基于GPC的气控被动式减摇水舱研究

在建立减摇水舱内气体和液体两相流动的运动模型基础上,研究了水舱顶部气体连通道的截面面积大小与水舱内液体振荡参数之间的关系.利用广义预测控制(Generalized Predictive Control, GPC)对水舱内液体运动参数进行在线滚动寻优计算,并通过调节截面开口大小实现参数的调节,以此控制水舱内液体的流动,使之与船舶横摇运动相适应,对抗外部海浪干扰.仿真研究表明,与传统的开关式气阀控制策略相比,新的控制策略可以明显提高被动可控式减摇水舱的减摇效果,在较宽的频率范围内对船舶进行有效减摇.     

可控被动式减摇水舱随机控制策略研究

在"船舶-可控被动式减摇水舱"系统数学模型基础上,根据安装减摇水舱的船舶在随机海浪作用下的横摇运动特点,利用成型滤波器以及在线辨识方法对"船舶-可控被动式减摇水舱"系统横摇运动进行预报,并利用预报信息以及实时测量信号对减摇水舱内液体进行控制,实现船舶横摇运动与水舱内液体运动的相位控制,使减摇水舱在不同航态以及不同海情下均有较好的减摇效果.     

基于被动式PD控制策略的“双水舱”减摇系统研究

被动可控式U型减摇水舱利用气阀开关控制水舱内液体运动,使之与船舶横摇运动保持π/2相位差。文章针对在随机海浪下水舱被动控制中存在的问题,提出了由两个被动可控式减摇水舱组成的被动可控式双水舱减摇系统,文中对双水舱系统的数学模型及系统设计方法进行了研究,并提出利用不同的船舶横摇信号分别控制两个水舱内液体流动的被控式PD控制策略。以高速滚装船为例,对双水舱系统进行了计算机仿真,仿真结果表明被动可控式双水舱系统在更宽的海浪干扰频率范围内具有更好的减摇效果。     

可控被动式减摇水舱气阀控制规律研究

可控被动式减摇水舱是对被动式减摇水舱的一种改进.文章在可控被动式减摇水舱系统数学模型的基础上,推导了最佳控制相位的理论依据,并对气阀开启和关闭时刻的选取进行了研究.对不规则波的仿真结果表明,根据船舶的横摇角速度进行气阀控制,满足最佳控制相位是行之有效的,它使可控被动式减摇水舱的减摇能力最大,减摇效果更佳.     

船舶可控被动式减摇水舱的试验研究

可控被动式减摇水舱是一种新型高性能的船舶减摇装置,它是对被动式减摇水舱的一种改进.通过对气体的受力进行分析,推导了气阀的控制方程,在查德惠克U型被动式减摇水舱理论的基础上,建立了"船舶-可控被动式减摇水舱"系统的数学模型,推导了最佳控制策略的理论依据,当横摇角度与边舱液位的相位差成90°时,可控被动式减摇水舱能够得到最大的减摇力矩,减摇效果最佳.通过摇摆台试验确定了水舱模型的固有周期,实现了气阀开启和关闭的最佳控制问题,为实船装备可控被动式减摇水舱提供了试验数据和参考依据.     

基于模型预测的主动式减摇水舱约束控制

由于边舱高度有限,减摇水舱中的流体在水舱内运动时会引起饱和非线性,给舱内流体运动的估计与控制带来困难.针对饱和非线性所带来的控制问题,建立船舶-水舱系统模型,同时基于约束条件设计了模型预测控制(MPC)策略.仿真结果表明,该控制策略在减少主动式水舱高能耗的同时,增强了对水舱内流体的控制,有效提高了水舱系统的减摇效果.     

U型水舱在船舶中的垂向布置问题

基于“船舶－被动式U型减摇水舱”系统运动微分方程，分析了U型减摇水舱在船舶中的垂向位置对船舶横摇质量惯性矩、横摇复原系数、横摇固有频率、船舶与水舱的耦合惯性矩等系统方程参数及对船舶横摇运动和舱内液体运动的影响。结果表明，水舱垂向位置高船舶横摇中心越远，由舱内液体引起的船舶横摇质量惯性矩和横摇复原系数越大，船舶横摇固有频率则越小。而耦合惯性矩则随水舱布置高度的变化呈减小的趋势。对于各种不同类型的船舶，存在一个使舱内液体不发生振荡的奇异位置，这时水舱不产生任何的减摇效果，船舶的横摇运动与不安装水舱时相同。利用我校所研制的减摇水舱模型性能摇摆台进行了水舱模型不同垂向布置时的强迫振荡试验，试验结果与仿真结果具有很好的一致性。指出了除水舱固有频率和水舱阻尼外，水舱在船舶中的垂直方向位置也是影响水舱减摇性能和船舶减摇后的横摇运动的主要因素之一，在减摇水舱设计初期应当予以考虑。     

可控被动式减摇水舱控制策略研究

从未减摇和装减摇水舱后的船舶运动方程出发,对可控被动式减摇水舱的水舱控制策略进行了研究,指出应从充分发挥减摇水舱的性能角度出发,选择水舱的最佳控制策略。从能量最少角度考虑,当波浪频率远离船舶谐摇频率时,可以考虑选择关闭水舱的方式进行控制。仿真结果表明,存在一个最佳控制策略,能够使水舱的性能得到充分发挥,这时水舱减摇效果最高。     

基于万吨溢油回收船的平面被动式减摇水舱优化和模型试验

为进一步掌握平面被动式减摇水舱内水位的变化对减摇效率的影响规律,以某万吨级溢油回收船为研究对象,选择5档水舱水位和无水状态分别进行静水横摇衰减模型试验、规则波模型试验和4级海况下的不规则波模型试验,对减摇水舱内水位的变化对目标船固有周期、阻尼特性和减摇效率的影响规律进行对比分析。研究结果表明:水舱内的水位增加对目标船的横摇固有周期和阻尼系数都有影响;当水舱内的水位在水舱总高的50%以内时,减摇效率随水位的增加而提高;当水舱内的水位在水舱总高的50%~60%范围内时,减摇效率最高;当水舱内的水位在水舱总高的60%以上时,减摇效率有下降的趋势。     

变周期减摇水舱控制与仿真

减摇水舱的设计首先要考虑与船体的适配,同时在设计中要重点考虑水舱的阻尼与周期特性,其中周期特性是水舱最基本的特性参数,适用周期范围越宽,减摇效果越理想。针对变周期减摇水舱的相当长度与一般U型水舱相当长度计算的不同之处——其连通道宽度可调且边舱面积随边舱外壁角变化而变化,通过积分方法推导出了可变周期减摇水舱相当长度的计算公式,提出了一种适用于变周期减摇水舱的估算方法。所设计的变周期减摇水舱采用连通道挡板控制改变周期,避免了气阀控制的时间延迟问题,还可根据船体运动规律调整连通道阻尼挡板以提高减摇效果。以某型船为例,建立了船舶减摇水舱仿真模型。经减摇水舱自由衰减振荡数值仿真方法验证,所提出的周期估算公式可靠。采用该模型研究了变周期减摇水舱的控制方法,结果表明,在其工作范围内,可使横摇角始终保持在8°以内,可以在5.5～18 s的周期范围内有效减摇,大大超过了被动式减摇水舱的工作频带。     

舰船艉轴架模态分析

采用有限元数值计算方法,以某舰为代表,建立舰船艉轴架模态分析的数学模型,计算并分析军规中所要求的艉轴架的一阶频率。在此过程中,利用模态质量对艉轴系统的频率进行筛选,从而得到P字架的横向和A字架的横、纵、垂向的一阶频率,并与军规中的要求相比较,校核艉轴架的模态特性。     

船舶航向模糊控制系统的设计

提出了一种改进的船舶航向模糊控制方法,将航向改变模糊控制器和航向保持模糊控制器有机地结合起来,同时在航向保持模糊控制器的输出端叠加了一个积分作用,提高了航向保持过程中的静态精度。仿真结果表明,无论是在静水环境中还是在不同风和流干扰的环境中,这种改进的航向模糊控制器都比常规的模糊控制器具有更好的控制效果,能够满足船舶航向实时控制的要求。     

Analysis of the flexural vibration of ship’s tail shaft by transfer matrix method

A ship＇s tail shaft has serious flexural vibration due to the cantilevered nature of the propeller＇s blades. Analysis of the nature frequency of flexural vibration is vital to be able to provide effective shock absorption for a ship＇s tail shaft. A mathematic model of tail shaft flexural vibrations was built using the transfer matrix method. The nature frequency of flexural vibration for an electrically propelled ship＇s tail shaft was then analyzed, and an effective method for calculating it was proposed： a genetic algorithm （GA）, which calculates the nature frequency of vibration of a system. Sample calculations, with comparisons by the Prohl method under conditions bearing isotropic support, showed this method to be practical. It should have significant impact on engineering design theory.     

船舶板梁组合结构的振动分析

采用Ｍｉｎｄｌｉｎ板单元和参考轴杆单元,建立了考虑板剪切变形、骨架剪切变形和骨架偏心影响的船舶板梁组合结构振动分析模型,并研究比较了不同船舶板梁组合结构振动分析有限元模型的计算精度。最后通过对某舱室甲板固有频率计算值和实测值的比较,讨论了船舶局部结构振动分析中边界条件处理问题。     

上层建筑形式及布局对舰船空气流场的影响

舰船上层建筑是诱发舰船舰面空气湍流的主要因素,对于具有全通飞行甲板的舰船,其岛式上层建筑的外形及布置则出现了多样化的趋势,对迎风方向后方的气流场形态势必会产生影响.为了解上层建筑外形及布局形式的变化对舰船空气流场,尤其是对舰载机起降影响的初步规律,通过定常同等试验工况条件下,建立多种形式的上层建筑以及变化研究模型上层建筑纵向的布置位置的数值三维模型,对5种模型分别进行数值模拟计算,分析和观察由此产生的气流场变化,对计算结果进行取值分析.通过各模型及原型舰模型间气流场特性的对比,所得出的有关结论与目前实际的舰船产品所采用的布置形式决策是一致的.     

快速排载系统空压机组节能控制策略仿真

半潜式起重平台的快速排载系统中空压机组为工频和阶梯式集群运行方式,对其进行变频改造和集群控制策略的仿真优化研究,挖掘节能潜力,具有重要意义。在对快速排载系统的工作原理进行介绍并建立其数学模型的基础上,提出空压机自适应模糊PID变频控制策略和工-变频联合的集群控制方案,建立快速排载系统仿真模型并设计了典型工况仿真实验。仿真结果表明在保证平台安全作业的时间约束前提下,所提出的控制策略能够实现快速排载系统节能运行。     

Robust autopilot with wave filter for ship steering

Research was done to overcome traditional problems associated with automatic steering systems of a ship in a seaway. A ship＇ s dynamic model with wave disturbances was built and a wave filter was designed by means of an extended states observer （ESO）. The model estimated the low frequency motion component from a heading measurement corrupted by colorednoise, so back-and-forth steering caused by high frequency wave disturbances was avoided. At the same time, a robust autopilot system, designed by variable structure control theory, was presented. Simulation results achieved in dangerous sea status show that the wave filter works very well and the autopilot has strong robustness to environmental disturbances and model perturbation, and more importantly, the frequency of rudder adjustments is reduced noticeably.     

环境最优区域动力定位控制方法的研究

环境最优区域控制是以能耗最小化为目标的船舶动力定位控制方法。环境最优区域控制是根据平均环境作用力自动控制船舶艏向至最优艏向角,通过对船舶状态的预测控制,在不使用任何环境传感器的情况下,用最少的能量,使其保持在限定的区域内运动,达到节约燃料、减少有害气体排放的目的。首先,建立了船舶数学模型,并采用环境最优艏向控制思想,使船舶以固定的半径和很小的回转速度做定常回转运动直至平衡位置,找到最优艏向角。在回转运动过程中,利用所设计的带有积分环节的非线性反步控制法对船舶运动进行控制。然后,通过预测船舶的状态,以能耗和精度为最优目标函数,采用滚动优化策略研究了区域预测控制,使船舶运动保持在限定的区域内。最后,对所研究的控制方法进行了仿真验证。结果表明,该方法达到了环境最优区域控制的目的。     

基于CFD的某型满足IRCC-SP符号冷藏集装箱船货舱通风数值模拟

摘 要：以某型满足ABS船级社IRCC-SP符号冷藏集装箱船的货舱通风系统为研究对象，本文采用计算流体动力学CFD方法对通风系统的风机前端进风段和风机后端风管段分别进行数值模拟和流场分析。根据计算结果优化进风段的设计以降低进风阻力，并调整风管结构以满足IRCC-SP符号的风量要求。基于CFD方法设计的货舱通风系统顺利通过了IRCC-SP模型试验，模拟结果与试验数据吻合良好。研究表明，运用CFD方法进行通风系统分析，可以清晰地了解流场分布、通风阻力和风量分配等信息，以此评估通风方案的优劣，并指导优化设计提供。