具有波浪补偿功能的电液提升控制系统研究

摘要

随着全球经济与科学技术的发展，人类对资源的需求越发增长，陆上资源的开采在不久的将来将会无法满足日常生产需要。而占地球表面70％的海洋，蕴藏着巨大的资源宝库，对海洋资源的开发利用将成为解决未来资源匮乏的有效方法。另一方面，海洋在货物运输上的价值在当代依然享有无可替代的地位。而无论是对海洋资源的开采，还是对于海上运输，吊装设备都是必不可少的，它被广泛应用于海洋平台或船舶上，用于海洋设备的海上吊装或海上运输货物在港口的装卸等。
　　然而与陆上工况不同的是，受到海上风浪的影响，进行海上作业的船舶会随风浪起伏，导致所吊放的货物极易撞击甲板，严重时甚至毁坏货物和造成人员伤亡，导致巨大的经济损失。因此，如何补偿由于波浪引起的起伏，以保证吊放货物时的平稳安全，对海洋资源的开发利用具有非常重要的意义，从而有必要对吊放提升装置的吊放过程和波浪补偿问题进行研究。
　　本论文以海上吊装设备为研究对象，设计了一套模拟系统研究吊装设备的波浪补偿控制问题，其中，设计了六自由度并联平台作为海洋工况的模拟平台，模拟波浪运动；设计了基于阀控液压马达的电液提升系统模拟海上吊装设备，并把电液提升系统固定在六自由度平台之上，具体完成了模拟实验台的设计与选型、模拟实验台的建模与仿真、控制算法的设计与仿真和模拟平台的软硬件控制系统设计与实验分析。
　　本论文的主要研究工作如下：
　　首先，根据实验需要完成对六自由度波浪模拟平台和电液提升系统的结构设计与系统元件选型，并在UG软件中完成了三维建模。
　　其次，完成了六自由度波浪模拟平台的位置反解，并在Matlab/Simulink中建立了相应的仿真模型，在给定平台的运动规律下得到平台各轴的位移曲线，进而导入到UG中完成了运动仿真，验证了位置反解的正确性；完成了电液提升系统的数学建模和在AMESim中搭建了相应的物理模型，提出了模糊自适应PID的控制方法，并在Simulink中搭建了控制算法的仿真模型，再使用AMESim与Simulink的联合仿真验证了该控制算法的有效性。
　　然后，分别对六自由度波浪模拟平台与电液提升系统进行了软硬件控制系统的设计，包括电机驱动器、运动控制卡、数据采集卡选型以及旋转编码器的选型，以及基于MFC编写的六自由度波浪模拟平台控制程序与电液提升系统的控制程序。
　　最后，完成了波浪补偿模拟系统的实验验证，提出了使用加速度信号进行二次积分获取位移信号的改进方法，并分析了目前设计中存在的不足和提出了后续实验研究的改进建议。
　　实验结果表明，六自由度波浪模拟平台能再现给定的运动规律，实现对波浪引起的海洋平台或船舶的起伏运动模拟；电液提升系统能在模拟的波浪干扰下跟踪给定输入，实现波浪补偿的效果，并与仿真结果相吻合。

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上海交通大学硕士学位答辩决议书

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 国内外相关研究现状

1.3 论文主要研究内容

第二章 实验平台的设计

2.1 引言

2.2 电液提升系统的设计与选型

2.3 六自由度波浪模拟平台的设计与选型

2.4 整体结构设计

2.5 本章小结

第三章 六自由度波浪模拟平台建模与仿真

3.1 引言

3.2 数学建模

3.3 Matlab/Simulink离线反解获得各电动缸位移曲线

3.4 数据导入UG的运动学仿真

3.5 本章小结

第四章 电液提升系统建模与仿真

4.1 引言

4.2 数学方程推导

4.3 建模与联合仿真

4.4 本章小结

第五章 六自由度波浪模拟平台实验与分析

5.1 引言

5.2 硬件系统搭建

5.3 软件编写

5.4 运动轨迹渐入渐出

5.5 实验结果与分析

5.6 本章小结

第六章 电液提升系统波浪补偿实验与分析

6.1 引言

6.2 硬件系统搭建

6.3 控制软件编写

6.4 实验结果分析

6.5 实验研究中存在的问题与分析

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文