水下机械手液压控制系统的设计与研究

论文摘要

作为人类探索和开发海洋的助手,水下机器人在海洋开发领域有着多方面的用途。水下机械手是水下机器人的重要组成部分,其液压控制系统目前大多采用电液伺服控制,但由于伺服阀的成本昂贵、对工作环境要求较高等缺陷,本文尝试将电液比例控制应用到水下机械手的液压控制系统中,对其进行设计和研究。本文通过对水下机械手国内外研究的分析,对其外部布置和整体结构进行设计。根据工作要求,对水下机械手进行了自由度和运动学的研究,确定6个自由度的水下机械手为本文研究对象。设计其关节模型,利用三维绘图软件PRO/E对其进行三维模型绘图,并根据模型对水下机器人内部液压系统进行设计研究,设计水下机械手的电液比例控制系统。通过对电液比例阀中的比例放大器、先导阀、主滑阀等数学模型的构建得出电液比例阀的传递函数,又通过对滑阀流量方程、液压缸流量连续性方程和液压缸和负载的力平衡方程等数学模型的创建,得出液压缸及其负载的传递函数,与位移传感器反馈方程结合,为进行之后的系统仿真构建水下机械手电液比例控制系统的传递函数,并根据实际情况对各数学模型进行合理的化简。对现有机械手控制方式进行分析,选定控制方式为主从对称双向型控制系统，建立大臂主从手控制系统的数学模型,对相关参数进行计算和选取,利用Matlab/Simulink软件对系统性能进行仿真分析,并利用PID校正来提高系统的动态性能、控制精度以及稳定性,最后通过对仿真结果的分析,验证了电液比例控制系统在水下机械手液压系统中的可行性,满足水下机械手对定位和控制精度要求,并有其独特的优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水下机械手的国内外研究现状
• 1.3 液压系统在水下机械手中的应用
• 1.3.1 水下机械手液压系统的主要优点
• 1.3.2 水下环境机械手液压装置应注意的问题
• 1.4 水下机械手电液比例控制系统的尝试应用分析
• 1.4.1 水下机械手电液伺服控制系统与电液比例控制系统的比较
• 1.4.2 水下机械手电液比例控制系统的可行性分析
• 1.5 本文研究内容
• 第2章 水下机械手的液压系统的总体设计
• 2.1 水下机械手的布置设计
• 2.2 水下机械手的结构设计
• 2.2.1 水下机械手自由度的设计
• 2.2.2 水下机械手的三维建模
• 2.3 机械手液压系统原理设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 水下机械手电液比例液压系统的数学建模
• 3.1 电液比例换向阀的数学建模
• 3.1.1 比例放大器等转换元件的数学建模
• 3.1.2 比例电磁铁及先导滑阀的数学建模
• 3.1.3 主滑阀的数学建模
• 3.1.4 电液比例换向阀的传递函数简化
• 3.2 液压缸及负载的数学建模
• 3.2.1 滑阀的流量方程
• 3.2.2 液压缸流量的连续性方程
• 3.2.3 液压缸和负载的力平衡方程
• 3.2.4 液压缸及其负载的传递函数简化
• 3.3 位移传感器的反馈方程
• 3.4 电液比例位置控制系统的传递函数
• 3.5 本章小结
• 第4章 水下机械手控制系统的设计及相关参数计算
• 4.1 水下机器人机械手控制方式的设计
• 4.1.1 水下机械手操作方式的设计
• 4.1.2 机械手位置和力反馈控制方式的设计
• 4.2 主从手双向型控制系统的数学建模
• 4.3 水下机械手液压控制系统的相关参数计算及选取
• 4.3.1 大臂仰俯液压缸的相关参数的计算及选取
• 4.3.2 其它参数的计算选取及设定
• 4.4 本章小结
• 第5章 水下机械手电液比例控制系统的仿真
• 5.1 仿真的基本过程及仿真软件的应用
• 5.1.1 仿真的基本过程
• 5.1.2 在液压领域中的应用
• 5.1.3 MATLAB及SIMULINK仿真软件的应用
• 5.2 机械手大臂液压缸的动态仿真
• 5.3 机械手主从电液比例控制系统的仿真
• 5.3.1 机械手大臂电液比例控制系统的稳定性仿真分析
• 5.3.2 机械手大臂电液比例控制系统的时域性能仿真分析
• 5.4 机械手大臂电液比例控制系统的PID校正分析
• 5.4.1 机械手大臂电液比例控制系统PID控制器参数整定
• 5.4.2 机械手大臂电液比例控制系统PID校正后时域性能仿真分析
• 5.4.3 机械手大臂电液比例控制系统的PID校正后同步性能仿真分析
• 5.4.4 机械手大臂电液比例控制系统的误差仿真分析
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文