高性能U型減搖水艙系統(tǒng)設(shè)計與控制方法研究.pdf

1、減搖水艙作為一種全航速減搖裝置，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、兼顧抗靜傾功能等優(yōu)點而應(yīng)用廣泛?？煽乇粍邮経型減搖水艙由兩個巨大蓄水艙室組成，兩個艙室底部由連通水道連接，頂部由連通氣道連接，其產(chǎn)生減搖力矩的能量來自于船舶橫搖運動本身，依靠船舶的橫搖帶動水艙內(nèi)液體運動，利用少量能量調(diào)節(jié)水艙氣體連通道或液體連通道閥門來控制液體運動與船舶運動之間的相位關(guān)系，以此達到減搖的目的。
　　 本課題來源于哈爾濱工程大學(xué)“211”工程重點建設(shè)項目-

2、-“船舶控制工程”，對可控被動式U型減搖水艙的相關(guān)理論問題、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法以及控制策略進行了深入的分析與研究。
　　 論文首先分析了減搖水艙內(nèi)流體運動規(guī)律以及液體振蕩運動時作用在船舶六自由度運動方向上的力和力矩，介紹“船舶-減搖水艙”系統(tǒng)在船舶橫搖運動方向上的數(shù)學(xué)模型建立方法，并對安裝一個減搖水艙的“船舶-單水艙”系統(tǒng)模型進行擴展，建立船舶安裝兩個減搖水艙時的“船舶-雙水艙”系統(tǒng)動力學(xué)模型。在模型基礎(chǔ)上，分別在線性和非線性條件

3、下，研究單水艙減搖系統(tǒng)和雙水艙減搖系統(tǒng)對船舶橫搖運動的影響。
　　 深入研究減搖水艙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。船舶運動系統(tǒng)存在隨機性、非線性以及不確定性問題，傳統(tǒng)的減搖水艙設(shè)計方法是在線性條件下進行的，當船舶受到較大干擾而出現(xiàn)大幅橫搖時，本身減搖效果有限的減搖水艙會因船舶運動系統(tǒng)中非線性因素的影響而導(dǎo)致減搖效率更低。本文針對船舶運動中的非線性和不確定性問題，將現(xiàn)代控制理論中魯棒設(shè)計思想結(jié)合到水艙系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，提出減搖水艙系統(tǒng)設(shè)計的

4、魯棒性能優(yōu)化指標，并結(jié)合優(yōu)化指標介紹了單水艙減搖系統(tǒng)和雙水艙減搖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計方法。仿真結(jié)果表明，新的設(shè)計方法行之有效，在非線性條件下，減搖效果好于常規(guī)方法設(shè)計出的減搖水艙；結(jié)果還表明，雙水艙減搖系統(tǒng)比單水艙減搖系統(tǒng)具有更寬的減搖范圍，且在船舶橫穩(wěn)心高發(fā)生攝動時，雙水艙減搖系統(tǒng)的減搖效果要好于單水艙減搖系統(tǒng)。
　　 研究討論了利用水艙頂部氣體連通道氣閥全開和氣閥全閉形式控制的可控被動減搖水艙的控制方法。通過對可壓縮氣體狀態(tài)

5、方程的推導(dǎo)，從理論上證明利用氣閥的開關(guān)可有效延長水艙內(nèi)液體振蕩的周期。針對傳統(tǒng)控制方式所存在的水艙內(nèi)液體流動相位滯后問題，提出可控被動式減搖水艙的被動式PD控制策略，仿真實驗證明，這種控制方式下的減搖水艙可使水艙內(nèi)液體運動與船舶橫搖運動保持期望的相位關(guān)系，從而提高水艙的減搖效果。
　　 對利用氣閥開度控制水艙液體運動的控制方式進行研究，利用可壓縮氣體狀態(tài)方程和水艙內(nèi)流體運動方程研究氣閥開口對水艙內(nèi)液體振蕩運動的影響，利用辨識技術(shù)