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深海采矿升沉运动补偿神经网络参数自适应控制研究

作　者: 李卫华
导　师: 肖体兵
学　校: 广东工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 深海采矿升沉补偿电液比例控制神经网络参数自适应 PID xPC Target 模拟实验 Simscape建模仿真
分类号: TP273.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文将深海多金属锰结核开采作为研发背景。以采矿船的扬矿管升沉补偿作为研究对象。对轻载、中载、重载三种升沉补偿模拟实验系统的液压系统进行了物理建模。并对神经网络自适应PID作为系统的控制策略进行了探讨。通过仿真和模拟实验验证了作者建立的物理仿真模型是正确性,设计的控制器是可行的。论文首先对三位四通电液比例阀控缸动力机构进行了数学建模。基于SIMSCAPE软件,对比例阀死区特性进行了仿真。仿真发现比例阀死区严重影响到液压系统动态性能,通过电压补偿的方式消除了比例阀死区对系统的不利影响。接着,利用SIMSCAPE软件搭建了轻载、中载、重载三种升沉补偿模拟实验系统物理仿真模型。其次,针对升沉补偿系统普遍存在着饱和、死区非线性、滞后、参数时变等不利因素,为了使系统获得满意的补偿精度,并增强其鲁棒性、提高其抗干扰和自适应能力,作者提出了单神经元自适应PID、BP神经网络自适应PID,两种神经网络自适应PID控制器,并通过SIMU INK模块和S函数进行了编程实现。再次,分别对轻载、中载、重载三种升沉补偿模拟实验系统物理模型进行了仿真。综合分析了各系统流量、压力、位移、力等物理量的变化。仿真数据将为实验研究和工程应用提供理论参考。改变正弦扰动信号频率,对常规PID控制器和两种神经网络自适应PID控制器进行了自适应对比仿真,仿真结果表明神经网络自适应PID控制器具有鲁棒性好,抗干扰性强,控制精度高和自适应能力强等优点。然后,搭建了轻载升沉补偿模拟实验平台,基于xPC Target完成了轻载升沉补偿模拟实验。对常规PID、单神经元自适应PID控制器分别进行了变频率正弦位置跟踪对比实验,和改变系统供油压力条件下阶跃动态响应对比实验。实验结果表明单神经元自适应PID控制器在鲁棒性、抗干扰、自适应能力方面优于常规PID控制器。轻载升沉补偿模拟实验系统采用单神经元自适应PID作为位置反馈控制器,系统将具有很强的鲁棒性和自适应能力,同时也增强了其抵抗干扰的能力。最后,通过仿真和实验,得出结论：(1)利用SIMSCAPE软件建立的三种升沉补偿模拟实验系统物理仿真模型是正确的,该物理仿真模型可以真实模拟实际系统流量、压力、位移、力等物理量的变化,具有物理意义强、参数修改方便和可移植性强等优点。(2)将神经网络与PID两者结合,组成PID参数在线可调的神经网络自适应PID控制器,应用到升沉补偿系统中,仿真和实验结果表明神经网络自适应PID控制器可增强系统的鲁棒性、自适应能力和抵抗干扰的能力。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
CONTENTS  11-14
第一章绪论  14-24
  1.1 课题研究背景、目的和意义  14-19
    1.1.1 海洋多金属锰结核概况  14-15
    1.1.2 深海多金属锰结核开采现状及其采矿技术  15-16
    1.1.3 升沉补偿系统简介  16-18
    1.1.4 课题研究目的和意义  18-19
  1.2 升沉补偿系统及其智能控制策略国内外研究现状  19-20
  1.3 本文研究目标和研究方法  20-21
    1.3.1 研究目标  20-21
    1.3.2 研究方法  21
  1.4 课题来源和研究内容  21-24
    1.4.1 本课题来源  21
    1.4.2 本课题研究内容  21-24
第二章升沉补偿模拟实验系统物理建模  24-46
  2.1 三位四通电液比例阀负载压力-流量特性方程  24
  2.2 单出杆液压缸的负载流量方程  24-26
    2.2.1 活塞杆外伸时缸的负载流量方程  25-26
    2.2.2 活塞杆内缩时缸的负载流量方程  26
    2.2.3 单出杆缸活塞杆的力平衡方程  26
  2.3 三位四通电液比例阀控缸建模  26-29
    2.3.1 三位四通滑阀流量方程线性化  27
    2.3.2 液压缸流量连续性方程  27-28
    2.3.3 液压缸活塞和负载的力平衡方程  28-29
  2.4 三位四通电液比例阀其阀芯运动的数学模型  29
  2.5 三位四通电液比例阀控缸的数学模型  29
  2.6 三位四通电液比例阀控缸的传递函数  29-30
  2.7 基于Simscape软件液压系统物理建模  30-39
    2.7.1 Simscape软件简介  31-32
    2.7.2 动力源模型  32-33
    2.7.3 电液比例方向阀模型  33
    2.7.4 单出杆液压缸模型  33-34
    2.7.5 负载模型  34
    2.7.6 传感器模型  34-35
    2.7.7 控制系统  35-36
    2.7.8 电液比例阀死区特性仿真  36-39
  2.8 升沉补偿模拟实验系统物理建模  39-43
    2.8.1 轻载升沉补偿模拟实验系统物理模型  40-41
    2.8.2 中载升沉补偿模拟实验系统物理模型  41-42
    2.8.3 重载升沉补偿模拟实验系统物理模型  42-43
  2.9 利用Simscape建模需要注意事项  43-44
  2.10 本章小结  44-46
第三章控制器设计  46-60
  3.1 PID控制器  46-47
  3.2 神经网络自适应控制器  47-59
    3.2.1 单神经元自适应PID控制器  48-51
    3.2.2 单神经元自适应PID控制器在simulink中的实现  51-52
    3.2.3 BP神经网络自适应PID控制器  52-53
    3.2.4 BP神经网络自适应PID控制器原理分析  53-57
    3.2.5 BP神经网络自适应PID控制器设计  57-58
    3.2.6 BP神经网络自适应PID控制器在simulink中实现  58-59
  3.3 本章小结  59-60
第四章升沉补偿模拟实验系统物理仿真研究  60-82
  4.1 轻载升沉补偿模拟实验系统仿真研究  60-69
    4.1.1 不补偿情况下  60-64
    4.1.2 补偿情况下  64-66
    4.1.3 改变采矿船升沉运动模拟输入信号频率研究各控制器自适应能力  66-69
  4.2 中载升沉补偿模拟实验系统仿真研究  69-71
  4.3 重载升沉补偿模拟实验系统仿真研究  71-79
  4.4 本章小结  79-82
第五章升沉补偿模拟实验系统实验研究  82-96
  5.1 实验系统组成  82-86
    5.1.1 液压系统  82-83
    5.1.2 硬件控制设备  83-84
    5.1.3 软件控制系统  84-86
  5.2 实验  86-94
    5.2.1 负载随采矿船升沉运动模拟实验  87-89
    5.2.2 变频率正弦输入常规PID和单神经元自适应PID对比实验  89-92
    5.2.3 阶跃输入常规PID和单神经元自适应PID对比实验  92-94
  5.3 本章小结  94-96
总结与展望  96-98
参考文献  98-102
攻读硕士期间研究成果  102-106
致谢  106

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