零航速减摇鳍仿生机理及控制关键技术

【摘要】：受风、浪、流等自然环境干扰影响,海上航行的船舶不可避免地会产生六自由度摇荡运动,即横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡,其中尤以横摇最为显著。剧烈的横摇运动严重影响船舶适航性、设备安全性及船员舒适度,因此,提高横摇稳定性至关重要。减摇鳍是迄今应用最广泛且成功的主动式减摇装置,减摇效果可达90%以上,然而因生力机理制约,其零航速下性能极差。尽管减摇水舱具备全航速减摇能力,但体积大、占(船内)空间等缺点使之并非理想选择。 论文首先根据牛顿定律、海浪理论分析船舶三自由度非线性耦合模型及广义海浪干扰模型,建立水平面3-DOF运动仿真平台,简述横摇稳定原理与普通减摇鳍缺陷,围绕兼容性、模式切换、造价成本等问题,对单/双翼零航速减摇鳍进行详细讨论,评价各自优缺品质。 从自然界水生或半水生动物附体的生力机制研究入手,探讨零航速减摇鳍仿生机理与工作模式。剖析动态水动力成分,针对原模型及建模方法存在的诸多弊端,运用高等流体力学理论,采用数值、解析结合法,建立水动力/力矩、驱动力矩/功率模型,力求足够准确且不失工程实用性。利用CFD软件FLUENT计算流体作用力,分析流场压力与速度分布规律,以FLUENT数据为基准,评定建模精度并讨论误差主要因素。采用权威机构公布的试验方法,测试零航速减摇鳍负载特性,二者结论基本一致。 以往研究对鳍型尺寸选择较为随意,缺乏理论依据,且未考虑小展弦比鳍型对常规模式(升力特性)造成的不利影响。论文通过分析减摇鳍流体动力性能,依照常规/零航速模式对鳍型参数的具体要求,应用线性系统理论,提出零航速减摇鳍尺寸参数估算与综合评价方法,获得最佳展弦比范围(不可收放式鳍)。根据仿生机理、水动力建模等结论,兼顾双模式彼此协调,制定前/后缘鳍型优化原则,以课题组在仿生鳍领域的相关成果为基础,从定性或定量角度论证国内外若干仿生变形设计方案。 详细阐述零航速减摇鳍系统特征及非线性输入特性,包括记忆性、单调性、饱和约束等,分析被控系统结构形式、对抗式PID设计思想/适用前提,说明其与整体设计法的本质缺陷。应用随机信号分析、谱估计理论建立横摇扰动力矩成形滤波器与增广状态空间模型。依据动态非线性子系统串联动态线性子系统的特殊结构,借助非线性分离策略,提出基于变约束模型预测控制与数值迭代反演的两步主从控制律,运用无源性理论证明该设计的收敛性。仿真结果表明,控制器性能良好,但受物理性硬约束影响,零航速减摇效率随海情增加而呈非线性递减。 零航速减摇鳍仍将充当普通减摇鳍而频繁用于中/高航速状态,但此类问题未被重视。论文针对零航速小展弦比鳍型引起的非线性升力特性,研究适用于常规减摇模式的鲁棒自适应神经元控制律,分析其Lyapunov稳定性。仿真结果显示,该设计不仅自适应性较强,而且在各种海情下均可获得满意效果。建立航行阻力模型(指标)对姿控系统综合评定,数据表明,横摇控制有利于降低航行阻力,节省推进能量。