小水線面雙體船運動姿態(tài)預(yù)報與控制策略研究.pdf

1、為了滿足日益增長的海洋營運需求和更好地開發(fā)海洋資源，對耐波性等船舶性能提出了更高要求，雙體船等耐波性良好的高性能船舶得到了極大的關(guān)注和發(fā)展。小水線面雙體（Small Water-plane Area Twin Hull，SWATH）船通過用兩個下潛體把排水體積移到水下，增加運動阻尼，減小水線面積，使其具有遠遠好于一般單體船的耐波性。但由于其水線面狹小，使得SWATH船航行時，提供的縱向恢復(fù)力和力矩不足以平衡海浪作用于船上的干擾力和力矩，

2、導(dǎo)致 SWATH船縱向（升沉和縱搖）運動穩(wěn)定性較差。鑒于SWATH船的結(jié)構(gòu)和運動特點，選擇常規(guī)的控制策略很難達到預(yù)期的控制效果。因此，研究SWATH船運動特性，對船舶運動姿態(tài)進行預(yù)報，設(shè)計合理的控制策略，對SWATH船運動姿態(tài)控制具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。
　　為研究SWATH船運動特性，論文首先建立SWATH船運動模型，利用二維半的切片理論對SWATH船水動力系數(shù)進行數(shù)值求解，對SWATH船運動姿態(tài)預(yù)報。同時通過求解船舶運動

3、響應(yīng)，利用穩(wěn)定性、船舶運動周期、阻尼比等性能指標對SWATH船運動性能進行分析。并以一艘SWATH船實為例，對其水動力系數(shù)進行求解，定量分析SWATH船運動特點。研究結(jié)果表明，該 SWATH船縱向運動穩(wěn)定性較差，需要利用穩(wěn)定鰭對SWATH船運動姿態(tài)進行控制。海浪是影響船舶運動的主要因素，為研究 SWATH船在隨機海浪中的運動性能，對海浪作用于SWATH船的升沉干擾力和縱搖干擾力矩進行建模。并根據(jù)SWATH船運動模型特點，給出了SWATH

4、船運動最優(yōu)控制器設(shè)計。結(jié)合海浪干擾和船舶運動模型，設(shè)計SWATH船干擾觀測器，通過對干擾的觀測和補償控制，研究SWATH船的干擾補償控制效能。仿真結(jié)果表明，利用干擾觀測器，將干擾補償與反饋控制相結(jié)合，提高了SWATH船運動姿態(tài)的控制效果。
　　由于SWATH船采用前、后兩對穩(wěn)定鰭對船舶運動姿態(tài)進行控制，這就不可避免的產(chǎn)生了前后穩(wěn)定鰭的升力特性和控制方式選擇等問題。為分析SWATH船前后穩(wěn)定鰭之間的升力特性，利用流體計算軟件對穩(wěn)定鰭

5、動態(tài)升力進行研究，討論前后鰭安裝距離對升力的影響，分析前鰭對后鰭升力特性的影響。通過將升力特性轉(zhuǎn)化為阻尼特性，研究穩(wěn)定鰭升力對SWATH船運動特性的影響。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)SWATH船縱向運動響應(yīng)受穩(wěn)定鰭的影響，利用線性最優(yōu)控制器控制，研究分別控制前對鰭、后對鰭和兩對鰭的控制方式對SWATH船運動姿態(tài)的影響，為穩(wěn)定鰭控制方式的選擇提供依據(jù)。同時根據(jù)實船航行時出現(xiàn)的問題，在不影響縱向運動姿態(tài)控制效果的基礎(chǔ)上，設(shè)計SWATH船減橫搖的控制算法

6、，減少SWATH船上人員運動失穩(wěn)，取得了較好的控制效果。
　　考慮到SWATH船航行過程中，針對由船舶載重變化、運動姿態(tài)變化、航速變化和海浪干擾等因素產(chǎn)生不確定性，建立帶有不確定性的SWATH船運動控制模型。采用模糊自適應(yīng)控制器設(shè)計，利用模糊自適應(yīng)控制對SWATH船運動姿態(tài)控制模型中的參數(shù)變化等不確定性進行補償，有效的抑制了不確定性對SWATH船運動姿態(tài)控制的影響。
　　最后，為預(yù)防SWATH船航行中“埋首”等現(xiàn)象的產(chǎn)生，實