高速船垂向运动控制方法研究

1  引言

从20世纪下半叶起,各种类型的高速船纷纷面世并投入使用,其航速和尺寸均呈增长的趋势[1]。高速船具有很多优势,如高航速,甲板面积宽敞,优越的耐波性、快速性和操纵性,需求量正逐年增加,但是,在不断的使用过程中,发现了其不尽人意之处,吨位较小的船在大风浪中存在剧烈的摇荡运动,如纵摇和高速下的垂荡问题,这些运动会使船上的乘客或工作人员晕船,更有甚者,如果船舶的垂向运动(纵摇和垂荡)达到某些条件还会对船的安全性构成极大的威胁。因此人们研究出了一种适合高速船使用的控制方法——综合姿态控制系统,可有效地减少高速船的垂向运动[2]。综合姿态控制系统使用的控制水翼主要有T形水翼和艉压浪板,艉压浪板可以控制纵倾角和减少波浪的诱导运动,从而控制船舶的垂荡。

本文主要研究在顶浪情况下的船舶垂向运动状况

安装在船艏附近T型水翼和船艉的艉压浪板是产生控制作用的主要装置,在已有的理论研究和船模实验的基础上,利用MATLAB应用软件搭建SIMULINK仿真模块,对高速船垂向运动进行仿真并利用遗传算法对T型水翼和艉压浪板控制器的部分参数优化选取,实现船舶垂向运动的最优控制。

2  研究对象与数学模型

2.1  研究对象

本文根据一艘高速渡船的数据进行研究,此船为深V型铝制单体船,船长110m,船宽14.696m,吃水2.405m,总载重量475t,能一次性运送1250名乘客,其速度非常高,大约是40kn或更高,高船速所产生的纵摇与垂荡运动主要依靠安装在船艏附近的T型水翼和船艉的艉压浪板来控制。T形水翼有两个翼面,呈梯形,

2.2  船舶运动数学模型

传统的高速船数学模型通常包含垂荡、纵摇和横摇的三自由度数学模型,由于本文主要研究在顶浪情况下,安装T型水翼和艉压浪板后的船舶垂向运动状况,因此针对船舶的纵摇及垂荡运动数学模型进行研究[3]。

以船体的重心作为附体坐标系的原点。 将船体视作刚体,考虑船舶纵倾和波浪对高速船运动的影响,在Z 轴方向上利用牛顿第二定律,并以Y 轴为转轴,利用刚体定轴转动定理,可分别得到垂荡和纵摇运动的数学模型:

船舶垂向运动仿真模型主要分为三部分。一部分用来计算海浪产生的力和力矩,一部分用来计算执行装置产生的力和力矩,一部分用来计算力和力矩产生的垂荡和纵摇。这样做的一个好处是执行装置产生的力和力矩容易与船的模型相结合。整个船舶垂向运动仿真模型是一个多变量系统,有两个控制变量,分别为艉压浪板和T形水翼的控制信号。海浪是外界扰动。

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