CN120817543B - 多参数协同控制的水下推进器翻身吊装管控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多参数协同控制的水下推进器翻身吊装管控方法，具体涉及水下推进器吊装领域，用于解决潮流扰动下推进器翻身控制不稳问题，是通过曲率加速度差值与张力相位漂移量双视角监测推进器翻身动态状态，借助自适应步长映射及时压缩高风险区段迭代间隔，再利用预测修正循环在卷扬动作前同步校正角度增量与目标张力，实现角度调整、张力调节、环境安全三线联动。安全裕度图在振动与流速双信源驱动下持续刷新，一旦节点逼近警戒域即触发步长回滚，使潜在振荡封堵于萌芽阶段。同步可靠系数贯穿全过程，既评估卷扬同步质量，也为步长映射实时赋权，进而保持收敛路径贴近真实平衡通道。从而缩短翻身时长，稳定张力波动幅度。

Description

多参数协同控制的水下推进器翻身吊装管控方法

技术领域

本发明涉及水下推进器吊装技术领域，更具体地说，本发明涉及多参数协同控制的水下推进器翻身吊装管控方法。

背景技术

水下推进器翻身吊装作业须在潮流不稳、水体可视度低的环境下完成，卷扬机、吊索与推进器之间的力学关系随翻转角度实时变化，操作者必须依赖连续计算结果选取卷扬速度与张力分配，以维持推进器姿态平稳过渡。该作业强调角-力同步，任何指令延时或偏差都会直接转换为钢绞线交变载荷，进而影响密封罩完整性与船体安全。

然而，现行控制方法通常采用固定步长或经验步长进行逐级迭代，未充分考虑翻转曲率突变与张力相位错位的叠加效应，算法收敛路径在高阶约束面上反复摆动，易触发卷扬机频繁反向，张力峰值与环境扰动瞬时重合，延长作业窗口并增加断索风险。

为了解决上述问题，现提供一种技术方案。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供多参数协同控制的水下推进器翻身吊装管控方法，以解决上述背景技术中提出的潮流扰动下推进器翻身控制不稳问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

S1：采集翻转角度序列和吊索张力序列，执行二次差分计算瞬时曲率，并按二分原则对高曲率区段细化时间间隔，生成迭代步长表写入控制单元；

S2：控制单元读取迭代步长表与实时张力值，采用最小二乘预测法推算下一翻转角度增量及目标张力值，并发送卷扬速度指令；

S3：在卷扬机执行卷扬速度指令期间，先根据角速度曲线与其时间微分得到曲率加速度差值，再以互谱分析计算前后吊索的张力相位漂移量，将两者输入预设分段映射表输出同步可靠系数，若同步可靠系数低于阈值即缩短当前迭代步长并返回S2刷新卷扬速度指令；

S4：控制单元持续比对流速监测数据与推进器振动频谱构建安全裕度图，若安全裕度图出现警戒区域则同样缩短迭代步长并回到S2进行预测修正；

S5：当连续循环内同步可靠系数稳定且安全裕度图保持正值时，控制单元下达同步升降指令完成翻身。

在一个优选的实施方式中，步骤S1包括以下内容：

利用传感器以固定初始时间间隔收集翻转角度和张力数据，通过二阶差分方法计算瞬时曲率，依据曲率阈值识别高曲率段，对高曲率段的时间间隔减半以增加数据收集频率，生成记录各段时间间隔的迭代步长表，将迭代步长表、翻转角度序列和张力序列传输至控制单元。

在一个优选的实施方式中，步骤S2包括以下内容：

控制单元从迭代步长表中提取当前时间区段的步长值作为当前时间步长，基于历史翻转角度序列和历史张力序列采用最小二乘预测法推算推进器在下一时刻的翻转角度增量和目标张力值，利用力学模型根据翻转角度增量和目标张力值计算卷扬速度，并将卷扬速度作为指令发送给卷扬机以调整吊索的收放速度。

在一个优选的实施方式中，步骤S3包括以下内容：

在卷扬机执行卷扬速度指令期间，控制单元实时监测翻转角度和张力数据，通过对翻转角度序列进行微分计算角速度和角加速度，并与参考角加速度比较得出曲率加速度差值。

在一个优选的实施方式中，步骤S3还包括以下内容：

采用互谱分析方法计算前后吊索张力信号的相位漂移量；将曲率加速度差值和张力相位漂移量输入预设的分段映射表生成同步可靠系数。

在一个优选的实施方式中，步骤S3还包括以下内容：

当同步可靠系数低于预设阈值时，控制单元缩短迭代步长并返回步骤S2重新计算卷扬速度指令。

在一个优选的实施方式中，步骤S4包括以下内容：

控制单元通过水流传感器实时采集吊装区域内的流速监测数据，并通过振动传感器采集推进器上的振动信号后进行频域分析生成振动频谱，利用流速监测数据和振动频谱构建安全裕度图，当安全裕度值低于预设的警戒阈值时，将缩短当前迭代步长并触发步骤S2重新生成新的卷扬速度指令。

在一个优选的实施方式中，步骤S4还包括以下内容：

安全裕度图以时间为横轴、以安全裕度值为纵轴，通过计算流速项比与振动项的乘积确定。

在一个优选的实施方式中，步骤S5包括以下内容：

控制单元持续监测生成的同步可靠性系数和安全裕度图，判断同步可靠性系数在预定连续周期内保持稳定且安全裕度图在预定连续周期内维持正值。

在一个优选的实施方式中，步骤S5还包括以下内容：

当同步可靠性系数保持稳定且安全裕度图维持正值的条件均满足时，控制单元发出同步提升命令以完成翻转操作，随后归档数据存储。

本发明多参数协同控制的水下推进器翻身吊装管控方法的技术效果和优点：

本发明通过曲率加速度差值与张力相位漂移量双视角监测翻身动态状态，借助自适应步长映射及时压缩高风险区段迭代间隔，再利用预测修正循环在卷扬动作前同步校正角度增量与目标张力，实现角度调整、张力调节、环境安全三线联动。安全裕度图在振动与流速双信源驱动下持续刷新，一旦节点逼近警戒域即触发步长回滚，使潜在振荡封堵于萌芽阶段。同步可靠系数贯穿全过程，既评估卷扬同步质量，也为步长映射实时赋权，进而保持收敛路径贴近真实平衡通道。全局协同逻辑消除了反向指令累积与金属疲劳集中，缩短翻身时长，稳定张力波动幅度，并在全过程内留存高分辨率工况档案，为后续吊装作业提供可靠先验边界与决策支撑。

附图说明

图1为本发明多参数协同控制的水下推进器翻身吊装管控方法的流程示意图。

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。

实施例1：图1给出了本发明多参数协同控制的水下推进器翻身吊装管控方法，包括：

S1：采集翻转角度序列和吊索张力序列，执行二次差分计算瞬时曲率，并按二分原则对高曲率区段细化时间间隔，生成迭代步长表写入控制单元。

S2：控制单元读取迭代步长表与实时张力值，采用最小二乘预测法推算下一翻转角度增量及目标张力值，并发送卷扬速度指令。

S3：在卷扬机执行卷扬速度指令期间，先根据角速度曲线与其时间微分得到曲率加速度差值，再以互谱分析计算前后吊索的张力相位漂移量，将两者输入预设分段映射表输出同步可靠系数，若同步可靠系数低于阈值即缩短当前迭代步长并返回S2刷新卷扬速度指令。

S4：控制单元持续比对流速监测数据与推进器振动频谱构建安全裕度图，若安全裕度图出现警戒区域则同样缩短迭代步长并回到S2进行预测修正。

S5：当连续循环内同步可靠系数稳定且安全裕度图保持正值时，控制单元下达同步升降指令完成翻身。

水下推进器翻身吊装作业是一项在复杂水下环境中执行的高难度任务，需应对潮流不稳、水体可视度低等不利条件。在吊装过程中，卷扬机、吊索与推进器之间的力学关系随着翻转角度的实时变化而动态调整，操作者必须通过连续计算确定卷扬速度和张力分配，以确保推进器姿态平稳过渡。角-力同步是该作业的核心要求，若指令延时或偏差发生，可能导致钢绞线承受交变载荷，进而威胁密封罩完整性与船体安全。传统方法多采用固定步长或经验步长进行控制，未能充分考虑翻转曲率突变与张力相位错位的叠加效应，易造成算法收敛不稳定、卷扬机频繁反向等问题，延长作业时间并增加断索风险。

本发明提出了一种多参数协同控制的水下推进器翻身吊装管控方法，通过实时采集翻转角度和吊索张力数据，结合自适应步长调整和预测修正技术，实现角度调整、张力调节与环境安全的协同优化。步骤S1作为整个流程的起点，负责生成迭代步长表，为后续步骤提供精确的时间基准，确保控制指令能够适应翻身过程的动态变化。

步骤S1包括以下内容：

S1-1，数据采集：

首先，通过安装在推进器上的角度传感器和吊索上的张力传感器，实时采集推进器的翻转角度序列和吊索的张力序列。推进器的翻转角度序列用于反映推进器在吊装过程中的姿态变化，吊索的张力序列用于反映吊索的受力状态。采集过程中，以固定的初始时间间隔，例如每0.1秒，记录一次数据，形成离散的翻转角度序列数据集和张力序列数据集。这些数据集为后续的瞬时曲率计算和高曲率区段识别提供原始输入。

S1-2，瞬时曲率计算：

为了量化翻转角度序列的变化速率，采用二次差分方法计算瞬时曲率。瞬时曲率反映翻转角度变化的加速度，用于识别推进器翻身过程中动态变化的关键区段。具体计算过程为：

对于翻转角度序列中的每个时间点，取该时间点的角度值，减去前一个时间点的角度值，得到第一个差值；再取后一个时间点的角度值，减去该时间点的角度值，得到第二个差值；然后，将第一个差值与第二个差值之差除以初始时间间隔的平方，得到该时间点的瞬时曲率值。这种方法通过数值近似模拟角度变化的二阶变化率，生成瞬时曲率序列。

二次差分方法能够有效捕捉翻转角度序列的加速度变化趋势，相比单次差分更能反映动态过程中的剧烈程度。计算瞬时曲率序列为后续高曲率区段的识别提供了量化依据，确保控制系统能够准确判断推进器翻身的动态特性。

S1-3，高曲率区段识别与步长细化：

根据瞬时曲率序列，设定一个曲率阈值，例如0.05弧度每秒的平方，用于区分高曲率区段和低曲率区段。对于瞬时曲率序列中的每个时间点，若该时间点的瞬时曲率值超过曲率阈值，则判定该时间点属于高曲率区段，表示翻转角度变化剧烈；若瞬时曲率值未超过曲率阈值，则判定该时间点属于低曲率区段，表示翻转角度变化平稳。对于高曲率区段，将当前的时间间隔减半，例如从0.1秒调整至0.05秒，以增加数据采集和控制的频率；对于低曲率区段，保持初始时间间隔不变。

通过曲率阈值区分高曲率区段和低曲率区段，能够根据推进器翻身过程的实际动态特性调整时间分辨率。高曲率区段的步长细化提高了数据采集的密度和控制的精度，确保在翻转角度变化剧烈的阶段能够及时响应；低曲率区段保持较大步长则减少了不必要的计算负担，提升了整体处理效率。

S1-4，迭代步长表生成：

根据高曲率区段识别与步长细化的结果，生成一个迭代步长表，用于记录每个时间区段的时间步长。迭代步长表以时间区段与对应步长配对的形式呈现，例如某时间区段的步长为0.1秒，另一时间区段的步长为0.05秒。生成过程为：遍历瞬时曲率序列，按时间顺序将每个时间点的高曲率或低曲率属性与其对应的时间步长关联，整理为连续的时间-步长对列表，形成完整的迭代步长表。

迭代步长表实现了时间分辨率的动态分配，清晰记录了推进器翻身过程中各时间区段的控制需求。

S1-5，数据写入控制单元：

将生成的迭代步长表、翻转角度序列和张力序列传输至控制单元。控制单元根据迭代步长表确定每个时间区段的计算频率，并利用翻转角度序列和张力序列进行推进器翻身状态的预测和控制指令的生成。传输过程确保迭代步长表中的时间-步长对、翻转角度序列中的角度值以及张力序列中的张力值按时间顺序完整传递，以支持控制单元的实时处理。

将迭代步长表与翻转角度序列、张力序列共同输入控制单元，提供了推进器翻身控制所需的全面信息。迭代步长表为控制单元设定了动态的时间基准，翻转角度序列和张力序列提供了实时的状态数据，使控制单元能够根据实际动态调整指令，从而提升吊装作业的安全性和效率。

步骤S1通过采集翻转角度序列和吊索张力序列，并基于瞬时曲率的自适应调整生成了迭代步长表，为后续控制提供了动态的时间基准。然而，仅依靠步长调整不足以应对翻身过程中翻转角度与张力之间的复杂动态关系，以及潮流扰动等环境因素的影响。步骤S2作为控制流程的核心环节，需利用实时数据和预测模型生成精确的卷扬速度指令，以确保推进器姿态的平稳过渡和吊索张力的稳定。

步骤S2的处理技术逻辑旨在通过控制单元对推进器翻身过程进行精确调节，利用输入参数生成卷扬速度指令，确保翻转角度和吊索张力的协同控制。以下为详细的处理过程。

步骤S2包括以下内容：

S2-1，确定当前时间步长：

控制单元首先从迭代步长表中提取与当前时间区段对应的步长值，称为当前时间步长。迭代步长表由步骤S1生成，记录了每个时间区段的计算步长，用于指导控制指令的更新频率。当前时间步长的确定直接影响预测模型的时间分辨率和卷扬速度指令的发送节奏。通过读取预先设定的步长值，控制单元能够根据翻身过程的动态需求调整计算和控制的频率，确保系统对推进器姿态变化的及时响应。

使用迭代步长表中的预定值确定当前时间步长，可以根据翻身过程的不同阶段灵活调整控制节奏，避免固定步长导致的响应迟滞或过度频繁的计算，从而提高控制系统的适应性和效率。

S2-2，预测下一时刻的翻转角度增量和目标张力值：

控制单元基于历史翻转角度序列和历史张力序列，采用最小二乘预测法推算下一时刻的翻转角度增量和目标张力值。历史翻转角度序列记录了推进器在过去时间点的翻转角度；历史张力序列记录了吊索在过去时间点的张力值，二者均由步骤S1提供。翻转角度增量表示推进器在下一时刻相对于当前时刻的翻转角度变化量；目标张力值表示下一时刻吊索应达到的理想张力值，单位为牛顿。最小二乘预测法的计算思想是通过分析历史翻转角度序列和历史张力序列的变化趋势，找到能够最好描述这些数据之间关系的数学模型。具体而言，该方法通过比较预测值与历史数据的偏差，并将所有偏差的平方和调整到最小，确定模型的特征系数，从而推算出下一时刻的预测值。

采用最小二乘预测法能够充分利用历史翻转角度序列和历史张力序列中的动态信息，准确捕捉推进器翻转趋势与张力变化之间的相互影响。这种方法通过历史数据的趋势分析提供前瞻性预测，确保推进器姿态的平稳过渡和吊索张力的稳定控制，从而提升系统的可靠性和精确性。

S2-3，计算卷扬速度：

控制单元根据预测的翻转角度增量和目标张力值，利用力学模型计算所需的卷扬速度。力学模型综合考虑了推进器的质量、吊索的刚度以及翻转过程中的几何关系。计算过程首先将预测的翻转角度增量与吊索的有效长度相乘，得到推进器在翻转过程中吊索需要调整的位移量；然后，将此位移量除以当前时间步长，得出基础的卷扬速度。接着，根据目标张力值，通过实验标定的修正因子对基础卷扬速度进行调整，以确保吊索的张力能够维持在预测的目标范围内。这种调整考虑了张力与速度之间的非线性关系，确保控制指令既能实现翻转角度的变化，又能满足张力的稳定性要求。

通过力学模型计算卷扬速度，能够将预测的翻转角度增量和目标张力值转化为具体的执行指令。这种方法结合了物理规律和实验数据，确保计算结果既符合推进器的运动需求，又能维持吊索张力的动态平衡，从而保证翻身过程的安全性和控制精度。

S2-4，发送卷扬速度指令：

控制单元将计算得到的卷扬速度作为指令发送给卷扬机，用于指导吊索的收放速度调整，从而实现对推进器翻身过程的控制。卷扬速度指令以米每秒为单位，直接驱动卷扬机的运行。指令的发送过程确保了控制单元与执行机构之间的实时通信，使系统能够根据计算结果及时调整推进器的姿态和吊索的张力状态。

步骤S2与步骤S1和步骤S3之间存在紧密的上下文联系。步骤S1生成的迭代步长表、历史翻转角度序列和历史张力序列直接作为步骤S2的输入参数，确保数据来源的连续性和一致性。步骤S2计算得到的卷扬速度指令则传递给步骤S3，用于执行期间的同步评估。步骤S3通过分析角速度曲线和张力相位漂移量，计算同步可靠系数。若同步可靠系数低于预设阈值，表明当前控制效果不足，步骤S3将缩短当前时间步长，并要求步骤S2重新计算卷扬速度指令。这种反馈机制使步骤S2能够根据实际执行情况动态调整控制指令，确保翻身过程的实时性和稳定性。

步骤S2利用迭代步长表和实时张力值，采用最小二乘预测法推算下一时刻的翻转角度增量和目标张力值，并生成卷扬速度指令。然而，由于潮流扰动、水体阻尼及系统响应延迟等因素，卷扬速度指令在实际执行过程中可能偏离预期，导致翻转角度与张力分配的同步性受损，进而影响推进器姿态的稳定性。因此，步骤S3作为实时监测和反馈的关键环节，通过评估曲率加速度差值和张力相位漂移量，量化同步效果，并在必要时调整迭代步长，确保翻身过程的平稳性和安全性。

步骤S3的处理技术逻辑旨在通过实时监测和评估卷扬机执行卷扬速度指令的效果，确保推进器翻身过程的同步性和稳定性。控制单元基于实时采集的数据和预设规则，计算关键指标并动态调整控制参数，以实现推进器姿态的平稳过渡和吊索张力的稳定控制。以下为详细的处理过程。

步骤S3包括以下内容：

S3-1，计算曲率加速度差值：

控制单元首先利用翻转角度序列计算瞬时角速度和角加速度。翻转角度序列记录了推进器在不同时间点的翻转角度。瞬时角速度通过分析翻转角度序列随时间的变化率获得，表示推进器翻转的快慢。角加速度则通过计算瞬时角速度随时间的变化率得出，表示推进器翻转加速度的大小。接着，引入参考角加速度，该值来源于步骤S2中基于最小二乘预测法推算的下一翻转角度增量，反映理想状态下推进器应达到的角加速度。通过将实际计算的角加速度与参考角加速度相减，得出曲率加速度差值。曲率加速度差值表示实际执行效果与预测模型之间的偏差，用于评估推进器翻身过程的同步性。

计算曲率加速度差值能够量化推进器翻身过程中实际运动状态与预期状态的偏离程度。结合实时采集的翻转角度序列和预测生成的参考角加速度，确保监测结果同时具备准确性和前瞻性，为后续同步性评估提供了可靠依据，有效提升控制系统的响应能力。

S3-2，计算张力相位漂移量：

控制单元对前后吊索的张力序列进行频域分析，计算张力相位漂移量。前后吊索的张力序列分别记录了前后吊索在不同时间点的张力值。首先，控制单元采用互谱分析方法，将前后吊索的张力序列转换为频域信号，生成互谱函数。互谱函数描述了前后吊索张力信号在不同频率下的相关性。接着，通过分析互谱函数，计算张力相位漂移量，表示前后吊索张力信号在频域中的相位差异。张力相位漂移量的大小反映了前后吊索张力变化的同步程度，相位漂移量越小表明同步性越高，反之则表明存在同步偏差。

互谱分析方法是一种信号处理技术，用于分析两个信号之间的相关性和相位关系。通过计算两个信号的互谱，即两个信号傅里叶变换的共轭乘积，来揭示两者在不同频率上的相互作用。互谱提供了信号间幅度和相位差异的信息，可以识别信号的同步性、延迟或相位漂移。这种方法广泛应用于振动分析、声学、生物医学等领域，帮助评估系统动态特性或检测异常状态。

计算张力相位漂移量通过频域分析评估前后吊索张力变化的同步性，弥补了仅依赖时域分析的局限性。能够捕捉张力变化的动态特性，确保对同步性的全面评估，从而提高推进器翻身过程中张力控制的精确性和稳定性。

S3-3，生成同步可靠系数：

控制单元将曲率加速度差值和张力相位漂移量输入预设的分段映射表，生成同步可靠系数。同步可靠系数是一个无量纲数值，范围在0到1之间，数值越接近1表示推进器翻身过程的同步性越好。分段映射表根据曲率加速度差值和张力相位漂移量的幅度范围划分多个区间，并为每个区间分配对应的同步可靠系数。例如，当曲率加速度差值和张力相位漂移量均处于预设的理想范围时，同步可靠系数取值为1；当任一参数超出理想范围时，同步可靠系数按预设比例减小。

“分段映射表”在本发明中是一种预先设定的工具，用于将曲率加速度差值和张力相位漂移量转换为同步可靠系数，以评估翻身过程的同步效果。具体而言，通过将曲率加速度差值和张力相位漂移量的幅度划分为多个区间，并为每个区间分配一个对应的同步可靠系数值来实现这一功能。这种映射关系的建立基于实验数据和系统特性的标定，以确保评估结果的客观性和一致性。例如，当曲率加速度差值和张力相位漂移量均处于理想范围内时，同步可靠系数被设定为1，表示同步效果最佳；而当差值或漂移量逐渐增大时，同步可靠系数按比例减小，最低可至0，反映同步性的下降。采用这种分段映射方式，不仅简化了同步性评估的过程，还便于控制单元快速、准确地判断翻身过程的同步状态，并根据结果实时调整系统运行，从而提升整体性能和可靠性。

生成同步可靠系数将曲率加速度差值和张力相位漂移量整合为单一量化指标，便于快速判断翻身过程的同步效果。采用分段映射表确保评估过程的客观性和一致性，使控制单元能够高效地根据同步可靠系数进行决策，从而优化推进器翻身过程的控制精度。

S3-4，判断并调整迭代步长：

控制单元将同步可靠系数与预设的同步可靠系数阈值进行比较，例如阈值设定为0.8。如果同步可靠系数大于或等于阈值，表明当前推进器翻身过程的执行效果良好，控制单元保持当前的迭代步长不变，继续执行后续步骤。迭代步长由步骤S1生成的迭代步长表提供。如果同步可靠系数小于阈值，表明同步性不足，控制单元将当前的迭代步长缩短，例如将其值减半，并返回步骤S2重新计算翻转角度增量、目标张力值以及卷扬速度指令。

通过比较同步可靠系数与阈值，实现对翻身过程同步性的实时监测和动态调整。这种反馈机制能够在同步性下降时迅速缩短迭代步长，增加控制指令的更新频率，从而保证推进器姿态的平稳过渡和前后吊索张力的稳定控制，提升系统的适应性和可靠性。

步骤S3与步骤S2和步骤S4之间形成紧密的技术联系。步骤S2生成的卷扬速度指令在执行期间由步骤S3进行实时监测和评估，确保推进器翻身过程的同步性。步骤S3通过计算曲率加速度差值和张力相位漂移量，生成同步可靠系数，并在同步性不足时调整迭代步长并返回步骤S2重新计算控制参数，形成动态反馈循环，确保控制系统的实时性和稳定性。同时，步骤S3的执行结果为步骤S4提供支持，步骤S4通过比对流速监测数据与推进器振动频谱构建安全裕度图，进一步评估翻身过程的安全性，并在必要时同样缩短迭代步长并返回步骤S2进行预测修正。

由于单纯依赖角度和张力的调控无法全面评估环境因素的实时作用，尤其是流速变化和推进器振动叠加可能导致的安全隐患。为此，步骤S4引入流速监测数据和推进器振动频谱，构建安全裕度图，以量化风险并在必要时触发迭代步长调整，从而与步骤S2的预测修正形成闭环衔接，保障作业的安全性与稳定性。

步骤S4包括以下内容：

S4-1，数据采集：

控制单元首先通过水流传感器实时采集吊装区域内的水流速度，生成流速监测数据。流速监测数据反映了作业环境中潮流的动态变化，是评估环境对推进器翻身影响的重要依据。同时，通过安装在推进器上的振动传感器采集推进器的振动信号，并对振动信号进行频域分析，生成振动频谱。振动频谱描述了推进器在不同频率下的振动强度，用于量化推进器在翻身过程中的振动特性。采集流速监测数据和振动频谱的目的是全面监测环境和设备状态，为后续安全评估提供实时输入。

S4-2，构建安全裕度图：

控制单元利用流速监测数据和振动频谱构建安全裕度图。安全裕度图是一个以时间为横轴、安全裕度值为纵轴的图表，安全裕度值是一个无量纲的数值，用于综合评估当前作业的安全状态。安全裕度值的计算结合了流速和振动的双重影响：首先，计算流速项，通过比较实时流速监测数据与预设的安全流速阈值，得出流速的余量比例；安全流速阈值是根据作业环境和推进器耐受能力标定的流速上限。其次，计算振动项，通过比较推进器的实时振动频谱与参考振动频谱在特定频率范围内的能量差异，得出振动的相对偏差；参考振动频谱是在无扰动理想状态下标定的基准振动水平。最后，将流速项和振动项相乘，得到安全裕度值。安全裕度值越接近1，表示作业越安全；当安全裕度值减小时，表明流速或振动接近危险水平。

安全裕度值的计算通过将流速项与振动项相乘确定，具备充分的理论依据和实际意义，因为这一方法综合考虑了水下推进器翻身吊装作业中环境扰动和设备动态响应的双重风险。流速项通过计算实时流速监测数据与安全流速阈值的余量比例，量化了潮流扰动对吊装作业的威胁程度；当流速接近或超过安全阈值时，流速项趋近于零，反映了环境风险的加剧。振动项通过比较推进器振动频谱与参考振动频谱的能量偏差，评估了推进器在翻身过程中的动态稳定性；当振动能量显著超出基准时，振动项减小，指示设备可能面临失稳或疲劳风险。两者相乘形成安全裕度值，能够有效捕捉流速和振动交互作用下的综合风险，例如高流速可能放大振动的负面效应，而异常振动可能在特定流速下触发结构共振。这种乘积形式基于风险叠加的工程原理，确保安全裕度值在任一因素超限时迅速下降，触发控制调整，同时在两者均安全时保持较高的值，反映作业的稳定性。实验标定和力学分析进一步验证了该方法的可靠性，使其成为评估作业安全性的科学依据。

构建安全裕度图将流速和振动的影响量化为单一的安全指标，便于控制单元快速判断作业的安全状态。能够同时考虑环境和设备因素，确保控制单元对潜在风险的全面感知，从而为推进器翻身吊装作业提供可靠的安全保障。

S4-3，警戒区域识别：

控制单元持续监测安全裕度图中的安全裕度值，并将其与预设的警戒阈值进行比较。警戒阈值是一个预先标定的安全下限，例如0.2，用于界定安全裕度图中的警戒区域。当安全裕度值低于警戒阈值时，表明当前作业状态已进入警戒区域，意味着流速或振动已接近危险水平，可能对推进器翻身过程的安全性构成威胁。

通过设定警戒阈值并识别警戒区域，控制单元能够及时发现潜在的安全隐患。这种预警机制确保控制单元能够在风险加剧前采取措施，从而有效预防推进器翻身过程中的意外事件，提升作业的安全性和可靠性。

S4-3，迭代步长调整：

控制单元根据安全裕度图的监测结果，动态调整迭代步长并与步骤S2形成反馈闭环。如果安全裕度值大于或等于警戒阈值，表明作业状态安全，控制单元保持当前的迭代步长不变，继续执行现有控制流程。迭代步长由步骤S1生成的迭代步长表提供。如果安全裕度值低于警戒阈值，表明进入警戒区域，控制单元将当前的迭代步长缩短，例如将其减半，以提高控制指令的更新频率，减缓翻身动作对环境扰动的响应。调整后的迭代步长被写入控制单元的迭代步长表，控制单元依据更新后的迭代步长表和实时张力值，重新执行步骤S2，即采用最小二乘预测法计算下一翻转角度增量、目标张力值，并生成新的卷扬速度指令。

步骤S4与步骤S1、步骤S2和步骤S5之间形成紧密的技术联系。步骤S1生成的迭代步长表为步骤S4提供了初始的计算步长，步骤S4在监测到安全裕度不足时调整迭代步长，并将调整后的迭代步长传递给步骤S2，触发控制指令的重新计算，形成环境扰动与控制指令的动态反馈闭环。同时，步骤S4通过安全裕度图的监测结果，为步骤S5的同步升降指令提供安全前提，确保在安全裕度保持正值时完成翻身作业。

前述步骤S1至S4通过采集翻转角度序列和吊索张力序列，生成迭代步长表，并结合最小二乘预测法、同步可靠系数和安全裕度图，实现了对翻转过程的动态控制与安全监测。这些步骤通过实时调整迭代步长和卷扬速度指令，确保了推进器翻转角度与吊索张力的协调性，并对环境扰动和设备振动进行持续评估。然而，单纯的实时调整和监测不足以确保整个翻身过程的最终稳定与安全，尤其是在潮流不稳、水体可视度低的环境下，需在满足特定条件时才能安全完成翻身操作。步骤S5作为整个流程的终点，负责判断翻身过程是否达到安全稳定的状态，并在条件满足时完成翻身，同时归档作业数据以支持后续优化。

步骤S5包括以下内容：

S5-1，监测同步可靠系数和安全裕度图：

控制单元通过持续采集和分析数据，对同步可靠系数和安全裕度图进行实时监测，以评估推进器翻身过程的同步性和安全性。在每个循环周期内，计算同步可靠系数的连续变化幅度，判断其在预设的连续循环次数内是否始终小于等于预设的波动幅度阈值，以此确认同步可靠系数的稳定性。同时，控制单元检查安全裕度图中的数值在相同的连续循环次数内是否始终为正值，以此验证作业的安全状态。只有当同步可靠系数的波动幅度满足稳定条件且安全裕度图的数值保持正值时，控制单元才会确认推进器翻身过程处于安全稳定的状态，否则继续监测或返回前序步骤调整。

通过对同步可靠系数和安全裕度图的实时监测，控制单元能够全面掌握推进器翻身过程的动态性能，确保同步性和安全性在复杂环境下均达到预期要求。

S5-2，判断翻身完成条件：

控制单元在每个循环周期内同时评估同步可靠系数的稳定性和安全裕度图中数值的正值状态，以确定推进器翻身过程是否达到完成要求。判断过程首先检查同步可靠系数在预设的连续循环次数内的变化幅度，通过计算其最大值与最小值之差，并与预设的波动幅度阈值进行比较，若差值小于等于阈值，则认为同步可靠系数稳定。其次，检查安全裕度图中数值在相同的连续循环次数内是否均为正值，通过逐一比对每个周期的数值与零的相对大小，确保全部大于零。只有当同步可靠系数的稳定性条件和安全裕度图的正值条件在连续的预设循环次数内同时满足时，控制单元判定推进器翻身过程已达到安全稳定的状态，进入后续流程。若任一条件未满足，则返回步骤S3调整翻转角度序列与吊索张力序列的同步性，或返回步骤S4修正流速监测数据与振动频谱的匹配度，直至满足条件为止。

采用同步可靠系数稳定性和安全裕度图正值的双重条件验证，控制单元能够精确判断推进器翻身过程的完成时机，确保操作在同步性和安全性均符合要求时执行。这种判断机制通过多维度的数据确认，降低了误判风险，提升了推进器翻身吊装作业的精确性和安全性。

S5-3，下达同步升降指令：

当同步可靠系数的稳定性和安全裕度图的正值状态在预设的连续循环次数内同时满足时，控制单元生成并下达同步升降指令，以协调卷扬机的动作完成推进器的翻身和升降操作。同步升降指令基于步骤S2预测的下一翻转角度增量和目标张力值，通过计算各吊索在下一周期内所需的张力调整量和卷扬机的收放速度，确定具体的指令内容。指令包括卷扬速度指令和张力分配参数，其中卷扬速度指令通过翻转角度增量与时间的关系计算得出，张力分配参数则根据目标张力值在各吊索间的分配比例确定。控制单元将这些指令发送至卷扬机，指导其调整各吊索的收放速度，使推进器在翻身完成后平稳升降至目标位置，确保整个过程的协调性和稳定性。

通过生成并下达同步升降指令，控制单元实现对卷扬机的精确控制，确保推进器在翻身完成后平稳升降至目标位置。这种指令生成和执行机制通过预计算和实时协调，保障了动作的同步性和平稳性，提升了推进器翻身吊装作业的执行效率和安全性。

S5-4，数据归档：

控制单元在推进器翻身过程完成后，将相关数据存入存储单元，以支持后续分析和优化。存储的数据包括翻转角度序列、吊索张力序列和迭代步长表。翻转角度序列记录推进器在翻身过程中每个时间点的角度变化，以弧度为单位，通过步骤S2和S3的计算结果整理生成；吊索张力序列记录前后吊索在每个时间点的张力变化，由步骤S3的监测数据汇总形成；迭代步长表记录每个时间区段的迭代步长，来源于步骤S3和S4的调整过程。控制单元以时间戳对齐的方式组织这些数据，确保每组数据的对应关系清晰且可追溯，存入存储单元后形成高分辨率的工况档案，用于后续吊装作业的参考和性能评估。

步骤S5直接利用步骤S3提供的同步可靠系数和步骤S4提供的安全裕度值，通过稳定性与正值的判断，确定翻身完成时机，确保同步性和安全性要求得到满足。同时，步骤S5生成的同步升降指令依赖步骤S2预测的翻转角度增量和目标张力值，而归档数据则为步骤S1的初始条件优化提供参考。这种前后衔接的技术流程，通过数据的传递和验证，确保了推进器翻身吊装作业的稳定性、安全性和连续性，满足复杂环境下作业的高标准要求。

上述公式均是去量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。

需要说明的是，本发明系统既可部署于设备自身以实现嵌入式应用，也可在具备用户界面的PC端或其他终端上运行，从而满足多种硬件环境与使用需求。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.多参数协同控制的水下推进器翻身吊装管控方法，其特征在于，包括步骤：

S1：采集翻转角度序列和吊索张力序列，执行二次差分计算瞬时曲率，并按二分原则对高曲率区段细化时间间隔，生成迭代步长表写入控制单元；

步骤S1包括以下内容：

利用传感器以固定初始时间间隔收集翻转角度和张力数据，通过二阶差分方法计算瞬时曲率，依据曲率阈值识别高曲率段，对高曲率段的时间间隔减半以增加数据收集频率，生成记录各段时间间隔的迭代步长表，将迭代步长表、翻转角度序列和张力序列传输至控制单元；

S2：控制单元读取迭代步长表与实时张力值，采用最小二乘预测法推算下一翻转角度增量及目标张力值，并发送卷扬速度指令；

步骤S2包括以下内容：

控制单元从迭代步长表中提取当前时间区段的步长值作为当前时间步长，基于历史翻转角度序列和历史张力序列采用最小二乘预测法推算推进器在下一时刻的翻转角度增量和目标张力值，利用力学模型根据翻转角度增量和目标张力值计算卷扬速度，并将卷扬速度作为指令发送给卷扬机以调整吊索的收放速度；

S3：在卷扬机执行卷扬速度指令期间，先根据角速度曲线与角速度曲线的时间微分得到曲率加速度差值，再以互谱分析计算前后吊索的张力相位漂移量，将两者输入预设分段映射表输出同步可靠系数，若同步可靠系数低于预设阈值即缩短当前迭代步长并返回S2刷新卷扬速度指令；

步骤S3包括以下内容：

在卷扬机执行卷扬速度指令期间，控制单元实时监测翻转角度和张力数据，通过对翻转角度序列进行微分计算角速度和角加速度，并与参考角加速度比较得出曲率加速度差值；采用互谱分析方法计算前后吊索张力信号的相位漂移量；将曲率加速度差值和张力相位漂移量输入预设的分段映射表生成同步可靠系数；

S4：控制单元持续比对流速监测数据与推进器振动频谱构建安全裕度图，若安全裕度图出现警戒区域则同样缩短迭代步长并回到S2进行预测修正；

S5：当连续循环内同步可靠系数稳定且安全裕度图保持正值时，控制单元下达同步升降指令完成翻身。

2.根据权利要求1所述的多参数协同控制的水下推进器翻身吊装管控方法，其特征在于，步骤S4包括以下内容：

控制单元通过水流传感器实时采集吊装区域内的流速监测数据，并通过振动传感器采集推进器上的振动信号后进行频域分析生成振动频谱，利用流速监测数据和振动频谱构建安全裕度图，当安全裕度值低于预设的警戒阈值时，将缩短当前迭代步长并触发步骤S2重新生成新的卷扬速度指令。

3.根据权利要求2所述的多参数协同控制的水下推进器翻身吊装管控方法，其特征在于，步骤S4还包括以下内容：

安全裕度图以时间为横轴、以安全裕度值为纵轴，通过计算流速项比与振动项的乘积确定。

4.根据权利要求3所述的多参数协同控制的水下推进器翻身吊装管控方法，其特征在于，步骤S5包括以下内容：

控制单元持续监测生成的同步可靠性系数和安全裕度图，判断同步可靠性系数在预定连续周期内保持稳定且安全裕度图在预定连续周期内维持正值。

5.根据权利要求4所述的多参数协同控制的水下推进器翻身吊装管控方法，其特征在于，步骤S5还包括以下内容：

当同步可靠性系数保持稳定且安全裕度图维持正值的条件均满足时，控制单元发出同步提升命令以完成翻转操作，随后归档数据存储。