一种主动波浪补偿起重机模型库及其构建方法技术

本发明专利技术属于主动波浪补偿起重机领域，并具体公开了一种主动波浪补偿起重机模型库及其构建方法。该构建方法包括如下步骤：对主动波浪补偿起重机进行分解，得到模型库架构，该模型库架构由大至小依次包括系统模型、单机模型和基础模型；构建基础模型，然后基于该基础模型搭建单机模型，并采用Modelica语言对单机模型进行代码开发和接口定义；根据步骤获得的单机模型建立系统模型，以此获得主动波浪补偿起重机模型库。本发明专利技术基于Modelica语言对主动波浪补偿起重机模型进行开发，能够使开发的模型库层次清楚、模型可重用、可扩展，极大地提高了建模效率，并且可以针对不同信号需求快速有效地进行建模与仿真验证。

【技术实现步骤摘要】
一种主动波浪补偿起重机模型库及其构建方法
本专利技术属于主动波浪补偿起重机领域，更具体地，涉及一种主动波浪补偿起重机模型库及其构建方法。
技术介绍
目前，国在船用机电设备产业关键技术研发和关键配套设备研制方面均得到了较快发展，但与国际一流厂商的船用机电设备相比，产品的关键性能仍有较大差距，需要进一步研发新型船用机电设备以提升可靠性、可操作性、可维修性和安全性等。传统的产品研发模式依赖于物理样机研制与试验，具有周期长、投入大、风险难控制等缺点，难以满足新型船用机电设备在产品升级、技术创新和个性化定制方面的需求，为此需寻求创新设计方法，突破传统的研发模式。Modelica作为目前工业界盛行的一种建模语言，其具备面向对象的、基于方程的、可重用的和层次化的特点，并且基于流变量、势变量的接口表达方式，都为起重机系统模型的表达提供了极大的便利。
技术实现思路
针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本专利技术提供了一种主动波浪补偿起重机模型库及其构建方法，其中基于Modelica语言对主动波浪补偿起重机模型进行开发，能够使开发的模型库层次清楚、模型可重用、可扩展，极大地提高了建模效率，并且可以针对不同信号需求快速有效地进行建模与仿真验证，与常规方法相比，操作简单、能够大大缩短研发周期、降低研发成本。为实现上述目的，按照本专利技术一个方面，提出了一种主动波浪补偿起重机模型库的构建方法，该构建方法包括如下步骤：S1对主动波浪补偿起重机进行分解，得到模型库架构，该模型库架构由大至小依次包括系统模型、单机模型和基础模型；S2构建所述基础模型，然后基于该基础模型搭建所述单机模型，并采用Modelica语言对所述单机模型进行代码开发和接口定义；S3根据步骤S2获得的单机模型建立所述系统模型，以此获得所述主动波浪补偿起重机模型库。作为进一步优选的，步骤S1中，所述系统模型包括控制系统模型、液压系统模型、机械系统模型和摩擦系统模型。作为进一步优选的，步骤S1中，所述单机模型包括钢丝绳模型、绞盘模型、滑轮模型、减速器模型、制动器模型、控制器模型、蓄能器模型、溢流阀模型、换向阀模型、变量泵模型和二次马达模型。作为进一步优选的，步骤S2中，构建所述基础模型的方法包括：基于模型原理构建所述基础模型，基于物理设备数据构建所述基础模型或基于经验公式构建所述基础模型。作为进一步优选的，步骤S2中，依据物理原理、力平衡方程和力矩平衡方程搭建所述单机模型。作为进一步优选的，步骤S3中，建立所述系统模型前需要对所述单机模型进行仿真验证。作为进一步优选的，步骤S3中，建立所述系统模型时需要建立平动机械接口模型、转动机械接口模型、液压接口模型和控制接口模型。按照本专利技术的另一方面，提供了一种利用上述方法构建的主动波浪补偿起重机模型库。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术基于Modelica语言对主动波浪补偿起重机模型进行开发，能够使开发的模型库层次清楚、模型可重用、可扩展，极大地提高了建模效率，并且可以针对不同信号需求快速有效地进行建模与仿真验证，与常规方法相比，操作简单、能够大大缩短研发周期、降低研发成本；2.尤其是，本专利技术提供的主动波浪补偿起重机模型库基于同一平台开发，能够实现机械、液压、控制系统的无缝集成，从而实现系统的强耦合，有效降低构建起重机系统模型库的难度和复杂度。附图说明图1是本专利技术优选实施例中主动波浪补偿起重机的系统分解图；图2是本专利技术优选实施例中主动波浪补偿起重机的系统树状图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。起重机在海上作业的时候，海况会对起重机性能造成很大的影响，所以需要通过控制器经过一系列的控制来补偿掉波浪对起重机系统的影响。具体原理为：通过角度和角速度传感器采集绞盘的旋转角度和旋转角速度，并与期望值进行比较，将偏差信号输入PID控制器，然后生成控制信号给液压系统的外控变量马达，马达输出转矩到绞盘，形成闭环控制。本专利技术实施例提供了一种主动波浪补偿起重机模型库的构建方法，该构建方法包括如下步骤：S1对主动波浪补偿起重机进行分解，得到如图1、2所示的模型库架构，分解时需要考虑模型库的层次化结构、可重用性和可扩展性，该模型库架构由大至小依次包括系统模型、单机模型和基础模型；更具体地，模型库的层次化即模型库结构要设计合理、层次清晰、逻辑清楚；可重用即模型库中的模型基于单机的物理机构建立，直接或仅通过修改参数便可用于构建不同的系统模型；可扩展，包含两层含义：一是模型库中的单机模型支持二次开发，可直接对其进行模型细化和完善；二是模型库结构可扩展，在模型库搭建完成之后需要添加新的模型时，可直接在模型库结构中添加而不需要重新设计模型库结构；系统模型包括控制系统模型、液压系统模型、机械系统模型和摩擦系统模型；单机模型包括钢丝绳模型、绞盘模型、滑轮模型、减速器模型、制动器模型、控制器模型、蓄能器模型、溢流阀模型、换向阀模型、变量泵模型和二次马达模型，考虑到模型的通用性，继续将单机模型分解，如将控制器模型分解为角度环控制和速度环控制；S2构建基础模型，然后基于该基础模型搭建单机模型，并采用Modelica语言对单机模型进行代码开发和接口定义，最终形成起重机虚拟样机模型库，开发过程中考虑单机模型的重用性和可扩展性；S3根据步骤S2获得的单机模型建立系统模型，注入系统参数，根据不同型号的起重机对机械、液压和控制系统的需求，利用构建的模型库快速搭建系统模型，使得不同的单机模型之间通过连接器连接，以此获得主动波浪补偿起重机模型库，其中连接器包括流变量和势变量，是基于广义基尔霍夫原理实现的，即流变量之和为零，势变量相等；更具体地，建立系统模型时需要建立平动机械接口模型、转动机械接口模型、液压接口模型和控制接口模型，其中平动机械接口模型用于传递力和位移，转动机械接口模型用于传递转矩和转角，液压接口模型用于传递压力和流速，控制接口模型用于传递控制信号的输入和输出。完成主动波浪补偿起重机模型库的构建后，便可根据给定的工况条件进行仿真分析，本实施例主要考察在5级海况下，波浪补偿控制器对起重装置的补偿效果能否达到预期。基于Modelica语言开发的模型库由于可重用性强和便于扩展，且具有强大的非线性求解能力，使得工程技术人员不必把大量精力花费在数学公式推导上来，为工程技术人员提供了高效便捷的辅助设计手段。因此本专利技术能够从不同的角度和细节对复杂的主动波浪补偿起重机系统各单机模型之间的相互作用及整体性能进行研究，从而减少循环设计和试验次数、节约成本，对主动波浪补偿起重机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种主动波浪补偿起重机模型库的构建方法，其特征在于，该构建方法包括如下步骤：/nS1对主动波浪补偿起重机进行分解，得到模型库架构，该模型库架构由大至小依次包括系统模型、单机模型和基础模型；/nS2构建所述基础模型，然后基于该基础模型搭建所述单机模型，并采用Modelica语言对所述单机模型进行代码开发和接口定义；/nS3根据步骤S2获得的单机模型建立所述系统模型，以此获得所述主动波浪补偿起重机模型库。/n

【技术特征摘要】
1.一种主动波浪补偿起重机模型库的构建方法，其特征在于，该构建方法包括如下步骤：
S1对主动波浪补偿起重机进行分解，得到模型库架构，该模型库架构由大至小依次包括系统模型、单机模型和基础模型；
S2构建所述基础模型，然后基于该基础模型搭建所述单机模型，并采用Modelica语言对所述单机模型进行代码开发和接口定义；
S3根据步骤S2获得的单机模型建立所述系统模型，以此获得所述主动波浪补偿起重机模型库。


2.如权利要求1所述的主动波浪补偿起重机模型库的构建方法，其特征在于，步骤S1中，所述系统模型包括控制系统模型、液压系统模型、机械系统模型和摩擦系统模型。


3.如权利要求1所述的主动波浪补偿起重机模型库的构建方法，其特征在于，步骤S1中，所述单机模型包括钢丝绳模型、绞盘模型、滑轮模型、减速器模型、制动器模型、控制器模型、蓄能器模型、溢流阀模型、换向阀模型、变量泵模型和二次马达模型。...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，陈立平，丁建完，覃刚，王强，刘潺，徐永坤，李熙，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42