船舶减摇鳍智能故障诊断系统设计研究

哈尔滨工程大学硕士学位论文船舶减摇鳍智能故障诊断系统设计研究姓名：孙蓉申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：刘胜20090101船舶减摇鳍智能故障诊断系统设计研究作者：孙蓉学位授予单位：哈尔滨工程大学相似文献(10条)1.期刊论文王宇.金鸿章.綦志刚.李冬松.WANGYu.JINHong-zhang.QIZhi-gang.LIDong-song船舶零航速减摇鳍升力仿真研究-兵工学报2008,29(4)应用船舶减摇鳍在零航速时进行减摇,与传统减摇理论有着本质的不同.为了研究船舶零航速减摇鳍在零航速时产生升力的过程,以Weis-Fogh理论为基础,建立了零航速减摇鳍升力模型,对哈尔滨工程大学研制的NJ5型减摇鳍升力模型进行了仿真研究,并应用计算流体力学软件,针对NJ5型减摇鳍进行了数值计算,结果表明数值计算与仿真结果一致,为以后进行水动力试验以及控制规律的进一步研究打下了基础.2.学位论文王宇船舶零航速仿生减摇鳍控制机理研究2007船舶在风浪中不可避免地会产生各种摇荡，其中以横摇最为显著，影响也最大。船舶在系泊或低航速状态下，当涌浪周期接近船舶自然横摇周期时，船舶摇摆比航行时更为剧烈。然而，只有船舶的航速较高时，常规减摇鳍才可以有效地减摇；船舶在低航速或零航速情况下，由于流过鳍表面的水流速度为零，鳍上升力也将消失，因而此时减摇鳍几乎不能进行减摇。对于在低航速或系泊状态下仍需要减摇的船舶来说，传统的减摇鳍就不再适用了。随着船舶减摇技术的发展，人们对系泊状态时船舶的减摇能力提出了新的期望。而减摇水舱减摇能力有限，有时甚至出现增摇现象。在减摇领域，零航速减摇鳍技术开发成为人们关注的问题，于是人们提出了零航速减摇鳍的概念。论文来源于国家自然科学基金项目“零速下船舶仿生减摇鳍升力机理的研究(50575048)”，主要研究内容是基于仿生流体力学研究在零来流流场中，依靠减摇鳍主动摆动产生升力的机理，建立船舶零航速仿生减摇鳍的升力模型。论文在广泛调研国内外仿生流体研究包括昆虫、鸟类飞行和鱼类巡游推进机理的理论研究、实验研究、数值模拟和模型研制的基础上，把零航速减摇鳍升力产生模式与昆虫悬停、鸟类飞行及鱼类摆动鳍、尾推进模式作为研究对象，采用理论分析、仿真计算和数值模拟相结合的研究方法，建立了可变弦长Wleis—Fogh减摇鳍升力模型和单鳍仿生翼纵摇耦合升沉零航速减摇鳍升力模型；论证了两鳍片间的间隙对Weis—Fogh减摇鳍升力特性的影响；定义了升力对间隙的敏感因子的概念；得出了间隙对减摇鳍弦长的无量纲因子不大于10时间隙对升力影响不大的结论，该结论可以做为实际设计中的参考。论文深入分析了所提出的两种零航速减摇鳍的运动特征和力学机理，结合船舶减摇控制技术，将升力控制引入船舶零航速减摇鳍控制系统中，进一步引入能量限制建立了船舶零航速减摇鳍控制系统。采用仿真分析和数值试验的方法，对可变弦长Weis—Fogh减摇鳍升力模型在不同运动规律下的升力特性进行了研究，结果表明鳍片在一定张开规律下，通过弦长的动态变化，可以达到根据不同海浪周期，提供给船舶不同特性的升力的目的，所建模型能够反映在零速流场中的升力特性。单鳍仿生翼零航速减摇鳍升力模型是基于在非定常流场中对经典叶素理论进行修正，根据库塔-儒科夫斯基假设和船舶操纵性研究中广泛应用的“缓慢移动”假说而建立的。从仿真研究结果可看出，随着各种运动参数如减摇鳍纵摇和升沉幅值、频率、相位角等的不同，升力特性也不同，但纵摇对升力的影响占主要地位，纵摇和升沉两种运动的相位角为45°时升力较大。近年来，升力控制一直是船舶减摇技术的热点，将其引入船舶零航速减摇系统无疑是对船舶零航速减摇的又一发展。通过升力反馈和升力限位，对原有减摇鳍随动系统进行改进，建立了升力控制的船舶零航速减摇鳍控制系统。在不同海情90°浪向下的仿真研究结果表明，零航速减摇效果达到了60％以上，较减摇水舱不足50％的减摇效果有了很大提升。这说明建立的仿生减摇鳍升力模型和控制系统能够满足船舶零航速减摇的需要。3.期刊论文王宇.金鸿章.綦志刚.李冬松.WANGYu.JINHong-zhang.QIZhi-gang.LIDong-song船舶零航速Weis-Fogh减摇鳍升力仿真研究-海军工程大学学报2007,19(3)船舶减摇鳍在零航速时进行减摇是一种全新的理论.为了研究船舶零航速减摇鳍的升力特性,以Weis-Fogh理论为基础,建立了零航速减摇鳍升力模型,并针对哈尔滨工程大学研制的NJ5型减摇鳍对二维升力模型,在Matlab环境下进行了各种运动规律的仿真实验,结果证明,Weis-Fogh机构减摇鳍在零速流场中能够瞬间产生很大的升力,为以后进一步进行水动力试验以及控制规律的研究打下了基础.4.期刊论文杨奕.YANGYi加装减摇鳍船舶横摇运动的计算研究-机电设备2008,25(4)船舶加装减摇鳍目的是减小船舶的横摇运动.鳍的运动通过由PID控制的液压装置驱动.文章考虑了船舶的粘性阻尼系数,结合减摇鳍运动特性,通过PID控制法对加装减摇鳍船舶横摇进行预报并通过实船验证.5.学位论文綦志刚船舶零航速减摇鳍升力机理及系统模型研究2007船舶在低航速或零航速作业时，减摇水舱是用来减小船舶横摇的最主要的减摇设备。但是减摇水舱本身的减摇能力有限，而且只是在谐摇频率的情况下，才能达到最好的减摇效果，在某些情况下甚至会出现增摇的现象。而传统的减摇鳍一般只能在中高航速下才能有效地进行减摇，这是由传统减摇鳍减摇机理决定的。传统减摇鳍的升力同船舶的航行速度的平方成正比，因此船舶的航行速度越高，产生的升力也相对较大。随着减摇技术的发展，一种新的减摇技术可以使用减摇鳍在零航速下进行船舶减摇，但其减摇理论仍处在发展阶段。论文来源于国家自然科学基金项“零速下船舶仿生减摇鳍升力机理的研究(50575048)”。主要研究内容是减摇鳍在零航速下摆动时的运动规律及其升力模型的建立。论文首先对零航速减摇装置做了综述，阐述了减摇鳍在零航速下工作的减摇原理。论文给出了单翼纵向拍动型、单翼横向拍动型、单翼纵向拍动耦合升沉运动和双翼纵向拍动型等几种类型的零航速减摇鳍，并对其工作原理进行了分析。单翼零航速减摇鳍升力模型的研究是减摇鳍能否在零航速下用于船舶减摇的关键问题。通过对两种不同工作方式的零航速减摇鳍升力模型进行理论研究，根据单翼weis～Fogh机构势流理论对单翼横向拍动的减摇鳍进行了升力建模，得到的升力模型基本上反映了鳍拍动时升力产生的情况。同时对单翼纵向拍动的减摇鳍进行了升力模型建模，根据鱼尾摆动将鳍上所受到的力分为法向力、附加质量力和涡的影响力进行研究，建立相应的简化模型。最后使用Fluent计算流体力学软件对单翼纵向拍动减摇鳍进行了数值模拟，从得到的升力曲线上可以看出前面建立的升力模型基本上可以反映鳍摆动时产生升力的规律。双翼零航速减摇鳍升力模型的建立是基于Weis—Fogh机构流体动力学理论。基于势流理论得出的升力模型由于对一些参数进行了假设，其升力模型并没有很好的反应出鳍上的升力变化情况。因此进一步研究和建立了基于点涡理论的双翼零航速减摇鳍升力模型。从其升力曲线的对比上可以看出，基于点涡理论的升力模型可以更好的反映鳍上产生升力的情况。最后建立了船舶—单翼零航速减摇鳍和船舶—双翼零航速减摇鳍模型。据实船参数对船舶—单翼零航速减摇鳍模型和船舶—双翼零航速减摇鳍模型在不同海况下的船舶横摇进行了仿真，从仿真结果上可以看出在低海情的时候单翼零航速减摇鳍的减摇效果可以达到55％以上，双翼零航速减摇鳍的减摇效果在50％左右。6.会议论文刘胜.庞强.李佳来船舶减摇鳍电驱动控制系统设计研究2006介绍了船舶减摇鳍电驱动控制系统的基本组成和工作原理,以矢量控制的异步电机伺服系统作为减摇鳍随动系统,并基于MATLAB7.0软件进行了建模和仿真,最后给出了仿真结果及分析.仿真结果验证了该伺服系统的正确性和有效性.并与传统的减摇鳍电液伺服系统进行比较:电驱动减摇鳍伺服系统具有良好的快速性,鳍角跟踪误差比较小,具有良好的减摇效果.7.学位论文罗延明船舶零航速减摇鳍及其电动伺服系统研究2007减摇鳍是目前最常用且应用最成功的船舶主动式减摇装置，减摇效果可达90％以上。然而，只有船舶的航速较高时，减摇鳍才可以有效地减摇，船舶在低航速或零航速情况下，减摇鳍几乎不能进行减摇。主要原因是减摇鳍升力的产生源于水流流过鳍的速度。当速度很小时，鳍上的升力也变的很小，在零航速时升力也同时消失了。这是传统减摇鳍的主要缺陷。对于在低航速或系泊状态下仍需要减摇的船舶来说，传统的减摇鳍就不再适用了，于是人们提出了零航速减摇鳍的概念。本文对能使减摇鳍在零航速或低航速条件下产生升力的解决方案进行了研究。文章首先对传统减摇鳍升力产生的机理进行了研究，在此基础上对目前实现零航速减摇存在的问题进行了全面的分析，最终确定需要解决的关键问题是减摇鳍如何在零航速下产生升力。针对这一问题，论文参考了国内外的相关资料并进行了初步论证，最终确定采用Weis-Fogh机构来设计零航速减摇鳍。Weis-Fogh机构是英国生物学家T.Weis-Fogh通过对一种黄蜂的飞翔运动的观察分析，发现“振翅拍击和挥摆急动”而产生的新机构。由于Weis-Fogh机构产生升力所起作用的是流体惯性力。因此，它能够在零航速下产生升力。根据Weis-Fogh机构的组成和结构特点，论文提出了双翼纵向拍动型、单翼纵向拍动型和单翼横向拍动型三种类型的零航速减摇鳍。为了便于前期阶段的研究，鳍型选取了矩形平板翼。在有航速的情况下，基于Weis-Fogh机构的势流理论得到了Weis-Fogh机构的升力和力矩模型，通过对数学模型的逐步退化推导得到了零航速下双翼纵向拍动型和单翼横向拍动型零航速减摇鳍的升力和力矩模型。基于振动薄翼理论，得到了零航速下单翼纵向拍动型零航速减摇鳍的升力和力矩模型。通过对零航速下升力及力矩表达式的分析得到，决定鳍上升力和力矩大小的两个重要因素是鳍翼的旋转角速度和旋转角加速度。这些因素很大程度上取决于鳍的运动规律，论文在Matlab环境下对双翼纵向拍动型零航速减摇鳍在匀速、匀加速、正弦和余弦等运动规律下的升力和力矩进行了数值仿真分析，得到了四种运动规律下双翼纵向拍动型零航速减摇鳍的升力和力矩特性曲线。并且通过对减摇鳍上各种力矩的分析，得到了一种零航速减摇鳍电伺服系统驱动功率的计算方法，为伺服功率的选取提供了理论依据。在Fluent环境下对具有对称儒可夫斯基翼型的单翼纵向拍动型零航速减摇鳍进行了建模和仿真研究，生动地展现了单翼纵向拍动型零航速减摇鳍工作过程中鳍翼周围流场、启动涡和附着涡的变化过程，仿真结果验证了理论分析的正确性。零航速减摇鳍要以特定规律运动，必需依靠伺服系统的驱动才能实现。升力产生的效果取决于伺服系统的性能，尤其是启动的快速性和运行的稳定性。由于海浪的随机扰动等因素的影响，对电磁转矩的控制成为了伺服控制的关键，最终确定伺服系统的控制方式采用滑模变结构空间矢量直接转矩控制，并建立了系统各部分的数学模型。针对空间矢量直接转矩控制存在的脉动问题，通过引入滑模变结构控制对其进行了改进，提高了系统的稳定性。最后在Matlab/Simulink环境下对双翼纵向拍动型零航速减摇鳍控制系统进行了建模和仿真。仿真结果证明，基于Weis-Fogh的零航速减摇鳍减摇效果明显，三种海况的平均减摇效率达到52.2％，验证了采用Weis-Fogh机构来设计零航速减摇鳍的可行性。8.期刊论文杨盐生船舶减摇鳍系统变结构模糊自适应鲁棒控制-大连海事大学学报2001,27(4)针对船舶减摇鳍控制系统,考虑到船舶在大风浪中运动时,系统模型不可避免地存在非线性和不确定性的影响.在假设系统不确定性函数结构未知的情况下,利用模糊系统对不确定性函数进行逼近,将获得的模糊系统函数作为系统不确定性界函数,进而提出了船舶减摇鳍控制系统变结构模糊自适应鲁棒控制策略,该策略在确保系统的滑动模态超平面为渐近可达的前提下,在线对系统模型的控制增益参数和不确定性函数的界参数进行估计.经仿真试验表明,该控