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坐底自升降式水下绞车控制系统的研制

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摘要

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究意义

1.4 本文研究内容

1.5 研究预期目标

1.6 本章小结

2 水下绞车系统的总体设计

2.1 系统原理介绍

2.2 机械结构设计

2.3 硬件电路设计

2.4 软件程序设计

2.5 本章小结

3 水下绞车系统机械结构设计

3.1 液压系统的设计

3.1.1 能源装置

3.1.2 执行元件

3.1.3 控制元件

3.1.4 辅助元件和工作介质

3.2 排缆机构的设计

3.2.1 主要参数的计算

3.2.2 载荷受力计算

3.2.3 绕线滚筒的设计

3.2.4 排缆机构的设计

3.3 电池及控制舱

3.4 机架及各部分的安装方式

3.5 重力浮力的计算

3.6 本章小结

4 水下绞车控制系统硬件设计

4.1 微控制器的选择

4.2 电源系统电路

4.2.1 电源降压部分

4.2.2 电源控制部分

4.2.3 磁吸式开关部分

4.2.4 电压电流监测部分

4.3 无刷直流电机驱动电路

4.4 电液比例阀驱动电路

4.5 旋转编码器接口电路

4.6 接近开关接口电路

4.7 精密时钟电路

4.8 RS485接口电路

4.9 本章小结

5 水下绞车控制系统软件设计

5.1 基于状态机模型设计的流程

5.2 水下绞车控制系统UML建模

5.2.1 用例图

5.2.2 类图

5.2.3 序列图

5.2.4 活动图

5.2.5 状态图

5.3 水下绞车控制系统模型仿真

5.3.1 从UML模型到Stateflow模型

5.3.2 建立Simulink仿真模型

5.3.3 模型验证及功能仿真

5.3.4 仿真测试结果

5.4 水下绞车控制系统代码生成

5.4.1 实时代码生成

5.4.2 软件在环测试

5.4.3 处理器在环测试

5.5 本章小结

6 测试实验

6.1 测试内容

6.2 测试结果

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

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硕士期间发表的论文

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摘要

21世纪,人类迈进了大规模开发利用海洋的时代。海洋在经济发展和对外开放中的重要性日益突显,建设海洋强国既是复兴之路,也是时代之需。在建设海洋强国战略的有力支持下,为了开发海洋资源,保护海洋生态,维护海洋权益,“透明海洋”、“数字海洋”等一系列海洋发展计划孕育而生。然而现有的观测技术难以支撑起国家海洋发展战略,我国必须着重加强海洋环境立体监测设备与技术的研发,形成自主产品,突破国外封锁。坐底自升降式水下绞车是一种坐于海底的无人值守的绞车,它可以控制水下探测平台的布放和回收,从而实现对海洋环境的长期立体监测。
  本文全面地设计了坐底自升降式水下绞车的控制系统,主要内容包括:
  (1)从水下绞车的工作环境和系统特性出发,通过对多种控制方法进行比较,最终确定水下绞车采用液压伺服驱动,其全部动作在软件程序控制下自主完成。根据水下绞车的工作原理对控制系统的软硬件架构进行了总体设计。
  (2)水下绞车采用锂电池作为动力来源,在机械结构设计中实现了液压系统、排缆机构、电池及控制舱、机架等结构。为了确保结构的稳定性,计算了水下绞车的重心和浮心。
  (3)硬件电路设计中采用STM32F207微处理器作为控制核心,同时实现了不同功能的外围电路,主要包括高集成度的电机和比例阀驱动电路、控制功耗的电源管理电路、检测速度和位置信号的旋转编码器和接近开关电路、提供精确时间信息的时钟电路以及与上位机通信的RS485电路。
  (4)提出了UML和Simulink两种建模语言相结合的软件设计方法,利用Simulink工具箱对水下绞车控制系统的UML模型进行功能仿真和代码生成,并完成了对软件系统的模型验证、代码验证以及需求验证。
  (5)通过对水下绞车系统的整机联调和全面测试,验证了机械系统、硬件电路及控制程序的有效性,测试结果表明水下绞车的各项功能均达到了预期指标,控制系统设计合理,并具有较高的稳定性和可靠性。

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