船舶液压舵机系统设计研究

论文摘要

我国改革开放后与国外贸易量逐年增大,尤其是加入WTO后进入了快速发展阶段,海运事业随着世界贸易的增长而快速发展,船舶行业随之迎来了黄金时期。但我国船舶配套设备制造能力一直滞后船舶主体制造能力,现已成为船舶行业快速发展的瓶颈。舵机是控制船舶航向的重要设备,其性能的好坏对于船舶运动的控制起着非常关键的作用。但目前国内对于船舶舵机的研究大多集中于船舶航向及舵迹控制方面,对于舵机本身的运动转换机构、液压传动及电气控制方面研究却相对较少。因此,研究开发高性能船舶舵机并实现量产,对于我国船舶行业配套能力的加强、竞争力的提高具有重要意义。本文通过分析研究船舶舵机作用原理及目前常用转舵机构,提出采用滚珠逆螺旋机构作为转舵机构,构建新式舵机。根据船舶对舵机要求及螺旋作动器实际需要,进行深入分析比较后,设计了舵机液压传动原理图,确定了电气控制方案。对舵机液压系统进行必要的简化后,分别建立了比例阀环节,阀控缸环节及角度传感器等环节的数学模型,经适当变换最终得到了舵机的数学模型,并对舵机系统的稳定性进行了分析。由于舵机闭环时域响应缓慢,且船舶在航行过程中受风、海浪等不确定因素影响,所以采用了不依赖对象模型的模糊PID校正,设计了模糊PID控制器。运用MATLAB软件中的Simulink工具箱建立了系统动态仿真模型,并对系统进行了仿真分析。根据船舶舵机需远距离传送信号且干扰源多的情况,采取了操作室与舵机室分散控制,通过CAN总线连接通信的控制方式,有效提高了控制及反馈信号传送的速率与质量。设计了主电路图、CANopen主站控制原理图、CANopen从站控制原理图。本文设计的船舶舵机系统,采用了新型转舵机构,有效减小了舵机体积及重量;采用了电液比例控制,能有效提高船舶航行时舵角的定位精度,降低航行能耗,减小换向冲击及噪声;将传统的PID校正与先进的模糊控制相结合,提高了舵机的动态性能,增强舵机自适应能力;采用现场总线传输信号,提高了数据传输速度及可靠性。对高性能船舶舵机的设计据有一定的指导意义。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 船舶舵机介绍
• 1.1.1 舵机作用原理
• 1.1.2 船舶对舵机的要求
• 1.2 研究的意义及目的
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 2 系统方案设计
• 2.1 转舵机构
• 2.2 液压系统方案
• 2.3 控制系统方案
• 2.3.1 控制系统的基本特点
• 2.3.2 控制系统方案
• 2.4 本章小结
• 3 舵机系统建模
• 3.1 比例阀模型
• 3.1.1 比例电磁铁
• 3.1.2 功率级滑阀
• 3.2 阀控液压缸模型
• 3.3 放大器及传感反馈模型
• 3.4 相关参数及系统稳定性
• 3.5 本章小结
• 4 控制算法及系统仿真
• 4.1 模糊自适应PID 控制
• 4.2 模糊控制器设计
• 4.3 舵机系统仿真
• 4.4 本章小结
• 5 基于 CAN 总线的分布式 PLC 控制系统
• 5.1 CAN 总线
• 5.1.1 CAN 总线通信协议
• 5.2 CANopen 协议
• 5.3 控制电路实现
• 5.3.1 主电路设计
• 5.3.2 PLC 控制电路设计
• 5.4 组建CANopen 网络
• 5.4.1 DVPCOPM-SL 与IFD9503
• 5.4.2 控制网络组成
• 5.4.3 CANopen 网络中的数据映射
• 5.4.4 控制实例
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录