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零/低航速减摇鳍升力模型及系统控制策略研究

王龙金  
【摘要】:船舶在海上行驶过程中由于受到海浪、海风和海流等各种海洋扰动的作用,不可避免的要产生六自由度运动,即横摇、纵摇、艏摇、横荡、垂荡和纵荡运动。在同种海洋干扰环境下,船舶的横摇运动较为剧烈,严重影响船载设备的正常运行、船舶乘员的舒适度和船载货物的安全性。传统减摇鳍是目前最常用且应用最成功的船舶主动式减横摇装置,减摇效果可达90%以上由工作原理所限,只有当船舶处于中高航速时,传统减摇鳍才可以有效地减摇,在低航速或零航速情况下,传统减摇鳍几乎不能进行减摇。现有的减摇设备中,只有减摇水舱的减摇效果不受航速影响,但是减摇水舱体积较大,而且只是在谐摇频率的附近才能取得较好的减摇效果,在某些情况下甚至会出现增摇的现象。为实现船舶在全航速下的有效减摇,有些船舶采用同时安装减摇鳍和减摇水舱两种减摇设备。采用两套减摇设备虽然能取得良好的减摇效果但经济效益欠佳。本文以设计一种具有零航速、低航速和中高航速种工作模式的全航速减摇鳍系统为前提,通过工作模式的转变实现在减摇鳍控制下船舶全航速航行状态下的有效减摇。中高航速减摇鳍系统已经相当成熟,本文将重点从零/低航速减摇鳍升力模型和系统控制策略两方面对零/低航速减摇鳍系统进行研究。 本课题来源于国家自然科学基金项目“零速下船舶仿生减摇鳍升力机理的研究(50575048)”和“基于变形仿生减摇鳍的水面机器人的减摇机理研究(50879012)”。主要研究零/低航速下减摇鳍基本工作模式、基于此工作模式的零/低航速减摇鳍升力产生机理,以及零/低航速下减摇鳍系统控制策略。 论文首先从零/低航速减摇鳍系统安装方式和工作原理的角度对零/低航速减摇鳍系统进行了系统的阐述。介绍了基于Weis-Fogh机构零航速减摇鳍系统、基于纵向拍动工作模式零航速减摇鳍系统、基于变形鳍技术零航速减摇鳍系统和基于纵向拍动工作模式低航速减摇鳍系统四种减摇鳍系统的安装方式和工作原理。 分析并得到零/低航速下减摇鳍升力模型是零/低航速减摇鳍系统设计的关键,从系统实现和减摇效果的角度出发,本文将重点对基于纵向拍动工作模式零航速减摇鳍系统、基于变形鳍技术零航速减摇鳍系统和基于纵向拍动工作模式低航速减摇鳍系统进行研究。依据流体力学理论对基于纵向拍动工作模式的固定翼型零航速减摇鳍升力模型、基于变形鳍技术零航速减摇鳍和低航速减摇鳍升力模型进行分析。针对减摇鳍的实际工作环境,我们将减摇鳍在流体中转动时产生的升力分为理想流体环境和非理想流体环境两部分分别进行分析。在理想流体环境下我们通过一系列保角变换、运动变换求得鳍面在理想流体中转动时引起的流场复势,然后采用伯拉休斯定理,分析得到理想流体中鳍面转动时产生升力数学模型。在非理想流体环境下,由于流体存在粘性,因此鳍面在转动的过程中势必会在鳍面产生旋涡,旋涡会在鳍面两侧产生压力差,产生阻碍鳍面转动的阻力,从而影响鳍面转动时产生的升力。由于鳍面在转动时引起的旋涡变化复杂,从工程应用的角度出发,在对鳍面旋涡作用力进行分析时,我们忽略鳍面厚度,采用相对简化的旋涡模型分析得到鳍面在非理想流体中转动时产生的升力数学模型。 由于船舶的航行情况及装载情况并非固定不变,这就使得船舶横摇运动模型存在一定的时变性。通过分析我们得到的零/低航速减摇鳍升力模型都存在一定的非线性特性,这就使得零/低航速减摇鳍系统具有一定的非线性和时变特性。由于支持向量机具有良好的小样本辨识能力,因此我们采用基于支持向量机在线辨识的前馈逆控制器设计方法来解决系统的非线性特性和时变特性。支持向量机辨识是一种无误差反馈辨识,因此支持向量机对系统的辨识有可能存在一定的不足,这将影响系统的稳定性和稳态性,同时当系统模型突然发生变化时支持向量机也需要一定的时间对系统进行辨识。为解决因支持向量机辨识不足和系统模型突变引起的系统控制不足的问题,我们引入了基于支持向量机和模糊控制相结合的复合控制策略,通过模糊控制器保证支持向量机辨识过程中系统的稳定性和稳态性。定义一个协调因子,根据系统运行效果调整两种控制策略所占的比重,根据协调因子的数值决定支持向量机是否需要重新对系统进行辨识和系统辨识是否充分。该控制结构既具有支持向量机逆控制设计简单、稳态精度高的优点,同时结合模糊控制响应快速,抗干扰能力强,鲁棒性好的优势,既保证了系统的稳定性又保证了系统的稳态性。 采用本文分析得到的零/低航速减摇鳍升力模型搭建船舶零/低航速减摇鳍系统模型,依据本文提出的控制策略对系统进行控制器设计,并对系统进行仿真。仿真显示三种减摇鳍系统均取得了良好的减摇效果,证明了本文设计的零/低航速减摇鳍系统的有效性。由于零航速减摇鳍升力容量有限,随着海情的增加两种零航速减摇鳍系统减摇效果有所下降,与零航速减摇鳍相比低航速减摇鳍具有较大的升力容量,其减摇效果受海情影响不大。


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