船舶随动吊装机构动力学及控制策略研究

论文摘要

随着经济和社会的快速发展,水上运输所拥有的低成本、运载量大等优势更为突出地体现出来。近几年,特别是在国际贸易中,水上运输占有了很大的运输比例。水上运输贸易的不断扩大,使得水上运输的安全性越来越受到关注。船舶吊装机构是港口船舶装卸的重要工具,在港建水工作业、造船工程、桥梁建筑、水下打捞以及各种海洋工程中均有广泛的应用。吊装的安全性在水上运输安全中占有重要的地位。特别是在水上作战或救援时,船舶吊装机构要在海情恶劣的情况下实现大宗货物的及时移交和转移。此时,吊装过程的安全性集中体现在吊装机械的动态稳定性上。船舶吊装机构在吊装货物时,水上波浪的作用会引起船体的运动,导致吊装货物的摆动加大,给起吊操作带来危险,有时需被迫中止起吊作业。这可能导致极大的经济损失或军情延误,后果严重。研究船舶吊装随动机构的目的就是要提高吊装机构的动态稳定性,从而实现在较恶劣海情下,圆满完成军事和救援任务。针对船舶吊装机构稳定性的高要求,本文主要从吊装机构控制策略的仿真分析上入手,结合Pro/E、ADAMS、MatLab/Simulink工具箱等辅助分析工具,在前人研究成果的基础上进一步优化完善船舶吊装随动系统的控制策略,来进一步提高船舶吊装机构的实际应用价值。本文在分析研究船舶吊装机构时,主要研究了吊装机构在起吊作业时,如何更有效地对吊装货物的摆动进行控制,并结合延迟定位反馈控制的概念,设计了一种较合理的延迟定位反馈控制系统,减小船舶吊装机构在吊装货物时的摆动,使得在本来不能进行吊装作业的水况下能进行物资的起吊和运送。本文的研究具有较大的商业价值和潜在的军事价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源、研究目的及意义
• 1.2 相关领域研究现状
• 1.2.1 船舶稳性研究现状
• 1.2.2 船舶吊装机的研究现状
• 1.2.3 仿真分析研究现状
• 1.3 课题研究的主要内容和关键技术
• 第二章 船舶在水上平台随机载荷中的非线性运动规律
• 2.1 随机载荷的概述
• 2.2 随机波浪及波浪力
• 2.2.1 流体运动基本方程与边界条件
• 2.2.2 小振幅波理论
• 2.3 随机波浪谱
• 2.3.1 P—M 谱
• 2.3.2 JONSWAP 谱
• 2.3.3 布氏谱
• 2.4 船舶波浪稳性的数学模型
• 2.4.1 船舶在波浪中的运动及简化
• 2.4.2 横摇和垂荡对船舶的影响
• 2.4.3 纵摇和垂荡对船舶稳性的影响
• 2.5 船舶在具有横摇、纵摇以及垂荡运动时的稳性
• 2.5.1 条件及假设
• 2.5.2 稳性高度改变量的理论计算
• 2.5.3 稳性高度改变的数值仿真结果
• 第三章 船舶吊装随动系统动力学分析与控制器设计
• 3.1 吊装系统动力学分析
• 3.1.1 随动吊装系统的动力学模型
• 3.1.2 钢索中产生的动张力响应
• 3.1.3 基座激励下球摆的运动分析
• 3.2 定位反馈分析
• 3.2.1 控制系统中的时间延迟
• 3.2.2 控制信号中的附加延时
• 3.2.3 吊装货物系统上的延时定位反馈
• 3.3 受控系统控制器的设计
• 3.3.1 受控系统的稳性分析
• 3.3.2 控制器的设计
• 第四章 随动系统实现机构建模与仿真
• 4.1 吊装机构建模
• 4.1.1 利用Pro/Engineer Wildfire2.0 进行三维建模
• 4.1.2 吊装机构的设计
• 4.2 模型的导入
• 4.2.1 ADAMS 软件简介
• 4.2.2 MECHANISM/ Pro 接口的简介
• 4.2.3 单位统一与模型参数化
• 4.3 添加柔性钢绳
• 4.3.1 ADAMS 仿真用户子程序
• 4.3.2 常用ADAMS 仿真用户子程序
• 4.3.3 编辑钢绳仿真子程序
• 4.4 滑轮组的创建
• 4.5 仿真参数的设定
• 4.5.1 函数的建立
• 4.5.2 添加约束
• 4.5.3 施加载荷
• 4.6 模型控制仿真
• 4.6.1 ADAMS2005/Control 和MatLab/Simulink 工具箱的组合应用
• 4.6.2 模型整体控制参数的设置
• 第五章 控制策略的实现与仿真结果的分析处理
• 5.1 控制策略分析
• 5.2 吊装控制系统的实现
• 5.2.1 加载ADAMS/Control 模块
• 5.2.2 建立Simulink 控制方框图
• 5.3 仿真分析
• 5.3.1 输出仿真曲线
• 5.3.2 仿真结果的分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文和科研情况
• 附录