CN110371277A - 一种深海装备浮力调节系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海装备浮力调节系统及其工作方法，属于海洋探测装备领域，该系统包括浮力油囊、出油口常开式电磁换向阀、溢流阀、液压马达、节流阀、出油口常闭式电磁换向阀、储油油囊、控制器、进油口常开式电磁换向阀、液压泵、减压阀、进油口常闭式电磁换向阀、单向阀、压力变送器和流量计；所述控制器通过信号线分别与流量计、压力变送器、出油口常开式电磁换向阀、溢流阀、节流阀、出油口常闭式电磁换向阀、进油口常闭式电磁换向阀、电机和进油口常开式电磁换向阀连接。本发明能够利用海水的压力发出电能，并通过控制液压系统换向阀的工作状态，降低深海装备浮力调节系统工作过程中的能量消耗，延长深海装备工作时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种深海装备浮力调节系统及其工作方法，属于海洋探测装备技术领域。
背景技术
浮力调节技术广泛应用于水下滑翔机、自主式水下航行器等深海移动平台，是探索海洋的关键核心技术。
目前常用的浮力调节技术为采用体积可变的油囊作为浮力油囊，通过改变浮力油囊体积，使深海装备的排水体积发生变化，从而使深海装备受到的海水浮力发生变化，在装备重力恒定的情况下，装备受到的合力发生变化，从而产生上升或下潜的作用力。如申请号为201711387767.4的中国发明专利公开了一种水下浮力调节装置，采用高压气动浮力系统驱动，质量轻，维护成本低；申请号为201810046577.4的中国发明专利公开了一种深海浮力调节系统及其方法，最大工作水深可达6000米。
然而，现有的浮力调节系统一般设置在海底增大浮力油囊的体积，此时海水压力较大，需要消耗较多能量。减小浮力油囊体积时，一般采用液压泵将液压油从浮力油囊抽出，未充分利用海水的压力，也需要消耗能量。因此，现有的浮力调节系统能量消耗较大，大大缩短了深海装备水下工作时间。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种深海装备浮力调节系统及其工作方法，能够利用海水的压力发出电能，并通过控制液压系统换向阀的工作状态，降低深海装备浮力调节系统工作过程中的能量消耗，延长深海装备工作时间。
本发明采用以下技术方案：
一种深海装备浮力调节系统，包括浮力油囊、出油口常开式电磁换向阀、溢流阀、液压马达、节流阀、出油口常闭式电磁换向阀、储油油囊、控制器、进油口常开式电磁换向阀、液压泵、减压阀、进油口常闭式电磁换向阀、单向阀、压力变送器和流量计；
所述储油油囊分别与出油口常闭式电磁换向阀和进油口常开式电磁换向阀连接，所述液压泵的进油口分别连接进油口常开式电磁换向阀和减压阀，所述液压泵的出油口与单向阀连接，液压泵连接有电机，所述单向阀分别与出油口常开式电磁换向阀、液压马达和溢流阀连接，所述液压马达连接有发电机，所述液压马达和溢流阀均与节流阀连接，所述节流阀经出油口常闭式电磁换向阀与储油油囊连接，所述减压阀与进油口常闭式电磁换向阀连接，所述进油口常闭式电磁换向阀和出油口常开式电磁换向阀均通过油管连接至浮力油囊，该油管上设置有流量计和压力变送器，上述各元件之间均采用油管连接；
所述控制器通过信号线分别与流量计、压力变送器、出油口常开式电磁换向阀、溢流阀、节流阀、出油口常闭式电磁换向阀、进油口常闭式电磁换向阀、电机和进油口常开式电磁换向阀连接。
本发明中，控制器从流量计可获得流量参数，控制器可从压力变送器获得压力参数，控制器分别向出油口常开式电磁换向阀、出油口常闭式电磁换向阀、进油口常开式电磁换向阀和进油口常闭式电磁换向阀发送换向信号，控制器可向溢流阀发送溢流信号，控制器可向节流阀发送节流信号，控制器可向电机发送转速信号。
优选的，所述储油油囊为活塞式结构，一端为储油腔，另一端为真空负压腔，压力优选为0.5个标准大气压。
本发明中，浮力油囊的体积随内部油液体积而发生变化。
本发明中，控制器优选采用ARMCortexTM-M4处理器，各个电磁换向阀、溢流阀、节流阀、液压泵、减压阀、压力变送器、流量计等其他元件均可采用市售的现有产品即可，均不影响本发明的实施。
液压系统设计完成后，液压系统的阻尼就已经基本确定，阻尼值主要由液压油流经各个电磁换向阀、单向阀、减压阀、节流阀和油管时受到的阻力决定，本发明中，当阻尼值大于0.5MPa时，即可认为阻尼较大；当阻尼值小于0.5MPa时，即可认为阻尼较小。
一种上述深海装备浮力调节系统的工作方法，在海面处，当液压系统的阻尼较小时，控制器驱动出油口常闭式电磁换向阀换向，并向溢流阀发送溢流信号、向节流阀发送节流信号，使液压油在负压的作用下从浮力油囊经过溢流阀进入储油油囊；当液压系统的阻尼较大时，控制器驱动出油口常开式电磁换向阀、出油口常闭式电磁换向阀、进油口常开式电磁换向阀和进油口常闭式电磁换向阀执行换向动作，同时向电机发送转速信号、向溢流阀发送溢流信号、向节流阀发送节流信号，电机驱动液压泵转动，将液压油从浮力油囊输送到储油油囊，浮力油囊内液压油减少，浮力油囊体积减小，排开海水的体积减小，使深海装备受到的浮力减小，装备下潜；
在深海处，浮力油囊受到海水压力的挤压，控制器驱动出油口常闭式电磁换向阀换向，并向溢流阀发送溢流信号、向节流阀发送节流信号，液压油在海水压力的作用下从浮力油囊经过液压马达进入储油油囊，驱动液压马达转动，液压马达驱动发电机发电，浮力油囊体积继续减小；
当深海装备需要上浮时，控制器向电机发送转速信号，电机驱动液压泵转动，将液压油从储油油囊排入浮力油囊，浮力油囊体积增大，排开海水的体积增大，使深海装备受到的浮力增加。
优选的，深海装备在水面时，完成下潜深度、液压泵转速和液压泵工作时间的设定；
液压泵开始工作后，液压油从浮力油囊进入储油油囊，浮力油囊体积收缩，装备排水体积减小，受到的浮力减小，装备下潜，到达设定的液压泵工作时间后，液压泵停止工作，此时深海装备获得了一定的下降速度，继续执行下潜运动，浮力调节系统中的流量计记录进入储油油囊的液压油流速，通过积分运算得到浮力油囊的体积，积分计算如公式(1)：
其中，V为浮力油囊的体积，Q为流量计记录到的液压油流量，t为液压油进入浮力油囊的时间；
进而可以计算出装备受到的浮力：
F浮＝ρg(V+V0) (2)
其中，F浮为装备受到的浮力，ρ为海水密度，V0为深海装备的体积；
浮力调节系统中的压力变送器记录深海装备所处位置的海水压力值，并通过海水压力值与深度的换算关系计算装备所处水深：
p＝ρgh (3)
其中，p为海水压力值，h为海水深度；
再通过微分运算获得装备的运行速度：
其中，v为运行速度，t为运行时间；
从而能够计算出装备受到的流体阻力：
其中，F阻为设备受到的流体阻力，Cd为设备的流体阻力系数，S为设备的迎流面积；
结合装备自身的质量，得到装备在水下运动时受到的合力，进而能够得到装备的加速度值：
其中，a为设备的加速度；
实时判断装备的下潜速度，若装备的下潜速度为0，则控制器驱动出油口常闭式电磁换向阀工作，使液压油在海水压力的作用下从浮力油囊经过液压马达进入储油油囊，在此过程中，液压马达驱动发电机发电，实现能量回收。
优选的，以装备下潜深度、液压泵转速、液压泵工作时间、装备速度值和装备加速度值为输入量，以液压泵能量消耗最低和发电机发电能量最高为优化目标，通过寻优算法可以获得出油口常闭式电磁换向阀的工作时间，从而实现能量回收最大化，即方案一。
本发明中寻优算法可以使用粒子群算法、遗传算法、模拟退火算法等，均为比较成熟的通用算法，此处不再一一详述，此处以粒子群算法为例，其步骤为：
1、初始化
设置最大迭代次数、目标函数的自变量个数、粒子的最大速度，位置信息为整个搜索空间，在速度区间和搜索空间上随机初始化速度和位置，设置粒子群规模为M，每个粒子随机初始化一个飞翔速度；
2、个体极值与全局最优解
定义适应度函数，个体极值为每个粒子找到的最优解，从这些最优解找到一个全局值，叫做本次全局最优解，与历史全局最优比较，进行更新；
3、更新速度和位置的公式
4、判断终止条件
(1)达到设定迭代次数；(2)代数之间的差值满足最小界限。
优选的，深海装备从水面下潜时，优选通过分阶段调节浮力的方法，进一步提高能量利用率，具体如下：
深海装备在水面时，完成下潜深度和液压泵工作时间的设定，并设定初始的回油点深度和初始的液压泵转速，液压泵开始工作后，液压油从浮力油囊进入储油油囊，浮力油囊体积收缩，深海装备排水体积减小，受到的浮力减小，装备下潜，到达设定的液压泵工作时间后，液压泵停止工作，此时深海装备获得了一定的下降速度，继续执行下潜运动；浮力调节系统中的流量计记录进入储油油囊的液压油流速，通过积分运算得到浮力油囊的体积，进而可以计算出装备受到的浮力；浮力调节系统中的压力变送器记录深海装备所处位置的海水压力值，并通过海水压力与深度的换算关系计算装备所处水深，再通过微分运算获得装备的运行速度，从而能够计算出装备受到的流体阻力；结合装备自身的质量，得到装备在水下运动时受到的合力，进而能够得到装备的加速度值；
以装备下潜深度、液压泵工作时间、装备速度值和装备加速度值为输入量，以液压泵能量消耗最低为目标，通过寻优算法可以获得不同回油点深度及回油点处液压泵的转速，寻优算法如粒子群算法、遗传算法、模拟退火算法等，技术已比较成熟，且为通用技术，此处不再具体说明，此处不再具体说明；实时判断装备的位置，若装备到达所设定的回油点深度，则进一步判断海水压力与液压系统阻力的关系，即判断海水压力能否将液压油从浮力油囊压入储油油囊，若海水压力大于液压系统的阻力，则海水压力能够将液压油从浮力油囊压入储油油囊；若海水压力小于液压系统的阻力，则海水压力不能够将液压油从浮力油囊压入储油油囊；若海水压力小于液压系统阻力，则再次设定回油点深度和液压泵转速，重复下潜过程；若海水压力大于液压系统阻力，则执行实施方案一(图2所示的方案)中的能量回收式下潜方案。
该过程中，积分运算得到浮力油囊体积、计算所处水深、运行速度、流体阻力、加速度等的计算过程均同上所述，此处不再赘述。
进一步优选的，深海装备在海底时，完成液压泵排油时间的设定，并设定初始排油点深度和初始液压泵转速；
液压泵开始工作后，液压油从储油油囊进入浮力油囊，浮力油囊体积膨胀，装备排水体积增大，受到的浮力增大，装备上浮，到达所设定的液压泵排油时间后，液压泵停止工作，浮力调节系统中的流量计记录进入浮力油囊的液压油流速，通过积分运算得到浮力油囊的体积，进而可以计算出装备受到的浮力，浮力调节系统中的压力变送器记录装备所处位置的海水压力值，并通过海水压力与深度的换算关系计算装备所处水深，再通过微分运算获得装备的运行速度，从而能够计算出装备受到的流体阻力，结合装备自身的质量，得到深海装备在水下运动时受到的合力，进而能够得到装备的加速度值；
以装备所处的最大水深、液压泵工作时间、装备速度值和装备加速度值为输入量，以液压泵能量消耗最低为目标，通过寻优算法可以获得不同排油点深度及排油点处液压泵的转速，同上，寻优算法如粒子群算法、遗传算法、模拟退火算法等，技术已比较成熟，且为通用技术，此处不再具体说明，实时判断装备的位置，若装备到达排油点深度，则设置下一个排油点深度和液压泵转速，并启动液压泵，重复将液压油排入浮力油囊；因深海装备的位置水深越浅，液压泵工作时外界海水的压力就越小，故在不同水深处实现分阶段浮力调节，能够降低液压泵所需功率，并减少能量消耗，实现能量高效利用。
进一步优选的，深海装备从海底上浮时，优选通过连续调节浮力的方法，进一步提高能量利用率，具体如下：
深海装备在海底时，完成液压泵初始转速的设定，液压泵开始工作后，液压油从储油油囊进入浮力油囊，浮力油囊体积膨胀，深海装备排水体积增大，受到的浮力增大，装备上浮，浮力调节系统中的流量计记录进入浮力油囊的液压油流速，通过积分运算得到浮力油囊的体积，进而可以计算出装备受到的浮力；
浮力调节系统中的压力变送器记录装备所处位置的海水压力值，并通过海水压力与深度的换算关系计算装备所处水深，再通过微分运算获得装备的运行速度，从而能够计算出装备受到的流体阻力；结合装备自身的质量，得到装备在水下运动时受到的合力，进而能够得到装备的加速度值；
以装备所处的最大水深、装备速度值和装备加速度值为输入量，以液压泵消耗的总能量最低为目标，通过寻优算法可以获得液压泵的转速时历曲线，寻优算法如粒子群算法、遗传算法、模拟退火算法等，技术已比较成熟，且为通用技术，此处不再赘述，实时判断装备是否到达海表面，即水深为0，若装备未到达海表面，则根据转速时历曲线重新设定液压泵转速；若装备到达海表面，则完成上浮过程。
本发明中，未详尽之处，均可采用现有技术进行。
本发明的有益效果为：
本发明在深海装备浮力调节系统加入能量回收组件液压马达，能够利用海水的压力发电，补充浮力调节系统消耗的能量；利用控制器实时调节电机转速、电磁换向阀工作状态，采用节能控制策略，降低浮力调节系统工作时的能量消耗。本发明的深海装备浮力调节系统以及能量回收与高效利用方法能够大幅延长深海装备的水下工作时间。
附图说明
图1为本发明的深海装备浮力调节系统的结构示意图；
图2为本发明下潜过程的能量回收过程示意图一；
图3为本发明下潜过程的能量回收过程示意图二；
图4为本发明上浮过程的能量高效利用过程示意图一；
图5为本发明上浮过程的能量高效利用过程示意图二；
其中，1-浮力油囊，2-信号线，3-出油口常开式电磁换向阀，4-发电机，5-溢流阀，6-液压马达，7-节流阀，8-出油口常闭式电磁换向阀，9-储油油囊，10-控制器，11-进油口常开式电磁换向阀，12-液压泵，13-电机，14-减压阀，15-进油口常闭式电磁换向阀，16-单向阀，17-油管，18-压力变送器，19-流量计。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种深海装备浮力调节系统，如图1所示，包括浮力油囊1、出油口常开式电磁换向阀3、溢流阀5、液压马达6、节流阀7、出油口常闭式电磁换向阀8、储油油囊9、控制器10、进油口常开式电磁换向阀11、液压泵12、减压阀14、进油口常闭式电磁换向阀15、单向阀16、压力变送器18和流量计19；
储油油囊1分别与出油口常闭式电磁换向阀8和进油口常开式电磁换向阀11连接，液压泵12的进油口分别连接进油口常开式电磁换向阀11和减压阀14，液压泵12的出油口与单向阀16连接，液压泵12连接有电机13，单向阀16分别与出油口常开式电磁换向阀3、液压马达6和溢流阀5连接，液压马达6连接有发电机4，液压马达6和溢流阀5均与节流阀7连接，节流阀7经出油口常闭式电磁换向阀8与储油油囊9连接，减压阀14与进油口常闭式电磁换向阀15连接，进油口常闭式电磁换向阀15和出油口常开式电磁换向阀3均通过油管17连接至浮力油囊1，该油管17上设置有流量计19和压力变送器18，上述各元件之间均采用油管连接；
控制器10通过信号线2分别与流量计19、压力变送器18、出油口常开式电磁换向阀3、溢流阀5、节流阀7、出油口常闭式电磁换向阀8、进油口常闭式电磁换向阀15、电机13和进油口常开式电磁换向阀11连接。
本发明中，控制器10从流量计19可获得流量参数，控制器10可从压力变送器18获得压力参数，控制器10分别向出油口常开式电磁换向阀3、出油口常闭式电磁换向阀8、进油口常开式电磁换向阀11和进油口常闭式电磁换向阀15发送换向信号，控制器10可向溢流阀5发送溢流信号，控制器10可向节流阀7发送节流信号，控制器10可向电机13发送转速信号。
实施例2：
一种深海装备浮力调节系统，结构如实施例1所示，所不同的是，储油油囊9为活塞式结构，一端为储油腔，另一端为真空负压腔，压力为0.5个标准大气压，浮力油囊1的体积随内部油液体积而发生变化。
实施例3：
一种深海装备浮力调节系统的工作方法，在海面处，当液压系统的阻尼较小时，控制器10驱动出油口常闭式电磁换向阀8换向，并向溢流阀5发送溢流信号、向节流阀7发送节流信号，使液压油在负压的作用下从浮力油囊1经过溢流阀5进入储油油囊9；当液压系统的阻尼较大时，控制器10驱动出油口常开式电磁换向阀3、出油口常闭式电磁换向阀8、进油口常开式电磁换向阀11和进油口常闭式电磁换向阀15执行换向动作，同时向电机13发送转速信号、向溢流阀5发送溢流信号、向节流阀7发送节流信号，电机13驱动液压泵12转动，将液压油从浮力油囊1输送到储油油囊9，浮力油囊1内液压油减少，浮力油囊1体积减小，排开海水的体积减小，使深海装备受到的浮力减小，装备下潜；
在深海处，浮力油囊1受到海水压力的挤压，控制器10驱动出油口常闭式电磁换向阀8换向，并向溢流阀5发送溢流信号、向节流阀7发送节流信号，液压油在海水压力的作用下从浮力油囊1经过液压马达6进入储油油囊9，驱动液压马达6转动，液压马达6驱动发电机4发电，浮力油囊1体积继续减小；
当深海装备需要上浮时，控制器10向电机13发送转速信号，电机13驱动液压泵12转动，将液压油从储油油囊9排入浮力油囊1，浮力油囊1体积增大，排开海水的体积增大，使深海装备受到的浮力增加。
液压系统设计完成后，液压系统的阻尼就已经基本确定，阻尼值主要由液压油流经各个电磁换向阀、单向阀、减压阀、节流阀和油管时受到的阻力决定，本实施例中，当阻尼值大于0.5MPa时，即可认为阻尼较大；当阻尼值小于0.5MPa时，即可认为阻尼较小。
实施例4：
一种深海装备浮力调节系统的工作方法，如实施例3所示，所不同的是，如图2所示，深海装备在水面时，完成下潜深度、液压泵转速和液压泵工作时间的设定；
液压泵12开始工作后，液压油从浮力油囊1进入储油油囊9，浮力油囊1体积收缩，装备排水体积减小，受到的浮力减小，装备下潜，到达设定的液压泵工作时间后，液压泵12停止工作，此时深海装备获得了一定的下降速度，继续执行下潜运动，浮力调节系统中的流量计19记录进入储油油囊9的液压油流速，通过积分运算得到浮力油囊的体积，积分计算如公式(1)：
其中，V为浮力油囊的体积，Q为流量计记录到的液压油流量，t为液压油进入浮力油囊的时间；
进而可以计算出装备受到的浮力：
F浮＝ρg(V+V0) (2)
其中，F浮为装备受到的浮力，ρ为海水密度，V0为深海装备的体积；
浮力调节系统中的压力变送器18记录深海装备所处位置的海水压力值，并通过海水压力值与深度的换算关系计算装备所处水深：
p＝ρgh (3)
其中，p为海水压力值，h为海水深度；
再通过微分运算获得装备的运行速度：
其中，v为运行速度，t为运行时间；
从而能够计算出装备受到的流体阻力：
其中，F阻为设备受到的流体阻力，Cd为设备的流体阻力系数，S为设备的迎流面积；
结合装备自身的质量，得到装备在水下运动时受到的合力，进而能够得到装备的加速度值：
其中，a为设备的加速度；
实时判断装备的下潜速度，若装备的下潜速度为0，则控制器10驱动出油口常闭式电磁换向阀8工作，使液压油在海水压力的作用下从浮力油囊1经过液压马达6进入储油油囊9，在此过程中，液压马达6驱动发电机4发电，实现能量回收；
以装备下潜深度、液压泵转速、液压泵工作时间、装备速度值和装备加速度值为输入量，以液压泵能量消耗最低和发电机发电能量最高为优化目标，通过寻优算法可以获得出油口常闭式电磁换向阀8的工作时间，从而实现能量回收最大化。
实施例5：
一种深海装备浮力调节系统的工作方法，如实施例4所示，所不同的是，如图3所示，深海装备从水面下潜时，优选通过分阶段调节浮力的方法，进一步提高能量利用率，具体如下：
深海装备在水面时，完成下潜深度和液压泵工作时间的设定，并设定初始的回油点深度和初始的液压泵转速，液压泵12开始工作后，液压油从浮力油囊1进入储油油囊9，浮力油囊1体积收缩，深海装备排水体积减小，受到的浮力减小，装备下潜，到达设定的液压泵12工作时间后，液压泵12停止工作，此时深海装备获得了一定的下降速度，继续执行下潜运动；浮力调节系统中的流量计19记录进入储油油囊9的液压油流速，通过积分运算得到浮力油囊的体积，进而可以计算出装备受到的浮力；浮力调节系统中的压力变送器18记录深海装备所处位置的海水压力值，并通过海水压力与深度的换算关系计算装备所处水深，再通过微分运算获得装备的运行速度，从而能够计算出装备受到的流体阻力；结合装备自身的质量，得到装备在水下运动时受到的合力，进而能够得到装备的加速度值；
以装备下潜深度、液压泵工作时间、装备速度值和装备加速度值为输入量，以液压泵能量消耗最低为目标，通过寻优算法可以获得不同回油点深度及回油点处液压泵的转速，寻优算法如粒子群算法、遗传算法、模拟退火算法等，技术已比较成熟，且为通用技术，此处不再具体说明；实时判断装备的位置，若装备到达所设定的回油点深度，则进一步判断海水压力与液压系统阻力的关系，即判断海水压力能否将液压油从浮力油囊1压入储油油囊9，若海水压力大于液压系统的阻力，则海水压力能够将液压油从浮力油囊1压入储油油囊9；若海水压力小于液压系统的阻力，则海水压力不能够将液压油从浮力油囊1压入储油油囊9；若海水压力小于液压系统阻力，则再次设定回油点深度和液压泵转速，重复下潜过程；若海水压力大于液压系统阻力，则执行实施实施例4(即图2所示的方案)中的能量回收式下潜方案。
该过程中，积分运算得到浮力油囊体积、计算所处水深、运行速度、流体阻力、加速度等的计算过程均同上所述，此处不再赘述。
实施例6：
一种深海装备浮力调节系统的工作方法，如实施例3所示，所不同的是，如图4所示，深海装备在海底时，完成液压泵12排油时间的设定，并设定初始排油点深度和初始液压泵转速；
液压泵12开始工作后，液压油从储油油囊9进入浮力油囊1，浮力油囊1体积膨胀，装备排水体积增大，受到的浮力增大，装备上浮，到达所设定的液压泵12排油时间后，液压泵12停止工作，浮力调节系统中的流量计19记录进入浮力油囊1的液压油流速，通过积分运算得到浮力油囊的体积，进而可以计算出装备受到的浮力，浮力调节系统中的压力变送器18记录装备所处位置的海水压力值，并通过海水压力与深度的换算关系计算装备所处水深，再通过微分运算获得装备的运行速度，从而能够计算出装备受到的流体阻力，结合装备自身的质量，得到深海装备在水下运动时受到的合力，进而能够得到装备的加速度值；
以装备所处的最大水深、液压泵工作时间、装备速度值和装备加速度值为输入量，以液压泵能量消耗最低为目标，通过寻优算法可以获得不同排油点深度及排油点处液压泵的转速，同上，寻优算法如粒子群算法、遗传算法、模拟退火算法等，技术已比较成熟，且为通用技术，此处不再具体说明，实时判断装备的位置，若装备到达排油点深度，则设置下一个排油点深度和液压泵转速，并启动液压泵12，重复将液压油排入浮力油囊1；因深海装备的位置水深越浅，液压泵12工作时外界海水的压力就越小，故在不同水深处实现分阶段浮力调节，能够降低液压泵所需功率，并减少能量消耗，实现能量高效利用。
实施例7：
一种深海装备浮力调节系统的工作方法，如实施例6所示，所不同的是，如图5所示，深海装备从海底上浮时，优选通过连续调节浮力的方法，进一步提高能量利用率，具体如下：
深海装备在海底时，完成液压泵初始转速的设定，液压泵12开始工作后，液压油从储油油囊9进入浮力油囊1，浮力油囊1体积膨胀，深海装备排水体积增大，受到的浮力增大，装备上浮，浮力调节系统中的流量计19记录进入浮力油囊1的液压油流速，通过积分运算得到浮力油囊的体积，进而可以计算出装备受到的浮力；
浮力调节系统中的压力变送器18记录装备所处位置的海水压力值，并通过海水压力与深度的换算关系计算装备所处水深，再通过微分运算获得装备的运行速度，从而能够计算出装备受到的流体阻力；结合装备自身的质量，得到装备在水下运动时受到的合力，进而能够得到装备的加速度值；
以装备所处的最大水深、装备速度值和装备加速度值为输入量，以液压泵消耗的总能量最低为目标，通过寻优算法可以获得液压泵的转速时历曲线，寻优算法如粒子群算法、遗传算法、模拟退火算法等，技术已比较成熟，且为通用技术，此处不再赘述，实时判断装备是否到达海表面，即水深为0，若装备未到达海表面，则根据转速时历曲线重新设定液压泵转速；若装备到达海表面，则完成上浮过程。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种深海装备浮力调节系统，其特征在于，包括浮力油囊、出油口常开式电磁换向阀、溢流阀、液压马达、节流阀、出油口常闭式电磁换向阀、储油油囊、控制器、进油口常开式电磁换向阀、液压泵、减压阀、进油口常闭式电磁换向阀、单向阀、压力变送器和流量计；
所述储油油囊分别与出油口常闭式电磁换向阀和进油口常开式电磁换向阀连接，所述液压泵的进油口分别连接进油口常开式电磁换向阀和减压阀，所述液压泵的出油口与单向阀连接，液压泵连接有电机，所述单向阀分别与出油口常开式电磁换向阀、液压马达和溢流阀连接，所述液压马达连接有发电机，所述液压马达和溢流阀均与节流阀连接，所述节流阀经出油口常闭式电磁换向阀与储油油囊连接，所述减压阀与进油口常闭式电磁换向阀连接，所述进油口常闭式电磁换向阀和出油口常开式电磁换向阀均通过油管连接至浮力油囊，该油管上设置有流量计和压力变送器；
所述控制器通过信号线分别与流量计、压力变送器、出油口常开式电磁换向阀、溢流阀、节流阀、出油口常闭式电磁换向阀、进油口常闭式电磁换向阀、电机和进油口常开式电磁换向阀连接。
2.根据权利要求1所述的深海装备浮力调节系统，其特征在于，所述储油油囊为活塞式结构，一端为储油腔，另一端为真空负压腔。
3.一种权利要求1所述的深海装备浮力调节系统的工作方法，其特征在于，
在海面处，当液压系统的阻尼较小时，控制器驱动出油口常闭式电磁换向阀换向，并向溢流阀发送溢流信号、向节流阀发送节流信号，使液压油在负压的作用下从浮力油囊经过溢流阀进入储油油囊；当液压系统的阻尼较大时，控制器驱动出油口常开式电磁换向阀、出油口常闭式电磁换向阀、进油口常开式电磁换向阀和进油口常闭式电磁换向阀执行换向动作，同时向电机发送转速信号、向溢流阀发送溢流信号、向节流阀发送节流信号，电机驱动液压泵转动，将液压油从浮力油囊输送到储油油囊，浮力油囊内液压油减少，浮力油囊体积减小，排开海水的体积减小，使深海装备受到的浮力减小，装备下潜；
在深海处，浮力油囊受到海水压力的挤压，控制器驱动出油口常闭式电磁换向阀换向，并向溢流阀发送溢流信号、向节流阀发送节流信号，液压油在海水压力的作用下从浮力油囊经过液压马达进入储油油囊，驱动液压马达转动，液压马达驱动发电机发电，浮力油囊体积继续减小；
当深海装备需要上浮时，控制器向电机发送转速信号，电机驱动液压泵转动，将液压油从储油油囊排入浮力油囊，浮力油囊体积增大，排开海水的体积增大，使深海装备受到的浮力增加。
4.根据权利要求3所述的深海装备浮力调节系统的工作方法，其特征在于，深海装备在水面时，完成下潜深度、液压泵转速和液压泵工作时间的设定；
液压泵开始工作后，液压油从浮力油囊进入储油油囊，浮力油囊体积收缩，装备排水体积减小，受到的浮力减小，装备下潜，到达设定的液压泵工作时间后，液压泵停止工作，此时深海装备获得了一定的下降速度，继续执行下潜运动，浮力调节系统中的流量计记录进入储油油囊的液压油流速，通过积分运算得到浮力油囊的体积，积分计算如公式(1)：
其中，V为浮力油囊的体积，Q为流量计记录到的液压油流量，t为液压油进入浮力油囊的时间；
进而计算出装备受到的浮力：
F浮＝ρg(V+V0) (2)
其中，F浮为装备受到的浮力，ρ为海水密度，V0为深海装备的体积；
浮力调节系统中的压力变送器记录深海装备所处位置的海水压力值，并通过海水压力值与深度的换算关系计算装备所处水深：
p＝ρgh (3)
其中，p为海水压力值，h为海水深度；
再通过微分运算获得装备的运行速度：
其中，v为运行速度，t为运行时间；
从而能够计算出装备受到的流体阻力：
其中，F阻为设备受到的流体阻力，Cd为设备的流体阻力系数，S为设备的迎流面积；
结合装备自身的质量，得到装备在水下运动时受到的合力，进而能够得到装备的加速度值：
其中，a为设备的加速度；
实时判断装备的下潜速度，若装备的下潜速度为0，则控制器驱动出油口常闭式电磁换向阀工作，使液压油在海水压力的作用下从浮力油囊经过液压马达进入储油油囊，在此过程中，液压马达驱动发电机发电，实现能量回收。
5.根据权利要求4所述的深海装备浮力调节系统的工作方法，其特征在于，以装备下潜深度、液压泵转速、液压泵工作时间、装备速度值和装备加速度值为输入量，以液压泵能量消耗最低和发电机发电能量最高为优化目标，通过寻优算法获得出油口常闭式电磁换向阀的工作时间，从而实现能量回收最大化，即方案一。
6.根据权利要求5所述的深海装备浮力调节系统的工作方法，其特征在于，深海装备从水面下潜时，优选通过分阶段调节浮力的方法，进一步提高能量利用率，具体如下：
深海装备在水面时，完成下潜深度和液压泵工作时间的设定，并设定初始的回油点深度和初始的液压泵转速，液压泵开始工作后，液压油从浮力油囊进入储油油囊，浮力油囊体积收缩，深海装备排水体积减小，受到的浮力减小，装备下潜，到达设定的液压泵工作时间后，液压泵停止工作，此时深海装备获得了一定的下降速度，继续执行下潜运动；浮力调节系统中的流量计记录进入储油油囊的液压油流速，通过积分运算得到浮力油囊的体积，进而计算出装备受到的浮力；浮力调节系统中的压力变送器记录深海装备所处位置的海水压力值，并通过海水压力与深度的换算关系计算装备所处水深，再通过微分运算获得装备的运行速度，从而能够计算出装备受到的流体阻力；结合装备自身的质量，得到装备在水下运动时受到的合力，进而能够得到装备的加速度值；
以装备下潜深度、液压泵工作时间、装备速度值和装备加速度值为输入量，以液压泵能量消耗最低为目标，通过寻优算法可以获得不同回油点深度及回油点处液压泵的转速；实时判断装备的位置，若装备到达所设定的回油点深度，则进一步判断海水压力与液压系统阻力的关系，即判断海水压力能否将液压油从浮力油囊压入储油油囊；若海水压力小于液压系统阻力，则再次设定回油点深度和液压泵转速，重复下潜过程；若海水压力大于液压系统阻力，则执行实施方案一中的能量回收式下潜方案。
7.根据权利要求3所述的深海装备浮力调节系统的工作方法，其特征在于，深海装备在海底时，完成液压泵排油时间的设定，并设定初始排油点深度和初始液压泵转速；
液压泵开始工作后，液压油从储油油囊进入浮力油囊，浮力油囊体积膨胀，装备排水体积增大，受到的浮力增大，装备上浮，到达所设定的液压泵排油时间后，液压泵停止工作，浮力调节系统中的流量计记录进入浮力油囊的液压油流速，通过积分运算得到浮力油囊的体积，进而计算出装备受到的浮力，浮力调节系统中的压力变送器记录装备所处位置的海水压力值，并通过海水压力与深度的换算关系计算装备所处水深，再通过微分运算获得装备的运行速度，从而能够计算出装备受到的流体阻力，结合装备自身的质量，得到深海装备在水下运动时受到的合力，进而能够得到装备的加速度值；
以装备所处的最大水深、液压泵工作时间、装备速度值和装备加速度值为输入量，以液压泵能量消耗最低为目标，通过寻优算法获得不同排油点深度及排油点处液压泵的转速，实时判断装备的位置，若装备到达排油点深度，则设置下一个排油点深度和液压泵转速，并启动液压泵，重复将液压油排入浮力油囊；因深海装备的位置水深越浅，液压泵工作时外界海水的压力就越小，故在不同水深处实现分阶段浮力调节，能够降低液压泵所需功率，并减少能量消耗，实现能量高效利用。
8.根据权利要求7所述的深海装备浮力调节系统的工作方法，其特征在于，深海装备从海底上浮时，优选通过连续调节浮力的方法，进一步提高能量利用率，具体如下：
深海装备在海底时，完成液压泵初始转速的设定，液压泵开始工作后，液压油从储油油囊进入浮力油囊，浮力油囊体积膨胀，深海装备排水体积增大，受到的浮力增大，装备上浮，浮力调节系统中的流量计记录进入浮力油囊的液压油流速，通过积分运算得到浮力油囊的体积，进而计算出装备受到的浮力；
浮力调节系统中的压力变送器记录装备所处位置的海水压力值，并通过海水压力与深度的换算关系计算装备所处水深，再通过微分运算获得装备的运行速度，从而能够计算出装备受到的流体阻力；结合装备自身的质量，得到装备在水下运动时受到的合力，进而能够得到装备的加速度值；
以装备所处的最大水深、装备速度值和装备加速度值为输入量，以液压泵消耗的总能量最低为目标，通过寻优算法可以获得液压泵的转速时历曲线，实时判断装备是否到达海表面，若装备未到达海表面，则根据转速时历曲线重新设定液压泵转速；若装备到达海表面，则完成上浮过程。
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