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船舶零航速减摇鳍建模与控制策略研究

张晓飞  
【摘要】: 船舶在风浪中不可避免地会产生各种摇荡,其中以横摇最为显著,影响也最大。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。但是只有船舶的航速较高时,减摇鳍才可以有效地减摇,在低航速或零航速情况下,减摇鳍几乎不能进行减摇。在现有的减摇设备中,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最好的减摇效果,在某些情况下甚至会出现增摇的现象。为了解决这些问题,人们提出了零航速减摇鳍的概念。 论文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)”,主要研究内容是零航速减摇鳍升力模型的建立及其控制方法的研究。 论文首先总结了零航速减摇装置的发展现状,明确了研制零航速减摇鳍需要解决的关键技术。分析了减摇鳍在零航速下的工作原理,并且对单翼与双翼零航速减摇鳍的结构与工作方式进行对比。 升力模型的建立是研究零航速减摇鳍的基础,论文应用流体力学理论对零航速减摇鳍的升力模型问题进行了初步研究,采用解析的方法对单翼零航速减摇鳍上各种流体作用力的产生机理和影响因素进行分析,建立了单翼零航速减摇鳍的升力模型,并根据升力模型对单翼零航速减摇鳍的升力特性进行分析。仿真结果表明,单翼零航速减摇鳍属于大惯性负载,对伺服系统有较高的要求。在分析Weis-Fogh机构势流理论的基础上建立了双翼零航速减摇鳍的升力和力矩模型,由于现有的理论只能对Weis-Fogh机构张开阶段进行分析,为了解决这个问题,结合数值计算的结果建立了具有较高实用性的Weis-Fogh机构闭合阶段升力模型,并对双翼零航速减摇鳍以不同的速度张开和闭合时的升力和力矩特性进行了研究。针对现有单翼零航速减摇鳍存在的某些缺点,提出了回转运动型单翼零航速减摇鳍的设计方案,仿真结果表明采用该方案可以提高现有零航速减摇鳍的性能。零航速减摇鳍处于非定常流中,只能在理论分析的基础上建立一些初步的升力模型,因此必须根据实验数据对这些模型进行修正。由于零航速减摇鳍周围的流场与传统减摇鳍有很大差别,所以需要对其水动力实验方法进行深入研究。为此对零航速减摇鳍的流场特性进行分析,提出了零航速减摇鳍的水动力实验方案,利用相似理论确定了部分实验参数,为保证实验数据的准确性提供了理论依据。 现有的减摇鳍全部采用电液伺服系统,缺点是维护比较困难。为了提高系统的可靠性和可维护性,讨论了电动伺服系统在零航速减摇鳍上的应用,建立了永磁同步电机传动系统的CARIMA模型,在此基础上采用广义预测控制算法对传统电动伺服系统进行改进。为了改善零航速减摇鳍在满负荷状态时的动态性能,在基本广义预测控制中引入了对输入和输出的约束。仿真结果表明,广义预测控制器能够改善伺服系统的动态性能,提高零航速减摇鳍的减摇效果。 在有航速减摇时,减摇鳍随船体一起运动,伺服系统只是把鳍转到某一特定角度,鳍上的升力是由船舶航行时鳍和水流的相互作用产生的,它间接利用了船舶主机的能量。在零航速减摇时,对抗横摇所消耗的能量完全由减摇鳍的伺服系统提供,但是伺服系统的功率一般比主机小得多,导致在浪级较高的情况下减摇效果不理想。为了在保证减摇效果的前提下,尽可能减少系统能量消耗,对内环的减摇鳍伺服系统和外环的船舶横摇控制器两个方面进行优化。在伺服系统方面,应用极小值理论对基于能量指标的最优运动规律进行研究,以确定采用何种驱动方式才能提高升力与能量消耗的比值。理论分析的结果表明,采用合适的驱动方式能够以较小的能量产生最大的升力,并且可以避免反向升力带来的不利影响。在船舶横摇控制器方面,根据海浪的频谱特性对系统进行扩展,在此基础上采用随机最优控制理论得到了基于二次型性能指标的最优控制规律。为了找到能量消耗和减摇效果的最佳匹配点,提出了性能指标加权阵的参数自调整准则,并采用遗传算法对不同情况下加权阵的对角线参数进行了优化。结果表明,正确选择加权矩阵参数可以使性能指标取得极小值,实现能量指标最优。


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