串并混联波浪补偿系统建模与控制研究

作     者：孔德华 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵铁石

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：串并混联 运动学 动力学 液压系统 轨迹规划 

摘      要：具有动力定位装置或者锚泊系统的船舶在海上进行工作时,受到风、浪、涌的影响,船舶产生横摇、纵摇、垂荡三个自由度的运动,这种三维摇荡运动会对船舶上工作人员换乘到海上平台带来安全隐患。本文针对国内外现有产品在补偿范围较大情况下存在重偏载情况驱动力大,机构复杂、占地面积大等问题,提出了一种R+2RPR/RP+RP串并混联波浪补偿机构用于人员转运和货物过驳,主要研究内容如下:根据现有海上人员转运产品存在的技术问题,结合船舶摇荡特点和课题要求,分析了串并混联舷桥所需的自由度特征,对两种不同的串并混联波浪补偿机构进行方案对比,并分析确定了一种R+2RPR/RP+RP串并混联波浪补偿机构的构型方案,并依据构型进行了机械结构设计,参考相关国标要求对关键部件进行校核。将R+2RPR/RP+RP串并混联波浪补偿机构等效为RRPRPR六自由度串联机构,在非惯性系下分析了工作空间和关节空间的位置、速度和加速度映射,推导出了等效串联机构的Jacobian矩阵和Hessian矩阵,并通过对2RPR/RP并联机构和四杆机构的分析建立了关节空间和驱动空间的位移、速度和加速度映射。推导了惯性系与非惯性系之间机构末端的速度、加速度映射关系。基于位置反解分析了串并混联波浪补偿机构在船舶上不同安装位置对工作空间的影响,为样机安装使用提供理论基础。通过MATLAB编程和在Simulink建立的机械模型进行运动学仿真,对运动学进行了相关验证。基于速度、加速度的递推公式、牛顿-欧拉法、结合达朗贝尔原理和虚功原理,建立了等效串联机构的动力学模型,进一步推导了关节空间驱动力和驱动空间驱动力的映射关系,通过MATLAB编程和在Simulink建立的机械模型对动力学建模进行了验证。基于该串并混联机构的机械结构特点,对液压系统的整体方案进行了设计与分析,并对关键液压元件进行了选型与计算。基于设计的液压系统的相关参数在Amesim中搭建了相应的液压系统模型,运用位置环和速度环的PID控制器实现了液压执行元件的轨迹跟踪,分析了上平台液压系统在不同参数下的相关性能,为样机研制提供理论支撑。基于含虚设转动副的等效串联机构的位置反解建立了波浪补偿机构的控制流程,对舷桥的对接过程进行了轨迹规划。基于势流理论应用AQWA仿真软件进行了船舶的水动力仿真分析了船舶的运动规律,基于该运动规律通过Stewart平台模拟船舶运动,对波浪补偿控制算法进行了验证。