欠驱动水面船舶纵向运动控制研究

摘要

近几十年来，海上高速船舶在民用和军用领域都发挥了重要作用。纵观国内外船舶研究领域，绝大多数的水面船舶只安装了前进方向的推进器，例如螺旋桨和喷水推进装置，而船舶的转向装置以舵为主，从而实现船舶在水面三自由度的航行，这种控制变量少于自由度的系统自然属于欠驱动控制系统。欠驱动系统在水面船舶中大量存在，使得欠驱动船舶问题的研究显得尤为重要。滑行艇作为海上高速艇的一种，在高速航行中受到纵摇的影响尤为剧烈，纵向运动对于船体的航行性能和安全性能造成很大威胁，因此本文以滑行艇作为切入点展开研究。本论文开展的研究工作分为以下几个方面:
　　首先，本文对课题的研究背景和相关理论的研究进展、所存在的问题及论文的整体思路进行简略阐述。定义了欠驱动系统以及欠驱动控制对于船舶控制具有的理论和实际应用的重要意义，指出了欠驱动系统控制的难点和所需要解决的问题。结合国内外欠驱动船舶的研究现状，做出了概括和总结。之后，针对国内外船舶纵向运动研究的现状进行了概括和分析。最后，针对欠驱动船舶纵向运动控制存在的问题，给出了本论文的研究思路，提出了一种通过周期变推力抑制滑行艇纵向运动的控制策略。
　　针对欠驱动船舶纵向运动的特点，通过忽略横摇、横荡和艏摇，对欠驱动船舶六自由度模型进行了简化。针对船舶的动力学特性给出了水动力和水动力矩的方程及其变换公式，得到了滑行艇的运动学方程和动力学方程，并对滑行艇的动力学进行了分析，明确了各项动力系数的物理意义及表达式。上述建模工作的完成，为后续的研究工作打下了基础。
　　此后，给出了高速船舶纵向与垂向相互耦合的方程表达式，根据经验公式和现有的船体实验，简化并求解出舰船的回复系数、阻尼系数、附加质量等参数。本文利用Routh-Hurwitz稳定性判据，对高速艇的纵摇-垂荡耦合方程进行推导，并对其稳定性进行判定，判定结果能够指导高速艇在稳定区域航行。利用Matlab中的GUI编程构建一个窗口界面，用户在该界面输入例如船宽、船长、重心纵向位置等参数，通过仿真能够得到一系列相关曲线，各组曲线揭示并验证了航速、重心纵向位置、长宽浸湿比等参数对高速船舶纵向运动的影响规律。上述规律对于后续章节的控制方法应用工作的开展提供了理论指导。
　　之后，本文提出并论述了周期变推力减纵摇的原理:即利用海豚运动的周期性，在恒定推力的基础上叠加一个变化的推力，抑制纵摇和垂荡的变化。通过开环仿真试验，能够观察到周期变推力是如何影响高速艇在运行中的纵向运动和航行速度，并对此总结出规律。由于周期变推力会改变高速船舶的纵摇和航速，固定的推力周期会在之后的航行中同船舶的纵摇周期产生交错，反而起到增摇的反效果，因此有必要通过闭环控制，将纵摇信息（纵摇角度、纵摇角速度等）进行反馈，使变推力的周期随着纵摇响应周期的变化而变化，使变推力的幅值随着纵摇幅度的减小而减小，最终达到期望的稳定航行状态，而与此同时，并不会降低航速，影响船舶的高速运行性能。最后，通过引入柴油机伺服系统，将周期变推力控制转化为柴油机转速控制，通过仿真验证了变推力减纵摇在理论上的可操作性。
　　本论文的研究成果具有重要的学术价值和潜在的工程应用前景，部分研究成果可推广到其他高性能船舶的姿态控制领域中。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 国内外欠驱动船舶的研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 国内外船舶纵向运动研究现状

1．3．1 国外船舶纵向运动研究现状

1．3．2 国内船舶纵向运动研究现状

1．4 本文研究的主要内容

第2章 欠驱动船舶运动模型及特性分析

2．1 引言

2．2 参考坐标系及符号意义

2．2．1 大地坐标系(静坐标系)

2．2．2 船体坐标系(动坐标系)

2．2．3 坐标系的变换

2．3 动力学特性

2．3．1 流体中刚体的动力学方程

2．3．2 流体水动力及水动力矩

2．4 滑行艇的标准运动数学模型

2．4．1 滑行艇的运动学方程

2．4．2 滑行艇的动力学方程

2．4．3 滑行艇的水动力学分析

2．5 本章小结

第3章 滑行艇海豚运动稳定性分析

3．1 引言

3．2 回复力和力矩

3．3 垂荡和纵摇的附加质量

3．4 垂荡和纵摇的阻尼

3．5 基于Routh-Hurwitz的海豚运动稳定判据

3．6 算例分析与仿真

3．7 本章小结

第4章 周期变推力控制滑行艇海豚运动研究

4．1 引言

4．2 周期变推力减纵摇原理

4．3 周期变推力减纵摇仿真分析

4．3．1 变推力开环仿真

4．3．2 变推力闭环仿真

4．4 柴油机变转速控制减纵摇

4．4．1 柴油机模型及伺服系统

4．4．2 柴油机变转速控制原理及流程

4．4．3 柴油机变转速控制仿真

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及取得的科研成果

致谢