《輪機(jī)自動(dòng)化原理》課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書

1、輪機(jī)自動(dòng)化原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書作者：吳金波華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院二一四年六月制目 錄目 錄11 設(shè)計(jì)目的22 設(shè)計(jì)要求32.1 仿真分析類32.1.1 設(shè)計(jì)工作量32.1.2 進(jìn)度安排32.2 工程設(shè)計(jì)類42.2.1 設(shè)計(jì)工作量42.2.2 進(jìn)度安排42.3 數(shù)據(jù)采集與處理類42.3.1 設(shè)計(jì)工作量42.3.2 進(jìn)度安排53 設(shè)計(jì)內(nèi)容及步驟63.1 基于PLC的主機(jī)轉(zhuǎn)速控制試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)63.1.1 設(shè)計(jì)要求63.1.2 設(shè)計(jì)步驟63.2 IG-500A管道傳感器的數(shù)據(jù)采集及其數(shù)據(jù)融合73.2.1 設(shè)計(jì)要求73.2.2 設(shè)計(jì)步驟73.3 基于改變?nèi)莘e的高精度壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)83.3.1 設(shè)

2、計(jì)要求83.3.2 設(shè)計(jì)步驟83.4 基于改變?nèi)莘e的高精度壓力控制系統(tǒng)的建模與分析93.4.1 設(shè)計(jì)要求93.4.2 設(shè)計(jì)步驟93.5 基于AR模型的艦船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)在線預(yù)報(bào)算法設(shè)計(jì)93.5.1 設(shè)計(jì)要求93.5.2 設(shè)計(jì)步驟103.6 氣囊隔振裝置姿態(tài)控制仿真研究103.6.1 設(shè)計(jì)要求103.6.2 設(shè)計(jì)步驟113.7 面向滑道式小艇收放的自動(dòng)脫、掛鉤裝置設(shè)計(jì)123.7.1 設(shè)計(jì)要求123.7.2 設(shè)計(jì)步驟123.8 微小型水下機(jī)械手設(shè)計(jì)133.8.1 設(shè)計(jì)要求133.8.2 設(shè)計(jì)步驟134 設(shè)計(jì)成績考核145 幾點(diǎn)說明151 設(shè)計(jì)目的輪機(jī)自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)是在學(xué)生學(xué)完專業(yè)課程以后進(jìn)行的一項(xiàng)重要教

3、學(xué)環(huán)節(jié)。它要求學(xué)生初步學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用過去所學(xué)的課程知識(shí)，作一次基本的技術(shù)訓(xùn)練，為搞好畢業(yè)設(shè)計(jì)和今后的工作準(zhǔn)備條件、打好基礎(chǔ)。其設(shè)計(jì)目的如下：1、理想目標(biāo)：掌握先進(jìn)過程監(jiān)測與控制技術(shù)，理解控制系統(tǒng)、分析控制策略、甚至設(shè)計(jì)新型的控制算法和控制系統(tǒng)；2、通過艦船自動(dòng)化裝備和水下作業(yè)工具的設(shè)計(jì)和分析，學(xué)習(xí)并掌握如何建立對象系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以用于過程參數(shù)檢測、控制系統(tǒng)的分析、參數(shù)整定和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；3、了解整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，掌握設(shè)計(jì)方法，能熟練地運(yùn)用所學(xué)的基本理論知識(shí)，正確地解決艦船或水下作業(yè)工具某一自動(dòng)化裝置的設(shè)計(jì)問題。使學(xué)生通過自己的設(shè)計(jì)、理論計(jì)算、繪制圖紙、編寫技術(shù)文件，提高學(xué)生獨(dú)立工作能力、

4、自動(dòng)化設(shè)計(jì)水平。要求所設(shè)計(jì)的機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理、性能良好。4、通過對整套系統(tǒng)的數(shù)值仿真分析，為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型提供理論上的指導(dǎo)，要求掌握基本的仿真軟件和數(shù)值計(jì)算方法。5、通過本設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握船舶自動(dòng)化裝置設(shè)計(jì)有關(guān)資料的術(shù)語、出處，學(xué)會(huì)使用手冊及圖表資料，得到一次基本訓(xùn)練。2 設(shè)計(jì)要求根據(jù)教學(xué)大綱的要求，設(shè)計(jì)的題目由指導(dǎo)教師提出，經(jīng)院教學(xué)顧問組討論，課程設(shè)計(jì)題目分為3大類，分別為：仿真分析類、工程設(shè)計(jì)類和信息采集與處理類。學(xué)生自愿分組，根據(jù)自己的興趣選擇設(shè)計(jì)類別，每組6-7人，共計(jì)8組，具體內(nèi)容和要求由指導(dǎo)教師下達(dá)。2.1 仿真分析類2.1.1 設(shè)計(jì)工作量1、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的

5、建立，重點(diǎn)是模型參數(shù)要與實(shí)際系統(tǒng)切合；2、數(shù)學(xué)模型的數(shù)值求解；3、控制器設(shè)計(jì)；4、設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份（由指導(dǎo)教師指定）2.1.2 進(jìn)度安排設(shè)計(jì)時(shí)間定為三周，具體進(jìn)度安排如下：1、熟悉題目，準(zhǔn)備資料3天；2、系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模3天； 3、確定模型參數(shù)3天；4、編制系統(tǒng)仿真軟件3天；5、控制方案設(shè)計(jì)3天；6、根據(jù)仿真結(jié)果修改控制參數(shù)3天；7、編寫設(shè)計(jì)說明書2天；8、成績考核1天。 合計(jì)21天2.2 工程設(shè)計(jì)類2.2.1 設(shè)計(jì)工作量1、完成系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)；2、完成機(jī)械系統(tǒng)裝配圖設(shè)計(jì)；3、設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份（由指導(dǎo)教師指定）2.2.2 進(jìn)度安排設(shè)計(jì)時(shí)間定為三周，具體進(jìn)度安排如下：1、熟悉題目，準(zhǔn)備資料3

6、天；2、設(shè)計(jì)計(jì)算，確定系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案和控制方案4天；3、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型3天；4、確定密封形式2天；5、繪制密封溝槽形式1天；6、繪制機(jī)械系統(tǒng)裝配圖6天；7、編寫設(shè)計(jì)說明書1天；10、成績考核1天。 合計(jì)21天2.3 數(shù)據(jù)采集與處理類2.3.1 設(shè)計(jì)工作量1、通訊程序的代碼編寫及調(diào)試；2、數(shù)據(jù)解析；3、數(shù)據(jù)處理算法流程圖；4、可供展示的數(shù)據(jù)處理軟件；5、設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份（由指導(dǎo)教師指定）2.3.2 進(jìn)度安排設(shè)計(jì)時(shí)間定為三周，具體進(jìn)度安排如下：1、熟悉題目，準(zhǔn)備資料2天；2、通訊軟件編程，完成通訊電纜連接3天；3、根據(jù)通訊協(xié)議完成數(shù)據(jù)解析3天；4、預(yù)報(bào)算法（或數(shù)據(jù)融合算法）設(shè)

7、計(jì)4天；5、算法的軟件實(shí)現(xiàn)（VC+）5天；6、軟件實(shí)現(xiàn)流程圖1天；7、課程設(shè)計(jì)說明書編制2天；8、成績考核1天。 合計(jì)21天3 設(shè)計(jì)內(nèi)容及步驟按輪機(jī)工程專業(yè)的學(xué)生人數(shù)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包含8個(gè)題目，供8組學(xué)生選擇。3.1 基于PLC的主機(jī)轉(zhuǎn)速控制試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)3.1.1 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一套面向本科生設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)用的試驗(yàn)臺(tái)，以PLC為控制核心，構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)主機(jī)轉(zhuǎn)速控制的硬件平臺(tái)。系統(tǒng)基本構(gòu)造如下圖所示：1、設(shè)計(jì)主推進(jìn)軸模擬裝置機(jī)械系統(tǒng)；2、設(shè)計(jì)車令發(fā)訊電路原理圖；3、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)的PLC采集；4、編程實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PLC的通訊（要求采用UDP協(xié)議，使用ProfiNET接口）；5、編程實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，輸入為車

8、令發(fā)訊器，輸出為主軸轉(zhuǎn)速，要求控制過程滿足輪機(jī)自動(dòng)化要求；6、系統(tǒng)具有較高的精度和較好抗干擾能力。3.1.2 設(shè)計(jì)步驟1、主推進(jìn)軸的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇合適的軸承，需要承載一定的軸向力；2、熟悉西門子S7-300模塊，選型確定模塊功能；3、完成PLC與伺服電機(jī)、伺服電機(jī)與伺服放大器間的接線連接工作；4、確定PLC臺(tái)架安裝方式，采購搭建PLC安裝臺(tái)；5、編程實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制；6、編制上位PC機(jī)與PLC的通訊軟件，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控；7、繪制主推進(jìn)軸模擬裝置機(jī)械裝配圖；8、繪制系統(tǒng)電路原理圖。3.2 IG-500A管道傳感器的數(shù)據(jù)采集及其數(shù)據(jù)融合3.2.1 設(shè)計(jì)要求IG-500A慣導(dǎo)傳感器為

9、法國SBG公司的產(chǎn)品，采用RS232通訊接口，共提供4種類型傳感器，分別為：3向加速度傳感器，3向陀螺儀，磁力計(jì)和溫度傳感器，其中溫度傳感器為磁力計(jì)提供溫度校準(zhǔn)（附帶的光盤有校準(zhǔn)軟件代碼），要求至少實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)功能：1. 面向艦船姿態(tài)測量，融合融合IG-500A慣導(dǎo)傳感器的加速度計(jì)信息及陀螺儀信息，得到艦船的姿態(tài)和方位；2. 面向艦船姿態(tài)測量，融合IG-500A慣導(dǎo)傳感器的加速度計(jì)信息及磁力計(jì)信息，模擬出方位傳感器。3. 對學(xué)有余力的學(xué)生，要求了解卡爾曼濾波器的結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)融合原理，在Visual Studio環(huán)境下用C+語言實(shí)現(xiàn)卡爾曼濾波器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及封裝（該部分可以在IG-500A自帶的動(dòng)

10、態(tài)鏈接庫基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)）。3.2.2 設(shè)計(jì)步驟1 按照IG-500A慣導(dǎo)傳感器的通訊協(xié)議，完成PC機(jī)與傳感器間的通訊軟件的編程工作；2 對采集的慣導(dǎo)信息進(jìn)行解析，得到加速度、角速度、磁力計(jì)和溫度值； 3 面向艦船姿態(tài)測量，融合IG-500A慣導(dǎo)傳感器的加速度計(jì)信息及陀螺儀信息，得到艦船的姿態(tài)和方位；4 面向艦船姿態(tài)測量，融合IG-500A慣導(dǎo)傳感器的加速度計(jì)信息及磁力計(jì)信息，模擬出方位傳感器。5了解卡爾曼濾波器的結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)融合原理，在Visual Studio環(huán)境下用C+語言實(shí)現(xiàn)卡爾曼濾波器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及封裝（該部分內(nèi)容對學(xué)有余力的學(xué)生，可以在IG-500A自帶的動(dòng)態(tài)鏈接庫基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)）。3

11、.3 基于改變?nèi)莘e的高精度壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.3.1 設(shè)計(jì)要求模擬某型艇在航行過程中受到的軸向力，軸系變形可忽略，做剛體計(jì)。軸向最大靜態(tài)加載力：75t；軸向動(dòng)態(tài)載荷力：13t，頻率04Hz。液壓原理圖如附件-液壓原理圖所示，采用電動(dòng)缸的活塞桿強(qiáng)制擠壓壓力筒內(nèi)的液壓油，實(shí)現(xiàn)壓力筒內(nèi)壓力控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加載力的精確控制的方案。3.3.2 設(shè)計(jì)步驟1、液壓缸載荷計(jì)算，得到液壓缸主要結(jié)構(gòu)尺寸；2、加載電動(dòng)缸的選型設(shè)計(jì)，包含伺服電機(jī)型號(hào)、功率、傳動(dòng)比、絲桿導(dǎo)程等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算；3、承壓筒結(jié)構(gòu)形式和強(qiáng)度設(shè)計(jì)；4、選擇加載液壓缸和承壓筒的密封形式；5、繪制加載液壓缸的機(jī)械裝配圖；6、繪制承壓筒的機(jī)械裝配

12、圖。3.4 基于改變?nèi)莘e的高精度壓力控制系統(tǒng)的建模與分析3.4.1 設(shè)計(jì)要求根據(jù)3.3所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，建立基于改變?nèi)莘e方式的壓力控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)關(guān)注其動(dòng)力學(xué)特性（可以幅頻特性和相頻特性曲線的方式給出）。比較伺服驅(qū)動(dòng)器分別處于速度控制模式和力矩控制模式時(shí)，最終系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有何區(qū)別。3.4.2 設(shè)計(jì)步驟1、熟悉電動(dòng)拖動(dòng)及控制相關(guān)理論；2、建立承壓筒內(nèi)油液融入不同氣體時(shí)，建立電動(dòng)缸推桿位移和內(nèi)部壓力的數(shù)學(xué)模型；3、建立電機(jī)的雙閉環(huán)控制模型；根據(jù)外負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，給出工程上常用的速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法；4、建立電機(jī)的電流環(huán)控制模型，注意零極點(diǎn)配置設(shè)計(jì)方法；5、建立整套系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；6、

13、數(shù)學(xué)模型的求解（可應(yīng)用已學(xué)的S-function的編程技巧）；7、PID控制器的設(shè)計(jì)；8、給出系統(tǒng)的開環(huán)頻域特性曲線，包含相頻特性和幅頻特性曲線；9、給出系統(tǒng)閉環(huán)控制效果曲線。3.5 基于AR模型的艦船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)在線預(yù)報(bào)算法設(shè)計(jì)3.5.1 設(shè)計(jì)要求以AR模型作為船舶姿態(tài)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)的數(shù)學(xué)模型，采用遞推最小二乘法對AR模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)實(shí)時(shí)在線估計(jì)和修正。3.5.2 設(shè)計(jì)步驟1. 推導(dǎo)出AR模型的遞推預(yù)報(bào)算法和一次直接預(yù)報(bào)算法；2. 應(yīng)用隅角定理對AR模型進(jìn)行定階；3. 在VC+環(huán)境下，完成最小二乘法的編碼及調(diào)試，并應(yīng)用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想完成封裝；4. 設(shè)計(jì)簡單的人機(jī)交互界面，人為給定

14、艦船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，要求能預(yù)報(bào)出1-16步以后的數(shù)據(jù)。3.6 氣囊隔振裝置姿態(tài)控制仿真研究3.6.1 設(shè)計(jì)要求氣囊特性如下表所示：表1 氣囊壓力與垂向載荷的關(guān)系表壓力（MPa）載荷（kN）0.749.032.8196.132.9206氣囊的剛度變化是系統(tǒng)最關(guān)鍵因素，在額定工作壓力2.8MPa下，位移與垂、橫向靜剛度間的變化關(guān)系如下表所示：表2 氣囊剛度變化表位移(mm)垂向靜剛度(kN/mm)橫向靜剛度(kN/mm)內(nèi)壓(MPa)16.8913.732.826.5412.252.836.3111.332.846.1310.612.855.979.982.8對艙筏減振裝置垂向姿態(tài)控制系統(tǒng)，其中浮筏

15、質(zhì)量80t，平面尺寸為12m10m，采用8個(gè)氣囊隔振器沿Y軸對稱布置，氣囊額定載荷20t，活動(dòng)坐標(biāo)系位于浮筏的重心上，安裝氣囊的位置分別為：圖3 氣囊布置圖試給出閥架調(diào)平控制的策略。3.6.2 設(shè)計(jì)步驟1. 根據(jù)氣囊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出氣囊的內(nèi)部壓力-剛度變化特性曲線；2. 建立艙筏的姿態(tài)調(diào)整數(shù)值模型；3. 給出艙筏模型的數(shù)值求解方法（可用Matlab或VC+編程）；4. 針對Matlab中的lsqlin最小二乘優(yōu)化函數(shù)，給出VC+編程實(shí)現(xiàn)，并用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想進(jìn)行封裝；5. 給出姿態(tài)調(diào)整控制算法思想，并編程實(shí)現(xiàn)，給出姿態(tài)調(diào)整過程變化曲線；6. 考慮閥架支撐氣囊壞掉一個(gè)情況下，控制系統(tǒng)的應(yīng)變策略

16、。3.7 面向滑道式小艇收放的自動(dòng)脫、掛鉤裝置設(shè)計(jì)3.7.1 設(shè)計(jì)要求以荷蘭某艇收放裝置為藍(lán)本，完成自動(dòng)脫、掛鉤裝置的原理設(shè)計(jì)，并繪制完整的機(jī)械系統(tǒng)圖紙。3.7.2 設(shè)計(jì)步驟1 消化吸收列車自動(dòng)掛鉤的設(shè)計(jì)思想，對其進(jìn)行改進(jìn)；2 設(shè)計(jì)自動(dòng)脫鉤驅(qū)動(dòng)方案，滿足小艇收放要求； 3 確定自動(dòng)脫、掛鉤裝置的密封形式；4 繪制完整的機(jī)械系統(tǒng)圖紙；5 分析小艇收放過程中鉤的受力。3.8 微小型水下機(jī)械手設(shè)計(jì)3.8.1 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)如下圖所示的水下機(jī)械手：有回轉(zhuǎn)自由度、伸縮自由度和手爪的抓取功能，最大工作深度100m。伸縮范圍：060mm，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍：40，手爪抓取力不小于5kg。3.8.2 設(shè)計(jì)步驟1、根據(jù)設(shè)計(jì)需求，確定機(jī)械傳動(dòng)形式和各關(guān)節(jié)主要尺寸；2、計(jì)算各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，并選用電機(jī)和減速器；3、設(shè)計(jì)各個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式和密封形式；本課題是以機(jī)械設(shè)計(jì)為主，請同學(xué)們在設(shè)計(jì)過程中，備好機(jī)械設(shè)計(jì)手冊等工具書，數(shù)量掌握機(jī)械制圖規(guī)范。4 設(shè)計(jì)成績考核設(shè)計(jì)成績由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生平時(shí)工作情況和圖紙及文字資料的質(zhì)量、解決技術(shù)問題的能力，進(jìn)行綜合評(píng)定，必要時(shí)通過答辯確定學(xué)生成績?？己嗽u(píng)定成績按百分制計(jì)。5 幾點(diǎn)說明1、本設(shè)計(jì)圍繞船舶自動(dòng)化裝置進(jìn)行，具體課程設(shè)計(jì)任務(wù)由指導(dǎo)教師下達(dá)，并進(jìn)行補(bǔ)充說明。2、本設(shè)計(jì)是學(xué)生學(xué)完基礎(chǔ)課、專業(yè)課的基礎(chǔ)上進(jìn)行的一次聯(lián)系實(shí)際的