欠驅(qū)動(dòng)水面船舶縱向運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、近幾十年來，海上高速船舶在民用和軍用領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用。縱觀國內(nèi)外船舶研究領(lǐng)域，絕大多數(shù)的水面船舶只安裝了前進(jìn)方向的推進(jìn)器，例如螺旋槳和噴水推進(jìn)裝置，而船舶的轉(zhuǎn)向裝置以舵為主，從而實(shí)現(xiàn)船舶在水面三自由度的航行，這種控制變量少于自由度的系統(tǒng)自然屬于欠驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在水面船舶中大量存在，使得欠驅(qū)動(dòng)船舶問題的研究顯得尤為重要?；型ё鳛楹Ｉ细咚偻У囊环N，在高速航行中受到縱搖的影響尤為劇烈，縱向運(yùn)動(dòng)對(duì)于船體的航行性能和安全性能造成很

2、大威脅，因此本文以滑行艇作為切入點(diǎn)展開研究。本論文開展的研究工作分為以下幾個(gè)方面:
　　首先，本文對(duì)課題的研究背景和相關(guān)理論的研究進(jìn)展、所存在的問題及論文的整體思路進(jìn)行簡(jiǎn)略闡述。定義了欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及欠驅(qū)動(dòng)控制對(duì)于船舶控制具有的理論和實(shí)際應(yīng)用的重要意義，指出了欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的難點(diǎn)和所需要解決的問題。結(jié)合國內(nèi)外欠驅(qū)動(dòng)船舶的研究現(xiàn)狀，做出了概括和總結(jié)。之后，針對(duì)國內(nèi)外船舶縱向運(yùn)動(dòng)研究的現(xiàn)狀進(jìn)行了概括和分析。最后，針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)船舶縱向運(yùn)動(dòng)控

3、制存在的問題，給出了本論文的研究思路，提出了一種通過周期變推力抑制滑行艇縱向運(yùn)動(dòng)的控制策略。
　　針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)船舶縱向運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，通過忽略橫搖、橫蕩和艏搖，對(duì)欠驅(qū)動(dòng)船舶六自由度模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。針對(duì)船舶的動(dòng)力學(xué)特性給出了水動(dòng)力和水動(dòng)力矩的方程及其變換公式，得到了滑行艇的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程，并對(duì)滑行艇的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，明確了各項(xiàng)動(dòng)力系數(shù)的物理意義及表達(dá)式。上述建模工作的完成，為后續(xù)的研究工作打下了基礎(chǔ)。
　　此后，給出了高速

4、船舶縱向與垂向相互耦合的方程表達(dá)式，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和現(xiàn)有的船體實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)化并求解出艦船的回復(fù)系數(shù)、阻尼系數(shù)、附加質(zhì)量等參數(shù)。本文利用Routh-Hurwitz穩(wěn)定性判據(jù)，對(duì)高速艇的縱搖-垂蕩耦合方程進(jìn)行推導(dǎo)，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行判定，判定結(jié)果能夠指導(dǎo)高速艇在穩(wěn)定區(qū)域航行。利用Matlab中的GUI編程構(gòu)建一個(gè)窗口界面，用戶在該界面輸入例如船寬、船長(zhǎng)、重心縱向位置等參數(shù)，通過仿真能夠得到一系列相關(guān)曲線，各組曲線揭示并驗(yàn)證了航速、重心縱向位置、長(zhǎng)寬

5、浸濕比等參數(shù)對(duì)高速船舶縱向運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律。上述規(guī)律對(duì)于后續(xù)章節(jié)的控制方法應(yīng)用工作的開展提供了理論指導(dǎo)。
　　之后，本文提出并論述了周期變推力減縱搖的原理:即利用海豚運(yùn)動(dòng)的周期性，在恒定推力的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)變化的推力，抑制縱搖和垂蕩的變化。通過開環(huán)仿真試驗(yàn)，能夠觀察到周期變推力是如何影響高速艇在運(yùn)行中的縱向運(yùn)動(dòng)和航行速度，并對(duì)此總結(jié)出規(guī)律。由于周期變推力會(huì)改變高速船舶的縱搖和航速，固定的推力周期會(huì)在之后的航行中同船舶的縱搖周期產(chǎn)生交

6、錯(cuò)，反而起到增搖的反效果，因此有必要通過閉環(huán)控制，將縱搖信息（縱搖角度、縱搖角速度等）進(jìn)行反饋，使變推力的周期隨著縱搖響應(yīng)周期的變化而變化，使變推力的幅值隨著縱搖幅度的減小而減小，最終達(dá)到期望的穩(wěn)定航行狀態(tài)，而與此同時(shí)，并不會(huì)降低航速，影響船舶的高速運(yùn)行性能。最后，通過引入柴油機(jī)伺服系統(tǒng)，將周期變推力控制轉(zhuǎn)化為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制，通過仿真驗(yàn)證了變推力減縱搖在理論上的可操作性。
　　本論文的研究成果具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和潛在的工程應(yīng)用前景