CN107421715B - 一种船模减纵摇控制算法验证与优化物理试验平台 - Google Patents

一种船模减纵摇控制算法验证与优化物理试验平台 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种船模减纵摇控制算法验证与优化物理试验平台，循环水槽系统包括固定台、设置在固定台上的稳流台、设置在固定台与稳流台之间的导流管、设置在稳流台上的玻璃水槽、设置在固定台上的驱动电机一、安装在驱动电机一输出端上的叶轮，导流管与稳流台相通，叶轮位于导流管内，强迫驱动系统包括横跨在玻璃水箱上方的船模运动支架、设置在船模运动支架上的驱动电机二、设置在驱动电机二输出端上的驱动轮、缠绕在驱动轮上的牵引绳，牵引绳的两端分别绕过船模运动支架上的滑轮后连接有一弹簧，两个弹簧的端部分别与船模的两端连接，船模上还设置有运动姿态传感器。本发明通过主动控制系统实现不同海况和航速下的船模运动状态模拟。

Description

一种船模减纵摇控制算法验证与优化物理试验平台
技术领域
本发明涉及一种船模运动试验平台，尤其涉及一种船模减纵摇控制算法验证与优化物理试验平台，属于船舶工程领域。
背景技术
船舶在海上航行时，由于风浪的影响，会不断产生6个自由度的摇荡运动。目前，横摇运动控制相对成熟，在实际工程中已经得到了广泛应用。相比较而言，由于船体遭遇的纵摇力矩较大，纵摇运动控制研究相对较少，现有的减纵摇控制技术与实际工程需求存在一定差距，仍需开展大量研究。
船舶主动式减纵摇控制研究中，控制策略、控制算法是核心。而任何减摇控制算法都要通过试验进行验证与优化，尤其是在减摇控制算法的精细化研究过程，物理试验更是检验算法工程适用性的唯一手段。
现有的减摇试验是在拖曳水池中造浪、造流来模拟船舶在海上遭遇的环境激励，进而开展减摇算法的试验研究。物理拖曳水池的时间成本和经济成本相对昂贵。从模型的调试、安装和实验测试，在顺利情况下，一般需要数周时间，而在拖曳水池，使用拖车、造波设备、试验场地等相关费用每天高达1-2万元人民币。尤其对于减摇控制试验而言，在算法精细化设计阶段，经常需要通过物理试验进行验证和优化分析。因此，从试验成本上考虑，每次改完算法后便进行船模试验验证算法是极高的。鉴于此，本发明提出了一种船模减纵摇控制算法验证与优化试验平台，来提高船模减纵摇控制算法验证与优化研究的效率，降低试验研究的时间和经济成本。
目前，国内外并没有针对这类问题的应用技术研究，尚处于空白状态。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种船模减纵摇控制算法验证与优化物理试验平台。
本发明的目的是这样实现的：包括循环水槽系统和强迫驱动系统，所述循环水槽系统包括固定台、设置在固定台上的稳流台、设置在固定台与稳流台之间的导流管、设置在稳流台上的玻璃水槽、设置在固定台上的驱动电机一、安装在驱动电机一输出端上的叶轮，所述导流管与稳流台相通，所述叶轮位于导流管内，稳流台与玻璃水箱的连通处还设置有稳流隔板，所述强迫驱动系统包括横跨在玻璃水箱上方的船模运动支架、设置在船模运动支架上的驱动电机二、设置在驱动电机二输出端上的驱动轮、缠绕在驱动轮上的牵引绳，牵引绳的两端分别绕过船模运动支架上的滑轮后连接有一弹簧，两个弹簧的端部分别与船模的两端连接，船模的中间位置与船模运动支架之间还设置有连接杆，船模上还设置有运动姿态传感器。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述稳流台包括两个立柱式结构和设置在两个立柱式结构之间的中间架，所述玻璃水槽设置在中间架上，两个立柱式结构中的一个与固定台固连、另一个悬空设置，所述驱动电机位于悬空设置的立柱式结构的下方，所述导流管位于中间架中间，所述稳流隔板位于与固定台固连的立柱式结构与玻璃水槽连通处。
2.所述连接杆的上端与船模运动支架固连、下端与船模铰接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明涉及一种船模物理试验平台，在循环水槽系统内通过主动控制系统实现不同海况和航速下的船模运动状态模拟。其中，利用弹簧通过主动控制系统一强迫船模按照一定的规律运动，以此来模拟波浪激励下的船模运动状态；利用水槽循环系统调节水流速度以此模拟船模的航行速度。
本发明通过在水槽系统内按照一定的规律强迫船模运动，来模拟船模在拖曳水池试验中的运动状态，为船模纵摇运动控制算法的验证和优化研究提供了一个高效和便捷的物理试验平台，极大节省了船舶运动纵摇控制试验的时间和经济成本，能够很好地满足开展各种纵摇运动控制方法的物理试验研究，具有很高的应用价值。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明的局部结构示意图；
图3是本发明的滑轮局部结构示意图；
图4是本发明的底部结构示意图；
图5是本发明的剖面示意图；
图中：1.驱动电机一，2.稳流台，3.导流管，4.玻璃水槽，5.船模运动支架，6.船模，7.驱动电机二，8.牵引绳，9.稳流隔板，10.叶轮，11.滑轮，12.连接杆，13.驱动轮,14.减摇鳍，15.控制台一，16.运动姿态传感器，17.固定台,18.控制台二，19.弹簧。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明提供了一种船模减纵摇控制算法验证与优化物理试验平台，包括循环水槽系统和强迫驱动系统。循环水槽系统由驱动电机一1、稳流台2、导流管3、玻璃水槽4、稳流隔板9、叶轮10、固定台17组成。强迫驱动系统由驱动船模运动支架5、驱动电机二7、牵引绳8、控制台一15、弹簧19、连接杆12组成。循环水槽系统中，玻璃水槽4两端为稳流台2，稳流台2固定在固定台17上，稳流台2内部有稳流隔板9，稳流台2底部与导流管3连通，实现水流连通，导流管3内部有叶轮10，控制系统通过驱动电机一1控制叶轮10转动，推动水流循环流动，以模拟船模航行所产生的流场。强迫驱动系统中，支架5上固定有驱动电机二7，驱动电机二7由控制台一15控制转动，驱动电机二7端部的驱动轮控制牵引绳8运动，牵引绳8两端连接有弹簧19，弹簧19一端与牵引绳8固定连接，另一端与船模固定连接，连接杆12上端与支架5固定连接，下端与船模6铰接，船模6可绕铰接点自由转动。通过驱动电机二7的转动，可指定牵引绳8的运动位移，进而使弹簧19产生预期的形变，对船模施加设定的拉力，以等效船模在波浪作用下受到的激励力。船模6上安装有运动姿态传感器16，能够实时测量船模6的摇荡运动，作为控制台二18的输入。用户基于运动姿态传感器16提供的信息输入和在控制台二18设定的控制算法，来控制减摇鳍14的运动规律，进而实现船模减摇试验的模拟。
在循环水槽系统内通过主动控制系统实现不同海况和航速下的船模运动状态模拟。其中，利用弹簧通过主动控制系统一强迫船模按照一定的规律运动，以此来模拟波浪激励下的船模运动状态；利用水槽循环系统调节水流速度以此模拟船模的航行速度。
本发明的具体实现流程如下：
(1)根据用户设计的海浪工况和船舶航行条件，开展数值模拟研究，计算船舶在各个波浪激励条件下遭遇的波浪激励时历曲线F(t)；
(2)将根据弹簧19的弹性系数，将波浪激励力F(t)转换成弹簧的形变时历x(t)。根据弹簧19的形变时历x(t)等于牵引绳8的运动位移时历s(t),获得驱动电机二7的转角位移时历θ(t)，以此作为电机二7的控制信息；
(3)根据用户设定的船舶航速工况，获得玻璃水槽4内的流速，通过控制叶轮10来调节水槽的流速，进而模拟船模在波浪中的航行状态；
(4)通过上述步骤(1)-(3)可以实现船舶在给定海况下所做的纵摇运动模拟；
(5)在实现模拟不同海况和航速下的船模纵摇运动状态后，可进行纵摇运动控制试验研究。具体是，研究人员可以在控制台二18上输入控制算法，通过运动姿态传感器16测量得到船模纵摇运动姿态数据，将运动状态与无减摇控制算法的运动状态对比，可对该减摇控制算法进行验证和优化分析。

Claims (3)

1.一种船模减纵摇控制算法验证与优化物理试验平台，其特征在于：包括循环水槽系统和强迫驱动系统，所述循环水槽系统包括固定台、设置在固定台上的稳流台、设置在固定台与稳流台之间的导流管、设置在稳流台上的玻璃水槽、设置在固定台上的驱动电机一、安装在驱动电机一输出端上的叶轮，所述导流管与稳流台相通，所述叶轮位于导流管内，稳流台与玻璃水箱的连通处还设置有稳流隔板，所述强迫驱动系统包括横跨在玻璃水箱上方的船模运动支架、设置在船模运动支架上的驱动电机二、设置在驱动电机二输出端上的驱动轮、缠绕在驱动轮上的牵引绳，牵引绳的两端分别绕过船模运动支架上的滑轮后连接有一弹簧，两个弹簧的端部分别与船模的两端连接，船模的中间位置与船模运动支架之间还设置有连接杆，船模上还设置有运动姿态传感器。
2.根据权利要求1所述的一种船模减纵摇控制算法验证与优化物理试验平台，其特征在于：所述稳流台包括两个立柱式结构和设置在两个立柱式结构之间的中间架，所述玻璃水槽设置在中间架上，两个立柱式结构中的一个与固定台固连、另一个悬空设置，所述驱动电机一位于悬空设置的立柱式结构的下方，所述导流管位于中间架中间，所述稳流隔板位于与固定台固连的立柱式结构与玻璃水槽连通处。
3.根据权利要求1或2所述的一种船模减纵摇控制算法验证与优化物理试验平台，其特征在于：所述连接杆的上端与船模运动支架固连、下端与船模铰接。
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