船舶变频液压舵机控制技术研究

论文摘要

船舶变频液压驱动舵机技术采用交流变频调速技术和液压舵机系统相结合，充分利用了交流变频液压驱动技术的节能优点，弥补了传动液压舵机系统的效率低下的缺点。然而，由于变频调速的交流异步电机本身是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，使得原本相对较简单的传统液压舵机系统变得复杂。船舶变频液压舵机的控制在响应速度、控制精度以及控制系统的鲁棒性能否达到船舶舵机的建造标准，亟需研究，以便这种新型舵机能尽早得到商业应用。本文采用理论与实验相结合的方法，对船舶变频液压舵机系统控制及其负载特性进行了详细深入的研究，并结合我国《钢质海船入级与建造规范》对船舶舵机及控制系统的要求，主要在以下几个方面开展工作：首先，针对船舶舵机负载类型展开了理论分析，提出并建立了船舶舵机水动力负载、海浪负载和随机冲击负载的模拟加载系统；通过实验表明：该模拟加载系统基本可以复现船舶舵机在船上工作时的各种负载工况。其次，通过实验方法，对船舶变频液压驱动舵机系统的控制死区和系统滞后进行了研究；利用Ziegler-Nichols原理和二次整定方法，对船舶变频液压驱动舵机系统控制PID参数进行优化，初步确定能达到船舶舵机建造规范要求的PID参数值。再则，通过分析变频液压驱动舵机系统特性，确定选取传统PID控制、神经元自适应PID控制和模糊自适应PID控制三种控制算法进行对比研究。分别建立基于Labview软件的舵机舵角控制程序，针对空载、模拟水动力加载、以及稳舵时的模拟随机冲击负载三种工况，对舵角控制的响应时间、稳定性和控制精度等开展研究。试验表明三种控制方案中，模糊自适应PID控制算法有明显的控制优势。最后，为了进一步提高变频液压驱动舵机系统受随机冲击负载时控制的鲁棒性能，选取转舵油缸压力变化率代表随机冲击负载，并将此变化率引入模糊自适应PID控制算法，实验表明系统的抗随机负载冲击情况得到明显改善。本文基于Labview的测量与控制软件，实现了舵机模拟加载，确定带负载因素的模糊自适应PID方法，使变频驱动液压舵机控制精度达到0.1度，实现无超调舵角控制，稳舵时冲击负载影响小于0.2度，舵机控制性能较《钢质海船入级与建造规范规范》的要求有极大的提高。本文提出的基于负载的控制方法，使系统的鲁棒性能得到提高，为船舶变频液压驱动舵机系统在船舶上的实际应用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究背景和意义
• 1.2 交流变频液压驱动技术发展概述
• 1.2.1 交流变频技术的发展概述
• 1.2.2 传统液压调速系统特点
• 1.2.3 基于交流变频调速技术的液压系统性能特点
• 1.3 智能控制技术发展概述
• 1.4 船舶变频液压驱动舵机系统
• 1.5 主要研究内容和方法
• 第二章 船舶变频液压驱动舵机系统原理及其负载
• 2.1 船舶变频液压驱动舵机系统原理
• 2.2 船舶舵机负载类型
• 2.2.1 海浪负载
• 2.2.2 摩擦负载
• 2.2.3 水动力矩负载特性分析
• 2.3 船舶舵机控制系统要求
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于Labview的船舶液压变频驱动舵机监控系统
• 3.1 Labview概述和监控系统采集原理
• 3.2 舵机监控系统硬件和软件设计结构原理
• 3.2.1 硬件结构设计原理
• 3.2.2 软件监控系统组成
• 3.3 船舶舵机水动力矩模拟加载系统
• 3.3.1 舵机的水动力矩理论分析
• 3.3.2 加载油缸比例溢流阀特性分析
• 3.3.3 基于Labview的模拟舵机水动力矩的建立
• 3.4 海浪工况模拟加载系统
• 3.5 本章小结
• 第四章 船舶变频液压驱动舵机系统控制研究
• 4.1 系统死区测量原理和实验分析
• 4.2 PID控制技术
• 4.2.1 PID控制器参数调节方式概述
• 4.2.2 基于Ziegler-Nichols方法的PID参数选取
• 4.2.3 船舶舵机系统PID控制器参数调试
• 4.3 基于改进的神经元自适应PID控制技术
• 4.3.1 船舶舵机改进单神经元控制系统原理
• 4.3.2 基于Labview的改进单神经元自适应PID控制器设计
• 4.4 模糊自适应PID控制技术
• 4.4.1 船舶舵机模糊自适应控制原理
• 4.4.2 确定量化域和隶属度函数
• 4.4.3 模糊控制器规则的选择
• 4.4.4 基于Labview软件设计主程序图
• 4.5 油压负载监控模糊自适应控制器
• 4.6 本章小结
• 第五章 实验和分析
• 5.1 实验条件
• 5.2 实验内容
• 5.2.1 转舵静态响应工况
• 5.2.2 航行工况响应情况
• 5.2.3 海浪作用动态工况
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 在学期间发表的学术论文