带有主动式T型翼的双体船纵向稳定控制研究

摘要

双体船作为一种比较成熟的船型，在各个领域都得到了广泛的应用，其优良的性能得到了学界的一致肯定，由于双体船是由两片细长的船体组成、兴波阻力小。所以，高速的双体船也逐渐得到大力的发展。但是，在双体船航速提升的过程中，其纵向运动的剧烈程度也在逐渐增大，这种负面效果严重制约了高速双体船的发展。因此，研究双体船的纵向稳定性具有重要的意义，本文选用主动式T型翼作为附体减摇装置。采用模型预测控制算法对主动式T型翼的攻角进行控制，并在随机海浪干扰下，对双体船适配T型翼的减摇效果进行仿真分析。
　　本文首先对双体船需要适配的主动式T型翼进行设计，包括T型翼翼型的选择；适配的T型翼面积和展弦比的确定；T型翼和双体船结合时支柱的选取以及安装位置和攻角的确定；最后根据需要安装的实船，选取液压驱动作为主动式T型翼的驱动方式。
　　然后，通过刚体运动动量定理和相对于刚体运动的动量矩定理建立双体船纵向运动的非线性模型，并采用雅可比线性化的方法将其简化成可以用作控制器设计的线性状态空间模型。同时，根据随机海浪能量谱的叠加原理建立指定海况下随机海浪的时域模型。并介绍了晕船现象产生的机理原因，给出船舶航行时晕船率的经验公式，将其作为后面的控制器设计的依据。
　　最后，通过一艘具体的双体船等比缩小模型的实验数据进行MATLAB仿真。首先利用实验数据用MATLAB系统识别工具箱拟合出指定海况下随机海浪对于恒速航行的双体船产生的干扰力和干扰力矩的传递函数。分析双体船模型在裸船情况下，和在安装了带有输入约束的模型预测控制器的T型翼的情况下，双体船升沉和纵摇的变化情况，以及对于晕船率的抑制情况。总结了模型预测控制对于双体船的纵向运动的改善。验证了本文所提出的算法具有可实现性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3论文研究内容与结构安排

第2章 主动式T型翼的设计

2.1引言

2.2主动式T型翼的选型

2.3主动式T型翼几何特性的设选取原则

2.4主动式T型翼的支柱选择和安装位置

2.5主动式T型翼驱动方式的选择

2.6本章小结

第3章 双体船纵向运动控制系统建模

3.1引言

3.2坐标系的建立和符号的规范

3.3船舶纵向运动精确数学模型建立

3.4双体船纵向运动控制模型

3.5随机海浪模型

3.6晕船率函数模型

3.7本章小结

第4章 双体船纵向开环运动仿真

4.1引言

4.2仿真用双体船参数及模型

4.3随机海浪对于双体船产生的干扰力和干扰力矩

4.4随机海浪作用下的双体船纵向运动响应及分析

4.5本章小结

第5章 双体船减纵摇控制器设计

5.1引言

5.2模型预测控制的基本原理和本质特点

5.3双体船纵向运动控制器设计

5.4仿真分析

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士研究生期间发表的论文和取得的科研成果

致谢