（电力电子与电力传动专业论文）船舶减摇水舱试验台架横摇运动的研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h et e s tp l a t f o r mo fa n t i r o l l i n gt a n ko nt h es h i pi sak i n do f s p e c i a lc o m p l e xs y s t e m ，u s et h ep l a t f o r mt os i m u l a t er o l l i n go f s h i p c a np r o v i d et h eb u s isf o rt h e d e s i g no fa n t i - r o l l i n gt a n ka n dt e s t d a t af o rs h i d sw i t ha n t i - r o l l i n gt a n k t h ep l a t f o r mc a ns i m u l a t er o l l i n ga n d s w a y i n gm o t i o no fs h i p s t w o e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m s s i m u l a t e r o l l i n gm o m e n ta n d s w a y i n gf o r c eo f w a v er e s p e c t i v e l y i nw h i c ht h er o l l i n gm o m e n ts y s t e m a d o p t sg e a r r a c ks w i n gh y d r a u l i c p r e s s u r eo i lv a tw i t ht o r q u es e n s o r t h em o m e n to f i n e r t i a ，d a m pa n dc o m e b a c kc a nb ea d u s t e f l i no r d e rt os i m u l a t et h e r o l l i n gm o t i o nm o r ea c c u r a t e l y t h e e h a r a c t e r i s t i eo fp l a t f o r mi sa n a l y z e df i r s t l yi nt h ep a p e r ，a n da l s o t h ep a r a m e t e ro ft h ep l a t f o r mis c o m p u t e da n da d j u s t e d s e c o n d ，s e t u pt r a n s f e rf u n c t i o nm o d e lo fe l e c t r o h y d r a u l i cm o m e n ts e r v os y s t e m a n ds e l e c tt h ec o r r e l a t i v e p a r a m e t e ro fe l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ov a l v e ， g e a r r a c ks w i n gh y d r a u l i c p r e s s u r eo i lv a ta n dt o r q u es e n s o r a tt h e s a m et i m e ，t h ee m e n d a t i o na n ds i m u l a t i o no fs y s t e mi s s t u d i e d t h e s y s t e ma f t e re m e n d a t i o nc a no u t p u tr e a l t i m e v o l t a g es i g n a lw h i c h r e p r e s e n t sr o l l i n gm o m e n to fr e g u l a ra n di r r e g u l a rw a v ep r e s s e so n s h i p t h i r d ，f o rt h eh a r d w a r er e a l i z a t i o n ，t h e p o w e rb o a r d s e r v o a m p l i f i e db o a r d ，s i g n a lp r o c e s s i n gb o a r da n ds e n s o r sa r ec h e c k e da n d d e b u g g e d ：f o rt h es o f t w a r e r e a l i z a t i o n ，t h ed a m pm o m e n to ft h e p l a t f o r m iss i m u l a t e da n dt h e m o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do n c o m p u t e r s i s e x p l a i n e d t h r o u g hp r o g r a mt h et e s td a t ac h e c k e db y s e n s o r sc a nb ep r o c e s s e da n da n a l y z e da n dt h et e s tr e s u l t sc a na p p e a r o nt h es c r e e ni nr e a lt i m e a tl a s ti nt h ep a p e r ，t h e r o l l i n g c u r v eo ft h et e s t p l a t f o r m p r e s s e db yr e g u l a ra n di r r e g u l a rw a v ei sg i v e na n di l l a m i n a t e d k e yw o r d s ：a n t i r o l l i n gt a n k ；t e s tp l a t f o r m ：r o l l i n gm o t i o n ；s e r v o s y s t e m ；p l a t f o r me x p e r i m e n t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：2 0 0 3 年1 2 月2 8 日 堕堡堡：! 型尘堂堡堂壁笙苎 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 船舶在风浪中航行时由于船舶横摇运动阻尼很小，因此会产生剧烈的横 摇。为了减小船舶横摇，人们设计出了各种各样的横摇减摇装置。减摇水舱 是船舶减小横摇的重要减摇装置之一，尤其是在低航速和零航速时，减摇鳍 难以发挥作用，采用减摇水舱造价低廉，可以有效减小低航速时的船舶横摇， 它可以广泛应用于大多数民船和特种船上。减摇水舱在国外应用比较广泛， 我国的一些院所也曾开展了这方面的研究。随着对船舶及舰艇耐波性要求的 日益提高，开发经济、有效的减摇装置势在必行，减摇水舱无疑是最合适的 减摇装置之一。 除了对减摇水舱进行理论研究外，建立减摇水舱的试验装置是对减摇水 舱进行研究的重要手段。从理论上讲，可以用装有减摇水舱的船模在水池中 试验，环境条件更接近实船。但是水池用船模尺度较小，因此必定会产生较 大的尺度效应。减摇水舱试验台架是研究和设计减摇水舱的重要试验设备， 它可以模拟实际舰船在海浪中的运动，从而为研究减摇水舱对船舶的作用， 评估其减摇效果，为研究和设计减摇水舱提供了可靠的依据。水舱试验台架 进行水舱试验的主要优点在于水舱模型较大，因而可以模拟实船进行控制， 并且具有省力、省时、方便试验等优点。 为了研究减摇水舱的设计方法和验证水舱的减摇效果，我们建造了二自 由度船舶减摇水舱试验台架，并研制了微机控制的监督控制系统。试验表明， 该试验台架能够实时模拟规则波和不规则波情况下船舶摇摆，为减摇水舱的 研究提供了一个可靠而有效的设备。 本课题来源于国家“2 1 1 ”工程重点投资建设项目“船舶减摇水舱试验 装置”。 1 2 减摇装置 1 2 1 减摇装置概述 人们对船舶摇摆问题的科学研究始于1 8 世纪中叶，但自1 9 世纪中叶丌 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 始，造船业从木帆船发展为机动船后，由于船舶横摇阻尼大大减小，使舰册 在海上航行、工作或战斗时，产生相当大的横摇运动。因此，人们相继提出 了各种设想的减摇装置来减小船舶的横摇运动。 横摇减摇作为一门学科已有一百多年的历史，据统计，在这期间先后出 现了约三百五十多个各种类型的减摇装置，实际上只有少数几种得到大量的 推广和应用，如舭龙骨、减摇鳍、减摇水舱等” 。 1 2 1 1 舭龙骨 舭龙骨是一种沿着船长安装于船舶的两舷舭部，借以增加横摇阻尼以达 到减小横摇的被动式减摇装置。早在1 9 世纪初，帆船时代已开始使用舭龙 骨来减小横摇。因为舭龙骨最简单，又有一定的减摇效果，因此，目前绝大 多数船上都装有舭龙骨。 在船舶舭部安装舭龙骨的主要作用是在横摇时扰动船体周围的流场，使 船舶产生附加阻尼。舭龙骨的附加阻尼由两部分组成：一是由舭龙骨f 背两 面压力差形成的龙骨板阻尼，它取决于舭龙骨的面积和水的相对速度；二是 由船体变面压力分布改变而形成的表面阻尼，它主要依赖于船体的形状。 舭龙骨在减少船舶横摇的同时，它增大了船舶的静水航行阻力，会使船 舶的静水航速稍有降低。但在风浪中，出于舭龙骨使船舶减少了横摇，这样 将使船舶航速有所提高” 。 1 2 1 2 减摇鳍 减摇鳍是一种最常用的主动式减摇装置。其构造主要包括：机翼型的鳍、 转鳍的传动装置和控制系统。通过控制鳍的运动，可以使鳍产生对抗横摇的 稳定力矩，以达到减少横摇的目的”】。 减摇鳍最早出现在1 8 8 9 年，被j o h ni t h o m e y c r o f t 申请了专利。1 9 2 3 年日本的元良信太郎设计了第一套减摇鳍，经装船试验得到了良好的减摇效 果。1 9 3 5 年英国布朗兄弟公司设计的减摇鳍成功应用于一艘2 2 0 0 吨的海峡 渡轮，从此减摇鳍得到了广泛的应用。目前许多国家的中高速舰艇、许多商 船和其它船只都装有减摇鳍。 减摇鳍一般可以分为收放式和固定式两种。前者当减摇鳍不工作时，鳍 收进船体，而后者却无论何时都是伸出船体的。固定式减摇鳍结构简单、重 量轻、制造成本较低，但它增加了船舶的静航阻力；另外，由于鳍的展弦比 不能太大，故它的减摇能力受到限制，鳍在船体外也容易受到破坏。收放式 减摇鳍的鳍不但可以绕鳍轴转动，而且可以随时收回船体。它的展弦比大， 哈尔滨r 程大学硕士学位论文 故减摇鳍的鳍面积火，减摇效果较好。另外，由于鳍可以自由收缩，所以， 它基本不增加船舶的静水航行阻力，且鳍不易损坏。但是收放式减摇鳍的重 量大，机械结构复杂，占用船体空间大，制造成本高。 我国在6 0 年代初丌始研制减摇鳍一上二海船舶设备研究所和哈尔滨工程 大学等单位进行了大量的研究设计工作。尤其是哈尔滨工程大学船舶减摇技 术研究所，其研制的系列减摇鳍产品已经在国内占有较大份额的市场，并有 部分出口，为我国的经济建设和国防建设做出了很大贡献。 121 3 减摇水舱 减摇水舱的发展已有1 0 0 多年的历史，现已发展成为一种实用的减摇装 置，并且建立起比较完整的理论【1 。对于减摇水舱，有多种分类方法。依据 减摇水舱的工作原理来分，可分为三种形式：( 1 ) 被动式减摇水舱；( 2 ) 主动 式减摇水舱；( 3 ) 可控被动式减摇水舱。依据水舱中的液体是否与海水相通， 可分为：( 1 ) 开式水舱：( 2 ) 闭式水舱。依据结构形式大体可分为两种类型： ( 1 ) 自由表面水舱，包括槽型水舱和矩形水舱；( 2 ) u 型减摇水舱，也称为佛 拉姆水舱。 被动式减摇水舱是当船舶横摇时，在水舱韵水道内运动的水产生往复运 动，使两舷水舱内的水上下波动，产生抵抗横摇的稳定力矩。关于减摇水舱 的研究可以追溯到1 8 6 0 年。1 9 1 1 年，德国人佛拉姆成功地提出了被动式u 型减摇水舱。设计得好的被动式水舱可以使横摇幅值减少一半左右。减摇水 舱在货船、客船和工作船上都得到了成功的应用。 可控被动式减摇水舱是对被动式减摇水舱的一个重要改进。它通过人为 地控制水的流动，使其在各种情况下都能产生满意的效果。可控被动式减摇 水舱的两舷液体的流动是根据船舶的横摇情况而受控的，控制作用一般是由 两水舱之间的节流阀来实现。 主动式减摇水舱是在两舷之间加入了一个水泵，它可以根据船舶的横摇 情况把一个水舱内的水转移到另一个水舱。由于主动式减摇水舱需要很大的 功率来驱动水泵工作，故一般很少采用。 自由表面水舱通过改变水舱形状或改变内部障碍物或者两者兼用把阻 尼结合到液体中去，而u 型水舱可以是完全被动的，也可以由阀和压缩机部 分进行控制，还可以是由水舱液体泵或涡轮送风机完全控制的。 目前常用的水舱结构形式为”j ( 1 ) 水舱垂直立柱的顶部之间有空气连接通道的u 型减摇水舱； ( 2 ) 侧舱底部与海水相通，顶部的每一个通气孔与大气相通或与一个空 气通道相连接； 哈尔滨工程大学硕j ：学位论文 ( 3 ) 自由表面的两舷水舱由一个产：生阻尼的水槽相连接，阻尼是由喷嘴、 平板或类似的障碍物产生； ( 4 ) 由喷嘴、平板或类似障碍物产生阻尼的自由表面矩形水舱。 由于减摇水舱有结构简单，造价低廉，便于维护保养，在各种航速f 都 能减摇等特点，决定了减摇水舱有着广泛的应用前景。 1 2 2 减摇水舱发展状况 1 2 2 1 国外减摇水舱的发展 国外减摇水舱的发展可以追溯到1 8 6 0 年，大约于2 0 世纪初发展成为 种实用的减摇装置，这一时期以u 型( 佛拉姆) 水舱为标志。这种水舱是依据 双共振原理设计的，它的主要缺点是在离开谐摇区时减摇效果明显下降，有 时甚至发生增摇现象。这个固有缺点限制了它的应用，使得在相当长的时间 内减摇水舱技术没有明显进展。 直到6 0 年代，人们提出了一种新型槽型水舱【4 。与u 型水舱相比，槽 型水舱对海浪的适应性好，减摇效果高。前面提到的两种水舱都是被动式减 摇水舱，仅适用于有限的波浪频率范围内起减摇作用，于是人们提出使用主 动式减摇水舱。它由传感器感受船的运动来控制水泵或叶轮，把水舱中的水 从一舷打到另一舷来抵消扰动力矩或横倾力矩，使舱中水的流动与周期性干 扰力矩成1 8 0 。的相位差，从而能在较大波浪频率范围内减摇。从理论讲，只 要有足够的水舱容量和泵功率就可以达到预期的减摇效果，但由于需要巨大 动力源，造价和维持费用是相当大的。迄今还没有成功的应用”】。 被动式减摇水舱是依靠水舱本身的横摇固有周期而工作，实际海浪周期 与水舱固有周期相差较大，因此往往达不到预期的减摇效果，在某些海情下 还可能发生增摇。为了改善这一状况，人们研究用少量的能量改变水舱内水 流周期的各种方法，于是在7 0 年代出现了可控被动式减摇水舱 6 】。只要船舶 横摇周期大于水舱固有周期，可控被动水舱的自动控制系统就立即通过气阀 来调节水舱的水流周期以适应变化的横摇周期。这种新型水舱既能抑制横 摇，又能减少横倾，为改善船舶的舒适性和安全性开辟了有效途径。英国布 朗兄弟公司和德国英特灵公司都有系列产品，并在数百艘船上得到应用。我 国“极地号”南极考察运输船装有这种减摇水舱，实际航行表明效果良好。 目前，美国的佛拉姆减摇水舱又得到了新的发展m 。在贯穿两舷水舱的 管道中安装了由水力马达驱动的可变速的螺旋桨泵。借助于对水舱水位和压 力的快速测量，可以使螺旋桨泵迅速出现反应，使横摇快速得到缓和。这种 系统可以迅速实施装卸过程和减小跳板的应力。此外用装在顶上的多只被动 哈尔滨j 二程大学硕士学位论文 式减摇水舱进行减摇，也有明显的优点，增大了基线以上的距离，减摇水舱 的效果得以改善；水舱的重量会减小稳心高度和增大横摇共振周期；减小水 舱的自由液面；在紧急情况下可迅速将水舱注满，消除对稳心高度的影响。 德国英特灵公司新近开发出一种非常实用的可控被动式减摇水舱”1 。该 水舱的主要特点是具有连续检测舱中水振荡的能力，并可在船舶横摇角尚未 构成危险前对船舶可能发生的横摇快速作出抵制反应。系统由一对设有横通 管的水舱构成，水舱安装在双层底或集装箱舱之间，在两边舱的顶部设有自 动控制空气阀。该系统由电子传感器连续监控横摇角的变化，并结合内舱的 阻尼，通过连通管及边舱内的水及时减小船舶可能发生的横摇。 12 2 2 国内减摇水舱的发展 国内对减摇水舱的研究起步较晚，7 0 4 研究所、7 0 2 研究所、7 0 8 研究 所、上海船舶设计院、大连理工大学、上海交通大学等单位都做过这方面的 研究工作，其中上海交通大学做了较多的工作。上海交通大学对被动式槽型 减摇水舱进行了系统的试验研究，并且在“琼沙”客货船和“海关3 0 1 ”艇 上安装使用。上海交大的陶尧森等人应用渡边理论和c o n o l l y 理论计算了不 同排水量和横摇周期时，船装槽型水舱后的横摇响应曲线，并用i t t c 双参 数海浪谱预报了不同有义波高时水舱减摇效果，并给出了船安装j d 槽型水 舱计算减摇效率的系列公式和图谱9 】。9 0 年代对可控被动式减摇水舱进行了 理论研究，并进行了摇摆试验台的模型试验。大连理工大学沈华等人通过研 究箱形工程船横摇运动的特点，提出了应用开式水舱减小其横摇运动幅值的 设想，建立了“船舶一开式水舱”系统的流体动力学模型，并进行了理论计 算和模型试验，表明这种水舱对于箱形工程船具有较好的减摇效果【1 0 】。 1 3 船舶减摇水舱试验台架的发展 对于不同类型的减摇水舱，现在已有各种不同的水舱理论。目前比较成 熟的水舱理论有u 型水舱理论和槽型水舱理论。而所有关于减摇水舱的各种 理论预报方法都是在一些假设的前提条件下得到的，如克雷洛夫一勃拉哥维 辛斯基理论中假定船舶没有横荡运动，而只作单纯的横摇运动；船舶重心位 置不变；船绕重心的运动是微幅的；在波浪力只讨论了浮力所产生的主要部 分，而没有考虑流体动力部分。如果没有这些假设，如船舶作大幅度的横摇 运动，则船舶所产生的阻尼力矩己不再与横摇角速度成线性关系，因而用理 论方法就不能对船舶安装水舱后横摇运动进行准确预报。其次，不同的水舱 形式和不同尺度水舱本身的阻尼，目前尚无法精确地决定，使用理论方法也 哈尔滨：r 程大学硕十学位论文 只能进行近似估计。最主要的问题是系统本身存在严重的非线性因素，即水 舱非线性阻尼及饱和效应、水舱的工况和效果相对于波倾角是非线性的。可 见在设计初期，还不能对不同尺度的减摇水舱性能从理论上进行准确而可靠 的预报。 在实际应用中，多按已有的经验初步确定减摇水舱的几何尺度，然后通 过台架试验决定具有最佳性能的水舱形式，从而得到安装减摇水舱后船舶的 横摇响应幅值算子，对船舶在一；规则波中的横摇特征和减摇性能进行准确预 报。 根据试验台架的工作原理，可以得到各式各样试验台架，若按所模拟的 运动自由度数划分，可分为单自由度试验台架和多自由度试验台架。单自由 度试验台架只模拟船舶的横摇运动，这是最常用的试验台架，其结构比较简 单。多自由度试验台架般为两个自由度，包括对船舶横摇运动和横荡运动 的模拟。按其用途划分，则可分为通用型和专用型，通用型就是能够模拟不 同的船舶和不同形式的水舱；专用型就是针对某一特定研究而建立的试验台 架。 i 萎璺巨蓑篓蓉釜薹萎羞薹羞薹耋量薹去薹萎薹美墨萎篓薹基；篓羞i 戆爱 l j j戥 严厅4 j - j 力传感器 ， 、，旋转轴! 1， 卜i 1 - 1 _ 、j 呷。t 架邯。盏鑫 图1 ，1 用于水舱测试的单自由度试验台架 用于减摇水舱性能试验的单自由度试验台架川如图1 1 所示。由于结构 强度的原因，平面减摇水舱空间一般都是被非水密纵向栅栏分割，为了研究 带有这些栅栏障碍物对减摇水舱的影响，专门建立了该试验台架进行减摇水 舱的性能试验。该试验台架的尺度比为1 2 5 ，其雷诺数的数量级为1 0 5 。模 型绕固定的旋转轴强迫振荡，通过带变速电机的飞轮一曲轴驱动，电机工作 在所要求的频率范围内。水舱运动产生的力矩，通过测量水舱模型四个角下 部的刚性支承所受的力进行估算后得到，这些力使用通用力传感器测量。水 舱的运动由个安装在转轴上的回转式减横摇和减纵摇传感器监测。系统允 许测试的横摇角的幅值分别为2 5 0 、5 0 和1 0 0 。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 单自由度试验台架【1 2 1 如图1 2 所示。台架由一个具有代表横摇运动的单 自由度转台构成，台架的惯性力矩、阻尼力矩和恢复力矩均可以调节，因此 能够在小比例或全尺度上复现船舶的运动特征。水舱模型在横向的调节范围 为3 4 英尺，因此可以模拟船宽为2 0 1 2 0 英尺的实船，相应的尺度比为 5 4 0 。由于台架是实际模型，因此实际控制装置可以安装在台架上。按照 预先设定的海浪制造波浪凸轮，伺服放大器跟踪波浪凸轮，输出信号给伺服 电机，驱动台架上的重物。重物在台架上作横向运动，产生所需的干扰力矩。 重物的运动和由此引起的台架运动通过双通道记录仪记录。 测量与 图12 单自由度试验台架 中的 水舱 美国海军1 9 8 7 年在改进中途岛号( c v - 4 1 ) 航空母舰运动时，为了对自由 浸水式减摇水舱性能进行预报，专门建立的大型水舱试验装置3 1 如图1 3 所 示。整个船舶和水舱模型置于一个巨大的水槽中，模型上安装了一套移动重 物振荡系统，系统主体为重约4 5 4 公斤的生摇重物小车，小车由伺服电机和 丝杠驱动作规定幅度的正弦横荡运动，从而使船舶按规定的要求作横摇运 动。反馈电位计用于确定重物小车的移动幅度，以产生准确的生摇力矩。模 型中以铅作为舱底压载物，以得到所需的船舶吃水和横摇固有周期。模型内 哈尔滨工程大学硕士学位论文 部安装有摄像机，通过玻璃内壁记录水舱流体的运动。安装在边舱上的标尺 用于记录水舱水位。第二个摄像机安装在水舱外部，记录整个模型运动和波 浪运动。 图1 3 大型水舱试验装置 减摇水舱试验台架的另一种结构1 4 1 如图1 4 所示。四边立柱为支承框架， 中下部为台架，中间为水舱模型，控制气阀通过气体联通道将两边舱相连接。 图1 4 减摇水舱试验台架 哈尔滨工程人学硕士学位论文 该台架能够产生最大为+ 1 5 。的横摇角，最小横摇周期为0 5 秒，能够进 行规则波和不规则波试验。在水舱底部通道设有流速传感器，流速信号反馈 给计算机，作为气阀启闭的控制信号。为了对减摇水舱进行抗倾试验，在左 右边舱还分别安装了电容式波高仪，用于检测两边舱的平均液位。所检测到 的平均波高还可用于对边舱液体晃荡情况进行分析。 前面所介绍的都是单自由度减摇水舱试验台架，实际上单自由度试验台 架的具体形式还有许多，但其工作原理都是相同的，那就是模拟船舶横摇运 动。就作为水舱尺寸和设计的目的而言，应用单自由度试验台架进行试验是 可以满足的。这种试验台架的特点是结构简单，而且在船舶设计初期，船舶 的一些细节尚不太确定的情况下，单自由度台架试验完全能够满足设计要 求。 在对船舶运动的研究中发现，“船舶一水舱”系统中横摇运动与船舶的 横荡运动是相互耦合的，于是人们开始研究两自由度( 模拟船舶横摇运动和 横荡运动) 减摇水舱试验台架。美国舰船研究与发展中心( n s r d c ) 于1 9 7 0 年开始研制多种性能的两自由度减摇水舱试验台架，以试验减摇水舱的性 能。该试验台架可试验不同船速和航向时的水舱性能，它可将实测的或理论 的长峰波浪在有涌共同作用以及不同风向下的海浪等作为扰动信号输入其 中。该试验台架包括三部分：模拟海浪扰动的时间关系曲线；模拟船动力特 性的运动部分和水舱的物理模型。根据所发表的资料，由该试验台架得到的 不规则横浪、无航速时，装水舱和无水舱的横摇时间关系曲线与船模在水池 中不规则横浪、无航速情况的试验结果具有很好的一致性。因此，利用 n s r d c 的减摇水舱试验台架可以较满意地预报实船减摇水舱的减摇效果和 减摇后的船舶横摇统计特性， 1 4 电液伺服控制理论的发展及应用 电液伺服控制系统是自动控制领域的一个重要分支，其主要特点为：响 应快、传递功率大、便于实现自动化以及性价比高，因而在国民经济和国防 建设等各个领域起着至关重要的作用。目前，伺服机构大多仍采用古典控制 理论的复频域分析设计方法和模拟电子控制器来实现，主要依靠伺服阀的精 度，采用动压反馈等硬件校正技术来保证其动、静态特性，缺点是控制精度 不高、参数调节不方便。传统的模拟式电液伺服技术已不能满足新形势下对 伺服机构提出的更高要求。 伺服系统控制理论主要研究用反馈来修正系统的行为和性能。以前的模 拟控制器在灵活性和适应能力方面受到限制，而基于微处理器的控制器则为 哈尔滨t ：程人学硕士学位论文 复杂控制理论的实现提供了可能【1 ”。 在传统的模拟式电液伺服系统中，用数字计算机代替模拟控制器进行运 算，通过i o 板来完成数字信号和模拟信号之间的转换，就构成了图1 5 所 示的目前广泛采用的数字式电液伺服系统。 图15 数字式电液伺服控制系统结构酬 通过改变图1 5 中计算机的应用程序，可以使计算机完成不同的控制功 能，从而在不改变控制系统硬件电路的前提下，通过软件程序来实现不同的 控制规律。 1 4 1p l d 控制 通过离散化，经典的p i d 校正可以由微处理器软件方便地实现。目前， 工业过程控制大多采用p i d 控制，其中p i 控制的应用较多1 1 6 。为改进p i d 控制器的= ；1 = ；足之处，很多学者对传统的p i d 进行了改造，各种复合形式的p i d 控制器纷纷出现：神经网络p i d 控制器【1 ”、非线性p i d 控制器”、自适应p i d 控制器【”】、自整定p i d 控制器口“。 虽然目前的p i d 复合型控制器虽然有了很大的发展，但能否全都用于实 际的工业控制中，还不能完全确定。电液伺服系统响应速度快，也就要求控 制器的控制算法和控制结构简单，否则将提高控制的难度和控制的成本。 1 4 2 自适应控制 如果对电液伺服系统控制对象本身特性及外部环境了解不够，或者在正 常运动中发生变化( 如惯性负载发生变化) ，则需要根据实际运行的情况自动 调节控制规律，这时就要考虑应用自适应控制。自适应控制分为两大类：自 校正自适应控制和模型参考自适应控制。其中模型参考自适应控制由于不需 要在线辨识系统的参数、计算速度快、算法简单且易于在计算机上实现，因 哈尔滨工程大学硕士学位论文 而在液压控制领域得到了较多的应用。 虽然自适应控制系统具有很大的优越性，但是它也存在以f 问题：通用 性不强、参数难调、鲁棒性难以保证、稳定性问题、复杂的算法与快速控制 之间存在的矛盾等。自适应控制理论能否在实际的电液伺服系统中得到应 用，能否解决以上问题是关键。 1 4 3 最优控制 近3 0 年来，应用最优控制理论进行线性控制系统设计已取得很大进展， 以二次型性能指标为准则的最优线性调节器设计也已经为人们所熟知。为分 析和设计这类调节器，已研制出完整而有效的计算机设计程序。 利用最优控制理论进行液压伺服系统的优化设计，可以消除动态误差， 保证控制精度，构成实时控制。 最优设计方法尽管在理论上比较完善，但它是以系统的精确数学模型作 为设计基础。在实际的工程设计应用中，要求必须建立系统的精确数学模型， 否则将影响到最优控制理论的应用。 综上所述，在电液伺服系统中无论采用何种控制策略，它都必须满足以 下要求： ( 1 ) 快速性在满足系统稳态精度的前提下，严格的优化设计使系统作到 快速而无超调； ( 2 ) 鲁棒性对于参数变化、外负载干扰和交叉耦合以及非线性因素引起 的不定性，控制系统应呈现较强的鲁棒性； ( 3 ) 智能性控制策略应具有较强的智能； ( 4 ) 实时性控制算法简单，实时性强； ( 5 ) 高效性系统应具有较高的效率。 1 5 本论文的研究内容 本论文主要开展以下几个方面的理论与实际工作： 1 船舶减摇水舱试验台架特性分析。该台架是依据相似定律按照一定 的缩尺比制作的，它能够模拟船舶的横摇运动和横荡运动，试验台架的转动 惯量、阻尼力矩和恢复力矩可调，在一定范围内可以模拟不同吨位的船舶。 为了准确得到台架的实际参数并与理论计算参数进行比较，进而为研究安装 在台架上的水舱性能提供依据，本文对台架的各参数进行了测量和计算，并 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对相关参数变化对台架性能的影响进行了分析。 2 台架控制系统数学模型的求取与分析校正。为了能更好地模拟海浪作 片；i 于船舶的横摇力矩，采用了电液力矩伺服系统，文中求取了电液力矩伺服 系统的传递函数，并对系统进行了仿真研究，为了实现伺服系统对上位机给 定的力矩信号的准确模拟，对伺服系统进行了p i d 校正，校正后的系统对给 定的规则波和不规则波力矩信号进行了模拟。 3 台架控制系统实现。为了实现对台架的控制，需要从硬件和软件两 方面进行设计与调试。对涉及到的电源板、伺服放大板和信号调理板，伺服 阀及各种传感器进行了标检和调试。把控制原理图通过组念软件提供的功能 来实现，通过组态软件对系统进行监控和实时调节。 4 船舶减摇水舱台架试验。利用水舱试验台架硬件和组态软件对不同 周期规则波作用下的船舶横摇运动以及对不同海况下的不规则波作用下横 摇运动进行了试验，并对试验曲线进行了分析。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章船舶减摇水舱试验台架特性分析 2 1 引言 减摇水舱模型试验基本可分为两大类：第一类是船模水池中的试验，包 括耐波性水池和拖曳水池试验。这类试验把实船和减摇水舱按几何相似缩 尺，并将装有水舱模型的船模在规则波和不规则波中扰动，也可采用强迫振 荡装置使在静水中的船模产生横摇运动，通过一系列不同频率的强迫振荡， 可得到相应的横摇频率响应曲线；第二类是水舱模型的台架试验，它是将船 的重量、流体动力和复原力按一定的比例关系调整，给出与实船相似的横摇 运动。配以几何相似的减摇水舱模型，并在模拟的波浪力扰动下，产生有减 摇水舱的横摇运动，从而可得相应的横摇频率响应曲线。本文研究的是台架 试验，对台架的理论参数进行了计算，并对实际参数进行了测量，对各参数 变化对台架性能影响进行了分析。 2 2 船舶减摇水舱试验台架的原理 如果考虑船舶的横摇运动，则其运动与一个复重力摆的摆动运动是相似 的，其运动微分方程可以表示为 j 驴+ n 。+ d h q j = m ( 2 一1 ) 式中：西一船舶横摇角加速度，r a d s 2 ， 西一船舶横摇角速度，r a d s 口一船舶横摇角，t a d ，一船舶质量对纵轴的转动惯量， k g m 2 一船舶横摇阻尼力矩比例系数，n m s d 一船舶排水量，t h 一初稳心高，m m 一海浪横摇力矩，n r i l 试验台架就是一个复重力摆，具有与式( 2 1 ) 完全相同的微分方程，方程 式中各项系数与实际船舶横摇运动微分方程各系数相对应，且遵循力学模型 与实物之间的相似原理。相似原理是模型试验的理论根据，试验环境及对象 的模拟以及将试验数据换算到实际应用中均需遵循此原则。船舶在海浪中的 运动是一种复杂的动力学现象，欲使台架试验能真实地再现实船的特性，根 据力学原理，台架和实船这两个力学系统之间必须满足下列几何相似、运动 哈尔滨工程人学硕士学位论文 相似和动力相似的条件。 ( 1 ) 几何相似 几何相似要求台架与实船对应的线尺度之比为一固定数。即可表示为 ， l h h = 兄 ( 2 2 ) 式中：旯一模型比尺( 或称相似常数) ， 上。一实船的任意特征线尺度，m l 一台架对应的线尺度，m ( 2 ) 运动相似 船舶在海浪中的运动是一种不定常运动，欲使台架和实船这两个不定常 的运动体系之间保持运动相似，必须满足斯特鲁哈数s h 相等，可表示为 等= 等= c z s ， 式中：v 一速度，m s f 一时问( 包括运动周期等) ，s ( 3 ) 动力相似 实践表明，船舶在海, a l e e 的运动这一力学现象主要受惯性力和重力所控 制，粘性力和表面张力等一般只起次要作用( 横摇阻尼、飞溅等除外) 。所以， 在船舶减摇水舱台架试验中一般应确保惯性力和重力相似，即满足傅汝德数 f 相等，可表示为 兰：鱼 g 。l 。0 9 h l h ( 2 4 ) 式中：g 一重力加速度，m s 2 根据相似定律可以推出试验台架与实船参数之间的对应关系如表2 1 所 示。 。堕堑塑三型盔堂堡堂堡丝苎 表2 1 试验台架与实船各物理晕的比值 物理量比值例子 线尺度 五主尺度、线位移、波长等 面积、沿船长单位长度质量 2横剖面积、舵面积、水线面积等 体积、质量、力丑3排水体积；船的质量；推力等 角度、线加速度 1 横摇角；重力加速度等 时间间隔、线速度旯o 5 波浪周期、运动周期：船速、波速等 频率、角速度z o5 遭遇频率；横摇角速度等 角加速度 。 横摇角加速度等 由表2 1 可以推出试验台架与实船参数之间的一些对应关系： d 。= d h 刀( 2 5 ) j 。= j h 岔 h 。= h h 五 n 。= n 。h s 2 3 船舶减摇水舱试验台架参数计算 ( 2 - 6 ) ( 27 ) ( 2 8 ) 2 3 1 船舶减摇水舱试验台架理论参数计算 本试验台架是以某型船舶为母型依据相似原理制成的，根据该型船舶的 参数可以计算出台架的理论参数。已知：某型船舶排水量d 。= 1 5 7 4 t ，船长 = 9 8 m ，船宽b = 1 0 2 m ，吃水t = 3 m ，初稳心高h 。= 1 0 9 5 m ，水舱水量占总排水 量4 左右，船舶的固有周期7 0 = 7 2 4 3 s ，无因次阻尼系数_ ：o 1 5 。缩尺比_ = 8 5 。六级海情崩一= 5 m ，海浪最大横摇力矩玩，= 3 5 1 0 6 n m ，海浪最大角频 率= 2 r a d s ，要求系统误差小于5 。 依据上述参数则可得到某型船舶的相关参数为： 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 个 转动惯量j 。= d h h h ( 三生) 2 = 1 5 7 4 1 0 3 9 8 1 1 0 9 5 ( 7 2 4 3 2 ) 2 = 2 2 5 1 0 7 ( k g i ；q 2 ) ( 2 9 ) r 阻尼系数= ( 兰) ，d h h 2 ( 7 2 4 3 2f ) 0 1 5 1 5 7 4 1 0 3 9 8 1 l i l 1 0 9 5 = 2 9 2 1 0 6 ( n m s )( 2 1 0 ) 恢复力矩d h h = 1 5 7 4 1 0 。x 9 8 1 1 0 9 5 = 1 6 9 1 0 7 ( n i 】) ( 2 一1 1 ) 依据台架与实船参数关系折算成台架的参数为： 最大横摇力矩 m = m = 3 5 1 0 6 8 5 4 ：6 7 0 4 9 ( n m ) 最大角频率o ) m a x 。= 一a - 0 5 - 2 8 5 “5 = 5 8 3 ( r a d s ) 台架重量d 。= d h 2 = 1 5 7 4 x 1 03 8 5 3 ：2 5 6 2 9 ( b ) 台架中心h ，= h h 2 , = 1 0 9 5 8 5 = o 1 2 9 ( m ) 转动惯量j ，= ，。2 = 2 2 5 1 0 7 8 5 5 5 0 7 0 9 ( k g m 2 ) ( 2 一1 2 ) ( 21 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) 阻尼系数n u m = n o h 2 5 - 2 9 2 1 0 6 8 5 4 “1 9 1 8 7 ( n m s ) ( 2 1 7 ) 恢复力矩d 。h 。2 d h h _ | = r 2 1 4 = 1 5 7 4 1 0 3 x 9 8 1 1 0 9 5 。 8 5 4 = 3 2 3 9 0 1 ( n m )( 2 - 1 8 ) 根据求出的台架参数可以得到台架的数学模型，从理论上可以对台架的 性能进行分析，但是对于实际台架做试验，需要考虑实际参数与理论参数的 差距，而且要分析各参数变化对台架性能的影响，因此，需要对台架的实际 参数进行测量。 2 3 2 船舶减摇水舱试验台架实际参数测量 为了使试验台架实际参数能够调整到模拟某型船舶的理论值，需要测量 台架参数值，并根据各参数调节原则对台架参数进行调节，为减摇水舱台架 试验作准备。本文所述水舱试验台架结构如图2 1 所示。对台架的参数测量 包括重心测量、转动惯量测量、机械摩擦阻尼测量。 ( 1 ) 重心测量 在实验前，台架经过检验处于水平位置，并对角度传感器进行了电调零、 6 哈尔滨工程人学硕士学位论文 机械调零和重新标定( 1 v = 1 1 4 5 。) 。由于试验台架在结构上是左右对称的， 因此重心实际上是在垂直方向上。重心测量可以按两种方法进行：直接计算 法和力矩平衡法。 图2 1水舱试验台架结构图 直接计算法 试验台架重心测量分三部分：试验台架固定部分、配重部分和水舱部分。 固定部分包括驱动部件、摇摆轴架、重心调节机构( 不包括配重) 、转动惯 量调节机构和水舱支架等参与摇摆的五部分，这部分结合在一起的重心距摇 摆轴的距离是确定不变的。试验台架的配重部分用于调整试验台架重量，使 之与实船相似，配重垂直位置可由螺旋机构提升或下降进行调节。水舱部分 指水舱里没有充水时的情形，安装减摇水舱模型后，水舱模型重心距转轴距 离也就确定了。 把试验台架重心、配重重心和空舱水舱的重心代入下式，就可得水舱没 有充水时，整个试验台架的重心对转动轴的垂直距离h 。 ”毪舞磐笋 善，( 2 - 1 9 ) = 二 式中：玎0 l _ 试验台架总重量，w m = 阡么l + 阿0 2 + 蹄， 阡0 】一试验台架固定部分重量，n n i 一试验台架固定部分综合重心对转轴的距离，r n 2 一所加配重重量之和，n 哈尔滨工程人学硕士学位论文 k i n 2 一所加配重重心对转轴的距离，m 纬，卅3 空舱水舱的重量，n h m 3 一空舱水舱重心对转轴的距离，m 如果由式( 2 - 1 9 ) 计算的重心垂直距离h 。与要求的重心位置不相等， 则通过螺旋机构调节所加配重的重心至转动轴的距离，直到满足要求为止。 按照商接计算法测得台架参数见表2 2 。 表2 ，2 台架总重及重心 无水舱时有水舱但空舱时 离合器情况分开台上分开 同定部分重 6 7 7 0 3 7 k g ，6 8 3 8 7 4 k g ，6 7 7 0 3 7 k g ， 6 8 38 7 4 k g ， 量及重心 5 9 8 8 c m5 9 2 9 c m5 9 8 8 c m 5 9 2 9 c m 配重重量及3 4 2k g3 4 2k g3 4 2k g3 4 2k g 重心1 0 2c m1 0 2c r n1 0 2c n l1 0 2c m 水舱重量及 9 6k g9 6k g 重心1 4 c m1 4 c m 台架总重及 1 0 1 9 0 3 7k g1 0 2 5 8 7 4k g 1 1 1 5 0 3 7k g1 1 2 l | 8 7 4k g 重心 3 8 ，2 l c m3 7 9 6 c m 3 6 1 3 c m3 59 l c m 力矩平衡法 力矩平衡法调节重心距离的原理如图2 2 所示。根据重力相似将所加配 重加到试验台架上后，将一可移动重块沿转轴水平面移动至距转轴水平 距离为厶处后固定，这时试验台架将绕转动轴转动，同时试验台架的重心也 绕转动轴转动，到达某一角度移后，试验台架停止转动。记录所转动的角度， 根据力矩平衡原理，可由下式计算试验台架重心到转轴的垂直距离k 。为 铲器( 2 - 2 0 ) 式中：一可移动重块重量，n 如一可移动重块至转动轴的水平距离，m 够一试验台架静倾角，r a d 如果由式( 2 2 0 ) 计算的重心位置h 。与要求的重心位置彳i 相等，则调 节螺旋机构，改变配重重心到转轴的垂直距离，重复上述试验步骤，直到满 足要求为止。重心位置调节完毕后，将可移动重块沿原水平面移动至转 轴处后固定，则重心调整完毕。由于可移动重块的重量相对试验台架重量很 小，实际调节完毕后将重块移去即可。 哈尔滨r 程人学硕士学位论文 试验台架重心的垂直位置也可以通过试验台架的摇摆试验进行调节和 确定，其调节原理类似于力矩平衡法。 可移 重块 图22 力矩平衡法校准 ( 2 ) 转动惯量测量 由试验台架工作原理可知，为了使试验台架的固有摇摆周期与实船固有 横摇周期相似，除了要求两者之间的重量和重心位置相似外，还要求两者之 | 自j 的质量惯性矩相似。试验台架转动惯量的常用调节方法有直接计算法和自 由摇摆法。 直接计算法 直接计算法是将试验台架分解为各个独立的部分，分别计算出各部分的 转动惯量后，相加后得总转动惯量。如果总转动惯量与所要求的转动惯量不 相符，则通过惯量机构上的手柄调节重块，直至计算的总转动惯量与所需转 动惯量相等为止。试验台架通过质心的转动惯量为 形 - ，。= 厶1 + 厶2 + 厶3 + 厶4 一卫蟛 ( 2 2 1 ) g 式中：厶l 一固定部分的