减摇控制技术综述

船舶减摇控制技术现状与展望0前言船舶在海上航行时，由于受到海浪、海风及海流等海洋环境的扰动作用，不可避免的要产生六个自由度的摇荡运动，即横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡，其中以横摇最为显著，对船舶影响也最大。因为船舶的横摇运动阻尼很小，所以船舶在风浪中会产生剧烈的横摇。横摇运动过大不但影响船舶的航行，而且还会对船上的装备造成不良影响，给船上的货物和人员带来不安全因素；对于军舰来说，横摇还会影响武备的使用，使舰载机不能正常起飞和降落。为了减小船舶横摇，船舶设计师和控制工程师付出了不少的努力，成功地设计了各种各样的减摇装置来减小船舶的横摇运动【1】。横摇减摇作为一门学科已经有一百多年的历史。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，目前使用的横摇减摇装置主要是减摇鳍和减摇水舱【2】。尽管自20世纪80年代以来，许多研究表明利用舵减摇具有很好的发展前景【3】，但最常用且成功的主动式减摇装置仍然是减摇鳍。随着减摇鳍和减摇水舱等单一减摇装置的日益发展成熟，加上大型船舶的出现以及对船舶航行安全性和舒适性要求的提高，人们开始研究减摇鳍一减摇水舱综合减摇系统。这种装置综合考虑了减摇鳍和减摇水舱这两种减摇装置的功能，使之达到各种装置的协调组合，资源的合理配置，最大限度的平衡船舶。1减摇装置简介1.1减摇鳍减摇鳍装置是目前世界各国装船最多的一种减摇装置。它是一种主动式减摇装置，减摇效果高，可达80%〜90%，因而使用广泛。减摇鳍的最早专利是在1889年由约翰•桑尼克罗夫特获得的。1923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。1935年英国的布朗兄弟公司设计的减摇鳍成功地应用到一艘2200吨的海峡渡轮，从此减摇鳍得到了广泛的应用。目前许多国家的海军的中高速舰船、许多商船和其他船只都装有减摇鳍【1】。我国对减摇鳍的研究从60年代开始，上海船舶设备研究所和哈尔滨工程大学进行了大量的研究设计工作，并在各类船舶上得到成功使用。减摇鳍的工作原理是：在船舶水下部分两侧，装有一对或多对机翼形鳍。船舶航行时，鳍在横摇参数控制下快速转过一个角度，鳍上产生“升力”，对船舶形成抵抗波浪力矩的减摇力矩，从而减小横摇角【4】。减摇鳍一般可分为固定式和收放式两种。固定式减摇鳍，安装于鳍轴上的鳍只能绕鳍轴旋转，不能收进船体。这种减摇鳍结构简单、重量轻、制造成本较低，几乎适用于各种大型船舶，但该鳍较收放式鳍的升力系数小，减摇能力受到限制，当船舶在静水中航行时增加了阻力，由于鳍一直伸出在舷外，故容易损坏。收放式减摇鳍的鳍不但可以绕鳍轴转动，而且不用时可以收进船体，静水航行时不产生附加阻力，鳍的升力系数较大，减摇效果较好。但是收放式减摇鳍的重量大，机械结构复杂，占用船内空间大。因此该型减摇鳍主要装在客船、车客渡船、滚装船等较“胖”船型的船舶上。1.2减摇水舱虽然减摇鳍是一种效果很好的主动式减摇装置，但当船舶在低航速或零航速时，就不能有效地减摇，这是减摇鳍的一个致命缺点。对于那些经常工作于低航速或零航速的船舶来说，减摇鳍就不适用了。另外减摇鳍结构复杂，制造成本高，对某些船舶来说，减摇鳍占船舶总造价过大。而减摇水舱结构简单，成本低廉，可靠性高，更为重要的是减摇水舱在各种航速下均能有效减摇，也就是说减摇效果与航速无关，因而被不少船舶应用。但是减摇水舱体积大，占用的舱室容积较大，减摇效果不如减摇鳍，故适用于有较大空间的船舶。关于减摇水舱的研究可以追溯到1860年，但直到1911年德国人佛拉姆才成功提出了被动式U型减摇水舱【2】，现在它已成为船舶的基本减摇装置之一。减摇水舱从原理上可分为被动式减摇水舱、主动式减摇水舱和可控被动式减摇水舱三种。被动式减摇水舱是根据“双共振”的思想进行设计的，即水舱水流振荡和船舶横摇运动具有相同的固有周期。当船舶谐摇时，波浪和船舶横摇之间以及船舶横摇和水舱内水流振荡之间发生双重共振现象，使水舱内水流振荡对船体产生的力矩与波浪对船体产生的扰动力矩的相位相反，从而达到水舱的最佳减摇效果【5】。按此思想设计的水舱调谐于单一频率，在谐摇区附近有较大的减摇效果。在非谐摇区尤其是低频段区域，减摇效果明显下降，有时还可能引起增摇现象。被动式减摇水舱的这一固有缺点限制了它的发展和应用。主动式减摇水舱，即在被动式减摇水舱的连接管道中装设一台鼓风机，鼓风机根据陀螺仪测得的船的摇摆信号，把舱内的水主动快速的从一舷边舱打到另一舷边舱来抵消波浪干扰力矩，从而使水舱在更宽的波浪频率范围内有效减摇。但是在很短的时间内转移大量的水到另一个水舱，实现起来很困难，特别是能量消耗很大，经济性不好，故一般很少采用。可控被动式减摇水舱是随着控制技术的发展而出现的一种新型高性能的减摇水舱，它实质上是对被动式减摇水舱的一种改进。它是在被动式减摇水舱的基础上，在两边舱的顶部安上气阀，用少量的能量控制气阀的开关来实现对水舱内水流动的控制，使水舱中的液体总是保持在船舶向上运动的那一边的边舱内。这种水舱克服了被动式减摇水舱的固有缺点，避免了在非谐摇区出现较高的横摇幅值，保证在各种海况下都有较好的减摇效果【5】。1.3舵减摇与减摇鳍、减摇水舱相比，舵减摇是一项较新的减摇技术，它的理论基础是【6】：舵的低频运动主要影响船舶的艏摇，而舵的高频运动则主要影响船舶的横摇，同时也增加了船舶的航行阻力，但比减摇鳍的要小。船舶的横摇周期一般在7〜15秒之间，而艏艉摇一般在20〜40秒之间，靠舵对横摇和艏艉摇响应的差异，控制舵角，达到一定的减摇效果【7】。舵减摇系统的减摇效果比减摇鳍的减摇效果差，一般为60%左右，但与减摇鳍相比，利用舵在操舵时产生的横摇力矩进行减摇的舵减摇装置所占船内空间少，无需额外的装备，使用维修方便，故舵减摇技术引起了人们的广泛关注。到目前为止，关于舵减摇的研究还远没有结束，研究工作仍将围绕控制算法和舵机非线性两个方面进行。但是这两个方面是相互联系的，应该综合考虑。实际上，这两个方面是不可以分割的，减摇的性能要求有较大的舵角和快速的转舵，期望产生足够大的减摇力矩以抵抗船舶的横摇，这个要求已经远远超出普通船舶对舵机的要求。另外需要指出的问题是，应该在满足控制指标的前提下尽量减少舵的运动。在最早装船运行的舵减摇系统中，由于舵运动过于激烈而导致转舵机构磨损严重而不能使用。因此舵减摇的控制问题如果不能很好的解决合理转舵的问题，则舵减摇的发展前景堪忧【8】。2减摇装置的减摇原理人们设计制造各种减摇装置来减小船舶的横摇运动，主要是按照三种途径来实现减摇【4,9,10】：增大阻尼系数这种做法称为“阻尼稳定”。由于阻尼的物理含义是指能量的耗散，所以这种减摇方式在任何情况下都是有效的，尤其是在谐摇区效果最显著。减小船舶固有频率这种减摇方式称为“谐摇稳定”。即减小船舶固有频率，使船舶的固有频率避开波浪扰动频率。它只对强制振荡有效，使遭遇频率按正确的方向改变。但是，由于实际的海面上有着各种频率的波浪，改变船舶固有频率的做法并不总是合适的，并且制造一种装置来改变船舶固有频率也是不现实的，只能在设计船舶时考虑这一点，使船舶的固有周期避开此船舶服务海域发生最频繁的波浪的周期。直接减小扰动力或力矩这种方式称为“平衡稳定”，在原则上它可以适用于所有的摇摆运动。在这种情况下，施加一个与扰动力矩相位相反的稳定力矩，从而使扰动力矩减小。如果船舶的横摇运动角度较小，则可以应用线性横摇理论来分析船舶的横摇运动。依照Conolly理论，船舶受到海浪作用后的线性横摇可以表示为：(I+AI)0'+2N6+Dh。二一Dh以(1)式中，七和七分别为相对于通过船舶重心的纵轴的惯量和附加惯量，2N为每单位横摇角速度的船舶阻尼力矩，D为船舶排水量，h为横稳心高，a为波倾角，0为横摇角。如果有一个横摇减摇装置，在它的作用下，产生了一个对抗海浪力矩