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综合减摇系统参数配置及控制器优化研究

孟祥振  
【摘要】:减摇鳍和被动式减摇水舱是当今船舶最常用减摇装置,而船舶只安装减摇鳍或者被动式减摇水舱,在应用中有各自的缺点。减摇鳍在高航速下可以提供较大的减摇力矩,有效的减小船舶横摇运动。而当船舶航速较低或者系泊作业时,减摇鳍减摇能力几乎为零,无法有效的减小船舶横摇运动。相对减摇鳍,当被动式减摇水舱结构设计合理时,在船舶低航速或系泊状态下有良好的减摇能力。但是由于船型的限制,被动式减摇水舱减摇能力通常很低,并且减摇能力与干扰力矩的频率有关,只能针对特定海情有良好的减摇效果。 减摇鳍—被动式减摇水舱综合减摇系统可以综合二者的优点,克服各自的不足,在全航速下都能提供足够的扶正力矩减小船舶横摇运动,具有良好的减摇效果。但综合减摇系统的减摇能力不是减摇鳍和被动式减摇水舱二者减摇能力简单的线性叠加,当船舶同时装备减摇鳍和被动式减摇水舱后,二者的减摇效果是相互影响的。减摇鳍工作的同时会改变船舶—水舱系统的共振频率,间接影响水舱的减摇效果。船舶装备减摇水舱会减小系统的稳性,需要减摇鳍补偿。另外,综合减摇系统控制器的设计与单独装备减摇鳍时控制器不同,综合减摇控制器在控制减摇鳍工作同时要兼顾被动式减摇水舱的工作。因此,分析综合减摇系统中减摇鳍和被动式减摇水舱参数配置对综合减摇系统减摇效果的影响,给出参数合理的配置范围,并设计合理的控制器,对船舶减摇工程应用有重要意义。 本文通过查阅大量的国内外相关资料,研究了综合减摇系统参数变化对减摇效果的影响,同时考虑能量最优原则,合理设计综合减摇控制器,并进行仿真分析。 首先,通过分析船舶—减摇鳍和船舶—被动式减摇水舱二者的数学模型,建立船舶—减摇鳍—被动式减摇水舱综合减摇数学模型。根据振动理论知识,对综合减摇系统数学模型进行分析及仿真。 其次,针对减摇鳍和被动式减摇水舱的工作特点和减摇原理,分析二者参数变化对综合减摇效果的影响,针对某型船舶通过分析和仿真设计出满足减摇性能指标下的参数配置范围。 最后,结合减摇鳍和被动式减摇水舱参数变化对综合减摇效果的影响研究,考虑到能量最优准则,利用随机理论给出性能指标,设计了基于能量最优的变参数PID控制器。利用MATLAB对综合减摇系统进行仿真研究,验证了基于能量最优的变参数PID控制器具有良好控制效果。


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