船舶起重机半主动升沉补偿控制特性研究

针对大吨位波浪补偿系统响应滞后导致的位置补偿不足的问题,提出船舶起重机半主动升沉补偿系统补偿控制方法,即当系统工作于半主动升沉补偿工况时,采用多状态反馈的复合控制方法实现对负载升沉运动的高精度补偿,建立复合液压缸、活塞蓄能器、比例阀组成的补偿控制系统数学模型,并考虑速度、加速度反馈和船舶升沉速度前馈,进行仿真与实验分析,得到不同负载、运动幅值、运动周期条件下系统位置补偿控制的响应特性,验证了船舶起重机半主动升沉补偿控制方法的有效性。     

浮式钻井平台天车升沉补偿系统联合仿真研究

天车升沉补偿系统在浮式海洋钻井平台得到了广泛应用。为分析天车升沉补偿系统不同工作方式下的补偿效果,对其主要系统参数进行设计。利用AMESim仿真平台和ADMAS软件搭建了联合仿真模型,完成被动补偿方式及3种不同反馈信号（位移、速度和加速度）下半主动补偿方式的补偿效果仿真实验,以及气液转换器与被动补偿缸之间管线长度对补偿效果的影响分析。仿真结果表明：半主动补偿方式下速度反馈补偿效果最佳,加速度反馈稍差,位移反馈最次,但都远高于被动补偿方式;气液转换器与被动补偿缸之间管线越短补偿效果越高。     

基于阀控非对称伺服缸的半主动升沉补偿研究

深海有缆水下机器人在恶劣海况下作业时,常配备相应的升沉补偿系统以提高水下机器人释放和回收作业的安全性。重点研究了基于阀控非对称伺服缸的半主动升沉补偿方式,介绍了与实际系统相似的半主动升沉补偿模型系统,并阐述了系统的功能组成和工作原理。考虑了弹性负载的影响,建立了由伺服放大器、阀控非对称缸和弹簧负载模型等构成的电液位置伺服系统的传递函数模型。在此基础上,根据阀控非对称缸的输入电压与活塞输出速度之间的非线性关系,设计了分段前馈控制器,以提高系统的动态响应性能。最后进行了半主动升沉补偿性能试验,结果证明了所研究的半主动升沉补偿方式的有效性。     

新型半主动倍增程式升沉补偿装置设计与仿真分析

结合半主动式升沉补偿装置的补偿原理,设计了带有双驱动齿轮-双齿面直齿条机构的倍增程式机械驱动游车大钩升沉补偿系统,并对其工作原理和补偿过程进行了分析,再结合AMESim仿真软件建立起了升沉补偿液压缸、大钩载荷、气液蓄能器和驱动齿轮-直齿条等系统组件的倍增程式补偿数学模型。仿真结果表明：新型升沉补偿系统的整体补偿效率可达到95.6%,补偿效果较好,系统能耗曲线因补偿电机的持续运转呈现连续上升趋势。补偿系统中随驱动齿轮半径增加,大钩升沉位移逐渐减小使补偿效果提高,而对系统能耗影响较小;随比例系数增加,大钩升沉位移和系统能耗曲线呈现先增加后趋于缓慢的趋势;随平台升沉周期增加,补偿效果变好,系统能耗降低;随大钩载荷增加,系统能耗呈线性增加。     

双驳半主动升沉补偿及其在“世越”号打捞案例中仿真应用研究

针对在大吨位沉船打捞中的升沉补偿技术,提出了一种基于韩国“世越”号沉船打捞的双驳抬吊半主动升沉补偿打捞系统,模拟了双驳共66组带有半主动升沉补偿器(SAHC)系统在类似历史海况下对沉船位姿和缆绳拉力的补偿过程。建立了半主动升沉补偿液压系统、缆绳系统与沉船运动的数学模型,以及负载-缆绳-补偿系统的耦合系统,推导了驳船各吊点的升沉补偿量。通过MATLAB/Simulink仿真系统的负载特性、缆绳拉力和沉船位姿变化。证明半主动升沉补偿对削弱负载位移和减轻缆绳拉力同时有显著作用,为实际沉船打捞中应用半主动升沉补偿技术提供了理论依据和技术参考。     

变频节流调速半主动式升沉补偿系统设计

为保证船用起重机不受海上波浪影响,安全高效地完成吊装作业,并且在现有半主动式升沉补偿系统的基础上进一步减少系统能量损失,提高系统效率,设计了变频节流调速半主动式升沉补偿系统。通过采用变频液压调速技术实现全局功率匹配,同时保留阀控组件,以期能够同时满足系统对位置控制精度和能量消耗的要求,并利用AMESim和Simulink软件分别建立了液压系统和变频电机的仿真模型,通过联合仿真对系统的补偿及节能效果进行了验证分析。结果表明,该系统对随机波的补偿精度可达99.7%,并且能量消耗仅为相同工况下普通阀控主动式系统的25.6%,节能效果显著。     

液压缸运动的非线性动态特征

根据非线性动力学的观点,通过理论分析和试验验证,研究非线性弹簧力和非线性摩擦力对液压缸动态特性的作用。得出三种不同节流调速回路工况下液体弹簧刚度随位移变化规律,发现不同工况各自呈现出软弹簧特性或硬弹簧特性。提出非线性弹簧力作用可以用有阻尼的Duffing方程描述,非线性摩擦力作用可以用Van Der Pol方程描述,非线性弹簧力和非线性摩擦力耦合作用可以用Lienard方程描述。指出液压缸低速爬行原因是在特定工况下软弹簧特性引起的“跳跃现象”和非线性摩擦力引起的自激振动共同作用的结果。方程的解在不同工作条件下具有不同的形态,说明液压缸非线性动态特性复杂多变。     

液压挖掘臂关节伺服系统非线性动态特征研究

为有效分析挖掘臂关节伺服控制系统,提高控制精度,通过机理建模分析了系统存在的非线性特性——比例阀死区、阀控非对称液压缸动态特性不对称特性、液压缸非线性摩擦力、非线性液压弹簧力及挖掘臂关节非线性动力学。通过实验验证了系统中各项非线性特性对其控制性能的影响。结果表明,以上几种非线性特性对系统动态响应均存在不利影响。     

基于摩擦及泄漏补偿的被动电液测力建模与实验研究

为提高液压系统静态下基于流体压力测量其负载的测量精度,基于弹塑性变形理论及流体力学连续方程和N-S方程,分别对液压缸摩擦及泄漏进行了分析,建立了液压缸活塞密封圈与内壁接触摩擦力方程及液压缸-活塞间油液泄漏剪切力方程,得到液压缸接触摩擦力与泄漏剪切力数学模型,利用Ansys与Fluent有限元软件分别对其接触摩擦力及泄漏流场进行仿真计算分析。在此基础上,搭建了被动静态电液测力实验系统,考虑活塞密封圈与缸内壁接触摩擦和液压缸-活塞间泄漏,基于建立的摩擦及泄漏模型,补偿得到了被动电液测力系统的测量精度,并将之与线性拟合法得到的测量精度进行了对比。实验结果表明,采用基于摩擦及泄漏补偿的被动电液测力测量精度比常规线性拟合法明显提高,从而为提高电液测力测量精度提供了一种新的思路与方法。     

液压缸非线性弹簧力下的轧机特性及控制

建立了非线性弹簧力约束作用下的轧机辊系振动模型,采用平均法求得轧机辊系的幅频响应方程。仿真分析了不同非线性弹簧力和活塞杆初始位移的幅频特性曲线,以及系统分岔响应随外激励幅值的变化规律。引入吸振器控制装置,比较了吸振器加入前后的时域曲线和幅频曲线,仿真分析了吸振器质量、弹簧力和摩擦力对幅频曲线的影响。研究结果表明：非线性弹簧力和外激励都会改变轧机辊系振动特性的规律,吸振器的控制效果与吸振器质量、弹簧力和摩擦力有关。     

沉船提升被动型液压升沉补偿系统仿真研究

分析了沉船打捞多缸同步提升系统特点及工作原理,针对沉船打捞中驳船易受波浪影响而上下运动,设计了被动型液压升沉补偿系统,搭建了系统AMESim仿真模型。在简化系统负载模型的基础上,仿真研究了升沉补偿系统工作特性,结果表明,所设计被动式升沉补偿系统能够有效地降低波浪对沉船提升过程的影响。     

半主动式补偿绞车的液压试验系统

为了检验半主动式补偿绞车的控制性能与节能效果,根据相似理论研制了补偿绞车原理样机及其液压试验系统,主要包括升沉模拟液压系统、负载模拟液压系统、1∶5缩尺的补偿绞车原理样机,分别实现了造波、加载、升沉补偿与自动送钻等试验功能。开发了电控系统,升沉补偿采用大钩位移闭环,自动送钻采用负载压力闭环,电机采用带速度反馈的矢量控制模式。最后通过试验模拟了补偿绞车原理样机的升沉补偿过程、自动送钻过程以及二者的联动过程,测试了补偿绞车的控制性能及液压蓄能节能效果。试验结果表明:补偿绞车的控制效果良好,半主动补偿方式相对于主动补偿方式有明显的节能效果。     

液压振动台非线性摩擦力测量与参数辨识

电液伺服振动试验系统低速和换向时的非线性摩擦力测量和补偿是提高运输环境试验和地震模拟试验等控制精度的重要途径。为了定量获取液压振动台的非线性摩擦力,基于Stribeck效应建立了改进的电液伺服振动试验系统非线性摩擦力理论模型,并结合液压振动台的力平衡方程建立了非线性摩擦力待辨识参数的目标函数。提出一种基于位移闭环控制的简便方法对不同速度下的液压振动台油缸压力差进行测量,得到振动台液压缸与活塞杆之间的摩擦力随速度变化的数值规律。采用基于拟随机序列的混合遗传算法对非线性摩擦力理论模型的4个参数进行了辨识。试验结果证明了本研究方法的可行性,为液压振动试验系统加速度波形失真补偿提供了一定参考。     

波浪能转化液压系统动态特性及能量转化的研究

波浪能液压转化系统采用圆柱浮体垂荡运动激励液压缸，液压缸活塞往复振荡将波浪能转化成液压能，经过调节阀组和蓄能器储存输入液压马达，马达驱动发电机转化成电能。建立不规则波浪作用圆柱浮体并激励液压缸活塞的时域动力模型，建立液压系统蓄能器和马达能量传输及转化模型，研究了液压缸和蓄能器能量转化过程中压力和流量、马达转速和输出功率的动态特性。分析了随机波在液压系统中的能量传输规律和转化效率。     

挖掘臂的液压缸摩擦模型辨识与分析

挖掘臂的液压缸摩擦力使系统动态特性恶化,对其进行有效的摩擦补偿是提高控制性能的关键。为获得液压缸的精确摩擦模型,建立了铲斗关节动力学方程,方程中分别采用了库仑摩擦、库仑+黏性摩擦及Stribeck摩擦模型。针对系统中存在的有色噪声,采用了改进的递推最小二乘法辨识未知参数。将辨识的三种摩擦模型进行对比分析表明,Stribeck摩擦模型精度最高,能很好地预测液压缸驱动力。其中,Stribeck摩擦模型的辨识误差比库仑+黏性摩擦及库仑摩擦分别减少约8%与18%。     

数字液压缸非线性建模仿真与试验研究

以航天器转运平台使用的数字液压缸为研究对象,根据其结构特点和内部闭环控制原理,综合考虑步进电机旋转、丝杠螺旋反馈、阀芯轴向受力、液压缸上的摩擦力这些非线性因素影响,在Simulink中建立精确的数字液压缸非线性模型,并通过试验验证了模型的准确性。利用模型重点分析定位精度的影响因素,结果表明：供油压力波动会降低定位精度;减小步进电机频率可以提高定位精度。同时根据仿真及试验提出了通过调整输入脉冲量提高精度的方法,可以满足转运平台工作时的精度要求。