【摘要】：船在海上航行時(shí),由于受到海洋環(huán)境擾動(dòng),不斷產(chǎn)生六自由度隨機(jī)運(yùn)動(dòng),其中以橫搖尤為顯著。劇烈的橫搖嚴(yán)重影響船的適航性、貨物的安全性和乘員的舒適度,并降低艦載武器的發(fā)射精度。為此,科研人員研制了多種減橫搖裝置,而減搖鰭是迄今推廣應(yīng)用最為成功的主動(dòng)式減橫搖裝置,理論減搖效果可達(dá)90%以上,但由于自身和外界制約因素較多,導(dǎo)致實(shí)際工程應(yīng)用中很難達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。首先研究減搖鰭系統(tǒng)特性,從減搖原理入手,分析制約減搖鰭的關(guān)鍵因素。減搖所需控制力矩主要取決于動(dòng)態(tài)升力,可分為升力產(chǎn)生、升力檢測和升力控制。本文基于常規(guī)減搖鰭系統(tǒng)改進(jìn),主要研究升力檢測和升力控制。通過分析外界干擾模型和理論橫搖模型在實(shí)際工程中的簡化應(yīng)用,指出系統(tǒng)存在的主要問題:系統(tǒng)反饋不準(zhǔn)確和控制策略適用性不佳。針對(duì)反饋問題,分析常規(guī)鰭角反饋折算升力偏差過大的原因,通過水動(dòng)力仿真,分析工程中用鰭的機(jī)械角近似代替有效攻角而忽視理論攻角、流速角和附加角的影響。對(duì)于控制問題,分析了常規(guī)PID控制不能滿足對(duì)升力的實(shí)時(shí)控制要求,以及其他控制律應(yīng)用時(shí)忽視實(shí)際系統(tǒng)存在客觀約束的前提。因此需要采用動(dòng)態(tài)升力檢測改進(jìn)系統(tǒng)反饋方式,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)適用的控制律,提升減搖鰭的整體性能。由于鰭所處海洋環(huán)境復(fù)雜多變,加之要考慮實(shí)際應(yīng)用中傳感器的安裝、維護(hù)和檢修等問題,導(dǎo)致直接檢測鰭上動(dòng)態(tài)升力異常困難。因此升力檢測技術(shù)成為亟待解決的難點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)。通過分析鰭軸結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn),建立帶有外懸臂的雙點(diǎn)簡支組合梁模型。在繼承常規(guī)減搖鰭可靠性的前提下,給出上軸承負(fù)荷的升力檢測法,設(shè)計(jì)特殊的軸承安裝座和傳感器,從動(dòng)態(tài)水動(dòng)力中直接分解出升力,避免繁瑣運(yùn)算和存在偏差問題。其后改進(jìn)美國Sperry中空式鰭軸結(jié)構(gòu),同時(shí)提出新的傳感器安裝方式和測量要點(diǎn)。為降低鰭軸加工和裝配難度,設(shè)計(jì)去除軸芯的激光測距式升力檢測方法。運(yùn)用鐵摩辛柯梁理論對(duì)鰭軸形變的撓度和轉(zhuǎn)角進(jìn)行分析,進(jìn)而建立鰭上升力和鰭軸位移之間的定量關(guān)系。為降低升力檢測難度,分析影響鰭軸形變的因素,并以某型裝船減搖鰭相關(guān)參數(shù)為例進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和有限元仿真,驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。針對(duì)單一傳感器檢測時(shí)信號(hào)容易受到干擾問題,需要進(jìn)行濾波處理。由于各傳感器互不影響,可應(yīng)用融合濾波技術(shù)處理多傳感器信號(hào),使其相互補(bǔ)充和印證,解決單一傳感器的不足。為防止融合濾波帶來時(shí)滯,設(shè)計(jì)序貫結(jié)構(gòu)的融合濾波算法加快速度。首先對(duì)性質(zhì)相同的升力信號(hào)進(jìn)行融合濾波,但序貫結(jié)構(gòu)的狀態(tài)方程和性能指標(biāo)不一致,會(huì)導(dǎo)致基于Kalman濾波難以直接應(yīng)用于升力信號(hào)融合濾波問題。為此證明具有序貫結(jié)構(gòu)和集中結(jié)構(gòu)的信號(hào)融合濾波算法的等價(jià)性,從而保證濾波過程的靈活性與實(shí)時(shí)性。通過對(duì)不同信號(hào)的計(jì)算比較處理,去除故障或異常信號(hào)。為提高融合信號(hào)的可靠性,通常采用無偏估計(jì)法,而由于融合的可靠性與方差成反比,所以若能降低無偏方差可以提高可靠性。為此采用嶺估計(jì)進(jìn)行處理,嶺估計(jì)的可靠性取決于方差和偏差的綜合,通過調(diào)整偏參數(shù)改變方差。在相同數(shù)量傳感器時(shí),相比無偏估計(jì)可進(jìn)一步提高融合的可靠性。在升力檢測和多傳感器信號(hào)融合的基礎(chǔ)上,給出減搖鰭控制系統(tǒng)改進(jìn)原則。對(duì)動(dòng)態(tài)升力反饋和鰭角反饋適用情況進(jìn)行了分析,鑒于實(shí)際工程應(yīng)用中,無論何種反饋均存在不足,難以滿足多種情況及系統(tǒng)可靠性要求。因而改進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)具有動(dòng)態(tài)升力反饋的減搖鰭控制系統(tǒng)。分析適合不同反饋的切換情況,同時(shí)構(gòu)成冗余反饋,提高減搖鰭運(yùn)行的可靠性。在實(shí)際工程應(yīng)用中,為防止減搖鰭動(dòng)態(tài)失速和確保高海況時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安全,需要對(duì)鰭角和升力進(jìn)行限位約束;變化劇烈的外界干擾、自身非線性模型和執(zhí)行機(jī)構(gòu)限位等控制問題,導(dǎo)致常規(guī)PID控制策略難以滿足減搖鰭對(duì)動(dòng)態(tài)升力的有效控制,為此設(shè)計(jì)適用的模塊化控制器。針對(duì)升力輸入控制量范圍受到限制,設(shè)計(jì)基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償;而針對(duì)外界干擾和自身非線性因素影響,設(shè)計(jì)非線性干擾觀測器模塊削弱廣義干擾;并設(shè)計(jì)模糊滑�？刂撇呗�,改善常規(guī)控制方法只針對(duì)特定情況有效的問題。通過對(duì)不同反饋方式的仿真對(duì)比,驗(yàn)證控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的可行性,并對(duì)不同遭遇角、航速和海況等情況進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了控制策略設(shè)計(jì)的有效性。
【圖文】：

圖 1.1 美國 Sperry 的升力測量方案Fig 1.1 Lift measurements for American Sperry) 英國 ROLLS-ROYCE 十字軸體法國 ROLLS-ROYCE 科研機(jī)構(gòu)通過在收放式減搖鰭的十字軸體內(nèi)安裝形變軸體的形變量折算鰭上的實(shí)際升力，并為其申請(qǐng)了專利[25]，，其具體結(jié)構(gòu)如

1-十字型軸安裝座；2-軸；3-船；4-鰭；5-壓力傳感器；6-固定底座；7-壓變體；8-導(dǎo)線圖 1.2 ROLLS-ROYCE 的升力測量方案Fig 1.2 Lift measurements for ROLLS-ROYCE該方案對(duì)常規(guī)減搖鰭的結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小，容易實(shí)現(xiàn)。但只適用于收放式減搖鰭，對(duì)固定式減搖鰭沒有提出解決辦法，另外，即使是針對(duì)收放式減搖鰭，不同型號(hào)的十字軸體
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U664.72

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2626600