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主动式波浪补偿控制系统设计关键技术研究

作　者: 董睿
导　师: 陶利民
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: 海上补给主动式波浪补偿模糊控制模糊PID控制 TMS320LF2407A
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

舰船海上补给能力是决定海军远洋作战能力的重要因素,而风、浪、流的作用使补给舰与被补给舰发生相对运动,导致海上补给非常困难,给安全作业构成很大威胁。主动式波浪补偿能有效解决这一难题,其核心是控制子系统。但实际补偿过程中,一方面,整个系统结构复杂,并存在机械摩擦、电子元器件特性易受干扰等不良影响导致了整个补偿系统具有严重的非线性;另一方面,补偿系统的补偿动作发生在起重机吊绳载重变化之前,由于所吊装货物的质量庞大,具有很大的惯性,这就产生了严重的时滞问题。因此,设计具有稳定性好、实时性强、适应性广的控制系统对提高主动式波浪补偿系统的性能具有重要意义。本文正是在“十一五”武器装备预先研究项目的资助下,对主动式波浪补偿控制子系统中的检测技术和控制算法进行了深入研究,并完成了控制子系统的软硬件设计。主要内容包括:1.在分析主动式波浪补偿基本原理的基础上,提出了主动式波浪补偿控制系统的总体设计方案。利用行星齿轮卷扬机的“和”运算性质,使其主驱动端输出重物额定下放速度,副驱动端通过反馈控制输出补偿海浪运动的速度,最终实现重物以相对不变的额定速度下放到被补给舰。2.为了分析和改善系统的控制性能指标,通过理论分析建立了主动式波浪补偿控制子系统的数学模型,得到了传递函数。3.分别针对PID控制、模糊控制、模糊PID三种控制算法,利用Matlab/Simulink建立了控制子系统的仿真模型,分析了三种控制算法下的系统控制性能,并在此基础上对液压和机械系统部件的参数进行了优化设计。4.以TMS320LF2407A为控制器构建了控制系统的硬件框架,设计了数字式倾角传感器、加速度传感器和旋转编码器与控制器的接口电路,完成数据读取和控制算法的软件设计,实现了传感器数据读取、控制处理与D/A输出。最终,通过缩比样机进行了实验和数据采集,分析结果表明,模糊PID控制算法响应时间为0.3s,稳态误差为1.3%,在三种控制算法中性能最优,基本满足控制技术指标要求,验证了本文所研究方法的有效性。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章绪论  12-18
  1.1 课题研究背景与意义  12-14
  1.2 主动式波浪补偿国内外研究现状  14-15
    1.2.1 主动式波浪补偿的理论研究  14-15
    1.2.2 主动式波浪补偿的实验研究  15
  1.3 论文的主要研究工作  15-18
    1.3.1 研究目标与内容  15-16
    1.3.2 论文结构与安排  16-18
第二章主动式波浪补偿控制系统总体设计  18-27
  2.1 主动式波浪补偿控制系统原理分析  18-20
    2.1.1 速度补偿基本原理分析  18-19
    2.1.2 张力补偿基本原理分析  19-20
  2.2 主动式波浪补偿控制系统方案  20-24
    2.2.1 主动式波浪补偿系统工作原理  20-21
    2.2.2 控制系统结构设计  21-23
    2.2.3 控制系统功能设计  23-24
  2.3 缩比样机及海浪模拟运动平台设计  24-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章主动式波浪补偿控制系统建模  27-37
  3.1 主动式波浪补偿系统基本假定与简化  27
  3.2 机械执行系统模型建立  27-31
    3.2.1 起重钢丝绳模型建立  27-29
    3.2.2 差动行星齿轮卷扬机模型建立  29-31
  3.3 阀控液压马达模型建立  31-36
    3.3.1 电液伺服阀  31-33
    3.3.2 阀控液压马达  33-36
  3.4 本章小结  36-37
第四章主动式波浪补偿控制系统控制算法研究  37-59
  4.1 典型 PID 控制算法  38-40
  4.2 主动式波浪补偿模糊控制算法及其实现  40-50
    4.2.1 模糊控制基本原理  40-42
    4.2.2 模糊控制器的结构设计  42-43
    4.2.3 模糊控制规则设计  43-45
    4.2.4 变量的模糊化与非模糊化  45-46
    4.2.5 论域、量化因子、比例因子的选则  46-49
    4.2.6 模糊控制算法实现  49-50
  4.3 主动式波浪补偿模糊PID 控制算法及其实现  50-56
    4.3.1 模糊PID 控制原理  50-51
    4.3.2 模糊PID 参数整定模型  51-54
    4.3.3 模糊PID 控制器设计  54-56
  4.4 基于Matlab/Simulink 的主动式波浪补偿控制系统仿真分析  56-58
    4.4.1 控制系统仿真模型结构参数  56
    4.4.2 控制系统仿真分析  56-58
  4.5 本章小结  58-59
第五章主动式波浪补偿控制软硬件设计  59-74
  5.1 控制器与传感器的选型  59-64
    5.1.1 控制器  59-60
    5.1.2 旋转编码器  60-62
    5.1.3 倾角传感器  62-63
    5.1.4 加速度传感器  63-64
    5.1.5 张力传感器  64
  5.2 主动式波浪补偿控制系统硬件设计  64-67
    5.2.1 前向通道电路设计  64-66
    5.2.2 后向通道电路设计  66-67
  5.3 主动式波浪补偿控制系统软件设计  67-73
    5.3.1 前向通道程序设计  68-72
    5.3.2 后向通道程序设计  72-73
  5.4 本章小结  73-74
第六章主动式波浪补偿缩比样机实验研究  74-78
  6.1 主动式波浪补偿缩比样机实验系统  74-75
    6.1.1 系统组成  74-75
    6.1.2 系统实验原理  75
  6.2 系统实验结果及分析  75-77
  6.3 本章小结  77-78
第七章总结与展望  78-80
  7.1 本文工作总结  78
  7.2 未来工作展望  78-80
致谢  80-81
参考文献  81-86
附录A 主动式波浪补偿起重机缩比样机实验数据  86

主动式波浪补偿控制系统设计关键技术研究

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