类海蟒式波浪俘能装置半物理实验系统的研究

摘要

海洋是无尽的宝库，其波浪中蕴含着丰富的清洁可再生能源。海洋波浪发电技术就是通过各种各样的俘能装置，将蕴含在波浪中的无法为人类直接利用的能量转化成以电能为主的其他形式的能量。海蟒式波浪俘能装置是其中一种重要的波浪能转换装置。研究设计类海蟒式波浪俘能装置半物理实验系统，对研发该类型的波浪发电装置具有重要意义。
　　本文利用水动力学软件AQWA对浮筒进行了频域和时域的建模，获得了构建俘能装置动力学方程的浮筒水动力学参数。通过AQWA程序进行了俘能系统（PTO）为线性阻尼以及库伦力矩的对比仿真分析，得出有必要在仿真模型中加入真实的液压系统。通过FORTRAN语言将俘能系统模型加入到AQWA仿真模型中，构建了带真实液压系统的俘能装置仿真模型，为后面实验系统的检验提供了依据。并进行了PTO为线性阻尼，库伦力矩以及真实俘能系统的对比仿真，并对其运动特性以及俘能特性进行了分析。
　　针对海莽式波浪俘能装置的运动特点以及工作特点进行了半物理实验系统总体设计。针对不同的浮筒特点确定了缩比尺系数，拓宽了实验系统的适用范围。建立了ISIGHT-AQWA-MATLAB联合仿真优化模型，确定了俘能系统最优设计参数，并进行了俘能液压系统的选型。同时完成了半物理实验系统俘能装置动力学解算部分模型的搭建，并验证了模型的正确性，同时验证了半物理实验系统的可行性。设计了实验台机械结构，并对关键结构进行校核检验。
　　通过大量的俘能装置仿真分析，设计了驱动液压系统。建立了驱动液压系统数学模型，并进行了系统稳定性分析，闭环刚度特性分析以及系统稳态精度分析。针对负载可测的特性设计了前馈-PID复合控制器，其性能指标达到系统要求。并搭建了半物理实验系统仿真模型，与俘能装置仿真模型进行了对比仿真，结果表明所设计的半物理实验系统可以达到模拟俘能装置实际运动特性的效果。
　　最后对半物理实验台进行了性能实验，验证了实验台液压驱动系统对给定信号的跟踪性能，实验表明实验台驱动液压系统满足相应的性能指标。进而通过本半物理实验台进行了10m浮筒俘能装置的原型实验研究以及20m浮筒俘能装置模型实验研究。通过和所搭建的仿真模型进行对比分析，证明本实验台具有较好的性能，可以完成俘能装置运动以及俘能的模拟，同时也通过实验验证了所搭建的仿真模型的正确。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 海蟒式波浪俘能装置简介

1.3 半物理仿真

1.4国内外研究现状及分析

1.5 主要研究内容

第2章 基于AQWA软件的俘能装置建模与仿真分析

2.1 引言

2.2 俘能装置工作原理

2.3俘能装置为线性阻尼及库伦力矩俘获性能对比

2.4俘能液压系统建模

2.5永磁同步发电机建模

2.6 带真实液压系统的俘能装置建模与分析

2.7 本章小结

第3章 半物理实验系统的设计

3.1 引言

3.2 半物理实验系统的总体设计

3.3俘能系统研究

3.4俘能装置动力学模型的搭建及仿真分析

3.5半物理实验系统机械设计校核

3.6 本章小结

第4章 驱动系统设计及分析

4.1 引言

4.2驱动液压系统的设计

4.3 液压驱动系统建模

4.4 液压驱动系统分析

4.5前馈-PID复合控制器设计

4.6 半物理实验系统仿真分析

4.7 本章小结

第5章 实验研究

5.1 引言

5.2 实验系统组成

5.3液压驱动系统性能实验

5.4 半物理实验系统实验研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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