具有动态升力反馈的减摇鳍系统设计及控制研究

发布时间：2020-04-13 23:50

【摘要】：船在海上航行时,由于受到海洋环境扰动,不断产生六自由度随机运动,其中以横摇尤为显著。剧烈的横摇严重影响船的适航性、货物的安全性和乘员的舒适度,并降低舰载武器的发射精度。为此,科研人员研制了多种减横摇装置,而减摇鳍是迄今推广应用最为成功的主动式减横摇装置,理论减摇效果可达90%以上,但由于自身和外界制约因素较多,导致实际工程应用中很难达到预期目标。首先研究减摇鳍系统特性,从减摇原理入手,分析制约减摇鳍的关键因素。减摇所需控制力矩主要取决于动态升力,可分为升力产生、升力检测和升力控制。本文基于常规减摇鳍系统改进,主要研究升力检测和升力控制。通过分析外界干扰模型和理论横摇模型在实际工程中的简化应用,指出系统存在的主要问题:系统反馈不准确和控制策略适用性不佳。针对反馈问题,分析常规鳍角反馈折算升力偏差过大的原因,通过水动力仿真,分析工程中用鳍的机械角近似代替有效攻角而忽视理论攻角、流速角和附加角的影响。对于控制问题,分析了常规PID控制不能满足对升力的实时控制要求,以及其他控制律应用时忽视实际系统存在客观约束的前提。因此需要采用动态升力检测改进系统反馈方式,并在此基础上设计适用的控制律,提升减摇鳍的整体性能。由于鳍所处海洋环境复杂多变,加之要考虑实际应用中传感器的安装、维护和检修等问题,导致直接检测鳍上动态升力异常困难。因此升力检测技术成为亟待解决的难点和创新点。通过分析鳍轴结构和受力特点,建立带有外悬臂的双点简支组合梁模型。在继承常规减摇鳍可靠性的前提下,给出上轴承负荷的升力检测法,设计特殊的轴承安装座和传感器,从动态水动力中直接分解出升力,避免繁琐运算和存在偏差问题。其后改进美国Sperry中空式鳍轴结构,同时提出新的传感器安装方式和测量要点。为降低鳍轴加工和装配难度,设计去除轴芯的激光测距式升力检测方法。运用铁摩辛柯梁理论对鳍轴形变的挠度和转角进行分析,进而建立鳍上升力和鳍轴位移之间的定量关系。为降低升力检测难度,分析影响鳍轴形变的因素,并以某型装船减摇鳍相关参数为例进行数值计算和有限元仿真,验证设计的可行性。针对单一传感器检测时信号容易受到干扰问题,需要进行滤波处理。由于各传感器互不影响,可应用融合滤波技术处理多传感器信号,使其相互补充和印证,解决单一传感器的不足。为防止融合滤波带来时滞,设计序贯结构的融合滤波算法加快速度。首先对性质相同的升力信号进行融合滤波,但序贯结构的状态方程和性能指标不一致,会导致基于Kalman滤波难以直接应用于升力信号融合滤波问题。为此证明具有序贯结构和集中结构的信号融合滤波算法的等价性,从而保证滤波过程的灵活性与实时性。通过对不同信号的计算比较处理,去除故障或异常信号。为提高融合信号的可靠性,通常采用无偏估计法,而由于融合的可靠性与方差成反比,所以若能降低无偏方差可以提高可靠性。为此采用岭估计进行处理,岭估计的可靠性取决于方差和偏差的综合,通过调整偏参数改变方差。在相同数量传感器时,相比无偏估计可进一步提高融合的可靠性。在升力检测和多传感器信号融合的基础上,给出减摇鳍控制系统改进原则。对动态升力反馈和鳍角反馈适用情况进行了分析,鉴于实际工程应用中,无论何种反馈均存在不足,难以满足多种情况及系统可靠性要求。因而改进控制系统结构,设计具有动态升力反馈的减摇鳍控制系统。分析适合不同反馈的切换情况,同时构成冗余反馈,提高减摇鳍运行的可靠性。在实际工程应用中,为防止减摇鳍动态失速和确保高海况时执行机构安全,需要对鳍角和升力进行限位约束;变化剧烈的外界干扰、自身非线性模型和执行机构限位等控制问题,导致常规PID控制策略难以满足减摇鳍对动态升力的有效控制,为此设计适用的模块化控制器。针对升力输入控制量范围受到限制,设计基于RBF神经网络的控制模块进行动态补偿;而针对外界干扰和自身非线性因素影响,设计非线性干扰观测器模块削弱广义干扰;并设计模糊滑模控制策略,改善常规控制方法只针对特定情况有效的问题。通过对不同反馈方式的仿真对比,验证控制系统结构改进的可行性,并对不同遭遇角、航速和海况等情况进行仿真,验证了控制策略设计的有效性。
【图文】：

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图 1.1 美国 Sperry 的升力测量方案Fig 1.1 Lift measurements for American Sperry) 英国 ROLLS-ROYCE 十字轴体法国 ROLLS-ROYCE 科研机构通过在收放式减摇鳍的十字轴体内安装形变轴体的形变量折算鳍上的实际升力，并为其申请了专利[25]，，其具体结构如

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1-十字型轴安装座；2-轴；3-船；4-鳍；5-压力传感器；6-固定底座；7-压变体；8-导线图 1.2 ROLLS-ROYCE 的升力测量方案Fig 1.2 Lift measurements for ROLLS-ROYCE该方案对常规减摇鳍的结构改动较小，容易实现。但只适用于收放式减摇鳍，对固定式减摇鳍没有提出解决办法，另外，即使是针对收放式减摇鳍，不同型号的十字轴体
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.72

【参考文献】