基于航行阻力优化的近水面机器人减纵摇控制北大核心CSCD

[目的]水下机器人(AUV)在近水面航行时,不可避免地会受到海浪的干扰,海浪干扰导致的纵摇和升沉运动不仅会影响AUV的航行姿态,同时也会导致其航行阻力增加,加剧能源的消耗。为实现AUV航行姿态和航行阻力的加权最优,[方法]建立AUV的六自由度模型并进行纵平面运动的线性化。对AUV的纵摇增阻情况进行研究,利用势流理论的方法,推导AUV的纵摇增阻模型。以纵摇增阻为性能指标,确定控制器中的Q矩阵和R矩阵,并设计减小AUV纵摇的线性二次型控制系统(LQR)控制器。[结果]仿真结果表明,加入LQR控制器后,减垂荡和减纵摇效果分别达到46.64%和77.62%,纵摇增阻减小到原来的1/6。[结论]研究结果显示,基于能量优化的LQR控制可实现纵摇增阻和航行姿态的加权最优,节约能量消耗,增加AUV的续航力。     

舰船减摇和抗倾覆系统的研究

舰船在海上航行时受到海浪与海风作用力的冲击,会产生横摇、纵摇等运动,当横摇与纵摇角度超过其平衡点时,舰船就可能发生倾覆等严重的事故。本文研究的目的是提高舰船的减摇与抗倾覆能力,本文基于DSP控制器,设计一种舰船减摇与抗倾覆控制系统,并详细介绍了该控制器的硬件组成与减摇性能。     

基于快速性和耐波性的倒V型船首改型设计

利用CFD数值模拟仿真计算,以减摇减阻为目的,在倒V形船艏的基础上进行船艏改型设计。利用商业软件FineMarine对原型和改型的静水阻力、波浪增阻、纵摇幅值、升沉幅值、波浪中的运动响应等进行数值计算,并对比计算结果,评价改型效果。计算结果表明,改型后静水阻力、规则波中的升沉和纵摇均有不同幅度的减小。     

高海情下的船舶横摇运动控制研究

远洋和深海区域的海上气象条件恶劣,常常伴随着大风大浪等恶劣天气,这种高海情下的船舶航行受海风、海浪等干扰作用力的影响,会产生大幅度的横摇、纵摇等运动形式,甚至导致船舶倾覆等重大事故,影响船舶的航行安全。针对船舶在高海情下的航行安全问题,本文通过建立船舶的运动模型以及干扰作用力模型,在此基础上设计一种基于预测控制理论的船舶横摇运动控制系统,取得了良好的控制效果。     

基于L1自适应理论的AUV深度控制器设计

[目的]为抑制自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)运动过程中水动力参数变化和复杂外界环境干扰的影响,针对AUV深度控制通道设计一种自适应控制器。[方法]首先建立AUV系统动力学模型,然后以REMUS AUV系统的纵向控制模型为被控对象设计L1自适应控制器,最后在考虑不同干扰条件下使用Matlab/Simulink对L1自适应控制器进行仿真试验,并与相同环境下PID控制器的效果进行对比。[结果]在受到强外界干扰的条件下,对比PID控制器,L1自适应控制器的控制效果更稳定。且当AUV运动模型中水动力参数发生改变时,L1自适应控制器可以保持稳定。[结论]仿真结果表明,基于L1自适应理论设计的控制器在拥有良好动态响应的同时能够保证抗干扰能力与鲁棒性。     

基于干扰观测器的舵阻摇PID控制

以船舶运动的横摇模型为研究对象,在常规PID控制器的基础上设计海浪干扰观测器,实现对海浪干扰的等效补偿,增强舵阻摇PID控制器的鲁棒性。仿真结果表明本文方法的有效性。     

阻流板对规则波中船舶阻力及运动特性影响研究

[目的]旨在分析阻流板对规则波中船舶阻力及运动特性的影响。[方法]以一条半排水型方尾船为研究对象,基于RANS方法并结合重叠网格技术进行阻流板安装前后船舶在规则波中的阻力与运动特性数值仿真,总结船舶阻力、姿态与运动响应随波长与航速的变化规律。[结果]结果表明：阻流板在规则波中的减阻率比静水减阻率大1.03%～2.43%;阻流板对垂荡和纵摇传递函数的影响随着波长的增大而变大,λ=2LPP工况下的垂荡传递函数TF3和纵摇传递函数TF5平均降低了3.5%和1.4%;当船舶出现甲板上浪时,阻流板可使TF3和TF5的降低率分别达到9%和3%。[结论]研究方法与研究成果可为船舶节能装置设计与性能预报提供技术参考。     

穿浪双体船T型水翼状态反馈H∞控制器设计

穿浪双体船在海洋中高速航行时,纵向运动会对其性能造成不利影响,产生的垂向加速度使乘员晕船,设备短期失效。为了解决此问题,首先建立穿浪双体船纵摇和垂荡运动模型,然后运用切片理论求解运动方程中的水动力系数,将随机海浪作为外界干扰,以T型水翼为纵向运动稳定装置,进而建立带T型水翼的穿浪双体船纵向运动模型。最后以90 m长的穿浪双体船为研究对象,利用状态反馈H∞控制策略设计控制器,对船体的纵摇和垂荡进行仿真实验。结果表明:状态反馈H∞控制器可有效地减小船舶纵向运动,降低晕船率,为减小高速船纵向运动提供可靠实用的方法。     

卡尔曼滤波技术在船舶横摇预测中的应用研究

船舶在海上的航行受到海洋气象和水文条件的影响,会产生垂荡、横摇和纵摇等多种形式的运动,这些复杂运动对舰船航行稳定性和船载精密设备的工作精度有不利影响。因此,对船舶的横摇、纵摇等运动进行短时预测具有重要意义。本文系统介绍卡尔曼滤波技术,并利用滤波技术和随机海浪数学模型,研究一种船舶横摇运动的预测方法。     

专家控制-改进S面算法在近水面航行器运动控制中的应用研究

[目的]旨在提高舵板响应速度和效率,以满足近水面航行器在静水及波浪干扰下的深度保持和姿态控制要求。[方法]在S面算法的基础上,提出一种具有更快收敛速度的改进S面控制算法,并与专家智能控制相结合,建立闭环专家控制-改进S面算法的混合控制模型,构建混合算法控制器。对比分析PID算法、S面算法、改进S面算法以及专家控制-改进S面算法在近水面航行器航行深度、姿态控制间的差异,并进行波浪干扰下的运动预报。[结果]预报结果表明：改进S面算法在静水航行控制中可提高收敛速度,波浪干扰下可降低纵摇幅度;专家控制-改进S面算法能够提高舵的控制效率,在静水中快速实现航行状态稳定转换,在波浪中有效降低近水面航行器垂荡和纵摇幅值30%以上。[结论]所提专家控制-改进S面算法对近水面航行器运动稳定性的提高适用性良好。     

减摇鳍变参数最优控制器及其设计

为了减小船舶横摇运动参数、船舶航向和海浪扰动的变化对减摇鳍性能的影响,减摇鳍PID控制器的参数k_1、k_2和k_3应随之变化。文章提出了变参数PID控制器的原理,在此基础上提出了一种变参数最优PID控制器的设计方案,并对此设计方案进行了计算机仿真。仿真结果表明了当船舶自然横摇周期和无因次横摇衰减系数变化时,在各种浪向下,具有变参数最优PID控制器的减摇鳍都有很好的减摇效果。     

SWATH船运动中断分析和减横摇控制器设计

针对SWATH船实航时产生的水平筛动问题,研究由横荡、横摇和艏摇的耦合运动产生的船舶运动中断(MII),提出设计SWATH船稳定鳍减横摇控制器,减小MII。通过理论分析MII产生原因和SWATH船稳定鳍工作时产生减摇作用的力和力矩特性,验证利用稳定鳍减小SWATH船横摇运动,抑制MII的可行性。在保证SWATH船升沉和纵摇运动的基础上,设计稳定鳍减横摇控制器,减小SWATH船横摇。仿真结果表明,控制器使SWATH具有良好的纵向运动性能,有效减小了横摇运动,抑制MII。     

基于变结构鲁棒性控制的船舶减摇鳍非线性系统研究

随着远洋运输业的迅速发展,船舶运输货物的稳定性、安全性引起了广泛重视。受到海洋气象条件的影响(如海风、海浪、洋流等),船舶在航行时不可避免的产生横摇、纵摇等多自由度运动。其中,船舶大幅度的横摇运动会导致船载设备的故障和船载货物损坏,是必须要尽量降低的运动形式。减摇鳍作为船舶减少横摇运动的主要装置,可以有效减小船舶横摇幅度,但同时也受到船舶航行速度的限制,在速度较低时减摇效果不明显。本文针对船舶传统的减摇鳍机构,结合变结构鲁棒性控制技术,设计一种新型的船舶减摇鳍非线性控制系统,并对该系统的工作原理和结构组成进行系统介绍。     

中高速船加装减纵摇组合附体模型试验

对某常规单体排水式圆舭导弹护卫艇进行加装减纵向运动组合附体的模型快速性试验和耐波性试验。首先进行了小尺度模型的静水阻力试验和规则波试验，优选出阻力和减摇效果均较优的方案。进行了较大尺度模型的静水阻力试验、规则波试验和不规则波试验。试验结果表明减纵向运动组合附体可显著抑制舰船的纵向运动，包括垂荡、纵摇、艏、中、艉部加速度，以及砰击、上浪、波浪增阻等，经优化设计的组合附体尺度和布局对艇静水阻力基本没有影响。     

风浪作用下船体纵摇运动对螺旋桨激振力特性影响分析

大型高速船舶在风浪中航行时会发生摇荡,导致推进效率下降,还会引发严重的螺旋桨激振力。以KCS船和KP505螺旋桨为研究对象,采用RANS方法和重叠网格技术,对无船体纵摇运动和有船体纵摇运动下的船-桨-舵系统开展了水动力数值计算分析。计算结果显示,在纵摇运动下桨盘面处标称流场的空间不均匀度基本上和无纵摇运动相当,但流场的时间不均匀度急剧增加。同时,在船体纵摇运动情况下船体阻力时均值大幅增加、螺旋桨推力时均值大幅减小。对螺旋桨水动力时域信号进行快速傅里叶分析,发现在纵摇运动时螺旋桨非定常力频谱中的峰值更加丰富,在所有峰值中以纵摇运动频率处的峰值为最大,且远大于叶频处的峰值,它随纵摇运动幅值的增大而升高。     

船舶主动式减摇鳍的分布定位设计

船舶减摇鳍的使用工况包括航行状态和零航速状态,当船舶在航行过程中,减摇鳍与流体发生相互运动,在减摇鳍表面产生抗倾覆力矩,保证船舶的航行稳定性;当船舶处于零航速状态下,由于海浪、海风等干扰力矩的作用,同样会使船舶发生横摇、纵倾等运动,因此也必须进行减摇控制,此时船舶的减摇是利用机械结构使减摇鳍运动,产生抗倾覆力矩。本文针对船舶横摇和减摇鳍的流体动力学特性进行系统的建模,分别从主动式减摇鳍的翼型、形状、分布定位等内容进行展开,有助于提升现有船舶减摇鳍的设计水平。     

减摇复合船型首部构型设计与水池模型试验研究

船舶在波浪中航行时的纵向运动性能是衡量船舶综合航行性能的重要指标.为了改善船舶在波浪中的纵向运动性能,本文基于首部减摇组合附体技术对某型船首部构型进行改造并通过水池模型试验对其静水阻力和耐波性进行了分析研究.在分析该船作业及航区特点的基础上,通过船首部线型改造及减纵摇组合附体构型优化,给出适用于该船的首部构型方案.应用CFD软件和修正切片法进行水动力性能分析,并对船首构型方案进行优选.将优选出的性能较优复合船型方案和原船型开展水池模型静水阻力与耐波性对比试验分析,验证减摇复合船型的静水阻力性能与耐波性能.试验结果表明,改造后的复合船型减纵摇效果明显,对应实船四级海况18节航速下纵摇与首部加速度有义值较原船型降低15%以上;复合船型静水阻力有所增加,实船18节航速下静水阻力增加13.5%.     

船舶迎浪航向下的垂荡运动建模与仿真分析

船舶在海上的航行姿态不仅取决于船舶自身动力系统的参数,还与海浪、海风、洋流等因素密切相关,船舶在多个力的作用下不可避免的发生横摇、垂荡、横荡等运动,其中横摇和垂荡是2种最主要的运动方式。船舶大幅度的垂荡运动会使船舶的航行阻力增大,航行的平稳性降低,严重时甚至会导致船舶偏离航线和船舶倾覆事故等。因此,研究船舶垂荡运动,尤其是迎浪航向下的垂荡运动有重要意义。本文结合传统的船舶耦合运动模型,建立了船舶迎浪航向下的运动模型,并进行了船舶垂荡运动的仿真分析,对提高船体稳定性有重要意义。     

不同航态下船舶运动规律仿真研究

主要根据波浪叠加理论,采用ITTC单参数标准海浪谱对随机海浪作用下船舶线性横摇、纵摇运动进行建模和仿真研究,探讨不同船型、各种航态(不同海况、不同航速、不同航向)下船舶横摇和纵摇运动规律,为进一步研究船舶的减摇预报与控制打下基础。     

穿浪多体船运动性能研究

在穿浪双体船基础上，加装半潜体或带被动式减纵摇鳍的半潜体使其成为消波穿浪多体船，航行性能大大提高。半潜体不仅对耐波性能有利，对静水阻力和船体结构强度都有利。试验表明半潜体使经济航速阻力减小１８－２３％，设计航速阻力减小５－７％。耐波性综合指标比穿波双体船有提高，特别是纵摇明显减小。