【摘要】：船舶模擬器以其安全、經(jīng)濟(jì)和高效等原因,在艦船設(shè)備的研制和船舶工作人員的訓(xùn)練等方面應(yīng)用非常廣泛。船舶運(yùn)動(dòng)模擬機(jī)構(gòu),作為船舶模擬器的重要組成部分,負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)的真實(shí)感。船舶運(yùn)動(dòng)模擬機(jī)構(gòu)相關(guān)技術(shù)的研究,多數(shù)基于規(guī)則的船舶搖蕩軌跡進(jìn)行,而在真實(shí)的海洋環(huán)境中,由于波浪的隨機(jī)性,船舶的搖蕩軌跡是不規(guī)則的。本文以船舶運(yùn)動(dòng)模擬機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象,在其模擬軌跡的生成、數(shù)學(xué)模型的建立和控制器的設(shè)計(jì)等方面展開研究,旨在通過控制船舶運(yùn)動(dòng)模擬機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶不規(guī)則搖蕩軌跡的模擬,使設(shè)備的模擬運(yùn)動(dòng)更具真實(shí)感,從而提高設(shè)備的仿真能力以適應(yīng)各種工況需求。首先,提出了船舶運(yùn)動(dòng)模擬機(jī)構(gòu)的6自由度不規(guī)則模擬軌跡的生成方案。該方案以海況參數(shù)、船舶參數(shù)以及船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為模擬工況條件,利用剛體的空間動(dòng)力學(xué)理論建立描述船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程,引入基于譜分析方法的不規(guī)則波浪作用下的船舶受力表達(dá)式,通過Runge-Kutta方法對(duì)方程求解得到船舶的搖蕩軌跡,并將其轉(zhuǎn)化成為機(jī)構(gòu)的目標(biāo)位姿軌跡。其次,應(yīng)用并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置反解分析方法,將機(jī)構(gòu)的目標(biāo)位姿軌跡轉(zhuǎn)化為閥控缸的目標(biāo)位移軌跡,描述系統(tǒng)的輸入關(guān)系。采用粒子群算法與三階Newton-Raphson迭代法相結(jié)合的方式提出機(jī)構(gòu)正解的數(shù)值解法,描述系統(tǒng)的輸出關(guān)系。逐步對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析、加速度分析和動(dòng)力學(xué)分析,并基于虛功原理建立機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程。依據(jù)此方程對(duì)傳統(tǒng)的閥控缸的負(fù)載與力平衡方程進(jìn)行修正,并對(duì)6個(gè)通道進(jìn)行綜合,得到該方程的等效質(zhì)量矩陣、等效粘性矩陣及等效重力干擾,并結(jié)合液壓缸流量連續(xù)性方程、閥的流量方程以及各電氣元件的數(shù)學(xué)模型,建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式模型以完整地描述系統(tǒng)“輸入-狀態(tài)-輸出”的過程。再次,針對(duì)系統(tǒng)多輸入多輸出的特點(diǎn),從控制器的結(jié)構(gòu)、算法及整定方法三個(gè)方面分析系統(tǒng)的控制策略。參數(shù)整定方面,應(yīng)用以系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)為適應(yīng)度函數(shù)的差分進(jìn)化算法基于模型仿真對(duì)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。通過仿真分析對(duì)比了PI(比例積分)控制器和FOPI(分?jǐn)?shù)階比例積分)控制器的性能,說明了同步性的影響,提出了基于峰值時(shí)間的同步性指標(biāo)對(duì)差分進(jìn)化算法的適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行了修正。最后,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正,并基于實(shí)驗(yàn)分析并行控制結(jié)構(gòu)FOPI和相鄰交叉耦合控制結(jié)構(gòu)FOPI的性能,針對(duì)系統(tǒng)的不確定性,在FOPI的基礎(chǔ)上增加Fuzzy調(diào)節(jié)器,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性,并通過機(jī)構(gòu)6自由度搖蕩實(shí)驗(yàn)證明了Fuzzy-FOPI的控制性能。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U664.82
【圖文】：

舶在不規(guī)則波浪作用下的搖蕩運(yùn)動(dòng)軌跡。獲得搖蕩軌跡的方法主要有軌跡測試、水池實(shí)驗(yàn)測試和理論計(jì)算。由于實(shí)際條件限制，本文采用法獲得船舶搖蕩軌跡。首先對(duì)船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述，定理及動(dòng)量矩定理，推導(dǎo)船舶運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)合不規(guī)則波浪的計(jì)算波浪力及波浪力矩，并利用 Runge-Kutta 方法對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)微分方程到船舶搖蕩軌跡，并轉(zhuǎn)化為機(jī)構(gòu)的模擬軌跡。從而，為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控標(biāo)。舶搖蕩運(yùn)動(dòng)的描述船舶運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的建立分析船舶運(yùn)動(dòng)的過程中，可以將船舶視為剛體[104]。為了描述船舶在水動(dòng)，通常需要建立兩種笛卡爾坐標(biāo)系，即固定坐標(biāo)系和隨船坐標(biāo)系，如

)——單元波能量分布密度(m2·s)；——單元波波幅(m)�！l率區(qū)間長度(rad/s)。密度函數(shù)是單元波波頻 ω 的函數(shù)，表示波浪的能量相對(duì)于波總結(jié)海洋狀況觀測數(shù)據(jù)得到的，由于觀測海域以及假設(shè)條件公式有很多形式，其中比較典型的有 Newman 波譜、Piers際拖曳水池會(huì)議(International Towing Tank Conference 簡稱雙參數(shù)譜等，本文采用第十五屆國際拖曳水池會(huì)議推薦的雙即 21 34 5 4 41 1173691exphST T 波浪的特征周期，h1/3為波浪的有義浪高，兩者可由具體海況(2-26)，可以計(jì)算得到 1~5 級(jí)海況下的波浪能譜密度函數(shù)，如

圖 2-3 遭遇角Fig.2-3 Wave encounter angle作用下的船舶受力鳳[110]提出的波浪力計(jì)算方法，將船舶近似為箱度、dmc表示船舶吃水，ρ0表示海水密度，則波-37)計(jì)算，為0sin sin22 sin cos 2sin2i mccik dcai c mc i ciBkLg e B d k Bk 0sin cos22 sin sin 2cos2i mccik dcai c mc i ciLkBg e L d k Lk

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2768683