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T型翼控制船舶在波浪上纵向运动的数值研究孙一方;姜宜辰;宗智【摘要】[Objectives]A T-foil with an active control system can provide higher lift force and improve the seakeeping of a ship. It is necessary to calculate the anti-vertical motion effect with the different control signals.[Methods]The motion responses of the Wigley model in different wavelengths among three different Froude numbers are obtained via the slender body theory,and the lift force model of a T-foil is established.The torque control is used to obtain the governing equation of the T-foil's swing angle by analyzing the control signal. On the basis of calculating the motion of the Wigley model,the vertical motions of a ship with a T-foil in different control signals are calculated in time domain,and the attenuation effect with the three different control signals is compared. Finally the multi-signals hybrid control is studied preliminarily.[Results]The results show that the T-foil with torque control can reduce 32.43% of the heave and 57.62% of the pitch angle response extremum,and can provide a reduction of more than 61.17% in bow acceleration at peak response compared with a ship without a T-foil and with a high Froude number. The anti-vertical motion effect in the condition of Fr=0.3 is more obvious when the lift moment is controlled by the pitch angle signal,and as the speed of the ship increases,using the control signal of pitch angular velocity can obtain a lower vertical motion response.[Conclusions]In practical application the swinging angle of the T-foil can be controlled by differentsignals and control parameters at different speeds.%[目的]主动控制摆角的T 型翼可以在随船运动时产生更大的升力,改善船舶耐波性,因此需要对不同摆角控制信号的减摇效果进行计算和讨论.[方法]首先,利用细长体理论对Wigley船型在3种航速下不同波长规则波中的运动进行计算.然后,在此基础上对T型翼摆角的控制信号进行分析讨论,采用力矩控制的方式得到摆角随船体运动变化的控制方程,讨论不同工况下控制参数的值,并计算引入控制力矩后的Wigley船型在相应条件下的时域运动响应.最后,分别对采用3种信号单独控制后的减摇效果进行对比,之后对多信号联合控制进行初步研究.[结果]计算结果表明:与无T型翼作用的船相比,在高速状态下,响应峰值处的垂荡幅值可以减少32.43%,纵摇角最多可以有效减少57.62%,艏加速度可以减少61.17%;在Fr=0.3的情况下,采用角度信号控制T型翼的摆角减摇效果更明显,随着航速的增加,采用角速度信号控制的减摇效果更好.[结论]在实际应用中,可根据不同的航速采用不同的运动信号和控制参数控制T型翼摆角.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2018(013)002【总页数】11页(P16-26)【关键词】T型翼;细长体理论;纵向减摇;力矩控制【作者】孙一方;姜宜辰;宗智【作者单位】大连理工大学船舶工程学院,辽宁大连116024;大连理工大学船舶工程学院,辽宁大连116024;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;辽宁深海浮动结构工程实验室,辽宁大连116024;大连理工大学船舶工程学院,辽宁大连116024;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;辽宁深海浮动结构工程实验室,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】U661.30 引言高速船研究的瓶颈问题是，其在高速航行时受波浪影响较大，致使船体的垂向运动幅值过大，乘员晕船严重。
48卷 第1期(总第176期)中 国 造 船Vol.48 No.1(Serial No.176) 2007年3月SHIPBUILDING OF CHINA M ar.2007文章编号:1000-4882(2007)01-0011-07穿浪双体船线型参数化设计方法孙家鹏1, 林 焰2, 纪卓尚2(1.上海船舶研究设计院,上海 200032;2.大连理工大学船舶CAD工程中心,辽宁 大连 116024)摘要提出了一套适合于穿浪双体船型线设计和变换的方法。
该方法采用数学船型中的纵向函数法,以达到船型的迅速生成和变换。
在设计各个纵向函数时,采用了非均匀有理B样条技术,可对复杂的船体线型做统一的表达。
另外,在设计过程中给出了多种设计方案,为设计者带来了很大的自由度。
最后,做了软件实现,设计的结果可在A utoCA D绘图环境中输出型线图,并可输出型值表。
关 键 词:船舶、舰船工程;穿浪双体船线型;参数化;数学船型;非均匀有理B样条中图分类号:U662.9;U674.951 文献标识码:A1 前 言目前,常规船舶的型线设计方法基本成熟,相关的型线设计软件系统也较为丰富,且逐渐发展到基于曲面的三维设计模式。
穿浪双体船(Wave Pir cing Catamaren—WPC)的型线与常规船舶有较大的差异,发展历史短,且由于军事保密等方面的原因,公开发表的设计资料极为有限。
另外,由于WPC船型的特点,不便通过改造母型如1-Cp法和Lakenby法等传统的变换函数法生成新船型。
根据可查阅的文献资料,目前国内外还没有提出一种适合于WPC型线设计的方法,也没有可进行其型线设计的软件,实际工作中只能凭直觉和经验用绘图软件手工进行调节修改,这样势必导致在设计过程中缺乏效率和精度,也难以实现型线设计方案的快速变换和改进。
故本文提出的方法具有一定的理论意义和应用价值。
2 数学船型及非均匀有理B样条理论简介数学船型法包括吃水函数法和纵向函数法。
基于H∞回路成形的舵鳍联合鲁棒控制姜正尉;张显库;王新屏【摘要】为了在保持航向的同时,提高船舶减摇效果,设计一种舵鳍联合控制系统.针对给定的线性舵鳍联合系统,根据性能的要求,对其选择权函数进行成形,然后利用H∞回路成形算法对成形后的系统设计鲁棒控制器,采用Hutton提出的降阶法对控制器进行降阶.通过Matlab中的Simulink工具箱分别对6级和8级风浪作用下考虑到舵机、鳍机的舵鳍联合控制系统进行仿真.仿真结果表明所设计的控制器在保持航向的同时能达到较好的减摇效果,并且该控制器具有较强的鲁棒性.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2010(039)004【总页数】4页(P117-120)【关键词】舵鳍联合;H∞回路成形;降阶;鲁棒【作者】姜正尉;张显库;王新屏【作者单位】大连海事大学,航海动态仿真与控制实验室,辽宁,大连,116026;大连海事大学,航海动态仿真与控制实验室,辽宁,大连,116026;大连海事大学,航海动态仿真与控制实验室,辽宁,大连,116026【正文语种】中文【中图分类】U664.7;U666.153随着航海技术的发展，人们对航行时的安全性和舒适性要求越来越高，船舶减摇控制的应用也越来越普遍，从起初单独设计减摇鳍来对横摇加以控制，到目前采用舵鳍联合系统在保持航向的同时减小横摇，研究成果颇丰[1-6]。
在文献[7]的基础上，将舵鳍联合系统应用H∞回路成形算法设计鲁棒控制器。
在仿真时考虑海浪干扰，分别在6级和8级风浪情况下对考虑舵机和鳍机特性的舵鳍联合控制系统进行仿真。
1 H∞回路成形算法H∞控制的回路成形算法是一种开环增益成形方法，其控制器设计思想在于找到一个控制器K使开环增益具有在低频高增益，高频低增益的要求。
H∞回路成形算法的本质是通过选择权函数改善开环奇异值频率特性曲线以实现系统的闭环性能，并在鲁棒性能指标和鲁棒稳定性之间进行折中。
通过简化的H∞回路成形对被控对象进行控制器设计[7-8]。
浮船坞控制系统的H∞控制研究何祖军;俞孟蕻;王芳【摘要】对船舶进入浮船坞的压载水舱分布及实时自动控制过程进行了分析.以船舶静力学为依据,分析了船舶下排浮船坞时浮态的计算方法,给出了浮船坞纵倾及吃水动态力学方程,得出了可用于实时控制的浮船坞状态方程.采用H∞控制中的闭环增益成形控制算法,对浮船坞控制系统进行了理论探讨和仿真研究.仿真结果表明MIMO非方阵闭环增益成形算法物理概念清晰,设计及求解过程简单,对浮船坞的控制具有较好的系统性能和鲁棒性能.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2006(020)006【总页数】5页(P9-13)【关键词】浮船坞;纵倾;浮态;状态方程;H∞控制【作者】何祖军;俞孟蕻;王芳【作者单位】江苏科技大学,电子信息学院,江苏,镇江,212003;江苏科技大学,电子信息学院,江苏,镇江,212003;上海电机学院,电气学院,上海,200240【正文语种】中文【中图分类】TP2780 引言浮船坞是船厂重要的大型生产设备之一,在船舶修造和船舶下水过程中,利用浮船坞进行船舶的上墩或下排是造船的一个重要工序。
目前使用的浮船坞虽然结构形式各不相同,但基本原理一样。
浮船坞的沉、浮和稳性监控主要有3种方法：① 监测各压载水舱的液位和浮船坞的整体吃水情况,由操作人员通过人工调节各水舱的支管阀和进、出口阀的流量[1]来改变各压载水舱的水量,以保证船舶平稳地进入浮船坞。
此方法操作复杂,生产效率低。
② PID控制[2],这种控制方式算法简单,实现较容易,但对许多不确定因素缺乏必要的鲁棒性。
③ 熟练操作人员根据经验制成模糊规则表,操作时查表进行模糊控制,但此方法受经验以及特定控制对象的限制,无法普及。
为了减少船舶上墩或下排的作业时间,需要对浮船坞进行高效的全程自动控制,但是以这种复杂系统为对象的控制算法的研究还很少。
控制理论研究表明[3，4]:H∞控制方法对有参数扰动或存在外界干扰的系统,特别是对不确定性系统有良好的控制效果。
基于H∞鲁棒控制的船用混合储能双向DC-DC变换系统设计许叶栋; 汤旭晶; 汪恬【期刊名称】《《中国修船》》【年(卷),期】2019(032)006【总页数】6页(P26-31)【关键词】船用混合储能系统; H∞鲁棒控制; 能流控制【作者】许叶栋; 汤旭晶; 汪恬【作者单位】武汉理工大学能源与动力工程学院湖北武汉430063【正文语种】中文【中图分类】U672电力推进凭其高效率、高可靠性、低排放和低维护等优势，正逐渐成为船舶主流推进方式[1]。
然而，随着船舶电站不断扩容，大功率动力负载投切对船舶电网电压和频率等参数的扰动明显，影响电力系统的稳定运行，若船舶电源能够快速响应负荷突变并持续供电则可改善[2]。
因此有学者提出引入储能单元，在负荷突增时为电网提供能量，在负荷突卸时吸收过剩能量(即削峰填谷)，从而提升电力系统的稳定性。
目前，对同时满足高功率密度与高比能量的单一储能单元的研究还未取得突破性进展，这使得混合储能系统成为研究热点[3]。
双向DC-DC变换器作为不同类型储能元件之间匹配控制和能量管理的执行机构，其性能直接决定了其对功率波动的平抑效果[4]。
DC-DC变换器的能流控制一般基于经典PID或改进型PID策略。
然而，经典控制要取得优越的性能，须依赖精确的控制对象数学模型，而这在工程实际中难以实现。
H∞鲁棒控制可将模型中存在的不确定性纳入控制规则，使系统模型包含不确定性因素和外加扰动时，控制器仍能保持较强的鲁棒性，从而解决经典控制方法的缺陷。
本文采用H∞鲁棒控制策略以及Lowpass-fuzzy功率分流算法完成混合储能双向DC-DC变换控制器设计，并搭建模型，验证系统的响应特性及控制策略在负荷突变时的控制效果。
1 船用混合储能电力推进系统结构船用混合储能电力推进系统结构如图1所示，主要包括发电机组、混合储能系统、变压器、变频器、推进电机和负载。
超级电容器组和锂离子电池组分别通过双向DC-DC变换器变流后接入直流母线，再由DC-AC逆变，隔离后汇入交流母线。
H∞控制理论在船舶减摇鳍控制中的应用研究
刘维亭;张冰;姜建国
【期刊名称】《工矿自动化》
【年(卷),期】2003(000)003
【摘要】基于H∞控制理论,提出了一种船舶横摇减摇鳍的设计方法,进行了基于H∞的混和灵敏度的设计.通过在不同的浪向下的仿真实验,并与传统PID控制器相比,表明该控制器的控制效果达到了预期的目的.
【总页数】4页(P16-19)
【作者】刘维亭;张冰;姜建国
【作者单位】哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江,哈尔滨,150001;华东船舶工业学院电子信息学院,江苏,镇江,212003;中国矿业大学信电学院,江苏,徐州,221008【正文语种】中文
【中图分类】TP13
【相关文献】
1.非线性自抗扰控制器在船舶减摇鳍系统中的应用 [J], 于萍;刘胜
2.可编程控制器在船舶减摇鳍随动系统中的应用 [J], 张海鹏;吉明;金鸿章
3.DSP控制器在减摇鳍加载系统中的应用研究 [J], 梁利华;杨生;李国斌
4.模糊控制理论在船舶辅机中的应用 [J], 苏延达;杨士清
5.ARM处理器在减摇鳍控制系统中的应用研究 [J], 金鸿章;冷双
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穿浪双体船T型水翼状态反馈H∞控制器设计张松涛;孙明晓;梁利华;姜见龙【摘要】穿浪双体船在海洋中高速航行时，纵向运动会对其性能造成不利影响，产生的垂向加速度使乘员晕船，设备短期失效。
为了解决此问题，首先建立穿浪双体船纵摇和垂荡运动模型，然后运用切片理论求解运动方程中的水动力系数，将随机海浪作为外界干扰，以T型水翼为纵向运动稳定装置，进而建立带T型水翼的穿浪双体船纵向运动模型。
最后以90 m长的穿浪双体船为研究对象，利用状态反馈H∞控制策略设计控制器，对船体的纵摇和垂荡进行仿真实验。
结果表明：状态反馈H∞控制器可有效地减小船舶纵向运动，降低晕船率，为减小高速船纵向运动提供可靠实用的方法。
%When wave piercing catamaran sails at high speed in the sea, longitudinal motion has a harmful influence on its performance. The vertical acceleration makes crew seasickness and equipments out of work in a short term. In order to solve this problem, pitching and heaving motion model of wave piercing catamaran is established. Then strip theory is used to solve hydrodynamic coefficients of motion equation. Considering random ocean wave as external interference and T-foil as stability device of longitudinal motion, the longitudinal motion model of wave piercing catamaran with T-foil is established. The pitching and heaving motion is experimenting with the 90 -meters wave piercing catamaran using state-feedback H∞algorithm as controller. The results show that state-feedback H∞ controller could reduce the longitudinal motion of the ship and the rate of seasickness effectively. This paper hasprovided a reliable and practical method to reduce the longitudinal motion of wave piercing catamaran.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2014(000)010【总页数】5页(P78-82)【关键词】穿浪双体船;T型水翼;纵向运动;垂向加速度;状态反馈H∞算法;晕船率【作者】张松涛;孙明晓;梁利华;姜见龙【作者单位】哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】U6610 引言20世纪80年代初期，为了改善双体船的耐波性，在高速双体船和小水线面双体船的基础上设计了穿浪双体船(WPC)。
该船型继承了前者低阻、高耐波性等优点，克服了小水线面双体船的一些缺点，并融合了深V型船优良的航行性能。
其适用面广，载客载货均可；船体采用铝合金材料，运用新型设计方式，实现了船舶的轻量化、高速化[1]。
WPC高速航行时，纵向运动引起的垂向加速度使乘员晕船，设备短期失效，同时会损失航速，使航行效率降低；严重时会对船体、货物和乘员的安全构成极大的威胁。
为了有效解决此问题，在船首安装一个能活动的T型水翼，用来抑制船体的纵向运动，如图1所示。
T型水翼由支柱和水平翼构成，运用有效的控制策略使水平翼转动，可以提供恢复力和力矩抵消海浪对船体的扰动力和力矩，以减小船体的纵向运动[2]。
文献[3]运用Fluent对装备T型水翼的穿浪双体船进行耐波性仿真实验，从理论上分析其良好的效果。
文献[4]将T型水翼安装在与110 m实船的比例为1/40的自主动力高速船模上，在露天水域进行航速实验，证明T型水翼可以减小能量消耗。
本文在此基础上对穿浪双体船T型水翼的控制系统进行设计。
图1 穿浪双体船和T型水翼Fig.1 Wave piercing catamaran and T-foil1 模型分析1.1 WPC运动模型为建立船体运动模型，引入如下假设[5]：1)假设引起穿浪双体船运动的入射波的波幅微小，可以认为波浪扰动力微幅，由此假定扰动引起的船体运动也微幅。
根据以上假设，可以确定穿浪双体船的运动方程组是线性的。
2)为了简化方程中水动力系数的计算，假设水域无限深，且不考虑水域中流和风对船舶运动的影响。
3)假设船体位于水下部分的片体足够细长，满足应用切片理论计算运动方程中水动力系数的要求。
根据以上假设条件，穿浪双体船在波浪中的耦合运动可用如下二阶线性常微分方程组表示：(1)式中：ηk为船舶产生的六自由度运动；为线速度或角速度；为线加速度或角加速度；Mik为船舶质量矩阵；Aik为水的附加质量系数；Bik为水动力阻尼系数；Cik 为恢复力系数；为海浪干扰力或力矩的复振幅值；ωe为海浪遭遇频率，rad/s。
下标i=1～6同k一样，分别代表纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇六自由度。
由于穿浪双体船的2个船体形状相同，且对于纵中剖面对称，所以船的纵向运动和横向运动之间无耦合。
根据式(1)得到垂荡和纵摇耦合运动的方程组，即为穿浪双体船在海浪扰动作用下，纵摇和垂荡运动模型：，(2)式中第1式为垂荡运动方程；为纵摇对垂荡运动的影响，即耦合项；Fwave为海浪产生的垂荡扰动力；M为船的质量；第2式为纵摇运动方程；为垂荡对纵摇运动的影响，即耦合项；Mwave为海浪产生的纵摇扰动力矩；I5为纵摇惯性力矩；M为船的质量；分别为垂荡的位移、速度、加速度；分别为纵摇的角度、角速度、角加速度；A33， B33， C33分别为垂荡的附加质量系数、阻尼系数、恢复力系数；A55， B55， C55分别为纵摇的附加质量系数、阻尼系数、恢复力系数；A35， B35， C35分别为垂荡与纵摇耦合后的附加质量系数、阻尼系数、恢复力系数；A53， B53， C53分别为纵摇与垂荡耦合后的附加质量系数、阻尼系数、恢复力系数。
1.2 系统运动模型建立带T型水翼穿浪双体船的运动模型时，将系统模型分为3部分，如图2所示：一部分是计算海浪产生的力和力矩，一部分是计算T型水翼产生的力和力矩，一部分是计算由作用于船体的力和力矩产生的船舶垂荡和纵摇运动。
T型水翼可起到平衡海浪对船体扰动，利用翼面所产生的恢复力和力矩与波浪的力和力矩相抵，达到减小垂荡和纵摇运动幅度的目的。
图2 控制系统图Fig.2 Control system带T型水翼穿浪双体船纵向运动的线性微分方程：(3)其相应的状态空间模型：(4)式中：；；1.3 研究对象穿浪双体船具体参数为：船长90 m，排水量740 t，吃水2.6 m。
运用切片理论进行计算[6]，垂荡、纵摇的运动状态空间参数为：，(5)(6)(7)T型水翼的升力计算模型如下：(8)式中：ρ为水密度；A为翼面积；U为船速；α为翼面的有效攻角；CL(α)为翼的升力系数，在α很小的情况下可将其视为常量。
高航速下水翼的效率高，其升力系数受到了诸多因素的影响，如翼与主船体之间的相互耦合，边界层影和非定常运动效应等。
利用CFD软件Fluent获得T型水翼在不同来流速度下的升力系数，如图3所示。
根据式(9)计算获得T型翼在不同攻角下的升力系数，通过拟合的方式得到升力系数满足的函数Y(x)，如下式：(9)式中：CL(α)为升力系数；FL为升力；ρ为水密度；U为水流相对于物体的流速；A为水翼面积。
Y(x)=P1x6+P2x5+P3x4+P4x3+P5x2+P6x+P7。
(10)式中：x为攻角；系数P1=-6.6323×10-10，P2=8.7419×10-9，P3=1.8168×10-7，P4=-2.0541×10-5，P5=-5.2744×10-5，P6=0.066459，P7=-0.0071406。
图3 不同来流速度下的升力Fig.3 Lift under different stream velocity2 状态反馈H∞控制策略为使穿浪双体船T型水翼系统抵抗随机海浪的干扰，故需要实用可靠的控制策略，而状态反馈H∞控制思想可归结为：在一个具有有限能量的干扰信号作用下，为系统设计控制器，该控制器不仅可以使闭环系统稳定，还可以使干扰对系统期望输出造成的影响最小[7]，正契合T型水翼控制系统需要。
状态反馈H∞控制方法是由Doyle，Glover和Khargonekar等提出的，是一种设计过程简单、计算量小的H∞控制器求解方法，可通过求解一个代数Riccati方程来获得阶次较低，结构特征明显的控制器。
状态反馈H∞理论并不属于标准H∞控制问题，在讨论状态反馈H∞控制问题时，系统的状态全部可测，观测量等于状态变量，即y=x，那么存在广义对象G(s)的状态空间实现为：(11)相应的存在：(12)式中：x为n维状态向量；w为m1维干扰输入向量；u为m2维控制输入向量；z为p1维受控输出向量；y为n维观测输出向量；矩阵A∈Rn×n，B1∈Rn×m，B2∈Rn×m2，C1∈Rp1×n；D11和D12为实数矩阵且它们的维数与其他量的维数相对应。
实际上，可将状态反馈H∞控制器设计问题看成是线性系统二次型性能指标的最优控制问题，也就是对于系统的线性模型，设计控制器K使如下性能泛函J为最小：J={xT(t)Qx(t)+uT(t)Ru(t)-γ2wtw}dt。
(13)式中：Q为正定对称矩阵，即满足Q=QT>0； R满足R>0；γ为干扰抑制水准的一个正常数。
假设[A,B2]可控，[A,Q]可观；系统的观测量等于状态变量，即y=x。
