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《哈尔滨工程大学》 2010年
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高性能U型减摇水舱系统设计与控制方法研究

张宏瀚  
【摘要】: 减摇水舱作为一种全航速减摇装置,因其具有结构简单、造价低廉、兼顾抗静倾功能等优点而应用广泛。可控被动式U型减摇水舱由两个巨大蓄水舱室组成,两个舱室底部由连通水道连接,顶部由连通气道连接,其产生减摇力矩的能量来自于船舶横摇运动本身,依靠船舶的横摇带动水舱内液体运动,利用少量能量调节水舱气体连通道或液体连通道阀门来控制液体运动与船舶运动之间的相位关系,以此达到减摇的目的。 本课题来源于哈尔滨工程大学“211”工程重点建设项目——“船舶控制工程”,对可控被动式U型减摇水舱的相关理论问题、系统结构设计方法以及控制策略进行了深入的分析与研究。 论文首先分析了减摇水舱内流体运动规律以及液体振荡运动时作用在船舶六自由度运动方向上的力和力矩,介绍“船舶—减摇水舱”系统在船舶横摇运动方向上的数学模型建立方法,并对安装一个减摇水舱的“船舶—单水舱”系统模型进行扩展,建立船舶安装两个减摇水舱时的“船舶—双水舱”系统动力学模型。在模型基础上,分别在线性和非线性条件下,研究单水舱减摇系统和双水舱减摇系统对船舶横摇运动的影响。 深入研究减摇水舱系统结构的设计方法。船舶运动系统存在随机性、非线性以及不确定性问题,传统的减摇水舱设计方法是在线性条件下进行的,当船舶受到较大干扰而出现大幅横摇时,本身减摇效果有限的减摇水舱会因船舶运动系统中非线性因素的影响而导致减摇效率更低。本文针对船舶运动中的非线性和不确定性问题,将现代控制理论中鲁棒设计思想结合到水舱系统的结构设计中,提出减摇水舱系统设计的鲁棒性能优化指标,并结合优化指标介绍了单水舱减摇系统和双水舱减摇系统的结构参数的设计方法。仿真结果表明,新的设计方法行之有效,在非线性条件下,减摇效果好于常规方法设计出的减摇水舱;结果还表明,双水舱减摇系统比单水舱减摇系统具有更宽的减摇范围,且在船舶横稳心高发生摄动时,双水舱减摇系统的减摇效果要好于单水舱减摇系统。 研究讨论了利用水舱顶部气体连通道气阀全开和气阀全闭形式控制的可控被动减摇水舱的控制方法。通过对可压缩气体状态方程的推导,从理论上证明利用气阀的开关可有效延长水舱内液体振荡的周期。针对传统控制方式所存在的水舱内液体流动相位滞后问题,提出可控被动式减摇水舱的被动式PD控制策略,仿真实验证明,这种控制方式下的减摇水舱可使水舱内液体运动与船舶横摇运动保持期望的相位关系,从而提高水舱的减摇效果。 对利用气阀开度控制水舱液体运动的控制方式进行研究,利用可压缩气体状态方程和水舱内流体运动方程研究气阀开口对水舱内液体振荡运动的影响,利用辨识技术拟合出不同气阀开口时水舱内液体振荡的ARMA模型。建立受水舱内液体运动控制的船舶横摇运动CARIMA模型,基于广义预测理论对水舱气阀开口的控制输入进行在线滚动优化,实现利用气阀的开度对水舱内液体流动的控制,进而实现水舱对船舶横摇运动的自适应减摇能力。通过仿真证明,这种控制方式可使减摇水舱具有较好的自适应能力,在不同船舶航行状态下,均可得到较好的减摇效果。
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