动升沉补偿器的分类及其工作原理,运用载荷公式表述出被动补偿中活塞杆位移量与中继器负载升沉量之间的关系,从公式角度阐述每一个补偿周期的实现过程;通过李导数推导确定出系统输出和干扰相对程度,为进入工程化应用提供一定的理论基础。(4)研究主动升沉补偿系统电液位置伺服非线性控制策略。主动升沉补偿电液位置伺服控制过程中,考虑到复杂工况下系统进行连续切换过程中,由于饱和函数的不连续性,存在对s进行求导的场合,消抖性能显著下降,引入双曲正切函数可有效地降低滑模控制(SMC)中的抖振。通过基于双曲正切函数期望补偿非线性级联控制(DCNC)策略的绞车提升式补偿系统进行设计,提出了详细的非线性数学模型。针对拖曳补偿过程中参数不确定性及系统外部负载扰动,设计扩张状态观测器(ESO)进行预估并有效抑制预估扰动,避免了滑轮组的加速度反馈,并与DCNC组成含扩张观测器的期望补偿级联控制器(DCNCESO),有效地提高了系统的鲁棒性。