小型潜器变体积控制装置研制及其参数辨识

摘要

随着社会经济的发展，深海采矿是大势所趋，也是国家利益所在。各国都在研究与发展深海采矿技术。在深海采矿技术中，如何检测采矿船升沉运动，向升沉补偿系统提供控制信号，是深海采矿首要突破的难题之一。 以水下深度不变的潜器为基准坐标，测量采矿船的实时升沉运动，并以此作为深海采矿升沉补偿控制系统的输入信号，这是广东工业大学机电液智能控制研究室的吴百海教授等人提出的深海采矿补偿系统的采矿船升沉运动检测新方法。如何保证坐标潜器在水下的深度保持不变，是这一方法中的重点技术之一。在水中产生控制潜器深度不变的恢复力的方法有两种：螺旋桨和变密度。由于螺旋桨产生的推进力难以精确调节，本文在前期研究的基础上增加了变密度装置以产生精确的恢复力。保持质量不变、改变体积大小是改变潜器密度的一种方法。本文调节体积的具体结构采用活塞，通过活塞的移动来改变潜器的体积，以此产生控制潜器深度不变的恢复力；接着建立了活塞运动的动态模型，并基于能量转换的方法对模型的参数进行了辨识，获得了潜器的变体积装置的辨识模型，为坐标潜器在水下保持深度不变的控制提供了技术支持。主要研究内容如下： （1）开发了变体积控制系统的控制电路，主要包括伺服电机控制电路板、伺服电机电压输入控制电路、速度输入信号电路板、扭矩输入信号控制电路板等。编制了伺服电机的控制程序、信号采集程序等软件，对伺服电机进行了控制并检测。 （2）开展了模拟装置的运行调试，通过实验，测得了活塞运动、伺服电机扭矩等随时间变化的数据，建立了活塞运动的速度一时间的关系、位移一时间的关系。 （3）根据牛顿，欧拉运动定理，建立了活塞动态模型，并基于能量转换方法建立了该模型的辨识方程，并开展了辨识实验，然后进行了参数辨识，得到了变体积装置的辨识模型。 本文的研究工作主要探索了活塞运动动态模型的辨识方法与技术，为坐标潜器在水下保持深度不变的控制技术提供了有效支持。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的背景和意义

1.2国内外相关研究

1.3课题的来源

1.4论文结构

第二章活塞动态模型的建立

2.1系统建模与辨识方法介绍

2.2活塞变体积模块模型的建立

2.3本章小结

第三章活塞变体积传动与控制部分的电气部分的研制

3.1变体积调节控制系统电气部分的设计

3.1.1伺服电机控制器的接线

3.1.2伺服电机控制器开关信号接线

3.1.3扭矩控制信号输入接线

3.2伺服电机控制电路部分硬件的研制

3.2.1伺服电机扭矩控制的电气原理与装置

3.2.2活塞位移采集系统硬件电路结构

3.2.3伺服电机输入电压电路图

3.2.4实验系统电气部分的工作原理与组成

3.2.5位移量检测系统结构设计

3.3本章小节

第四章模拟实验系统的编程与运行调试

4.1伺服电机控制器参数设置

4.1.1伺服电机控制器参数的设置

4.1.2电机控制指令参数

4.2伺服电机编码器输出参数的测定

4.2.1伺服电机脉冲输出的接线

4.2.2分频电路

4.2.3对Z相、A相脉冲频率的检测

4.3主机程序的设计

4.4伺服电机控制系统的设计

4.4.1伺服电机控制系统结构设计

4.4.2单片机对伺服电机控制程序设计

4.5采样系统的设计

4.5.1单片机对位移传感器数据采样程序设计

4.5.2 Matlab环境下的xPC与Simulink组建的控制平台

4.6本章小节

第五章辨识实验与数据分析

5.1辨识实验

5.1.1活塞位移-时间的曲线

5.1.2角度-时间关系的拟合曲线

5.2活塞模块动态模型参数辨识方程的建立

5.2.1辨识方法的选择

5.2.2辨识方程的建立

5.2.3模型参数估计

5.3模型参数估计结果

5.4本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢