（机械电子工程专业论文）水舱台架耦合控制研究及数字控制系统设计.pdf

_ - c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： l i i ii ii iii ii i ii i ii ii i i 18 0 9 2 3 8 ad is s e r t a t i o nf o r t h ed e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho n c o u p l i n gc o n t r o l o ft e s tbe n c h o f a n t i - r o l l i n g d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m c a n d i d a t e ：w a n gb a i 1i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r l i a n gl i h u a a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m is s i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y a 母v i 屯 土 弋 t - 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：4 - 和乖岛 日期：加一年月f 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程 大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人 允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进 行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨 工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 函往授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：匆槲导师( 签字) ：一一上勃哟 日期：) 7 口年多月fz 日2 ，。年；月 l ， 专 士学位论文 要 二自由度减摇水舱实验台架是研究和设计减摇水舱的重要实验设备，它 可以模拟船舶在海浪中的运动，从而通过台架试验为减摇水舱的设计提供依 据。该实验装置是一种专用综合系统，在国内还没有如此功能规模的装置。 二自由度减摇水舱实验台架的横摇运动与横荡运动是耦合的，这使得台架系 统跟踪输入位置信号能力受到很大影响。 本文首先推导了台架系统的动力学模型，分析了横摇运动与横荡运动的 耦合关系。为了进一步分析二者之间的耦合关系，利用a d a m s 对台架系统进 行了仿真，并对仿真结果进行了分析。对台架液压位置系统进了建模。针对 位置系统对不同周期规则波跟踪情况进行仿真，仿真结果表明，未加控制的 位置系统的信号跟踪能力并不理想，系统对高频输入信号跟踪效果不佳。接 着研究了p i d 控制器的应用，仿真结果表明对于单自由度运动控制，p i d 控 制器完全可以满足要求，然而对于二自由度耦合控制来讲，传统p i d 控制效 果并不理想。 针对台架系统耦合控制，提出了自适应控制算法，并对其控制效果进行 了仿真研究，通过与传统p i d 控制的效果对比，证明了对于二自由度台架系 统耦合控制，自适应控制提高了系统的鲁棒性，使系统跟踪输入位置信号能 力大大提高。接着利用a d a m s m a t l a b 联合仿真技术进一步验证了自适应控制 在台架耦合控制中的有效性。 其次，本文设计了基于p m a c 数字控制器的控制系统以及基于研华公司 p c l 一1 8 0 0 卡的数采监督系统。此系统可以控制台架进行单自由度运动或者二 自由度联合运动，可以实时采集系统的位置、速度、加速度以及水舱液位等 信号，并且可以将数采数据保存，便于以后进行分析研究。 最后，利用所设计的数字控制系统对台架系统进行了试验，实验了台架 系统对不同周期规则波的跟踪情况，并对实验结果进行了分析说明。 关键词：耦合控制；水舱台架；模型参考自适应；p m a c 控制器 卜、， 1 i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t t w od e g r e eo ff r e e d o mt e s tb e n c ho fa n t i - r o l l i n gt a n ki sa ni m p o r t a n t e x p e r i m e n tf a c i l i t yt or e s e a r c ha n dd e s i g na n t i - r o l l i n gt a n k i tc a ns i m u l a t ef a c t u a l m o v e m e n to ft h ev e s s e l n l ed e v i c ei sak i n do fs p e c i a lc o m p l e xs y s t e m s of a r c h i n ah a sn os u c ht e s te q u i p m e n t sa ss t ) l a r g es c a l e t h er o l l i n gm o t i o na n dt h e s w a ym o t i o no ft h eb e n c hi sc o u p l e d ，s ot h et r a c k i n ga b i l i t yo ft h ep o s i t i o ns i g n a l i sa f f e c t e d a tf i r s t ，d e d u c e dt h ec o u p l i n gr e l a t i o n s h i p i no r d e rt of u r t h e ra n a l y z et h e c o u p l i n gr e l a t i o n s h i p ，d i dt h es i m u l a t i o n 嘶t i la d a m s ，a n da n a l y z e dt h er e s u l t s t h e nm a d et h eh y d r a u l i cp o s i t i o n i n gs y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eb e n c h , b a s e d0 1 1t h ed i f f e r e n tp e r i o d i cr e g u l a rw a v e s ，d i dt h es i m u l a t i o n , t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h es i g n a lt r a c k i n ga b i l i t yo ft h eu n c o n t r o l l e ds y s t e mw a sn o ti d e a l ， t h et r a c k i n ga b i l i t yo ft h eh i g hf r e q u e n c ys i g r l a lw a sn o tg o o d ，t h e n , s t u d i e dt h e c o n t r o le f f e c to fp i da l g o r i t h m n l es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tf o rt h ec o n t r o l o ft h es i n g l ed e g r e eo ff r e e d o m ，t h ep i dc o n t r o l l e rc a nc o m p l e t e l ym e e tt h e d e m a n d ，b u tf o rt h ec o n t r o lo ft h et w od e g r e eo ff r e e d o m ，t h ec o n t r o le f f e c to ft h e p i dc o n t r o l l e rw a si n e f f e c t i v e f o rt h ec o u p l i n gc o n t r o l ，t h ep a p e rp r o p o s e ds e l f - a d a p t i n ga l g o r i t h m , a n d s t u d i e dt h ec o n t r o le f f e c t , t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a ti ti m p r o v e dt h e r o b u s to ft h es y s t e mg r e a t l y t h e nu s i n ga d a m s m a t l a bc o m b i n e ds i m u l a t i o n v e r i f i e dt h ea l g o r i t h m s e c o n d l y , d e s i g n e d t h ec o n t r o ls y s t e mw h i c hb a s e do nt h ep m a cc o n t r o l l e r a n dt h ed a t ea c q u i r es y s t e mw h i c hb a s e do nt h ep c l 一18 0 0c a r d t h es y s t e mc a n c o n t r o lt h eb e n c h ，a n di tc a nc o m p l e t es i n g l ed e g r e eo ff r e e d o mm o t i o no rt w o d e g r e eo f f r e e d o mm o t i o n ，i tc a nm a k ed a t ea c q u i s i t i o na n ds a v ei t f i n a l l y , d i dt h et e s t ，t e s tt h es i g n a lt r a c k i n ge f f e c ta n da n a l y z e dt h er e s u l t s k e yw o r d s ：c o u p l i n gc o n t r o l ；b e n c h ；m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e ；p m a c 一， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的来源、意义及目的1 1 2 减摇装置概述1 1 3 减摇水舱发展概况3 1 3 1 国外减摇水舱发展情况概述”3 1 3 2 国内减摇水舱发展情况概述4 1 4 船舶减摇水舱试验摇摆台的发展情况4 1 5 自适应控制7 1 6 本论文研究的内容8 第2 章系统建模”1 0 2 1 引言lo 2 2 减摇水舱试验台架数学建模1 0 2 2 1 横摇系统动力学模型1 0 2 2 2 横荡系统动力学模型”1l 2 2 3 台架系统a d a m s 仿真1 3 2 3 台架电液位置系统建模”1 9 2 3 1 减摇水舱试验台架横摇液压控制系统数学模型1 9 2 3 2 减摇水舱试验台架横荡液压控制系统数学模型2 2 2 3 3 位置系统仿真2 5 2 4 本章小结2 6 第3 章控制策略研究及仿真分析”2 7 3 1 引言2 7 3 2 控制算法研究2 7 3 2 1pid 控制2 7 3 2 2 模型参考自适应控制3l 3 3 本章小结4 2 第4 章虚拟样机验证4 3 4 1 引言4 3 4 2a d a m s m a t l a b 联合仿真技术4 3 4 3 台架系统机电联合仿真4 3 4 4 仿真研究4 5 4 4 1 未加自适应控制的台架系统联合仿真”4 5 4 4 2 基于模型参考自适应算法的台架系统机电联合仿真4 6 4 5 本章小结4 8 第5 章水舱台架数字控制系统设计4 9 5 1 引言4 9 5 2p m a c 控制器简介4 9 5 3 控制系统硬件实现51 5 3 1 系统硬件选型及测试5 1 5 3 2 硬件系统接线5 3 5 4 监控系统软件实现”5 5 5 5p m a c 运动控制程序实现5 8 5 6 试验及曲线分析5 8 5 6 1 阶跃响应一5 9 5 6 2 动态响应6 0 5 6 3 实验结果分析6 2 5 7 本章小结一6 3 结论“ 参考文献6 5 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 8 致访 6 9 附录7 0 哈尔滨i ：科人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源、意义及目的 本课题来源于哈尔滨工程大学“2 1 l 工程重点投资建设项目：船舶 减摇水舱试验装置。 船舶在海上航行时会受到海风、海浪等的影响，在其作用下会产生剧烈 的横摇及横荡运动，这会给船舶的航行安全带来威胁，同时也会给乘客造成 不适的感觉，所以如何减小船舶航行过程中的摇摆就成为一个十分有意义的 研究课题。减摇水舱是减小船舶横摇的重要减摇装置之一，尤其是在低航速 和零航速时，常规的减摇装置如减摇鳍难以发挥作用，采用减摇水舱造价低 廉，可以有效解决船舶低航速航行时的耐波性问题，达到明显的减摇效果。 减摇水舱在国外应用比较广泛。我国的一些院所也展开过这方面的研究，但 是未形成产品。随着对船舶及舰艇耐波形要求的同益提高，开发经济、有效 的减摇装置势在必行，减摇水舱无疑是最合适的减摇装置之一。 对减摇水舱进行研究，除了要进行理论研究以外，建立减摇水舱的试验 装置是研究减摇水舱的重要手段。减摇水舱减摇性能实验可以分为船模实验 池中的实验和模拟台实验。船模实验不可避免的存在尺度效应问题，还涉及 到水动力与实际特性是否相同的问题。模拟台试验是将船的重量、流体动力 和复原力等按一定比例关系缩尺，给出相似于船的横摇运动，只要模型足够 大，则可避免台架试验尺度效应问题。所以船舶减摇水舱台架试验是对水舱 减摇性能进行研究的现实可行的实验方法。 为了更好的研究减摇水舱，对实验室已有的二自由度减摇水舱试验台架 进行了研究，研究二自由度台架耦合控制，提高台架系统位置跟踪效果，为 减摇水舱的研究提供一个可靠、有效的设备具有实际的意义。 1 2 减摇装置概述 关于船舶减摇问题的科学研究可以追溯到1 8 世纪。1 9 世纪开始，造船 业实现了木帆船到机动船的发展，船舶的横摇阻尼大大减小，这就使舰船在 航行时或者战斗时产生很大的横摇运动。为了解决这一问题，人们相继提出 了几种减摇装置，如舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱等。 夺 哈尔滨。l ：程人学硕十学位论文 1 舭龙骨 舭龙骨是在船的舭部( 就是船舷和船底板连接的线型部分) 安装的 连续型材，一般方形系数小的船安装，用来加强耐波性和稳定性，在设 计合理的情况下能够极大的降低横摇和纵摇。但是相应的也会降低船舶 的操纵性。舭龙骨可以增加船舶的横摇阻尼来达到减小横摇的目的，它 是一种被动式减摇装置，其减摇效果可以达到3 0 ，效率较低，但是结 构简单，因此几乎大部分船舶都装有舭龙骨。 2 减摇鳍 减摇鳍是一种最常用的主动式减摇装置，减摇鳍主要由鳍、转鳍传动装 置和控制系统构成，通过控制鳍的运动可以产生对抗横摇的稳定力矩，这样 便可以达到减摇的目的。 减摇鳍一般可以分为可收放式减摇鳍和不可收放式减摇鳍。前者当鳍不 工作时，可将其收入船体，而后者不具备收放功能，始终伸出船体。减摇鳍 最好的减摇效果可以达到9 0 以上，1 9 8 5 年英国“玛丽阜后”号在大风浪条 件下进行了减摇性能试验b 1 ，当减摇鳍工作时，船的横摇角平均在2 。左右； 而减摇鳍不工作时横摇角达到2 5 。但是减摇鳍也有其缺点，在低速航行以 及零航速时不能有效地减摇。 我国在6 0 年代初开始研制减摇鳍，哈尔滨工程大学和上海船舶设备研究 所等单位进行了大量的研究设计工作，尤其是哈尔滨工程大学4 0 4 实验室， 其研制的系列减摇鳍产品已经在国内占有较大份额的市场，且有部分出口， 为我国的经济国防建设做出了突出贡献p 1 。 3 减摇水舱 减摇水舱的发展已经有1 0 0 多年的历史，到今天已经有很完善的理论， 成为一种实用的减摇装置。依照其结构形式可以分为两种类型h 1 ：( 1 ) 自由表 面水舱，包括槽型水舱和矩形水舱；( 2 ) u 型水舱，又称弗拉姆水舱。依照其 工作原理减摇水舱可以分为三种形式：( 1 ) 被动式减摇水舱；( 2 ) 主动式减摇水 舱；( 3 ) 可控被动式减摇水舱。 主动式水舱是通过传感器来检测船舶的运动状态，从而来控制水泵或者 叶轮，把水舱中的水在几秒钟内从船的一舷打到另一舷，由于这种水舱需要 瞬间将几十吨重的水从船的一舷打到另一舷，这就需要很大的动力能源，因 2 哈尔滨i ：科人学硕十学何论文 此造价昂贵，维护费用高，所以虽然这种水舱已经提出很多年，但是并未成 功实施胪1 。 被动式减摇水舱是根据“双共振”原理设计的，“双共振是指水舱内的 水的固有振荡频率与船舶的固有横摇频率相等。船舶谐摇时，波浪与船舶横 摇之间以及船舶横摇和水舱内水流振荡之间发生双重共振现象，使水舱内水 流振荡产生的力矩与波浪对船体产生的扰动力矩的相位相反，从而达到减摇 效果。但是这种水舱当波浪频率离开船舶谐摇区域时，水舱内水流振荡产生 的力矩与波浪对船的扰动力矩的相位关系发生变化，从而使水舱的减摇效果 降低，甚至会发生增摇现象，后果非常严重，这一缺点限制了它的推广及应 用。 可控被动式减摇水舱克服了被动式减摇水舱的缺点，方法是通过利用少 量能量改变水舱内水流的周期。在水舱的两个边舱中安装两个可调的气阀， 通过横摇系统的传感器感知相应状态进而控制阀门的开启或闭合达到控制水 舱内水流的运动。如果横摇周期大于水舱固有周期，水舱的控制系统便可以 通过阀门调节水流周期来适应变化的横摇周期，这种方法取得了很好的减摇 效果。 1 3 减摇水舱发展概况 1 3 1 国外减摇水舱发展情况概述 从l8 6 0 年开始就有人开始研究减 摇水舱，直到2 0 世纪，减摇水舱才开 始成为一种实用的减摇装置，其中以德 国人弗拉姆提出的被动式u 型水剧卅 最有代表性。如图1 1 所示。 弗拉姆u 型水舱是根据“双共振 原理设计的，但是它有一个严重的缺 陷，当离丌谐摇区时减摇效果明显下 降，并且有可能发生增摇，这一固有缺 点限制了它的应用。 3 图1 1 弗拉姆水舱 哈尔滨i ：程人学硕十学位论文 到6 0 年代时有人提出了另外一种水舱槽型水舱h 1 。槽型水舱相比于 u 型水舱有很多优点，比如：其对海浪的适应性好，减摇效果高。但是，它 依然属于一种被动式减摇水舱，仅适用于有限的波浪频谱范围内起减摇作用。 为了克服可能增摇的缺点，7 0 年代，可控被动式减摇水舱问世，人们通过利 用少量能量改变水舱内水流的周期，在水舱的两个边舱中安装两个可调的气 阀，通过横摇系统的传感器感知相应状态进而控制阀门的开启或闭合达到控 制水舱内水流的运动。如果横摇周期大于水舱固有周期，水舱的控制系统便 可以通过阀门调节水流周期来适应变化的横摇周期，这种方法取得了很好的 减摇效果。这种水舱既能抑制横摇，又能减小横倾。英国布朗公司和德国英 特灵公司都已经开发出系列产品，并且在实船上得到应用，效果良好p 1 。 1 3 2 国内减摇水舱发展情况概述 我国很多高校及科研院所对减摇水舱都曾做过深入的研究，哈尔滨工程 大学、上海交通大学、船舶7 0 2 研究所、船舶7 0 4 研究所等都做过相关的研 究工作。其中上海交通大学对被动式槽型水舱进行了系统的实验研究，并且 在实船上安装使用，在“琼沙 客货船和“海关3 0 1 ”艇的应用效果显著。大 连理工大学沈华等人通过研究提出了“船舶一开式水舱”系统的流体动力学 模型，并且进行了理论计算和模型试验，结果表明这种水舱对箱型工具船具 有很好的减摇效果降1 。冯铁城和陶尧森教授从船体与水舱内水流的基本运动 着手，建立了船体一可控被动式水舱系统的控制方程，并提出了时域解法， 并且在摇摆台上进行了模型试验p 1 。 迄今，我国已经有很多船舶装有被动式减摇水舱。不过，目前国内设计 的水舱形式多采用槽型平面水舱。 1 4 船舶减摇水舱试验摇摆台的发展情况 为了对减摇水舱进行深入研究，设计减摇水舱试验装置具有非常重要的 意义。减摇水舱减摇性能模型试验可以分为两种：一种是在船模试验池中试 验，它包括耐波性水池试验和拖曳水池试验，另一种就是模拟台试验。船模 试验存在尺度效应问题，而且还涉及到水动力特性和实际性是否相同的问题， 若水舱模型太小，这时候尺度效应就会非常明显们。而模拟台试验是将船的 4 哈尔滨j ：程人学硕十学位论文 重量、流体动力和复原力等按一定比例关系缩尺，给出相似于船的横摇运动， 只要模型足够大，则可避免台架试验尺度效应问题。所以船舶减摇水舱台架 试验是对水舱减摇性能进行研究的现实可行的实验方法。 目前存在的减摇水舱摇摆台根据其所模拟的运动自由度数划分，可分为 单自由度台架和多自由度台架。单自由度台架只能模拟船舶的横摇运动，比 较常用，结构也简单。多自由度台架大多是二自由度台架，它既可以模拟船 舶的横摇运动也可以模拟船舶的横荡运动。若按台架的用途来划分，则可以 分为通用型和专用型。通用型水舱可以模拟不同船舶不同形式的水舱，而专 用型是针对某一特定研究而建立的实验台。 单自由度减摇水舱实验台架u 如图1 2 ， 台架有一个单自由度转台，它代表了船舶的 横摇运动，台架的惯性力矩、阻尼力矩和恢 复力矩均可以调节。水舱模型在横向的调节 范围为3 4 英尺，因此可以模拟船宽为 2 0 1 2 0 英尺的实船，相应的尺度比为5 - 4 0 。 由于台架是实际模型，因此实际控制装置可 以安装在台架上，按照预先设定的海浪制造 波浪凸轮，放大器跟踪波浪凸轮，输出信号 给伺服电机，驱动台架上的重物。重物在台 上做横向运动，产生所需的干扰力矩。重物 的运动和由此引起的台架运动通过双通道记 录仪记录。图1 2 单自由度台架 验中的 播水鲍 1 9 8 7 年美国海军在改进中途岛号( c v _ 一4 1 ) 航空母舰运动时，为了对 自由浸水式减摇水舱进行预报，专门建立了大型水舱实验装置【引如图1 3 所 示。整个船舶和水舱模型置于一个巨大的水槽中，模型上安装了一套移动重 物振荡系统，系统主体为重约4 5 4 公斤的升摇重物小车，小车由伺服电机和 丝杠驱动做规定幅度的正弦横荡运动，从而使船舶按规定的要求做横摇运动。 反馈电位计用于测定重物小车的移动幅度，以产生准确的升摇力矩。模型中 以铅作为舱底的压载物，以得到所需的船舶吃水和横摇固有周期。模型内部 安装有摄像机，通过玻璃内壁记录水舱流体的运动。安装在边舱上的标尺用 5 哈尔滨i ：科人学硕十学位论文 于记录水舱水位。第二个摄像机安装在水舱外部，记录整个模型运动和波浪 运动。 减摇水舱实验摇摆台还 有另一种结构【h 。四边立柱 为支撑框架中下部为台架， 中间为水舱模型，控制气阀 通过气体连通道将两边舱连 接。该台架最大能够产生 1 5 。的横摇角，最小横摇周 期为o 5 秒，能够进行规则 波和不规则波实验。在水舱底图1 3 大型水舱实验装置 部装有流速传感器，将流速信号反馈给计算机，做为气阀启闭的控制信 号。为了对减摇水舱进行抗倾实验，在左右边舱还分别安装了电容式波高仪， 用于检测两边舱的平均液位。所检测到的平均波高还可以用于对边舱晃荡的 情况进行分析。 前面所介绍的均是单自由度减摇水舱实验台架，其结构简单，可以模拟 船舶横摇运动，就作为水舱尺寸和设计的目的而言，应用这种台架进行实验 是可以满足要求的。 但是，在对船舶运动的研究中发现，“船舶一水舱”系统中横摇运动与船 舶的横荡运动时相互耦合的，这时候人们便开始研究二自由度台架。美国舰 船研究与发展中，t = , ( n s r d c ) 于1 9 7 0 开始研制多性能的二自由度减摇水舱实 验台架，用以实验减摇水舱的性能，该实验台架可以实验不同航速和航向时 的水舱性能，它可以将实测的或理论的长峰波在有涌共同作用下以及不同风 向的海浪作为扰动信号输入其中。该实验台架包括三部分：模拟海浪扰动的 时间关系曲线；模拟船动力特性的运动部分和水舱物理模型。 目前，哈尔滨工程大学船舶减摇技术研究所( 4 0 4 实验室) 已拥有高性能的 二自由度减摇水舱实验台架，如图1 4 所示。该台架可以模拟船舶的横摇运 动和横荡运动。其重量、转动惯量、重心位置、阻尼力矩等等均可以按需调 节，可以按照相似原理与实船相似，可以根据角速度信号，按预定的程序控 制边舱顶部气阀的开关，来控制水流的周期。本文所有的理论研究以及实验 6 哈尔滨1 ：程人学硕十学位论文 均是基于此二自由度台架系统完成的。 f ； b 雕0 一薏 缓f 胁 l r 中： ；7 霪 f “爹 ；硝 f l 缀 一荔至羞“ l 上- ”。 绣 测 dl翳；：0 蜜 锡 1 墨 i ， ii 一 l 翻 i 彩鳓幽撕 r _ 、_ o 鼍懿馥灞隐勰渤 网 滋_ 一，g 、霾 e ，j 、魁5 1 圄 h “ 啊 誓o ? ，| ? 。? 雾 磊? i ? ”篓? 。孑霪。 s 。艄： la 基豳 鞴垤 隰麓瑟= 二翻一。f 。1 r i p 一一1 习翼 盔 翮 艺_ i 醮溺 _ 豳瞄_ _ 誓翟礤疆戳 i m 蕊“ _ l 曼 i - 、彳隳习l 网 鬻湖魈 一嚼u 国 ，2翰邑1 1 i f 一”嘲 一 踵阁缘豳鬣绺驴一： 匿蔓 _ 锄蠢习 冒。舅叠 矽髟。i 三 琵船岵越戤纽苏轴出幽曲蠡二凇“ 巴，：涮毯五盛拖：。 哈尔滨l ：稃人学硕十学位论文 将自适应控制应用到液压机器人手臂的控制中，实验结果证明自适应控制具 有良好的动态性能引，控制效果优于p i d 控制，西安交大在双输入双输出导 弹壳体加载试验机上采用了模型跟随自适应控制算法，试验机由两个要求同 步的伺服系统组成，进行了状态重建的研究，处理了两个伺服系统加载时藕 合问题。但此种算法不适合快速控制m 1 【2 2 ，英国b a t h 大学流体动力中心 的n d v a u g h a n 研究了阀控马达电液位置伺服系统的自校正控制口2 1 。通过将 系统模型简化为一阶积分环节，作者设计了一种自校正调节算法，并进行了 实验研究口叫，日本东京工业大学的竹中研究室和后来的北川研究室，对阀控 缸电液位置伺服系统的模型参考自适应控制进行了深入的研究。通过对油缸 速度进行自适应控制，从而达到了控制油缸位移的目的忙4 1 。 关于减摇水舱台架控制问题，人们做过很多的研究工作，传统的p i d 控 制、神经网络控制、模糊控制而且都取得很好的控制效果，使得台架的位置 跟踪精度大大提高。然而过去的大多数研究都是针对于台架横摇系统的单自 由度运动控制，很少考虑二自由度联合运动的情况。实际研究中发现，二自 由度台架系统横摇运动与横荡运动之间存在耦合关系。二者联合运动时，横 荡运动对横摇运动的影响不可以忽视。传统的p i d 控制经常难以把由负载 干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干 扰的影响控制器会产生超调，此外p i d 在控制非线性、时变、耦合及参 数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果p i d 控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。考虑到常规p i d 控 制难以有效控n - 自由度减摇水舱台架系统，并且考虑台架系统运动的特点， 本文尝试将自适应控制应用到台架系统中，以期达到抑n - 自由度运动之间 的相互干扰问题，从而做到对水舱台架系统的有效控制。 1 6 本论文研究的内容 根据国内外船舶减摇水舱实验台架的发展情况，本文主要展丌以下几个 方面的理论与实际研究工作： 1 推导二自由度水舱台架系统动力学模型，推导液压控制系统数学模 型； 2 研究p i d 算法和模型参考自适应控制算法在二自由度台架耦合控制 应算法的有效性； 4 针对二自由度台架系统设计了基于p m a c 的数字控制系统以及基于 研华p c l 18 0 0 卡的数字采集系统； 5 台架试验。利用所设计的水舱台架数字控制系统进行实验研究。 9 哈尔滨i ：程人学硕十学位论文 第2 章系统建模 2 1 引言 二自由度船舶水舱试验台架可以模拟船舶横摇、横荡运动，在实验中发 现台架横摇和横荡运动之间存在着相互耦合的关系。为了对台架系统进行耦 合控制研究，有必要建立台架二自由度动力学模型。同时也为了便于将各种 控制算法应用到控制系统中，有必要建立横摇、横荡两套电液伺服系统的数 学模型。 2 2 减摇水舱试验台架数学建模 考虑二自由度台架系统，其横摇与横荡运动是相互耦合的。台架模型如 图2 1 所示： 嬲 系统的主要参数如下： j 横摇部分转动惯量：9 5 6k g m 2 j 横摇部分质量m ：1 1 0 6 k g 。 横摇部分力臂，：0 2 9 4 m ； 横摇阻尼系数b = 1 4 4 0 8 n m j：， 横荡部分质量m ，：1 6 7 0 k g 总质量m o ：2 7 7 6 k g 2 2 1 横摇系统动力学模型 图2 1 台架模型图 在横荡力，作用下，横摇运动角位移矽对转矩m 的传函。 假设横荡在f 作用下运动了y ，对横摇转矩m 产生了埘的耦合量，同 时使横摇部分产生了秒的偏移量，并且横荡对横摇产生水平方向力e ，垂直 方向上的力则： m + a m = j 币+ b 审 a m = - - f y l s i n o f x l c o s 0 d o = 一f y l s i n o + f x l c o s e c = 聊万d 2 - i s i n 0 ) l o ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 哈尔滨。i ：科人学硕+ 学位论文 c 一孵= 聊嘉( f c 刚) ，一c = m 。扩： ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) f 矽2 0 s i n 口0 i c o s 8 1 代入参数计算得： m 幽j 毫t ，s ( 2 - 7 ) 埘：害坚l ， ( - ，+ ，2 弦2 + m g l i 埘：些】， l j + 3 4 7 令： g - ( 占) 2 瓦矿赢l g 2 l ( 沪焉 2 2 2 横荡系统动力学模犁 ( 2 - 8 ) 在横摇力矩m 的作用下，横荡位移y 对力f 的传函： 假设横摇部分在力矩m 的作用下的作用下转动了秒角，其对横荡力f 产 生了一个心的耦合量，水平方向上的力c ，位移刈列： f + 厶f - - = m n + j 5 ， j e = m b 9 a f 一臌= 朋。舅 ( 2 9 ) ( 2 - l o ) ( 2 1 1 ) 哈尔滨i ：稃人学硕十学位论文 丝：_ mcos0(2-12) ， 由此可以推出： 代入各个参数整理得： 令： f 世m o s z 奔( 2 - 1 3 ) 心：尘：生口 f + 缸2 7 7 6 s 2 + 0 6 s f ：9 5 6 s 2 + 1 4 4 0 8 s9 0 2 9 4 g 2 ( s ) = 万慈丽1二，u ) 。广u u j g 1 2 ( 加墅总竽 综上，可以得出系统传递函数框图如图2 2 所示： m 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ 乡 】， ( 2 - 1 4 ) 图2 2 台架系统耦合关系框图 从数学模型中可以看出，横摇系统的输出口受到横摇力矩的影响，同时 也受横荡加速度穸的影响；横荡系统的输出】，受到横荡力f 和横摇角加速度 痧的影响。这是一个典型的双输入双输出耦合系统。 哈尔滨i ：科人学硕十学何论文 2 2 3 台架系统a d a m s 仿真 为了进一步分析台架系统横荡与横摇运动之间的耦合作用，本章利用优 秀的动力学仿真软件a d a m s 对台架系统进行了仿真分析，并且根据分析情况 提出了合适的算法对台架系统进行控制。 a d a m s 是以计算多体系统动力学为基础，包含多个专业模块和专业领域 的虚拟样机开发软件，利用他可以建立复杂的机械系统的运动学和动力学模 型啦5 1 。水舱台架系统是二自由度系统，利用a d a m s 可以很容易地分析其横摇 与横荡运动之问的相互影响。 在利用a d a m s 仿真之i j 应首先建立台架系统的c a d 模型。本文采用三 维c a d 软件s o l i d w o r k s 绘制台架模型，如图2 3 所示： 爹。”一2 一“。巍一4 ”? 。7 “”“+ ”扎“1 。9 。”“一。”锈 。；蕊 图2 3 台架三维图 其中l 为重心调整机构，2 为配重共4 块，3 为水舱。 在s o l i d w o r k s 中绘制好三维图后添加每个零件的密度属性( 也可在 a d a m s 中设置) ，之后将文件另存为p a r a s o l i d ( x t ) 文件输出以备a d a m s 调用。 ；o，“，；i，；，；?；移、；，。；j潋 哈尔滨1 ：程人学硕十学位论文 打开a d a m s v i e w m f i l e - i m p o r t 导入p a r a s o l i d 文件。 对模型进行相应的参数设置，添加转动副、移动副及驱动力m o t i o n 。为 了研究横摇、横荡运动的耦合影响，设置两运动均为正弦运动，初始相位角 相同。首先进行仿真测试，如图2 4 所示： 图2 4 仿真测试图 仿真数据如下： 1 横摇运动对横荡运动的影响 给定系统横荡运动为幅值0 2 米，周期l o s 的j 下弦运动，横摇运动分别 为幅值3 0 度周期l o s 正弦运动、幅值2 0 度周期l o s 正弦运动、幅值1 5 度周 期l o s 正弦运动；幅值3 0 度周期l o s 正弦运动、幅值3 0 度周期8 s 正弦运动、 幅值3 0 度周期5 s 正弦运动，测量横荡力，在y 轴方向的分量，仿真结果如 图2 5 所示： 警鬈i ，：= 购l i1鼍啪l，昙篙。：竹53721789173 。妻臻。j 。：! 悠笼! l 一 ，j 一_ 曼聋塑i 。! 磊鲤! l ! 一一 薹 量 l h t l r|lj1” 。 vwjjf卜：u o dd o d 5 d2 0 d2 囊3 0 03 d t - f _ o 1 4 d d 锄0 d - t 5 0 0 o n1 0 m2 0 0 3 0 d4 0 0 t i m ( c ) ( c ) 蒜i 品 m l - a v g i i q l 惦： 3 8 4 0 e l i - 1 5 8 4 3 3 l 2 2 3 5 2 0 6 m o t i o n 3 m ， i3 , x r 州l 7 。 ，| 1 一，、 ： 1 | f l 一i 一 l 卜1 i 八：八 八2 10 ；一 “ “r t _ 3l 1 d m - d d d 一卫 0 05 由t 0 0 1 5 0 2 0 d2 5 d3 0 d 笃d d4 6 0 1 1 m e 【$ ) ( d ) 铷m 挪d d o o 耵d 棚d - 3 0 0 0 m o t i o n3 j 正 j ，e r t1 ，、， f 、 7 tt 肛添：厂 u 一! 蟛群 ：二_ ： ： 一! s 山t 0 0 5 d2 0 d 2 5 d3 0 03 5 且o n1 0 0 r i m e ( i 哪 2 0 0o柏d0 t h ( _ c ) ( e ) ( f ) 图2 5 横摇运动作用下横荡力f 在y 轴方向的分量曲线 其中：( a ) ：单纯横荡运动 ( b ) ：横摇运动幅值1 5 ( c ) ：横摇运动幅值2 0 ( d ) ：横摇运动幅值3 0 ( e ) ：横摇运动幅值3 0 ( f ) ：横摇运动幅值3 0 度周期l o sj 下弦运动时 度周期l o s 正弦运动时 度周期l o s 正弦运动时 度周期5 s 正弦运动时 度周期8 s 正弦运动时 1 5 它2重童 言昌le一量 臂sc，=差 d d d d d 0 口 n d 枷 如 枷 椭 。 恤 抛 湖 枷 ，b室，i)p-p 哈尔滨i ：程人学硕十学位论文 2 横荡运动对横摇运动的影响 给定系统横摇运动为幅值3 0 度，周期5 s 的正弦运动。 横荡运动分别为幅值o 2 米周期1 0 s 正弦运动、幅值o 5 米周期1 0 s 正弦 运动、幅值0 8 米周期1 0 s 正弦运动；幅值o 5 米周期8 s 正弦运动、幅值0 5 米周期5 s 正弦运动，测量横摇力矩丁在x 轴方向分量，结果如图2 6 所示： 1 0 d 0 _ o 硼d o d m o t k ，q ，棒| ， i 5 ； n f 6 |i、1 n _vi_j ij0u o d1 0 d2 0 d3 0 d柏dd 舯( c ) ( a ) 1 0 0 5 d 崔 l 0 0 m o 1 0 d m o t i ( 】n - 4 j , a e a | 厂八趴厂 vv t ； 0 d5 d1 0 01 5 d2 0 d2 5 d 1 l i n ec ) ( b ) s l o p = - m h i h 舣 l 哼l r m s ：s b p = i m h l m 腻 i a 喀 i r m s ： 墨兰竺：! 竺：! 翌= 里兰! !苎! 塑! = 竺：! 堡：坐! 竺! 兰竺：苎竺! ：坚婴! !墅! 竺；l ：竺竺：竺坠： 1 0 d 5 d 枷d o 口 i d c , t i o n1 h 队_