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原文传递船舶零航速减摇鳍及其电动伺服系统研究

论文题名：	船舶零航速减摇鳍及其电动伺服系统研究
关键词：	船舶防摇;零航速;减摇鳍;伺服控制
摘要：	减摇鳍是目前最常用且应用最成功的船舶主动式减摇装置，减摇效果可达90％以上。然而，只有船舶的航速较高时，减摇鳍才可以有效地减摇，船舶在低航速或零航速情况下，减摇鳍几乎不能进行减摇。主要原因是减摇鳍升力的产生源于水流流过鳍的速度。当速度很小时，鳍上的升力也变的很小，在零航速时升力也同时消失了。这是传统减摇鳍的主要缺陷。对于在低航速或系泊状态下仍需要减摇的船舶来说，传统的减摇鳍就不再适用了，于是人们提出了零航速减摇鳍的概念。本文对能使减摇鳍在零航速或低航速条件下产生升力的解决方案进行了研究。文章首先对传统减摇鳍升力产生的机理进行了研究，在此基础上对目前实现零航速减摇存在的问题进行了全面的分析，最终确定需要解决的关键问题是减摇鳍如何在零航速下产生升力。针对这一问题，论文参考了国内外的相关资料并进行了初步论证，最终确定采用Weis-Fogh机构来设计零航速减摇鳍。 Weis-Fogh机构是英国生物学家T.Weis-Fogh通过对一种黄蜂的飞翔运动的观察分析，发现“振翅拍击和挥摆急动”而产生的新机构。由于Weis-Fogh机构产生升力所起作用的是流体惯性力。因此，它能够在零航速下产生升力。根据Weis-Fogh机构的组成和结构特点，论文提出了双翼纵向拍动型、单翼纵向拍动型和单翼横向拍动型三种类型的零航速减摇鳍。为了便于前期阶段的研究，鳍型选取了矩形平板翼。在有航速的情况下，基于Weis-Fogh机构的势流理论得到了Weis-Fogh机构的升力和力矩模型，通过对数学模型的逐步退化推导得到了零航速下双翼纵向拍动型和单翼横向拍动型零航速减摇鳍的升力和力矩模型。基于振动薄翼理论，得到了零航速下单翼纵向拍动型零航速减摇鳍的升力和力矩模型。通过对零航速下升力及力矩表达式的分析得到，决定鳍上升力和力矩大小的两个重要因素是鳍翼的旋转角速度和旋转角加速度。这些因素很大程度上取决于鳍的运动规律，论文在Matlab环境下对双翼纵向拍动型零航速减摇鳍在匀速、匀加速、正弦和余弦等运动规律下的升力和力矩进行了数值仿真分析，得到了四种运动规律下双翼纵向拍动型零航速减摇鳍的升力和力矩特性曲线。并且通过对减摇鳍上各种力矩的分析，得到了一种零航速减摇鳍电伺服系统驱动功率的计算方法，为伺服功率的选取提供了理论依据。在Fluent环境下对具有对称儒可夫斯基翼型的单翼纵向拍动型零航速减摇鳍进行了建模和仿真研究，生动地展现了单翼纵向拍动型零航速减摇鳍工作过程中鳍翼周围流场、启动涡和附着涡的变化过程，仿真结果验证了理论分析的正确性。零航速减摇鳍要以特定规律运动，必需依靠伺服系统的驱动才能实现。升力产生的效果取决于伺服系统的性能，尤其是启动的快速性和运行的稳定性。由于海浪的随机扰动等因素的影响，对电磁转矩的控制成为了伺服控制的关键，最终确定伺服系统的控制方式采用滑模变结构空间矢量直接转矩控制，并建立了系统各部分的数学模型。针对空间矢量直接转矩控制存在的脉动问题，通过引入滑模变结构控制对其进行了改进，提高了系统的稳定性。最后在Matlab/Simulink环境下对双翼纵向拍动型零航速减摇鳍控制系统进行了建模和仿真。仿真结果证明，基于Weis-Fogh的零航速减摇鳍减摇效果明显，三种海况的平均减摇效率达到52.2％，验证了采用Weis-Fogh机构来设计零航速减摇鳍的可行性。
作者：	罗延明
专业：	控制理论与控制工程
导师：	金鸿章
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文