基于升力反饋的全航速減搖鰭研究.pdf

1、受到海風(fēng)、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(chǎn)生各個(gè)方向的搖蕩，在這六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)中，以橫搖影響最為顯著。劇烈的橫搖將嚴(yán)重影響船舶的適航性、設(shè)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(shè)備，現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的減搖設(shè)備有主動(dòng)式的減搖鰭與被動(dòng)式的減搖水艙等，對(duì)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(shí)配置減搖鰭與減搖水艙。在零低航速下依靠水艙來實(shí)現(xiàn)船舶減

2、搖，在中高航速下依靠減搖鰭來實(shí)現(xiàn)減搖(或水艙和鰭聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)減搖)，然而水艙不僅要占用艙內(nèi)寶貴的排水空間，且其減搖效果不高，同時(shí)維護(hù)兩套系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性也欠佳。
　　 受升力產(chǎn)生機(jī)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(dǎo)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(shè)計(jì)一種機(jī)構(gòu)，可以使鰭在零低航速下產(chǎn)生滿足船舶穩(wěn)定需要的足夠升力，則可以使減搖鰭應(yīng)用在零低航速情況下，與中高航速應(yīng)用的傳統(tǒng)減搖鰭互相融合

3、，則可以使減搖鰭應(yīng)用在零、低、中、高全航速范圍內(nèi)。傳統(tǒng)減搖鰭存在的另一個(gè)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(chǎn)生的升力作為轉(zhuǎn)鰭伺服系統(tǒng)的反饋信號(hào)，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(shù)已經(jīng)非常成熟，因此零低航速下減搖鰭技術(shù)研究、升力反饋技術(shù)研究、零低與中高航速切換策略研究是實(shí)現(xiàn)高效率全航速減搖

4、鰭的關(guān)鍵問題。通過新的升力產(chǎn)生機(jī)理研究，使鰭可以在零低航速下產(chǎn)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(nèi)。文中首先對(duì)升力在零低航速下的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了探討，通過不同結(jié)構(gòu)形式的分析，采用基于縱向拍動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式作為全航速減搖鰭的應(yīng)用類型。建立了更具意義的實(shí)際應(yīng)用鰭型的低航速升力模型，并通過水動(dòng)力試驗(yàn)對(duì)該模型中的未知參數(shù)進(jìn)行了確定和模型的驗(yàn)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(chǎn)生的升力和升力維持時(shí)間有限，且兩者相互矛盾。因此論文對(duì)如何增大縱向拍動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的鰭在零低航速下的升力進(jìn)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(duì)升力的影響，綜合考慮中高航速應(yīng)用和零低航速應(yīng)用，以帶副翼的平行四邊形鰭作為全航速減搖鰭的應(yīng)用鰭型。針對(duì)常用的拱度變形和面積變形，應(yīng)用建立的試驗(yàn)裝置對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示了理論分析的正確性。
　　 升力反饋技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)恰恰是升力測量方

6、案的實(shí)現(xiàn)，要綜合考慮力傳感器地安裝、力的解耦，、可維護(hù)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(chǔ)上，研究了鰭升力測量的實(shí)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(diǎn)，本文采用哈爾濱工程大學(xué)船舶減搖與控制技術(shù)研究所設(shè)計(jì)的基于方形微動(dòng)軸承的升力測量方法，文中給出了具體的實(shí)現(xiàn)形式和機(jī)械結(jié)構(gòu)。同時(shí)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(duì)零低和中高航速控制特點(diǎn)的分析，決定分別采用不同的控制方法來實(shí)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(biāo)，通過小波變換和均生函數(shù)周期外推對(duì)船舶下半周期的橫搖姿態(tài)進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果應(yīng)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(yán)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(zhuǎn)化為線性時(shí)變系統(tǒng)，并通過在線辨識(shí)解決了船舶橫