垂直方向主动式波浪补偿控制系统设计研究

摘要

随着我国海洋工程产业的发展，海洋平台或船舶越来越频繁地进行着海上起吊作业，其作业范围从近海走向深海，甚至超深海，作业的难度也随之增大。船体或海洋平台的晃动、波浪的运动会对海上起吊作业带来很大的影响，甚至导致作业失败。因此，有必要研究波浪补偿技术，提高作业的安全性、平稳性。
　　 本文以海上救生艇起吊作业为应用背景，开展垂直方向主动式波浪补偿控制系统设计研究，提出一种基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统，在现有常见主动式波浪补偿控制系统基础上增加入水（或出水）时机判断及过程控制功能，以进一步提高作业的安全性、平稳性。其大体思路为:采用声学波浪仪与运动参考单元（Motion Reference Unit，以下简称MRU）、张力传感器、转速传感器等组成传感器网络，感受波浪的起伏状况、船舶姿态运动以及救生艇的运动，传感器网络将采集的信息传到控制器，控制器经过分析判断，控制液压执行机构动作收放救生艇，达到波浪补偿的目的。
　　 本文研究了声学波浪仪测量数据的分析和处理算法，研究了船舶垂直方向运动测量与分析技术，分析了垂直方向主动式波浪补偿原理。
　　 本文设计了垂直方向主动式波浪补偿控制系统总体方案，将控制系统分为传感器网络、波浪补偿控制器、液压执行系统三部分，设计了液压执行系统原理图，并对控制系统进行了建模与仿真分析。
　　 本文基于PLC进行了垂直方向主动式波浪补偿控制系统设计，完成了控制系统的硬件组态，并编写了整个控制系统的控制程序。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 波浪补偿技术综述

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 船载式波浪测量与分析技术研究

1．3．1 船载式波浪测量技术综述

1．3．2 雷达测波仪与声学波浪仪的比较

1．4 论文的主要研究内容

1．5 本章小结

第2章 垂直方向主动式波浪补偿控制系统理论研究

2．1 声学波浪仪测波原理及数据分析

2．1．1 声学波浪仪工作原理

2．1．2 海浪观测相关概念解释

2．1．3 声学波浪仪测量数据处理与分析

2．2 船舶垂直方向运动测量技术原理分析

2．2．1 加速度信号时域积分原理

2．2．2 加速度信号频域积分原理

2．3 垂直方向主动式波浪补偿原理分析

2．4 变参数PID控制算法研究

2．4．1 PID控制基本原理

2．4．2 变参数PID控制

2．5 本章小结

第3章 垂直方向主动式波浪补偿控制系统总体设计

3．1 救生艇收放波浪补偿过程

3．2 救生艇收放波浪补偿控制系统主要技术性能指标

3．3 垂直方向主动式波浪补偿控制系统框架

3．4 波浪补偿液压执行系统方案

3．4．1 波浪补偿液压执行系统工作原理

3．4．2 波浪补偿液压执行系统工况参数

3．5 本章小结

第4章 垂直方向主动式波浪控制系统建模与仿真分析

4．1 控制系统建模

4．1．1 伺服阀控液压马达的数学模型

4．1．2 伺服放大器的数学模型

4．1．3 电压阀位转换数学模型

4．1．4 转速传感器数学模型

4．1．5 卷筒和钢丝绳的数学模型

4．1．6 船舶升沉运动的数学模型

4．1．7 控制系统模型

4．2 基于Simulink的波浪补偿控制系统仿真分析

4．2．1 确定系统仿真参数

4．2．2 建立系统仿真模型

4．2．3 控制系统仿真分析

4．3 变参数PID控制

4．4 本章小结

第5章 基于PLC的垂直方向主动式波浪补偿控制系统设计

5．1 PLC控制系统硬件组态

5．2 控制系统软件设计

5．2．1 控制系统程序总体结构

5．2．2 主循环程序

5．2．3 电机启停控制程序

5．2．4 串口通讯数据处理程序

5．2．5 模拟输入数据处理程序

5．2．6 变幅控制程序

5．2．7 模式选择程序

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间参与的科研项目及取得的学术成果

致谢

研究生履历