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航速损失最小的船舶减摇控制策略研究

刘志全  
【摘要】:船舶在风浪中航行,由于海洋扰动作用必然会产生大幅值摇摆运动,其中横摇运动对水面船舶的任务工作影响最为剧烈,在船舶大幅运动的同时,使得航行阻力增加,可达到静水阻力的20-40%,消耗主机推进功率进而引起航速下降。随着全球变暖和能源危机日益加剧,对节能减排和能量消耗的要求也与日俱增。由于国际上已经出台关于运输业能源清洁度方面的法规,造船和航运业为提高其竞争力,已将航速损失和不同海况下的高额燃料消耗问题作为主要问题攻克。本文针对这样的国际背景,将船舶航行能效问题转移到船舶控制工程领域,研究带有航速下降(航行阻力)约束的船舶运动姿态控制系统。根据牛顿定律分析船舶水平面三自由度非线性耦合运动方程,利用随机海浪理论建立海浪时域和频域干扰模型,并分析对比PM谱和ITTC双参数谱,建立水平面3-DOF运动仿真平台。阐述基于减摇鳍和自动舵的船舶横摇减摇原理,最后给出实际应用的船舶线性化横摇模型。从压力积分法计算二阶波浪力的原理入手,根据势流理论建立船舶横摇运动波浪增阻模型。利用海洋工程软件ANSYS-AQWA针对60系列船型计算不同遭遇情况下的船舶运动姿态和二阶波浪力,并以此数据为基准,校正模型参数并验证模型的可行性。分析船舶横摇运动姿态与波浪增阻在各时间点的代数关系,研究使阻力增加程度最小化的横摇角(最优横摇角),采用带有约束的广义预测控制方法设计带有航行阻力最小化的船舶减摇鳍控制系统。结果表明,该种系统与传统减摇控制相比在减摇效果差别不大的前提下能够更有效的减少阻力增加。分析船舶静水阻力的各种组成部分,研究实用的静水阻力估算方法。基于扩展辐射能量法,分析斜浪下船舶五自由度运动姿态引起波浪增阻的决定性因素。给出波浪中航速损失的计算方法,并着重分析有义波高、遭遇周期等海洋环境因素对船舶横摇运动作用下航速损失的影响。提出航速损失的评价指标,依据减摇鳍翼面的非线性升力特性,设计带有航速损失约束的双重非线性广义最小方差减摇鳍控制系统。仿真表明,控制器性能良好且结构简单容易实现,考虑恶劣海况船长主动降速航行,航速基本能够维持在设定航速附近。研究船舶艏摇转向运动引起静水阻力增加的机理,找到5-DOF运动姿态引起航速下降的关键因素。基于对波浪增阻和静水阻力的研究,给出总航速损失的计算方法。设计带有航速损失约束的航向、横摇综合控制的自动舵系统,依据舵角分离控制方法,分别设计航向系统和横摇系统的自适应滑模控制律,利用李雅普诺夫稳定性理论证明其稳定性。综合讨论“航向”与“航向+减摇”两种工作情况,包括:横摇稳定、航向精度、航速保持、操舵消耗。仿真结果显示,该方法可以有效维持航速,从航行节能的角度出发,对于同时装备减摇鳍和自动舵的船舶而言,不鼓励舵鳍联合减摇的控制方法。


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