塔机数字孪生应用开发平台研究

作     者：苑文峰 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王国庆

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 081202[工学-计算机软件与理论] 

主      题：塔机 数字孪生 卡尔曼滤波算法 有限元方法 应用开发平台 

摘      要：针对塔机故障和事故所引发的安全问题以及塔机信息化和智能化施工的发展需求,以数字孪生技术为基础,设计了塔机的数字孪生应用开发平台,为塔机的数字孪生系统开发提供一个原型开发平台和可借鉴的设计思路与技术路线。主要完成工作如下:(1)设计了塔机数字孪生应用开发平台的总体架构和技术路线。从数字孪生系统的共性技术以及塔机数字孪生系统的需求出发,完成塔机数字孪生应用开发平台的总体框架设计,设计了孪生端数字模型建立的方案,并完成相应的技术路线的设计。(2)完成了IMU(Inertial Measurement Unit,惯性测量单元)模块测试平台的控制器设计。根据IMU模块的选型与设计过程中的测试需求确定测试平台控制器的方案,随后根据方案完成控制器中步进电机驱动、编码器数据采集以及开关量数据采集等功能模块的设计。(3)完成了塔机数字孪生应用开发平台数据采集系统的设计。使用IMU模块完成变幅小车实时位置获取方案的设计,随后针对IMU模块的误差设计了相应的卡尔曼滤波算法,并进行算法验证,最后对变幅小车实时位置获取方案进行了验证。(4)完成了塔机数字孪生应用开发平台孪生端数字模型的建立。基于有限元软件完成孪生端数字模型的建立,并以不同型号塔机的建模和求解为基础,进行软件求解实时性的验证。(5)完成了塔机数字孪生应用开发平台原型系统的设计与测试。从应用开发平台角度出发,确定原型系统的总体设计方案,完成了原型系统开发扩展功能、功能模块和数据库模块的设计。最后对塔机数字孪生应用开发平台的原型系统进行了测试。通过以上研究,初步解决了塔机数字孪生应用开发平台的共性技术问题,测试结果也基本满足预期,证明了方案的可行性,为后续塔机数字孪生系统的开发提供了一个基础的原型系统。