详情

原文传递舰（船）载直升机平台升沉补偿系统的试验研究

论文题名：	舰（船）载直升机平台升沉补偿系统的试验研究
关键词：	直升机;平台;升沉补偿;补偿系统;控制策略;船舶运动;模型试验;非线性;设计;液压缸;协调控制;问题;试验研究;反馈控制;补偿精度;波浪运动;预报;起降;方案;力反馈
摘要：	舰(船)载直升机的用途很大，但起降的危险性也很大。为了安全，舰(船)载直升机在海况大于3级、舰船横摇超过±5。、纵摇超过±2。、直升机相对舰船的速度超过3m/s、风速大于15m/s时就不飞不训。据美国安全中心统计，舰载直升机的事故大约是轰炸机飞行员的10倍，民航飞行员的50倍，美海军1963年至1983年间共有300架直升机堕于大海，死亡380人，其中起降事故约占5成。我国民航系统在1997年的前20年，有限的直升机水上作业训练就发生了8起堕海事故，死亡人数占机组人员总数86％。为了解决舰(船)载直升机起降的安全性问题，本文拟构造一个具有波浪运动补偿功能的直升机平台。该平台通过液压缸与船体相连，系统工作时平台升高至甲板上方，通过各液压缸对船舶甲板各对应点的垂向位移进行补偿，从而达到总体效果上的船舶波浪运动(横摇、纵摇、升沉)补偿，使所构建的直升机平台的运动幅值较船舶大幅度降低，最终实现直升机在较高海况下仍能安全起降的目的。本研究思路对于排水量较小的船舶，将具有特别重要的意义。因为在相同海况下与大吨位的船舶相比，其直升机甲板的运动幅度将更大，直升机起降的风险也更大。目前的技术是通过控制整艘船舶的运动来减小其6个自由度的运动幅值，该措施的效果是有限的，且船舶越小效果越差。因此，本研究构建具有波浪运动补偿功能的稳定平台系统，该系统直接控制直升机平台的运动，与控制整艘船舶的运动相比，直升机平台只是船舶的一部分，一般来说，局部的控制在质量及效率上易于实现且优于总体，预计无论在控制平台运动响应的有效性、还是控制效率上，本研究都是较优的方案。本文采用理论研究、计算机仿真和模型试验相结合的研究方法。解决的关键问题包括：船舶运动数据的获取、升沉补偿系统的方案设计、升沉补偿系统智能控制器的设计、多液压缸运动步调的协调、船舶极短期运动预报以及解决升沉补偿系统的非线性、大滞后等问题。首先，论文进行了船舶升沉信号采集系统的设计，通过去噪、滤波、积分变换、畸变纠正等合理算法的设计，消除了加速度信号积分带来的误差累积问题；并利用各种滤波参数的合理配合，实现了信号的相位补偿；采取非线性标定方法，实现了系统测量范围内的非线性补偿。接着，采用电液比例技术对舰(船)载直升机平台升沉补偿系统进行了方案设计，并建立了其试验模型。为了进行理论分析和满足仿真的需要，论文建立了升沉补偿试验系统的数学模型，并进行了仿真试验研究。仿真结果表明，舰(船)载直升机平台升沉补偿系统是一个大惯量系统，其存在着环节多、非线性、参数时变、回路间耦合以及大滞后等不利因素；因此，该系统控制器的设计和控制策略的选取是至关重要的。为了提高升沉补偿系统的补偿精度，其控制器采用了前馈和反馈相结合的复合控制形式，其中包括混合型模糊PID控制、位移协调控制、力反馈控制和前馈控制。由于采用了前馈和反馈相结合的控制方法，使系统响应加快，补偿精度增加：位移协调控制策略的引入，限制了各液压缸运动步调不一致所造成的矛盾力的产生：力反馈控制策略则有利于系统振荡的衰减和力的协调。最后，论文进行了模型试验研究，其中包括船舶模型试验、船舶运动模拟试验、升沉补偿试验、船舶运动预报试验。在船舶模型试验中，得到了船模在不同波浪参数下的运动响应数据，为后续研究打下了基础。而船舶运动模拟试验表明，船舶运动模拟系统能有效地模拟船舶的升沉、摇摆运动。升沉补偿试验则验证了包括混合型模糊PID控制、位移协调控制、力反馈控制和前馈控制的复合控制策略的有效性，能在很大程度上解决系统的非线性、多环节、作用力相互耦合以及大滞后等问题。船舶运动预报试验验证了AR模型在船舶运动极短期预报中的可行性。在结合船舶运动预报技术的基础上，本文提出了升沉补偿系统的预测控制方案。试验结果表明，该方法能有效地解决舰(船)载直升机平台升沉补偿系统的滞后问题，是提高系统补偿精度的另一思路。通过升沉补偿系统的试验研究，证明了舰(船)载直升机平台升沉补偿方案的可行性，并为实际的舰(船)载直升机平台升沉补偿系统的设计和制造提供了很好的参考依据。
作者：	陈远明
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	叶家玮
授予学位：	博士
授予学位单位：	华南理工大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文