全球海洋实时观测网计划,又称为Argo计划,是由全球大气、海洋科学家于1998年提出的一项全球海洋观测试验项目,利用Argo剖面浮标对全球海洋不同层流的温度、盐度和溶解氧等参数进行长期监测和数据采集。Argo剖面浮标能够在海洋垂直剖面自主完成上浮下潜运动,并依靠所携带的传感器对水文参数进行测量,采集的实时数据对于海洋科学研究具有重大意义。而液压浮力调节技术是剖面浮标实现升沉运动的关键,一套可靠、高效的液压系统是剖面浮标能顺利完成监测任务的保障。目前技术成熟的2000米级浮标所搭载的液压系统由往复单冲程柱塞泵和浮标外部可变体积的圆柱型油囊组成,主要适用的深海工作范围为0-2000米,应用于更深海域时,会面临一系列问题。首先,为了增大浮标净浮力调节量,活塞缸的尺寸需随之增加,不利于浮标内部空间的利用。其次,为承受更大海水压力负载,活塞缸的强度和质量也不可避免随之增加,严重影响浮标的净浮力和搭载能力,限制了搭载传感器的数量。另外,浮标下潜到更深海域时,考虑到液压系统的工作压力会大幅增加,液压零部件的选用也更为严苛。因此,一套高效、稳定的液压系统对于4000米深海剖面浮标非常关键,是实现浮标稳定探测和采样的基础。本文的研究对象为山东大学自主研制的4000米Argo智能剖面浮标。针对于目前国内深海剖面浮标在研制过程中出现的液压系统运行不稳定、系统工作时发生电流过载以及系统能耗较高导致难以满足设计航时等难题,重点对4000米Argo剖面浮标的液压系统进行研究。分析已有液压系统在实验和海试中出现的问题,设计一套适用于深海4000米剖面浮标的低功率液压系统,进而对两套液压系统进行仿真分析对比,验证所设计系统的可行性。使用多目标粒子群优化算法对本文所设计液压系统的参数进行优化,提高系统的容积效率,并研究浮标在上浮过程中的运动状态,提出一套基于闭环控制策略的分段供油方法,以提高浮标运行稳定性和节能效果。搭建海水负载模拟试验台,验证液压系统的可行性和稳定性,最终进行海上试验。本文的主要研究内容和创新点:1.在研究现有深海剖面浮标液压系统的基础上,设计了—套适用于深海4000米剖面浮标的低功率液压系统。通过AMESim和MATLAB联合仿真验证系统的可行性,并搭建高压测试实验系统验证所设计模型的正确性,为深海剖面浮标液压系统的设计提供了理论和工程基础。2.基于流体力学分析和AMESim仿真,采用多目标粒子群优化算法对所设计液压系统的核心零部件——增压器模型的参数进行优化,得到系统关于容积效率、输出单位体积液压油工作时间和增压器质量三个目标函数的最优解集,为实际应用中增压器模型的设计与优化提供理论依据。3.研究浮标在上浮阶段的运动,提出了基于闭环控制策略的分段供油方法。建立了 4000米剖面浮标液压系统仿真模型及上浮阶段浮标运行的动力学和能量消耗模型,并对比分析传统供油控制策略与所设计控制策略的仿真结果,以提高浮标运行的稳定性和节能性,为深海剖面浮标供油策略进一步研究提供了参考。