二次控制主动升沉补偿系统建模及试验研究

作     者：米新宇 

作者单位：中国舰船研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：林金国

授予年度：2023年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：二次控制 主动升沉补偿 二次控制单元 联合仿真 前馈控制 

摘      要：随着对海洋能源、资源开发利用的需求逐渐扩大,人们对海上起重、吊装设备的主动升沉补偿系统的补偿精度、能量利用效率和安全性提出了更严格的要求。而二次控制主动升沉补偿(Secondary Control Active Heave Compensation,SCAHC)系统相比其他主动升沉补偿系统在补偿精度、能量回收再利用、减小装机功率等方面具有显著优势,但目前国内相关研究依赖进口核心元件,总体处于探索开发阶段,仍缺乏工程实践的系统性理论研究。本文以SCAHC系统为研究对象,建立了系统及核心元件二次控制单元的数学模型和仿真模型,并通过试验验证了仿真模型的正确性和多前馈补偿串级控制策略实现高精度的升沉补偿的可行性。本文主要研究情况如下:1.基于工作机理建立了SCAHC系统数学模型。首先分析了SCAHC系统主要构成及工作机理,并依据机理揭示了各主要元件之间数学逻辑关系与能量传递关系,建立了系统的数学模型,以幅值裕量和相位裕量为稳定性指标,分析确定了系统实现闭环控制的策略。2.基于数学模型建立了SCAHC系统仿真模型。根据各单元、元件之间的数学逻辑关系、能量传递关系,在AMESim仿真平台中建立了主要物理单元的仿真模型,在Simulink仿真平台中建立了控制单元的仿真模型,形成了SCAHC系统总体的仿真模型。3.基于试验验证了SCAHC系统仿真模型的正确性。以“先子系统后总体系统的验证思路,逐步进行了主要单元性能试验及系统总体性能试验,验证了SCAHC系统仿真模型的正确性,总体性能达到了95%以上的仿真精度。4.基于验证后的SCAHC系统仿真模型揭示了主参数对系统控制特性的影响规律。先分析了系统控制特性优化目标,总结出了影响优化目标的主参数,再使用验证后的SCAHC系统仿真模型进行了主参数控制特性分析,得出了驱动单元中减小二次单元配流盘闭死角将较为明显地改善二次单元的低速特性;增大执行单元中二次单元-减速机-绞车卷筒总转动惯量,将损失部分快速性而改善二次单元低速特性和过零特性。总之,本文建立了能合理反映SCAHC系统及主要单元特性的仿真模型,总结出了主参数对系统控制特性的影响规律,为二次控制单元分析、建模及试验提供理论基础,为国内SCAHC系统的自主研制奠定基础和提供理论帮助。