《轮机自动化原理》课程设计指导书

1、轮机自动化原理课程设计指导书作者：吴金波华中科技大学船舶与海洋工程学院二一四年六月制目 录目 录11 设计目的22 设计要求32.1 仿真分析类32.1.1 设计工作量32.1.2 进度安排32.2 工程设计类42.2.1 设计工作量42.2.2 进度安排42.3 数据采集与处理类42.3.1 设计工作量42.3.2 进度安排53 设计内容及步骤63.1 基于PLC的主机转速控制试验台设计63.1.1 设计要求63.1.2 设计步骤63.2 IG-500A管道传感器的数据采集及其数据融合73.2.1 设计要求73.2.2 设计步骤73.3 基于改变容积的高精度压力控制系统的设计83.3.1 设

2、计要求83.3.2 设计步骤83.4 基于改变容积的高精度压力控制系统的建模与分析93.4.1 设计要求93.4.2 设计步骤93.5 基于AR模型的舰船运动姿态在线预报算法设计93.5.1 设计要求93.5.2 设计步骤103.6 气囊隔振装置姿态控制仿真研究103.6.1 设计要求103.6.2 设计步骤113.7 面向滑道式小艇收放的自动脱、挂钩装置设计123.7.1 设计要求123.7.2 设计步骤123.8 微小型水下机械手设计133.8.1 设计要求133.8.2 设计步骤134 设计成绩考核145 几点说明151 设计目的轮机自动化课程设计是在学生学完专业课程以后进行的一项重要教

3、学环节。它要求学生初步学会综合运用过去所学的课程知识，作一次基本的技术训练，为搞好毕业设计和今后的工作准备条件、打好基础。其设计目的如下：1、理想目标：掌握先进过程监测与控制技术，理解控制系统、分析控制策略、甚至设计新型的控制算法和控制系统；2、通过舰船自动化装备和水下作业工具的设计和分析，学习并掌握如何建立对象系统的数学模型，以用于过程参数检测、控制系统的分析、参数整定和控制系统设计；3、了解整个控制系统的设计过程，掌握设计方法，能熟练地运用所学的基本理论知识，正确地解决舰船或水下作业工具某一自动化装置的设计问题。使学生通过自己的设计、理论计算、绘制图纸、编写技术文件，提高学生独立工作能力、

4、自动化设计水平。要求所设计的机电传动系统和控制系统经济合理、性能良好。4、通过对整套系统的数值仿真分析，为机电传动系统的设计、选型提供理论上的指导，要求掌握基本的仿真软件和数值计算方法。5、通过本设计，使学生掌握船舶自动化装置设计有关资料的术语、出处，学会使用手册及图表资料，得到一次基本训练。2 设计要求根据教学大纲的要求，设计的题目由指导教师提出，经院教学顾问组讨论，课程设计题目分为3大类，分别为：仿真分析类、工程设计类和信息采集与处理类。学生自愿分组，根据自己的兴趣选择设计类别，每组6-7人，共计8组，具体内容和要求由指导教师下达。2.1 仿真分析类2.1.1 设计工作量1、系统数学模型的

5、建立，重点是模型参数要与实际系统切合；2、数学模型的数值求解；3、控制器设计；4、设计计算说明书一份（由指导教师指定）2.1.2 进度安排设计时间定为三周，具体进度安排如下：1、熟悉题目，准备资料3天；2、系统数学建模3天； 3、确定模型参数3天；4、编制系统仿真软件3天；5、控制方案设计3天；6、根据仿真结果修改控制参数3天；7、编写设计说明书2天；8、成绩考核1天。 合计21天2.2 工程设计类2.2.1 设计工作量1、完成系统电路原理图设计；2、完成机械系统装配图设计；3、设计计算说明书一份（由指导教师指定）2.2.2 进度安排设计时间定为三周，具体进度安排如下：1、熟悉题目，准备资料3

6、天；2、设计计算，确定系统驱动方案和控制方案4天；3、运动学和动力学分析，完成驱动电机选型3天；4、确定密封形式2天；5、绘制密封沟槽形式1天；6、绘制机械系统装配图6天；7、编写设计说明书1天；10、成绩考核1天。 合计21天2.3 数据采集与处理类2.3.1 设计工作量1、通讯程序的代码编写及调试；2、数据解析；3、数据处理算法流程图；4、可供展示的数据处理软件；5、设计计算说明书一份（由指导教师指定）2.3.2 进度安排设计时间定为三周，具体进度安排如下：1、熟悉题目，准备资料2天；2、通讯软件编程，完成通讯电缆连接3天；3、根据通讯协议完成数据解析3天；4、预报算法（或数据融合算法）设

7、计4天；5、算法的软件实现（VC+）5天；6、软件实现流程图1天；7、课程设计说明书编制2天；8、成绩考核1天。 合计21天3 设计内容及步骤按轮机工程专业的学生人数，设计内容包含8个题目，供8组学生选择。3.1 基于PLC的主机转速控制试验台设计3.1.1 设计要求设计一套面向本科生设计性实验用的试验台，以PLC为控制核心，构建可实现主机转速控制的硬件平台。系统基本构造如下图所示：1、设计主推进轴模拟装置机械系统；2、设计车令发讯电路原理图；3、实现转速信号的PLC采集；4、编程实现PC机与PLC的通讯（要求采用UDP协议，使用ProfiNET接口）；5、编程实现伺服电机的转速控制，输入为车

8、令发讯器，输出为主轴转速，要求控制过程满足轮机自动化要求；6、系统具有较高的精度和较好抗干扰能力。3.1.2 设计步骤1、主推进轴的机械系统设计，选择合适的轴承，需要承载一定的轴向力；2、熟悉西门子S7-300模块，选型确定模块功能；3、完成PLC与伺服电机、伺服电机与伺服放大器间的接线连接工作；4、确定PLC台架安装方式，采购搭建PLC安装台；5、编程实现伺服电机的转速控制；6、编制上位PC机与PLC的通讯软件，实现对系统状态的监控；7、绘制主推进轴模拟装置机械装配图；8、绘制系统电路原理图。3.2 IG-500A管道传感器的数据采集及其数据融合3.2.1 设计要求IG-500A惯导传感器为

9、法国SBG公司的产品，采用RS232通讯接口，共提供4种类型传感器，分别为：3向加速度传感器，3向陀螺仪，磁力计和温度传感器，其中温度传感器为磁力计提供温度校准（附带的光盘有校准软件代码），要求至少实现以下两个功能：1. 面向舰船姿态测量，融合融合IG-500A惯导传感器的加速度计信息及陀螺仪信息，得到舰船的姿态和方位；2. 面向舰船姿态测量，融合IG-500A惯导传感器的加速度计信息及磁力计信息，模拟出方位传感器。3. 对学有余力的学生，要求了解卡尔曼滤波器的结构及其数据融合原理，在Visual Studio环境下用C+语言实现卡尔曼滤波器的数据结构及封装（该部分可以在IG-500A自带的动

10、态链接库基础上进行开发）。3.2.2 设计步骤1 按照IG-500A惯导传感器的通讯协议，完成PC机与传感器间的通讯软件的编程工作；2 对采集的惯导信息进行解析，得到加速度、角速度、磁力计和温度值； 3 面向舰船姿态测量，融合IG-500A惯导传感器的加速度计信息及陀螺仪信息，得到舰船的姿态和方位；4 面向舰船姿态测量，融合IG-500A惯导传感器的加速度计信息及磁力计信息，模拟出方位传感器。5了解卡尔曼滤波器的结构及其数据融合原理，在Visual Studio环境下用C+语言实现卡尔曼滤波器的数据结构及封装（该部分内容对学有余力的学生，可以在IG-500A自带的动态链接库基础上进行开发）。3

11、.3 基于改变容积的高精度压力控制系统的设计3.3.1 设计要求模拟某型艇在航行过程中受到的轴向力，轴系变形可忽略，做刚体计。轴向最大静态加载力：75t；轴向动态载荷力：13t，频率04Hz。液压原理图如附件-液压原理图所示，采用电动缸的活塞杆强制挤压压力筒内的液压油，实现压力筒内压力控制，进而实现加载力的精确控制的方案。3.3.2 设计步骤1、液压缸载荷计算，得到液压缸主要结构尺寸；2、加载电动缸的选型设计，包含伺服电机型号、功率、传动比、丝杆导程等关键参数的设计计算；3、承压筒结构形式和强度设计；4、选择加载液压缸和承压筒的密封形式；5、绘制加载液压缸的机械装配图；6、绘制承压筒的机械装配

12、图。3.4 基于改变容积的高精度压力控制系统的建模与分析3.4.1 设计要求根据3.3所设计的控制系统，建立基于改变容积方式的压力控制系统数学模型，重点关注其动力学特性（可以幅频特性和相频特性曲线的方式给出）。比较伺服驱动器分别处于速度控制模式和力矩控制模式时，最终系统的动态特性有何区别。3.4.2 设计步骤1、熟悉电动拖动及控制相关理论；2、建立承压筒内油液融入不同气体时，建立电动缸推杆位移和内部压力的数学模型；3、建立电机的双闭环控制模型；根据外负载的转动惯量，给出工程上常用的速度环PI调节器的设计方法；4、建立电机的电流环控制模型，注意零极点配置设计方法；5、建立整套系统的数学模型；6、

13、数学模型的求解（可应用已学的S-function的编程技巧）；7、PID控制器的设计；8、给出系统的开环频域特性曲线，包含相频特性和幅频特性曲线；9、给出系统闭环控制效果曲线。3.5 基于AR模型的舰船运动姿态在线预报算法设计3.5.1 设计要求以AR模型作为船舶姿态运动预报的数学模型，采用递推最小二乘法对AR模型参数进行估计，实现模型参数实时在线估计和修正。3.5.2 设计步骤1. 推导出AR模型的递推预报算法和一次直接预报算法；2. 应用隅角定理对AR模型进行定阶；3. 在VC+环境下，完成最小二乘法的编码及调试，并应用面向对象的程序设计思想完成封装；4. 设计简单的人机交互界面，人为给定

14、舰船运动姿态数据，要求能预报出1-16步以后的数据。3.6 气囊隔振装置姿态控制仿真研究3.6.1 设计要求气囊特性如下表所示：表1 气囊压力与垂向载荷的关系表压力（MPa）载荷（kN）0.749.032.8196.132.9206气囊的刚度变化是系统最关键因素，在额定工作压力2.8MPa下，位移与垂、横向静刚度间的变化关系如下表所示：表2 气囊刚度变化表位移(mm)垂向静刚度(kN/mm)横向静刚度(kN/mm)内压(MPa)16.8913.732.826.5412.252.836.3111.332.846.1310.612.855.979.982.8对舱筏减振装置垂向姿态控制系统，其中浮筏

15、质量80t，平面尺寸为12m×10m，采用8个气囊隔振器沿Y轴对称布置，气囊额定载荷20t，活动坐标系位于浮筏的重心上，安装气囊的位置分别为：图3 气囊布置图试给出阀架调平控制的策略。3.6.2 设计步骤1. 根据气囊实验数据，给出气囊的内部压力-刚度变化特性曲线；2. 建立舱筏的姿态调整数值模型；3. 给出舱筏模型的数值求解方法（可用Matlab或VC+编程）；4. 针对Matlab中的lsqlin最小二乘优化函数，给出VC+编程实现，并用面向对象程序设计思想进行封装；5. 给出姿态调整控制算法思想，并编程实现，给出姿态调整过程变化曲线；6. 考虑阀架支撑气囊坏掉一个情况下，控制系

16、统的应变策略。3.7 面向滑道式小艇收放的自动脱、挂钩装置设计3.7.1 设计要求以荷兰某艇收放装置为蓝本，完成自动脱、挂钩装置的原理设计，并绘制完整的机械系统图纸。3.7.2 设计步骤1 消化吸收列车自动挂钩的设计思想，对其进行改进；2 设计自动脱钩驱动方案，满足小艇收放要求； 3 确定自动脱、挂钩装置的密封形式；4 绘制完整的机械系统图纸；5 分析小艇收放过程中钩的受力。3.8 微小型水下机械手设计3.8.1 设计要求设计如下图所示的水下机械手：有回转自由度、伸缩自由度和手爪的抓取功能，最大工作深度100m。伸缩范围：060mm，转动范围：±40°，手爪抓取力不小于5kg。3.8.2 设计步骤1、根据设计需求，确定机械传动形式和各关节主要尺寸；2、计算各个关节的驱动力矩，并选用电机和减速器；3、设计各个关节的机械结构形式和密封形式；本课题是以机械设计为主，请同学们在设计过程中，备好机械设计手册等工具书，数量掌握机械制图规范。4 设计成绩考核设计成绩由指导教师根据学生平时工作情况和图纸及文字资料的质量、解决技术问题的能力，进行综合评定，必要时通过答辩确定学生成绩。考核评定成绩按百分制计。5 几点说明1、本设计围绕船舶自动化装置进行，具体课程设计任务由指导教师下达，并进行补充说明。2、本设计是学生学完基础课、专业课的基础上进行的一次联系实际