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减摇鳍的动态水动力特性及电伺服系统研究

姚绪梁  
【摘要】:船舶减摇鳍是一种应用最广泛的船舶减摇装置,传统的减摇鳍系统通过传感器测得船的横摇信息,经电液驱动系统使鳍转动,在控制系统的作用下,随着变化的横摇运动而不断地改变鳍角,产生抵抗海浪干扰的扶正力矩,从而达到减小船舶横摇的目的。但由于外界和船舶本身的不确定性和多种复杂的扰动信号使得船舶实际的减摇效果并不能达到设计的要求,有时与希望的设计指标有很大的误差。 论文对影响船舶减摇鳍减摇效果的一个因素,即船舶横摇的非线性运动模型与线性化的模型的差异及适用范围进行研究,得出在船舶非线性横摇模型中,非线性阻尼的影响大于非线性恢复力矩的影响的结论。提出不含5次函数项的横摇非线性模型来替代原有的模型,简化了非线性模型,减少了计算量。 对减摇鳍的鳍角/升力、鳍角/转矩的映射关系的动态水动力模型进行了研究并以水池实验数据为依据,基于Theodorsen理论建立了减摇鳍鳍角/升力、鳍角/转矩的映射的动态水动力模型。应用动态水动力模型将鳍角直接转换成反馈升力及扶正力矩做为船舶横摇数学模型中的反馈信号,从而减少由于鳍角/升力的非线性引起实际减摇与设计的误差。 以异步电动机直接转矩控制技术为理论基础,研究了以异步电动机直接转矩控制技术为核心的减摇鳍电伺服系统的组成结构、控制规律,并结合减摇鳍的特点,提出用异步电机电伺服系统替代以前的电/液伺服系统的方案。仿真实验验证了该系统的可行性。 在减摇鳍PID控制方面,讨论了单神经元网络控制技术,针对船舶减摇的特点在船舶减摇鳍系统中采用以Pe~2(k+d)+Q△u~2(k)为性能指标的单神经元PID控制器,对各种海况下船舶的开环横摇、PID控制器减摇鳍、单神经元自适应PID控制器的减摇鳍进行仿真实验,仿真结果表明将神经元PID自适应控制器与伺服系统的船舶减摇鳍系统相结合的减摇效果较好。


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