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基于多模态技术的减摇鳍全航速减摇控制策略研究

孔祥建  
【摘要】:减摇鳍是最常用的减横摇装置,一直以来减摇鳍减摇理论的研究都集中在中/高航速下的船舶横摇运动,对于零/低航速下使用减摇鳍进行减摇的研究相对较少,为了满足全航速的减摇要求,船舶减摇鳍系统应用了仿生翼,这种翼型不仅可以满足中/高航速下的减摇要求,而且还可以保证低航速甚至系泊下的减摇效果。由于工作机理不同,传统减摇鳍的理论不足以解析全航速下减摇鳍的水动力特性,低航速下减摇鳍的流场更加复杂。目前关于减摇鳍全航速减摇的研究主要集中在系泊状态或零航速下,多采用求解困难、结构复杂、局限性强的非线性控制方法,没有考虑全航速下系统的兼容性。而对中低航速下减摇鳍的升力特性用零航速下的水动力解析关系进行近似处理,即忽略鳍的动态下攻角的水动力,这种近似处理没有考虑全航速减摇鳍的小展弦比、高速动态运动时失速角的延迟以及低航速时存在不可忽略的水动力的客观事实,混淆了水翼的动力特性和静力特性,有着脱离工程实际的局限性。围绕上述问题,本文主要研究内容如下:首先,海浪干扰及横摇运动数学建模。首先讨论了船舶减摇系统的海浪扰动,对船舶的横摇运动进行受力分析,建立船舶线性横摇方程。其次,基于流体力学理论,利用计算流体力学软件FLUENT仿真得到的数据建立了全航速减摇鳍升力模型。基于流体力学理论分析翼面绕轴运动的受力情况,对主动拍打静水的翼面进行受力分析和建模。利用计算流体力学软件对三维全比例减摇鳍模型进行仿真,拟合出理论解析公式中复杂的待定系数。通过大量的水动力数值仿真分析了中低航速下减摇鳍的水动力特性,论证中低航速升力模型忽略动态下攻角作用的弊端,将中低航速下拍动的减摇鳍等效为纵向拍动静水作用和水流经过翼面作用的两部分,并结合大量仿真数据和理论分析给出了全航速减摇鳍升力公式。最后,对全航速减摇鳍多模态切换进行了研究。建立了减摇鳍系统的数学模型,针对升力子模型分别整定出对应的子控制器,以航速为切换依据,设定全航速控制规律,实现全航速减摇系统的变参数控制。应用慢切换理论和将控制器分解为快变模态部分和慢变模态部分,实现控制器之间的无扰切换,保证了航速变化时切换的稳定性。对原有减摇系统的控制规律进行的改进,在Matlab/Simulink搭建全航速减摇控制系统模型进行仿真研究,仿真结果表明所设计多模态切换控制器具有较好的减摇效果。


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