欠驅動水面船舶縱向運動控制研究.pdf

1、近幾十年來，海上高速船舶在民用和軍用領域都發(fā)揮了重要作用。縱觀國內外船舶研究領域，絕大多數的水面船舶只安裝了前進方向的推進器，例如螺旋槳和噴水推進裝置，而船舶的轉向裝置以舵為主，從而實現(xiàn)船舶在水面三自由度的航行，這種控制變量少于自由度的系統(tǒng)自然屬于欠驅動控制系統(tǒng)。欠驅動系統(tǒng)在水面船舶中大量存在，使得欠驅動船舶問題的研究顯得尤為重要?；型ё鳛楹Ｉ细咚偻У囊环N，在高速航行中受到縱搖的影響尤為劇烈，縱向運動對于船體的航行性能和安全性能造成很

2、大威脅，因此本文以滑行艇作為切入點展開研究。本論文開展的研究工作分為以下幾個方面:
　　首先，本文對課題的研究背景和相關理論的研究進展、所存在的問題及論文的整體思路進行簡略闡述。定義了欠驅動系統(tǒng)以及欠驅動控制對于船舶控制具有的理論和實際應用的重要意義，指出了欠驅動系統(tǒng)控制的難點和所需要解決的問題。結合國內外欠驅動船舶的研究現(xiàn)狀，做出了概括和總結。之后，針對國內外船舶縱向運動研究的現(xiàn)狀進行了概括和分析。最后，針對欠驅動船舶縱向運動控

3、制存在的問題，給出了本論文的研究思路，提出了一種通過周期變推力抑制滑行艇縱向運動的控制策略。
　　針對欠驅動船舶縱向運動的特點，通過忽略橫搖、橫蕩和艏搖，對欠驅動船舶六自由度模型進行了簡化。針對船舶的動力學特性給出了水動力和水動力矩的方程及其變換公式，得到了滑行艇的運動學方程和動力學方程，并對滑行艇的動力學進行了分析，明確了各項動力系數的物理意義及表達式。上述建模工作的完成，為后續(xù)的研究工作打下了基礎。
　　此后，給出了高速

4、船舶縱向與垂向相互耦合的方程表達式，根據經驗公式和現(xiàn)有的船體實驗，簡化并求解出艦船的回復系數、阻尼系數、附加質量等參數。本文利用Routh-Hurwitz穩(wěn)定性判據，對高速艇的縱搖-垂蕩耦合方程進行推導，并對其穩(wěn)定性進行判定，判定結果能夠指導高速艇在穩(wěn)定區(qū)域航行。利用Matlab中的GUI編程構建一個窗口界面，用戶在該界面輸入例如船寬、船長、重心縱向位置等參數，通過仿真能夠得到一系列相關曲線，各組曲線揭示并驗證了航速、重心縱向位置、長寬

5、浸濕比等參數對高速船舶縱向運動的影響規(guī)律。上述規(guī)律對于后續(xù)章節(jié)的控制方法應用工作的開展提供了理論指導。
　　之后，本文提出并論述了周期變推力減縱搖的原理:即利用海豚運動的周期性，在恒定推力的基礎上疊加一個變化的推力，抑制縱搖和垂蕩的變化。通過開環(huán)仿真試驗，能夠觀察到周期變推力是如何影響高速艇在運行中的縱向運動和航行速度，并對此總結出規(guī)律。由于周期變推力會改變高速船舶的縱搖和航速，固定的推力周期會在之后的航行中同船舶的縱搖周期產生交

6、錯，反而起到增搖的反效果，因此有必要通過閉環(huán)控制，將縱搖信息（縱搖角度、縱搖角速度等）進行反饋，使變推力的周期隨著縱搖響應周期的變化而變化，使變推力的幅值隨著縱搖幅度的減小而減小，最終達到期望的穩(wěn)定航行狀態(tài)，而與此同時，并不會降低航速，影響船舶的高速運行性能。最后，通過引入柴油機伺服系統(tǒng)，將周期變推力控制轉化為柴油機轉速控制，通過仿真驗證了變推力減縱搖在理論上的可操作性。
　　本論文的研究成果具有重要的學術價值和潛在的工程應用前景