深海采矿船升沉模拟平台运动控制研究

论文摘要

根据现阶段的研究,深海采矿船在海浪的影响下所产生的六个运动中,艏摇、纵荡和横荡可以通过动力定位进行消除,纵横摇可由升沉补偿装置中的万向架得到补偿,也就是说,只需要解决采矿船升沉运动的补偿就可以了。因此本文致力于对采矿船升沉运动的研究,为下一步升沉运动的补偿系统研究打下基础。本文的主要目标是进行深海采矿船升沉运动模拟平台电液伺服控制系统的特性分析及控制策略研究。在分析模拟平台液压驱动系统动态性能的基础上,对电液位置伺服控制系统进行特性分析、理论建模等基础性研究,然后对模拟平台的控制算法进行研究,通过试验验证得出符合模拟平台的工程应用和精度要求的控制算法。本文主要成果和结论如下：1、根据深海采矿船的作业条件,研究了升沉运动模拟平台机械结构和液压动力系统,并对阀控非对称缸系统进行了数学建模仿真,在Simulink软件中建模得出液压缸输出特性曲线,依此进行了仿真验证；2、通过所建立的模型,对阀控非对称缸系统压力特性和由于非对称缸正反向运动不对称等所引起的系统非线性因素进行了分析,为其控制策略的研究提供比较接近于实际系统的仿真模型。3、对模拟平台进行了增量式PID控制和相应非线性系统的模糊自整定PID控制研究,通过理论分析和建模,选择了能达到平台模拟实际运动中各项技术指标要求的控制算法,有效提高了模拟平台的运动姿态精度。4、提出并完成了利用LabVIEW和Matlab/Simulink两种软件针对阀控非对称缸系统控制策略的联合仿真,实现了两个软件的优势互补,取得了良好的可视化效果,也为今后课题的研究设计提供了便利。5、应用LabVIEW软件编制了主控制软件,对模拟平台进行了综合试验研究,验证了阀控缸系统建模和控制策略的正确性和科学性,实验表明,深海采矿船升沉运动模拟平台的设计达到了各项指标的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.2 课题研究背景
• 1.2.1 开发深海矿产资源的必要性
• 1.2.2 深海采矿系统的构成
• 1.2.3 深海采矿升沉补偿系统的重要性
• 1.3 采矿船舶运动模拟平台综述
• 1.3.1 船舶作业条件及运动分析
• 1.3.2 相关运动模拟平台国内外研究现状
• 1.4 运动模拟平台电液伺服控制系统研究现状
• 1.4.1 运动模拟平台所使用的电液伺服系统综述
• 1.4.2 阀控缸电液伺服系统的建模研究现状
• 1.4.3 电液伺服系统控制策略研究现状
• 1.5 主要研究内容
• 第二章 模拟平台阀控非对称缸系统的建模和特性分析
• 2.1 升沉运动模拟平台构成
• 2.1.1 机械结构
• 2.1.2 液压系统
• 2.1.3 控制系统硬件
• 2.2 阀控非对称缸动力学模型建立
• 2.2.1 阀控非对称缸系统基本描述
• 2.2.2 阀控非对称缸系统模型的建立
• 2.2.3 系统模型参数及仿真研究
• 2.3 阀控非对称缸系统特性分析
• 2.3.1 压力特性分析
• 2.3.2 非线性特性分析
• 2.4 小结
• 第三章 运动模拟平台控制及仿真研究
• 3.1 PID控制算法的理论基础
• 3.1.1 PID控制的基本原理
• 3.1.2 PID控制的特点
• 3.1.3 PID控制的基本结构形式
• 3.1.4 PID控制器参数整定
• 3.2 模糊控制算法的理论基础
• 3.2.1 模糊控制器的工作原理
• 3.2.2 模糊控制器的特点
• 3.3 运动模拟平台PID控制仿真研究
• 3.4 运动模拟平台模糊自整定PID控制仿真研究
• 3.4.1 模糊自整定PID控制器的结构
• 3.4.2 模糊自整定PID控制器参数整定原则
• 3.4.3 模糊自整定PID控制器的设计
• 3.5 小结
• 第四章 模拟平台运动控制联合仿真研究
• 4.1 联合仿真概述
• 4.1.1 LabVIEW及SIT简介
• 4.1.2 MATLAB及Simulink简介
• 4.1.3 建立联合仿真模型的意义
• 4.2 基于Labview和MATLAB/Simulink运动控制联合仿真的开发
• 4.2.1 联合仿真系统结构
• 4.2.2 联合仿真实现过程
• 4.3 小结
• 第五章 升沉运动模拟平台运动控制的试验研究
• 5.1 试验总体方案
• 5.1.1 相似原理
• 5.1.2 试验系统边界条件
• 5.1.3 总体方案
• 5.2 试验系统的实现与结果分析
• 5.2.1 硬件调试
• 5.2.2 软件编程
• 5.2.3 结果分析
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果目录