一种船模位置控制系统设计.docx

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一种船模位置控制系统设计

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张学斌

摘?要?针对试验水池,为获取海水中的电磁场分布,设计了一种基于变频器控制的船模位置系统,实现船模三轴向的高精度运动控制,较好地满足试验需求。

关键词?船模;变频器;位置控制;速度精度

Abstract?Aimingatatestwaterbasinwhichcouldgetthedistributionofelectromagneticfieldinwater,aship-modelpositioncontrolsystemhasbeendesignedbasedoninverter,whichcouldmeetthehigh-precisionmotioncontrolofship-modelonthreeaxialdirections,andtherequirementoftest.

Keywords?ship-model;inverter;positioncontrol;velocityprecision

0引言

船模位置控制系统是船舶性能试验的基本设备,其作用是拖曳船模或其他模型在试验水池中作匀速运动,以测量速度稳定后的船舶性能相关参数,达到预报和验证船型设计优劣的目的。设计、建造一艘现代舰船周期长、耗资巨大,因此在建造前的设计中,伴随着不同的设计阶段,根据不同需要做相应的模型试验是必要的[1]。通过利用水中目标的下半空间的磁场测试技术,反演推算整个目标空间的磁场分布[2]。为实现船模的位置控制精度及运动平稳性,通常在行车拖动系统中加入变频器改造达到优化动态性能,降低功耗和降低故障发生率的目的[3-4],或在拖动系统中通过添加PI控制有助于改善电机拖动系统的动态特性[5],或利用变频器直流制动功能实现大惯量交流拖动系统准确停车控制的设计方法[6]。

本文通过对试验水池进行改造建设,拟测量出船模在池底运动中的電磁场分布情况,因此建立低磁性与电绝缘性船模位置控制系统,实现船模的高精度位置控制和速度运行要求。船模位置控制系统主要由低磁导轨、驱动电机组成的拖车系统及控制平台等组成,导轨分为前后方向的运动导轨和左右方向的运动导轨,驱动电机和滚动轮执行机构实现拖动系统四个方向的运动,上下方向的运动由直流电机驱动牵引绳升降实现。控制平台实时获取船模的位置信息,根据位置和速度指令驱动电机实现运动。

1系统设计

1.1导轨设计

前后方向运行导轨固定安装于池壁,主要承载拖车系统和船模的重量。左右方向的运动导轨为固定安装在前后向运动机构上,主要承载左右运动机构及船模的重量。上下行程的四根导柱限定船模升降及运动中的方向。船模位置控制系统中拖动系统结构示意图如图1所示。

1)前后向导轨

前后方向导轨采用不锈钢方管型材铺设,满足结构强度的同时减少系统磁性的干扰。根据各部分的结构组成,总负载为2000kg,左右双侧共有8个滚动轮承力,每个轮上对导轨的压力约为250kg,通过计算最大变形量约2.65×10-3mm,变形量较小,符合设计要求。前后向导轨变形量计算如图2所示。

2)左右向导轨

左右向导轨采用不锈钢槽钢和不锈钢方管拼接而成,横截面结构如下图3所示。

水池宽度为5000mm,设计的横梁长度l=5648mm,截面惯性矩I=2.97e+8mm4,载荷主要为船模重量及横梁自重,约1000kg。当承重处于最大值位置时,通过计算得横梁变形量为0.81mm,形变量满足使用要求,计算示意图如图4所示。

3)导柱

根据实际行程的要求,为减少电机对水池底部的磁性干扰,上下向运动电机与左右向电机固连布置于横向导轨上方,通过导柱和牵引绳形成上下方向的位置控制,导柱长度为3200mm,根据船模形状、尺寸和安装位置,同时为保证船模运动中的稳定性要求,导柱设计为四根。导柱竖梁材料为无磁防腐不锈钢管内外包覆玻璃纤维制作,满足支撑强度的同时与海水绝缘。导柱安装于左右向移动的行车上部,为悬臂结构,如图5所示。

当船模处于导柱的最下端,即船模处于垂向放置的极限位置,导柱的受力和形成摆动的幅值最大。导柱的校核主要是计算导柱的受力和拖动装置制动后船模惯性对竖梁扰度的校验。已知船模的最大试验航速Vt为0.5m/s,船模重200kg,根据公式F=m·(V_t-V_0)/t得,V0=0为停止,即拖车制动后船模的受力与电机的延时控制有关,假设电机在1s后停止,F=1250N。则船模对于导柱的加载P=1250N,材料参数为l=3863mm,E=108GPa,I=5.027×108mm4。计算得到最大应力处为36MPa,材料满足使用要求,排除水流的影响,瞬间最大挠度为10.5m

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