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集装箱起重机仿真训练器运动仿真中若干关键技术的研究

发布时间:2020-10-10 06:11
   系统仿真技术最具有实用的领域之一,当属各类训练仿真器系统。仿真器技术的特点是以单个或成组的参与者置身于仿真系统中构成闭环,从而使人获得培训和亲身体验。人体对环境的感觉可以分为眼、耳、鼻、舌、身五个方面。视觉(图像仿真)、听觉(声响仿真)和身体姿态、加速度(运动仿真),以及触觉和操作力度感觉等,是现代仿真器技术发展中的重点,而本课题就是针对我校现有的集装箱起重机仿真训练器,着眼于完善其运动仿真的功能。 由于本课题只是对单自由度运动仿真的初步尝试,因此这种运动仿真形式其实就是对仿真训练器驾驶员座椅的振动模拟。一般来说,激励是现场采集的实际振动信号,如前大梁处上升制动工况下对应的振动信号,然后通过构建主流的交流伺服控制系统,利用计算机的高精度运算、定时和判断功能,选择可行的控制方案和适当的控制算法,实现响应对加载在系统中激励信号的近似跟踪。 本文的主要工作包括: 1.选择Parker和研华公司的工控产品建立了完整的交流伺服系统平台,采用PCI-1720 D/A卡、PCL-836定时/计数卡及旋转变压器,设计了系统相关接口电路,提出了硬件抗干扰措施,组建了完整的伺服驱动计算机控制系统的输入/输出通道。系统连接后,运转正常,信号传递较准确,基本满足系统运行的要求; 2.考虑到对控制系统的要求和实现的可能性(主要是PCL-836卡的性能),提出了单回路伺服控制方案以及采用旋转变压器进行测速的方法——M法(脉冲数法)。实际表明,这种测速方法能满足系统实时性这一最重要的特性; 3.建立了被控对象的近似传递函数,对控制系统用MATLAB进行了积分分离PID算法的仿真,并和普通PID算法进行了分析比较,同时整定了控制系统的PID参数。对于带滞后环节的交流伺服系统,针对其信号误差值的无规律性以及实际振动速度信号存在跳跃变化的情况,通过采用积分分离PID控制算法,改善控制效果; 4.程序设计中利用Windows系统中的多媒体定时器或PCL-836卡的定时功能,完成在定时时间内反馈信号采集、PID运算和控制电压信号输出等功能。经实际运行检验,两种定时方法均能使系统达到运行速度快、可靠性高、占用资源少等实时性的要求;
【学位单位】:上海海事大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2005
【中图分类】:TH218
【部分图文】:

总体布局,集装箱起重机,仿真训练系统,半实物


根据上述对仿真训练器的结构功能要求,经过实践摸索,从符合实际教学需求的角度出发,上海海事大学研制开发了半实物的集装箱起重机仿真训练器。半实物集装箱起重机仿真训练系统其总体布局及设备配置如图2.1所示,它由驾驶室、教员控制台、电动机、驱动器和PLC控制器、视景计算机及各种投影视屏、网络交换机及相应的通讯设备等组成。2.2.1半实物仿真训练系统构成半实物集装箱起重机仿真训练系统由驾驶室系统、教员台控制系统、三维成像视景系统、动力学数学模型、电机拖动和PLC逻辑控制系统、音响系统、座椅振动系统、教学投影系统、网络通讯系统等模块组成。其工作原理如图2.2所示。图2.3表示的是驾驶操作系统、教员控制台系统、电机拖动和pLC逻辑控制系统、音响系统及网络通讯系统实物照片。其中,教员控制台系统为整个仿真系统的控制者,各个部分的运作都是由它通过发送命令数据来控制,同时它也是数据传输的中转站。里面是windwosNT操作系统和由VB制作的教员控制台主控程序,以及Cmiplicity组态软件。教员控制台系统接受来自PLC的数据,包括来自操纵台的数据和电机拖动及变频驱动器部分的数据,实时进行起重机动力学仿真计算,对相关物体的状态、位置、动作、干涉等进行计算和判断,并将相关信息实时传送给视景系统,完成三维动画视景变换。同时它接受视景系统的反馈信息

照片,训练系统,半实物仿真,工作原理图


半实物集装箱起重机仿真训练系统由驾驶室系统、教员台控制系统、三维成像视景系统、动力学数学模型、电机拖动和PLC逻辑控制系统、音响系统、座椅振动系统、教学投影系统、网络通讯系统等模块组成。其工作原理如图2.2所示。图2.3表示的是驾驶操作系统、教员控制台系统、电机拖动和pLC逻辑控制系统、音响系统及网络通讯系统实物照片。其中,教员控制台系统为整个仿真系统的控制者,各个部分的运作都是由它通过发送命令数据来控制,同时它也是数据传输的中转站。里面是windwosNT操作系统和由VB制作的教员控制台主控程序,以及Cmiplicity组态软件。教员控制台系统接受来自PLC的数据,包括来自操纵台的数据和电机拖动及变频驱动器部分的数据,实时进行起重机动力学仿真计算,对相关物体的状态、位置、动作、干涉等进行计算和判断,并将相关信息实时传送给视景系统,完成三维动画视景变换。同时它接受视景系统的反馈信息,并实时反馈信息和直接控制PLC以达到控制操作台、电机拖动及变频驱动器的目的。视景系统、音响系统用来产生图像和声音

示意图,控制台系统,教员,人机界面


息回馈给用户。半实物仿真系统中的人机界面系统包括驾驶室系统的人机界面和教员控制台系统的人机界面,其交互示意图分别如图2.4和图2.5所示。在驾驶室系统人机界面交互中,操作者通过操纵系统(操作手柄、按钮等)向计算机输入操作控制信号,计算机再根据控制信号计算出实时场景、音响、振动信号,并通过视景系统、音响系统、座椅振动系统、模拟仪表等反馈给操作者。这样,通过模拟实际操作中的人机交互,就实现了对操作者的培训。教员控制台系统的人机界面则主要起着监控作用,以及参数设定、评分功能、记录回放等教学作用。

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本文编号:2834833

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