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海洋科学监测技术的发展,增强了人们对海洋世界复杂性和多变性的认知。人们为了更合理的开发利用海洋资源,提高对海洋多变气候的预测能力,同时将海洋自然灾害的损失降低到允许的最小限度,采用海洋浮标工程装备进行海洋探测、海洋资源探索以及海洋数据采集等活动,海洋浮标工程装备发挥着不可替代的作用。
论文研究的浮标为自沉浮式海洋剖面探测浮标,又称为Argo浮标,专门用于海水温度、盐度、深剖面等参数信息数据的测量。浮标控制模块作为整个系统的控制核心,它包括实现浮标设备的潜浮控制、深度控制以及数据采集、存储、显示等功能。对于浮标上升和下潜的状态控制,文中采用改变浮标的外壳体积大小,同时保持其重量不变的原理来实现。
由于自沉浮式剖面探测浮标具有工作环境复杂、体积小、工作时间长、能耗低等特点,因此需要对其控制系统设计进行全面考虑。
本文首先简单介绍Argo浮标系统沉浮运动原理和基本结构设计,随后对浮标控制系统模块进行重点描述,提出一种浮标新型潜、浮PID反馈控制方法,并进行系统的实现、验证。
首先通过绕流阻力计算公式,确定了系统在低速运动状态下可以忽略系统所受的阻力。其次,根据牛顿第二定律,对浮标系统进行水下受力分析,在仅考虑垂直面受力的基础上建立浮标运动状态动态模型,推导出浮标实际位移与内部液压缸注油量相关联的传递函数,应用Simulink技术建立系统仿真模型,得出结果,并验证系统控制方法的可行性及方案的性能指标。
再次,对浮标控制系统硬件和软件设计进行实现,包括硬件的选型、计算和控制数据采集系统的软件编程、调试和检验。文章采用成熟的、精简的嵌入式单片机AT89C51作为浮标潜浮控制和数据采集系统的主控芯片,器件和部分传感器采用低功耗设备,如一线式温度传感器DS18620,等等。工作时,单片机控制直流电动机带动液压泵供油,配合三位四通电磁阀的带电时间推动液压缸内活塞杆伸长和收缩,带动浮标内外壳体的相互叠加和分离,实现浮标体积的改变,进而实现浮标的潜、浮控制。
最后,论文对浮标压力传感器测量误差的问题进行了研究,通过建立ARMA自回归滑动平均模型实现对压力测量误差预测。
论文介绍剖面探测浮标的潜、浮工作原理,同时与浮标结构设计相结合,着重论述作者负责的控制系统模块,包括深度控制及数据采集模块。经过检验,该系统运行稳定,符合设计要求。