發(fā)布時間：2020-04-13 23:50

【摘要】：船在海上航行時,由于受到海洋環(huán)境擾動,不斷產(chǎn)生六自由度隨機運動,其中以橫搖尤為顯著。劇烈的橫搖嚴重影響船的適航性、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)用最為成功的主動式減橫搖裝置,理論減搖效果可達90%以上,但由于自身和外界制約因素較多,導(dǎo)致實際工程應(yīng)用中很難達到預(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,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)反饋不準確和控制策略適用性不佳。針對反饋問題,分析常規(guī)鰭角反饋折算升力偏差過大的原因,通過水動力仿真,分析工程中用鰭的機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。對于控制問題,分析了常規(guī)PID控制不能滿足對升力的實時控制要求,以及其他控制律應(yīng)用時忽視實際系統(tǒng)存在客觀約束的前提。因此需要采用動態(tài)升力檢測改進系統(tǒng)反饋方式,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計適用的控制律,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,加之要考慮實際應(yīng)用中傳感器的安裝、維護和檢修等問題,導(dǎo)致直接檢測鰭上動態(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和創(chuàng)新點。通過分析鰭軸結(jié)構(gòu)和受力特點,建立帶有外懸臂的雙點簡支組合梁模型。在繼承常規(guī)減搖鰭可靠性的前提下,給出上軸承負荷的升力檢測法,設(shè)計特殊的軸承安裝座和傳感器,從動態(tài)水動力中直接分解出升力,避免繁瑣運算和存在偏差問題。其后改進美國Sperry中空式鰭軸結(jié)構(gòu),同時提出新的傳感器安裝方式和測量要點。為降低鰭軸加工和裝配難度,設(shè)計去除軸芯的激光測距式升力檢測方法。運用鐵摩辛柯梁理論對鰭軸形變的撓度和轉(zhuǎn)角進行分析,進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)為例進行數(shù)值計算和有限元仿真,驗證設(shè)計的可行性。針對單一傳感器檢測時信號容易受到干擾問題,需要進行濾波處理。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,使其相互補充和印證,解決單一傳感器的不足。為防止融合濾波帶來時滯,設(shè)計序貫結(jié)構(gòu)的融合濾波算法加快速度。首先對性質(zhì)相同的升力信號進行融合濾波,但序貫結(jié)構(gòu)的狀態(tài)方程和性能指標(biāo)不一致,會導(dǎo)致基于Kalman濾波難以直接應(yīng)用于升力信號融合濾波問題。為此證明具有序貫結(jié)構(gòu)和集中結(jié)構(gòu)的信號融合濾波算法的等價性,從而保證濾波過程的靈活性與實時性。通過對不同信號的計算比較處理,去除故障或異常信號。為提高融合信號的可靠性,通常采用無偏估計法,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。為此采用嶺估計進行處理,嶺估計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,相比無偏估計可進一步提高融合的可靠性。在升力檢測和多傳感器信號融合的基礎(chǔ)上,給出減搖鰭控制系統(tǒng)改進原則。對動態(tài)升力反饋和鰭角反饋適用情況進行了分析,鑒于實際工程應(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。因而改進控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),設(shè)計具有動態(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,同時構(gòu)成冗余反饋,提高減搖鰭運行的可靠性。在實際工程應(yīng)用中,為防止減搖鰭動態(tài)失速和確保高海況時執(zhí)行機構(gòu)安全,需要對鰭角和升力進行限位約束;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動態(tài)升力的有效控制,為此設(shè)計適用的模塊化控制器。針對升力輸入控制量范圍受到限制,設(shè)計基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制模塊進行動態(tài)補償;而針對外界干擾和自身非線性因素影響,設(shè)計非線性干擾觀測器模塊削弱廣義干擾;并設(shè)計模糊滑�？刂撇呗�,改善常規(guī)控制方法只針對特定情況有效的問題。通過對不同反饋方式的仿真對比,驗證控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進的可行性,并對不同遭遇角、航速和海況等情況進行仿真,驗證了控制策略設(shè)計的有效性。
【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際升力，并為其申請了專利[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該方案對常規(guī)減搖鰭的結(jié)構(gòu)改動較小，容易實現(xiàn)。但只適用于收放式減搖鰭，對固定式減搖鰭沒有提出解決辦法，另外，即使是針對收放式減搖鰭，不同型號的十字軸體
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U664.72

【參考文獻】

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本文編號：2626600