TECA转运车双向密封门系统建模与控制研究

摘要

因传统不可再生能源的不断消耗，寻找可替代的新能源的任务变得非常急迫，而聚变能是世界公认的最理想的替代能源。国际热核聚变实验堆(ITER，International Thermonuclear Experimental Reactor)计划[1]是探索商用聚变能电站的国际性合作项目，其中聚变能电站因其独特的结构与工作原理增加了电站的可维护性难度，遥操作系统是目前认为能解决聚变能电站可维护性的最有效可行的方法，而ITER部件转运车系统是遥操作系统中的关键性部件，主要用于聚变堆和热室之间的待维护部件的拆卸、安装与转运。TECA(Transfer EquipmentCask)转运车系统是ITER计划专项国内研究项目之一，是针对ITER遥操作系统任务而设计，用于解决ITER遥操作转运车系统的理论与工程性难题，验证ITER遥操作转运车系统的可行性。双向密封门系统(BSD，Bi-directional sealdoor)是TECA转运车在Tokamak真空室内部进行操作的整个过程中，始终保证转运车与Tokamak真空室窗口的可靠密封的关键部件。设计双向密封门系统的主要目的是为保证转运车系统在对Tokamak真空室内进行维护任务的过程中，不会泄漏真空室内具有放射性、有毒等物质，因此双向密封门开合运动的可靠、稳定、精确性问题变得格外重要。
　　本文主要介绍了双密封门系统的组成、功能与运动过程，并详细介绍了双向密封门控制系统平台的结构与组成。基于双向密封门的设计参数，通过几何抽象，建立了双向密封门开合过程的运动学模型，通过分析双向密封门阀控非对称液压缸的动力学模型，给出了双向密封门系统的简易动力学模型。
　　针对双向液压驱动系统复杂的控制问题，采用经典PID控制方法，通过经验试凑法整定出PI参数，并基于双向密封门运动学，对双向密封门的开合进行轨迹跟踪控制，实验表明，在误差允许的范围之内，此方法可以满足双向密封门运动稳定、精确控制要求。
　　针对双向密封门开合过程的速度不一致性，本文提出了基于压力参数补偿的方法消除因单杆活塞缸的不对称性而引起的伸缩速度不一致性问题。理论计算表明，此方法合理可行。
　　针对PID控制方法的动态性能的缺陷，本文提出了基于状态反馈的控制策略对双向密封门系统进行精确控制，理论推导表明，此方法可对双向密封门系统的控制优化提供理论思路。论文尝试通过多种途径实现对双向密封门系统的精确控制，为设计双向密封门更高性能的控制系统提供多种思路。

目录

声明

摘要

表格索引

插图索引

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 ITER计划背景

1．1．2 ITER遥控运输系统

1．2 ITER部件转运车双向密封门国内外研究现状

1．3 课题来源及其研究意义

1．4 论文研究内容

第二章 TECA转运车系统

2．1 TECA转运车系统

2．2 TECA转运车双向密封门系统

2．2．1 双向密封门系统机械结构

2．2．2 双向密封门液压系统结构

2．2．3 双向密封门系统电气结构

2．3 本章小结

第三章 双向密封系统运动学与动力学分析

3．1 双向密封门系统运动学分析

3．1．1 第一阶段几何模型

3．1．2 第二阶段几何模型

3．1．3 第三阶段几何模型

3．1．4 第四阶段几何模型

3．2 双向密封门系统动力学分析

3．2．1 伺服阀模型

3．2．2 对称阀控非对称缸电液伺服系统模型的建立及简化

3．3 本章小结

第四章 双向密封门系统分析与控制设计方案

4．1 双向密封门系统分析

4．1．1 双向密封门系统的传递函数

4．1．2 双向密封门系统的状态空间描述

4．1．3 双向密封门系统分析

4．1．4 系统稳定性分析

4．1．5 系统能控性分析

4．1．6 系统能观性分析

4．2 基于经典PID控制律的控制器设计方案

4．2．1 PID控制方法

4．2．2 PID参数整定

4．3 基于压力参数补偿的PID控制设计

4．4 基于状态反馈的控制律设计

4．5 本章小节

第五章 双向密封门系统实验与仿真

5．1 双向密封门控制系统平台的搭建

5．2 基于PI控制律的双向密封门运动控制实验

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果