基于模型预测静态规划的高速多体船减纵摇控制

为解决在海浪扰动下高速多体船的垂向稳定性变差问题,提出一种基于模型预测静态规划的减纵摇控制方法。考虑高速多体船模型不确定性、海浪噪声不符合高斯白噪声分布特点,根据噪声信息和误差信息设计平滑变结构滤波器,在线估计多体船的升沉速度、纵摇角速度,并将其引入到减摇控制中。在此基础上,基于模型预测静态规划提出多体船的减摇控制,采用终端偏差修正的求解方式,迭代更新控制输入,降低计算复杂度。最后,仿真实验表明了所提方法能有效抑制过大的升沉和纵摇运动幅度,以及减摇控制计算负荷小的优越性。

基于增量预测控制的高速多体船垂向运动稳定研究

为了增强高速多体船对海浪扰动的抑制能力,减少垂向运动幅度,提出基于增量预测控制的垂向运动稳定方案。该方案在建立高速多体船的垂向耦合运动模型基础上,分析随机海浪扰动的频域和时域特性,基于积分扰动模型估计海浪扰动力和力矩。为减少海浪平均扰动力和扰动力矩对垂向运动的影响,将垂向运动模型转化为增量模型,作为预测控制的预测模型;同时,把升沉和纵摇的幅度和变化率引入目标函数中,采用滚动优化策略获得多体船的垂向运动预测控制律,分析闭环系统稳定性。仿真结果表明,所提的增量预测控制有效减小升沉和纵摇波动变化率和幅度,升沉位移减少59%,纵摇角减少47%。

多体船型完整稳性计算

多体船的设计概念是通过采用大长宽比的主船体来有效减小兴波阻力 ,而由此带来的稳性损失由两侧片体来弥补 .采用静力学方法对多体船横倾状态下的受力情况进行分析 ,建立了多体船完整稳性的计算模型 .以一多体船方案为例进行完整稳性计算 ,分析了侧体跨距、排水量等参数对静稳性臂的影响以及静稳性曲线的特征 ,并对不同形式多体船的稳性特征进行了比较 .分析显示 ,多体船的横稳性主要受到侧体的排水量和横向位置的影响 。

多体船形状因子1＋k确定方法

针对确定多体船形状因子(1+k)的方法具有争议性的问题,采用CFD叠模计算确定双体和三体等多体船形状因子的方法。用CFD叠模方法计算了某单体散货船以及多体船在不同航速下的船体形状因子(1+k),并分析随航速的变化规律,结果表明单体船通过叠模数值计算结果与ITTC建议的低速模型试验结果基本吻合,而多体船其所得结果存在一定差异。经分析得知基于CFD叠模计算确定单体船形状因子(1+k)方法具有可行性,采用CFD叠模计算船体形状因子更能体现多体船形状因子随航速变化的实际情况,也表明CFD叠模计算船体形状因子(1+k)的方法可能更适用于多体船型。

单元柯钦函数精确积分的多体船兴波阻力计算

为计算多体船兴波阻力,改进了Michell线性薄船兴波阻力数值计算方法.以改进的蝶形插值细分曲面方法表达船型,采用船体曲面法向量表示源强,结合三角单元上柯钦函数精确积分解析表达式求解多体船兴波阻力.对2条双体船和2条三体船兴波阻力进行了数值计算,通过计算结果与模型试验结果比较,验证了计算方法的有效性以及计算结果准确性.插值型细分曲面船型构造结合三角单元上柯钦函数精确积分的兴波阻力表达式有利于提高兴波阻力计算精度,且便于发展为船型减阻优化工程设计方法.

一种高速多体船的有限时间减纵摇控制方法

针对高速多体船在航行中纵摇和升沉运动幅度过大的问题,提出一种有限时间减纵摇控制方法.建立由T形翼和压浪板作为减摇附体的多体船垂向控制模型,并通过数学变换将其转化为解耦的纵摇和升沉的控制模型,简化多变量控制设计的复杂性.设计有限时间扩张观测器在线估计纵摇和升沉运动的时变耦合项,并进行实时补偿控制.在此基础上,针对解耦的纵摇和升沉的运动模型,提出有限时间反馈控制律,提高系统的减摇性能和抑制干扰能力.将设计的反馈控制和补偿控制进行综合得出虚拟控制量,再通过减摇附体控制分配矩阵获得T形翼和压浪板的攻角,并证明闭环系统的稳定性.通过数字仿真验证所提算法的有效性,升沉减少20%~35%,纵摇减少40%~50%.

基于Michell理论的多体船阻力计算

利用Michell线性兴波理论,从单体船的波谱函数出发推广到多体船,推导了多体船兴波阻力计算公式,并将计算结果与试验结果进行了比较,计算兴波阻力结果可以反映试验趋势,有效马力比较接近于试验结果,可以为多体船的方案优选提供依据。

高速多体船的解析预测控制减纵摇方法

为减少高速多体船的升沉和纵摇变化幅度,提高船体垂向运动平稳性,提出一种解析预测控制的减纵摇方法。建立T型翼和压浪板作为减摇附体的多体船垂向运动模型,分析升沉和纵摇运动的强耦合性和参数不确定性。定义有限时域的连续预测控制目标函数和终端等式约束,基于带有误差反馈校正的1阶欧拉模型预测升沉和纵摇运动状态,以提高预测模型精度和减摇控制性能。采用数值积分和最优二次序列规划理论获得多体船减摇的解析预测控制律,避免传统预测控制在线优化的复杂性,通过Lyapunov理论证明闭环系统的一致有界性。给出解析预测控制方法与广义预测控制等其他方法的减摇性能仿真对比,通过实验验证了新方法的有效性。

参数化设计在多体船最优船型设计的应用

相对于传统的单体船,多体船具有更好的波浪耐受性和稳定性,具有非常广阔的应用前景。与此同时,多体船的船型设计相对于单体船更加复杂,设计参数更多。为了提高多体船的船型设计效率,本文基于参数化设计技术,对多体船的最优船型设计进行研究,建立了多体船的数学模型,并结合NURBS样条曲线和CATIA进行了多体船的最优船型设计。

多体船型破舱稳性比较分析

多体船的设计概念是通过采用大长宽比的主船体来有效减小兴波阻力,而由此带来的稳性损失由侧体来弥补.文章以一多体船方案为例进行破舱稳性计算,分析了多体船侧体参数对多体船破舱稳性的影响,并比较分析了在相同破损状况下三体船与五体船的破舱稳性.分析显示,侧体中心与主船体中心的横距越大,侧体中心离主船体中心的纵距越小,其破舱稳性就越好.

穿浪多体船运动性能研究

在穿浪双体船基础上，加装半潜体或带被动式减纵摇鳍的半潜体使其成为消波穿浪多体船，航行性能大大提高。半潜体不仅对耐渡性能有利，对静水阻力和船体结构强度都有利。试验表明半潜体使经济航速阻力减小18～23％，设计航速阻力减小5～7％。耐渡性综合指标比穿浪双体船有提高，特别是纵探明显减小。

多体船——未来高速新船型

国外正在研究开发一种全新的高速船型——多体船,本文根据文献资料总结了这种船型的特点,介绍了各种用途的高速多体船设计方案。

方尾边界条件在高速多体船兴波阻力计算中的应用

将一种由典型的方尾流动物理模型(水流沿方尾下缘切向脱体)导出的数值方尾边界条件应用于高速多体船兴波问题计算。兴波波形与兴波阻力的数值计算采用基于非均匀有理B样条的广义高阶面元法,所得到的高速双体船算例与高速三体船算例的计算结果合理。

基于FLUENT的多体船阻力研究

基于FLUENT软件对小水线面多体船舶进行了阻力特性研究。首先将计算得到小水线面双体船的粘性阻力与用经验公式估算得到的阻力进行比较,发现两者吻合较好;然后将小水线面双体船、三体船、四体船的阻力及流场分布进行比较,得到多体船的阻力特征;最后将静水中小水线面四体船的数值解与文献中的实验值进行比较,发现应用FLUENT软件计算小水线面四体船的阻力是可行的,验证了用FLUENT软件和相关参数设置计算小水线面多体船型阻力的正确性。

多体船在波浪中的运动响应及片体间兴波干扰研究

以Wigley船型作为基准模型,建立单体船、双体船、三体船和五体船等多体船的计算模型,对比分析了单体船、双体船、三体船、五体船的水动力特性,并分析了双体船片体间的兴波干扰作用和双片体对纵摇和垂荡运动的影响。综合来看,单体船在迎浪航行时有良好的耐波性,双体船虽然在迎浪时可能会遭遇横跨湿甲板波浪的砰击,但总体来看耐波性一般也良好。三体船型由于侧体安装位置靠后,因此极易发生埋艏现象。五体船型的耐波性在4种船型中较优,其在波浪中的纵摇与垂向运动响应最不剧烈,但五体船主体和各侧体之间较差的兴波能力仍会给总阻力等带来不利影响。

考虑附体输入约束的高速多体船预测控制减纵摇方法

[目的]针对高速多体船的升沉和纵摇运动幅度过大,以及减摇附体有着严格输入约束问题,提出一种基于扩展卡尔曼状态估计的预测控制减纵摇方法。[方法]建立由T型翼和压浪板作为减摇附体的多体船垂向控制模型,分析升沉/纵摇运动的耦合性以及模型的不确定性。为了获取减纵摇控制信号,将海浪有色干扰白化处理,构建扩展的多体船状态估计模型,采用自适应卡尔曼滤波器在线估计多体船的升沉速度和纵摇角速度。在此基础上,提出有输入约束的预测控制减纵摇算法,定义系统实际状态值与预测值之间的误差,获得带有线性变化误差校正的预测状态模型;通过误差反馈校正提高减纵摇控制鲁棒性,并将减纵摇控制问题转化为有输入约束的二次规划问题,通过数值解法实现预测控制滚动优化求解。[结果]仿真结果表明,在考虑反馈校正的预测控制作用下,船体升沉位移减少约40%,纵摇角减少约50%。[结论]采用反馈校正的预测控制提高了减纵摇系统的控制精度和鲁棒性,在实际工程中具有重要意义。

多体船推进系统设计初探

简要介绍多体船推进系统的特点,提出了多体船推进系统设计的几个方案.着重强调了电力推进在多体船推进中的优越性,并通过某五体船电力推进系统的设计说明了该方案的可行性.最后,提出了多体船推进系统设计中几个值得关注的问题.

高性能多体船发展趋势分析

一、引言 进入新世纪，人类对海洋资源的开发又到了一个崭新的阶段，船舶在载货载客的能力上也向着高和快发展，而船舶的生产作业也需要适应瞬息万变的海况，甚至是极端天气下的海况。这就对船舶的装载能力，抗风浪能力与船舶航行安全性提出了更高的要求。不仅如此，在维持大载重吨位，较高航速以及安全性的前提下，还要对航行的舒适性和燃油消耗的经济型做足够的考虑。此外，在军事装备发展领域，高机动性，隐身性能以及航行时舰员所处环境的舒适性也被日益被关注。

一种高速多体船的纵向减摇预测控制方法

针对高速多体船在航行中纵摇和升沉运动幅度过大,以及减摇附体有严格的输入约束问题,提出一种有限时间观测器和单步预测控制相结合的纵向减摇方法.首先,建立由T型水翼和压浪板作为减摇附体的高速多体船控制模型,分析升沉运动和纵摇运动的耦合性,将控制模型分解为降维的单入单出模型和耦合量2项.其次,设计有限时间扩张观测器在线快速估计纵摇和升沉运动的时变耦合项,实时前馈补偿.在此基础上,针对补偿后的纵摇及升沉的运动模型,提出局部单步预测控制以提高系统的减摇性能,保证减摇附体满足约束.最后,将反馈预测控制量和补偿耦合量进行综合,通过减摇附体制分配矩阵得到T型水翼和压浪板的攻角.通过仿真验证该算法的有效性,结果表明升沉减少40%~50%,纵摇减少50%~65%.

无速度观测的高速多体船鲁棒减纵摇控制

针对高速多体船的垂向运动幅度过大、以及升沉速度和纵摇角速度不能直接测量的问题,提出无速度观测的鲁棒减纵摇控制方法。建立由T型翼和压浪板作为减摇附体的多体船垂向耦合模型,仅利用升沉位移和纵摇角信息构建稳定的升沉和纵摇误差2阶动态系统,实现对多体船的减纵摇控制,避免在线观测升沉速度和纵摇角速度。根据区域极点配置理论设计控制器参数,从而保证减摇控制的动态性能。在此基础上,设计非线性减摇控制律,进一步增强算法的抑制海浪的能力,并基于Lyapunov理论给出一致有界分析。数字仿真验证结果表明,所提算法是有效的。