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主动式波浪补偿驱动和执行系统设计关键技术研究

作　者: 胡永攀
导　师: 陈循
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: 主动式波浪补偿液压伺服控制行星轮绞车海浪模拟平台
分类号: TH137
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 49次
引　用: 1次
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内容摘要

主动式波浪补偿系统具有精度高、自主性强等优点,是海上补给的重要装备,一般由传感器检测、DSP控制、液压驱动和机械执行四个系统组成,其中液压驱动和机械执行系统是影响波浪补偿系统动态特性的主要因素。因此,开展液压驱动和机械执行系统设计关键技术的研究对于提升主动式波浪补偿系统的整体性能具有重要意义。在负载较大的情况下,液压系统一般表现出谐振频率低、时滞较大等特点,对波浪补偿系统的动态特性产生不利影响。为此,本文通过理论分析法建立了主动式波浪补偿系统的数学模型,提出了四种优化方法并仿真验证,同时还设计了耦合式行星轮绞车。本文主要内容包括:1、通过各个自由度运动的耦合方程及其简化方程分析了舰船在海浪中的运动;分析了舰船各自由度运动对海上补给的影响,重点对舰船升沉和横倾运动的补偿原理进行理论分析。2、为了优化主动式波浪补偿系统动态特性,以液压系统三个基本方程为基础建立了液压驱动系统的数学模型,提出了四种优化策略:选用阀控型以减小响应时滞、合理安排反馈元件位置以减小钢丝绳对控制的影响、通过复合控制进行负载补偿以及通过PD控制改善动态性能,并进行了仿真验证,最终完成了液压驱动系统详细设计。3、分析了行星轮绞车的装配必须满足的四个条件,实现各齿轮齿数的分配;详细设计了行星轮绞车各个部件的结构,并对关键部件进行了强度校核。4、根据理论分析结果,研制了主动式波浪补偿系统缩比样机;同时研制了基于“正弦和凸轮”机构的简易海浪模拟平台,为系统实验提供模拟环境。最终,利用缩比样机完成了实验和数据采集。分析结果表明,补偿的精度、响应时间、抗干扰性等性能指标基本满足要求,验证了本文所研究的液压驱动和机械执行结构优化设计方法是有效的。

全文目录

摘要  11-12
ABSTRACT  12-13
第一章绪论  13-17
  1.1 课题研究的背景和意义  13
  1.2 主动式波浪补偿技术研究现状  13-15
  1.3 电液伺服技术研究现状  15
  1.4 行星齿轮传动技术研究现状  15-16
  1.5 论文的主要研究内容  16-17
第二章主动式波浪补偿系统理论研究  17-22
  2.1 舰船在海浪中的运动  17-18
  2.2 主动式波浪补偿系统方案设计  18-19
  2.3 波浪补偿原理分析  19-21
    2.3.1 升沉运动的补偿原理  19-21
    2.3.2 横倾运动的补偿原理  21
  2.4 本章小结  21-22
第三章主动式波浪补偿液压驱动系统设计与分析  22-41
  3.1 液压伺服控制与电气伺服控制分析  22-24
  3.2 主动式波浪补偿驱动系统数学建模与分析  24-32
    3.2.1 伺服阀控液压马达数学模型  25-26
    3.2.2 伺服阀控液压缸数学模型  26-28
    3.2.3 液压缸活塞与变量泵斜盘的倾角关系  28
    3.2.4 变量泵控液压马达数学模型  28-29
    3.2.5 伺服放大器数学模型  29-30
    3.2.6 速度传感器数学模型  30
    3.2.7 行星轮绞车和钢丝绳数学模型  30
    3.2.8 仿真与结果分析  30-32
  3.3 主动式波浪补偿驱动系统优化策略  32-36
    3.3.1 控制形式选取  32
    3.3.2 传感器安装位置选择  32-34
    3.3.3 负载补偿  34-35
    3.3.4 使用PD 控制对动态特性的影响  35-36
  3.4 液压驱动系统设计  36-40
    3.4.1 供油回路  36-37
    3.4.2 回转回路  37-38
    3.4.3 变幅回路  38
    3.4.4 起重回路  38
    3.4.5 补偿回路  38
    3.4.6 断电保护和过载保护  38-39
    3.4.7 制动系统  39
    3.4.8 比例开环控制与伺服闭环控制  39-40
  3.5 本章小结  40-41
第四章主动式波浪补偿系统耦合式行星轮绞车设计  41-53
  4.1 行星轮绞车的配齿计算  41-45
    4.1.1 传动比条件  41
    4.1.2 邻接条件  41-42
    4.1.3 同心条件  42-43
    4.1.4 安装条件  43-44
    4.1.5 齿数计算与检验  44-45
  4.2 行星轮绞车的结构设计  45-48
    4.2.1 中心轮轴的结构设计  45-46
    4.2.2 内齿圈轴的结构设计  46
    4.2.3 行星轮和行星架的结构设计  46-47
    4.2.4 底座的结构设计  47-48
  4.3 关键部件的强度校核  48-52
    4.3.1 行星齿轮的受力分析  48-49
    4.3.2 中心轮分度圆直径校核  49-50
    4.3.3 齿轮系模数校核  50
    4.3.4 齿轮传动强度校核  50-52
  4.4 本章小结  52-53
第五章主动式波浪补偿系统缩比样机研制与实验研究  53-72
  5.1 缩比样机液压驱动系统设计  53-58
    5.1.1 原理设计  53-54
    5.1.2 相关参数计算与元件选取  54-56
    5.1.3 结构设计  56-58
  5.2 海浪模拟平台设计  58-64
    5.2.1 方案设计  59
    5.2.2 原理计算  59-61
    5.2.3 结构设计和运动控制  61-64
  5.3 电气控制部件设计  64-65
  5.4 主动式波浪补偿系统缩比样机实验  65-71
    5.4.1 系统组装  65-66
    5.4.2 硬件、软件介绍  66-68
    5.4.3 控制程序  68-69
    5.4.4 操作步骤  69
    5.4.5 实验结果  69
    5.4.6 结果分析  69-71
  5.5 本章小结  71-72
第六章总结与展望  72-74
  6.1 论文总结  72
  6.2 研究展望  72-74
致谢  74-75
参考文献  75-78
作者在学期间取得的学术成果  78-79
附录A 实验数据  79

主动式波浪补偿驱动和执行系统设计关键技术研究

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