CN113848729B - 一种基于流固耦合的船用鳍主动柔顺控制方法 - Google Patents

一种基于流固耦合的船用鳍主动柔顺控制方法 Download PDF

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CN113848729B CN202111212870.1A CN202111212870A CN113848729B CN 113848729 B CN113848729 B CN 113848729B CN 202111212870 A CN202111212870 A CN 202111212870A CN 113848729 B CN113848729 B CN 113848729B
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Abstract

本发明公开了一种基于水弹性力学、流固耦合和虚拟阻尼的船用鳍阻抗控制方法，旨在解决船用鳍在水中的主动柔顺控制问题，具体包括以下步骤：建立鳍体的欧拉‑拉格朗日动力学方程，以中心轴的转动角度、角速度和角加速度作为系统输入，并引入期望参考力实现力跟踪效果，以中心轴作为末端执行器，得到以鳍体为外部物体的阻抗控制系统，将流体对鳍体产生的附加特性整合到鳍体的阻抗特性，设计基于流固耦合的阻抗控制方法；最后进行稳定性分析，证明系统的阻抗误差收敛到零或零的邻域；同时，依据阻抗参数选取规则，以确定虚拟阻尼的方式实现参数优化，实现阻抗控制系统的参数优化。本发明贴近实际，柔顺控制效果好，力和位置跟踪更为准确。

Description

一种基于流固耦合的船用鳍主动柔顺控制方法
技术领域
本发明涉及船舶运动控制技术与船用特辅装备领域，特别是涉及一种船用鳍阻抗控制实现主动柔顺控制的方法。
背景技术
船用鳍作为一种高端海洋工程装备应用非常广泛，船用鳍控制更是众多学者的热点研究方向。工作于大气环境中的机翼控制已发展的较为成熟，并在航空领域得到大量的应用，但船用鳍由于工作环境相较于大气是更为复杂多变的水域，考虑到水下环境与船用鳍的流固耦合作用，对鳍的控制则更为复杂与困难。传统的控制方法很少考虑鳍的柔顺性，影响鳍的工作效能，缩短船舶设备的使用寿命。
阻抗控制是较为经典的柔顺控制方法，阻抗控制可以得到相对准确的驱动力矩，提高控制效果，阻抗控制方法对环境变化具有很强的鲁棒性，更能满足工程上的实际情况。但是很多情况下得到的阻抗控制参数并不能使系统达到要求的控制效果，需要进一步对阻抗参数进行优化。
现有的相关文献资料有：C.Munch等人提出的流固耦合方法，(详见：Fluid–structure coupling for an oscillating hydrofoil[J].Journal of Fluids andStructures)该文中利用数值模拟和实验验证两种方法得出相同的NACA0009水动力附加载荷，得到了附加刚度、附加阻尼和附加转动惯量的确定方法，为进一步的鳍控制方法奠定了基础。吴钦等人提出了基于绕水翼流固耦合的水动力实际载荷的计算方法(详见：基于完全耦合方法的绕水翼流固耦合特性研究[J].船舶力学)，将翼型自身特性与基于水弹性理论得到的附加载荷整合为翼型实际载荷，得到翼体整合后的实际刚度、实际阻尼和实际转动惯量。丁润泽提出将期望驱动力矩与接触力转换到单个电机的力矩作差，再通过阻抗模型转换为电机旋转的角度量，就实现了单自由度的阻抗控制(详见：基于阻抗控制的机器人力控制技术研究[D].哈尔滨工业大学)。杨振提出了阻抗参数的初步调整原则(详见：基于阻抗控制的机器人柔顺控制方法研究[D].东南大学)，提出阻抗的参数的设计应满足使系统处于临界阻尼或过阻尼的状态。
综上所述，根据水弹性力学计算得到的附加刚度、附加阻尼和附加转动惯量，通过完全耦合方法与鳍体自身特性整合计算，得到在水下环境的实际载荷特性，在此基础之上可以根据实际载荷特性结合阻抗控制方法，并确定基本阻抗控制参数，实现对鳍体的柔顺控制效果。为了提高阻抗控制的实际效果，可以通过确定虚拟阻尼的方式，设计合适的阻尼参数，一般需要系统处于过阻尼或者临界阻尼状态。相较而言，本发明设计方法，更适应鳍体在水下环境的实际控制应用，将鳍体载荷与阻抗控制方法相结合，并通过确定虚拟阻尼的方式实现参数优化，从而达到水下船用鳍主动柔顺控制效果。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于流固耦合的船用鳍柔顺控制研究方法，改进现有的船用鳍控制方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
基于流固耦合的船用鳍柔顺控制研究，具体包括以下步骤：
S1：选取单自由度的船用鳍刚性模型为研究对象，由中心轴提供动力鳍体做俯仰运动，忽略鳍体运动过程中的变形，ν表示无穷远处来流速度，a为半弦长，弦长为b，最大厚度为c，中心轴位于该鳍体弦长中心位置，且与重心、压心重合，用θ表示鳍体中心线绕轴转动后相对于水平基准线P的角度，对于绕中心轴转动的船用鳍模型，将期望驱动力矩与接触力转换到单个电机的力矩作差，再通过阻抗模型转换为电机旋转的角度量，就实现了单自由度的阻抗控制。
S2：假设单自由度阻抗控制瞬态方程为：
Figure BDA0003309455980000021
式中，qd为期望位置，
Figure BDA0003309455980000022
为期望速度，
Figure BDA0003309455980000023
为期望加速度，q为实际位置，
Figure BDA0003309455980000024
为实际速度，
Figure BDA0003309455980000025
为实际加速度，Md为期望惯性矩阵，Bd为期望阻尼矩阵，Kd为期望刚度矩阵，Fec为期望驱动力，Afluid为流体对鳍体的附加作用力矩，τe为转动轴与鳍的相互作用力。为了实现对力的跟踪，可以引入一个力参考信号Fec，并将其与中心轴末端接触力作差，通过引入力误差，实现力信号的跟踪。
本式考虑到鳍的工作环境，流体对鳍的附加载荷不可忽略，可以根据流固耦合分析，将附加载荷与鳍自身载荷整合到鳍体，在阻抗控制过程中只需考虑整合后的鳍体为阻抗控制对象即可，因此在设计阻抗控制方程时，需要在力偏差后面加上流体对鳍体的附加作用力Afluid。
S3：该方程应用到绕中心轴旋转的鳍体模型，可以得到：
Figure BDA0003309455980000031
式中，Mθ为鳍关于绕中心轴旋转的转动惯量，Bθ为鳍绕轴转动的阻尼系数，Kθ为鳍转动刚度系数，θ、
Figure BDA0003309455980000032
和
Figure BDA0003309455980000033
分别为鳍的绕轴转动角度、角速度和角加速度，θd、
Figure BDA0003309455980000034
和
Figure BDA0003309455980000035
分别为鳍的期望转动角度、期望角速度和期望角加速度，Fec＝A0sin(ωet)是以幅值A0、频率为ωe和时间t变化的驱动力矩。
S4：考虑到流体粘性对流固耦合特性的影响，将式(2)改写为：
Figure BDA0003309455980000036
式中，
Figure BDA0003309455980000037
e＝θd-θ，Fe为力偏差信号，且满足Fe＝Fec-τe；
基于Munch模型，流体对鳍的附加作用力矩
Figure BDA0003309455980000038
定义可表示为：
Figure BDA0003309455980000039
式中，
Figure BDA00033094559800000310
Figure BDA00033094559800000311
Figure BDA00033094559800000312
式中，
Figure BDA00033094559800000313
和
Figure BDA00033094559800000314
分别根据Munch模型确定的鳍体附加惯量、附加阻尼和附加刚度，流体密度为ρf，定义折合频率为k＝ωea/v，a为半弦长。
S5：采用流固耦合方法对流固耦合场进行数值求解，将式(3)在时域内进行离散化可以得到：
Figure BDA00033094559800000315
式中，en为离散化的位置差信号，
Figure BDA00033094559800000316
为离散化的速度差信号，
Figure BDA00033094559800000317
为离散化的加速度差信号，Fen为离散化的力偏差信号，
Figure BDA00033094559800000318
为基于Munch模型的离散化附加作用力矩信号。
将式(4)代入到式(5)，可以得到如下表达式：
Figure BDA0003309455980000041
进一步可以整理得到：
Figure BDA0003309455980000042
式中，
Figure BDA0003309455980000043
且Mg、Bg和Kg均为正数；n表示时间增量，对方程进行离散化求解。
S6：鳍的欧拉-拉格朗日动力学方程为：
Figure BDA0003309455980000044
式中，M(q)为惯性矩阵，
Figure BDA0003309455980000045
额为向心力和科里奥利力矩阵，G(q)为重力矢量矩阵，D为粘性摩擦力矩，τ为力的输入，τe为转动轴与鳍的相互作用力。
由式(7)可以得到期望驱动力为零时的阻抗动态为：
Figure BDA0003309455980000046
得到阻抗误差r的阻抗动力学方程为：
Figure BDA0003309455980000047
结合式(8)，可得：
Figure BDA0003309455980000048
式中，
Figure BDA0003309455980000049
得到控制律τ，即
Figure BDA00033094559800000410
其中
Figure BDA00033094559800000411
为
Figure BDA00033094559800000412
的估计值；
Figure BDA00033094559800000413
由式(11)可以推得
Figure BDA00033094559800000414
此式说明r的敛散性与
Figure BDA00033094559800000415
相同。
对于估计值
Figure BDA00033094559800000416
可以设置为理想状态即：
Figure BDA00033094559800000417
θd-θ＝0，此时有：
Figure BDA00033094559800000418
则有：
Figure BDA00033094559800000419
此时，当系统的跟踪效果越准确，则系统越趋于稳定，通过调节位置误差或速度误差可以达到对鳍稳定的运动控制。
S7：对于阻抗控制系统参数值的选取，应当满足系统处于临界阻尼或过阻尼的状态，即
Figure BDA00033094559800000420
(其中，B为阻尼系数，M为转动惯量系数，K为刚度系数)。
虚拟阻尼Bh为：
Figure BDA0003309455980000051
则参数优化后的船用鳍阻抗控制数学模型为：
Figure BDA0003309455980000052
由式(8)和式(16)可以得到本系统的阻抗控制律为：
Figure BDA0003309455980000053
式中，I＝1，
Figure BDA0003309455980000054
本发明的有益效果：
(1)本发明根据水弹性力学原理，基于流固耦合效应，将流体对鳍体的附加负载与鳍体的载荷特性进行整合计算，得到更接近真实情况的控制对象，避免了直接分析流体与鳍体的相互作用力，而是将两者整合为同一控制对象，既考虑了鳍的应用环境，又较为方便的解决了鳍运动建模问题；
(2)建立基于绕中心轴旋转的单自由度阻抗控制方法，以中心轴为阻抗控制系统的末端执行器，以经过流固耦合作用分析的鳍体为外界接触环境，可以直接建立阻抗控制方程。考虑流固耦合作用的鳍体阻抗参数，阻抗控制经常达不到很好的控制效果，可使系统处于大于等于临界阻尼的方式，将阻尼参数设定为虚拟阻尼，提高阻抗控制效果；
(3)设置虚拟阻尼参数后并基于流固耦合的阻抗控制系统，相对于未改进阻抗控制系统的稳态误差降低37.5％；改进后系统无明显超调现象，原阻抗控制系统超调量达78.1％；改进后系统调整时间减少82.4％。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有计算方法中的关键步骤，下面将对实施例或现有计算方法的关键步骤中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1为本发明设计的阻抗控制原理结构图；
图2为本发明研究对象二维NACA0009鳍的模型图；
图3为本发明设置虚拟阻尼参数优化后并基于流固耦合的阻抗控制系统在阶跃信号下的瞬态响应效果图；
图4为本发明的阻抗控制系统在阶跃信号下的瞬态响应效果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体角度状态来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在此，在以下说明中，省略了对已知鳍体和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明的基于流固耦合的船用鳍主动柔顺控制方法，具体包括以下步骤：
S1：如图1所示，选取单自由度的船用鳍刚性模型为研究对象，由中心轴提供动力鳍体做俯仰运动，忽略鳍运动过程中的变形，其中ν表示无穷远处来流速度，a为半弦长，该鳍模型弦长为b，最大厚度为c，中心轴位于该鳍弦长中心位置，且与重心、压心重合，用θ表示鳍中心线绕轴转动后相对于水平基准线P的角度，对于绕中心轴转动的鳍模型，将期望驱动力矩与接触力转换到单个电机的力矩作差，再通过阻抗模型转换为电机旋转的角度量，就实现了单自由度的阻抗控制。
S2：假设单自由度阻抗控制瞬态方程为：
Figure BDA0003309455980000061
式中，qd为期望位置，
Figure BDA0003309455980000062
为期望速度，
Figure BDA0003309455980000063
为期望加速度，q为实际位置，
Figure BDA0003309455980000064
为实际速度，
Figure BDA0003309455980000065
为实际加速度，Md为期望惯性矩阵，Bd为期望阻尼矩阵，Kd为期望刚度矩阵，Fec为期望驱动力，Afluid为流体对鳍体的附加作用力矩，τe为转动轴与鳍的相互作用力。为了实现对力的跟踪，可以引入一个力参考信号Fec，并将其与中心轴末端接触力作差，通过引入力误差，实现力信号的跟踪。
考虑到鳍的工作环境，流体对鳍的附加载荷不可忽略，可以根据流固耦合分析，将附加载荷与鳍自身载荷整合到鳍体，在阻抗控制过程中只需考虑整合后的鳍为阻抗控制对象即可，因此在设计阻抗控制方程时，需要在力偏差后面加上流体对鳍体的附加作用力矩Afluid。
S3：该方程应用到绕中心轴旋转的鳍体模型，可以得到：
Figure BDA0003309455980000066
式中，Mθ为鳍关于绕中心轴旋转的转动惯量，Bθ为鳍绕轴转动的阻尼系数，Kθ为鳍转动刚度系数，θ、
Figure BDA0003309455980000067
和
Figure BDA0003309455980000068
分别为鳍的绕轴转动角度、角速度和角加速度，θd、
Figure BDA0003309455980000071
和
Figure BDA0003309455980000072
分别为鳍的期望转动角度、期望角速度和期望角加速度，Fec＝A0sin(ωet)是以幅值A0、频率为ωe和时间t变化的驱动力矩。
S4：考虑到流体粘性对流固耦合特性的影响，将式(2)改写为：
Figure BDA0003309455980000073
式中，
Figure BDA0003309455980000074
e＝θd-θ，Fe为力偏差信号，且满足Fe＝Fec-τe；基于Munch模型，流体对鳍的附加作用力矩
Figure BDA0003309455980000075
定义可表示为：
Figure BDA0003309455980000076
其中：
Figure BDA0003309455980000077
Figure BDA0003309455980000078
Figure BDA0003309455980000079
式中，
Figure BDA00033094559800000710
和
Figure BDA00033094559800000711
分别根据Munch模型确定的鳍体附加惯量、附加阻尼和附加刚度，流体密度为ρf，定义折合频率为k＝ωea/v，a为半弦长。
S5：采用流固耦合方法对流固耦合场进行数值求解，将式(3)在时域内进行离散化可以得到：
Figure BDA00033094559800000712
式中，en为离散化的位置差信号，
Figure BDA00033094559800000713
为离散化的速度差信号，
Figure BDA00033094559800000714
为离散化的加速度差信号，Fen为离散化的力偏差信号，
Figure BDA00033094559800000715
为基于Munch模型的离散化附加作用力矩信号。
将式(4)代入到式(5)，可以得到如下表达式：
Figure BDA00033094559800000716
进一步可以整理得到：
Figure BDA00033094559800000717
式中，
Figure BDA00033094559800000718
且Mg、Bg和Kg均为正数，n表示时间增量，对方程进行离散化求解时可以采用以下编程方法实现：
Figure BDA0003309455980000081
式中，以水平位置为参考线，θ(nT)为第n个采样周期时中心轴的实际转动角度位置，θd(nT)为第n个采样周期中心轴期望的转动角度位置，θ((n+1)T)为第n+1个采样周期中心轴实际转动角度位置，
Figure BDA0003309455980000082
为第n个采样周期中心轴实际转动速度，
Figure BDA0003309455980000083
为第n个采样周期中心轴期望转动速度，
Figure BDA0003309455980000084
为第n+1个采样周期中心轴的实际转动角速度，
Figure BDA0003309455980000085
为第n个采样周期中心轴实际转动加速度，
Figure BDA0003309455980000086
为第n个采样周期中心轴期望转动加速度，T为力控周期也是采样周期、Fe＝Fec-τe，其中τe为中心轴与鳍体之间的实际接触力，Fec为期望驱动力。
S6：鳍的欧拉-拉格朗日动力学方程为：
Figure BDA0003309455980000087
式中，M(q)为惯性矩阵，
Figure BDA0003309455980000088
为向心力和科里奥利力矩阵，G(q)为重力矢量矩阵，D为粘性摩擦力矩，τ为力的输入，τe为转动轴与鳍的相互作用力；
由式(7)可以得到期望驱动力为零时的阻抗动态为：
Figure BDA0003309455980000089
得到阻抗误差r的阻抗动力学方程为：
Figure BDA00033094559800000810
结合式(9)，可得：
Figure BDA00033094559800000811
式中，
Figure BDA00033094559800000812
得到控制律τ，即
Figure BDA00033094559800000813
其中
Figure BDA00033094559800000814
为
Figure BDA00033094559800000815
的估计值；
Figure BDA00033094559800000816
由式(12)可以推得
Figure BDA00033094559800000817
此式说明r的敛散性与
Figure BDA00033094559800000818
相同。
对于估计值
Figure BDA00033094559800000819
可以设置为理想状态即：
Figure BDA00033094559800000820
θd-θ＝0，此时有：
Figure BDA00033094559800000821
则有：
Figure BDA0003309455980000091
此时，当系统的跟踪效果越准确，则系统越趋于稳定，通过调节位置误差或速度误差可以达到对鳍稳定的运动控制。
S7：对于阻抗控制系统参数值的选取，应当满足系统处于临界阻尼或过阻尼的状态，即
Figure BDA0003309455980000092
(其中，B为阻尼系数，M为转动惯量系数，K为刚度系数)。为达到理想的控制效果，可以引入虚拟阻尼，在维持整体系统与实际系统大体相似的情况下，提升系统性能。当M、K确定后，B的调整对系统的力响应及峰值性能的影响至关重要，通过变阻尼的方式使得系统达到理想的运行效果是可行的，B的选取将影响到系统的力响应及力峰值的性能，并且将B设在使系统处于临界阻尼或合适的过阻尼状态将能得到较好的性能指标，但B又不能取得太大，否则会使得接触力到达稳定的时间过长。
虚拟阻尼Bh为：
Figure BDA0003309455980000093
则参数优化后的船用鳍阻抗控制数学模型为：
Figure BDA0003309455980000094
由式(9)和式(17)可以得到本系统的阻抗控制律为：
Figure BDA0003309455980000095
式中，I＝1，
Figure BDA0003309455980000096
由本控制律得到的原理图如图2所示。
本发明设计的阻抗控制律为中心轴转动驱动力的确定提供了依据，通过该控制律连续提供中心轴驱动力可以实现本单自由度鳍的柔顺控制效果。
以NACA0009二维鳍型为例，验证本方法的有效性，共分为动力学方程、考虑流固耦合特性后系统的阻抗参数和未改进系统的阻抗参数三个计算步骤：
1.基于NACA0009鳍型动力学方程参数计算：
M(q)＝0.0833×0.1×0.01×7800×0.12＝0.0065
Figure BDA0003309455980000097
G(q)＝9.8×0.1×0.01×7800＝76.4400
D＝6×π×0.05×5×0.001＝0.0047
2.计算相应的阻抗参数过程为：
1)计算附加载荷
Figure BDA0003309455980000101
Figure BDA0003309455980000102
Figure BDA0003309455980000103
2)完全耦合后的系统载荷
Figure BDA0003309455980000104
Figure BDA0003309455980000105
Figure BDA0003309455980000106
3)阻尼参数优化
为使系统处于过阻尼状态，需满足：
Kh＝Kg·10-1＝90.0113
Figure BDA0003309455980000107
综上，得到的流速v＝5m·s-1时的阻抗控制方程为：
Figure BDA0003309455980000108
当只给出单位阶跃的期望位置信号时，初始驱动力信号为100N，该阻抗控制器的瞬态仿真如图3所示。
3.当不考虑流固耦合影响仅考虑结构自身阻抗特性时求得阻抗参数为：
Figure BDA0003309455980000109
假设此时的期望偏转角度为22°，初始驱动力信号为100N，求得此时的附加力矩为27.5584N，只给出单位阶跃的期望位置信号时，瞬态阻抗控制仿真如图4所示。
由图3和图4对比分析可知，基于流固耦合的阻抗控制方法相对于单一的阻抗控制方法，更适应船用鳍控制的实际情况，控制效果更为准确，达到预期的控制目的；考虑引入虚拟阻尼对阻抗参数进行优化，能够明显降低系统调整时间，降低超调幅度，更迅速达到系统稳定状态。设置虚拟阻尼参数后并基于流固耦合的阻抗控制系统，相对于阻抗控制系统的稳态误差降低37.5％；改进后系统无明显超调现象，阻抗控制系统超调量达78.1％；改进后系统调整时间减少82.4％。
该鳍型的关键物理量如表1所示：
表1 NACA0009刚性鳍模型的主要参数
Figure BDA0003309455980000111
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于流固耦合的船用鳍主动柔顺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选取单自由度的船用鳍刚性模型为研究对象，由中心轴提供动力，鳍体做俯仰运动，忽略鳍体运动过程中的形变，ν表示无穷远处来流速度，a为半弦长，弦长为b，最大厚度为c，中心轴位于该鳍弦长中心位置，且与重心、压心重合，用θ表示鳍中心线绕轴转动后相对于水平基准线P的角度，对于绕中心轴转动的船用鳍模型，将期望驱动力矩与接触力转换到单个电机的力矩作差，再通过阻抗模型转换为电机旋转的角度量，实现单自由度的阻抗控制；
S2：假设单自由度阻抗控制瞬态方程为：
Figure FDA0003309455970000011
式中，qd为期望位置，
Figure FDA0003309455970000012
为期望速度，
Figure FDA0003309455970000013
为期望加速度，q为实际位置，
Figure FDA0003309455970000014
为实际速度，
Figure FDA0003309455970000015
为实际加速度，Md为期望惯性矩阵，Bd为期望阻尼矩阵，Kd为期望刚度矩阵，Fec为期望驱动力，Afluid为流体对鳍体的附加作用力矩，τe为转动轴与鳍的相互作用力；
S3：该方程应用到绕中心轴旋转的鳍体模型，得到：
Figure FDA0003309455970000016
式中，Mθ为鳍关于绕中心轴旋转的转动惯量，Bθ为鳍绕轴转动的阻尼系数，Kθ为鳍转动刚度系数，θ、
Figure FDA0003309455970000017
和
Figure FDA0003309455970000018
分别为鳍的绕轴转动角度、角速度和角加速度，θd、
Figure FDA0003309455970000019
和
Figure FDA00033094559700000110
分别为鳍的期望转动角度、期望角速度和期望角加速度，Fec＝A0sin(ωet)是以幅值A0、频率为ωe和时间t变化的驱动力矩；
S4：考虑到流体粘性对流固耦合特性的影响，首先将式(2)改写为：
Figure FDA00033094559700000111
式中，
Figure FDA00033094559700000112
e＝θd-θ，Fe为力偏差信号，且满足Fe＝Fec-τe；
基于Munch模型，流体对鳍的附加作用力矩
Figure FDA00033094559700000113
定义可表示为：
Figure FDA00033094559700000114
式中，
Figure FDA00033094559700000115
Figure FDA0003309455970000021
Figure FDA0003309455970000022
式中，
Figure FDA0003309455970000023
和
Figure FDA0003309455970000024
分别根据Munch模型确定的鳍体附加惯量、附加阻尼和附加刚度，流体密度为ρf，定义折合频率为k＝ωea/v，a为半弦长；
S5：采用流固耦合方法对流固耦合场进行数值求解，将式(3)在时域内进行离散化可以得到：
Figure FDA0003309455970000025
式中，en为离散化的位置差信号，
Figure FDA0003309455970000026
为离散化的速度差信号，
Figure FDA0003309455970000027
为离散化的加速度差信号，Fen为离散化的力偏差信号，
Figure FDA0003309455970000028
为基于Munch模型的离散化附加作用力矩信号；
将式(4)代入到式(5)，可以得到如下表达式：
Figure FDA0003309455970000029
进一步可以整理得到：
Figure FDA00033094559700000210
式中，
Figure FDA00033094559700000211
且Mg、Bg和Kg均为正数，n表示时间增量，对方程进行离散化求解；
S6：鳍的欧拉-拉格朗日动力学方程为：
Figure FDA00033094559700000212
式中，M(q)为惯性矩阵，
Figure FDA00033094559700000213
为向心力和科里奥利力矩阵，G(q)为重力矢量矩阵，D为粘性摩擦力矩，τ为力的输入，τe为转动轴与鳍的相互作用力；
由式(7)可以得到期望驱动力为零时的阻抗动态为：
Figure FDA00033094559700000214
得到阻抗误差r的阻抗动力学方程为：
Figure FDA00033094559700000215
结合式(8)，可得：
Figure FDA00033094559700000216
式中，
Figure FDA00033094559700000217
得到控制律τ，即
Figure FDA0003309455970000031
其中
Figure FDA0003309455970000032
为
Figure FDA0003309455970000033
的估计值；
Figure FDA0003309455970000034
由式(11)可以推得
Figure FDA0003309455970000035
此式说明r的敛散性与
Figure FDA0003309455970000036
相同；
S7：虚拟阻尼Bh为：
Figure FDA0003309455970000037
则参数优化后的船用阻抗控制数学模型为：
Figure FDA0003309455970000038
由式(8)和式(14)可以得到本系统的阻抗控制律为：
Figure FDA0003309455970000039
式中，I＝1，
Figure FDA00033094559700000310
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2045183A1 (en) * 2007-10-05 2009-04-08 T.M.S. S.r.l. Surface-piercing propeller propulsion system and boat integrating such a propulsion system
CN104298869A (zh) * 2014-10-07 2015-01-21 北京理工大学 一种弹性水翼的流固耦合特性数值预测方法
CN105730646A (zh) * 2014-12-11 2016-07-06 哈尔滨功成科技创业投资有限公司 一种基于dsp的减摇鳍控制器
WO2019081405A1 (en) * 2017-10-23 2019-05-02 Rolls-Royce Ab NAVIGATION SYSTEM WITH INDEPENDENT LATERAL AND LONGITUDINAL PUSH CONTROL
CN109799049A (zh) * 2019-03-06 2019-05-24 北京理工大学 一种弹性圆柱体涡激振动规律和耦合机理测定方法
CN111027152A (zh) * 2019-12-09 2020-04-17 中国科学院力学研究所 一种围绕水翼空化流固耦合数值模拟方法
CN113156819A (zh) * 2021-04-09 2021-07-23 浙江大学 协调打磨机械臂系统自适应神经网络同步阻抗控制方法
CN113419422A (zh) * 2021-07-02 2021-09-21 哈尔滨理工大学 一种船用舵鳍联合减摇控制系统

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2045183A1 (en) * 2007-10-05 2009-04-08 T.M.S. S.r.l. Surface-piercing propeller propulsion system and boat integrating such a propulsion system
CN104298869A (zh) * 2014-10-07 2015-01-21 北京理工大学 一种弹性水翼的流固耦合特性数值预测方法
CN105730646A (zh) * 2014-12-11 2016-07-06 哈尔滨功成科技创业投资有限公司 一种基于dsp的减摇鳍控制器
WO2019081405A1 (en) * 2017-10-23 2019-05-02 Rolls-Royce Ab NAVIGATION SYSTEM WITH INDEPENDENT LATERAL AND LONGITUDINAL PUSH CONTROL
CN109799049A (zh) * 2019-03-06 2019-05-24 北京理工大学 一种弹性圆柱体涡激振动规律和耦合机理测定方法
CN111027152A (zh) * 2019-12-09 2020-04-17 中国科学院力学研究所 一种围绕水翼空化流固耦合数值模拟方法
CN113156819A (zh) * 2021-04-09 2021-07-23 浙江大学 协调打磨机械臂系统自适应神经网络同步阻抗控制方法
CN113419422A (zh) * 2021-07-02 2021-09-21 哈尔滨理工大学 一种船用舵鳍联合减摇控制系统

Non-Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Fluid–structure coupling for an oscillating hydrofoil;C. Münch，等;《Journal of fluids and structures》;20100821;第26卷(第6期);全文 *
Parametric analysis on hydroelastic behaviors of hydrofoils and propellers using a strongly coupled finite element/panel method;Li Jiasheng，等;《JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY》;20200330;第25卷(第1期);全文 *
Turning ability analysis of a fully appended twin screw vessel by CFD. Part II: Single vs. twin rudder configuration;Dubbioso G，等;《OCEAN ENGINEERING》;20160501;第117卷;全文 *
基于完全耦合算法的绕水翼流固耦合特性研究;吴钦,等;《船舶力学》;20170731;第21卷(第7期);全文 *
基于柔性尾鳍仿生机器鱼研究及设计;李坤伦;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（硕士）信息科技辑》;20180615(第6期);全文 *
基于阻抗控制的机器人力控制技术研究;丁润泽;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（硕士）信息科技辑》;20190115(第1期);全文 *
基于阻抗控制的机器人柔顺性控制方法研究;杨振;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（硕士）信息科技辑》;20070115(第1期);全文 *
潜艇舵机系统流固耦合与优化控制策略研究;刘惠媛;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（博士）工程科技II辑》;20171115(第11期);全文 *
螺旋桨和水翼流固耦合机理与计算方法研究;李家盛;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（博士）工程科技II辑》;20200115(第1期);全文 *

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