原文传递
采用T型水翼的穿浪双体船姿态控制研究
| 论文题名： | 采用T型水翼的穿浪双体船姿态控制研究 |
| 关键词： | 双体船舶;穿浪航行;纵向运动;姿态控制 |
| 摘要： | 穿浪双体船（Wave Piercing Catamaran，WPC）是高性能船舶的典型代表之一，具有甲板面积宽广，载货能力强，稳定且航速高等优点，在商船、军船等方面应用日益增多。但是在高速航行时，穿浪双体船纵摇和垂荡运动剧烈，船舶耐波性变差，对货物存放和器械维修带来一定困难，同时甲板上浪，埋首现象时有发生，晕船现象加重，降低了乘客舒适度，对航行带来巨大安全隐患。因此，在保证穿浪双体船高航速的前提下，对船舶稳定性、耐波性等综合性能提出了更高的要求。本文针对穿浪双体船的纵向运动特性选取T型水翼作为控制装置，然后选取合适的控制算法对船舶控制系统进行设计，实现对穿浪双体船的姿态控制。 本文首先综述国内外资料，对穿浪双体船和船舶综合姿态控制系统的国内外发展进行分析研究，对T型水翼、纵倾调整尾板和船尾拦截器等减摇装置的优缺点、安装位置和工作原理等进行对比分析，最后确定T型水翼作为本研究所采用的控制装置。其次，建立船体坐标系，根据穿浪双体船结构特点忽略横摇运动的影响，对其纵摇和垂荡二自由度耦合运动进行建模，研究了模型中参数的求解方法；根据切片理论，通过Seakeeper软件获取水动力系数；根据线性理论将不同振幅、不同频率的规则波叠加在一起，得到作用于船体的不规则海浪干扰输入；研究静态T型水翼不同攻角对船舶的减摇作用。第三，对T型水翼的翼型、展弦比、翼面积、立柱长度以及在船体的安装位置等进行了优化设计；通过仿真，确定T型水翼的升力系数曲线；基于静态T型水翼对船舶的减摇作用，建立驱动襟翼摆动的液压系统模型，确定泵控液压缸和电液伺服阀的相关参数。结果显示，在PID控制下T型水翼液压随动系统在外界干扰的作用下仍具有较高的控制精度和较强的鲁棒性。第四，选用控制作用良好的模型预测控制器（Model Predictive Control， MPC），对该控制器的工作原理进行介绍；建立基于液压驱动的预测模型，将预测模型进行离散化，验证了终端加权阵P是存在的，系统总体是稳定的；通过MATLAB中专门的MPC工具箱进对控制器进行设计。最后，在MATLAB中搭建仿真模型，调节MPC控制参数实现了基于泵控液压系统的穿浪双体船的姿态控制，有效的改善了船体的耐波性。仿真结果显示，穿浪双体船垂荡减小29.87％，纵摇减小63.32%，晕船率较裸船晕降低了15%，有效的改善了船体的运动情况，验证了控制方法的有效性。 |
| 作者： | 油兴田 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 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： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
检索历史
应用推荐
