零-低航速減搖鰭升力模型及系統(tǒng)控制策略研究.pdf

1、船舶在海上行駛過程中由于受到海浪、海風(fēng)和海流等各種海洋擾動的作用,不可避免的要產(chǎn)生六自由度運動,即橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、垂蕩和縱蕩運動。在同種海洋干擾環(huán)境下,船舶的橫搖運動較為劇烈,嚴(yán)重影響船載設(shè)備的正常運行、船舶乘員的舒適度和船載貨物的安全性。傳統(tǒng)減搖鰭是目前最常用且應(yīng)用最成功的船舶主動式減橫搖裝置,減搖效果可達(dá)90％以上。由工作原理所限,只有當(dāng)船舶處于中高航速時,傳統(tǒng)減搖鰭才可以有效地減搖,在低航速或零航速情況下,傳統(tǒng)減搖鰭幾乎不

2、能進(jìn)行減搖。現(xiàn)有的減搖設(shè)備中,只有減搖水艙的減搖效果不受航速影響,但是減搖水艙體積較大,而且只是在諧搖頻率的附近才能取得較好的減搖效果,在某些情況下甚至?xí)霈F(xiàn)增搖的現(xiàn)象。為實現(xiàn)船舶在全航速下的有效減搖,有些船舶采用同時安裝減搖鰭和減搖水艙兩種減搖設(shè)備。采用兩套減搖設(shè)備雖然能取得良好的減搖效果但經(jīng)濟效益欠佳。本文以設(shè)計一種具有零航速、低航速和中高航速三種工作模式的全航速減搖鰭系統(tǒng)為前提,通過工作模式的轉(zhuǎn)變實現(xiàn)在減搖鰭控制下船舶全航速航行狀

3、態(tài)下的有效減搖。中高航速減搖鰭系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟,本文將重點從零/低航速減搖鰭升力模型和系統(tǒng)控制策略兩方面對零/低航速減搖鰭系統(tǒng)進(jìn)行研究。
　　 本課題來源于國家自然科學(xué)基金項目“零速下船舶仿生減搖鰭升力機理的研究(50575048)”和“基于變形仿生減搖鰭的水面機器人的減搖機理研究(50879012)”。主要研究零/低航速下減搖鰭基本工作模式、基于此工作模式的零/低航速減搖鰭升力產(chǎn)生機理,以及零/低航速下減搖鰭系統(tǒng)控制策略。

4、r>　　 論文首先從零/低航速減搖鰭系統(tǒng)安裝方式和工作原理的角度對零/低航速減搖鰭系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。介紹了基于Weis-Fogh機構(gòu)零航速減搖鰭系統(tǒng)、基于縱向拍動工作模式零航速減搖鰭系統(tǒng)、基于變形鰭技術(shù)零航速減搖鰭系統(tǒng)和基于縱向拍動工作模式低航速減搖鰭系統(tǒng)四種減搖鰭系統(tǒng)的安裝方式和工作原理。
　　 分析并得到零/低航速下減搖鰭升力模型是零/低航速減搖鰭系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵,從系統(tǒng)實現(xiàn)和減搖效果的角度出發(fā),本文將重點對基于縱向拍動

5、工作模式零航速減搖鰭系統(tǒng)、基于變形鰭技術(shù)零航速減搖鰭系統(tǒng)和基于縱向拍動工作模式低航速減搖鰭系統(tǒng)進(jìn)行研究。依據(jù)流體力學(xué)理論對基于縱向拍動工作模式的固定翼型零航速減搖鰭升力模型、基于變形鰭技術(shù)零航速減搖鰭和低航速減搖鰭升力模型進(jìn)行分析。針對減搖鰭的實際工作環(huán)境,我們將減搖鰭在流體中轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的升力分為理想流體環(huán)境和非理想流體環(huán)境兩部分分別進(jìn)行分析。在理想流體環(huán)境下我們通過一系列保角變換、運動變換求得鰭面在理想流體中轉(zhuǎn)動時引起的流場復(fù)勢,然后

6、采用伯拉休斯定理,分析得到理想流體中鰭面轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生升力數(shù)學(xué)模型。在非理想流體環(huán)境下,由于流體存在粘性,因此鰭面在轉(zhuǎn)動的過程中勢必會在鰭面產(chǎn)生旋渦,旋渦會在鰭面兩側(cè)產(chǎn)生壓力差,產(chǎn)生阻礙鰭面轉(zhuǎn)動的阻力,從而影響鰭面轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的升力。由于鰭面在轉(zhuǎn)動時引起的旋渦變化復(fù)雜,從工程應(yīng)用的角度出發(fā),在對鰭面旋渦作用力進(jìn)行分析時,我們忽略鰭面厚度,采用相對簡化的旋渦模型分析得到鰭面在非理想流體中轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的升力數(shù)學(xué)模型。
　　 由于船舶的航行情

7、況及裝載情況并非固定不變,這就使得船舶橫搖運動模型存在一定的時變性。通過分析我們得到的零/低航速減搖鰭升力模型都存在一定的非線性特性,這就使得零/低航速減搖鰭系統(tǒng)具有一定的非線性和時變特性。由于支持向量機具有良好的小樣本辨識能力,因此我們采用基于支持向量機在線辨識的前饋逆控制器設(shè)計方法來解決系統(tǒng)的非線性特性和時變特性。支持向量機辨識是一種無誤差反饋辨識,因此支持向量機對系統(tǒng)的辨識有可能存在一定的不足,這將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性,同時當(dāng)

8、系統(tǒng)模型突然發(fā)生變化時支持向量機也需要一定的時間對系統(tǒng)進(jìn)行辨識。為解決因支持向量機辨識不足和系統(tǒng)模型突變引起的系統(tǒng)控制不足的問題,我們引入了基于支持向量機和模糊控制相結(jié)合的復(fù)合控制策略,通過模糊控制器保證支持向量機辨識過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性。定義一個協(xié)調(diào)因子,根據(jù)系統(tǒng)運行效果調(diào)整兩種控制策略所占的比重,根據(jù)協(xié)調(diào)因子的數(shù)值決定支持向量機是否需要重新對系統(tǒng)進(jìn)行辨識和系統(tǒng)辨識是否充分。該控制結(jié)構(gòu)既具有支持向量機逆控制設(shè)計簡單、穩(wěn)態(tài)精度高的

9、優(yōu)點,同時結(jié)合模糊控制響應(yīng)快速,抗干擾能力強,魯棒性好的優(yōu)勢,既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性又保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性。
　　 采用本文分析得到的零/低航速減搖鰭升力模型搭建船舶零/低航速減搖鰭系統(tǒng)模型,依據(jù)本文提出的控制策略對系統(tǒng)進(jìn)行控制器設(shè)計,并對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真顯示三種減搖鰭系統(tǒng)均取得了良好的減搖效果,證明了本文設(shè)計的零/低航速減搖鰭系統(tǒng)的有效性。由于零航速減搖鰭升力容量有限,隨著海情的增加兩種零航速減搖鰭系統(tǒng)減搖效果有所下降,與零航速