基于被动式PD控制策略的“双水舱”减摇系统研究

被动可控式U型减摇水舱利用气阀开关控制水舱内液体运动,使之与船舶横摇运动保持π/2相位差。文章针对在随机海浪下水舱被动控制中存在的问题,提出了由两个被动可控式减摇水舱组成的被动可控式双水舱减摇系统,文中对双水舱系统的数学模型及系统设计方法进行了研究,并提出利用不同的船舶横摇信号分别控制两个水舱内液体流动的被控式PD控制策略。以高速滚装船为例,对双水舱系统进行了计算机仿真,仿真结果表明被动可控式双水舱系统在更宽的海浪干扰频率范围内具有更好的减摇效果。

利用双水舱减摇系统预防船舶参数横摇研究

在研究船舶参数横摇的产生原因和发生条件的基础上,结合减摇水舱对于船舶的作用效果研究,根据参数横摇的特点,提出利用由两个不同结构的被动式U型减摇水舱组成的双水舱系统来避免船舶参数横摇的发生。在所建立的船舶—双水舱系统模型的基础上,介绍双水舱系统的设计方法,并以一艘集装箱船为例,仿真研究在参数横摇发生条件下双水舱系统对参数横摇的影响。同时还对双水舱系统在船舶正常航行时的减摇效果进行仿真研究。

基于气阀控制的频率自适应减摇水舱系统研究

文章在建立减摇水舱内气体和液体两相流动的运动模型基础上,研究了水舱顶部气体连通道的横截面积大小与水舱内液体振荡参数之间的关系,通过调节截面开口控制水舱内液体运动固有频率,使之与船舶横摇频率相适应.分别利用被动式PD控制和模糊控制实现气阀开关式和气阀开口连续式两种调频策略.仿真研究表明,两种调频策略均使可控被动式水舱的有效减摇范围拓宽,并在不同的频率范围内有各自的优势.

可控被动式减摇水舱随机控制策略研究

在"船舶-可控被动式减摇水舱"系统数学模型基础上,根据安装减摇水舱的船舶在随机海浪作用下的横摇运动特点,利用成型滤波器以及在线辨识方法对"船舶-可控被动式减摇水舱"系统横摇运动进行预报,并利用预报信息以及实时测量信号对减摇水舱内液体进行控制,实现船舶横摇运动与水舱内液体运动的相位控制,使减摇水舱在不同航态以及不同海情下均有较好的减摇效果.

基于GPC的气控被动式减摇水舱研究

在建立减摇水舱内气体和液体两相流动的运动模型基础上,研究了水舱顶部气体连通道的截面面积大小与水舱内液体振荡参数之间的关系。利用广义预测控制(Generalized Predictive Control,GPC)对水舱内液体运动参数进行在线滚动寻优计算,并通过调节截面开口大小实现参数的调节,以此控制水舱内液体的流动,使之与船舶横摇运动相适应,对抗外部海浪干扰。仿真研究表明,与传统的开关式气阀控制策略相比,新的控制策略可以明显提高被动可控式减摇水舱的减摇效果,在较宽的频率范围内对船舶进行有效减摇。

零航速减摇鳍改进自适应神经元控制

针对零航速减摇鳍系统使常规PID控制方法难以获得满意的减摇效果这一问题,研究了一种改进自适应单神经元控制器,在不增加神经元结构复杂性的同时,提高了其非线性处理能力.为降低对零航速减摇鳍驱动伺服系统功率的要求,借助最优控制中的二次型指标思想,对神经元参数进行在线自适应调整,实现了对驱动功率的间接约束.证明了在该控制方法下系统的Lyapunov稳定性,并在不同海情下与常规PID控制方法进行模拟比较,展示出该方法解决零航速减摇鳍输入非线性控制的优越性。

零航速下变鳍型减摇鳍升力模型研究

升力数值的大小直接影响零航速下船舶减摇效果。为产生足够升力实现船舶在零航速下的有效减摇,提出了基于变形鳍的零航速减摇鳍设计方法。基于势流理论和旋涡作用力理论对变鳍型减摇鳍在零航速下升力进行分析,给出了升力解析表达式。通过计算流体力学软件Fluent对变鳍型减摇鳍进行升力数值计算。最后将Fluent计算结果与解析表达式结果对比,升力值基本吻合,验证了该种升力分析方法的正确性,为零航速下减摇鳍的设计提供了理论支持。

低舵速下具有能量优化的舵鳍联合减摇研究

针对目前舵/鳍联合减横摇系统对舵机转舵速度要求较高等问题,研究了一种在现有舵机低舵速条件下的舵/鳍联合减摇方法,可避免频繁操舵造成的舵机加剧磨损、燃料过度消耗等缺陷。依据操舵准则,在线修正原航向舵、减摇鳍指令,在允许的航向偏差范围内,达到舵/鳍联合减摇的目的。通过对船舶航行阻力、能量损耗的分析,应用遗传算法对舵/鳍联合控制中的关键因子进行优化。最后在不同海情下与原舵、鳍系统进行模拟比较,验证了该方法的有效性。与其它舵/鳍联合系统不同,该方法无需对现有舵机、鳍系统进行改造或更换,具有较好的应用价值。

小攻角下驼背鲸减摇鳍的理论计算

通过应用仿驼背鲸前缘突起来提高船用翼的水动力特性已是目前非常热门的话题,为验证前缘突起的高度和突起个数与升力的关系,选用哈尔滨工程大学船舶控制工程教育部工程研究中心在船模水池实验室所做的减摇鳍动态水动力性能实验用的标准NACA0015 4号矩形鳍为研究对象,对其前缘进行正弦波变形,建立数学模型,并应用普朗特升力线性理论和切比雪夫数值逼近法,得出了前缘突起个数对升力的影响不大而突起幅值对升力有显著的决定性作用的结论。

全航速减摇鳍鳍型优化设计

在零、低航速和中、高航速工作模式下升力产生的机理相异,因此减摇鳍在两种模式下应用时对鳍型的要求不同,一些主要设计参数相互矛盾,造成全航速应用的减摇鳍鳍型设计和面积选择较为困难。通过分析鳍轴位置、展弦比、翼梢形状对零、低,中、高航速工作模式下鳍上综合水动力的影响,提出合理的鳍型参数和面积需求。为解决零、低航速下升力较小对鳍面积需求过大的矛盾,对鳍的变形技术进行研究,并对主要的变形技术进行了试验验证。给出了适合全航速应用的鳍型参数。

零航速减摇鳍鳍型参数估算方法

零航速减摇鳍具有双重工作模式,不同生力机理使其流体动力特性存在本质差异,从而导致二者对鳍型参数要求截然不同,为满足零航速模式需求,零航速减摇鳍大多选用小展弦比鳍型,但亦给常规减摇模式带来诸多不利影响。通过分析展弦比、翼梢形状等因素,从双模式对鳍型参数的实际要求出发,应用线性系统理论、对抗控制原理,提出适用于零航速减摇鳍的尺寸参数估算及综合评定方法,得出不可收放式零航速减摇鳍的最佳展弦比范围,为工程化设计提供了必要的理论依据。

仿驼背鲸减摇鳍升力数值计算

驼背鲸鳍的前缘突出部有利于鳍上的升力提升。提出了一种模仿驼背鲸前鳍的减摇鳍,这种鳍型的前缘有正弦形的突出部。借助计算流体力学软件FLUENT,对这种模仿驼背鲸前鳍的新型鳍型进行了数值模拟流场计算,并与相同几何尺寸的标准NACA0015减摇鳍所测得的水池实验数据进行了对比,发现采用了前缘有圆形突出部设计的新型减摇鳍在相同条件下能提供更多的升力。对升力的增加机理进行了简要的分析。

全航速升力反馈减摇鳍控制策略研究

提出全航速减摇鳍控制策略,对低航速和中航速切换策略进行研究.采用升力反馈封装鳍角到升力的不确定性,避免在零航速和低航速下复杂的控制规律;同时,基于T-S模型将横摇非线性不确定系统转化为线性时变系统,并将控制中的约束非线性优化问题转化为二次规划问题,避免了预测控制中的非线性优化在线求解.以某船为例,给出了低中航速的切换控制策略,仿真结果表明了该方法可以使减摇鳍满足全航速减摇要求.

零航速仿生减摇鳍水动力模型改进

原有的零航速减摇鳍水动力建模采用单一的解析方法,忽略了减摇鳍的厚度、物理形状等对水动力模型的影响,同时,旋涡作用力的分析也较为粗糙,不但导致所建立的模型中含有较多的待定参数,而且造成模型与真实情况存在较大差距。针对这一问题,采用数值与解析相结合的分析方法,对零航速减摇鳍动态水动力模型及原有的建模方法进行改进与完善,力求使改进后的模型更加准确、细致,且不失工程实用性。将理论计算值与FLUENT仿真数据进行比较,展示了改进模型及建模方法的优越性。

零航速减摇鳍驱动模型与最优控制

为优化零航速减摇鳍鳍型和设计转鳍伺服系统,应用高等流体力学理论,建立了转鳍驱动力矩与功率模型.针对驱动伺服系统存在的输入饱和、功率约束等问题,以所建模型为基础,运用直接配置非线性规划法将多约束条件下的零航速减摇鳍最优控制问题转化为相应的非线性规划问题,应用序列二次规划算法对该问题求解.横摇衰减仿真试验证明了该方法的有效性.