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可控被动式减摇水舱控制与仿真研究

作　者: 郑丽莹
导　师: 梁利华
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 可控被动式减摇水舱横摇控制系统仿真
分类号: U664.73
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 93次
引　用: 1次
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内容摘要

减摇水舱是世界上成功应用的减摇装置之一，它具有结构简单、价格低廉、易于维修等特点，在零航速或低航速情况下能正常工作。减摇水舱分为三种类型：被动式减摇水舱、可控被动式减摇水舱和主动式减摇水舱。其中，可控被动式减摇水舱是一种高效能的减摇水舱，它可以通过自动控制系统调节水舱顶部的气阀开关来调节水舱内水流振荡周期，以适应经常变化的横摇周期，保证在任何海浪作用下水舱都具有良好的减摇效果。实践表明，该水舱适用于多种类型船舶，不仅能减小船舶在波浪中的横摇，还可以提高装卸效率，减少运输成本，为改善船舶的舒适性和安全性开辟了有效途径。本论文是基于学校“211”重点建设项目“船舶减摇水舱试验装置”进行的，主要研究可控被动式减摇水舱控制方法和仿真的研究。首先，作者在阅读了大量的国内外资料的基础上，概述了国内外学者在减摇水舱理论研究和模型试验两方面的研究成果，并介绍了被动式减摇水舱和可控被动式减摇水舱的工作原理，提出了本论文要解决的问题。然后，基于拉格朗日方程建立了可控被动式减摇水舱的数学模型，并且运用脉冲响应法对数学模型进行了求解。在其后利用横摇角度和边舱液位的信号变化的控制策略来对气阀进行控制，对可控被动式减摇水舱进行了仿真研究，结果表明控制策略是行之有效的。其次，对可控被动式减摇水舱的控制系统进行设计。在硬件方面，分别对主控制器及减摇水舱的系统进行了详细的设计，包括控制器及模块的型号选取、水舱传感器的选取以及控制器与水舱的接口问题。在软件方面，选取ISaGRAF嵌入式软件对控制器编程，并绘制了流程图。最后，分析了在流体力学方面水舱所涉及到的数学模型，包括N-S方程、边界条件及受力和产生的力矩。分别介绍了GAMBIT和FLUENT软件，并利用FLUENT软件对横摇时水舱内部流动情况进行了仿真。

全文目录

第1章绪论  11-23
  1.1 课题的来源、目的和意义  11-12
  1.2 减摇水舱发展概况  12-15
    1.2.1 国外减摇水舱发展情况概述  12-14
    1.2.2 国内减摇水舱发展情况概述  14-15
  1.3 减摇水舱工作原理  15-19
    1.3.1 主动式减摇水舱的工作原理  15
    1.3.2 被动式减摇水舱的工作原理  15-17
    1.3.3 可控被动式减摇水舱的工作原理  17-19
  1.4 水舱中控制阀的配置方式  19-20
    1.4.1 控制阀在水道中的配置  19-20
    1.4.2 控制阀在气道中的配置  20
  1.5 减摇水舱理论研究进展  20-22
    1.5.1 U型水舱理论  20-21
    1.5.2 槽型水舱理论  21-22
  1.6 本文主要研究内容  22-23
第2章可控被动式减摇水舱的数学模型  23-38
  2.1 船舶在波浪中运动研究  23-24
  2.2 船舶-水舱系统受力分析  24-25
    2.2.1 船舶受力  24-25
    2.2.2 水舱受力  25
  2.3 被动式减摇水舱数学模型  25-30
  2.4 水舱尺度参数的确定  30-32
  2.5 可控被动式减摇水舱数学模型  32-36
  2.6 控制方程的求解  36-37
  2.7 本章小结  37-38
第3章可控被动式减摇水舱控制系统设计  38-50
  3.1 国外水舱控制系统研究现状  38-39
  3.2 减摇水舱硬件系统设计  39-43
    3.2.1 主控制器系统构成  39-41
    3.2.2 水舱控制系统构成  41-43
  3.3 减摇水舱控制方法研究  43-46
  3.4 控制系统的软件设计  46-49
    3.4.1 嵌入式编程软件ISaGRAF  46-48
    3.4.2 组态软件InduSoft  48-49
  3.5 本章小结  49-50
第4章减摇水舱系统仿真研究  50-60
  4.1 海浪理论及海浪仿真  50-53
    4.1.1 海浪仿真方法及理论依据  50-51
    4.1.2 仿真结果及分析  51-53
  4.2 减摇水舱系统仿真  53-59
    4.2.1 水舱固有频率对横药运动的影响  54-56
    4.2.2 可控被动式减摇水舱系统仿真  56-59
  4.3 本章小结  59-60
第5章利用 CFD软件对减摇水舱的仿真  60-74
  5.1 引言  60
  5.2 CFD软件概述  60-61
  5.3 数学模型  61-63
    5.3.1 Navier-Stokes方程  61
    5.3.2 边界条件  61-63
    5.3.3 力和力矩  63
  5.4 FLUENT介绍及应用  63-73
    5.4.1 FLUENT简介  63-66
    5.4.2 GAMBIT简介及应用  66-70
    5.4.3 FLUENT求解及仿真结果  70-73
  5.5 本章小结  73-74
结论  74-75
参考文献  75-78
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  78-79
致谢  79

可控被动式减摇水舱控制与仿真研究

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