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船用起货机波浪补偿研究.pdf

船用起货机波浪补偿研究.pdf

上传者: 342290365 2013-01-03 评分 5 0 179 24 812 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《船用起货机波浪补偿研究pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含大连海事大学硕士学位论文船用起货机波浪补偿研究姓名:刘春阳申请学位级别:硕士专业:轮机工程指导教师:陈海泉中文摘要摘要随着我国综合国力的强大和海洋开符等。

大连海事大学硕士学位论文船用起货机波浪补偿研究姓名:刘春阳申请学位级别:硕士专业:轮机工程指导教师:陈海泉中文摘要摘要随着我国综合国力的强大和海洋开发的日益增多海上作业日趋频繁对钻井平台等深海作业的人员和设备的补给也越来越重要。而且随着我国海军力量的强大海上补给对海军部队的按时补给问题也不容忽视。为了保证补给过程中不受波浪起伏的限制保证货物和船舶的安全使补给船在恶劣海况下也可以对被补给船进行补给对波浪补偿系统的研究日趋重要n。本文提出一种海浪补偿与防晃方案对方案的机理进行了具体的分析与论证。结合所学知识对美国Sandia国家实验室关于船用起重机的摆动控制系统进行了分析研究并根据该系统的原理对D方面的波浪补偿系统进行了开发设计。将精确地摆动控制与升沉补偿相结合设计了一套较为完整的波浪补偿系统证明了该系统在动力方面的可行性和合理性。具体的工作内容包括:()引入国外的PCS控制概念将摆动控制与升沉补偿进行结合设计了一套较为完整的波浪补偿系统。该波浪补偿系统由机械执行系统(卷扬机)、液压驱动系统、计算机控制系统和传感器检测系统组成。对这些部分分别进行介绍和分析。()对系统的关键部分进行分析与数学建模。首先对涉及到的坐标系进行了一一的建立和介绍推导出各个坐标系的关系然后对PCS基于方位和速度分别进行建模推算出船体运动和负载方位及负载速度的关系进而达到控制目的。最后对数字滤波部分的滤波公式进行了详细的推导并将行星齿轮部分进行建模。()以一条在建船舶为例验证了该系统的可行性与合理性及优势为后续的仿真与实物开发实验奠定了基础。根据船厂提供的技术资料对普通起重机加装波浪补偿系统所需的功率进行了计算证明普通起重机加装波浪补偿系统在动力方面的可行性。关键词:起货机波浪补偿系统差动行星齿轮传动数学建模英文摘要ResearchonheavecompensationformarinehydrauliccraneABSTRACTWiththegrowthofChina’Scomprehensivenationalstrengthandoceandevel.opmentseaworkhasbecomemoreandmorefrequentTheproblem~supplyingtotheoceanworkplaceandtheworkingshiphasbecometobeobvious.TWOactiveshipmotioncompensationstrategiesarediscussedtostabilizethepayloadduringoperatorcontroUedatseacargotransferscenariosusingshipbasederaneS.ThisworkistostudythependulationofhoistedcargoandtodesigntheCOntrolsystem.AfterstudingtheDPCScontrolconceptdemonstratedbySandianationallaboratory,thispaperdiscussesanalternateshipmotionsensingapproach,andthusprovidesanalternatePCSalgorithm。ThispaperdemonstratesthePOSsibilityofthenewPCSconceptinthepowerside.Therealepartinthispaper:()ResearchontheDPCScontrolconceptdemonstratedbySandianationallaboratory.Thendesignsamorecompletewavecompensatingdevice.Thedevicecontainsmechanicalexecutionsystem,hydraulicpowersystemcomputercontrolsyStemandsensorsystem.()Frompreviousstudiesithasbeenfoundthatmodelbasedcontrolispreferableformarinecontrolsystemwherethedynamicsoffloatersalebasicallydescribedbythestatespaceequations.AmathematicalmodelW.aSestablishedforthecomputercontrolofthesystem.()Toverifytheavailableofthesystemwecalculatedthepowerforpend.ulation.Theresultdemonstratesthatitispossibletogetthegoal.Keywords:CraneHeaveCompensationDifferentialPlanetTransmissionMathematicalModeling大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明:本论文是在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果撰写成博/硕文竺丛厦起缝扭这退室I垡亟究::。除论文中已经注明引用的内容外对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。)I学位论文作者签名:每卢啊学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定即:大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》(中国学术期刊(光盘版)电子杂志社)、《中国学位论文全文数据库》(中国科学技术信息研究所)等数据库中并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。本学位论文属于:保密口在年解密后适用本授权书。不保密口(请在以上方框内打“”)日船用起货机波浪补偿研究第章绪论.课题的来源和提出随着综合国力的强大我国对海洋的开发日益增多海上作业日趋频繁对钻井平台等深海作业的人员和设备的补给也越来越重要。而且随着我国海军力量的强大海上补给对海军部队的按时补给问题也不容忽视。根据舰船在海上所处的状态进行分类海上补给通常分为航行补给、锚(漂)泊补给和垂直补给三种方式。而后两种补给方式有限所以航行补给已成为当前主要的补给方式。目前航行补给主要有三种方式:纵向索道补给、横向索道补给和靠绑补给。船舶在海上进行补给作业受波浪与风等因素的影响补给装置随船将作横向、纵向及垂向三方向的运动。为了保证过驳时不受波浪起伏的限制保证货物和船舶的安全使补给船在恶劣海况下也可以对被补给船予以补给主要依靠波浪补偿起货机通过起货机本身的波浪补偿装置来补偿两船的相对运动。船舶起重机是在海洋环境中进行起吊作业的特种起重机械。普通起重机在海上对驳作业时是通过卷扬机回转和改变起重臂的跨度将起重吊钩移至本方货场上方吊起货物后移至目标船的货场上方放下货物实现载荷在岸/舰或舰/舰之间的吊装的。由于作业船舶之间通常会因风浪的影响相对上下运动从而造成下放中的载荷与上升的船体发生碰撞或已放落到甲板上的载荷由于船体的下沉出现再次悬空的现象这都会给海上对驳吊装的效率和安全性带来不利影响。特别是对舰船进行弹药等危险品补给时决不允许出现这样的情况。因此波浪补偿装置是船用起重机的重要装置之一。装有波浪补偿系统的起重机可以补偿由于风浪引起的两船相对运动从而避免或者大大减轻影响。因此对于波浪补偿系统的研究具有非常重要的意义阻吨。.海上补给的几种主要方式..横向索道补给法航行横向补给是补给船与接收舰呈并列编队航行状态下通过舰船的架空索道承载输油软管和滑车进行干、液货的物资补给作业。海上航行横向索道干货补给作业的主要特点如下:()接收船与补给船在平行航行中实施补给。第l章绪论()一艘船系泊在平台、浮动设施上另一艘船用桨和操舵装置与前一艘船保持一定安全距离两艘船靠索道相连用吊货小车来补给货物!引。海上航行横向液货补给作业的过程是:根据海军补给条例的规定补给船和接收舰航向一致航速接近并保持阵位补给船用手持式撇缆枪将引缆发射至接收舰上接收舰牵引引缆将输液软管拉至舰上引缆则通过接收装置的滑轮挂接在其羊角上输液软管前端米处设有一个快速接头和一根环形拉缆将环形拉缆放入舰上的快速脱钩内启动恒张力绞车快速脱钩、环行拉缆及输液软管承受恒张力直至规定值环行拉缆前的输液软管为不受力自由端软管端输油接头直接与接收舰上输油接口相接液货补给系统架设完毕可开始补油H。在无法进行横向系泊时为了提供缆索的横向张力横向补给法通常在船舶航行中实施干货补给其个别指标通常控制在如下范围:()两船间距:In以内:再增加补给距离将导致各缆索内张力的增加补给操作困难提高等一系列问题。()海浪:'级以下(迎浪航行)在级浪以上或其他航向时由于横摇显著地增加使甲板操作发生困难货物传送速度下降且需采用一定船舶补给专用波浪补偿装置呤。航行横向补给可在级海况下为大、中型水面舰艇补给普通干、液货以及低海情下传送人员及导弹。而且一艘补给船可同时为两艘接收舰补给补给的数量大、品种多、效率高。在目前几种海上补给中占据主导地位但该方式所用的设备结构复杂造价高受海况影响大对舰船吨位和操船技术要求高。支架图.海上航行横向液货补给系统Fig..Transversliquidcargotransmissionsystemforreplenishmentatsea船用起货机波浪补偿研究..纵向索道补给法如果可靠锚泊设备或推进系统使补给船和接收船在同一直线上保持一定安全距离并可提供足够的纵向索道张力时可考虑用纵向补给法传送货物。航行纵向补给是补给船与接收舰处于纵列编队航行状态下通过补给船上的纵向补给装置向接收舰实施输送作业晦。海上航行纵向索道补给作业的主要方法为:一艘船的尾部系泊在平台或浮动设施上另一艘船用桨和操舵装置与前一艘船保持一定安全距离两艘船靠索道相连用吊货小车补给货物。航行纵向补给法的优点如下:()补给装备简单。纵向补给相对横向补给等手段装备较简单没有复杂的张力平衡控制系统和索道系统。()适应海情高。纵向补给采用漂浮软管方法两船是软连接相对其他补给方式相互制约较少补给海况可达级。纵向补给装置可用于船舶行补给或停泊(抛锚)补给。由于船艏艉甲板空间的限制该法只可架设一到两个补给站所以在大型补给船上该法通常只作为横向补给的一种补充。但是同等海况下由于船舶在风浪中纵向运动较横向运动要小得多纵向补给比横向补给的作业条件要好的多因此对于一些小规模的干货补给作业常采用一船抛锚或系泊另一船采用操舵装置开动主机张紧缆索的纵向补给法这样既降低作业难度又提高补给效率。图.海上航行纵向干货补给系统Fig..Lengthwayssolidcargotransmissionsystemforreplenishmentatsea第章绪论..靠绑补给法嗍靠绑补给法可在供应船和接收船停泊或低速航行时进行。作业中将两船用缆绳系在一起采用一定隔离措施(如碰垫装置)来隔离两船并吸收两船在风浪中的碰撞能量再运用吊杆、起重机、螺旋输送机、传送带、绞车、升降机以及滑槽等装置来补给货物。美国海军最先采用的这种补给方式它相对于前两种方式较简单后来逐渐发展成为一种成熟的补给方式。补给时两船的相对距离大概在一米之内。前两种方式由于钢索的承载能力有限限制了每次过驳的重量每次过驳重量大概在吨以下。所以对于补给需求较大的对象通常采用靠绑补给。..垂直补给法嗍垂直补给法需在补给船上设置直升机停机坪。作业中既可采用停泊补给也可采用航行补给补给货物的质量可达kg两船间距可达,,,m需机组入员人。垂直补给法补给范围广可补给的货物包括各类消费品以及绝大多数的武器弹药但其受直升机飞行条件的限制不能在全天候和夜间实施补给作业。.几种常用波浪补偿装置简介弘波浪补偿方式有主动式、牵引式、被动式等几种形式。根据补偿方式的不同目前国内外的补偿系统主要有以下几种:()主动与牵引复合式主要设备有距离测量装置、控制器、比例器、液压马达等。其原理是:在起重机臂架外端安装一台能够保持一定张力的绳索绞车。绳索的一端由被补给船上的人控制。当两船产生相对运动时由于绞车绳索要始终保持一定的张力则绞车随两船的运动以相应的速度正反转收放绳索从而使绳索始终保持一定张力的张紧状态。绳索绞车上装有传感器用于检测绳索绞车的正反转转速或绳索的收放速度。在液压绞车上也装有传感器检测液压绞车的速度或货物的吊放速度。液压绞车的速度靠比例阀控制液压马达的流量来实现。如图.由于绳索绞车和两船相连因此目标船B上收放绳索时的绳索速度为:船用起货机波浪补偿研究绳=vr放两船相对=手放(v)(.)液压绞车的速度即为绳索的速度:Vo=v绳(.)人在目标船B上看时货物的吊放速度:一V下=。(一z)=手放(z一)(一z)=手放(.)此时货物下放速度完全由人放绳的速度控制。绳索绞车上的传感器与液压绞车上的传感器所记录的速度经比较放大后通过比例阀来修正液压绞车速度从而实现波浪补偿的目的。主动与牵引复合式补偿系统主要是在垂直方向上进行补偿可以满足一定海况下海上作业的需要。图.主动与牵引复合式波浪补偿装置Fig..Activitydraughtcompositeheavecompensator()油缸加蓄能器的气液混合型补偿装置该装置由油缸、滑轮组、滑轮架和蓄能器组成安装在起重机塔身内部并与主升钢索进行连接。其工作原理为:把补偿装置的油缸活塞杆的伸缩转换为主升钢索的伸缩即装置的油缸活塞杆伸张时迫使主升钢索收缩油缸活塞杆收缩时使主升钢索放松从而实现补偿目的。其补偿负载与蓄能器压力有关补偿幅度与活塞杆行程有关补偿响应速度与油液流动快慢有关这三项指标均可根据不同要求设定。这一补偿在工作时起到了两种功效:一是大大降低了重货物初始起升和下降第章绪论着落的运行速度。当起重机起吊重货物时吊钩一旦负重起重机即进入补偿状态随着吊钩的起升补偿装置受力逐步加大直至设定的极限一旦超限重物起升此时重物以设定的速度吊离甲板并保证重货物处于平衡状态被吊重货物在下降接近滚装平台甲板时其着落速度可降至设定的速度并保证重货物处于平衡状态着落。起升初始速度与着落初始速度的控制使重货物在起吊与着落时处于最安全状态。第二是重力吸收功效。尽管被吊重货物是以最慢速度下降毕竟由于平台之间的相对运动还会产生一定的撞击力此时本装置的重力吸收功效发挥作用在重货物与平台甲板接触瞬间高压蓄能器得到感应同步向补偿装置油缸释放高压油使货物立刻向上进行有限提升将碰撞力予以吸收。就象弹簧或气囊减震一样从而保证货物在着落时的安全。()随动补偿系统随动补偿系统该类波浪补偿起重机采用的是一套由储气瓶、柱塞、随动小车及随动吊钩组成的随动补偿系统。工作时将随动吊钩挂接到被补给船甲板适当位置用以测量被补给船的升沉运动当补给船相对被补给船向上或向下运动时随动钢丝绳上的接力增大或减小拖动随动小车沿导轨运动带动货物上升或下降达到补偿目的。在上述随动补偿过程中起重机钢丝绳可不受影响地任意收放从而使起吊货物与被补给船间的相对吊放速度保持不变实现补偿吊装作业。随动补偿系统可根据需要启动和调整可在无风浪的情况下关闭不用起重机也可以在非随动补偿的方式下进行吊装作业。随动补偿系统该类补偿系统由活塞气缸组件、随动小车、导轨和刹车装置等组成此外还装有补偿绞车。气缸为单作用气缸。小车上安装有滑轮组及自动装置小车与补偿气缸的活塞杆用螺纹联接补偿钩绞车和起重钩绞车的钢丝绳均通过这个滑轮组与吊钩联接。小车在行走导轨上可在气缸的作用下进行往复运动。制动装置由弹簧、摩擦片及锲块组成安装在小车上起动导轨从制动装置中间穿过。当补偿钩受力时钢丝绳拉动偏心轴压缩制动弹簧将锲块拔出制动装置脱开气缸可根据波浪的运动进行补偿动作。一旦补偿钩的受力为零时制动弹簧将锲块紧紧抱住制动导轨制动装置制动气缸及小车均处于制动状态。()液压缓冲补偿系统船用起货机波浪补偿研究此补偿系统一般位于起重机吊钩下方装置内有液压泵系统和马达驱动的双滚筒绞车。系钩完毕后当波浪上下运动时由双滚筒绞车收放起吊绳索进行补偿。当物体及船体位于波峰时此时物体垂向速度趋于零由零速序号监测器发讯号停止双滚筒工作第二个波峰到来之前自动或由人工操纵吊离船体。()综合补偿系统综合补偿系统是将波浪垂向补偿和横向补偿相结合的海洋吊机。补偿装置由升沉补偿与防晃系统和位移测量系统组成。其升沉补偿原理为:由位置测量装置测得起重机末端对目标船横向、纵向和垂向的相对位移增量用横向和纵向的增量来控制起重机吊钩在水平面内的位移用垂向的增量来控制海浪补偿油缸的位移。通过补偿的移动来控制吊钩的位移最终保持作业船与目标船之间的瞬间相对距离不变达到垂向补偿的目的。其防晃原理为:在重力作用下并联机构对运动的平台具有约束能力即并联机构内张力的合力总是与外力(外力矩)方向相反从而达到抑制运动平台相对固定平台晃动的目的。结构原理图如图.。图.为"年代建造的TACS型起重船上的起重机所采用的防晃装置的原理图。I浮.重物.运动平台.张力绳.固定平台.定滑轮.伺服液压缸.平行机构.海浪补偿’漓乐缸.券扬机.伺服马汰图.综合补偿系统Fig..Compositivecompensator第章绪论图.TACS型起重船防晃装置原理图FigonTACS/RoboCrane.国内外波浪补偿装置的研究动态()国内对波浪补偿装置的研究我国在该项研究方面己进行了大量的研究工作.并取得了一系列重要成果。从国内外现有研究情况看绝大多数研究工作集中在铅垂补偿方面水平面内补偿研究较少。国内现有的补偿起货机的工作原理都是通过测量装置测得两船的相对运动(主要是垂直方向)将该运动的参数转化成绞车的转速变化.从而达到波浪补偿的作用。起重机防晃是个经典的研究课题过去人们把注意力集中在起重机上端滑轮上试图在该位置增设一些附加机构未抑制钢绳的晃动。但是由于滑轮下端的钢绳与重物构成一单摆系统因此只在上端采取措施进行防晃其效果并不明显。随着信息技术、机器人技术等相关学科的发展多学科的交叉与融台具有更高准确性和可靠性的高性能起重机波浪补偿装置将会出现。()国外对波浪补偿装置的研究“”“关于起重机海浪补偿国外己进行了大量的研究工作美国、俄罗斯均已申请了相关方面的专利许多起重机己得到应用(例如美国Sandia国家实验室船用起货机波浪补偿研究为美国海军开发的补给舰起重机)。国外研究机构主要以美国的研究工作为主导他们在该方面的研究工作最早是在二战后期开始的当时还只是停留在理论层次的研究工作。后期开始转入试验研究并开发出了一系列具有该功能的起重机(例如TACS系列起重船)。国外研究机构不仅在垂直方面对波浪补偿进行了研究而且在三维空问内对波浪补偿系统进行了研究开发。其中包括对负载的晃动控制、相对高度补偿等。相应的主动控制策略被用来控制船舶起货机的负载晃动问题的研究已经有多年的历史了。为了解决D货物过驳控制问题主动式控制必须创造出不会引起货物晃动的过驳轨迹能够迅速衰减货物的晃动并且能够补偿由于船舶运动而引起起重机的晃动。年Starr曾经讨论过开环控制自由晃动的问题。年Singh以及年Kim和Singh又迸一步的对该问题进行了讨论。为防止操作者的操作引起的晃动Sandia国家实验室的Parker、Dihrman和Robinett对在理论上的解决方法进行了讨论。年Parkeretal给出了一个更详细的PCS控制流程图。年Sandia国家实验室研首次在比例为:的运动试验台上对DPCS控制概念进行了证明并且进行了该控制算法的硬件模拟仿真。之后在年月他们在TACS型船舶上安装了首台PCS控制系统。并且将该控制系统与未安装该系统的现有起重机进行了比较安装该系统的起重机表现明显高与现有起重机。操作者甚至可以在船舶摇晃角度达到的情况下进行操作。Wilson、Starr、Parker与Robinett等人提出了一种适应方法来控制一种主动式压电柔性机构。Masoud、Nayfeh以及AI.Mousa在年提出了一种循环方法来修正操作者的命令从而防止货物的晃动。他们的控制方法通过假定安放在一个静止的固定平台上的起重机比例模型进行了检验。Masoud、Daqaq和Nayfeh基于一种伸缩式船用起重机讨论了一个完整的D控制策略接下来Masoud、Nayfeh等人又对如何降低岸基起重机负载晃动问题进行了讨论最后Masoud、Nayfeh和Mook提出了类似于应用在TACS晃动平台的一种基于船用起重机的D控制策略。在操作命令上添加了晃动反馈环节用来降低大部分的晃动对于基本的晃动该策略显示出很好的适应能力。.课题的主要内容及所完成的工作本文提出一种海浪补偿与防晃方案对方案的机理进行了具体的分析与论第章绪论证。结合所学知识对美国Sandia国家实验室关于船用起重机的摆动控制系统进行了分析研究并根据该系统的原理对D方面的波浪补偿系统进行了开发设计。将精确地摆动控制与升沉补偿相结合设计了一套完整的波浪补偿系统证明了该系统在动力方面的可行性和合理性以及它在本领域的优势。以下为本文所做工作概要:()引入国外的PCS控制概念将摆动控制与升沉补偿进行结合设计了一套详尽的波浪补偿系统。()对系统的关键部分进行分析与数学建模并结合国内实际情况对重要元件进行了选型。()以一条在建船舶为例验证了该系统的可行性与合理性及优势为后续的仿真与实物开发实验奠定了基础。.本章小结本章首先提出了论文的选题背景以及课题来源主要论述了海上补给的几种主要方式介绍了各个方式的特点、优劣及补给条件分析了几种常用的波浪补偿装置并研究了国内外波浪补偿装置的研究动态分析了国内的不足。结合论文涉及的问题介绍了课题的主要内容和所完成的工作。船用起货机波浪补偿研究第章波浪补偿系统的组成及补偿机理.波浪补偿系统的组成该波浪补偿系统由机械执行系统(卷扬机)、液压驱动系统、计算机控制系统和传感器检测系统组成。起重机要实现平稳吊装功能必须补偿由波浪引起的两船相对速度该补偿速度的大小等于两船的相对速度。系统实现的基本过程:传感器检测系统检测到补给船船体运动参数和两船相对运动的相关参数(舰船位移、上下波动速度、绳索压力和张力)将数据传递给计算机控制系统。计算机控制系统根据当前误差及误差变化率的大小经运算后给出控制信号并将其传递给液压驱动系统(液压马达)。液压系统根据控制信号的大小决定比例阀的开口大小和方向从而决定液压马达的转速和转向。液压马达驱动机械执行系统(卷扬机)完成波浪补偿功能。同时检测系统不断地将检测到的载荷以及船舶的实际位移、绳索的张力等参数反馈给计算机控制系统计算机控制系统根据误差和误差变化率的大小再计算出下一周期控制信号的大小并将其传递给液压系统进行下一周期的控制【】【。图.PCS流程Fig..DiagramofPCS该波浪补偿系统测量单元为惯性测量单元和恒张力绳测量装置惯性测量单第章波浪补偿系统的组成及补偿机理元由陀螺仪和加速度计组成。计算机控制系统由防晃和升沉补偿系统组成。防晃系统采用国际最新的PCS原理在基于方位与基于速率的PCS中选其一升沉补偿系统将PCS在垂直方向的控制信号引出。为保证控制的及时性升沉补偿装置采用行星齿轮来调速。基于速率的波浪补偿系统控制流程如图.所示。基于方位的波浪补偿系统除速度坐标变换部分外其余部分大致相同具体运算见第三章。..测量单元由于介绍恒张力绳测量装置的文献颇多在此不再赘述主要介绍惯性测量单元。惯性测量单元(IMU):为了测得个轴的转角及个轴方向上的加速度我们采用惯性测量单元。惯性测量单元是一种六自由度的惯性测量单元可以用于导航和控制动态测试等场合。每个这种单元中包括陀螺仪及加速度计可提供角速度和线加速度的测量信息且具有高可靠性。测得的这些数据共同组成一个自由度的运动姿态信息采集平台。利用惯性测量单元得到的数据进行一些数学运算包括数字滤波及数字积分等运算可以得到船舶的实时姿态及运动信息。惯性测量单元包括硬件电路及相应数据采集程序、数字滤波程序、数字积分程序”】。陀螺仪和加速度计直接安装在船舶载体上。陀螺仪组件测量沿船舶载体坐标系三个轴的角速度信号加速度计组件测量沿载体坐标系三个轴的加速度信号并送入处理器进行数据处理。地理坐标系视为导航坐标系时计算机利用这些测量信息经误差补偿后进行姿态矩阵计算和船体坐标系至“起货机”坐标系的坐标变换。姿态矩阵一方面用于坐标变换即把沿载体坐标系的加速度信号变换成导航坐标系各轴的加速度信号以便于参数计算另一方面利用姿态矩阵的元素可以提取姿态角与航向角信息。船用起货机波浪补偿研究图.传感器配置方案示意图Fig..MapofSixsensorconfiguration每个IMU中包括三个陀螺仪和三个加速度计。其中三个陀螺的敏感轴互相垂直构成一个坐标系三个加速度计分别和三个陀螺仪的敏感轴相平行。也就是说传感器内部惯性器件的敏感轴与载体坐标系的坐标轴分别平行。如图.。图中、么、为加速度计三个敏感轴q、G、e为陀螺仪三个敏感轴【.。()陀螺仪的原理和构造【之】ADXRS系列陀螺仪是由美国模拟器件公司制造采用集成微电子机械系统(iMEMS)专利工艺和BIMOS工艺的角速度传感器内部同时集成有角速率传感器和信号处理电路。ADXRS系列陀螺仪利用科里奥利(Co渤lis)加速度来测量角速度科里奥利效应原理如图.所示。假设某人站在一个旋转平台的中心附近他相对地面的速度用图.箭头的长度所示。第章波浪补偿系统的组成及补偿机理a)科里奥利效应b)ADXRS陀螺仪的微机械结构图.陀螺仪的工作原理示意图Fig..M印ofgyroscopesworkingprinciple如果移动到平台外缘的某一点他对于地面的相对速度会增加如图.较长的箭头所示。由径向速度引起的切向速度的速率增加这就是科里奥利加速度。设角速度为平台半径为.则切向速度为r如果以速度v沿径向r移动将产生一个切向加速度v这仅是科里奥利加速度的一半另一半来自径向速度的改变二者总和为cov。如果人的质量为M该旋转平台必须施加一个大小为Mcov的力来产生科里奥利加速度并且该人将受到大小相等的反作用力。陀螺仪通过使用一种类似于人在一个旋转平台移出或移入的谐振质量元件利用科里奥利效应来测量角速度。图.表示出了ADXRS系列陀螺仪完整的微机械结构陀螺仪通过附着在谐振体上的电容检测元件测量谐振质量元件及其框架由于科里奥利效应产生的位移。这些电容检测元件都是由硅材料制成的横梁它们与两组附着在基片上的静止硅横梁互相交叉因而形成两个标称值相等的电容器。由角速度引起的位移在该系统内产生一个差分电容。如果弹簧的弹性系数为K那么反作用力造成的位移为tovM/K。如果总电容为C硅横梁的间距为g则差分电容为covMC/gK它直接与该角速度成比例。这种关系的逼真度在实际应用中非常好其线性误差小于O.%。()力速度计下面以AnalogDevices公司的ADXLl加速度传感器为例详细介绍加速度计的特点、工作原理。船用起货机波浪补偿研究ADXLl是美国模拟器件公司研制的单轴加速度计它的特点是模拟输出、高性能和高准确度。ADXLl内部包含一个多硅表面微处理传感器和BIMOS信号控制电路因此可形成开环加速度测量结构。与其它加速度计相比ADXLl可以在很大程度上提高工作带宽并大幅度降低噪声影响偏差和温度漂移也相对较低。测量范围为且分辨率很高该器件可以分辨出低于mg的加速度ADXLl产生的一个模拟输出电压不但可以用来测量静态加速度(如重力加速度或斜坡加速度等)还可用来测量动态加速度(如振动等)且功耗极低电流只有mA最大可以容忍的加速度比例因子可调。硅微加速度计是一种敏感载体运动加速度并将其转换为电信号的传感器。该IMU中采用的是一种力平衡闭环控制加速度计每个加速度计可以测量其对应轴方向的正负加速度。它的结构和基本工作原理见图.。j型l一动片fTFI=娅IIlIICSl一lCSI=CSCS变形片L一一一J代表固定点L一一CSJ一代表同定点a)静止状态图.加速度计工作原理示意图Fig..M印ofgyroscopesworkingprincipleb)运动状态每个加速度计包括一个支架梁梁的两端与两个变形片固连。同时梁上还固定了一个金属板动片电极该金属板电极又位于两个邻近的固定金属电极之间从而形成了电容分配器。电容的两个固定极板被固定频率的方波驱动相位相反。当载体没有加速度时两个电容基本相等中央电极的电压输出基本为零利用同步解调器对中间极板的输出电压进行解调得到的输出也为零代表载体未运动。但当载体有加速度时变形片产生形变而且加速度越大形变越厉害。第章波浪补偿系统的组成及补偿机理此时支架梁发生平动带动动片运动导致电极间的不平衡从而两个电容的差异也越明显。这样中间活动极板的输出电压成为了一个调幅信号运动信息包含在输出信号的幅度中。将该信号通过同步解调器后得到的输出是与加速度成正比的电压信号。将该电压信号反馈到活动极板就形成了静电力闭环控制。使用时ADXLl的零偏差及比例因子的初值都要求进行直流校正。加速度较小时重力加速度的影响比较稳定故可获取准确易用的参考值。将ADXLl水平放在地表面上此时加速度可认为是输出值即为加速度为时的输出电压读取它。将加速度计旋转。加速度为时读取输出值设该值为g。。再旋转。加速度为时读取输出值&设该值为。为了获取比较准确的灵敏度可采用以下公式:K=(gl)/(.)这样做的优点在于轴上信号与角度的余弦值可以成正比从而减小加速度计没有对准所带来的误差。比方说如果有一个的方向偏差测量结果只会产生.%的误差。..控制单元‘PCS控制系统(pendulationcontrolsystem)是控制单元的核心部分。通过对负载运动的分析从而判断执行量的大小、方向以及相应的补偿措施。PCS控制系统包括三部分子策略()D负载运动被从船体运动中隔离出来为了达到这个目的应用了新的D船体运动传感器。PCS自动地补偿船体运动从而保证船体运动不会引起负载晃动。()通过测量负载晃动角度任何源于负载起落或者起重机伺服限制而引起的负载晃动都会被降低到零。()通过对起重机操纵杆信号的输入修正任何会引起负载晃动的操作命令都会被拒绝从而保证操作者的操作不会引起负载的晃动。测量单元所获得的数据最终要输入给PCS控制系统再由PCS进行运算最后结合恒张力绳测量装置的速度信号输出D控制信号给CC起重机控制单元。船用起货机波浪补偿研究..数字伺服系统‘习数字伺服系统作为本系统的执行单元主要作用是接收控制单元所输出的控制信号将输入的数字控制信号转换成控制液压系统的电信号并将执行结果向控制系统进行反馈。图.是起重机CC控制系统的控制流程图。l液压伺服系统为起重机的起升、变幅、回转系统提供动力。并控制起升、变幅、回转系统的工作速度。液压系统主要由以下四个相对独立的系统组成:()补油和控制系统()起升系统()变幅系统()旋转系统这四个系统的相互关系如图.所示下面就结合MacGREGOR公司最常见的GL型起重机的液压系统依次对四个系统的工作原理和功能进行阐述。()补油和控制系统:在起重机的驾驶室内有一个操纵手柄可以控制吊起重物或放下重物。手柄面板上的标识如图.所示(A、B、C、D、E、F、G等字母是为了叙述方便而加上的)当手柄的位置在A位时即零位双向变量泵、运行但起升绞车并不运动因为此时如图.所示阀使泵和马达的All和B口处于连通状态。当控制手柄在B位时阀和阀就会处于b位控制油通过阀作用于阀上使马达和泵的A、Bll断开再通过阀作用于刹车打开刹车。阀比阀先动作以确保刹车打开时泵和马达的A口和Bll处于断开状态。当控制手柄在C位时阀处于a位阀处于b位控制油通过阀后有一路作用于马达上使马达处于高速状态另一路与控制手柄在B位时工况相同先作用于阀上使马达和泵的A、B口断开再通过阀作用于刹车打开刹车。阀比阀先动作以确保刹车打开时泵和马达的All和B口处于断开状态。处于高速状态时马达的起重重量只相当于马达处于低速时的%左右当马达处于高速状态而起吊的重量超过高速状态的范围时压力开关起作用使阀从a位转Nb位马达转到底速状态以提高马达的起重能力。第章波浪补偿系统的组成及补偿机理\‘彳克令吊控制系统CC主起升图.起重机控制系统Fig.Mapofcranecontrolsystem船用起货机波浪补偿研究图.系统关联图Fig..MapoftherelationshipF低速BD下降A上升GC高速E图.起货机手柄的操纵示意图Fi醇.M印ofthejoystick当操纵手柄从B位或C位向F位或G位移动时起升马达放下重物此时系统的工作情况与起升马达吊起重物时相同只是液流方向相反。阀llll一、、、、、和压力开关l均为液压系统的安全阀当它们的压力设定好后如果起重机的起吊重量超过安全负载的重量时会自动切断压力回路保证起重机不会受到损坏。当操纵手柄从B位或C位向D位或E位移动时起升马达开始工作(吊起重物)。系统的控制压力先通过泵的伺服阀和再作用于泵和泵上来控制泵的排量。操纵手柄的位移与输入到泵的伺服阀和的控制第章波浪补偿系统的组成及补偿机理电信号成比例伺服阀和的控制电信号能控制阀芯的位移使系统的控制压力能够随着操纵手柄的移动来不停地改变泵的排量从而控制马达的速度。当操纵手柄从B位或C位向F位或G位移动时起升马达放下重物此时系统的工作情况与起升马达吊起重物时相同只是液流方向相反。阀、III卜、、、iiii、iil和压力开关均为液压系统的安全阀当它们的压力设定好后如果起重机的起吊重量超过安全负载的重量时会自动切断压力回路保证起重机不会受到损坏。()起升液压系统图.起升液压系统的原理图起升液压系统的主要部件有:双向变量泵iiii、马达刹车l通过比较我们可以发现起升、变幅与旋转系统很相似它们的工作原理也很相似大家可以参照本文对起升系统的功能分析对变幅系统和旋转系统的液压功能作详细的分析不在这里赘述。()变幅系统和旋转系统起重机的变幅和旋转在驾驶室中共用一个操纵手柄手柄向前和向后控制臂架变幅向左和向右控制起重机的旋转。图.为手柄的操纵示意图。点A为操纵手柄的零位。变幅系统的主要部件有:液压泵l液压马达刹车见图.旋转系统的原理图旋转系统的主要部件有:液压泵液压马达、船用起货机波浪补偿研究图.起升系统Fig..M印ofthehoistsystem第章波浪补偿系统的组成及补偿机理至至玺卜olCa一一em摹caC变幅系统Fa(H.T一}JSCT回转系统T盘筮早出I^AB连^LTI】司l一一lab、.垫习nl^el一C盯丁cn^‘乏毖叫图.变幅、回转系统起货机GL/Fig..Mapofthelift/slewsystem声霉血一严粪广\》船用起货机波浪补偿研究..差动行星轮系捌卷扬机内部装有一个差动行星齿轮减速机以推动滚筒两个输入端分别为太阳轮(主驱动端)和内齿圈(副驱动端)行星架为输出端。由行星齿轮特性可以得到:当太阳轮和内齿圈转向相同时行星架转速增/n相反则转速降低。主驱动端的控制与普通液压起重机相同采用另一端耦合的副驱动端来实现波浪补偿功能。副驱动端的液压马达设计功率(转动扭矩)小于主驱动端。当两侧马达同向驱动卷扬机转速增加当两侧马达反向驱动卷扬机转速降低。这样就可以通过改变重物的升降速度来实现波浪补偿。波浪补偿系统的升沉补偿方法即是利用差动行星轮系的调速特性来实现的。如果要增加调速范围.可以在内齿圈端的输入端再增加一级齿轮传动以满足工作需要。在正常工作状态下(没有风浪的情况下)副驱动制动器处于接合的状态副驱动端不旋转这时的减速器就是典型的NGW行星传动使用主驱动端以完成正常的起升/下降工作。当海浪波动较大时启动副驱动便形成波浪补偿系统。行星齿轮传动的主要特点如下:()体积小质量小结构紧凑承载能力大由于行星齿轮传动具有功率分流和各中心轮构成共轴线式的传动以及合理地应用内啮合齿轮副因此可使其结构非常紧凑。再由于在中心轮的周围均匀地分布着数个行星轮来共同分担载荷从而使的每个齿轮所承受的负荷较小并允许这些齿轮采用较小的模数。此外在结构上充分利用了内啮合承载能力大和内齿圈本身的可容体积从而有利于缩小其外廓尺寸使其体积小质量小结构非常紧凑且承载能力大。()传动效率高由于行星齿轮传动结构的对称性即它具有数个匀称分布的行星轮使得作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能相互平衡从而有利于达到提高传动效率的作用。在传动类型选择恰当、结构布置合理的情况下其效率值可达.~.。()传动比较大可以实现运动的合成与分解只要适当选择行星齿轮传动的类型及配齿方案便可以用少数几个齿轮而获得很大的传动比。在仅作为传递运动的行星齿轮传动中其传动比可达到几千。且行星齿轮传动在其传动比很大时仍然可以保持结构紧凑、质量小、体积小等第章波浪补偿系统的组成及补偿机理许多优点。而且它还可以实现运动的合成与分解以及实现各种变速的复杂运动。()运动平稳、抗冲击和振动的能力较强由于采用了数个结构相同的行星轮均匀地分布于中心轮周围从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡。同时也使参与啮合的齿数增多故行星齿轮传动的运动平稳抵抗冲击和振动的能力较强工作较可靠。..滤波器跚在信号处理中往往要对信号作时域、频域的分析与处理。对不同目的的分析与处理往往需要将信号中相应的频率成分选取出来而无需对整个的信号频率范围进行处理。此外在信号的测量与处理过程中会不断地受到各种干扰的影响。因此在对信号做进一步处理之前有必要将信号中干扰成分去除掉以利于信号处理的顺利进行。滤波和滤波器便是实施上述功能的手段和装置。滤波是选取信号中感兴趣的部分而抑制或衰减掉其他不需要的成分。能实施滤波功能的装置成为滤波器滤波器可以采用电的、机械的或数字的方式来实现。滤波器特性可以用其频率响应来描述根据滤波器的选频方式一般可将其分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器这四种滤波器的幅频特性曲线见图...。彳lO图.低通滤波器的幅频特性曲线Fig..Amplitudefrequencycharacteristiccurveoflowpassfilter船用起货机波浪补偿研究彳图.l高通滤波器的幅频特性曲线Fig..AmplitudefrequencycharacteristicCUlVeofhighpassfilter彳O图.带通滤波器的幅频特性曲线Fig..Amplitudefrequencycharacteristiccurveofbandpassfilter么图.带阻滤波器的幅频特性曲线Fig..AmplitudefrequencycharacteristicCulweofbandeliminationfilter第章波浪补偿系统的组成及补偿机理(I)低通滤波器。从到.厶频率幅频特性平直该段范围称之为通频带信号中高于^的频率成分则衰减。()高通滤波器。滤波器通频带从频率Z~oo信号中高于Z的频率成分可不受衰减地通过而低于万的频率成分被衰减。()带通滤波器。它的通频带在Z~五之间信号中高于Z而低于五的频带成分可以通过而其他频率成分被衰减。()带阻滤波器。与带通滤波器相反其阻带在石~以之间在该阻带之问的信号频率成分被衰减掉而其他频率成分则可以通过。电的方式的滤波按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。()无源滤波器:仅由无源元件(R、L和C)组成的滤波器它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是:电路比较简单不需要直流电源供电可靠性高缺点是:通带内的信号有能量损耗负载效应比较明显使用电感元件时容易引起电磁感应当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大在低频域不适用。()有源滤波器:由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器)组成。这类滤波器的优点是:通带内的信号不仅没有能量损耗而且还可以放大负载效应不明显多级相联时相互影响很小利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件)缺点是:通带范围受有源器件(如集成运算放大器)的带宽限制需要直流电源供电可靠性不如无源滤波器高在高压、高频、大功率的场合不适用按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。模拟滤波器在测试系统或专用仪器仪表中是一种常用的变换装置。例如:带通滤波器用作频谱分析仪中的选频装置低通滤波器用作数字信号分析系统中的抗频混滤波高通滤波器被用于声发射检测仪中剔除低频干扰噪声带阻滤波器用作电涡流测振仪中的陷波器等等。模拟滤波器的原理主要是利用电容器对高频信号的低阻抗、对低频信号的高阻抗和电感对对低频信号的低阻抗、对高频信号的高阻抗的特性滤除特定频率的信号。与模拟滤波器相对应在离散系统中广泛应用数字滤波器。它的作用是利用船用起货机波浪补偿研究离散时间系统的特性对输入信号波形或频率进行加工处理。或者说把输入信号变成一定的输出信号从而达到改变信号频谱的目的。数字滤波器一般可以用两种方法来实现:一种方法是用数字硬件装配成一台专门的设备这种设备称为

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