具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电控制方法，所述发电结构及 其控制方法包括以下步骤：

步骤一、确定基于温差能发电驱动的剖面浮标的设计指标和初步设计参数，完成主要 设备的选型，分析工作过程，明确总体设计方案，根据剖面浮标的性能要求，开展各个子 单元的设计工作，选取合适的设计方法进行剖面浮标的系统设计。

步骤二、完成海洋温差能驱动的剖面浮标的能耗分析，温差能驱动的剖面浮标耗电设 备的能耗参数，针对海洋温差能驱动的剖面浮标运动循环过程的水面漂浮阶段、下潜启动 阶段、下潜阶段、定深漂流阶段、上浮启动阶段、上浮阶段，这六个运动阶段各个耗电设 备开启状态、工作时间及工作能耗，得到海洋温差能驱动的剖面浮标的能耗数据；

步骤三、建立固定坐标系和与海洋温差能驱动的剖面浮标固联的运动坐标系，对剖面 浮标的运动参数进行相关的说明，定义固定坐标系与运动坐标系之间的变换关系，然后建 立剖面浮标的运动学和动力学模型，建立数值计算模型，开展剖面浮标的直航阻力试验、 斜航试验以及平面机构运动数值模拟，计算得到相应的水动力系数；

步骤四、基于海洋温差能驱动的剖面浮标两种主要的工作模式，完成基于改进滑模的 剖面浮标深度控制方法用于其深度控制，完成基于虚拟目标的海洋温差能驱动的剖面浮标 垂直面直线路径跟踪控制方法用于垂直面运动控制，并通过仿真试验验证所提出控制方法 的可行性和优越性。

进一步的，在步骤一中，所述的一种基于温差能发电驱动的剖面浮标的发电控制方法， 其特征在于，所述基于温差能发电驱动的剖面浮标的设计指标包括最大下潜深度、工作时 间、重量、浮力调节量、温差能发电系统发电量、通讯方式、任务传感器，所述基于温差 能发电驱动的剖面浮标的初步设计参数包括总体布局、外形设计、耐压壳设计、电控单元 等参数。

进一步的，在步骤一中，在确定基于海洋温差能驱动的剖面浮标的设计指标和初步设 计参数后，建立水下机器人运动模型，包括以下步骤：

步骤一一、建立空间运动坐标系；

步骤一二、根据空间运动坐标系建立空间运动数学模型。

进一步的，在步骤二中，海洋温差能驱动的剖面浮标工作过程包括运动循环及热循环。

其中运动循环过程包括六个阶段，即水面漂浮阶段、下潜启动阶段、下潜阶段、定深 漂流阶段、上浮启动阶段、上浮阶段。水面漂浮阶段是整个运动循环的初始状态，剖面浮标在水面漂浮阶段时其天线高出水面，通过天线实现远程控制命令及测量数据的传输，同时利用GPS完成定位，实现对导航位置的修正。下潜启动阶段，剖面浮标减小自身浮力， 当浮力小于重力时，剖面浮标开始下潜。在下潜阶段，剖面浮标处于低能耗运行状态，这 个阶段只打开CTD等任务传感器及与导航控制相关的器件，进行海洋环境数据的采集及对 剖面浮标位置及时的调整。当剖面浮标下潜到预定深度时，进入定深漂流阶段，该阶段可 以对指定深度处的海洋环境进行详细的观测，获取更全面准确的数据。定深漂流阶段达到 预设时间后开始进入上浮启动阶段，剖面浮标增大自身浮力，当浮力大于重力时，剖面浮 标开始上浮。在上浮阶段，剖面浮标同样处于低能耗运行状态，这个阶段只打开CTD等任 务传感器及与导航控制相关的器件，进行海洋环境数据的采集及对剖面浮标位置及时的调 整，直至再次返回水面，剖面浮标运动循环结束。

海洋温差能驱动的剖面浮标的热循环过程如下：在下潜阶段，随着海洋温差能驱动的 剖面浮标所处海水深度增加海水的温度随之降低，剖面浮标所携带的相变材料温度高于外 界海水温度，热量从相变材料转移到海水中，相变材料开始凝固，直至凝固完全，当相变 材料温度与外界海水温度相同时，热量不再发生转移；在上浮阶段，随着海洋温差能驱动 的剖面浮标所处海水的减小海水的温度随之升高，剖面浮标所携带的相变材料温度低于外 界海水温度，热量从海水转移到相变材料中，当温度超过相变材料的熔点时，相变材料开 始熔化，直至熔化完全，当相变材料温度与外界海水温度相同时，热量不再发生转移。

进一步的，在步骤二中，海洋温差能驱动的剖面浮标的能耗分析如下：

海洋温差能驱动系统捕获海洋温差能，将热能转换为电能储存到电池中，同时海洋温 差能驱动系统还将海洋温差能转换为驱动浮标上浮下潜的机械能，浮标上浮下潜会把机械 能转化为热能，与海水进行热量交换。电池中的电能主要输出给耗电设备使用，耗电设备 工作会产生热能，与海水进行热量交换，同时电池中的一部分电能用于对海洋温差能驱动 系统的控制。海洋温差能驱动的剖面浮标运动循环过程包括六个阶段，即水面漂浮阶段、 下潜启动阶段、下潜阶段、定深漂流阶段、上浮启动阶段、上浮阶段。

在下潜启动阶段，剖面浮标产生了浮力驱动能耗，开启电磁阀门2，外皮囊内液压油 在外界海水压力的作用下流入内皮囊。电磁阀门的功率为常数，所以下潜启动阶段的能耗 W_d满足如下公式：

W_d＝P_dt_d (1)

其中P_d为电磁阀门2的功率，t_d为下潜启动阶段阀门开启时间，t_d与驱动液体体积以 及液体流量有关。

在上浮启动阶段，剖面浮标产生了浮力驱动能耗，开启电磁阀门1，蓄能器内液压油 在蓄能器内气体压力的作用下流入外皮囊。电磁阀门1的功率为常数，所以上浮启动阶段 的能耗W_d满足如下公式：

W_a＝P_at_a (2)

其中P_a为电磁阀门1的功率，t_a为上浮启动阶段阀门开启时间，t_a与驱动液体体积以 及液体流量有关。

在水面漂浮阶段，海洋温差能驱动系统完成发电过程，开启电磁阀门3，蓄能器内液 压油在蓄能器内气体压力的作用下流入内皮囊。电磁阀门3的功率为常数，所以上浮启动 阶段的能耗W_m满足如下公式：

W_m＝P_mt_m (3)

其中P_m为电磁阀门3的功率，t_m为发电过程阀门开启时间，t_m与发电液体体积以及液 体流量有关。

在水面漂浮阶段，海洋温差能驱动的剖面浮标与水面控制台和卫星进行通讯，通讯时 产生的能耗W_c为：

W_c＝P_wt_w+P_it_i (4)

其中P_w为无线通讯模块功率，t_w无线通讯模块工作时间，P_i为卫星通讯模块功率，t_i为 卫星通讯模块工作时间。

温差能驱动的剖面浮标的主控计算机需要连续工作，主控计算机的能耗与主控计算机 的平均功率和剖面运动循环时间有关。

W_mc＝P_mc(t_ss+t_d+t_dd+t_ds+t_a+t_aa) (5)

其中t_ss为浮标在水面漂浮时间，t_dd为浮标下潜时间，t_ds为浮标定深漂流时间，t_aa为浮 标上浮时间。

同理磁罗经、CTD传感器、内皮囊位移传感器、漏水监测传感器也需要连续工作，这些设备的能耗与设备的平均功率和剖面运动循环时间有关，计算公式同上，获得元器件基本参数。

通过对温差能驱动系统的仿真分析以及对温差能驱动的剖面浮标上浮下潜运动仿真分 析，可以得出温差能驱动系统内相变材料的熔化时间为50分钟，凝固时间为533分钟，下 潜启动时间为0.25分钟，下潜时间为50分钟，上浮启动时间为0.083分钟，上浮时间为 12.9分钟，发电过程持续15秒。

进一步的，在步骤三中，数值计算模型的建立，具体包括：

采用CATIA三维建模软件建立海洋温差能驱动的剖面浮标模型，将所建立的模型导入 到STAR-CCM+软件对该模型进行包面处理。将包面后的模型采用表面重构技术进行表面 重构。

剖面浮标总长为2.34米，主体最大直径为0.22米，根据经验选取长方形计算域，计算 域的长、宽、高应该为剖面浮标的主尺度的7倍长度以上。选择网格生成模式为表面重构、 多面体网格生成器及棱柱层网格生成器，多面体网格生成器具有生成速度快及生成体网格 质量好的优点，棱柱层网格生成器可以较好地模拟边界层，提高数值模拟的精度。设置好 边界层厚度、基本尺寸、表面最大尺寸等参数，对两个舵翼、顶部、尾部区域采用体积控 制方法进行该区域的体积加密处理，这样可以更好捕捉这些区域流场的变化，提高数值模 拟的精度。设置参数后生成体网格，体网格数量为100万。

生成体网格后需要选择物理模型，然后确定边界条件，边界条件设置如下：

(1)入口设为速度进口边界条件，给定湍流强度、湍流粘度比及速度；

(2)出口设为压力出口，给定压力、湍流强度、湍流粘度比，出口压力相对大气压力为0，即没有其他外部压力作用；

(3)剖面浮标设置为壁面边界条件，将剪应力指定为无滑移即壁面处流体与壁面无相 对运动，数值模拟中假定剖面浮标不动，壁面处流体运动速度为0；

(4)计算域四周边界条件设为对称平面，认为在该面上没有法向速度。

进一步的，在步骤四中，具体的，采用基于改进滑模的剖面浮标深度控制方法如下：

海洋温差能驱动的剖面浮标在垂直方向上的主动控制力为外油囊体积变化引起的浮力 变化，这里忽略水平方向海流的干扰，只考虑垂直方向的运动，忽略水平运动。海洋温差 能驱动的剖面浮标在下潜过程中受到重力、浮力以及水阻力三个力共同的作用，重力方向 竖直向下(z轴正方向)，浮力方向竖直向上(z轴负方向)，水阻力与速度方向相反，海洋温差能驱动的剖面浮标所受的合力F为：

F＝G+B+f (6)

其中G为浮标的总重力，B为浮标所受的浮力，f为浮标所受的阻力。

浮标所受的浮力B可以表示为：

B＝-ρ(z)g(V₀-V(t)) (7)

其中V₀为浮标的初始体积，V(t)为外皮囊的体积，ρ(z)为海水的密度，随深度变化。

海洋温差能驱动的剖面浮标下潜运动方程可以表示为：

在水面漂浮时，浮标所受的初始浮力与浮标的重力相等，即mg＝ρgV₀。式(8)可以改写为：

令A＝M^-1A'，B＝M^-1B'， x＝[w z]^T可以将上式改写为：

假设期望下潜速度w_d为零，期望下潜深度z_d为定值常数，期望下潜速度和深度的导数 定义下潜速度误差w_e＝w-w_d，下潜深度误差z_e＝z-z_d，

滑动面设计为

设计控制律τ，使该系统可以在有限时间内到达滑膜面，即s(t)＝0，并保持该系统在 滑膜面内滑动。对式(11)进行求导，可得

设计滑膜趋近律如下：

其中λ₁＞0，α＞0，β＞0，0＜χ＜1，μ＞0。

将式(13)代入到式(12)可得：

τ＝(CB)^-1[-CAx-λ₁|s(t)|^αsgn(s(t))-λ₂sgn(s(t))] (14)

考虑到滑模控制中的抖震问题，将符号函数替换为边界层函数，边界层函数的表达式 如下：

进一步的，在步骤四中，具体的，采用基于虚拟目标的海洋温差能驱动的剖面浮标垂 直面直线路径跟踪控制如下：

海洋温差能驱动的剖面浮标在垂直面三自由度运动学模型可以表示为：

海洋温差能驱动的剖面浮标在垂直面三自由度动力学模型可以表示为：

定义剖面浮标跟踪的位置误差如下：

其中ξ_d和ζ_d为剖面浮标的期望位置。

对式(18)进行求导，把运动学模型(16)代入可得：

定义剖面浮标跟踪的速度误差如下：

其中u_d和w_d为剖面浮标的期望速度。将式(20)求导，并把动力学模型代入可得:

其中

目标是为垂向力和纵倾力矩设计鲁棒控制律，剖面浮标的位置能够跟踪预期的轨迹。 剖面浮标垂直面直线路径跟踪控制流程如图1所示。

剖面浮标的期望位置定义为：

剖面浮标期望的速度表示为：

其中k_ξ＞0，k_ζ＞0，l_ξ＞0，l_ζ＞0。

如果剖面浮标的速度误差e_u和e_w收敛到零，可以保证位置跟踪误差ξ_e和ζ_e也收敛到 零。由剖面浮标垂直面运动模型可以得到：

把(17)和(18)代入到(14)中可以得到：

其中是非奇异矩阵。假设剖面浮标的速度误差e_u和e_w收敛到零，致 使和收敛到零，可以得到：

下一步是证明位置跟踪误差ξ_e和ζ_e收敛到零，设计李雅普诺夫函数如下：

对李雅普诺夫函数(21)进行求导，并将(26)代入可以得到：

因为k_ξ＞0，k_ζ＞0，l_ξ＞0，l_ζ＞0，可以得出所以位置跟踪误差ξ_e和ζ_e收敛到零。下一步证明剖面浮标的速度误差e_u和e_w收敛到零。设计滑膜面如下：

其中λ₁，λ₂＞0。对式(29)和式(30)进行求导，并把式(21)代入可以得到：

把式(17)代入到(31)中，可以得到：

其中

设计滑膜趋近律为：

其中k₁，k₂，W₁，W₂＞0。

将式(34)代入到(33)中，将式(35)代入到(32)中，可以得到垂向力控制率τ_w和 纵倾力矩控制率τ_q表达式如下：

考虑式(16)和式(17)所描述的垂直面内的剖面浮标运动模型，将速度跟踪误差定义为式(20)，期望速度选择为式(23)。将式(36)和式(37)提出的垂向力控制率τ_w和 纵倾力矩控制率τ_q应用于剖面浮标，保证了速度跟踪误差剖面浮标的速度误差e_u和e_w收敛 到零。此外，剖面浮标的位置跟踪误差ξ_e和ζ_e也收敛到零。下面给出证明，定义李雅普诺 夫函数V₃如下：

对式(38)求导可得：

将式(31)和式(32)代入式(33)得：

将式(36)和式(37)代入式(38)中，化简得到：

从式(41)中可以得出，当(s₁,s₂)≠(0,0)时，所以式(29)和式(30)所表示的滑膜面可以收敛到零。在滑膜面上满足s₁＝s₂＝0，故可以得到式(42)和式(43)：

因为λ₁，λ₂＞0，保证了速度跟踪误差剖面浮标的速度误差e_u和e_w收敛到零。进而保证 了剖面浮标的位置跟踪误差ξ_e和ζ_e也收敛到零。