马达驱动全航速减摇鳍动力系统及其控制器设计学士学位论文(编辑修改稿)

马达驱动全航速减摇鳍动力系统及其控制器设计学士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

（ 2） 传统减摇鳍发展现状 1889 年，英国人约翰 桑尼克罗夫特取得了减摇鳍的发明专利，这是迄今为止关于减摇鳍最早历史记载。 1923年，日本的元良信太郎设计世界上第一套减摇鳍装置，并将鳍成功的应用在了一艘内燃机船上。 1935年，英国 Brown Brother 公司在一艘 2200吨的大型海峡轮渡船上安装了减摇鳍装置，运营后表明，船舶的横摇运动降低较为明显。 1985年英国的“玛丽皇后”号船舶在海上进行了恶劣海况下的减摇实验，结果表明减摇鳍取得了非常好的减摇效果。 自此，传统减摇鳍开始蓬勃发展，大量的应用于海军舰船和大型邮轮等中高速船舶上。 传统减摇鳍开始大放异彩，世界各国公司纷纷开发并推出了自己的减摇鳍装置，如英国的 RollsRoyee公司、 Victric Muirhead公司，美国的 Sperry Marine公 司、 VT NaiadMarin。 公司和 Q~公司，德国的 SimplexCompact公司，日本走菱重工集团和韩国的 Krosys 公司等。 我国的减摇鳍研究和应用虽然起步比较晚，从上世纪 60年代开始研制，目前主要研究单位有中国船舶重工集团公司下辖的 704研究所和哈尔滨工程大学，但在他们辛苦卓绝的探索和研究下，国内的传统减摇鳍设备发展越来越迅速和成熟， 704 所研制的减摇鳍产品己经广泛的应用于军船上，并向民用市场发展，还出口到了东南亚等国家。 减摇鳍控制系统研究发展现状 目前， PID控制器仍是减摇鳍系统的主流控制器 ， 因其结构简单，可靠性好，工程上实现起来容易而得到广泛的应 用。 在 PID控制的基础上，刘忠伟提出将遗传算法应用于船舶减横摇 PID控制中，通过遗传算法对 PID控制器的参数进行整定，取得较好的减摇效果。 李高云等人设计了一种 GAFC（ 基于遗传算法的模糊控制 ） 来改善 PID 控制哈尔滨工程大学学士学位论文 7 器适应性差的问题，结果表明， GAFC PID复合控制器具有更好的控制效果 ； 叶瑰的等人通过采用模糊参数自整定 PILL 控制器，实现了系统特性变化与控制变量直接的非线性映射关系，有效地抑制了噪声干扰。 但是，船舶在海上航行时，所遇到的海况是变化不定的，与实验中设计的有着很大不确定性。 因此，虽然通过自整定得 到的 PID参数在实际中的控制效果往往不理想。 金鸿章、郭晨教授等人将智能控制应用到了传统减摇鳍的控制器中。 王科俊提出的传统减摇鳍单神经元控制器克服了传统 PID 控制器适应性差的缺点，有较强的容错能力。 李晖教授提出的传统减摇鳍逆模式小波神经网络自适应控制器增强了控制器的自适应能力，减摇效果更好。 论文主要研究内容 传统中高航速减摇鳍的研究和应用已经十分成熟，本文重点研究的是零低航速减摇鳍升力模型以及全航速下减摇鳍的控制策略。 文章主要从以下四个方面展开 ： （ 1） 分析零低航速减摇鳍的减摇 原理以及工作方式 零低航速减摇鳍的工作原理不同于传统中高航速鳍，它需要急速的拍动来产生足够的升力，这样才能够抵消横摇干扰力矩，而鳍的工作方式又分为横向和纵向拍动两种，鳍又分为单翼和双翼，最后综合考虑与中高速鳍的匹配度以及结构、工程实现和驱动功率，选择纵向拍动模式。 （ 2） 建立鳍的升力模型 鳍上产生的升力十分复杂，建立精确的升力模型对后续控制至关重要。 利用流体力学的相关知识分别建立零低航速鳍的基于形状阻力和基于柏拉修斯定理的升力模型以及中高航速鳍的升力模型。 （ 3） 建立鳍的物理模型，利用流 体力学 Fluent软件对鳍进行数值仿真 通过 Gambit软件建立减摇鳍的二维网格模型，导入 Fluent软件中采用动网格技术，分析鳍上的升力特性，为减摇鳍的增升提供基础。 （ 4） 制定全航速下减摇鳍控制原则和策略，建立并仿真海浪干扰模型，最后进行全航速下减摇鳍的仿真研究 全航速分为零低和中高两个阶段，以 6节航速为分界线，减摇鳍分别采用不同的工作方式来减摇，建立并仿真长峰波海浪，对两种工作模式的鳍都采用 PID控制算法，仿真取得较好的减摇效果，表明全航速下减摇鳍控制系统理论上是可行的。 哈尔滨工程大学学士学位论文 8 第 2 章 减摇鳍 的 工作原理 减摇鳍 的 系统结构 船舶减摇鳍电驱动控制系统主要由 ： 异步电机交流伺服系统 ； 减速器 ； 减摇鳍 ； 船舶横摇 ； 海浪仿真和鳍角控制器等几个部分组成。 在海浪有效波倾角与转化为有效波倾角的鳍角的共同作用下，通过船舶横摇模型可以知道船舶的横摇角度，根据船舶的横摇角度，我们可以通过控制器校正得到抵抗横摇所需要的扶正力矩，由鳍角给定值与扶正力矩两者之间存在转换系数 aDhK （ D 船舶排水量 ； h 船舶横稳心高 ； aK 鳍角到波倾角的转换系数 ）。 可以得到异步电机交流伺服系统的鳍角给定值。 通过异步电机交流伺服系统，使电机旋转相应的角度，电机输出角度经减速器减速，得到一定的减摇鳍转动角度，输出相应的力矩来抵消船舶横摇扰动力矩。 该系统电路采用了 SPWM电压型逆变器， 转速采用转差频率控制，即异步电动机定子角频率 1w 由转子角频率 w和转差角频率 sw 组成。 这样，在转速变化过程中，电动机的定子电流频率始终能跟随转子的实际转速同步升降，使转速的调节更为平滑。 船舶减摇鳍电驱动控制系统结构原理图如图。 图 船舶减摇鳍电驱动控 制系统结构原理图 减摇鳍系统的减摇原理 减摇鳍参照固定翼飞机的机翼来设计，它的鳍面形状类似小型飞机的机翼，每套减摇鳍系统装有两个大小完全相同的鳍，对称的安装在船两侧，由两舷伸出船体，安装在船舶吃水线以下，工作时鳍绕鳍轴转动。 船舶在航行中受到水文环境的扰动产生横摇时，哈尔滨工程大学学士学位论文 9 横摇传感器检测到船舶的横摇角，在减摇鳍控制系统的指令下驱动伺服机构，驱动两只鳍打到角度相同方向相反的角度，流过鳍上下表面的水使减摇鳍产生升力，从而产生一个扶正力矩来对抗横摇干扰力矩，从而减轻船舶横摇。 由 船舶横摇模型 可知 ：   xx II 为 惯性 力矩， uN2 为船舶阻尼力矩， Dh 为船舶恢复力矩， Dha，为海浪的扰动力矩。 安装上减摇鳍装置后，由减摇鳍上的升力产生的扶正力矩 （ 控制力矩 ） 来对抗横摇干扰力矩， 船舶横摇方程 变为 ：   cuxx KDhDhNII  12  (21) 若横摇干扰力矩与控制力矩正好大小相等，方向相反，则上式右边等于零，船舶横摇就会停止。 减摇鳍的减摇原理是基于力矩对抗相抵消。 中高航速减摇鳍的工作原理 常规减摇鳍是一种能在中高航速下有效减摇的装置。 它由控制器部分，驱动减摇鳍的随动系统以及机械鳍三部分组成。 减摇鳍和小型机翼形状相似，升力的产生原理也都是依靠流速。 普通的减摇鳍通常采用 NACA 标准翼型，置于水中的减摇鳍，当一定速度的水流流经打到某个角度的鳍面时，由于水流在鳍面上下表面存在一个距离差，由伯努利流 体的连续性原理可知，它们经历的时间相同，而上下表面流体流速不相同。 这样由于上下两个鳍面之间因为压差的存在，继而产生升力。 船舶以中高速航行时，角速度陀螺仪将检测到的船舶横摇信号经过放大处理传送到减摇鳍的控制器中。 控制器对横摇信号进行运算后，按照一定的控制规律通过伺服系统驱动鳍转动然后通过相应的驱动鳍进行转动，让两个对称的鳍打到相反的鳍角，由于水流的作用使一个鳍形成向上的升力，而另外一个鳍则形成向下的升力。 两个鳍产生的控制力矩 （ 扶正力矩 ） 与海浪的横摇力矩相抵消，这样就能减轻船舶的横摇。 其原理如下图所示 ： 哈尔滨工程大学学士学位论文 10 图 传统的减摇鳍减摇原理图 减摇鳍升力作用线与减摇鳍的中轴线垂直，因此 ： ffc LlK cos2 (22) 式中 ： f 为鳍轴的轴线与自鳍中心到船舶重心的连线之间的夹角， rad ； fl 为升力的力臂， m ； 为单个鳍上产生的升力。 通常 f 非常小，因此有 1cos f ， 故式 （ 22） 可以变为 ： fc LlK 2 (23) 联合式 （ 22） 与 （ 23） 可以得到 ： 2VCAlK LFfc  (24) 由上式 （ 24） 可知，对于某个确定的减摇鳍系统来说，扶正力矩 cK 的大小主要与航速 V 和升力系数 LC 有关，升力系数 LC 又与减摇鳍攻角 f 成对应关系。 所以，当船舶在中高航速下以一定的航速 V 行驶时，利用控制器来控制鳍角，就能改变控制力矩 cK 的大小，从而尽可能多的抵消海浪横摇干扰力矩 1Dh ，以达到减摇的目的。 221 VCAL LF哈尔滨工程大学学士学位论文 11 减摇鳍的攻角与升力系数成正相关关系，即鳍角越大升力也越大。 然而，当鳍角增加到临界值时，此时流经鳍面的水就不再沿着鳍的表面均匀流动，而是产生低速的小漩涡，使鳍发生抖振，这样鳍面上的升力急剧的下降，这就是“失速”现象。 因此，为了防止失速的产生，中高航速的减摇鳍控制系统中必然会鳍角的最大值进行限定，一般不超过 30176。 当海浪干扰因素使船舶发生横摇时，横摇角信号传感器将检测到的信号传给控制器，控制器对横摇信号进行处理，算出鳍角应该打到的角度，伺服液 压系统驱动鳍转到指定的位置角度。 当船舶的横摇角不断变化时，鳍角也随着相应的改变，产生合适的扶正力矩来抵消横摇力干扰力矩 ， 减摇鳍的控制系统原理图如下图所示。 图 采用鳍角反馈的减摇鳍控制系统原理框图 如果船舶的航速一定，则鳍上的升力和鳍角的关系可进行线性化处理。 目前，减摇鳍控制系统大规模采用的仍是 PID控制器。 此控制器由比例环节 P 、 积分环节 I 和微分环节 D 构成，它是控制界最经典的算法。 其优势在于 ： 具有很强的灵活性，能方便的调整三个环节参数的大小，过程迅速，实现起来也容易 ； 可靠性好，系统参数的影响对控制效果微乎其微。 零低航速减摇鳍的工作原理 根据上式 （ 24） 可以看出，普通减摇鳍上产生的升力与船速的二次方成正相关关系。 因此，如果船舶以很低的航速行驶，或者处于停泊状态时，减摇鳍上产生的升力就会近乎为零，扶正力矩也变得很小，无法与 较大的横摇力矩相抵消，所以普通减摇鳍就无法有效的工作。 鉴于此种情况，一种新型的减摇鳍应运而生，零低航速时，鳍角的位置一定来对抗横摇力矩是毫无效果的。 因此，零低航速减摇鳍采取鳍绕鳍轴主动急拍的方式产生升力，运动方式如图。 哈尔滨工程大学学士学位论文 12 图 单翼零低航速减摇鳍的运动方式示意图 零低航速减摇鳍与仿生鱼的尾鳍推进装置看起来虽然十分的相似，但是它们还是有所不同。 零低航速减摇鳍利用的有效部分是总作用力沿竖直方向的分力 ， 而仿生鱼尾鳍利用的有效部分则是总作用力沿平行于前进方向的分力 ,鳍上的升力生成原理如图 示，从图中可以看出，鳍上的升力和鳍的拍动角度为余弦关系，拍角越大，升力反而越小，通常拍动角不超过 60。 图 零低航速减摇鳍的升力产生原理图 零低航速减摇鳍的工作方式 基于单翼横向拍动的零低航速减摇鳍 由鸟类的飞行运动可知，当鸟儿起飞时，上下拍动翅膀，由此来产生升力。 零低航速减摇鳍就是基于此原理，拍动方式有垂直于船航行方向的横向拍动鳍和平行于船速方向的纵向拍动型。 图 （ a） 是单翼横向 拍动型零低航速减摇鳍的基本结构示意图。 哈尔滨工程大学学士学位论文 13 从图 （ a） 可以看出，零低航速减摇鳍与普通减摇鳍很相似，安装位置都是在船体的般部。 然而，零低航速减摇鳍的鳍轴和普通的减摇鳍是完全不同的。 普通的减摇鳍只有一根与船舷垂直的鳍轴，鳍面安装在于船体平行的位置 ； 而单翼横向拍动型鳍则一共有两根鳍轴，鳍轴 1和普通减摇鳍鳍轴相同，垂直贯穿于船体，鳍轴 2连接在鳍轴 1上，与船体平行，鳍面则安装于鳍轴 2之上，与船体相垂直，鳍轴 1和鳍轴 2之间采用机械连动装置，使两根鳍轴能保持固定，并传送动力让鳍面沿着鳍轴 2上下拍动。 横向拍动鳍能 产生较大的升力，并且对船舶的行驶几乎没有阻力，但是它机械连动装置结构复杂，需要驱动的功率大，无法使用船舶的推进能量，更为糟糕的是，在中高航速下无法有效的进行减摇工作。 （ a） 单翼横向拍动型的零低航速减摇鳍 （ b） 单翼纵向拍动型的零低航速减摇鳍 图 单翼零低航速减摇鳍 图 基于单翼纵向拍动的零低航速减摇鳍 如上图 （ b） 所示的为单翼纵向拍动型零低航速减摇鳍的基本结构示意图。 从图中可以看出，和普通的减摇鳍相比，纵向拍动型零低航速减摇鳍无论是从结构还是安 装的位置都是完全一样的。 它有唯一的一根鳍轴和套在鳍轴上的鳍面组成。 两者相比最大的不同就是改变了鳍的拍动方向，虽然也是上下拍动，但鳍面与船体是平行的。 纵向拍动鳍产生的升力比横向拍动鳍在同样的运动条件下要小一些，通过增大鳍面积。