基于Matlab/Simulink的绞吸式挖泥船吸扬系统仿真研究开题报告
2020-04-13 11:10:59
1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1研究背景随着科技和互联网络的不断发展以及社交平台的不断完善，南海问题日益得到民众的关注。挖泥船也因此进入了人们的视线。当东南亚小国还在用传统方式填岛时，我国已经开始使用大型绞吸式挖泥船天鲸号进行作业并且能够做到24 h 不停歇，在短短的几年时间里超过了周边国家几十年的填岛成果。近年来，我国的挖泥船技术发展迅速。从2013年至今的“填砂造岛”作业中，我国的各种挖泥船大显神通，在短时间内为我国的海疆搭建了一座又一座坚固的“桥头堡”。2017年11月3日，我国海疆建设再添利器——亚洲最大绞吸式挖泥船“天鲲号”在江苏启东成功下水，该船融合了当前世界最新科技，成为“亚洲第一”。该船配置通用，黏土，挖岩及重型挖岩4中不同类型的绞刀，可以开挖海底硬度更高的岩石，它能以每小时6000立方米的速度将海沙，岩石以及海水混合物输送到最远15公里的地方。如果用“天鲲”号挖掘填满一座“水立方”游泳馆，只需要6天半。“天鲲号”等重器实现了人无我有，人有我优，将成为我国稳步迈向海洋强国行列的基石。
挖泥船的工作原理是通过流体动力和挖泥机械装置将水下沉积物包括沙、石块、泥土和珊瑚礁等进行挖取、提升以及输送。进入21世纪后，国家不断发展改革，沿海经济飞速增长，深水港口和围海造地的工程逐渐增多，内地水利工程大力发展，使得大小型挖泥船都具有良好的前景。
吸扬系统是绞吸式挖泥船的主要组成部分之一。实际施工中，挖泥船操作人员通过对吸扬系统工作参数的控制，使绞吸式挖泥船维持在最优工况点下进行施工，是降低疏浚成本、提高产量的重要手段。因此，短时间内寻找出施工的最优工况点，是绞吸式挖泥船吸扬系统效率优化的研究目标。国内外许多学者对挖泥船吸扬系统效率优化问题进行了一系列研究，大多是在假定已知系统特性及疏浚土质的前提下进行的多约束静态优化。目前应用较为广泛的是由何炎平等提出，通过控制变量法来分析土质、排距、输送泥浆的体积分数、临界流速及汽蚀余量等条件对系统产量和效率变化的影响，从而计算出最优工况点。此方法虽能获取较好的优化方案，但存在实验周期较长，各工况影响因子计算复杂等缺点，而在实际施工过程中，随着土质等环境因素的改变，最优工况点也随之发生变化，传统的吸扬系统效率优化
方法显然不能满足工况点计算的实时性。
典型的挖泥船泥浆管道输送系统（吸扬系统）如图所示，系统主要由绞刀/斗轮、吸泥管、泥泵、柴油机、机械传动机构、排泥管和各类仪表/传感器（如真空传感器、压力传感器、超声波流量计和伽马射线泥浆浓度计等）构成。泥浆管道输送系统负责将挖泥船绞刀切削并混合后的泥浆输送到指定的排泥点。柴油机是挖泥船泥浆管道输送系统最常用的动力装置，柴油机通机械传动机构变速后驱动泥泵叶轮高速旋转。泥泵内的泥浆随叶轮高速旋转，在离心力的作用下向叶轮外侧甩出，使泥泵的入口侧形成负压，在外界大气压的作用下将吸泥管入口处的泥浆源源不断的吸入泥泵，然后在泥泵的继续推动下，泥浆通过排泥管被输送到指定地点。
泥浆管道输送的基本原理比较简单，然而泥浆管道输送系统却是一个非常具有复杂动态特性的系统。在实际疏浚作业过程中，输送的泥浆成分非常复杂。为了加深对你将管道输送系统的认识，提高泥浆管道输送效率，较少管道堵塞和爆管等事故，提高系统效率，获得更大的效益，对泥浆管道输送系统的各个组成部分进行建模和特性分析是非常必要的。
本文将以2000方绞吸式挖泥船的吸扬系统作为研究对象，开展其泥泵、绞刀、管路等的匹配分析与研究，应用Matlab/Simulink软件，建立泥泵模型，管线模型和绞刀模型等，仿真分析并优化包括绞刀转速和横移速度等关键运行工况参数。
自1880年第一艘绞吸式挖泥船在英国使用以来，世界绞吸式挖泥船有了很大发展。据资料介绍，全世界拥有2500艘挖泥船，其中绞吸式挖泥船占40%，在各类挖泥船中所占比例最大。这是因为绞吸式挖泥船与其他类型的挖泥船相比，具有以下优点：
A． 挖掘范围广，从淤泥到高塑粘土，甚至一些软弱岩石，它都能挖掘；
B． 生产过程连续，产量高；
C． 作业时操作人员较少；
正是绞吸式挖泥船具有上述优点，许多疏浚工程都是由绞吸式挖泥船来完成的。
虽然与疏浚强国存在差距，但中国经过多年的发展，已经步入了疏浚大国的行列。根据2012 年的统计显示，2012年国内市场营业额大约占了全球疏浚市场的33%。而以2011 年为界，国内有96 艘疏浚耙吸式挖泥船，约占世界四大公司总和的4/5；有168 艘绞吸式挖泥船，远超世界四大公司总和几乎多达100%。现在国内疏浚能力基本接近世界上著名的四大疏浚公司，并且完全满足了国内的市场需求。中国的疏浚行业已经有了显著的改变和进步，与世界趋势同步，甚至在部分方面已经处于世界领先水平。
世界上工业发达的国家如美、英、法、德、荷兰、日本、比利时在挖泥船上始终领先世界水平。这些国家多数在挖泥船的制造和使用上已经经历了100 多年。在2000年时甚至80%以上的国际挖泥船市场份额被包括美国ELLICOTE、德国KRUPP、荷兰IHC 三大国际著名公司所占据。而日本IHI，意大利PNEUMA，澳大利亚NEWMAN，法国FERODO 以及荷兰HAM 和DAMEN 等公司处于较次规模。此前，为了应对第二次的“黄金十年”，疏浚业巨头各自斥资增强了自身的装备实力。总结几个公司的改变可以看出：国外浚驾合一的控制技术得到了不断完善；显著加大了疏浚机具功率配备；日益突出了浅吃水船型的特征；单边耙吸船受到了广泛的欢迎；而随着可持续观念的深入人心，绿色造船也越来越受重视等。
航道和河流的疏浚是一项单位成本高，设备投资大，作业时间长的工程，因此在疏浚领域中，对疏浚工作的过程进行优化就显得无比重要，对疏浚作业进行优化，不但可以降低疏浚工程的成本，而且可以提高挖泥船的工作效率。
国内外的学者已经对疏浚作业优化问题进行了一系列的研究，传统优化是在假设疏浚系统的各工作参数保持不变的前提下，对疏浚作业过程中的泥浆浓度，泥浆流速和功率匹配等进行优化，即使疏浚产量在这些假设条件下达到理论的最大值。这种优化方法实质上是一种离线静态的优化方法，它的算法原理是：依据挖泥船的设备参数和航道具体的情况对船作业时控制参数进行离线近似，最终确定最优参数的过程。但是，在实际疏浚过程中，由于工作状态和工作时间的不同，控制系统的动态过程，挖泥船设备的特性也会有明显的变化，这样，假设条件是不成立的，故只可以为参考人员提供一个基本的参考的系统调节量，如果直接应用到自动疏浚作业过程，作业过程的精度会非常低。
本文的研究思路是，以2000方绞吸式挖泥船作为研究对象，运用FTA和FMECA等分析方法，展开运行工况参数影响因素以及作业故障分析，绘制各单元之间输入输出关系图。学习并运用Matlab/Simulink软件，建立泥泵、管线和绞刀的模型。最后预设若干挖泥环境和相关参数，基于高效和低耗的优化目标，选用优化算法，仿真分析，提出优化建议。
2. 研究的基本内容与方案
2、基本内容和技术方案
2.1基本内容
（1）开展2000方绞吸式挖泥船吸扬系统泵、绞刀、管路等匹配分析与研究；
以2000方绞吸式挖泥船吸扬系统为研究对象，运用FTA和FMECA等分析方法，开展泵、绞刀、管路等运行工况参数影响因素分析，绘制各单元之间输入输出关系原理图，明确匹配控制参数；
（2）建立Matlab/Simulink的泥泵模型、管线模型和绞刀模型等；
学习并掌握Matlab/Simulink软件，在上述研究基础上，建立泥泵模型、管线模型和绞刀模型，程序化并可视化呈现；
（3）仿真分析并优化吸扬系统输送压力、流速、浓度等关键运行工况参数；
设置若干挖泥环境和相关参数，基于高效、低耗的优化目标，选用优化算法，仿真分析，提出优化建议。
拟采用的技术路线：
3. 研究计划与安排
3、进度安排
第1-3周：查阅文献，完成文献综述和开题报告，上交翻译材料；
第4-6周：调研2000方绞吸式挖泥船吸扬系统泵、绞刀、管路等匹配数据；
第7- 9周：对已得数据进行数据分析，并准备ppt，准备在第9周接受中期检查；
第10-12周：建立基于Matlab/Simulink的泥泵模型、管线模型和绞刀模型；
第 13周：完成大论文初稿，撰写小论文，进行预答辩；
第 14-15周：完成大论文终稿，提交小论文，以及进行毕业答辩。
4. 参考文献（12篇以上）
[1].亚洲最大绞吸挖泥船下水 我国海疆建设再添利器[J].经济导刊,2017(12):8.
[2]何炎平,冯长华,顾敏童,李瑞祥.“天鲸”号大型自航绞吸式挖泥船[J].船舶工程,2009,31(05):1-5.
[3]何炎平,谭家华,顾明.绞吸式挖泥船产量有关问题的探讨[J].中国港湾建设,2010(02):5-7.
[4]何炎平,饶维生,杨剑涛,谭家华.绞吸式挖泥船泥泵运行参数配置分析[J].中国港湾建设,2010(05):50-53.
[5]李新军.绞吸式挖泥船泥泵与绞刀功率的匹配设计[J].湖南交通科技,1996(04):67-69 72.
[6]刘永杰,朱汉华,吴楹,郑良焱.绞吸式挖泥船泥沙吸入量影响因素的数值模拟分析[J].船海工程,2016,45(04):166-169.
[7]姚鹏飞,陈正鸣,童晶,钱丽娜.基于Unity3D的绞吸式挖泥船虚拟仿真系统[J].系统仿真学报,2016,28(09):2069-2075 2084.
[8]徐德阳.世界绞吸式挖泥船现状及发展[J].水利电力施工机械,1992(01):6-11.
[9]何炎平,谭家华.大型自航绞吸式挖泥船的发展和有关问题的思考[J].中外船舶科技,2008(02):8-13.
[10]丁星水. 绞吸式挖泥船的疏浚设备[A]. 中国水利学会机械疏浚专业委员会、中国水力发电工程学会机械疏浚专业委员会.机械疏浚专业委员会第十八次疏浚与吹填技术经验交流会论文与技术经验总结文集[C].中国水利学会机械疏浚专业委员会、中国水力发电工程学会机械疏浚专业委员会:,2005:8.
[11]魏潇,张永峰,范世东,熊庭.基于差分进化的绞吸式挖泥船吸扬系统效率优化[J].船海工程,2017,46(02):143-147.
[12]周建湘.绞吸式挖泥船生产效率分析[J].低碳世界,2017(11):218-219.
[13]刘云龙,王瑞兰,刘丽君,王文成.基于Matlab仿真的自动控制原理实验教学改革[J].实验室研究与探索,2015,34(06):102-106.
[14]张翔. 绞吸式挖泥船疏浚作业过程的建模与仿真[D].武汉理工大学,2002.
[15]丁宏锴. 绞吸式挖泥船疏浚动态特性数学模型建立与仿真系统设计[D].河海大学,2002.
[16]王伯勇. 绞吸式挖泥船小型疏浚仿真器的设计[D].河海大学,2004.
[17]丁宏锴,倪福生.绞吸式挖泥船疏浚动态特性与仿真系统设计[J].河海大学学报(自然科学版),2002(06):40-43.
[18]李彦,李志强.绞吸式挖泥船的疏浚优化[J].科学技术与工程,2011,11(06):1218-1221 1230.
[19]黄豪飞. 绞吸式挖泥船吸扬系统动态匹配优化及评价方法研究[D].武汉理工大学,2011.
[20]李志强. 绞吸式挖泥船的疏浚优化[D].江苏科技大学,2011.
[21]Jian-Zhong Tang,Qing-Feng Wang,Zhi-Yue Bi. Expert system for operation optimization and control of cutter suction dredger[J]. Expert Systems With Applications,2007,34(3).
[22]Jianzhong Tang,Qingfeng Wang,Tianyu Zhong. Automatic monitoring and control of cutter suction dredger[J]. Automation in Construction,2008,18(2).
[23]Ming Bai,Jin Hua Chen,Cheng Ning Xie,Fang Hui Li. Design ADRC for Cutter Suction Dredger Cutter Motor Variable Frequency Drive System[J]. Advanced Materials Research,2014,3383(1008).
[24]Kai Kai Li,Huan Min Xu. Multivariate Principal Component Analysis for Production and Energy Consumption of Cutter Suction Dredger[J]. Applied Mechanics and Materials,2014,3468(644).
[25]闭治跃. 挖泥船泥浆管道输送系统效率优化与控制研究[D].浙江大学,2008.
[26]DIETENS, WALTER. Method for reducing the transfer of vibrations to a cutter suction dredger generated by a cutter head and cutter suction dredger[P]. ：EP2626473,2013-08-14.
[27]Dietens, Walter. Method for reducing the transfer of vibrations to a cutter suction dredger generated by a cutter head and cutter suction dredger[P]. ：EP2626473,2016-12-07.
[28]#53469; #48652;#47336;#45432;. Cutter head for dredging ground cutter suction dredger provided with such a cutter head and use of the cutter head for dredging [P]. ：KR101697622,2017-01-18.
[29]DIETENS, WALTER. Method for reducing the transfer of vibrations to a cutter suction dredger generated by a cutter head and cutter suction dredger[P]. ：EP2626473,2013-08-14.
[30]TACK, BRUNO. Cutter head for dredging ground, cutter suction dredger provided with such a cutter head and use of the cutter head for dredging[P]. ：TWI523995,2016-03-01.
