中国卫星海上测控部 江苏 江阴 214431
摘要：船舶在远洋航行中，经常遭受大风浪的侵袭，从而对船舶设备的正常使用和人员的舒适性造成了极大的不良影响。目前，某船采用一套基于鳍角反馈控制的减摇鳍系统来解决船舶摇荡造成的问题，但是，该系统依然存在精确度低、响应速度低的特点，为此，本文考虑基于当前不断成熟的升力/反馈技术和数据融合技术，研究设计一套更加高效的减摇鳍控制系统，从而提高船舶减摇效果，保障船舶远洋航行的安全性和舒适性。
关键词：减摇鳍；鳍角反馈；升力反馈；数据融合
1、前言
船舶在远洋航行中，经常受到海浪、海风以及洋流等外界环境的作用，从而产生包括横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡在内的六个自由度的摇荡运动。剧烈的摇荡运动往往会对船舶的适航性、安全性以及设备的正常工作、物品的固定、人员的舒适性造成极大的不良影响。对于某船来说，剧烈的摇荡运动将会极大增加任务期间船舶保持正确航向和航速的难度，同时，也会影响到部分精密设备的正常使用。
为此，本文对基于升力/鳍角融合反馈的减摇鳍控制系统展开研究，通过引入升力/鳍角融合反馈控制技术克服单一鳍角控制系统的缺陷，进一步提高减摇鳍控制系统的完善性，确保航行过程中减摇鳍能够最大化的发挥其功效。
2、船舶横摇运动模型及减摇鳍减摇原理
2.1、船舶横摇运动模型
在工程设计中，一般使用Conolly理论来建立船舶横摇运动模型。船舶在横摇运动中受到惯性力矩、阻尼力矩、复原力矩、海浪扰动力矩的作用，根据力矩平衡原理，可得到船舶线性横摇运动数学模型：
减摇鳍拥有一类似于飞机机翼的外形，在船舶上为对称布置，安装于水线以下，可绕轴转动，某船所使用的是不可收放式减摇鳍。船舶在风浪中航行时船体做横摇运动，此时减摇鳍在控制系统的控制下，按控制信号发出的控制规律做相应运动，两鳍反向运动，产生一个复原力矩来对抗海浪的扰动力矩，从而减小横摇。
3、某船现有基于鳍角反馈的控制系统及其不足
3.1、基于鳍角反馈的控制系统
当波浪力矩Mb作用在船上时，船将产生横摇角?，在减摇鳍装置中的角速度陀螺仪测得很要角速度?，经过处理形成转鳍指令信号Uα，同时船舶的航行速度信号也被引入到减摇鳍装置控制系统中，经过航速处理后得到鳍角指令为UαV，伺服放大器、电液伺服阀、柱塞泵、转鳍油缸和油泵反馈装置、鳍角发送器一起构成转鳍伺服系统，鳍角α随鳍角指令UαV转动，在水流作用下，鳍上产生的升力形成一个与波浪力矩相互抗衡的稳定力矩M，从而减小船的横摇角。
3.2、现有系统存在的不足
由于减摇鳍左右对称布置，所以左右鳍产生的升力相对横摇轴的力矩为：
这使得稳定力矩与鳍角近似满足线性关系，但其稳定力矩以下因素的影响：
（1）升力系数CL受鳍角α，来流雷诺数Re，鳍弦长弗鲁德数Fr等影响因素具有不确定性。
（2）船舶做六个自由度的摇摆运动，这些运动都会对鳍的上升力矩产生影响。
（3）某船前后布置的两组鳍组之间的相互影响，降低了水动力特性。
（4）鳍上所受来流速度的不均匀分布，特别是靠近船体侧的来流速度明显较小。
（5）来流速度应为海浪与船舶相对速度，在实际测量中很难准确测量由于以上因素的影响，对实际控制效果产生了以下结果：
（1）实际鳍转角与所需要的转角之间有较大的误差。
（2）低航速下减摇效果明显较差。
4、基于升力反馈的减摇鳍控制系统
4.1、升力反馈减摇鳍控制原理
升力反馈减摇鳍系统的组成与鳍角反馈减摇鳍系统基本相同。角速度传感器、回转加速度仪、角度传感器将所测量到的信号传递给伺服放大器经计算后得到所需升力，并将信号传递给升力限制放大器，同时结合实时航速计算出对应的鳍转角度，通过鳍伺服放大器放大，经过行程控制器校正后，信号传递给液压泵组控制鳍轴和鳍的动作。随动系统的反馈信号来自鳍轴上的升力传感器，经过升力发达器校正、放大后反馈给系统。
与鳍角反馈相比，升力反馈控制方法具有以下几方面的优点：
（1）自动补偿因流体方向、边界层和流速等不稳定因素带来的变化，使得减摇鳍能够不受其附近局部水流方向、边界层和流速不断变化的影响；
（2）避免减摇鳍进入空泡区域的可能性，从而避免了系统产生的升力达不到或者是超出期望升力的可能，使得产生的减摇升力更符合实际所需；
（3）减摇鳍可以在不进入空泡区域的同时，产生最大升力，进一步提高减摇效率；
（4）由于鳍上的产生的升力与实际需要的升力更加接近，避免减摇鳍出现过减摇或欠减摇的情况，从而降低了系统的能耗，同时，延长了机械装置的使用寿命。
4.2、升力测量技术
目前主流的升力测量技术主要有如下几种：
（1）基于鳍轴变形的升力测量
由美国Sperry公司通过设计中空的鳍轴，并通过轴内的传感器测量鳍轴形变的方法来获得鳍上的升力。
但是该装置中鳍轴刚度较大，应变较小不易测量，且鳍轴的不同直径、不同材质所具有的不同形变系数，使该系统的通用性降低。同时，由于传感器安装在轴内，所以维修保养困难。
（2）基于十字轴体变形的升力测量
英国劳斯莱斯公司通过利用在十字轴体内加装应变片，并测量十字轴体的变形的方法来测量减摇鳍上产生的升力。
但该方法由于不同大小的十字轴体变形量不同，以及应变片不容易更换，所以也降低了系统的通用性和可维护性。
（3）基于油缸压力差的升力测量
该测量方法由日本三菱重工集团设计，基于减摇鳍的液压执行机构，通过在驱动减摇鳍转动的油缸内安装压力传感器来实现对升力的测量，即通过压力传感器测量鳍轴的转矩，并通过减摇鳍压力中心的位置获得减摇鳍上的升力。
该方法结构简单，可维护性强。但由于减摇鳍的压力中心与鳍型、角度、角速度和航速等多因素有关，非线性较强不易测量，所以用该方法测量的准确性不高，可与角度反馈进行融合控制。
（4）基于微动轴承的升力测量
该方案有哈尔滨工程大学船舶减摇与控制技术研究所所设计。
该方案是在原其鳍座箱体上加装微动轴承来实现升力测量，减摇鳍上产生的升力可以通过以下轴承作为支点带动上轴承实现上下方向的微动，升力传感器的应变来测量升力。通过预紧力传感器可以减小微动距离，从而减小对鳍轴与船体密封的影响，并实现力的机械解耦。
综合比较上述4种升力测量方法的优缺点，结合设施设备改造难度和经济性等问情况，本文认为基于微动轴承的测量技术更适合推广使用。
5、小结
本文通过某船现有减摇鳍控制系统分析了当前基于鳍角反馈的减摇鳍控制系统的某些不足，通过研究基于升力反馈的减摇鳍控制方案和数据融合技术，提出了一种可以应用于某船的基于升力和鳍角融合反馈的减摇鳍控制技术，该方法理论上可以综合两种反馈的各自优势，同时两种反馈方式又互为补充备份，从而进一步提高了减摇鳍控制系统的精确性和可靠性。
参考文献
[1]升力/鳍角综合控制减摇鳍及其控制策略研究，2008.7.
[2]基于升力/鳍角融合反馈的全航速减摇鳍研究,2012.3.
[3]减摇鳍数字模拟仿真系统设计，2013.3.
[4]减摇鳍三维仿真系统设计开发，2012,6.
[5]综合减摇系统参数配置及控制器优化研究，2012.3.
论文作者:吴子豪
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/25
标签：升力论文; 力矩论文; 反馈论文; 船舶论文; 测量论文; 控制系统论文; 系统论文; 《防护工程》2018年第2期论文;