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原文传递一种船舶减摇陀螺参数优化方法

专利名称：	一种船舶减摇陀螺参数优化方法
摘要：	一种船舶减摇陀螺参数优化方法，步骤是：一是根据船舶结构基本参数与横摇运动基本参数，建立横摇运动数学模型，根据单框架控制力矩陀螺力矩平衡方程，建立陀螺与船舶联合运动数学模型，分别计算减摇陀螺不工作与工作时船舶横摇角的标准偏差值，建立船舶减摇陀螺减摇率的表达式；二是综合考虑减摇陀螺减摇率、占地面积、整体质量以及电机驱动能耗选定目标函数，根据船舶舱室的安装空间大小、电力系统供应功率以及阻尼器加工工艺难度给定参数的约束条件，构建船舶减摇陀螺参数优化模型；三是将原始减摇陀螺参数作为初始值，通过最值求解优化算法对船舶减摇陀螺参数优化模型进行求解，获得减摇陀螺最优参数值。本方法能有效提高减摇陀螺的减摇效果。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	江苏科技大学
发明人：	苏世杰;钱育辰;丁晓阳;唐文献;丁郁华;祝圆圆;陈赟;张建
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-14T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-21T00:00:00+0800
申请号：	CN201910194405.6
公开号：	CN109774855A
代理机构：	南京经纬专利商标代理有限公司
代理人：	楼高潮
分类号：	B63B9/08(2006.01);B;B63;B63B;B63B9
申请人地址：	212003 江苏省镇江市梦溪路2号
主权项：	1.一种船舶减摇陀螺参数优化方法，其特征是，包括如下步骤： (1)根据船舶结构基本参数与船舶横摇运动基本参数，建立船舶横摇运动数学模型，再根据单框架控制力矩陀螺力矩平衡方程，建立陀螺与船舶联合运动数学模型，分别计算减摇陀螺不工作与工作时船舶横摇角的标准偏差值，进而建立船舶减摇陀螺减摇率的表达式； (2)综合考虑减摇陀螺减摇率、占地面积、整体质量以及电机驱动能耗选定目标函数，根据船舶舱室的可安装空间大小、电力系统可供应功率以及阻尼器加工工艺难度给定参数的约束条件，进而构建船舶减摇陀螺参数优化模型； (3)将原始减摇陀螺参数作为初始值，通过最值求解优化算法对船舶减摇陀螺参数优化模型进行求解，进而获得减摇陀螺最优参数值。 2.根据权利要求1所述的船舶减摇陀螺参数优化方法，其特征是，步骤(1)的具体内容和方法步骤是： (a)计算减摇陀螺不工作时船舶横摇角φb的标准偏差值设船体自身转动惯量为Iφφ，附加质量转动惯量为Jφφ，船舶自身阻尼恢复系数为c1、c3，船舶自身恢复力矩系数为k1、k3、k5，船舶的排水量为D，船舶的横稳性高为h，波浪模型方程为α(t)，则建立船舶横摇数学模型为：式中φb为船舶横摇角；令则将上式转化为一阶微分方程组初值问题：式中：对该微分方程在时间t上进行微分方程求解，得如下数值格式：其中h表示为时间t的迭代步长，k表示为迭代次数，则得减摇陀螺不工作时船舶横摇角随φb时间t变换的表达式： φbk＝φb(k-1)+hxk 减摇陀螺不工作时船舶横摇角φb的标准偏差S(φb)为：式中N为在时间t内的取样次数，i∈N，为船舶横摇角φb的平均值； (b)计算减摇陀螺工作时船舶横摇角φa的标准偏差值船体自身转动惯量为Iφφ，附加质量转动惯量为Jφφ，船舶自身阻尼恢复系数为c1、c3，船舶自身恢复力矩系数为k1、k3、k5，船舶的排水量为D，船舶的横稳性高为h，波浪模型方程为α(t)，则建立减摇陀螺与船舶联合数学模型为：式中：，φb为船舶横摇角，β为减摇陀螺进动角，R为减摇陀螺转子半径，L为减摇陀螺转子厚度，ω为转子转速，M为减摇陀螺进动方向的阻尼系数；令则将上式转化为一阶微分方程组初值问题：式中： f1(t,φa(t),x(t),β(t),y(t))＝-c1x(t)-c3x(t)3-k1φa(t)-k3φa(t)3-k5φa(t)5-h0y(t)cos(β(t))/(Iφφ+Jφφ)+Dhα(t)/(Iφφ+Jφφ) f2(t,x(t),β(t),y(t))＝h0x(t)cos(β(t))/J-My(t)/J 对该微分方程在时间t上进行微分方程求解，可得如下数值格式：其中h表示为时间t的迭代步长，k表示为迭代次数，则得减摇陀螺工作时船舶横摇角随φa时间t变换的表达式： φak＝φa(k-1)+hxk 减摇陀螺工作时船舶横摇角φa的标准偏差S(φa)为；式中N为在时间t内的取样次数，i∈N，为船舶横摇角φa的平均值； (c)建立船舶减摇陀螺减摇率的表达式船舶减摇陀螺减摇率为：减摇率： 3.根据权利要求1所述的船舶减摇陀螺参数优化方法，其特征是，步骤(2)的具体内容和方法步骤是： (a)选定目标函数根据船舶自身结构与运动参数、舱室可安装空间、动力驱动系统供电功率、材料结构强度等关键因素提出评价指标，包含减摇率TT、减摇陀螺占地面积πR2、减摇陀螺整体质量ρπR2L、减摇陀螺驱动电机转动能耗ω、减摇陀螺进动阻尼系数M等，综合表示为： min Z(x1,x2,...,xi,...,xn) 其中xi∈(R,L,M,ω,TT，…) (b)给定约束条件根据船舶舱室的可安装空间大小，给出减摇陀螺转子的尺寸约束条件。假设船舶舱室的可安装空间尺寸为h长×h宽×h高，则陀螺转子的半径R以及厚度L需满足以下约束条件：根据船舶电力系统可供应功率，给出电机转速的约束条件；假设可供应功率为P船，由于其中P为额定功率，T为额定转矩，则电机转速需满足以下约束条件：根据进动阻尼器加工工艺难度，考虑阻尼器工作时散热及强度等问题，给出阻尼器阻尼系数的约束条件，表示为：Z低≤M≤Z高，其中Z低与Z高需根据具体阻尼器大小给出具体值；对上述步骤(1)求出的减摇陀螺减摇率TT同样提出约束要求： TT≥a(0≤a≤1) 则约束条件总结为： (c)构建船舶减摇陀螺参数优化模型根据上述的目标函数以及约束条件，建立船舶减摇陀螺参数优化模型： 4.根据权利要求1所述的船舶减摇陀螺参数优化方法，其特征是，步骤(3)的具体内容和方法步骤是： (a)首先将原始减摇陀螺参数R,L,M,ω作为初始值； (b)将上述初始值带入到船舶减摇陀螺减摇率公式中进行计算，计算出该组参数下的优化目标函数值； (c)考虑船舶减摇陀螺参数优化模型中的目标函数minZ(x1,x2,...,xi,...,xn)以及约束条件通过优化算法，在优化参数的约束条件内不断调整带入计算的各优化参数的数值，求解优化目标函数值； (d)最终获得满足约束条件与目标函数要求的最优参数。 5.根据权利要求3所述的船舶减摇陀螺参数优化方法，其特征是，步骤(c)所述的构建船舶减摇陀螺参数优化模型还包括构建减摇率最高的船舶减摇陀螺参数优化模型，具体内容和方法是：要求减摇率最高，则取目标函数为： min Z(1-TT) 考虑到船舶舱室可用安装空间、船舶电力系统可供电功率、阻尼器设计要求限制以及减摇率要求等问题给出约束条件。则约束条件表示为：建立减摇率最高的船舶减摇陀螺参数优化模型： 6.根据权利要求3所述的船舶减摇陀螺参数优化方法，其特征是，步骤(c)所述的构建船舶减摇陀螺参数优化模型还包括构建转子质量最小的船舶减摇陀螺参数优化模型，具体内容和方法是：当减摇率满足设定要求时，陀螺转子的质量最小，则目标函数为： min Z(ρπR2L) 式ρ中表示密度，依据转子材料而定；考虑船舶舱室可用安装空间、船舶电力系统可供电功率、阻尼器设计要求限制以及减摇率要求等问题给出约束条件，则约束条件表示为：则建立转子质量最小的船舶减摇陀螺参数优化模型： 7.根据权利要求3所述的船舶减摇陀螺参数优化方法，其特征是，步骤(c)所述的构建船舶减摇陀螺参数优化模型还包括构建转子直径最小的船舶减摇陀螺参数优化模型，具体内容和方法是：考虑船舶的空间有限，希望减摇陀螺的占地面积较小，对比减摇陀螺的基本结构可知转子的直径对减摇陀螺整体尺寸影响最大，故目标函数设为减摇陀螺的直径最小： min Z(2R) 考虑船舶舱室可用安装空间、船舶电力系统可供电功率、阻尼器设计要求限制、减摇率要求以及转子直径与厚度关系等问题给出约束条件，则约束条件表示为：则建立转子直径最小的船舶减摇陀螺参数优化模型：
所属类别：	发明专利