（机械工程专业论文）主动式波浪补偿驱动和执行系统设计关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 主动式波浪补偿系统具有精度高、自主性强等优点，是海上补给的重要装备， 一般由传感器检测、d s p 控制、液压驱动和机械执行四个系统组成，其中液压驱 动和机械执行系统是影响波浪补偿系统动态特性的主要因素。因此，开展液压驱 动和机械执行系统设计关键技术的研究对于提升主动式波浪补偿系统的整体性能 具有重要意义。 在负载较大的情况下，液压系统一般表现出谐振频率低、时滞较大等特点， 对波浪补偿系统的动态特性产生不利影响。为此，本文通过理论分析法建立了主 动式波浪补偿系统的数学模型，提出了四种优化方法并仿真验证，同时还设计了 耦合式行星轮绞车。本文主要内容包括： l 、通过各个自由度运动的耦合方程及其简化方程分析了舰船在海浪中的运 动；分析了舰船各自由度运动对海上补给的影响，重点对舰船升沉和横倾运动的 补偿原理进行理论分析。 2 、为了优化主动式波浪补偿系统动态特性，以液压系统三个基本方程为基础 建立了液压驱动系统的数学模型，提出了四种优化策略：选用阀控型以减小响应 时滞、合理安排反馈元件位置以减小钢丝绳对控制的影响、通过复合控制进行负 载补偿以及通过p d 控制改善动态性能，并进行了仿真验证，最终完成了液压驱动 系统详细设计。 3 、分析了行星轮绞车的装配必须满足的四个条件，实现各齿轮齿数的分配； 详细设计了行星轮绞车各个部件的结构，并对关键部件进行了强度校核。 4 、根据理论分析结果，研制了主动式波浪补偿系统缩比样机；同时研制了基 于“正弦和凸轮 机构的简易海浪模拟平台，为系统实验提供模拟环境。 最终，利用缩比样机完成了实验和数据采集。分析结果表明，补偿的精度、 响应时间、抗干扰性等性能指标基本满足要求，验证了本文所研究的液压驱动和 机械执行结构优化设计方法是有效的。 主题词：主动式波浪补偿液压伺服控制行星轮绞车海浪模拟平台 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t a c t i v eh e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e m ( a h c s ) i sa l li m p o r t a n te q u i p m e n tf o rm a r i n e s u p p l yd u et oi t sa d v a n t a g e so fh i g hp r e c i s i o na n di n d e p e n d e n c e i ta l w a y sc o n s i s t so f s e n s o rd e t e c t i o ns y s t e m d s pc o n t r o ls y s t e m ，h y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e ma n dm e c h a n i c a l e x e c u t i n gs y s t e m a n dh y d r a u l i cd r i v i n ga n dm e c h a n i c a le x e c u t i n gs y s t e m sa r et w ok e y f a c t o r sa f f e c t i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n tt os t u d y o nh o wt od e s i g nt h e mo p t i m a l l yf o ri m p r o v i n gt h ew h o l ep e r f o r m a n c e a h y d r a u l i cs y s t e ma l w a y sh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wr e s o n a n tf r e q u e n c ya n d l a r g et i m ed e l a yu n d e rg r e a tl o a d s ，s oi tw i l lh a sg r e a ti m p a c to nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o fa h c s t h e r e f o r e i nt h i sp a p e ram a t h e m a t i cm o d e lo fah y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e m w a sb u i l tb a s e do nt h e o r e t i ca n a l y s i s t h e nf o u ro p t i m a lm e t h o d sw e r eb r o u g h tf o r w a r d a n dt e s t i f i e d a l s oac o m p a c t s t r u c t u r ep l a n e tg e a rw i n c hw a sd e s i g n e df o rm e c h a n i c a l e x e c u t i n gs y s t e m m a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 u s et h ec o u p l i n ge q u a t i o no f e a c hd e g r e eo ff r e e d o ma n dt h e i rs i m p l i f i e dt y p et o a n a l y z et h em o t i o no fs h i pi nw a v e t h ei n f l u e n c e so fe a c hm o t i o nt o0 f ! fs e a r e p l e n i s h m e n ta r ea n a l y z e da n dt h em o s ti m p o r t a n ti st h ea n a l y s i so fh e a v ea n dp i t c h c o m p e n s a t i o nt h e o r y 2 i no r d e rt oo p t i m i z et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c t h i sp a p e rb u i l dt h em a t h e m a t i c m o d e lb a s e do nt h et h r e eb a s i ce q u a t i o n sa n db r i n gf o r w a r df o u ro p t i m i z es t r a t e g y t h e ya r e ：m i n i s h i n gr e s p o n s ed e l a yb yu s i n gv a l v e c o n t r o lt y p e ，r e d u c i n gs t e e lw i r e r o p e sa f f e c tb yc h o o s i n gt h ep l a c eo ff e e d b a c ke l e m e n t s ；c o m p e n s a t i n gt h el o a db y c o m p o u n dc o n t r o la n di m p r o v i n gd y n a m i cp e r f o r m a n c eb yp dc o n t r o l ，w h i c ha r e v e r i f i e db ys i m u l a t i o n t h eh y d r a u l i cs y s t e mi sd e s i g n e da tl a s t 3 t h ef o u rc o n d i t i o n sa r ea n a l y z e dw h i c hm u s tb ec o n t e n t e di nt h ep l a n e tg e a r w i n c ha s s e m b l a g ea n dn u m b e ro ft e e t ha r ed i s t r i b u t e dt ot h eg e a r s b a s e do na b o v e w o r k , t h i sp a p e rd e s i g n st h es t r u c t u r eo f e a c hc o m p o n e n ta n dc h e c kt h ei n t e n s i o no fk e y c o m p o n e n t s 4 t h es c a l e dp r o t o t y p eo fa h c si sm a n u f a c t u r e db a s e do nt h et h e o r e t i ca n a l y s i s a tt h es a m et i m e ，t h es i m p l ew a v es i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do ns i n es t r u c t u r ea n dc a m i sd e v e l o p e dt oo f f e rt h ee x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n t i ns u m m a r y ，t h ee x p e r i m e n ti sd o n ea n dt h ed a t aa r ec o l l e c t e du s i n gt h es e a l e d p r o t o t y p e t h e r e s u l ts h o w st h a t c a p a b i l i t yi n d i c a t o r s ，s u c h a s p r e c i s i o n o f c o m p e n s a t i o n ，r e s p o n s et i m ea n da n t i - j a m m i n gp r o p e r t y ，a l lm e e tt h en e e d s s ot h e d e s i g nm e t h o d si nt h i sp a p e ra r ev e r i f l e dt ob ee f f e c t i v e k e yw o r d s ： a c t i v eh e a v ec o m p e n s a t i o n h y d r a u l i c s e r v oc o n t r o l p l a n e tg e a rw i n c h w a v es i m u l a t i o np l a t f o r m 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1 阀控型主动式波浪补偿系统参数表。1 9 表3 2 泵控型主动式波浪补偿系统的参数选取1 9 表4 1 行星轮绞车工作参数和结构参数3 7 表5 1 缩比样机液压系统元件选型表4 3 表5 2 海浪模拟平台电机型号参数5 l 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 一种被动式波浪补偿系统l 图2 1 舰船在海浪中的运动示意图。5 图2 2 舰船的纵倾、横倾和升沉引起碰撞示意图5 图2 3 主动式波浪补偿系统结构示意图7 图2 4 升沉方向波浪补偿原理图7 图2 5 行星轮系示意图8 图2 6 舰船横倾与升沉转换示意图9 图3 1 伺服电机内部电路示意图1 0 图3 2 压力补偿器与伺服阀联合使用示意图1 1 图3 3 阀控型主动式波浪补偿系统原理图1 2 图3 4 泵控型主动式波浪补偿系统示意图1 2 图3 5 变量泵结构示意图1 3 图3 6 伺服阀控液压马达示意图1 3 图3 7 伺服阀控液压缸示意图1 5 图3 8 变量泵斜盘运动示意图1 6 图3 9 变量泵控液压马达示意图1 6 图3 1 0 阀控型主动式波浪补偿系统仿真模型1 8 图3 1 1 泵控型主动式波浪补偿系统的仿真模型1 9 图3 1 2 阀控型和泵控型主动式波浪补偿系统仿真结果曲线1 9 图3 1 3 阀控型和泵控型主动式波浪补偿系统仿真结果比较2 0 图3 1 4 考虑钢丝绳弹性的系统示意图2 1 图3 1 5 传感器安装位置示意图2 1 图3 1 6 两种传感器安装方式的系统b o d e 图2 2 图3 1 7 有无负载的仿真结果比较2 2 图3 1 8 复合控制的模型方框图2 2 图3 1 9 复合控制的仿真曲线图和局部放大图2 3 图3 2 0 采用p d 控制的数学模型图2 4 图3 2 1 系统阶跃响应曲线2 4 图3 2 2 主动式波浪补偿液压驱动系统油路图2 5 图3 2 3 开环控制框图2 7 图3 2 4 带电压跟随器的电位器2 7 图3 2 5 控制系统硬件设计图2 8 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 行星轮系安装尺寸示意图3 0 图4 2 中心轮轴安装结构图3 3 图4 3 中心轮轴的三维模型3 4 图4 4 内齿圈轴的安装结构图。3 4 图4 5 内齿圈和轴的三维模型3 4 图4 6 行星轮行星架的安装结构图3 5 图4 7 卷筒、挡板、行星轮、销轴的三维模型3 5 图4 8 底座的三维模型3 5 图4 9 行星轮绞车的整体装配图3 6 图4 10 行星轮绞车的实物图3 6 图4 1 1 行星轮系各部件受力示意图3 6 图5 1 缩比样机液压系统原理图4 1 图5 2 电手柄控制电液比例阀示意图4 2 图5 3 油箱的三维模型4 4 图5 4 集成块的三维模型4 5 图5 5 使用布尔运算设计液压集成块流程图4 5 图5 6 集成块内部孔道结构图4 5 图5 7 液压集成块与叠加阀安装实物图4 6 图5 8 液压系统装配图4 6 图5 9 液压系统实物图4 6 图5 1 0 并联机构4 7 图5 1 1 正弦机构和凸轮机构示意图4 7 图5 1 2 正弦机构行程原理图4 8 图5 1 3 凸轮轮廓设计原理图4 8 图5 1 4 载物台受力分析图4 9 图5 1 5 凸轮外形图4 9 图5 1 6 海浪模拟平台三维模型4 9 图5 1 7 凸轮力矩分析示意图5 0 图5 1 8 海浪模拟平台电机实物图5 l 图5 19 变幅机构51 图5 2 0 串联电阻的电枢回路5 2 图5 2 1 海浪模拟平台实物图5 2 图5 2 2 电机控制电路5 2 图5 2 3 电气控制系统电路图5 3 第v i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 2 4 控制台实物图5 3 图5 2 5 液压马达和绞车连接实物图5 4 图5 2 6 主动式波浪补偿系统缩比样机实物图5 4 图5 2 7 缩比样机控制系统硬件结构图5 5 图5 2 8 缩比样机控制系统实物图5 5 图5 2 9 开发流程5 5 图5 3 0 软件界面图5 6 图5 31 控制程序流程图5 6 图5 3 2 补给速度曲线5 7 图5 3 3 实验结果曲线5 8 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：圭边盎选遗主l 蠼壅边塑垫堑丕统遮让羞筵这苤砑究 学位论文作者签名：翅亟签 日期： 劢d | c i 年1 1 月7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：圭边塞遽退主i 蠼墼边塑垫堑丕统遮盐差缝撞盔盈窒 学位论文作者签名：塑盘签日期：卅年i l 月c 1 日 作者指导教师签名： 眨垒! ：日期：如7 年，一，月，日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论弟一早殖y 匕 1 1 课题研究的背景和意义 波浪补偿系统是伴随着海上补给日益频繁而产生的一种新型吊装作业系统， 其主要工作目的是保证补给舰在任何海况下均可以对被补给舰予以补给。在开放 的海洋环境中，由于海风、海浪、洋流的作用以及舰船自身航行运动的影响，补 给舰和被补给舰会产生相对运动，所补给的物资在补给过程中极易撞击被补给舰 甲板，已经放落到被补给舰甲板上的物资也可能因被补给舰下沉而出现再次悬空 现象，对海上补给的安全作业构成很大威胁【l 】。因此常规的起重机将无法在海上安 全有效地完成补给任务，研制波浪补偿系统是海上补给技术研究的重要内容之一。 波浪补偿是指针对因海面波浪起伏引起的补给装备的运动而进行的补偿校 正。通过波浪补偿，可以增强海上吊装补给的安全性、高效性和可靠性。波浪补 偿系统作为机电液控一体化的装备，其液压驱动系统和机械执行系统具有重要地 位。因此，开展对以上两个系统的研究，对于提高波浪补偿系统整体动态性能有 着重要意义。 1 2 主动式波浪补偿技术研究现状 波浪补偿系统结构形式多种多样，按补偿能量的来源可分为被动式波浪补偿 系统和主动式波浪补偿系统两种基本类型【2 】。 1 、被动式波浪补偿系统 被动式波浪补偿系统中，起重机通过一条补偿绳索与被补给舰甲板连接。补 偿绳索保持恒定张力( 通常为吊重的3 4 倍) ，并且随着两舰的相对运动为波浪 补偿提供能量。图1 1 所示为一种常用的被动式波浪补偿系统，它由储气瓶、柱塞、 随动小车及随动吊钩组成。工作时将随动吊钩挂接到被补给舰甲板适当位置，当 两舰船做相对运动时，钢丝绳上的张力会发生变化，拖动随动小车沿导轨运动， 带动补给的重物上升或下降，达到补偿目的。 图1 1 一种被动式波浪补偿系统 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 被动式波浪补偿系统技术简单，反应速度较快，但是结构体积非常庞大。由 于补偿绳索需要较大的恒张力，因此被补给舰挂接点需要加固，对被补给舰改装 较大，所以被动式波浪补偿系统的使用受到很大的限制【3 】。 2 、主动式波浪补偿系统 主动式波浪补偿系统中，进行补偿运动的能量由卷扬机直接提供。这类系统 主要由检测系统、控制系统和执行系统等组成。工作时，控制系统根据检测系统 测量到的船舶相对运动信号，产生一个与之大小相同、方向相反的主动力驱动信 号，控制执行系统实现波浪补偿。随着微型计算机、传感器技术的迅速发展和控 制理论不断进步，主动式波浪补偿系统可以大大提高波浪补偿精度和系统控制性 能，而且设备体积小，不需要改装被补给舰，是波浪补偿系统的重要发展方向【4 j 。 自1 9 世纪末海上补给技术诞生以来，国外在波浪补偿方法方面进行了大量研 究，波浪补偿技术逐渐成剃5 1 。早期的主动式波浪补偿控制主要是采用卡尔曼滤波 的方法对舰船运动实现实时预报【6 】，但由于卡尔曼滤波要求模型完全明确，模型失 配则影响预报结果，而且卡尔曼滤波的计算复杂不利于在线应用，因而卡尔曼滤 波方法在主动式波浪补偿系统中的应用受到限制。d g l a j n i o t i s 等( 1 9 9 2 ) 提出 了采用a l f ( a d a p t i v el a i n i o t i sf i l t e r ) 方法【7 j 以及神经网络估计器1 8 】预报船舶运动， 预报结果明显优于卡尔曼滤波结果。n h o g a n 提出了带前馈补偿的阻抗控制 ( i m p e d a n c ec o n t r 0 1 ) 方法 9 1 。s v e i ni s a g a t u n 将带前馈补偿的阻抗控制方法应用 于波浪补偿研究，实现了波浪补偿的主动控制【l 0 1 。 我国对海上补给装备的研究起始于2 0 世纪8 0 年代初期，相继成功研制了海 上航行纵向加油装置和横向油料补给装置，油水联合站，海上新型油料补给系统， 船载直升机悬停加油系统，以及岸滩液货补给系统等。对于主动式波浪补偿系统， 国内相关单位进行了一些研究探索，但是还没有研制出技术成熟的波浪补偿系统。 刘绍兴等人采用主动与牵引复合的波浪补偿方式【1 1 1 ，减轻了海况对海上补给的影 响。嵇春艳和李华军等人，基于预测控制理论，研究了适用于海洋平台的时滞补 偿控制算法【l2 1 ，借助于随机波浪力和卡尔曼滤波原理推导出了随机波浪力向前一 步预测公式，实现了对状态向量向前一步预测。在时滞较小的情况下补偿效果理 想，但当时滞较大时补偿效果差。贺可太等针对海上弹药补给问题对波浪补偿系 统进行了初步探索，分析了波浪补偿速度跟踪系统，提出了进行速度跟踪控制的 模糊p i d 算法，并且对在某型运输船的基础上改造的波浪补偿系统的控制进行了 实验和仿真【2 1 。陆卫杰等建立了海上补给动力学模型并进行了动力学仿真分析，获 得了不同海况下和起重机不同位置参数的运动规律，建立了以p l c 为核心，以导 引带产生的扭矩来控制补给过程的控制系统，研究了系统振动问题，发明了船舶 海上补给系统中的海浪自动补偿装置，在国内首次建成了船舶并靠补给波浪补偿 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 系统，通过实验研究了补给装备的可靠性和实用性【1 1 。 1 3 电液伺服技术研究现状 电液伺服控制技术最先产生于美国的m i t ，后因其响应快、精度高，很快在 工业界得到了普及。电液伺服系统是一种以液压动力元件作为执行机构，根据负 反馈原理，使系统的输出跟踪给定信号的控制系统。它不仅能自动、准确、快速 地复现输入信号的变化规律，而且可对输入量进行变换与放大。2 0 世纪6 0 年代各 种结构的电液伺服阀相继问世，特别是以摩格为代表的采用干式力矩马达和级间 力反馈的电液伺服阀的出现和各类电反馈技术的应用，进一步提高了电液伺服阀 的性能，电液伺服技术已日臻成熟。电液伺服系统已逐渐成为武器、航空、航天 自动控制和民用工业设备自动控制的重要组成部分。7 0 年代末8 0 年代初逐渐完善 和普及的计算机控制技术，为电子技术和液压技术的结合奠定了基础，大大地提 高了液压伺服控制的功能与完成复杂控制的能力。当前，控制学科的发展推动了 电液伺服系统智能控制的研究。模糊控制、神经网络控制等非线性控制技术也都 在电液伺服系统中取得了用武之地。尤其是在模糊控制方面，经过多年的研究与 实践，逐步形成了系统化的模糊控制设计理论和方法，并在电液伺服系统中取得 成功的应用。由于电液伺服控制具有以上优点，因此它是主动式波浪补偿系统的 合适的选择。 目前电液伺服系统应用中仍存在一些问题，如非线性系统理论不完备，对诸 如控制策略设计、稳定性分析以及非线性和智能控制理论方法在实际应用中存在 的局限性缺乏有针对性的研究等，这些也是当前电液伺服控制技术的主要研究方 i 句1 1 3 。 1 4 行星齿轮传动技术研究现状 基于耦合式行星齿轮传动的绞车是本文所设计的主动式波浪补偿系统的机械 执行系统的核心。行星齿轮传动最初源于联邦德国，由于具有质量小、体积小、 传动比大及效率高等优点，目前在工程机械、矿山机械、冶金机械、起重运输机 械、轻工机械、石油化工机械、机床、机器人、汽车、坦克、火炮、飞机、轮船、 仪器、仪表等各个方面得到广泛应用。行星轮传动不仅适用于高转速、大功率， 而且在低速大扭矩的传动装置上也获得了应用，现在已经成为世界各国机械传动 发展的重点之一。 在国外，一批高速大功率和低速重载的行星轮减速器相继研制成功。例如德 国d e m a g 的行星减速器，承载能力高达5 4 6 0 0 k w ，输出轴最大扭矩约 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 4 0 0 k n m ，最大传动比已达5 0 0 0 。法国雪铁龙公司研制的重型减速器，高5 m ， 重量为1 2 5 t ，传动比k6 9 ，输出扭矩为3 9 0 0 k n m 。国内在行星齿轮传动方面的 研究已经有一定的基础，但大部分局限于中小功率范围n 钔。目前，对行星齿轮的 研究正朝着硬齿面、高精度、高转速、大功率、大规格、大转矩等方向发展。 1 5 论文的主要研究内容 我国目前在波浪补偿系统领域展开了一些研究，但由于研究起步晚，研究成 果并不多见。本文针对一种基于d s p 控制、液压伺服技术和耦合式行星轮绞车的 新型主动式波浪补偿系统，对其液压驱动系统和机械执行系统进行了深入研究， 主要完成以下研究内容： 1 、主动式波浪补偿系统的理论研究。首先研究了海浪中舰船运动的规律，分 析了舰船各自由度的运动对补给的影响，确定主要的补偿对象；通过计算研究了 升沉和横倾运动补偿的基本原理；提出了基于d s p 控制、液压伺服技术和耦合式 行星轮绞车的新型主动式波浪补偿系统的设计方案。 2 、液压驱动系统的设计与分析。首先比较了液压控制与电机控制的特点，选 择了液压控制作为本课题的控制方式；然后通过理论分析与计算建立了主动式波 浪补偿系统的数学模型，针对大负载情况下主动式波浪补偿系统动态特性的不足， 提出了四种优化策略；最后对液压系统进行了详细设计。 3 、耦合式行星轮绞车的设计。首先分析了双输入单输出的耦合式行星轮绞车 的装配条件，结合给定的传动比进行了配齿计算；对行星轮绞车各部件进行了结 构设计，对齿轮和轴等关键部件进行了强度校核。 4 、主动式波浪补偿系统的缩比样机研制和实验研究。研制了缩比样机的液压 系统和机械系统：然后研制了简易的海浪模拟平台；最后在缩比样机上进行实验， 采集实验数据，分析补偿效果。 第4 页 国防科学技术太学研究生院硕士学位论立 第二章主动式波浪补偿系统理论研究 2 1 舰船在海浪中的运动 舰船在海浪作用下，将产生六个自由度的运动，如图2l 所示。它们分别是沿 个坐标轴的往复振荡以及绕三个坐标轴的旋转振荡： x ：纵摇运动( s u r g e )中：纵倾运动，绕x ( r o l l ) y ：横摇运动( s w a y )o ：横倾运动，绕y ( p i t c h ) z ：升沉运动o m v e )v ：偏航运动，绕z ( y a w ) 圉2l 舰船在海浪中的运动示意图 以上六个自由度的运动都会对海上补给造成一定影响，但是只有横倾、纵倾 和升沉运动会引起重物与被补给舰甲板碰撞从而造成事故，如图22 。由于舰船宽 度较小，而且纵倾角度一般较小，对补给的影响也较小。所以波浪补偿主要针对 升沉和横倾两个自由度的运动进行。 图2 2 舰船的纵倾、横倾和升沉引起碰撞示意图 在舰船六个自由度运动中，除了纵摇运动与其它运动联系较小，其余五个运 动中，横倾和升沉是耦合的，横摇、纵倾和偏航是耦合的，因此应将各个自由度 运动方程联立求解。通过“切片理论”可以得到五个自由度的运动方程”，共分 为二组： ( m + d ：) ：+ 6 。= + c 。：+ a , o o + b = o o + c ：o o = oc o s w , t + 只s i n w e t、 ( ，。+ 口) 目。+ b 口+ c o o 口+ ：+ k ：+ c o z z = m c o s w , t + m s i n w 。t 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( m + 口) y + 6 y + c y + a y w 沙”+ 6 y 缈y - t - c y 妒+ a y e ( ；f 9 ”+ 6 j ，矿缈+ c y 妒伊 = f 虻c o s w e t + f v ss i n w ( ，露+ 口竹，) y ”+ 气审y + c 盼，y + 口卿矽”+ 6 御伊+ c 卿缈+ 口妙y ”+ 6 修y + c 盼y ，一一、 = m 忱c o s w e t + m 肺s i n w , t ( l + 口御) 妒”+ 6 9 9 妒+ c 御缈+ 口卵y ”+ 6 拶y + c 秽y + a c w l p ”+ 6 9 y + c 矿yy = m 伊c o s w e t + m 筘s i n w , t 式中，m 为船体质量；l 、岛、乞分别为船体质量对x 、y 、z 轴的惯性矩；吒为 附连质量或附连质量惯性矩；b ；i 为运动线速度或角速度相联系的阻尼系数；c ；为 复原力或复原力矩系数。这些参数值取决于船型、船体尺寸、震荡频率、船速、 波长以及船与波的遭遇角等因素。因此，对于给定的船，如果能得到有关的系数， 则能从理论上计算出摇摆运动的幅值。 以上耦合方程求解过程比较复杂，为了简化计算，通过研究发现不规则的海 浪可由大量均匀微小的规则波叠加而成，这是讨论不规则波和计算波浪中物体受 力的基本依据。最基本的规则波浪可以用正弦波表示： z = a s i n ( k x - 2 x f i ) ( 2 3 ) 式中：彳为波高的一半；k 为波数；f 为波频，厂= 1 t ；t 为波浪周期。经有关 部门观测，在三级海况下，补给舰与被补给舰升沉方向最大相对位移为3 m ，舰船 最大横倾角度为l o 。，运动周期约为6 1 0 s ，这些参数都是设计波浪补偿系统设计 的重要指标。 2 2 主动式波浪补偿系统方案设计 本文所研究的主动式波浪补偿系统是由传感器检测、d s p 控制、液压驱动和 机械执行四个系统构成 1 6 】，如图2 3 所示。其中传感器检测系统是由倾角、加速度 等传感器、旋转编码器和信号转换模块组成的，其功能为检测船舶和重物的运动， 并将检测信号转换为与d s p 控制器相匹配的信号。d s p 控制系统的功能在于接收 指令( 舰船运动) 和反馈信号( 重物运动) ，计算出偏差并输出控制信号。液压 驱动系统和机械执行系统将控制信号转化为重物的运动。液压驱动系统主要包括 起重和补偿两个回路，它们的液压马达连接到行星轮绞车的两个输入端，分别负 责重物吊放和波浪补偿。 系统的工作过程是：在没有风浪的情况下，关闭补偿回路，仅使用起重回路， 此时该系统的功能同普通的起重机相似。通过信号控制比例阀的开口大小和方向， 从而控制液压马达的转速和转向。当海上风浪比较大，普通的吊装方式无法完成 时，启动补偿回路，开始进行波浪补偿。此时传感器检测系统检测到由风浪引起 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的两甲板的相对速度和两液压马达的转速，将数据传递到控制器中。控制器运算 出误差，发出控制信号，控制电液伺服阀的开口大小和方向，调节重物的运动。 图2 3 主动式波浪补偿系统结构示意图 两个液压马达分别连接行星轮绞车的太阳轮和内齿圈，他们的转动通过行星 轮合成，最终转化为行星架( 绞车卷筒) 的转动。传感器检测系统继续检测当前 各参数的大小，并将其传递至控制系统，进行下一周期的控制。 2 3 波浪补偿原理分析 经过上一节分析可知，影响补给的主要因素是舰船的升沉和横倾运动。波浪 补偿的目的就在于通过控制重物的动作来补偿舰船这两个自由度的相对运动，最 终使重物与被补给舰具有恒定的相对速度。其中，横倾运动可以转化为升沉方向 运动来补偿，所以先分析升沉运动的补偿原理。 2 3 1 升沉运动的补偿原理 图2 4 所示为主动式波浪补偿系统升沉运动补偿原理示意图。设补给舰和被补 给舰升沉运动速度分别为k 和v b ，补给舰和被补给舰间的相对运动速度为。补 给速度为v s ，重物速度为v m ，无补偿和有补偿时重物相对被补给船的速度分别为 v b m 和嵋m 。 图2 4 升沉方向波浪补偿原理图 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 在没有波浪补偿时，有： v b m = v h v b = v s + v a 一，b = v s + 1 ，b a ( 2 4 ) 在有波浪补偿时，速度补偿的目标为： k m = v s ( 2 5 ) 吒m 2 l 厶) 夕 设补偿速度为v c ，补偿后重物速度吨。则加入速度补偿后，重物速度： v 厶= v s + + ( 2 6 ) 重物相对被补给舰的速度为： 嵋m = 吨- v 8 = v s + v c + v a v b = v s + v c + v b a ( 2 7 ) 根据速度补偿目标，由式可推出补偿速度与舰船运动的关系式： v c = - v b a = 一( v a v b ) ( 2 8 ) 机械执行系统的核心部件是行星轮绞车，它实际上是一个n g w 行星轮系，如 图2 5 所示。其中a 为太阳轮，连接起重回路液压马达；b 为内齿圈，连接补偿回 路液压马达；x 为行星架，连接绞车卷筒，是系统的输出端，直接控制重物的运动。 图2 5 行星轮系不恿图 假设口、b 、x 的转速分别为、和仇，口和6 的齿数分别为z 口和z b ，定轴 轮系部分传动比为u 0 ，则满足如下关系式： 磊：w n x ：一互：一u o ( 2 9 ) n b 一，l lz d 由式( 2 9 ) 可得： 以2 击一去- - u ( 2 1 0 ) 以2 r 百一r i 。厶1 u 假设卷简直径为d ， v r ：型刀， ( 2 11 ) v c2 丽以 。厶 要实现波浪补偿功能，需使重物与接收船甲板之间的相对速度与两舰船的运 动速度无关。通过调节补偿回路液压马达的转速，使： ：掣6 0 ( 1 + ( v a - - v b )(212)nb 1 2 2 _ t k 厶 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 那么重物与被补给舰甲板的相对速度： 2 + 石丽z d 一面而z d u o 一2 石而z d n a ( 2 1 3 ) 2 + 石丽一面而一2 石而 z 1 3 ) 与两船的运动速度无关，即实现了波浪补偿。于是可以根据两船的相对速度和重 物与被补给舰甲板的相对速度来计算两个液压马达的转速。 2 3 2 横倾运动的补偿原理 舰船的横倾可能会导致甲板与重物的边缘碰撞，为了避免这种情况发生，需 要控制重物的升降来补偿横倾的运动。也就是说，舰船的横倾可以转换为垂直方 向距离的变化，转换的方法如图2 6 所示。 a 南 图2 6 舰船横倾与升沉转换示意图 当舰船发生横倾时，假设倾斜角为口。此时，最容易与重物边缘碰撞的是甲 板上的a 点，而a 点的垂直位移可以通过倾斜角口转换出，然后再通过升沉方向 的补偿公式进行计算。转换公式为： h = ( 口+ d ) t a n t r ( 2 1 4 ) 2 4 本章小结 本章的主要研究工作可以概括为以下几个方面： 1 、分析了舰船在海浪中的运动，得到运动各自由度的耦合方程，通过适当的 简化，得到了舰船运动的简易方程和各个运动的基本参数，分析了各个运动对于 海上补给的影响并找出主要影响因素作为补偿对象。 2 、分析了本论文所研究的主动式波浪补偿系统的结构组成和工作过程。 3 、分析了波浪补偿的原理，包括升沉运动的补偿和横倾运动的补偿，其中横 倾运动的补偿可以转化为升沉运动的补偿。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第三章主动式波浪补偿液压驱动系统设计与分析 液压系统功能为传递动力和控制信号。液压系统按照工作特性不同可划分为 液压传动系统和液压控制系统两大类。液压传动系统一般为不带反馈的开环系统， 这类系统以传递动力为主，以信息传递为辅；液压控制系统多采用伺服阀等电液 控制阀组成的带反馈的闭环系统，以传递信息为主，以传递动力为辅【1 7 】。主动式 波浪补偿液压系统中最重要的部分为波浪补偿回路，它采用电液伺服阀进行反馈 控制，因此属于液压控制系统。 本章首先结合波浪补偿系统实际情况，分别分析电机控制和液压控制的特点； 然后使用理论分析法建立了补偿回路的数学模型，提出了四种优化策略并通过仿 真验证；最后设计了液压系统油路图。 3 1 液压伺服控制与电气伺服控制分析 目前，作为动力伺服控制方式主要有两种：电气伺服控制和液压伺服控制， 这两种控制方式各有优缺点，分别适用于不同的场合。因此，对于本文设计的波 浪补偿系统，为了得到良好的控制性能，首先需要选择一种最合适的控制方式。 主动式波浪补偿系统最重要的性能指标为控制精度和响应速度。由于波浪补 偿系统负载特别大( 额定载重2 5 t ) ，要想达到一定的精度和响应速度，系统必须 具备较大的刚度。下面，针对两种控制方式分别予以分析。 1 、电气伺服控制 电气伺服控制的核心部件为直流伺服电机，通过改变加在其两端的电压来控 制电机的转速和转向。图3 1 所示为直流伺服电机内部电路示意图。根据回路定律 可以得到它的电压平衡方程式： v o = e o + l 见 ( 3 1 ) 式中：以为电动机端电压，l 为电枢电流，尺。为电枢内阻，e 为反电势。 对于反电势e o ，有： u - r 。 图3 1 伺服电机内部电路示意图 e o = e 甩 ( 3 2 ) 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 式中：e 为常数，为每极总磁通，刀为电机转速。 电动机的电磁转矩为： t = q ( 3 3 ) 式中g 为一常数。 由以上三个式子可得： 万：旦一旦( 3 4 ) e e g 2 通过式( 3 4 ) 可以看出，直流伺服电机的转速不仅与端电压有关，也与电磁 转矩即负载有关，当负载增大时，电机转速下降。所以，对于大负载的系统来说， 电气控制刚度较差，控制精度低，响应速度慢。 2 、液压伺服控制 液压伺服控制的核心部件是电液伺服阀，它既是电液转换元件，又是功率放 大元件，其功能是将小功率的模拟量电信号输入转换为随电信号大小和极性变化 的大功率液压能输出，从而实现对液压执行元件运动的控制。 对于电液伺服阀，负载流量、输入电流之间具有如下关系【1 9 】： 厅一 q l = c a w k j l 仨( 只一p l ) ( 3 5 ) v 式中，q 为流量系数，形为滑阀的面积梯度，k 为伺服阀的增益，f 为线圈输入 电流，b 为伺服阀的供油压力，见为伺服阀的负载压力。 由式