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船用起重机半主动升沉补偿系统研究
| 论文题名： | 船用起重机半主动升沉补偿系统研究 |
| 关键词： | 船用起重机;升沉补偿;滑模控制;联合仿真 |
| 摘要： | 船用起重机在实际工作中，受到风浪的影响，会产生横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和升沉六个自由的的运动，其中升沉运动对船用起重机的负面影响最大，可能导致其工作效率降低、发生安全事故。针对重载船用起重机的升沉补偿问题，本文提出了一种半主动升沉补偿系统，完成的主要工作如下: (1)归纳总结了国内外半主动升沉补偿的研究成果，针对负载较大、工作海况较高的船用起重机，提出了一种半主动升沉补偿系统的方案，该系统采用液压并联式结构，具有被动和半主动两种工作模式。根据该方案，对补偿系统的重要零部件进行了设计计算。 (2)针对被动升沉补偿系统进行了建模和仿真。将被动升沉补偿系统以及钢丝绳和负载简化为弹簧阻尼结构，其中液压缸受到的非线性摩擦力是影响补偿效果的重要因素。因此针对被动补偿缸摩擦力的特点，引入润滑油膜厚度，建立扩展的LuGre摩擦模型。由仿真结果可知，被动升沉补偿系统在负载和海况不变的情况下具有较好的补偿效果，但是负载和海况发生变化时，补偿效率下降，需要加入主动升沉补偿以获得更好的补偿效果和应对参数的变化。 (3)针对半主动升沉补偿系统进行了建模和仿真。考虑到主动补偿部分和被动补偿部分之间的耦合关系，将负载的位移、速度和液压缸内的压强设为状态变量，建立半主动升沉补偿系统的状态方程。由于PID控制难以解决半主动升沉补偿系统受到的外界干扰和海况复杂多变的问题，因此提出了一种基于扩展状态变量的干扰观测器，可以实时估计外界干扰值;引入非线性级联控制，以位移控制作为外环，压力控制作为内环，并使用滑模控制降低观测误差，提高控制精度。经过仿真分析，发现该控制方法具有较好的抗干扰能力和鲁棒性。 (4)为了验证本文提出的被动升沉补偿系统模型的有效性，进行了被动补偿实验。搭建了一套被动升沉补偿装置，在实验过程中改变气体的体积、液压油管直径和船舶升沉运动周期等参数，进行对比实验，得出结论如下:液压缸的摩擦力对被动升沉补偿系统具有较大的影响;增大液压油管的直径或蓄能器总容积，能够提高被动升沉补偿系统的效率。将实验参数代入仿真模型中，发现仿真结果和实验结果相近，验证了仿真模型和实验方案的正确性。 |
| 作者： | 吴少飞 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 展勇 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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