船舶陀螺减摇装置设计及控制研究

摘要

在随机海面上航行船舶的横摇会影响船舶的适航性、安全性、船上设备的正常工作以及乘员的舒适性;对军舰而言,船舶的剧烈横摇严重影响其战斗力。长期以来,为抑制船舶的横摇学界和业界作出了不懈努力。本文的研究工作是国家科技重大专项(2011ZX05056—003)的一部分,其主要目的即是为实现船舶运动监测和有效的船舶横摇抑制。
　　论文首先综述船用陀螺减摇装置设计和控制技术的发展现状。针对实际工程船舶建立其在随机海浪中的非线性动力学模型。为实现船舶减摇,设计了陀螺减摇装置的结构和工作方式并建立其数学模型。
　　为有效控制陀螺减摇装置,需要精确测量一般海况下船舶6自由度运动量,采用6个加速度传感器和3个角速率传感器,设计一种测量方法,同时给出在惯性测量领域非常重要的二次积分FIR数字滤波器设计方法。通过频域传递函数和精度函数,研究了此滤波器的一些基本特点,并根据数值仿真和实验做出此滤波器有效性评估。
　　控制律设计是船舶陀螺减摇的关键。根据不规则波浪中陀螺减摇装置和船舶的联合动力学模型,提出变增益控制律控制陀螺减摇装置进动,以产生期望的控制力矩,达到有效抑制船舶横摇的目的。以某船为研究对象,研究所设计的减摇装置在不同海况下的横摇抑制效果。仿真结果表明,所设计的减摇装置能有效抑制船舶非线性横摇。
　　为达到更好的减摇效果,并充分考虑船舶横摇模型,陀螺减摇装置自身的强烈非线性以及波浪的随机性,提出一种基于输入输出线性化方法和反步法的L2增益控制器。在控制律中引入陀螺进动恢复力矩项,将其进动角约束在一定的范围内,从而避免陀螺进动中存在的奇异性。通过对实船横摇运动进行数值仿真,表明所提出的船舶非线性横摇抑制装置具有优良的减摇性能,修正后的L2增益控制器对船舶随机波浪激励具有良好的抗干扰能力和抑制陀螺输出奇异能力。