基于升力反饋的全航速減搖鰭研究.pdf

1、受到海風、海浪和海流等海洋環(huán)境干擾的影響，航行在海上的船舶不可避免的將產生各個方向的搖蕩，在這六個自由度的運動中，以橫搖影響最為顯著。劇烈的橫搖將嚴重影響船舶的適航性、設備的安全性、船員的舒適性和武備的使用性能。為了減小橫搖，科技工作者發(fā)明了數(shù)百種船舶減搖設備，現(xiàn)在應用最廣泛的減搖設備有主動式的減搖鰭與被動式的減搖水艙等，對于零低和中高航速下都需要減搖的船舶來說，以往的選擇常常是同時配置減搖鰭與減搖水艙。在零低航速下依靠水艙來實現(xiàn)船舶減

2、搖，在中高航速下依靠減搖鰭來實現(xiàn)減搖(或水艙和鰭聯(lián)合控制實現(xiàn)減搖)，然而水艙不僅要占用艙內寶貴的排水空間，且其減搖效果不高，同時維護兩套系統(tǒng)的經濟性也欠佳。
　　 受升力產生機理的限制，傳統(tǒng)減搖鰭上的升力與速度的平方近似成比例，導致在零低航速下提供的穩(wěn)定力矩有限，因此只適用于中高航速情況下。如果設計一種機構，可以使鰭在零低航速下產生滿足船舶穩(wěn)定需要的足夠升力，則可以使減搖鰭應用在零低航速情況下，與中高航速應用的傳統(tǒng)減搖鰭互相融合

3、，則可以使減搖鰭應用在零、低、中、高全航速范圍內。傳統(tǒng)減搖鰭存在的另一個問題是大多采用鰭角作為伺服系統(tǒng)的反饋量，忽略了升力和鰭角之間的不確定性與非線性影響，限制了減搖鰭效果的改善。如果直接采用鰭上產生的升力作為轉鰭伺服系統(tǒng)的反饋信號，而不是采用鰭角作為反饋，則可以克服上述問題。
　　 由于傳統(tǒng)的中高航速鰭角反饋減搖鰭技術已經非常成熟，因此零低航速下減搖鰭技術研究、升力反饋技術研究、零低與中高航速切換策略研究是實現(xiàn)高效率全航速減搖

4、鰭的關鍵問題。通過新的升力產生機理研究，使鰭可以在零低航速下產生足夠升力，就可以使減搖鰭工作在零、低、中、高全航速范圍內。文中首先對升力在零低航速下的產生機理進行了探討，通過不同結構形式的分析，采用基于縱向拍動的結構形式作為全航速減搖鰭的應用類型。建立了更具意義的實際應用鰭型的低航速升力模型，并通過水動力試驗對該模型中的未知參數(shù)進行了確定和模型的驗證工作，從而證明了所提出的理論升力模型的正確性。
　　 限于零低航速下特殊的工作方

5、式，鰭在零低航速下所產生的升力和升力維持時間有限，且兩者相互矛盾。因此論文對如何增大縱向拍動結構形式的鰭在零低航速下的升力進行了研究。分別討論了改變鰭軸位置、改變展弦比和改變鰭型等對升力的影響，綜合考慮中高航速應用和零低航速應用，以帶副翼的平行四邊形鰭作為全航速減搖鰭的應用鰭型。針對常用的拱度變形和面積變形，應用建立的試驗裝置對理論分析結果進行了驗證。試驗數(shù)據(jù)顯示了理論分析的正確性。
　　 升力反饋技術的實現(xiàn)難點恰恰是升力測量方

6、案的實現(xiàn)，要綜合考慮力傳感器地安裝、力的解耦，、可維護性和成本等因素。在分析普通鰭角反饋減搖鰭所面臨問題的基礎上，研究了鰭升力測量的實現(xiàn)方式，由于國際上Sperry、Rolls-Royce和三菱重工的升力測量方案均存在一些重要的缺點，本文采用哈爾濱工程大學船舶減搖與控制技術研究所設計的基于方形微動軸承的升力測量方法，文中給出了具體的實現(xiàn)形式和機械結構。同時分析了完全采用升力反饋在零低、中高航速下分別面臨的問題，因此本文采用升力和鰭角的綜

7、合控制方案。
　　 通過對零低和中高航速控制特點的分析，決定分別采用不同的控制方法來實現(xiàn)零低和中高航速下的控制。在零低航速下，以穩(wěn)定力矩最大限度的消耗海浪干擾力矩為目標，通過小波變換和均生函數(shù)周期外推對船舶下半周期的橫搖姿態(tài)進行預測，根據(jù)預測結果應用非線性規(guī)劃確定控制序列中的最優(yōu)參數(shù)，解決了零低航速下鰭上升力的嚴重非線性、多映射問題。在中高航速下通過T-S模型，將船舶橫搖的非線性方程轉化為線性時變系統(tǒng)，并通過在線辨識解決了船舶橫