（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船舶模型主动式减摇水舱响应与控制系统.pdf

摘要 船舶在海洋中航行，需要工作在各种不同的复杂海况中，船舶能否安全、平 稳的航行取决于很多因素，在这些因素中，船舶的耐波性能尤为重要。怎样减小 船舶的摇荡，提高船舶的耐波性能，已经成为船舶工程领域的一个重要的研究课 题。经过多年的研究实践，出现了很多不同类型的船舶减摇装置。本文主要研 究在船舶模型实验中，如何应用计算机与数据采集控制电路同外日设备建立响应 与控制系统，以及相关采样控制程序的原理和编写方法，在船舶模型实验水池中 产生的规则波浪上，控制减摇水舱实现减摇功能，重点研究如何减少垂荡运动的 影响，并就该系统所涉及到船舶流体力学及计算机自动控制的有关理论展开论 述，重点研究系统的软、硬件构成，软件的设计思想、组成结构、主要模块，数 字信号处理、数据采集过程及滤波抗干扰的方法。 课题所研究的对象一小水线面双体船。是一种耐波性能优异的新型船舶。其 主要特点是：水线面很小，水下有较大的潜体。小水线面双体船具有高速航行时 静水阻力性能好，推进效率高及耐波性优异等特点，属于高性能船舶，具有广阔 的应用前景。对于这种新型船舶的减摇装置展开研究，对于提高该型船舶性能， 丰富小水线面双体船的理论，具有重要意义。 经过大量的实验工作，该小水线面双体船模型已经部分实现了减摇效果，但 是在信号的响应处理方面还有很多的工作需要处理，由于时间的关系，仅开展了 前期的研究工作。课题所属的研究领域为船舶流体力学。课题来源于上海船舶研 究设计院为渤海油田设计的小水线面油田交通船工程实际项目，由我系船舶试验 水池承担该项目的模型试验项目工程。 关键词：船舶模型实验；主动式减摇水舱；计算机；数据采集控制；数字信 号处理；程序设计；程序流程图。 a b s t r a c t w h e nt h es h i pi s s a i l i n go nt h es e a ，i t s h o u l ds a i lu n d e rv a r i e t i e so fc o m p l e x s e a c o n d i t i o n w h e t h e rt h es h i pc o u l ds a i ls a f e l ya n ds t e a d i l yo rn o ti sa c c o r d i n gt oa l o to ff a c t o r s t h es e a k e e p i n gi st h em o s ti m p o r t a n to n eo ft h e m ，h o wt or e d u c et h e r o l l i n go f t h es h i pa n d i m p r o v e t h es e a k e e p i n go fi th a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c h s u b j e c ti nt h es h i pe n g i n e e r i n gf i e l d a f t e rm a n yy e a r so f r e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t s ，a 1 0 to fk i n d so fa n t i r o l le q u i p m e n tw e r ed e v e l o p e d t h et h e s i sm a i n l ys t u d i e sh o wt o u s ec o m p u t e ra n dd a t aa c q u i s i t i o nc o n t r o lc i r c u i ta n dp e r i p h e r a ld e v i c et oe s t a b l i s ha r e s p o n s ea n dc o n t r o ls y s t e m ，a n da l s o s t u d i e st h ep r i n c i p l ea n dc o d i n gm e t h o do f r e l e v a n ta c q u i s i t i o nc o n t r o lp r o g r a m f u r t h e rm o r et h es y s t e ms h o u l da l s oc o n t r o lt h e a n t i r o l l i n gt a n ko ft h es h i pm o d e lt os t a b i l i z eo nt h er e g u l a rw a v ei nt h el a b o r a t o r y a n de m p h a s i so nh o wt or e d u c et h ei n f l u e n c eo ft h ev e r t i c a lr o l l i ta l s od i s c l l s s e st h e r e l e v a n tt h e o r yo ft h eh y d r o m e c h a n i c sa n dc o m p u t e ra u t o m a t i cc o n t r o l ，e s p e c i a l l yo n t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep a r to ft h es y s t e m ，s o f t w a r ec o m p o n e n t ，a n dt h e d e s i g n t h i n k i n go fs o f t w a r e ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ，d a t aa c q u i s i t i o n ，a n df i l t e rm e t h o d t h es t u d yo b j e c to ft h et h e s i si ss w a t h ，w h i c hi san e wk i n do fs h i pw i t ht h e f e a t u r e so fs m a l lw a t e rp l a n e ，t h e r ei sa b i g g e rs u b m e r g eo b j e c tu n d e rt h e w a t e r s w a t hh a st h ea d v a n t a g e so fg o o dr e s i s t a n c ep e r f o r m a n c ei nt h es t i l lw a t e rw h e n s a i la th i g hs p e e d ，h i g hi m p e l l i n ge f f i c i e n c ya n d g o o ds e a k e e p i n gp e r f o r m a n c e i ti sa k i n do fh i g h p e r f o r m a n c es h i p a n dh a sv a s t a p p l i c a t i o np r o s p e c ts t u d y i n g t h e a n t i r o l l i n gp e r f o r m a n c eo f t h i sk i n do ft h en e w s h i ph a ss i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c e o fi ta n de n r i c h e st h e t h e o r yo fs w a t hs t u d y a f t e ral o to ft e s t s ，t h es w a t hm o d e lh a sr e a c h e dt h es t u d y p u r p o s ep a r t l y , b u t t h e r es t i l li sag r e a td e a lo fw o r kt od oi nt h es i g n a lr e s p o n da n d p r o c e s s b e c a u s et h e t i m ei sl i m i t e d ，t h i sp a r to f j o b j u s tb e g i n ss t u d y i n g t h es t u d ys u b j e c tb e l o n g st os h i p h y d r o m e c h a n i c s ，a n d i tc a m ef r o mt h es w a t h w h i c hw a s d e s i g n e db ys h a n g h a is h i p a c a d e m ef o rt h eb o h a io c e a no i lf i e l d o u r d e p a r t m e n tt o o ko nt h es h i pm o d e l e x p e r i m e n tp r o j e c t k e y w o r d ：s h i pm o d e le x p e r i m e n t ，a c t i v ea n t i - r o l lt a n k ，c o m p u t e r , d a t a a c q u i s i t i o nc o n t r o l ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ，p r o g r a md e s i g n ，p r o g r a mf l o wc h a r t 2 堡：兰竺丝 _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ r 一一 1 绪论 1 1 减摇装置： 为了减少船舶在波浪上的摇荡，造船工作者常使用减摇装置，减摇装置是专门设 计的减少摇荡，改善耐波性能的一类机构的总称。减摇装置的类型很多，常见的有如 下几种： 1 1 ll 减摇鳍： 减摇鳍装置的工作原理：波浪使船舶产生绕纵轴的横向运动，为使船舶的摇摆角 进一步减少，必须施加给船舶个稳定力矩m c t ，该稳定力矩m c t 在数量上尽可能与波 浪扰动力矩m b 相等，在方向上与波浪的扰动力矩相反。前者取决于减摇鳍装置的容量 ( 主要指鳍面积) 。后者取决于减摇鳍装置控制系统的控制质量。装在船舶水线下的鳍 是一块剖面形状对称的流线形板。减摇鳍装置有非收放式和收放式两种。 1 1 2 减摇舵： 舵减摇是最新的减摇技术。舰船的横摇周期一般在7 s 到1 5 s 之问，而首尾舵摇一 般在2 0 s 到4 0 s 之间，靠舵对横摇和首尾摇响应的差异控制舵角，以达到一定的减摇 效果。目前的研究表明，舵减摇的减摇效果可以达到6 0 左右。它不需要另设专门的 减摇装置，在船舶工业界倍受关注。 1 1 3 减摇水舱： 减摇水舱是近几年随着控制技术的飞速发展而兴起的减摇控制装置，与其它减摇 装置相比，它的最大优点是船舶在任何航速下( 即使是停泊) 依然有较好的减摇效果， 也就是说减摇效果与航速无关。减摇水舱的类型按照与海水连通的方式可以分为开式 和闭式，按照水舱本身的控制方式可以分为主动式和被动式。与被动式减摇水舱比较。 主动式减摇水舱有响应快，速度快的特点，但是系统复杂，造价较高。由于减摇效果 与船的航速无关，因此减摇水舱可广泛应用于低速航行的船舶和停泊作业的船舶。 这里先简要介绍被动式减摇水舱的类型及原理。 1 1 3 1 一般被动式减摇水舱简介： 被动式减摇水舱，是一个液体 摆。大量的水从一舷移动到另一 舷，由于重力以及水的动力作用而 产生稳定力矩。减摇水舱有多种形 式，但是它们的工作原理是类似 的。 在船舶上装有被动式减摇水舱 时，船舶的横摇运动和舱内液体的 运动是互相影响的。在简化而充分 精确的情况下，可以认为闭式被动 减摇水舱的舱内液体是一束一元 的流线。因此，用一个坐标就足以 第一章绪论 描述舱内液体的运动，而两个坐标就能描述“船舶水舱”系统的横摇。由于闭式 减摇水舱是装在船内的，而扰动力和阻尼力在其本质上都是重力。所以，船舶和闭式 水舱的液体系统具有双摆的特性，其动力特征可以用具有两个自由度的双摆系统来描 述。开式减摇水舱和船舶一起组成三个自由度的体系，因为两个水舱是独立工作的， 但是，在规则波浪上以及波长和船宽相比较很大时，可以假设两舷水舱中的总水量是 不变的，从而使自由度数目减少到两个。 黟：_ 一k 7 。，。，j 二。 。，。；一_，。j 图 2 船舶在一特定规则波浪中，受到波浪作用做受迫振动，横摇周期等于遭遇波浪的 周期，由理论计算可知发生谐摇时船舶横摇振动在相位上落后遭遇波浪n 2 ，也就是 1 4 周期。同时，被动式减摇水舱内的水受到船舶的作用产生横向移动，由于它的重力 和部分惯性作用而产生稳定力矩，在被动减摇水舱中左右舱室内水量的增减可以等效 成水流横向移动。这种周期性的横向移动同样是种受迫振动，其周期等于船舶横摇 周期，也就是等于船舶遭遇波浪的周期，其相位落后于船舶横摇周期。当减摇水舱内 水的周期振荡运动和船舶横摇的相位差也正好等于n ，2 时，也就是减摇水舱的周期振 荡落后波浪扰动n 相位，此时舱内水产生的稳定力矩和波浪的扰动力矩符号相反，减 摇水舱将起到良好的减摇作用。在某个特定频率的遭遇波浪中，这可以通过减摇水舱 恰当的初始设计来实现。被动式减摇水舱的减摇效果，是由减摇水舱振荡与船舶横摇 周期的相位差，和减摇水舱的振幅共同决定的。被动式减摇水舱做受迫振动时的振幅， 与船舶横摇角有关，还与减摇水舱的自由振荡周期有关。当减摇水舱自由振荡周期和 船舶横摇周期相等时，也就是发生共振时，减摇水舱振幅达到最大，此时达到最佳的 减摇效果。实际上，对于自由振荡周期不能调节的被动式减摇水舱来说，其自由振荡 周期只能殴计成与船舶自由横摇周期相等，只能在包含它的一个小范围内起作用，在 其他时候发挥的减摇效果有限。在大于和小于船舶横摇频率的一个范围内，水舱水的 流动甚至会增大船舶横摇幅值。这在实际应用上影晌了被动式减摇水舱的减摇效果， 限制了其广泛使用。 兰二兰堕堡 1 1 3 2 可控式被动减摇水舱简介： 近年来，随着对被动式减摇水舱研究的深入，又出现了可控式被动减摇水舱，下 面就介绍了其中的种可控式减摇水舱的组成及原理。 它在左右水舱设有若干空气阀，也就是主阀，水舱内的空气通过主阀通向大气或 通向左有贯通的空气通道，主阀利用船舶本身横摇时发出的信号通过控制装置自动的 启闭。如果减摇水舱的自由横摇周期等于船舶的横摇周期，则主阀是敞开着的，变成 常规的被动减摇水舱。也就是，减摇水舱的自由横摇周期与船舶横摇周期相等时，获 得最大的减摇效果，但实际上这种情况很少能出现。 可控式减摇水舱的周期不是固定不变的，可以通过主阀的启闭来改变水舱的横摇周 期，其过程如下图所示。 a f g 空气 0 d t f i她 左舷 右簟 左矗 富蠢 图3 在a 处，船向左横摇到最大横摇角，并开始向右横摇，在此瞬间横摇角速度为零， 角加速度为最大。水舱内的水以最大速度自右向左流动，左右舷主阀都开着，舱内的空 气左右自由流动，或自由通向大气。 在b 处，水舱内的水已达到左舷的最高位置，船舶的横摇角速度和角加速度均处 于中问值。此时，自动控制系统发出信号，左舷主阀关闭，使舱内的水阻塞在现有位置 上，水暂时不向右舷流动，保持最大的向左减摇力矩不变。船舶由于波倾的影响，继续 向右横摇，经正浮位置c 到相位d 。自相位b 到相位d 力矩保持不变。到了相位d ， 船舶的横摇角速度和角加速度均处于中间值，自动控制系统发出信号，左舷主阀打开， 于是舱内水开始自左舷流向右舷。在相位e 处船舶达到最大横摇角，并开始向左横摇， 在此瞬时横摇角为零，角加速度最大。过了相位e 之后，船舶开始向左横摇，到了相 位f ，舱内水到右舷最高位置。自相位d 到相位f 主阀均打开。过了相位f 后，自动 控制系统发出信号，右舷主阀关闭，于是舱内水阻塞在右舷，达到最大向右减摇力矩， 第章绪论 经过船的正浮位置相位g ，到达相位h 。相位f 争相位h ，右舷主阀一直开着，最大的 右倾力矩不变。 到了相位h 后，自动控制系统发出信号，右舷的主阀打开，于是舱内的水开始自 右向左流动，又回到相位a 。这样周而复始，循环不已，达到减摇的日的。 从理论上说，不论高水位或低水位，只要一舷的主阀关闭，就可以将水阻塞，不 让它流动。高水位一舷舱顶的空气体积较小，故关闭高水位一舷主阀水位f 降的距离较 小，减摇力矩较大。 从可控式被动减摇水舱的工作原理可知，当水舱固有自由周期等于船舶自摇周期 时，减摇效果最好，不需要损耗船上任何能量，完全利用波浪的能量。如果水舱固有自 由周期小于船舶自摇周期时，减摇水舱便会自动控制主阀启闭，是舱内水在一舷的最高 位置保持一段时间，这相当于延长水舱自摇周期，达到与船舶自摇周期相等，从而达到 减摇的目的。但是，大于船舶自摇周期时，被动式减摇水舱无法缩短水舱自摇周期，也 就无法达到减摇的目的。 它的基本原理是在船的1 1 2 或1 3 总长的两舷侧设置两对水舱，通过检测船的横摇 角和横摇角速度，选择不同的水舱组合，控制气阀的启闭，使水舱内水的横向流动周期 与船的摇摆运动周期同步方向相反，从而达到消减摇摆幅度的目的。由于减摇水舱装置 可将摇摆角度从3 0 度减少到1 5 度，减幅达5 0 ，由横摇导致的危险性可大大降低； 另外，船舶摇摆角每增加1 度，船舶阻尼摇摆力就要相应的增加0 5 o 9 。5 0 的 减幅将大大节省能源。 1 2 计算机控制技术在船舶领域的应用： 电予计算机产生于上个世纪4 0 年代，由美国宾夕法尼亚大学研制成功。在它被发 明的初期，由于其体积庞大，造价昂贵，操作繁琐，它的应用领域仅限于美国的军事、 政府及部分商业领域，少量应用于科学计算领域。 随着科学技术的发展，大规模集成电路制造技术日臻成熟，电子计算机的体积不断 缩小，制造成本不断降低，性能却得到了大幅度的提高，中央处理器的运算速度由最 初的5 0 0 0 ，0 0 0 次s 上升到现在的1 0 9 次s ，型号由最初的8 0 8 6 、8 0 2 8 6 、8 0 3 8 6 到现在 的奔腾i v ，以极其惊人的速度飞速发展。计算机硬件技术的发展带动了计算机软件行 业的发展，从微型机到大型机出现了很多不同的操作系统，新型的图形用户界面操作 系统更加友好，根据各行各业的不同需求所开发的应用软件也如雨后春笋一般纷纷出 现，它们在所应用的行业中发挥着不可替代的作用。微型计算机的价格和可应用范围 已经得到了广大用户的认可，对计算机的操作和使用不再仅仅限于受过特殊训练的专 家和操作员，普通的用户稍加培训即可对计算机进行操作，完成自己所要完成的任务， 因此计算机尤其是微型计算机在世界范围内得到了广泛的应用，涵盖了工程计算、航 空航天、信息管理、财务管理、生物医学、工业控制、辅助教学、辅助设计及制造等 等诸多领域。 随着这种高性能计算及控制工具的不断发展，它也被应用于船舶工程及其试验领 域，促使了船舶工程领域发生了深刻的变化。目前计算机在船舶辅助设计、辅助制造、 船舶动力系统、船舶通信导航系统等方面都有着广泛的应用。在船舶模型实验方面， 4 第一章绪论 有越来越多的船舶模型实验项目已经借助计算机作为重要的辅助研究_ t 具，还有的船 舶实验水池已经开发研制出了完善的计算机实验应用软件。在这些实验软件中，计算 机数据采集分析系统软件就是其中的突出代表。船舶模型实验数据的准确性与可靠性 与船模水池实验测试系统的精度有直接的关系，应用计算机对船舶模型实验的数据进 行采集、分析处理是提高测试精度及实验效率，实现船舶模型实验研究现代化的重要 手段。目前国内一些科研单位己经研制开发出了以船模实验为主要应用范围的计算机 数据采集分析处理系统。该系统主要由高速数据采集板、工业控制计算机、数据采集 电路和船舶模型阻力、自航、敝水、耐波等实验分析、处理软件组成，并以技术先进、 稳定可靠、实用性强等特点，完全替代了传统的船舶模型性能实验测试、分析、处理 方法。， 随着实验室科研装备水平的不断提高，目前计算机也已经成为我校船舶实验水池进 行模型实验的主要工具，同时也研究开发了一些适合实验水池实际环境的实验软件， 在模型实验中发挥了重要作用。 兰三至圭塑茎堡塑查堕 2 主动式减摇水舱： 2 1 主动式减摇水舱的原理： 针对传统被动式减摇水舱自由横摇周期不能调整的问题，利用自动控制技术实现 对被动式减摇水舱的实时控制，调整其自由振荡周期始终与遭遇波浪的周期相等，电 就是成为可控式被动减摇水舱。再进一步，在实现自由振荡周期与遭遇波浪的周期相 等的基础上，在减摇水舱一个周期的不同阶段对舱内水的流动分别加以控制，保证水 舱横摇周期与船舶横摇周期的相位差始终等于l ，4 周期，以达到最佳减摇效果，这就成 为主动式减摇水舱。 对于开式主动式减摇水舱，实船上可以利用控制进水口大小来调节减摇水舱进水 流量，从而实现对减摇水舱摇荡周期的控制。减摇水舱结构和内壁粗糙程度，工作环 境空气的温度、湿度和压强，通气管形状、长度和内壁粗糙程度，通气孔横截面积大 小和形状等因素都对其减摇性能有明显影响。特别是通气孔横截面积的大小，对进水 流量具有同样的控制作用，在进水口足够大的情况下，完全可以利用调节通气孔来实 现对减摇水舱周期的控制，其效果是同调节进水口相同的。在实际工程应用中，进水 口控制装置的体积、重量和造价都要明显大于通气孔控制装置，而且进水口控制装置 要在海水中进行工作，其维护成本要比在空气中工作的通气孔控制装置高的多。所以， 在实船上通常是利用调节通气孔来实现对主动式减摇水舱周期和相位的控制。 在通过调节通气孔实现对减摇水舱周期控制时，其他因素特别是进水口对其有一 定影响。但以通气孔为主要制约进水流速的因素时，可以把进水口的影响考虑到沿程 损失里，从而简化模型，易于实现理论计算。同时，忽略进水口流场的影响，并且把 通气管形状、长度和内壁粗糙程度，通气孔面积和形状等因素对进水流速的影响统一 为单一参数。实际上，在实船详细设计出来之前，通气管有关尺度无法确定，通气口 对进水流速的影响用一个参数表示已经足够了。在最初设计上，对于通气管的直径， 只需利用气体动力学估算出近似值，然后适当扩大取管道的标准值即可。在实际控制 上，可以利用传感器采集船体横摇时间及摇荡幅度信号，在单片机上设计程序分别计 算出船舶横摇周期，与事先计算好的船舶横摇周期与通气孔大小的函数关系式进行比 较，找出最佳的通气孔面积。之后，单片机发出指令，通过控制电路使通气口处的阀 门开口调整到合适的大小，使得水舱的横摇周期随时与船舶横摇周期保持相等。以上 过程持续执行，实现减摇水舱横摇周期与船体横摇周期的动态平衡。由此可以看出， 在初始设计时，减摇水舱的固有自由振荡周期一定要小于船体主要遭遇横摇周期，保 证船舶主要遭遇横摇周期包含在调整后减摇水舱自由振荡周期的范围之内，因为控制 装簧并不直接为减摇水舱提供动力，通气管的阻尼作用只能延长减摇水舱的自由振荡 周期。 2 2 船舶模型主动式减摇水舱的实现： 2 2 i 课题研究船舶模型简介： 本课题所研究的实船类型是小水线面双体船，是一种发展较快的高性能船舶。小水 第一章主动式减摇水舱 线面双体船的设计概念早在1 9 0 0 年以前就已提出。1 9 7 3 年美国建成了世界上第一艘小 水线面双体船。 与普通单体船相比较，可以发现有小水线面双体船具有诸多性能优势。高速航行时 的静水阻力性能好。对于小水线面双体船而言，提供船体浮力的排水量集中于距水面 较深处的主体，使得水线面积大为缩小，有效的降低了兴波阻力。小水线而双体船片 体的横向尺度与纵向尺度之比值较单体船小，一般为i l o l 2 0 。这样，在相应的条 件卜| ，小水线面双体船的兴波阻力和粘压阻力也比常规船舶小。小水线面双体船最突 出的优点是具有优异的耐波性。它在波浪中航行时失速很小，是其优异耐波性的一部 分。推进效率高。它的下部主体是比较规则的细长体，在尾部桨盘处的伴流即均匀又 比较丰满，有助于船身效率的提高。与单体船相比，小水线面双体船的螺旋桨轴线沉 深( 离水面距离较大) ，螺旋桨直径选取所受的限制较少。因而在设计时可选用敞水效 率较高的大直径低转速螺旋桨方案。小水线面双体船的推进系数一般可达0 7 以上， 因而常规单体排水型船在o 5 左右。 下面就是实船模型的照片。主动式减摇水舱开在位于船模下面圆柱形浮体的舯部。 图4 z 2 2 课题研究船舶模型减摇水舱： 以下结合上面的实船模型，对本小水线面双体船所采用的主动式减摇水舱的工作 方式、减摇机理及理论计算进行说明。 卜面就是该小水线面船模型的一侧下部浮体的横剖面图。( 图) 第二章主动式减摇水舱 薯誊善璧薹 蓍雾量 目目寓 苣 置 墨冒写鸟旨誊菇 霜 蠹 一 一一 一 * 杠n -2 ”脚2 “甜誊雅i 删nni ” 、 整，j，l，j 舶啊一i5 锄譬| l。蚕一z ， ；4础。曼 锄dhp掰 tt j 、 窭一 、。 ，t _ - 1 m j i i“l f f | i l l l l筠 r ，二 删 、 晕莲韬曳 j捞矿舳能 棚o 五 k 攀蕊沁一， 刊殿删凡r- 血7 、眵盏 黼。虏荔k矽血m _ - 删阻掣i | ；- 、 也燃l l 1 1 t 唱锄强 上置飘鼹 满! 强眦觑i 册吼 翻鞋 瓣 釜 ： 、 谌 梨e 图5 在该船模下部左右两侧浮体的舯部各开辟一个开式减摇水舱，该水舱下部开口直 接与海水相连，上部封闭，但通过两个气管与外界相连，一条气管与空气压缩机连接， 通过下面开关的启闭来控制是否向减摇水舱内压入气体；另一条直接与空气相连，通 过下面开关的启闭来控制是否从减摇水舱内排出气体。 2 2 3 实验模型主动式减摇水舱原理： 下面图示了一侧的水舱在水池中的受力情况( 图6 ) 。图中减摇水舱受到的向上力f 是水的浮力，它是由减摇水舱排开水的体积决定的；减摇水舱受到的向下的力t 是减 摇水舱内所承载的水向下的重力，它是由水舱内水的体积决定的。力臂l 是- - n 的减 摇水舱相对于船模中纵剖面的距离。当船模在实验水池中受到波浪的扰动力矩的作用 产生横摇运动时，左右两侧的减摇水舱随之产生运动。 假设波浪的扰动力矩为： b s i n ( r o o t + 0 0 ) b 为波高，( i ) 。为波浪运动频率，中。为波浪的初始相位角。 一 一 兰三童兰垫茎壁堡查些 _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ j _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 目6 由已知条件可得减摇水舱的产生稳定力矩肘为： m = ( f r ) 8 l 8 2 实际上由于减摇水舱内水的体积不断变化，减摇水舱所受到的重力t 的大小也就 不断变化，假设船模的排水量不变，即浮力f 不发生变化，力臂l 不发生变化，则稳 定力矩m 随着重力t 的变化而变化。根据计算和实验都可以得出，稳定力矩肠的变化 过程电可以表示为： a s i n ( 甜+ 妒) a 为浮力f 减去重力t 的幅值，u 为频率，咖为运动初始相位角 在整个主动式减摇的控制过程中，实际上稳定力矩m 的幅值a ，频率u 及相位角 中，都是系统的控制对象。与被动式减摇水舱相似，在理想状态下，稳定力矩的幅值 与波浪扰动力矩相等。由于水舱内水的重力由水的体积决定，水的体积又可以通过水 舱上部压入的气体来控制( 假设气体的压缩忽略不计) ，即水量m = 流量时间，其中 流量= 气体流速气管横截面积。这样在流量已知的情况下，就可以通过控制进气时 间来达到控制稳定力矩幅值a 的目的。频率u 的控制可以通过控制周期t 来控制，在 理想状态下，应该达到稳定力矩的周期与波浪扰动力矩的周期相等。初始相位角巾的 控制可以通过控制减摇水舱进气管和排气管的启闭时刻来控制，如果达到初始相位角 中与波浪的初始相位角相差1 8 0 。，即妒一0 0 = 1 8 0 ，贝f j 稳定力矩与波浪扰动力矩的作 用正好相反，从而就可以使船模在波浪上稳定，达到类似于被动式减摇水舱的减摇效 果。 9 第二章主动式减摇水舱 由上图可以看出波浪扰动力矩波形b s i n ( 峨r + 0 0 ) ，理想稳定力矩波形 a s i n ( r o t + 们，两个力矩波形的幅值相等，周期相等，相位角相差1 8 0 。，达到理想的 减摇效果。但是从实际稳定力矩的波形可以看出，它的幅值小于波浪扰动力矩的幅值， 周期大于扰动力矩周期，相位角也不是相差1 8 0 。，这说明需要通过控制系统的调整来 最大限度的使实际稳定力矩的波形接近理想稳定力矩的波形。 当船模在实验水池中受到波浪的作用产生垂荡运动时，左右两侧的减摇水舱同时 运动产生上下作用的回复力e = f t ，该回复力也是随着波浪周期变化的，具体运动 形式和控制因素与稳定力矩的相同，在此不再赘述。 第三誊系统腺理发组成 3 系统原理及组成 3 1 现代控制系统概述： “控制”是一个很一般的概念和术语，因为自然界中的任何事物都是受到了不削 程度的控制，但“控制”通常指的是有人参与( 人作为操作者) 的人机间的相互关系一 人工控制，或没有明显的人机关系的自动控制。本文主要研究采用自动控制的方式来 实现船模主动式减摇功能。 举一个简单的例子来说明控制系统。 液位希 望值 幽8 若将上图按各部分功能分解，则可以转换为下面的原理图，其中每一方框都是从它 在控制系统中的作用来注明的，因此它不仅可以用于某个具体的控制系统，具有典型 的代表性。例如图中的“对象”在液位控制系统中指的是容器，而在温度系统中，它 可以是炉子。控制对象也可以指某种“过程”( 如发酵) ，对象中有某个( 或某些) 变量 是需要控制的，这个受控制的变量也称为系统的输出。本例中输出指的是液面高度。 使输出偏离希望值的作用称为扰动，本例中它是作用于对象的添加流量。执行机构是 用来影响过程或对象的装置或设备，它力图使系统输出满足预定的要求。本例中执行 机构就是控制阀门。对于个复杂的或者性能良好的系统，执行机构的作用至关重要， 它本身也可能形成一个子系统。 指 测量反馈r 硐 1 兰广_ 图9 1 1 丝三兰墨竺垦些丝丝些 _ _ _ _ _ 一一一 二图中虚线内的三部分是：输出变量的传感器；用于输入希望液位值的参考输入元 件；以及比较器。他们相当于浮子杆所具备的三种功能的分解。从反馈控制的需要来 说，必须对输出量( 液位) 进行测量，并将其与设定的液位( 参考液位) 比较。 不同的系统所控制的物理量不同，例如温度控制系统的输出量是温度，若用热电偶 作为传感器来测量温度，则量测反馈是电压值，为了能对实际温度和要求温度进行比 较，需将要求温度用电压作标准( 参考电压) ，以便和量测反馈具有相同的量纲和比例 关系( 电压一温度比) ，在输入端产生电压的元件可用电位器( 参考输入元件) 。在实际 系统中，上图虚线中的几部分元件可以是机械的、电气的或液压的装置，而且构造上 往往是不可分的。 随着生产的发展，控制技术也在不断发展，尤其是计算机的更新换代，更加推动 了控制理论不断地向前发展。控制理论的发展过程一般可分为三个阶段： 第一阶段，时间为上世纪4 0 1 6 0 年代，称为“古典控制理论”时期。古舆控制理 论主要足解决单输入单输出问题，主要采用传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频 分析法，所研究的系统多半是线性定常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法 一般不能超过两个变量，古典控制理论能够较好地解决生产过程中单输入单输出问题。 第二阶段，时间为上世纪6 0 “7 0 年代，称为“现代控制理论”时期。这个时期，由于 计算机的飞速发展，推动了空间技术的发展。古典控制理论中的高阶常微分方程可转 化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即所谓状态空间法。第三阶段，时 间为上世纪7 0 年代末至今。7 0 年代末，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制” 方向发展，前者是控制理论在广度上的开拓，后者是控制理论在深度上挖掘。 “智能 控制”是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有某些仿 人智能的工程控制与信息处理系统。 自动控制系统广泛地应用于各类工业、农业、交通、生物、管理等部门，它的类 型非常多，依据不同的分类标准同一控制系统可以属于不同的类别。现在将经常讨论 的几种自动控制系统的类型概括如下： 分类依据典型控制系统名称 系统数学模型特性线性系统、非线性系统 系统信号特性连续控制系统、离散控制系统、混合控制系统 控制器的物理实现单片机控制系统、微机控制系统、计算机控制系统 系统任务速度控制系统、温度控制系统 被控制量变化规律恒值控制系统、随动控制系统、程序控制系统 采用的控制算法输出反馈控制系统、状态反馈控制系统、最优控制系统 控制系统构成的基础开环控制和闭环控制 表1 由于系统输出信号要引回输入端以形成对系统的控制，所以它的信号流通构成了 闭合的回路，这种输出信号对控制作用有直接影响的系统，称为闭环系统。输出量对 系统的控制作用没有影响，既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系 统输入端来和输入量进行比较的控制方式成为开环控制。 第= 章系统联理爰组成 f 表列出了几种基本控制理论 f 控制理论名称控制理论的概况，特征，应用实例等 p i ( d ) 控制控制器由比例( p ) + 积分( d ) 十微分( d ) 构成，根据不同的控制对象，调 整p ，i ，d 的增益。应用实例最多。 非线性p i d将p i i ) 中p ，i ，d 的增益做成非线性。因非线性，故从理论上保证稳 定性等较困难。在发动机控制中有应用实例。 “。o 可以获得控制特性保持一定( 鲁棒性) ，即与控制对象的变化无关的控 制器。 模型参考自适应 设定一个实际上应有的标准模型，确定控制输入量，使得实际控制量 控制 与标准模型的输出量相一致。 模糊控制这是一种由适当的成员特征函数和“如果则”控制模式构成的控 制方法。近年来在家电产品中有很多应用实例。 表 2 3 2 本系统组成及基本原理： 3 2 1 本系统组成结构： 课题所研究的系统名称为船模主动式减摇水舱响应与控制系统，主要采用自动控 制技术，以工业控制计算机为核心，由数据采集板、传感器、空气压缩机、电磁继电 器、电磁阀、放大电路等设备组成非线性闭环反馈控制系统。本系统在船模水池中的 具体组成结构如下图。 第三章系统原理及组成 本系统主要由水面部分、执行机构部分及拖车上实验核心控制部分组成。水面部分 安装在船舶实验水池中，由船舶模型和各种传感器组成，包括浪高仪、垂荡传感器、 陀螺等。浪高仪安装在船模前方的水池中，迎着波浪传来的方向，用来提前测定波浪 的波峰和波谷，垂荡传感器和陀螺安装在船模上，垂荡传感器用来测定船模实际运动 的幅度，陀螺用来测定船舶横摇的角度，为程序计算提供参考数据；核心控制部分由 工业控制计算机、高速数据采集板、低通滤波器等组成。工业控制计算机是整个系统 中的核心设备其中运行数据采样分析控制程序，通过接收由数据采集板采集传感器 得到的数字信号，调用数据分析控制程序，来控制执行机构的控制动作。高速数据采 集板负责接收传感器送来的模拟信号并将其转换为计算机能够识别的数字信号送入计 算机中，数据采集板的数字输出部分还负责将计算机发出的控制指令传送到执行部分。 低通滤波器将数据采集信号中含有的实验室内其他电子设备产生的普通干扰信号过滤 掉，将处理过的信号送入计算机中；本系统的执行机构，由放大电路、电磁继电器、 电磁阀、空气压缩机等组成。放大电路连接数据采集板数字输出信号，将输出电平放 大后送入电磁继电器，通过电磁继电器的开关使得放大后的电平信号能够控制电磁阀 的开关动作。电磁阀控制与减摇水舱连接的四条通气管道，这四条通气管道是两两一一_ 对，配合使用，分别用来向两侧的减摇水舱送入气体和从减摇水舱排出气体。当进气 管道电磁阀打开时，空气从进气管道被空气压缩机压入减摇水舱，排气管道的电磁阀 呈关闭状态。当进气管道电磁阀关闭时，空气不能被压入减摇水舱，排气管道的电磁 阀打开，由于船模运动产生的压力，空气被从排气管道压出减摇水舱。如此往复完成 执行机构的控制动作。 3 2 2 系统的设计思想和基本原理： 本控制系统的设计思想和基本原理如下图所示。 作 控 船模 一 t 减摇水舱 运动模拟信号数字信号 1 五1 困1 困 计算机 控制信号控制信号 上 数字数 放大电路 l i 数据采集板 图1 1 船模在船舶实验水池中受到来自于造波机产生的固定周期和固定波高规则波的扰 动力的作用，在水池中上下垂荡或左右横摇。船模的运动通过安装在船模上的传感器 将电信号传递到安装在水池拖车上的数据采集板，信号经过数据采集板处理后传递入 控制计算机中，计算机调用相应数据采集处理程序对采集到的数据进行处理，经过计 算后计算机通过控制程序再次通过数据采集板发出控制信号，控制信号经过放大电路 4 第三章系统原理发组成 放大后到达电磁继电器，f h 电磁继电器的开关启闭来控制电磁阀，并由电磁阀来控制 空气压缩机的动作对安装在船模上的减摇水舱进行加气和排气动作，在垂荡运动中 当波峰到来的时候，两侧的减摇水舱同时排气，使船模运动呈下降趋势；当波谷到来 时对两侧的减摇水舱同时加气，使船模运动呈上升趋势，从而使船模在波浪上的运动 更加平稳，实现主动式减摇功能。当船舶模型横摇时，通过根据一定的相位差来控制 左右减摇水舱的动作，同样能够实现减小横摇功能。这就是整个系统的基本设计思想。 下表说明了本控制系统的各个要素： 系统名称控制量操作量控制对象目的传感器应用的控制 调节量理论 船模主动进气时刻波浪运动减摇水舱减小船模波浪浪高仪、比例控制 式减摇水排气时刻数据信号在波浪上垂荡传感器、模型参考自 舱响应与进气时间的摇荡幅陀螺适应控制 控制系统排气时问度 表3 上表中的控制量是指系统进行控制的物理量，这里进气时刻和排气时刻是指发出控 制脉冲信号的时序位置，进气时间和排气时间是每次控制电磁阀打开和芙闭的时间。 操作量指的是为操作控制量而进行操作的物理量，即系统的参考输入物理量，这里是 指浪高仪从水池中采集的波浪波峰、波谷信号及垂荡传感器和陀螺从船模的运动当中 获得的运动信号。控制对象是指输入端有操作量、输出端有控制对象的物理对象，这 里是指安装在船模两侧的减摇水舱。控制系统的目的是为了使用计算机作为控制工具， 根据程序计算进行控制来减小船模在波浪上的摇荡幅度，从而达到主动式减摇功能。 系统包含的传感器主要有浪高仪、垂荡传感器及陀螺，作用不再赘述。 系统应用的控制理论包括比例控制、模型参考自适应控制。比例控制的过程是指 通过控制电磁阀启闭的时间长短来控制通过空气压缩机压入减摇水舱的气量的多少， 在电磁阀启闭的时间和气量之间寻找一个比例关系，进而达到最佳减摇效果；模型参 考自适应控制的过程是指通过船模上安装的运动传感器传来的数据来提前测定若干个 固定周期波浪的数据，根据已经获褥的船模运动数据来计算出波浪的周期和相位，在 计算完成之后可以预测到在下一个波峰( 谷) 到来之前在某个相位发出控制信号，进行 实时控制动作。 箍个系统的控制律为：如果对于某个固定波长为x 的规则波，设周期为t 的该规则 个 波的芷弦波形信号，做减小垂荡运动的控制。在波峰到来之前的；处发出两侧水舱同 b 个个甲 时发出排气控制信号，保持后，在波峰之后冬处同时发出停止排气信号，保持三后， oj 3 下个f 下 在波谷到来之前等处同时发出进气控制信号，保持后，在波谷之后三! 处同时发出 j6 6 1 1 停止进气信号，保持到下个波峰到来之前的 ，再次同时发出排气控制信号，如此剧 第三章系统原理及组成 而复始，完成主动式控制功能。系统控制律的控制依据来源于实际船舶模型单独进行 控制实验得到的数据。( 图1 2 ) 图1 2 下面再讨论一下系统的各项指标。提高本控制系统的鲁棒性，减少系统误差是必要 的，但是因为系统性能的提高会受到系统本身的性质和稳定性的限制，所以必须予以 认真考虑。系统在工作的过程中会受到各种因素的干扰。这些因素主要来源于两个方 面：外部干扰和内部干扰。外部干扰由外界环境因素决定，具体的讲就是受到船舶实 验水舱复杂工作环境的影响，各种电子实验仪器及大功率可控硅电机等产生的电磁干 扰信号。内部干扰来源于系统自身，由系统器件的结构及制造工艺等因素决定。数据 采集板的性能，控制机构的响应速度等。针对这些干扰因素，可以采取隔离、屏蔽电 源线及信号线，加低通滤波器，对电气仪器接地处理等抗干扰措施。系统的设计中并 没有含有诸如阻抗、质量、热容等妨碍状态快速变化的物理量，不会严重降低各个频 段的响应。由于在系统的采样控制过程中使用了工业控制计算机，所以会产生信号的 离散化，引起相位滞后的现象，必须在程序设计的时候予以考虑。此外，必须尽量减 少系统的稳态误差，提高系统的稳定性。系统的安全性也是设计的一个重要方面，各 种电子仪器的额定电压和电流，空气压缩机的压缩强度，船模运动的摇荡幅度都必须 加以限制，从而来保证整个系统的安全运行。 1 6 第网章数据采集控制部分设计 4 数据采集控制部分设计 4 1 硬件组成部分： 4 1 1 工业控制计算机： 本系统的组成及工作原理决定了必须采用微型计算机作为控制部件，所以系统的数 据采集控制部分采用实验室最新配置的工业控制计算机做为核心部件，并选择目前功 能比较完善、性能良好的艾讯a x 5 4 1 2 h 高速数据采集板做为前端数据采集器，外围设 备有各种传感器、电阻应变仪、数字滤