船舶多航态对减摇鳍电伺服系统影响研究
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摘要
本课题来源于哈尔滨工程大学211工程项目“减摇鳍电伺服系统试验装置”课题。现在的减摇鳍转鳍驱动系统采用的是电液伺服系统。随着减摇鳍电伺服系统也在加装在船舶上,但是电伺服系统中的电机对于转矩的控制比较严格。
本文首先对船舶横摇运动进行分析,目前研究船舶特性所采用的模型大都是线性的,线性模型运算简单,并在一定条件下完全可以替代实际系统复杂的动态非线性模型。但在波浪较大的情况下,用线性船舶模型进行船舶横摇运动的研究其误差很大,必须考虑用非线性模型。
然后介绍了振动薄翼理论Theodorsen理论。计算绕轴作正弦振动运动的鳍的动态水动力系数,给出了振动薄翼理论的应用,平板翼作正弦振荡运动水动力系数(即鳍水动力系数的振动解部分)的推导过程。
接着通过对鳍轴上力矩的分析,给出减摇鳍在水中作复杂运动时鳍轴上的力矩模型,并对鳍轴上所受的各种力矩分别进行讨论,给出实际的计算公式。对主要作用在减摇鳍上的三种力矩进行详细的推导,最后,把某舰上的减摇鳍作为鳍的模型,对鳍的力矩曲线进行了仿真,对多种航态下的转鳍力矩进行叠加仿真。
最后针对电伺服系统设计基于遗传PID整定的控制器,在MATLAB中建立系统仿真模型。在建模过程中,首先建立电机的仿真模型通过搭建的仿真模型,分别对常规PID和基于遗传算法整定的PID控制算法控制下的系统进行仿真分析。结果表明:基于遗传算法整定的PID控制方法在控制性能和鲁棒性方面都大大优于常规PID控制器,更能适应高性能控制系统对系统品质的要求。这也就为本控制系统的设计采用的控制算法确立了目标。
This topic comes from Harbin Engineering University, 211 projects, "Fin electric servo system test device" issue. Fin now turn fin drive system uses a servo system. With the electric servo systems are also installed in the fin, but the electric motor servo system for more stringent control of torque.
In this paper, the ship rolling motion analysis, the current study used the ship characteristics of the model are largely linear, linear model simple operation, and under certain conditions, can replace the actual system of complex dynamic non-linear model. However, in the case of large waves, using linear ship model ship rolling motion of their great error, we must consider the use of non-linear model.
Then introduced the theory of vibration of thin-wing theory of Theodorsen. Calculation for sine vibration movement around the axis of the fins of the dynamic hydrodynamic coefficients are given the application of vibration theory of thin wings, flat-wing Movement for the sine oscillation hydrodynamic coefficients (ie, fin hydrodynamic coefficients of vibration solution part) derivation.
Then through the analysis of fin-axis torque is given fin movement in the water to make a complex model of fin-axis torque, and suffered a variety of fin-axis torque separately to discuss the actual formula is given. Major role in anti-rolling fin on the three kinds of torque detailed derivation, finally, the 053 ship fin stabilizer fins as a model of the torque curve of the fin curve simulation, for a variety of aircraft transferred under state fin torque to overlay simulation.
Finally for the electrical servo system design is based on the genetic tuning of PID controllers, in the MATLAB simulation model to establish the system. In the modeling process, first through the establishment of the motor to build the simulation model, respectively, and the conventional PID tuning based on genetic algorithms for PID control algorithm carried out under the control of the system simulation. The results showed that: Based on Genetic Algorithm-tuning PID control method in the control performance and robustness in terms of greatly superior to conventional PID controller, high-performance control system more responsive to the quality system requirements. This is also based servo control system designed using the control algorithms and filtering algorithm to establish the goal.
本文首先对船舶横摇运动进行分析,目前研究船舶特性所采用的模型大都是线性的,线性模型运算简单,并在一定条件下完全可以替代实际系统复杂的动态非线性模型。但在波浪较大的情况下,用线性船舶模型进行船舶横摇运动的研究其误差很大,必须考虑用非线性模型。
然后介绍了振动薄翼理论Theodorsen理论。计算绕轴作正弦振动运动的鳍的动态水动力系数,给出了振动薄翼理论的应用,平板翼作正弦振荡运动水动力系数(即鳍水动力系数的振动解部分)的推导过程。
接着通过对鳍轴上力矩的分析,给出减摇鳍在水中作复杂运动时鳍轴上的力矩模型,并对鳍轴上所受的各种力矩分别进行讨论,给出实际的计算公式。对主要作用在减摇鳍上的三种力矩进行详细的推导,最后,把某舰上的减摇鳍作为鳍的模型,对鳍的力矩曲线进行了仿真,对多种航态下的转鳍力矩进行叠加仿真。
最后针对电伺服系统设计基于遗传PID整定的控制器,在MATLAB中建立系统仿真模型。在建模过程中,首先建立电机的仿真模型通过搭建的仿真模型,分别对常规PID和基于遗传算法整定的PID控制算法控制下的系统进行仿真分析。结果表明:基于遗传算法整定的PID控制方法在控制性能和鲁棒性方面都大大优于常规PID控制器,更能适应高性能控制系统对系统品质的要求。这也就为本控制系统的设计采用的控制算法确立了目标。
This topic comes from Harbin Engineering University, 211 projects, "Fin electric servo system test device" issue. Fin now turn fin drive system uses a servo system. With the electric servo systems are also installed in the fin, but the electric motor servo system for more stringent control of torque.
In this paper, the ship rolling motion analysis, the current study used the ship characteristics of the model are largely linear, linear model simple operation, and under certain conditions, can replace the actual system of complex dynamic non-linear model. However, in the case of large waves, using linear ship model ship rolling motion of their great error, we must consider the use of non-linear model.
Then introduced the theory of vibration of thin-wing theory of Theodorsen. Calculation for sine vibration movement around the axis of the fins of the dynamic hydrodynamic coefficients are given the application of vibration theory of thin wings, flat-wing Movement for the sine oscillation hydrodynamic coefficients (ie, fin hydrodynamic coefficients of vibration solution part) derivation.
Then through the analysis of fin-axis torque is given fin movement in the water to make a complex model of fin-axis torque, and suffered a variety of fin-axis torque separately to discuss the actual formula is given. Major role in anti-rolling fin on the three kinds of torque detailed derivation, finally, the 053 ship fin stabilizer fins as a model of the torque curve of the fin curve simulation, for a variety of aircraft transferred under state fin torque to overlay simulation.
Finally for the electrical servo system design is based on the genetic tuning of PID controllers, in the MATLAB simulation model to establish the system. In the modeling process, first through the establishment of the motor to build the simulation model, respectively, and the conventional PID tuning based on genetic algorithms for PID control algorithm carried out under the control of the system simulation. The results showed that: Based on Genetic Algorithm-tuning PID control method in the control performance and robustness in terms of greatly superior to conventional PID controller, high-performance control system more responsive to the quality system requirements. This is also based servo control system designed using the control algorithms and filtering algorithm to establish the goal.
引文
[1]金鸿章,姚绪梁.船舶控制原理.哈尔滨工程大学出社.2001:79-87
[2]王指国.减摇鳍电视伺服系统研究.哈尔滨工程大学2006
[3]周希章,周全.如何正确选用电动机.机械工业出版社,2004.
[4]秦忆等著.现代交流伺服系统.华中理工大学出版社.1995(1)
[5]刘胜,刑兆寿.高海情下船舶减摇鳍控制系统的仿真.船舶工程.1995年第2期
[6]马洁,杨鹏,李国斌.高海情下船舶运动规律及减摇技术仿真研究.船舶工程.2006年第2期
[7]廖铭声.减摇鳍的阻力计算.船舶工程.1995(4)
[8]寥铭声.减摇鳍设计的流体动力计算.机电设备.1996(3)
[9]廖铭声.船舶横摇计算公式及其应用.舰船科学技术.1992(1)
[10]廖铭声.减摇鳍的水动力设计基础.机电设备.1997-4
[11]余音,胡毓仁,金咸定.船舶在波浪中非线性横摇研究的现状和发展船舶力学.2002年第2期
[12]金鸿章,罗延明,张晓飞,肖真.零航速减摇鳍电动伺服系统驱动功率研究.中国造船.2008年第6期
[13]李永东.交流电机数字控制系统.机械工业出版社.2002
[14]许强,贾正春,李朗.如带负载转矩补偿的PMSM交流伺服系统自适应控制.电工技术学报.1997年第十期
[15]王振永,王然冉.电机的数学模型和参数识别.北京:机械工业出版社.1991
[16]李鸿儒,顾树生,刘东升.带神经网络转矩观测器的PMSM自适应前馈PID控制器设计.电机与控制学报. 2004,8(4): 350 - 356.
[17] A.H.霍洛季夫,A.H.什梅列夫.船舶的耐波性和在波浪上的稳定措施.国防工业出版社.1980年第3期
[18]李积德.船舶耐波性.北京:国防工业出版社.1987
[19]郑泽东,李永东.FADELM基于状态观测和反馈的伺服系统位置控制器.清华大学学报.2008,48(1)
[20] Andres.Guesalaga.Modelling End-of-roll Dynamics In Positioning Servos. Control Engineering Praetiee 12(2004)217一224P
[21] PeterVas.Veetor Control of AC Maehines,Oxford,Clarendon Press,1990
[21] Soon-bong cho,Dong-SeokHyun,“Arobust Indireet Veetor Control For The Rotor Time Constant Variation of Induetion Maehines”IEEEO-7803-2775-6/96:1025-1036P
[22]李正大,陈光达,马洪波.结构因素对雷达伺服系统性能影响及其测试研究.现在电子技术.2008年第3期
[23]孙弘星,陈东,于冰.进动效应对涡轮螺旋桨飞机的影响.飞架设计.2003年第1期
[24]马鉴恩等.减摇鳍动态水动力性能水池模型实验报告.哈尔滨工程大学船模水池实验室,1998
[25]郑为民,王勇.电力推进发展的主要原因及历程概略.航海技术,2004年第3期
[26] Damping Stabilization Systems.TheNavalArehiteet,1996(9)
[27] R.M.Parkin,C.A.Czarnecki,R.Safarie,D.W.Calkin.APDISevro Conrtol Syestm Experimeni Conducted Remoet VianItemet. Meehatronies12(2002) 833-843P
[28] V.Devnaneaux,B.Dagues,J.Fuaeher,G. .Barakat.An Aeeurate Model of Squirrel Cage Induetion Maehines Under Stator Faults.Mathematies-and Computersin Simulation63(2003)377-39lP
[29] Corrado Guarino Lo Bianeo,Aurelio Piazzi.A Servo Control System Design Using Dynnajie Inversion.Control Engineering Praetiee 10 (2002) 847-855P
[30]陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社,1992
[31]盛振邦等著.船舶静力学.上海交通大学出版社,1992(5)
[32]纪志成,薛花等著.基于Matlba交流异步电动机矢量控制系统的仿真建模.系统仿真学报,2004年第4期
[28]毛敏.基于遗传算法的PID参数寻优问题的研究.华北电力大学硕士学位论文,2002,12
[29]张辉,吴爱国.基于遗传算法和PC的控制系统.仪器仪表学报,2002,6(23):383-384
[30]谭立新,刘觉民,陈明照,刘彦哲,宋小明.一种基于遗传算法优化模拟原动系统PI参数的新方法.电工电能新技术,2008.10第27期:14-17
[31]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真.电子工业出版社,2004.7
[32]雷英杰,张善文,李续武,周创明.MATLAB遗传算法工具箱及应用.西安电子科技大学出版社.2005.4
[33]林忠万.基于DSP的导弹舵机伺服控制系统的研究.西北工业大学硕士学位论文,2004.3
[34]董世汤.船舶螺旋桨理论.第一版.上海:上海交通大学出版社,1985:41-44页
[35]张晓宇.非线性系统鲁棒控制及其在力控鳍中的应用.哈尔滨工程大学博士论文.2002:1-15页
[36]于萍,刘胜,邓志红,金鸿章.减摇鳍升力反馈与鳍角反馈控制的对比.船舶工程.2001第二期: 56-58页
[37]贺彦峰.升力反馈减摇鳍及减摇鳍变结构控制方法研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2001:1-3页9-15页
[38]吉明,金鸿章,杨生,阎立涛.减摇鳍半实物仿真系统的设计与实现.应用科技.2002第9期:30-33页
[39]姚绪梁.电伺服系统及其在船舶运动中的应用.哈尔滨工程大学出版社2009.7
[40]蒋亚峰.舵机系统控制算法及性能改进.西安电子科技大学硕士论文.2009
[2]王指国.减摇鳍电视伺服系统研究.哈尔滨工程大学2006
[3]周希章,周全.如何正确选用电动机.机械工业出版社,2004.
[4]秦忆等著.现代交流伺服系统.华中理工大学出版社.1995(1)
[5]刘胜,刑兆寿.高海情下船舶减摇鳍控制系统的仿真.船舶工程.1995年第2期
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[10]廖铭声.减摇鳍的水动力设计基础.机电设备.1997-4
[11]余音,胡毓仁,金咸定.船舶在波浪中非线性横摇研究的现状和发展船舶力学.2002年第2期
[12]金鸿章,罗延明,张晓飞,肖真.零航速减摇鳍电动伺服系统驱动功率研究.中国造船.2008年第6期
[13]李永东.交流电机数字控制系统.机械工业出版社.2002
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[17] A.H.霍洛季夫,A.H.什梅列夫.船舶的耐波性和在波浪上的稳定措施.国防工业出版社.1980年第3期
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[21] PeterVas.Veetor Control of AC Maehines,Oxford,Clarendon Press,1990
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[22]李正大,陈光达,马洪波.结构因素对雷达伺服系统性能影响及其测试研究.现在电子技术.2008年第3期
[23]孙弘星,陈东,于冰.进动效应对涡轮螺旋桨飞机的影响.飞架设计.2003年第1期
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[27] R.M.Parkin,C.A.Czarnecki,R.Safarie,D.W.Calkin.APDISevro Conrtol Syestm Experimeni Conducted Remoet VianItemet. Meehatronies12(2002) 833-843P
[28] V.Devnaneaux,B.Dagues,J.Fuaeher,G. .Barakat.An Aeeurate Model of Squirrel Cage Induetion Maehines Under Stator Faults.Mathematies-and Computersin Simulation63(2003)377-39lP
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[30]陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社,1992
[31]盛振邦等著.船舶静力学.上海交通大学出版社,1992(5)
[32]纪志成,薛花等著.基于Matlba交流异步电动机矢量控制系统的仿真建模.系统仿真学报,2004年第4期
[28]毛敏.基于遗传算法的PID参数寻优问题的研究.华北电力大学硕士学位论文,2002,12
[29]张辉,吴爱国.基于遗传算法和PC的控制系统.仪器仪表学报,2002,6(23):383-384
[30]谭立新,刘觉民,陈明照,刘彦哲,宋小明.一种基于遗传算法优化模拟原动系统PI参数的新方法.电工电能新技术,2008.10第27期:14-17
[31]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真.电子工业出版社,2004.7
[32]雷英杰,张善文,李续武,周创明.MATLAB遗传算法工具箱及应用.西安电子科技大学出版社.2005.4
[33]林忠万.基于DSP的导弹舵机伺服控制系统的研究.西北工业大学硕士学位论文,2004.3
[34]董世汤.船舶螺旋桨理论.第一版.上海:上海交通大学出版社,1985:41-44页
[35]张晓宇.非线性系统鲁棒控制及其在力控鳍中的应用.哈尔滨工程大学博士论文.2002:1-15页
[36]于萍,刘胜,邓志红,金鸿章.减摇鳍升力反馈与鳍角反馈控制的对比.船舶工程.2001第二期: 56-58页
[37]贺彦峰.升力反馈减摇鳍及减摇鳍变结构控制方法研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2001:1-3页9-15页
[38]吉明,金鸿章,杨生,阎立涛.减摇鳍半实物仿真系统的设计与实现.应用科技.2002第9期:30-33页
[39]姚绪梁.电伺服系统及其在船舶运动中的应用.哈尔滨工程大学出版社2009.7
[40]蒋亚峰.舵机系统控制算法及性能改进.西安电子科技大学硕士论文.2009
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