基于Matlab的船舶减摇水舱自动控制与仿真研究

稳定性是船舶航行质量的重要指标,远洋航行的船舶受到海风、海浪的影响,往往会发生横摇、振荡等运动。其中,横摇是指船舶在风浪作用力下产生的周期性摇摆运动,甚至会引起船舶发生倾覆等危险事故。因此,船舶工业领域投入了大量的物力、财力开发船舶的减摇装置,常见的减摇装置包括减摇鳍、减摇水舱等。减摇水舱依靠船舶横摇运动的能量使水舱内的水流动,产生的力矩可以有效地降低船舶横摇,具有结构简单、成本低、易于控制等优点,广泛应用于集装箱运输船、科学考察船等。本文针对船舶的减摇水舱,在仿真平台Matlab中研究了减摇水舱的自动控制系统,并进行了减摇水舱的结构优化设计和控制响应的仿真。本研究对改善船舶减摇水舱的自动化水平,提高结构强度有一定的指导意义。     

减摇鳍装置五十年——“船舶鱼翅”的创新发展

<正>摇摆是产生一系列对船舶有害影响的原因,影响船舶的所有航行性能,而人为减小摇摆最通用、最有效的方法即是在船上使用专门装置,即减摇装置。减摇装置包括减摇鳍、减摇水舱、舵减摇等,而目前公认的减摇效果最好的当属减摇鳍。船舶减摇鳍是人们利用仿生学原理,在船舶的两舷安装的一对类似鱼鳍的装置,并模拟鱼鳍的动作,使航行中船舶产生与波浪扰动力矩方向相反、大小相等的力矩,减小船舶横摇,较高     

船舶减摇水舱试验台架横摇运动模拟

本文介绍了由微机控制的船舶减摇水舱试验台架，利用这套试验装置可以实时模拟在规则波和不规则波情况下装备有水舱的船舶的摇摆，这里着重介绍了对船舶影响最大的横摇的模拟，从而为研究减摇水舱对船舶的作用，评估其减摇效果，为研究和设计减摇水舱提供了可靠的依据。     

横荡对被动式减摇水舱运动的影响研究

被动式减摇水舱是减少船舶摇摆的重要装置之一,目前对它的研究大多数都只针对单纯横摇运动。而本文在考虑了横荡对水舱运动的影响后,基于U型被动式减摇水舱理论推导了耦合横荡的“船舶一水舱”系统的数学模型,并通过仿真和试验研究证实了考虑横荡对水舱的影响是很必要的,更符合于实际情况。     

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。     

PID控制器在船舶减摇水舱控制器设计与优化的应用

减摇水舱控制系统中的摇摆台控制一般采用PID控制系统,借助PID控制系统的算法优势,传输摇摆角度信号,有效控制减摇。PID系统采用免疫遗传算法,该算法能够建立起数学模型,推理运算出目标函数值,向电液伺服阀输出动作指令,控制船舶横摇。本文分析了PID控制器在船舶减摇水舱控制器设计中的应用,提出优化PID控制器的设计方法,经过仿真实验证实,改进优化的变参数PID控制器能够有效控制船舶横摇角、鳍角速率,提高减摇效率。     

U型减摇水舱模型试验与数值仿真

减摇水舱是目前船舶最常用的减摇装置之一,它具有结构简单,造价低廉,便于维护与保养等优点[1,2],普遍应用于 RORO船、科学考察船、公务船、运输船等。目前研究水舱的主要方法是台架试验和船模模型试验,本文针对1500吨海监船做了岸上摇摆台试验,以确定减摇水舱的固有周期接和模拟规则波下的抗摇力矩。由于岸上试验耗时长、代价高[3],本文采用CFD数值方法对水舱的自由衰减和强迫振荡进行了仿真计算,通过与试验值对比发现,CFD计算结果吻合较好,证明了CFD方法在模拟水舱摇摆台试验中的可行性。     

破冰船减摇水舱设计

减摇水舱是一种常用的船舶减摇装置,设计时首先要考虑与船体的适配,再尽可能增大减摇水舱的工作频段,以期保证减摇水舱在各种工况下的减摇效果。以某破冰船为例,梳理了该船减摇水舱的设计过程,首先提出减摇水舱的初步方案,再通过理论计算和模型试验,验证和优化减摇水舱的设计,进而指出了破冰船减摇水舱与一般船舶的差异,需注意破冰船舷侧大尺寸结构件对减摇水舱减摇效果的影响以及设计建议。     

船舶减摇技术现状及发展趋势

传统的船舶减摇装置包括减摇鳍、减摇水舱、舵减摇、减摇陀螺、减摇重块等,本文介绍了这些传统的减摇装置的发展现状及近年来出现的新型减摇装置,包括零航速减摇鳍、舵鳍联合减摇、舱鳍联合减摇、Magnus效应回转轴减摇、减纵摇、船舶姿态控制系统等,并对未来的新型减摇装置进行了预测。     

鳍/被动水舱联合减摇理论研究

本文在综合分析减摇鳍与被动减摇水舱两种减摇装置的优缺点的基础上,考虑某些特殊用途的船舶以及一些大型的军用舰艇在全航速下对船舶平衡要求较高的情况,采用了一种优良的全航速下的减摇方案--减摇鳍与被动水舱联合减摇装置.这种减摇装置将减摇鳍与被动水舱有效结合,有效地克服了减摇鳍与被动水舱的缺点,同时也放宽了对鳍静特征数的要求,这对于装有不可收放式减摇鳍的船舶具有实际意义.针对上述联合减摇装置建立了船舶/减摇鳍/水舱的数学分析模型,并进行了分析讨论.通过对一实船的理论计算,结果表明:鳍/被动水舱联合减摇方案与其它减摇装置相比有明显的优越性,这种装置弥补了减摇鳍和减摇水舱具有的缺点,为船舶减摇提供一种减摇的方法.同时,可在此基础上增加装置的功能,达到一定的经济性.     

INTERING减摇水舱

1 导言在通常情况下,横摇稳定可避免损坏货物和船舶,改善旅客和船员的舒适性及减少船舶阻力。这里介绍的Intering减摇装置,它综合考虑了昂贵的减摇鳍装置和被动式自由液面舱之间的关系。因此,该装置价格合理,安全性高,效果好。安装该装置不会损失有用的舱室容积,其操作不受航速影响,也不必在船体壳板上开口,能有效地提高船舶的经济性。该减摇装置最适合于下列类型的船舶:滚装船,渡船,集装箱船以及有边舱的各类船舶。 Intering减摇装置的原理是基于一个与龙     

油田守护船减摇水舱设计

为提高油田守护船上船员生活的舒适性和安全性,提升船舶的作业效率,要求船舶具有较好的耐波性。以某油田守护船为例,通过为其设计矩形减摇水舱,减小船舶的横摇幅值,适当增大横摇周期,减少甲板上浪,提升船舶的耐波性。阐述矩形减摇水舱的力学模型和设计原理,并根据设计原理给出该型船舶的可自动调节液面矩形减摇水舱设计方案;通过减摇水舱模型试验和船模水池试验,论证减摇水舱对提升船舶耐波性的真实有效性。通过在船舶试航过程中对减摇水舱系统数据进行收集,证明该型船舶的可自动调节液面矩形减摇水舱设计是成功的。     

船舶减摇水舱控制技术现状与展望

减摇水舱结构简单、造价低廉、便于维护保养,特别是其减摇效果不受航速制约,是应用最广泛的减摇装置之一.文章首先介绍减摇水舱的类型和工作原理,接着综述了船舶减摇水舱控制技术的研究现状,重点描述了各种减摇水舱控制算法,最后展望了减摇水舱控制技术的发展趋势.     

减摇水舱性能试验摇摆模拟台阻尼力矩的模拟研究

减摇水舱性能试验摇摆模拟台是根据相似准则建立的一种模拟在波浪作用下船舶横摇运动的试验装置。为使摇摆模拟台能够模拟各种类型船舶的运动，要求模拟台的转动惯量、阻尼力矩和波浪干扰力矩都是可调节的。利用硬件方法模拟阻尼力矩具有许多不确定因素，很难保证模拟的阻尼力矩值与要求的阻尼力矩一致，这给减摇水舱性能预报带来诸多困难。本文提出了一种利用软件模拟船舶横摇阻尼力矩的方法，仿真分析和试验结果表明该方法能够模拟各种船舶的阻尼力矩，满足模拟台阻尼力矩模拟要求。     

收放式减摇鳍的工作原理与常见故障分析

减摇鳍是一种最常用并且减摇效果最好的主动式的减摇装置。目前,船舶的减摇系统最常用的的就是减摇鳍和减摇水舱。减摇鳍、减摇水舱和抗静倾平衡水舱组成了综合减摇系统（船态稳定系统）。这种综合减摇系统既综合了减摇水舱和减摇鳍的优点同时又克服了两者的缺陷。综合减摇系统的减摇性能好于单独使用减摇水舱和减摇鳍两者的性能。     

大型船舶综合减摇系统的研究

本文在分析船舶的综合减摇问题以及船舶主要减横摇装置的优缺点的基础上,针对船舶的减横摇问题,兼顾船舶的静倾问题,提出了可应用于全工况下的船舶综合减摇系统.综合减摇系统是由减摇鳍、减摇水舱和抗静倾平衡水舱组成的.这种综合减摇系统既综合了鳍与水舱的优点,又克服了减摇鳍和减摇水舱各自的缺陷.以高速滚装船为例,建立了"船舶-减摇鳍-被动式U型水舱"系统的运动方程并进行了计算机仿真.通过对仿真结果的讨论和分析得到如下结论:这种综合减摇系统具有良好的减摇能力;在各种航态下(包括零航速)都能达到减摇要求;综合减摇系统的减摇性能远远好于单独使用减摇鳍和减摇水舱的性能.船舶综合减摇系统的提出为大型船舶的综合平衡开辟了新途径,这种设计方法对大型水面舰船、尤其对有舰载机的船舶及两栖作战舰船的综合减摇具有重要意义.     

利用台架试验结果计算装有减摇水舱的船舶的横摇响应

本文介绍一种方法,即用被动式水舱台架试验结果来计算被减摇的船舶对横浪的横摇响应。文中指出,装有U形管减摇装置的船舶横摇运动方程,只要稍作修改,就可以合理的精度描述裝有任何类型减摇水舱的船舶的特性。上述方程包含水舱的三个未知数,根据台架试验结果可予以决定。对大多数水舱来说,可以在设计阶段用这种方法足够简单而精确地预测被减摇的船舶运动。     

减摇水舱的固有频率和阻尼研究与试验分析

减摇水舱是一种减小船舶横摇,抵抗横倾的常用装置.设计减摇水舱最重要的两个参数是固有频率和阻尼.目前常用的确定减摇水舱固有频率和阻尼的方法大致分两种:一是利用流体力学理论分析或者经验公式进行计算;二是通过试验的方式来测得.由于减摇水舱内水的流动特性比较复杂,所以理论计算十分复杂,而且得到的结果误差也比较大.经验公式只可作为粗略估计.试验的方式对实验台和船模的硬件要求比较高,而且周期比较长.文章提出了一种利用CFD软件进行仿真计算确定水舱固有频率和阻尼的新方法,并且和水舱摇摆台试验结果进行了对照,证明了其可行性和准确性.     

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.     

船舶减摇方式介绍及发展趋势

针对船舶的减摇问题,综述了船舶减摇的几种方法,分析了船舶主要减摇装置舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱、减摇舵的优缺点,指出了存在的技术难题,并展望了有价值的研究方向。