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原文传递穿浪艇控制水翼优化及系统设计

论文题名：	穿浪艇控制水翼优化及系统设计
关键词：	穿浪艇;T型水翼;优化设计;船舶舒适性
摘要：	穿浪艇（穿浪双体船，Wave Piercing Catamaran，WPC）是一种新型高速船，它最大的特点就是能适应恶劣海况运输，而且保证高速运行。然而在高速运行，受到海浪干扰时，其耐波性并不很好。如何提高穿浪艇的耐波性和舒适性一直是穿浪艇设计的焦点。而减小穿浪艇的纵摇和垂荡是改善船舶舒适性，减小乘客晕船率的一种有效途径。如果能找到减小穿浪艇纵向运动的解决途径，将对于海上船舶事业有重要意义。论文的研究目的就是根据穿浪艇的模型，优化设计合适的 T型水翼（T-foil）和纵倾调整尾板（简称尾板），然后通过对系统以及控制器进行设计，对控制水翼进行控制，从而实现改善穿浪艇纵向运动情况的目的。本文主要进行以下工作：　　本文首先了解分析了穿浪艇及其综合姿态控制系统的国内外现状，明确研究内容。然后在建立了固定的坐标系及运动坐标系之后，对穿浪艇进行建模研究，针对穿浪艇的结构，准确建立纵摇和垂荡二自由度方程。环境干扰考虑了海浪的干扰。为了保证所建立的模型的精确性，在求解水动力参数的时候采用了切片理论进行求解。之后，分析穿浪艇模型的静态稳定性，保证所建立的模型稳定。　　随后，在确定的穿浪艇模型给定之后，针对精确的穿浪艇模型，采用流体力学仿真软件，进行T型水翼的优化设计，通过分析控制水翼各个主要参数的影响，对参数进行优化。主要参数分别考虑了水翼翼面的选型，T型水翼展弦比的确定，展长和投影面形状的确定。在完成主翼面的基础上，对T型水翼的支柱面和支柱长度进行分析，同时考虑了安装T型水翼的位置。完成T型水翼的设计之后，通过计算T型水翼的力和力矩，分析了所优化的T型水翼和穿浪艇的适配性。同时也给出了纵倾调整尾板的参数及其提供的升力和力矩。　　最后，在完整的穿浪艇状态空间模型的基础上，基于LabVIEW平台给出了整个系统硬件和软件的设计方案。针对被控对象的非线性，分别设计了模型预测控制器(MPC)和LQG控制器。MPC控制器的好处就在于它不注重模型的内部机理，对模型精确性要求不高，而且在设计控制器的时候可以考虑对输入输出有约束的模型。模型预测控制可以通过将设置的参考轨迹与在线校正的值对比，然后进行滚动优化，得到控制输出和预测模型，同时校正的值是预测模型给出的，这样一个闭环结构保证良好的控制效果。最后通过比较裸船，加固定水翼的船体，加 LQG控制器和加 MPC控制器的船体晕船率（MSI）的结果，验证了控制水翼安装的必要性，同时也说明了控制器设计可以对穿浪艇的纵向运动起到改善的作用。
作者：	李双林
专业：	控制理论与控制工程
导师：	梁利华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文