电液驱动船舶运动模拟机构的摇荡轨迹控制

发布时间：2020-07-24 10:04

【摘要】：船舶模拟器以其安全、经济和高效等原因,在舰船设备的研制和船舶工作人员的训练等方面应用非常广泛。船舶运动模拟机构,作为船舶模拟器的重要组成部分,负责实现设备运动的真实感。船舶运动模拟机构相关技术的研究,多数基于规则的船舶摇荡轨迹进行,而在真实的海洋环境中,由于波浪的随机性,船舶的摇荡轨迹是不规则的。本文以船舶运动模拟机构为研究对象,在其模拟轨迹的生成、数学模型的建立和控制器的设计等方面展开研究,旨在通过控制船舶运动模拟机构实现对船舶不规则摇荡轨迹的模拟,使设备的模拟运动更具真实感,从而提高设备的仿真能力以适应各种工况需求。首先,提出了船舶运动模拟机构的6自由度不规则模拟轨迹的生成方案。该方案以海况参数、船舶参数以及船舶运动状态为模拟工况条件,利用刚体的空间动力学理论建立描述船舶摇荡运动的动力学方程,引入基于谱分析方法的不规则波浪作用下的船舶受力表达式,通过Runge-Kutta方法对方程求解得到船舶的摇荡轨迹,并将其转化成为机构的目标位姿轨迹。其次,应用并联机构位置反解分析方法,将机构的目标位姿轨迹转化为阀控缸的目标位移轨迹,描述系统的输入关系。采用粒子群算法与三阶Newton-Raphson迭代法相结合的方式提出机构正解的数值解法,描述系统的输出关系。逐步对机构进行速度分析、加速度分析和动力学分析,并基于虚功原理建立机构的动力学方程。依据此方程对传统的阀控缸的负载与力平衡方程进行修正,并对6个通道进行综合,得到该方程的等效质量矩阵、等效粘性矩阵及等效重力干扰,并结合液压缸流量连续性方程、阀的流量方程以及各电气元件的数学模型,建立系统的状态空间表达式模型以完整地描述系统“输入-状态-输出”的过程。再次,针对系统多输入多输出的特点,从控制器的结构、算法及整定方法三个方面分析系统的控制策略。参数整定方面,应用以系统瞬态响应指标为适应度函数的差分进化算法基于模型仿真对参数进行寻优。通过仿真分析对比了PI(比例积分)控制器和FOPI(分数阶比例积分)控制器的性能,说明了同步性的影响,提出了基于峰值时间的同步性指标对差分进化算法的适应度函数进行了修正。最后,通过实验数据对机构的数学模型进行修正,并基于实验分析并行控制结构FOPI和相邻交叉耦合控制结构FOPI的性能,针对系统的不确定性,在FOPI的基础上增加Fuzzy调节器,进一步提高了系统的适应性,并通过机构6自由度摇荡实验证明了Fuzzy-FOPI的控制性能。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.82
【图文】：

船舶运动,坐标系,船舶摇荡

舶在不规则波浪作用下的摇荡运动轨迹。获得摇荡轨迹的方法主要有轨迹测试、水池实验测试和理论计算。由于实际条件限制，本文采用法获得船舶摇荡轨迹。首先对船舶摇荡运动以及机构运动进行描述，定理及动量矩定理，推导船舶运动的动力学方程，结合不规则波浪的计算波浪力及波浪力矩，并利用 Runge-Kutta 方法对船舶运动微分方程到船舶摇荡轨迹，并转化为机构的模拟轨迹。从而，为机构的运动控标。舶摇荡运动的描述船舶运动坐标系的建立分析船舶运动的过程中，可以将船舶视为刚体[104]。为了描述船舶在水动，通常需要建立两种笛卡尔坐标系，即固定坐标系和随船坐标系，如

波谱,波浪能,谱密度函数

)——单元波能量分布密度(m2·s)；——单元波波幅(m)。——频率区间长度(rad/s)。密度函数是单元波波频 ω 的函数，表示波浪的能量相对于波总结海洋状况观测数据得到的，由于观测海域以及假设条件公式有很多形式，其中比较典型的有 Newman 波谱、Piers际拖曳水池会议(International Towing Tank Conference 简称双参数谱等，本文采用第十五届国际拖曳水池会议推荐的双即 21 34 5 4 41 1173691exphST T 波浪的特征周期，h1/3为波浪的有义浪高，两者可由具体海况(2-26)，可以计算得到 1~5 级海况下的波浪能谱密度函数，如

遭遇角,船舶,波浪力计算,船舶吃水

图 2-3 遭遇角Fig.2-3 Wave encounter angle作用下的船舶受力凤[110]提出的波浪力计算方法，将船舶近似为箱度、dmc表示船舶吃水，ρ0表示海水密度，则波-37)计算，为0sin sin22 sin cos 2sin2i mccik dcai c mc i ciBkLg e B d k Bk 0sin cos22 sin sin 2cos2i mccik dcai c mc i ciLkBg e L d k Lk

【参考文献】