嵌套式减摇鳍设计及变参数控制器优化

摘要

船舶在海上航行时,受到海浪的作用产生摇摆运动,其中横向的摇摆运动对船舶的平稳性影响最大,会影响船上货物的安全性,降低船舶的舒适度,减小某些设备的工作效率以及影响船舶的航行方向等,因此如何减小船舶的横摇运动非常关键,在多种减摇设备中,减摇鳍的减摇效果相对较好,应用广泛。本文根据某船型的参数,设计具有嵌套式鳍翼的减摇鳍装置,对其进行运动仿真,建立减摇鳍控制系统的Simulink模型,优化PID控制器参数,以长峰波海浪波倾角为输入,对控制系统进行仿真研究。
　　减摇鳍可分为收放式和不可收放式两种,不可收放式减摇鳍的尺寸以及安装位置受到船舶结构尺寸限制,一般应用于小型船舶上,而收放式减摇鳍在鳍翼不工作时,可以收起放置在船体中,避免了不可收放式减摇鳍的不足,但是增加了船体上的开口,影响近船处海流的流动特性,从而影响船的航行速度。为了减小这种影响,需要减小船体上开口的大小,设计的减摇鳍装置采用嵌套式的鳍翼,鳍收回时小鳍翼收缩到大鳍翼中,缩短了鳍长度方向的尺寸,减小船体的开口大小,改善了船体性能。减摇鳍包括转鳍机构、收放鳍机构、嵌套式鳍翼机构、固定鳍机构,机构形式均采用常见的杆机构,其结构简单。装配减摇鳍装置,对其进行运动仿真,模拟减摇鳍的工作过程,验证了减摇鳍结构设计的合理性。
　　由Conolly线性横摇理论,建立船舶的线性横摇模型。然后建立角速度陀螺仪、前置放大器、PID控制器、航速和浪级调节器、随动系统的Simulink模型,其中减摇鳍随动系统选用电液位置反馈方式。结合建立的各个模块,搭建整个减摇鳍控制系统的模型,完成控制系统建模。
　　为了提高控制系统的性能,尽量减小船舶的横摇角,应用经典的遗传算法和改进的遗传算法分别对PID控制器的参数进行优化,根据建立的目标函数,寻找到参数的最优值。在海情不变时,使用优化得到的两组最优值对控制系统进行仿真,比较结果发现,新型遗传算法在优化的过程中更加有效,搜索到的最优值更加接近于理论的最优值。同样,在海情变化的情况下,为了提高控制系统的性能,设计控制器的参数是随着误差变化的,这样控制器受到初始参数和变化误差的综合作用。对定参数控制器和变参数控制器对应的控制系统分别进行仿真,比较结果发现,变参数控制器对应的横摇角曲线在一定程度上好于定参数控制器对应的横摇角曲线,说明变参数控制器能够使控制系统的性能有一定程度的改善。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 减摇鳍和遗传算法的发展与现状

1.3 本课题主要研究内容

第2章 减摇鳍的结构设计与运动仿真

2.1 引言

2.2 减摇鳍运行理论

2.3 减摇鳍翼型的流体动力特性

2.4 减摇鳍结构设计

2.5 减摇鳍的运动仿真

2.6 本章小结

第3章 减摇鳍控制系统的原理

3.1 引言

3.2 船舶横摇运动模型

3.3 减摇鳍控制系统建模

3.4 本章小结

第4章 控制器参数优化及变参数控制器设计

4.1 引言

4.2 目标函数的确定

4.3 遗传算法

4.4 控制器参数变化规律

4.5 本章小结

第5章 船舶减摇鳍控制系统的仿真

5.1 引言

5.2 长峰波海浪波倾角的建模与仿真

5.3 定海情时控制系统仿真

5.4 变参数控制器的控制系统仿真

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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