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风翼—柴油机混合动力船舶特性分析研究与风帆控制系统设计

作　者: 任宝
导　师: 王国峰
学　校: 大连海事大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 风帆助力 WDS特性风向风速测量控制模型
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 84次
引　用: 1次
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内容摘要

以往的船舶运动控制和船舶操作性方面的研究,都是把风作为一种随机干扰来考虑的。WDS风帆助力船舶则是将风作为船舶的辅助驱动力,充分的利用了这种巨大的、无污染、永不枯竭的再生能源,达到绿色、环保、节能的目的。风帆作为船舶动力,关键在于如何控制风帆始终处于最佳的迎风角度,产生最大的推进力,同时使产生的横向力最小,要实现这一点,就需要对风帆的空气动力特性进行研究,然后设计一套风帆控制系统,实现对风帆运动的控制。本文通过对风帆发展技术的研究,选用了翼型帆作为风帆助力船舶的辅助推进装置,分析了翼型帆的结构特点,论述了风翼最佳操帆曲线的确定方法；在实验室设计制作了加装有风翼辅助推进装置的目标船模,通过风洞试验,具体的分析了目标船模风翼的空气动力特性；建立了风翼的仿真模型,得到了在给定风速、航向、船速等条件下,不同风向时风帆产生最大推力值以及对应的横向力、帆转角的数值；依据上述实验及对风翼控制系统控制策略的研究,建立了风翼控制系统模型。对系统检测单元中传感器倾角变化与风向风速测量误差之间的关系进行了分析,得到了误差与倾角之间的拟合曲线,建立了测量误差的补偿算法,验证了补偿算法的有效性和可信性；完成了风翼运动控制单元硬件电路和软件流程的设计。本文通过对WDS风翼翼型、空气动力特性、仿真模型受力状况的研究,风翼控制系统的设计,为WDS相关研发、设计、制造和实船试验等作了一些基础工作。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-20
  1.1 课题研究的背景  10-12
    1.1.1 船舶运输节能减排的需求  10
    1.1.2 风帆助航的历史发展  10-12
  1.2 风帆助航技术的研究概述  12-16
    1.2.1 海上可利用风力资源分析  12-13
    1.2.2 风帆助航风向风速的测量  13-14
    1.2.3 风帆的形式及技术进展  14-16
  1.3 课题研究的意义  16-17
  1.4 本文主要研究工作  17-20
第二章 WDS风翼特性研究  20-46
  2.1 帆翼的气动特性  20-22
  2.2 帆翼的最佳操帆曲线  22-26
    2.2.1 帆位角的确定  22-24
    2.2.2 最佳操帆角曲线  24-26
  2.3 帆翼气动特性的风洞实验分析  26-29
    2.3.1 风洞实验实验环境  27
    2.3.2 风洞实验实验方案  27
    2.3.3 实验结果以及数据分析  27-29
  2.4 船舶风翼模型的仿真分析  29-43
    2.4.1 仿真模型建立  29-30
    2.4.2 翼型帆受力的求解过程  30-36
    2.4.3 实验内容和数据分析  36-43
  2.5 风翼助推效果的综合分析  43-46
第三章 WDS风帆控制系统模型研究  46-56
  3.1 风帆助力船运动模型  46-49
  3.2 WDS风帆控制系统研究  49-50
    3.2.1 风帆控制系统的结构  49
    3.2.2 单风翼风帆控制系统的控制模型  49-50
  3.3 基于自适应理论的风帆助力船舶航向保持控制模型  50-53
    3.3.1 自适应控制  51
    3.3.2 船舶运动数学模型的参数估计算法  51-53
  3.4 WDS风帆控制系统总体控制模型  53-54
  3.5 风帆控制系统控制策略研究  54-56
第四章 WDS风速风向测量方法研究  56-64
  4.1 风向风速测量装置选取  56-57
  4.2 风速风向仪测量原理  57-58
  4.3 风速风向测量数据分析  58-59
  4.4 误差分析与补偿算法  59-64
第五章风翼运动控制单元设计  64-76
  5.1 风翼运动控制单元的结构  64-65
  5.2 硬件电路的设计  65-72
    5.2.1 帆位检测模块  65-66
    5.2.2 驱动模块的设计  66-70
    5.2.3 通信模块的设计  70-72
  5.3 风翼控制单元软件的设计  72-76
总结与展望  76-78
参考文献  78-82
致谢  82-83

风翼—柴油机混合动力船舶特性分析研究与风帆控制系统设计

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