船舶舵机物理建模及控制仿真研究

论文摘要

船舶舵机是用于航向控制的设备,一旦舵机失灵,船即会失去控制,甚至发生事故。目前绝大多数船舶采用的是液压舵机。对液压舵机性能进行分析,一种方法是进行船舶航行试验,对数据进行分析,但是该方法的局限在于成本高、周期长；另一种方法采用计算机技术对研究对象建模仿真研究,该方法能够有效分析舵机性能的同时降低了成本,节省了时间。计算机仿真必须具备两个主要条件：一是建立准确描述液压系统动态性能的模型；二是利用仿真软件对建立的模型进行数字仿真。本文以川崎FE21-400电动液压舵机为研究对象,根据该拨叉式液压舵机的结构特点、工作过程以及操作要求,分析其转动原理和液压系统的特性,采用MATLAB下的Simhydraulic元件库对舵机液压系统进行物理建模,将得到的液压系统模型与数学模型相连接构成整个舵机系统仿真模型。系统采用PID控制。在所建立的仿真模型基础上,对舵机处于不同工作状态的情况进行仿真。对仿真结果进行分析,验证了模型的正确性,同时仿真结果满足SOLAS公约要求。由于船舶舵机系统的复杂性,PID参数比较难整定,而且在运行环境发生变化时,PID参数需要重新整定。为了应对这些复杂性和不确定性,本设计尝试将单神经元自适应PID控制器应用在舵机系统的控制上。由仿真结果得出,单神经元自适应控制应用在舵机控制上是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源、研究目的及研究意义
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 研究目的
• 1.1.3 研究意义
• 1.2 国内外液压系统仿真技术现状和发展趋势
• 1.2.1 液压系统建模方法
• 1.2.2 液压仿真技术发展现状
• 1.2.3 液压仿真技术的发展趋势
• 1.3 本课题的主要研究内容及技术路线
• 第二章 船舶舵机系统概述
• 2.1 舵的作用原理
• 2.2 液压舵机的工作原理
• 2.2.1 泵控型液压舵机的工作原理
• 2.2.2 阀控型液压舵机的工作原理
• 2.3 液压舵机转舵机构简介
• 2.3.1 转叶式转舵机构
• 2.3.1.1 转叶式转舵机构的组成
• 2.3.1.2 转叶式转舵机构的工作原理
• 2.3.2 滑式转舵机构
• 2.3.2.1 十字头式转舵机构
• 2.3.2.2 拨叉式转舵机构
• 2.4 舵机的基本技术要求
• 第三章 船舶舵机液压系统仿真模型的建立
• 3.1 SIMHYDRAULIC简介
• 3.2 舵机系统物理建模
• 3.2.1 双向变量泵建模
• 3.2.2 转舵油缸模型
• 3.2.3 转舵机构的水动力学模型
• 3.2.3.1 舵叶的水动力学模型
• 3.2.3.2 舵杆轴线力矩平衡方程
• l,C_D与C_x的拟合'>3.2.3.3 C_l,C_D与C_x的拟合
• 3.2.3.4 负载模型
• 3.2.4 负载模型和双向变量泵的连接
• 3.2.5 伺服油缸模型
• 3.2.5.1 伺服油缸作用机理
• 3.2.5.2 伺服油缸的数学模型
• 3.2.6 随动舵PID控制系统原理
• 第四章 船舶舵机系统仿真研究
• 4.1 船舶舵机在各种工况下的仿真研究
• 4.1.1 单泵四缸工况下舵机系统的仿真
• 4.1.2 单泵双缸工况下舵机系统的仿真
• 4.1.3 双泵泵四缸工况下舵机系统的仿真
• 4.2 舵机单神经元自适应PID控制器的设计与仿真
• 4.2.1 单神经元自适应PID控制器的设计
• 4.2.1.1 Hebb学习规则下单神经元PID控制算法
• 4.2.1.2 改进的单神经元自适应PID控制
• 4.2.2 单神经元自适应PID控制下仿真与分析
• 第五章 结论与展望
• 5.1 研究结论
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢