海蟒式海浪换能器建模及组合缸式液压系统控制策略研究

摘要

当今社会能源消耗不断增加,不可再生能源日渐枯竭,开发海洋能源势在必行。海洋能源是可再生的绿色能源,我国海洋面积广阔,海洋能源丰富,开发一种高效、可靠的海浪能发电装置,具有巨大的社会价值和经济价值。海蟒式海浪发电系统是目前世界最先进的海浪发电系统之一,采用铰接串联的浮筒产生浮筒间的相对转动,进而驱动铰接的液压缸产生液压功率。本文主要研究海蟒式海浪换能器的建模和组合缸式液压系统的控制策略。
　　海蟒式海浪换能器的主要换能部件为浮筒,浮筒在波浪中的运动决定了液压缸的运动速度,液压缸的液压力影响浮筒的运动,这是一个耦合的过程。由于这个耦合过程,需要同时分析浮筒的运动和液压系统的控制策略,才能得到各自的变化规律。
　　本文首先建立了海蟒式海浪换能器的数学模型。包括:1)运用几何学和微积分理论,分析了海蟒式海浪换能器的主要换能部件浮筒在海浪中的受力;2)运用拉格朗日方程和虚功原理,建立了浮筒在波浪中的动力学模型。
　　根据以上模型,运用经典4阶RK法,对浮筒的受力和运动规律进行了数值仿真,分析了浮筒自身的参数和海浪的参数对浮筒所具有的能量的影响。改变浮筒的质量和转动惯量,浮筒能够工作在共振状态。随着波浪能量的增加,换能器的能量增加的趋势渐于平缓,有利于换能器的生存。
　　为了提高能量吸收效率,采用了组合缸式液压系统进行能量转化。两只单出杆液压缸的四个作用腔分别通过独立的控制阀与高压蓄能器或低压蓄能器相连通,产生系列变化的实际作用面积。根据外部条件的变化,改变组合液压缸的实际作用面积,使液压系统吸收的能量更多。分别研究了根据浮筒角速度、浮筒的转动动能和浮筒的力矩选择液压缸实际作用面积的控制策略,结果表明均能大幅提高能量吸收效率,与不采用组合缸相比,效率提高了50％。此外,还研究了液压缸最大作用面积、不同海浪条件等对能量俘获吸收效率的影响。结果表明,对于特定的海浪条件,存在一个最佳的液压缸最大作用面积,可获得最大的能量;海浪浪高、周期增加时,液压系统的吸能增加逐渐减小并趋于平缓,表明海蟒式海浪发电系统的恶劣海况生存能力好。

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第1章 绪论

1.1课题研究的背景

1.2国内外海浪能转换装置的主要类型

1.3海浪发电液压系统控制策略的研究现状

1.4 本文研究的主要研究内容

第2章 海浪换能器建模及受力分析

2.1浮筒边界方程

2.2浮筒边界取值范围

2.3波与边界的位置关系

2.4浮筒受海浪的力分析

2.5浮筒受绕质心的力矩

2.6本章小结

第3章 浮筒的运动分析及结果分析

3.1浮筒的运动分析

3.2仿真结果分析

3.3本章小结

第4章 液压系统控制策略分析

4.1液压系统控制策略的原理

4.2控制过程分析

4.3控制策略分析

4.4仿真结果分析

4.5本章小结

结论

参考文献

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