船舶零航速減搖鰭建模與控制策略研究.pdf

1、船舶在風浪中不可避免地會產生各種搖蕩，其中以橫搖最為顯著，影響也最大。減搖鰭是目前最常用且應用最成功的船舶主動式減橫搖裝置，減搖效果可達90％以上。但是只有船舶的航速較高時，減搖鰭才可以有效地減搖，在低航速或零航速情況下，減搖鰭幾乎不能進行減搖。在現有的減搖設備中，只有減搖水艙的減搖效果不受航速影響，但是減搖水艙體積較大，而且只是在諧搖頻率的附近才能取得最好的減搖效果，在某些情況下甚至會出現增搖的現象。為了解決這些問題，人們提出了零航速

2、減搖鰭的概念。 論文來源于國家自然科學基金項目“零速下船舶仿生減搖鰭升力機理的研究(50575048)”，主要研究內容是零航速減搖鰭升力模型的建立及其控制方法的研究。 論文首先總結了零航速減搖裝置的發(fā)展現狀，明確了研制零航速減搖鰭需要解決的關鍵技術。分析了減搖鰭在零航速下的工作原理，并且對單翼與雙翼零航速減搖鰭的結構與工作方式進行對比。 升力模型的建立是研究零航速減搖鰭的基礎，論文應用流體力學理論對零航速減搖鰭的

3、升力模型問題進行了初步研究，采用解析的方法對單翼零航速減搖鰭上各種流體作用力的產生機理和影響因素進行分析，建立了單翼零航速減搖鰭的升力模型，并根據升力模型對單翼零航速減搖鰭的升力特性進行分析。仿真結果表明，單翼零航速減搖鰭屬于大慣性負載，對伺服系統(tǒng)有較高的要求。在分析Weis—Fogh機構勢流理論的基礎上建立了雙翼零航速減搖鰭的升力和力矩模型，由于現有的理論只能對Weis—Fogh機構張開階段進行分析，為了解決這個問題，結合數值計算的結

4、果建立了具有較高實用性的Weis—Fogh機構閉合階段升力模型，并對雙翼零航速減搖鰭以不同的速度張開和閉合時的升力和力矩特性進行了研究。針對現有單翼零航速減搖鰭存在的某些缺點，提出了回轉運動型單翼零航速減搖鰭的設計方案，仿真結果表明采用該方案可以提高現有零航速減搖鰭的性能。零航速減搖鰭處于非定常流中，只能在理論分析的基礎上建立一些初步的升力模型，因此必須根據實驗數據對這些模型進行修正。由于零航速減搖鰭周圍的流場與傳統(tǒng)減搖鰭有很大差別，所

5、以需要對其水動力實驗方法進行深入研究。為此對零航速減搖鰭的流場特性進行分析，提出了零航速減搖鰭的水動力實驗方案，利用相似理論確定了部分實驗參數，為保證實驗數據的準確性提供了理論依據。 現有的減搖鰭全部采用電液伺服系統(tǒng)，缺點是維護比較困難。為了提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性，討論了電動伺服系統(tǒng)在零航速減搖鰭上的應用，建立了永磁同步電機傳動系統(tǒng)的CARIMA模型，在此基礎上采用廣義預測控制算法對傳統(tǒng)電動伺服系統(tǒng)進行改進。為了改善零航速減

6、搖鰭在滿負荷狀態(tài)時的動態(tài)性能，在基本廣義預測控制中引入了對輸入和輸出的約束。仿真結果表明，廣義預測控制器能夠改善伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高零航速減搖鰭的減搖效果。 在有航速減搖時，減搖鰭隨船體一起運動，伺服系統(tǒng)只是把鰭轉到某一特定角度，鰭上的升力是由船舶航行時鰭和水流的相互作用產生的，它間接利用了船舶主機的能量。在零航速減搖時，對抗橫搖所消耗的能量完全由減搖鰭的伺服系統(tǒng)提供，但是伺服系統(tǒng)的功率一般比主機小得多，導致在浪級較高的情況

7、下減搖效果不理想。為了在保證減搖效果的前提下，盡可能減少系統(tǒng)能量消耗，對內環(huán)的減搖鰭伺服系統(tǒng)和外環(huán)的船舶橫搖控制器兩個方面進行優(yōu)化。在伺服系統(tǒng)方面，應用極小值理論對基于能量指標的最優(yōu)運動規(guī)律進行研究，以確定采用何種驅動方式才能提高升力與能量消耗的比值。理論分析的結果表明，采用合適的驅動方式能夠以較小的能量產生最大的升力，并且可以避免反向升力帶來的不利影響。在船舶橫搖控制器方面，根據海浪的頻譜特性對系統(tǒng)進行擴展，在此基礎上采用隨機最優(yōu)控制