船舶二自由度运动仿真平台研究

发布时间：2017-08-21 06:06

  本文关键词：船舶二自由度运动仿真平台研究

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【摘要】：船舶在海上航行中,由于受到风、流、浪的影响,会发生摇荡运动。船舶的摇荡影响船舶动力装置推进性能,增加船舶航行风险,削弱舰船武器的精确性等,因此船舶的摇荡运动成为目前船舶运动控制研究的重点内容,尤其是横摇和纵摇,在军用和民用方面都有着深远意义。若采用海上实船试验方式来对船舶摇荡运动进行研究,成本高,周期长。因此,本论文以学校“船舶综合液压推进试验系统”项目为应用背景,设计了船舶横摇和纵摇二自由度运动仿真平台,为船舶在风浪中动力装置推进和船用设备性能影响以及船舶运动控制研究打下基础。 设计本平台的功能是能模拟船舶在一定海况下的横摇和纵摇运动,以及不同幅值和周期下的正弦波运动。本文首先对海浪基本理论进行介绍,研究海浪谱密度和Longuest-Higgins海浪波幅模型,以长峰波随机海浪波倾角为桥梁,对船舶摇荡受力分析,建立Conolly(康诺利)船舶横纵摇运动模型。 文中第三章概括地对船舶运动仿真平台进行了设计分析,包括：平台机械结构分析,液压传动系统原理分析,液压系统主要元件选型分析等。平台控制系统是基于PLC的闭环PID控制,因此,需要对系统PID控制设计、PLC选型及硬件设计以及控制系统的电路设计进行分析。 为实现平台的横摇和纵摇运动,PLC控制系统程序设计显得尤为重要。首先对平台PLC控制系统进行硬件组态,然后根据平台要实现的功能采用模块化编程,最后对平台主要控制逻辑块的设计和内容进行详细的分析。 最后,在设计开发出的船舶二自由度运动仿真平台上进行实验研究工作,主要从简单正弦运动和实际海况下运动实验两个方面着手,对系统PID控制下的平台实际运动曲线和设定运动曲线进行对比分析。结果表明,设计开发的船舶二自由度仿真平台性能能够达到当初设计要求,具有一定实际意义。
【关键词】：二自由度 船舶仿真平台 运动模型 PLC PID控制
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP391.9;U661
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 选题研究背景和意义11
• 1.2 船舶运动仿真平台研究现状及发展趋势11-14
• 1.2.1 国内外船舶运动仿真平台研究现状12-14
• 1.2.2 船舶运动仿真平台发展趋势14
• 1.3 电液传动与控制技术14-16
• 1.3.1 电液传动与控制技术的发展14-15
• 1.3.2 电液传动与控制技术的优缺点15-16
• 1.4 PLC介绍16-17
• 1.4.1 PLC发展与特点概述16-17
• 1.4.2 PLC与计算机控制系统的比较17
• 1.5 课题研究内容17-19
• 第二章 船舶二自由度运动模型19-32
• 2.1 海浪基本理论介绍19-22
• 2.1.1 随机海浪19-20
• 2.1.2 海浪频谱分析20-22
• 2.1.3 Longuest-Higgins海浪波幅模型22
• 2.2 有义波高与海况等级对应关系22-25
• 2.2.1 蒲福风级和海况介绍22-24
• 2.2.2 风级表与海况表对应处理24-25
• 2.3 船舶二自由度运动模型的建立25-32
• 2.3.1 长峰波随机海浪波倾角模型25-26
• 2.3.2 船舶摇荡坐标系的建立26-27
• 2.3.3 船舶横摇运动数学模型的建立27-30
• 2.3.4 船舶纵摇运动数学模型的建立30-32
• 第三章 船舶仿真平台液压传动系统设计分析32-42
• 3.1 船舶仿真平台简介32-33
• 3.1.1 平台设计要求32-33
• 3.1.2 平台机械结构分析33
• 3.2 船舶仿真平台液压传动系统分析33-42
• 3.2.1 船舶仿真平台液压传动系统原理34-35
• 3.2.2 阀控液压缸系统设计35-37
• 3.2.3 液压系统主要组成原件选型设计37-42
• 第四章 船舶仿真平台控制系统总体设计42-51
• 4.1 控制系统框架42-43
• 4.2 系统PID控制设计43-45
• 4.2.1 PID控制原理概述43-44
• 4.2.2 PID控制在PLC中的实现44
• 4.2.3 PID控制器的参数整定44-45
• 4.2.4 数字PID采样周期的选择45
• 4.3 PLC选型及硬件特点45-49
• 4.3.1 PLC选型45-47
• 4.3.2 PLC硬件的特性与功能47-49
• 4.4 控制系统电路的设计49-51
• 4.4.1 PLC供电电路49-50
• 4.4.2 PLC电气控制原理50-51
• 第五章 船舶仿真平台控制系统程序设计51-74
• 5.1 STEP7编程概述51-52
• 5.1.1 STEP7编程软件的功能51
• 5.1.2 STEP7的程序块51-52
• 5.2 硬件组态52-55
• 5.2.1 系统组态52-53
• 5.2.2 CPU参数设置53-54
• 5.2.3 模块的参数设置54-55
• 5.3 平台控制系统程序设计55-74
• 5.3.1 平台控制程序流程图55-56
• 5.3.2 平台PLC系统程序模块56-58
• 5.3.3 系统初始化组织块(OB100)58
• 5.3.4 常数设置功能块(FC501)58-59
• 5.3.5 模拟量输入倾角值转换处理模块(FC502)59-60
• 5.3.6 液压功能控制块(FB131)60-62
• 5.3.7 平台仿真运动模式选择模块(FB140)62-67
• 5.3.8 横摇PID控制模块(FB58)67-71
• 5.3.9 倾角输出控制值量程转换模块(FC106)71-74
• 第六章 船舶仿真平台试验研究74-82
• 6.1 平台监控操纵系统74-76
• 6.2 正弦运动实验76-80
• 6.3 实际海况下运动实验80-82
• 第七章 结论与展望82-84
• 参考文献84-87
• 致谢87

【参考文献】

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本文编号：711213