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原文传递船舶在波浪中操纵及其控制系统研究

论文题名：	船舶在波浪中操纵及其控制系统研究
关键词：	船舶操纵性;船舶性能;数值仿真;控制系统;波浪载荷;波浪力计算
摘要：	贸易的繁荣推动了航运业的发展，各条航线也因此变得日益繁忙，由此引发的船舶操纵性问题也开始越来越引起人们的关注。尤其是波浪中船舶的操纵性，一直都是船舶性能研究者们重点关注的课题。本文循着船舶操纵性的基本理论、基本方法，在操纵性的数值仿真研究和试验研究这两个方面开展了颇多有意义的创新工作。　　波浪中的操纵性研究目前有两种比较典型的方法，分别是Kijima和Hamamoto两种方法。前者考虑了横摇对水动力导数的影响及一阶、二阶波浪力，但没有考虑运动间的耦合，不便于考察尾追浪，尾斜浪中强非线性的船舶运动；后者全面计算了六自由度运动，考虑了各向运动间的耦合，能模拟船舶在波浪中的横甩、骑浪和倾覆现象，但是忽略了波浪二阶力以及波浪作用对水动力导数的影响。本文在Hamamoto的研究基础上做了以下创新工作：第一，精确计算了一阶波浪载荷；第二，使用波浪力数据库方法考虑了二阶波浪漂流力；第三，将控制力直接加入到MMG模型中，对比研究了PID和自适应控制在波浪中斜航试验的控制效果；第四，开发引进了先进的自航模试验设备，进行了波浪中的回转实验；第五，在自航模实验设备的基础上开发了减摇鳍试验装置的硬件系统。　　本文模型仿真部分是以MMG模型为基础，通过在模型中添加相应波浪力计算模块和舵的控制模块研究了波浪中的操纵运动仿真。一阶波浪载荷通过自编程序实现。计算时程序能实时计算船体湿表面，在此基础上进行波浪线性一阶动压力积分求解。非线性波浪载荷通过商用软件HydroSTAR中的二阶慢漂力计算模块进行计算，并封装成小型数据库，供主计算程序实时调取。船舶运动控制方案使用的是变参数的PID控制和自适应控制。这两个程序模块都被直接加入到MMG模型中进行了波浪中的斜航仿真，并使用统计分析的方法比较了这两种控制方案的特点。　　船舶在波浪中操纵性的试验研究工作主要集中在试验装置的开发和拓展、试验验证这两个方向。本文首先详细阐述的是新型自航模装置的组成原理、关键技术，给出了静水中回转试验结果，Z型试验的结果。并与仿真结果作了对比。该试验系统还被用于其他的常规操纵性试验，如回舵、停车、螺线试验等。最后进行了波浪中的回转试验。相关的试验条件和结果在本文中均详细给出。　　在该自航模系统的基础上，作者还应用FPGA技术开发了一套自航模用减摇鳍试验装置的硬件部分。控制系统使用QuartusII软件进行开发，底层硬件控制程序通过VHDL语言开发。在此基础上，作者还通过ProtelDXP软件绘制了PCB的设计图，并加工出试验样板。硬件系统在开发完毕后进行了相关的调试和试验。验证了该装置的性能。　　最后，本研究综合波浪中船舶运动仿真和PID控制、自适应控制的结果，详细提出了波浪中船舶操纵控制的仿真方法，建立了较完整的船舶在波浪中操纵运动控制的研究体系。为波浪中操纵及船体运动主动控制的进一步研究奠定了基础。
作者：	伍绍博
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	马宁
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文