400kN·m舵机液压系统的设计与仿真研究

论文摘要

电动液压舵机系统是现今使用最多的舵机系统,其许多优点促使电动液压舵机的普及,其液压及其控制系统也是船舶上非常重要的船舶运动控制系统。船舶运动动态特性除了与舵机的动态特性、航行工况密切相关外,还受风、浪、流等各种干扰,所以船舶航行时舵机系统所受到的水动力负载和干扰情况非常复杂。本文以某型船操舵系统的技术要求为基础,通过对操舵系统的设计和分析,建立了操舵系统和自动舵航向控制系统的模型,利用经典PID控制分别设计了其控制器,并通过其仿真分析证明了其控制器的有效性。本文首先通过对参考文献的阅读、分析和整理,综述了船舶操舵系统的组成和发展现状,分析了船舶随动操舵系统的工作原理以及液压舵机的基本技术要求和选用原则,为液压舵机的设计提供参考。其次,本文分析了不同舵型的特点以及适用的船型,并根据泵控型舵机液压伺服系统的组成和某型船舶舵机系统的性能要求,选定本舵机的舵型以及舵机机械结构布置,并对随动舵系统进行了工程设计计算和元件选型,构成了该舵机液压系统,为其建模仿真研究打下了基础。通过对舵机液压控制系统的简化分别完成了变量泵排量控制系统、操舵系统的数学建模,并最终建立了随动操舵系统的传递函数模型。在此基础上通过对自动舵系统的功能和航向控制系统工作原理的分析,分别建立了船舶操纵运动的线性、非线性模型;在对船舶航行过程中外界环境干扰进行分析之后,建立了外界环境干扰模型以及考虑外界环境干扰时的船舶航向控制系统模型。最后利用经典PID控制理论分别对变量泵排量控制系统、随动操舵系统和航向控制系统进行了PID控制器设计以及仿真分析。通过仿真曲线表明,当系统中存在着干扰时虽然会影响系统的精度和稳定性,但是采用经典PID控制理论设计的控制器仍然能满足该舵机系统的性能要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 船舶操纵系统概述
• 1.2.1 船舶操舵系统的组成以及分类
• 1.2.2 操舵方式简介
• 1.2.3 随动舵的发展及研究现状
• 1.2.4 自动舵的发展及研究现状
• 1.3 液压舵机的工作原理和选用原则
• 1.3.1 液压舵机的工作原理
• 1.3.2 液压舵机的基本要求
• 1.3.3 液压舵机的选用原则
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 舵机液压系统的设计
• 2.1 引言
• 2.2 液压舵机的舵型选择
• 2.2.1 舵的作用和分类
• 2.2.2 特殊结构的舵型
• 2.2.3 液压舵机的转舵机构
• 2.2.4 液压舵机的选择
• 2.3 舵机液压系统的设计
• 2.3.1 柱塞液压缸的设计
• 2.3.2 主泵的设计
• 2.3.3 电动机的选型
• 2.3.4 液压管路及附件的选型
• 2.3.5 冷却装置的设计
• 2.4 舵机液压系统的组成
• 2.5 本章小结
• 第3章 液压舵机随动舵系统的建模
• 3.1 引言
• 3.2 变量泵系统的模型
• 3.2.1 变量泵排量控制动力机构的模型
• 3.2.2 变量泵排量控制系统的传递函数模型
• 3.3 操舵随动系统的模型
• 3.3.1 操舵随动系统动力机构的传递函数模型
• 3.3.2 操舵随动系统的传递函数模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 自动操舵系统的建模
• 4.1 引言
• 4.2 自动舵控制系统组成及工作原理
• 4.3 静水中船舶操纵的数学模型
• 4.3.1 坐标系与运动学变量
• 4.3.2 平面内船舶操舵运动方程
• 4.3.3 船舶操纵运动线性模型
• 4.3.4 船舶操纵运动非线性模型
• 4.4 环境干扰因素的建模
• 4.4.1 风的干扰力数学模型
• 4.4.2 波浪干扰力数学模型
• 4.5 外界干扰下的船舶航向控制系统模型
• 4.6 船舶航向自动舵传统设计方法
• 4.7 本章小结
• 第5章 舵机系统的控制器设计及仿真分析
• 5.1 引言
• 5.2 变量泵排量控制系统的仿真分析
• 5.2.1 开环频率特性
• 5.2.2 时域仿真
• 5.2.3 变量泵排量控制系统的简化
• 5.3 操舵系统的仿真
• 5.3.1 操舵系统的无扰开环频率特性
• 5.3.2 不考虑干扰时操舵系统的时域仿真
• 5.3.3 考虑干扰时操舵系统的时域仿真
• 5.4 船舶航向控制的设计与仿真分析
• 5.4.1 船舶航向控制器的设计
• 5.4.2 船舶航向控制的仿真
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历