挖泥船抓斗自动平挖电气控制系统研究与设计

摘要

本文在分析抓斗平挖力学及动力学模型基础上，得出抓斗平挖时支持绳及开闭绳收放绳量关于时间的函数关系式，为实现大型抓斗式挖泥船的自动平挖功能提供理论研究依据。结合武汉理工大学物流学院院内2t固定吊电气系统改造及设计，组成抓斗自动平挖试验台。通过前期抓斗在岸上挖取黄沙的实验，设计和完善抓斗平挖控制系统，为后期新型智能化大型抓斗式挖泥船样机研制提供技术储备。该试验台在抓斗挖掘时要求具有较高功能及性能的要求，使得试验台电气控制部分的研究和设计是该试验台能实现预期的功能及性能要求的重要保证。
　　 本文首先简要介绍试验台组成及性能要求，并详细分析了试验台主起升机构的运行特点，将抓斗平挖控制系统看成是两个高精度的交流位置伺服控制系统。从而提出了以DSP作为抓斗平挖控制器，PLC作为系统指令控制器，变频器作为电机调速装置，将带有专用VB程序软件PC机作为上位监控调试平台的电气控制方案。针对试验台的控制挖掘精度要求，系统采用高精度的光电编码器对起升和开闭钢丝绳进行位置检测。通过DSP对钢丝绳收放量理论值与现场检测值进行对比，将通过控制算法的计算结果以RS232通信方式传给PLC。PLC根据结果控制变频器，变频器驱动电机，电机带动卷筒使抓斗的支持与开闭钢丝绳收放量严格快速跟随抓斗平挖的理论给定量，以保证抓斗在每个挖掘点的高速准确定位，从而实现抓斗的自动平挖功能。
　　 本文针对抓斗平挖控制对象详细设计了主起升机构系统控制方案，系统硬件设计:起升及开闭电机的变频驱动电气图、DSP控制器电路原理图、PLC控制电气图等。软件设计:DSP、PLC程序的设计思路、VB监控界面程序设计等。该试验台经过反复调试和措施的改进，满足了挖掘精度为±10cm功能及性能要求，从而达到试验台试验预期目标。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究及发展状况

1．3 课题研究的主要内容

第2章 抓斗平挖试验台系统介绍

2．1 试验台系统简介

2．2 主起升机构介绍

2．3 驱动方式介绍

2．4 平挖工况介绍

2．5 抓斗平挖模型

2．6 本章小结

第3章 抓斗平挖试验台电气系统设计

3．1 试验台电气系统简介

3．2 主起升电气电路设计

3．2．1 起升主电路设计

3．2．2 开闭主电路设计

3．2．3 控制电路设计

3．3 平挖控制器硬件电路设计

3．3．1 电源模块设计

3．3．2 CPU模块设计

3．3．3 存储模块设计

3．3．4 通信模块设计

3．3．5 信号采集模块设计

3．4 本章小结

第4章 抓斗平挖控制模型及智能算法

4．1 抓斗平挖系统控制模型

4．1．1 异步电机直流模型

4．1．2 平挖系统电流环设计

4．1．3 平挖系统速度环设计

4．1．4 平挖系统位置环设计

4．2 抓斗平挖智能控制算法

4．2．1 PID控制算法仿真

4．2．2 模糊PID算法仿真

4．2．3 仿真结果分析

4．3 本章小结

第5章 抓斗平挖系统软件设计与调试

5．1 抓斗平挖系统软件设计

5．1．1 PLC程序设计

5．1．2 DSP控制器程序设计

5．1．3 上位机监控界面设计

5．2 系统运行调试

5．3 系统运行结果分析

5．3．1 原因分析

5．3．2 改进措施

第6章 总结与展望

参考文献

致谢