主动升沉补偿系统有界控制研究

论文摘要

海洋具有丰富的能源与资源,随着人口数量的日益增加,陆地上可使用的能源、资源等日益减少甚至竭尽,人们对海洋的探索与开发形式越来越多样化。在这个基础上具备相对完善的海上开采设备就显得尤为重要。在众多海洋开采施工中,水下作业时很重要的一个组成部分,但是由于受波浪、洋流、海风等干扰,海工装备会产生6个方向的自由运动,使得水下工作设备位置受到影响、难以精确控制;加装液压缸式升沉补偿装置后,又由于液压缸行程有界,容易产生碰,这些都给海洋作业带来了极大困难。本文将主要针对升沉方向的运动补偿进行研究,主要研究内容如下:第一章,本文在调研了国内外现有升沉补偿系统的发展现状的基础上,分析了现有各深沉补偿系统的优势与不足,发现了液压缸式升沉补偿系统共有的不足:恶劣海况下当船体的升沉超出液压缸最大补偿范围时,若继续按照现有的升沉补偿算法进行补偿,系统将发生严重冲击,本章在分析了这个问题后提出了初步的解决方案。第二章,设计了升沉补偿电液控制系统,对水下拖体的受力情况进行了分析,将电液控制系统简化并进行了数学建模,接着对补偿液压缸的碰撞问题也进行了数学分析。最后进行了升沉补偿系统关键元件的选型,并在Amesim中搭建了系统模型。第三章,在系统数学模型的基础上,提出了基于滑模控制的升沉位置补偿控制算法,并通过Amesim与matlab联合仿真验证了算法的有效性;随后为了说明海工装备升沉超过液压缸行程时造成碰撞的严重性,通过在原有系统上加装开关阀的手段模拟了碰撞工况,并指出基于简单开关阀切换的保护系统在冲击情况下对系统保护作用有限。第四章,旨在通过改进控制算法来解决海况较差时补偿液压缸发生碰撞的问题。从相轨迹入手分析了碰撞的现象,并结合滑模面与有界相平面的关系提出了此有界控制问题的解决办法;讨论了几种解决方案的优缺点后选择基于速度限定的有界控制,最终在之前设计的位移控制器基础上增加了有界控制器,实现大幅值时不产生碰撞、小幅值可正常升沉补偿的目标,这样同时也实现了对补偿液压缸行程的最大利用。最后,用真实海浪数据进行了仿真。第五章,介绍了实验台的基本结构、关键元部件型号及实验台操作方法等。实验开始时首先用多组不同频率不同幅值的正弦信号进行了控制器的相关实验,在此基础上,对真实海浪信号进行了实验并去得了良好的控制效果,证明了本文有界控制器的可行性。第六章,总结工作进展,并指出进一步研究方向。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景
•   1.2 升沉补偿系统分类
•     1.2.1 被动型升沉补偿系统
•     1.2.2 主动型升沉补偿系统
•     1.2.3 主被动复合型升沉补偿系统
•   1.3 国内外研究与发展现状
•     1.3.1 国外研究发展现状
•     1.3.2 国内研究发展现状
•   1.4 目前升沉补偿系统存在的问题
•   1.5 课题主要研究内容
•   1.6 本章小结
• 第2章 主动补偿系统选型与数学建模
•   2.1 主动升沉补偿系统原理
•   2.2 系统分析及数学建模
•     2.2.1 重型深海拖拽系统负载特性分析
•     2.2.2 主动升沉补偿系统分析及数学建模
•   2.3 液压缸碰撞分析
•   2.4 系统关键液压元件设计与选型
•     2.4.1 液压缸选型
•     2.4.2 比例方向控制阀选型
•   2.5 仿真模型
•   2.6 本章小结
• 第3章 基于滑模控制算法的主动升沉补偿位移控制
•   3.1 滑模控制简介
•     3.1.1 滑模控制基本原理
•     3.1.2 滑模控制设计方法
•     3.1.3 抖振问题及其解决方法
•   3.2 主动升沉补偿位移控制器设计
•     3.2.1 系统数学建模
•     3.2.2 未建模力的扰动观测器设计
•     3.2.3 非线性位移控制器设计
•     3.2.4 滑模稳态分析
•   3.3 位移控制器建模及仿真
•     3.3.1 Simulink模型
•     3.3.2 位移控制器补偿性能仿真分析
•     3.3.3 幅值过大位移控制器性能仿真分析
•   3.4 本章小结
• 第4章 补偿液压缸的有界控制研究
•   4.1 基于位置限定的有界
•   4.2 基于速度限定的有界
•     4.2.1 相平面中补偿液压缸运动分析
•     4.2.2 最大（最优）加速度的问题
•     4.2.3 补偿液压缸的回程问题
•   4.3 有界控制器设计
•     4.3.1 控制方式选择
•     4.3.2 加速度的确定
•     4.3.3 控制器数学建模
•   4.4 位移有界控制器建模及仿真
•     4.4.1 Simulink控制模型
•     4.4.2 位移有界控制器补偿性能仿真分析
•   4.5 真实海况下位移有界仿真分析
•     4.5.1 海浪概述
•     4.5.2 海况位移有界仿真分析
•   4.6 本章小结
• 第5章 实验研究
•   5.1 实验平台介绍
•     5.1.1 系统机械结构
•     5.1.2 实验台关键元部件介绍
•   5.2 实验研究
•     5.2.1 位移控制器跟随实验
•     5.2.2 有界控制实验
•     5.2.3 海浪有界控制实验
•   5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 本文总结
•   6.2 后续展望
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 武浩

导师: 魏建华

关键词: 海工装备,升沉补偿,阀控缸,联合仿真,滑模控制,有界控制

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 浙江大学

分类号: P74

总页数: 110

文件大小: 8775K

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