小水線面雙體船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)預(yù)報(bào)與控制策略研究.pdf

1、為了滿足日益增長(zhǎng)的海洋營運(yùn)需求和更好地開發(fā)海洋資源，對(duì)耐波性等船舶性能提出了更高要求，雙體船等耐波性良好的高性能船舶得到了極大的關(guān)注和發(fā)展。小水線面雙體（Small Water-plane Area Twin Hull，SWATH）船通過用兩個(gè)下潛體把排水體積移到水下，增加運(yùn)動(dòng)阻尼，減小水線面積，使其具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于一般單體船的耐波性。但由于其水線面狹小，使得SWATH船航行時(shí)，提供的縱向恢復(fù)力和力矩不足以平衡海浪作用于船上的干擾力和力矩，

2、導(dǎo)致 SWATH船縱向（升沉和縱搖）運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較差。鑒于SWATH船的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，選擇常規(guī)的控制策略很難達(dá)到預(yù)期的控制效果。因此，研究SWATH船運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)，設(shè)計(jì)合理的控制策略，對(duì)SWATH船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　為研究SWATH船運(yùn)動(dòng)特性，論文首先建立SWATH船運(yùn)動(dòng)模型，利用二維半的切片理論對(duì)SWATH船水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行數(shù)值求解，對(duì)SWATH船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)預(yù)報(bào)。同時(shí)通過求解船舶運(yùn)動(dòng)

3、響應(yīng)，利用穩(wěn)定性、船舶運(yùn)動(dòng)周期、阻尼比等性能指標(biāo)對(duì)SWATH船運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析。并以一艘SWATH船實(shí)為例，對(duì)其水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行求解，定量分析SWATH船運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。研究結(jié)果表明，該 SWATH船縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較差，需要利用穩(wěn)定鰭對(duì)SWATH船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行控制。海浪是影響船舶運(yùn)動(dòng)的主要因素，為研究 SWATH船在隨機(jī)海浪中的運(yùn)動(dòng)性能，對(duì)海浪作用于SWATH船的升沉干擾力和縱搖干擾力矩進(jìn)行建模。并根據(jù)SWATH船運(yùn)動(dòng)模型特點(diǎn)，給出了SWATH

4、船運(yùn)動(dòng)最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)。結(jié)合海浪干擾和船舶運(yùn)動(dòng)模型，設(shè)計(jì)SWATH船干擾觀測(cè)器，通過對(duì)干擾的觀測(cè)和補(bǔ)償控制，研究SWATH船的干擾補(bǔ)償控制效能。仿真結(jié)果表明，利用干擾觀測(cè)器，將干擾補(bǔ)償與反饋控制相結(jié)合，提高了SWATH船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的控制效果。
　　由于SWATH船采用前、后兩對(duì)穩(wěn)定鰭對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行控制，這就不可避免的產(chǎn)生了前后穩(wěn)定鰭的升力特性和控制方式選擇等問題。為分析SWATH船前后穩(wěn)定鰭之間的升力特性，利用流體計(jì)算軟件對(duì)穩(wěn)定鰭

5、動(dòng)態(tài)升力進(jìn)行研究，討論前后鰭安裝距離對(duì)升力的影響，分析前鰭對(duì)后鰭升力特性的影響。通過將升力特性轉(zhuǎn)化為阻尼特性，研究穩(wěn)定鰭升力對(duì)SWATH船運(yùn)動(dòng)特性的影響。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)SWATH船縱向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)受穩(wěn)定鰭的影響，利用線性最優(yōu)控制器控制，研究分別控制前對(duì)鰭、后對(duì)鰭和兩對(duì)鰭的控制方式對(duì)SWATH船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響，為穩(wěn)定鰭控制方式的選擇提供依據(jù)。同時(shí)根據(jù)實(shí)船航行時(shí)出現(xiàn)的問題，在不影響縱向運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制效果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)SWATH船減橫搖的控制算法

6、，減少SWATH船上人員運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)，取得了較好的控制效果。
　　考慮到SWATH船航行過程中，針對(duì)由船舶載重變化、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化、航速變化和海浪干擾等因素產(chǎn)生不確定性，建立帶有不確定性的SWATH船運(yùn)動(dòng)控制模型。采用模糊自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)，利用模糊自適應(yīng)控制對(duì)SWATH船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制模型中的參數(shù)變化等不確定性進(jìn)行補(bǔ)償，有效的抑制了不確定性對(duì)SWATH船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制的影響。
　　最后，為預(yù)防SWATH船航行中“埋首”等現(xiàn)象的產(chǎn)生，實(shí)