零航速减摇鳍升力模型及控制系统研究

论文摘要

近年来,人们对船舶横摇稳定性的要求越来越高,既要求在航行中减摇,也要求在停泊或漂流状态下减摇,尤其是大型游艇、具有舰载武器的军用舰船、科考船以及其它一些进行海上作业的特种船舶。一直以来,减摇水舱是船舶在零航速下减摇的唯一选择,但是减摇水舱的整体减摇效果并不是很理想,仅有50%左右,而减摇鳍虽然在高航速下的减摇效果非常理想,但是在低航速和零航速情况下几乎无法减摇。对于既要求中、高航速下减摇也要求零航速下减摇的舰船来说,就需要同时安装两种减摇系统,中、高航速下使用减摇鳍减摇,低航速和零航速时用减摇水舱减摇。虽然这种方法优点很明显,但这就意味着需要设计和维护两套系统,不但增加了成本,而且会占用更多的船舶内部空间。如果减摇鳍可以在低航速和零航速下进行减摇,就可以只设计和维护一套系统,而且不会占用更多的内部空间。它的优点是很明显的,因此研究零航速下减摇鳍升力产生的原理并建立升力模型是很重要的。本文根据零航速下减摇鳍的运动方式,通过势流理论和旋涡作用力理论对零航速下减摇鳍在非定常流中的受力情况进行分析,给出了减摇鳍在非定常流中围绕鳍轴做往复运动是产生升力的解析表达式。利用计算流体力学软件Fluent对减摇鳍在非定常流中按正弦规律运动时产生的升力进行分析。根据实验数据通过回归分析方法,确定升力模型中的未知参数。针对零航速减摇鳍升力模型的非线性特性和船舶横摇模型的不确定性,设计了基于神经网络的PID控制器。对船舶在几种海情下的横摇运动进行了系统仿真,并与传统PID控制结果对比。结果显示基于神经网络PID控制器对系统的非线性和系统不确定性具有较强的自适应性。而且在同等减摇效果下神经网络PID控制下减摇鳍的运动幅度要比传统PID控制下减摇鳍的运动幅度要小,鉴于零航速减摇鳍工作时能量完全有随动系统提供,在不影响减摇效果的前提下尽可能的减小驱动功率对伺服系统的设计是非常有利的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源、目的和意义
• 1.2 舰船减摇装置的发展状况
• 1.2.1 舭龙骨
• 1.2.2 减摇水舱
• 1.2.3 普通减摇鳍
• 1.2.4 零航速减摇鳍
• 1.3 基于神经网络的PID智能控制
• 1.3.1 单神经元PID控制
• 1.3.2 基于BP网络的PID控制器
• 1.3.3 PID-NN神经网络控制器
• 1.4 本课题的内容及工作
• 第2章 零航速减摇鳍减摇原理
• 2.1 船舶横摇运动数学模型
• 2.2 传统减摇鳍的减摇原理
• 2.3 零航速减摇鳍的减摇原理
• 2.3.1 基于划桨原理的零航速减摇鳍工作原理
• 2.3.2 基于Weis-Fogh机构的零航速减摇鳍工作原理
• 2.3.3 单翼拍动零航速减摇鳍工作原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 零航速减摇鳍升力模型研究
• 3.1 流体力学准备知识
• 3.1.1 保角变换
• 3.1.2 理想流体中二维柱体上作用力分析
• 3.2 零航速减摇鳍升力分析
• 3.2.1 理想流体中零航速减摇鳍升力分析
• 3.2.2 零航速减摇鳍旋涡作用力分析
• 3.3 零航速减摇鳍升力Fluent仿真计算
• 3.3.1 Fluent简介
• 3.3.2 边界条件类型及设定
• 3.3.3 仿真结果
• 3.4 零航速减摇鳍升力模型参数整定
• 3.4.1 零航速减摇鳍升力模型回归分析
• 3.4.2 零航速减摇鳍升力模型准确性分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于神经网络的PID控制器
• 4.1 单神经元PID控制
• 4.2 基于PSD算法的单神经元控制
• 4.3 基于BP神经网络的PID控制
• 4.3.1 基于BP网络的PID控制结构
• 4.3.2 基于BP网络的PID控制算法
• 4.4 PID-NN控制器
• 4.4.1 PID-NN控制器结构
• 4.4.2 PID-NN控制算
• 4.5 本章小结
• 第5章 船舶-零航速减摇鳍系统研究
• 5.1 零航速减摇鳍系统建模
• 5.1.1 船舶横摇模型
• 5.1.2 陀螺仪
• 5.1.3 浪级调节器
• 5.1.4 随动系统
• 5.1.5 海浪干扰模型
• 5.1.6 升力模型
• 5.2 基于Simulink平台系统仿真
• 5.2.1 自然周期为9秒系统仿真
• 5.2.2 自然周期为7秒系统仿真
• 5.2.3 减摇效果统计
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢