船舶减摇装置控制系统设计(附件)【字数：13595】
摘 要摘 要减摇鳍是目前最主要船舶减摇装置之一，因其优良的减摇效果，目前被广泛使用于各类大小型船舶。减摇鳍在提高船舶适航能力，保证船上设备正常运行，提高乘员的舒适度等方面发挥重要作用。首先研究随机海浪理论，以ITTC单参数能量谱为模型建立长峰波随机海浪模型，利用等间隔法建立了船舶横摇所需的波倾角模型，并根据船宽、吃水进行修正。利用MATLAB软件仿真得到横摇波倾角的仿真曲线。通过对船舶横摇运动受力分析，结合某船具体参数，计算出船舶在设计航速下的Conolly线性横摇方程。利用MATLAB在不同海况下对船舶横摇运动进行仿真，得到船舶开环横摇曲线。研究减摇鳍减摇的原理，根据系统要求设计了减摇鳍PID控制系统，分析了各环节的数学模型，并利用MATLAB对增加了减摇鳍PID控制系统的闭环船舶横摇系统进行仿真，验证了此PID控制系统具有减小船舶横摇的作用。提出用可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）代替模拟电路，对控制系统中随动系统进行改造。选择合适的可编程控制器后编写了随动系统的PLC程序。利用触摸屏技术设计了控制系统监控程序，实现了对减摇鳍工作状态的监视控制。关键词减摇鳍 PID控制 控制系统 可编程控制器
目 录
第一章 绪 论 1
1.1研究的目的和意义 1
1.2 船舶减摇装置简介 1
1.2.1 舭龙骨 1
1.2.2减摇陀螺 1
1.2.3 舵减摇 3
1.2.4减摇水舱 3
1.2.5减摇鳍 5
1.3船舶减摇装置选择依据 5
1.4减摇鳍技术国内外研究现状及发展趋势 6
第二章 海浪扰动和船舶线性横摇模型建立 9
2.1海浪模型的建立与仿真 9
2.1.1不规则波概述 9
2.1.2海浪波能谱描述 9
2.1.3长峰波随机海浪的模拟仿真 9
2.1.4波倾角的模拟仿真 9
2.2船舶线性横摇模型的建立与仿真 14
2.2.1船舶横摇受力分析 14
2.2.2 建立船舶横摇模型 16
2.2.3船舶 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
横摇模型仿真 18
第三章 减减摇鳍控制系统组成设计与仿真 22
3.1减摇鳍的运行原理 22
3.1.1鳍的扶正力矩和力矩对抗原理 22
3.1.2减摇鳍在减摇工况的运行原理 24
3.1.3船舶在升摇工况下的运行原理 24
3.2减摇鳍控制系统设计 25
3.3减摇鳍控制系统仿真 28
第四章 控制系统数字化改造与监控系统设计 34
4.1主控系统设计 34
4.1.1主控系统的功能与改造 34
4.1.2主控系统软件设计 34
4.2随动系统设计 37
4.2.1随动系统的构成及工作原理 37
4.2.2随动系统的改造 37
4.2.3随动系统程序设计 39
4.3减摇鳍监控测试系统设计 52
4.3.1监控测试系统的概念 52
4.3.2减摇鳍监控测试系统程序设计 52
结语 58
致谢 59
参考文献 60
第一章 绪 论
1.1研究的目的和意义
船舶在海洋当中航行，会受到大风以及海浪的作用，船体发生摇动，摇动的方向可以分为6个自由度：横摇、纵摇、艏摇、横荡、升沉和纵荡，其中危害最大的是横摇运动。剧烈的横摇运动会降低船舶的航行速度，加速船舶设备的老化，会使柴油机工况变坏，对于货船可会影响货物固定：对于军舰来说，横摇会影响飞机的起落，影响火炮的灵敏度，延误战机。另外长期的横摇会影响船上工作人员的生活，引起不适降低工作能力。所以一直以来，船舶的横摇运动和减摇技术一直受到人们的关注。
1.2 船舶减摇装置简介
人类从19世纪开始研究船舶减摇技术，共提出350种之多的减摇方法，到目前为止，效果好使用广泛的有减摇技术有舭龙骨，舵减摇，减摇水舱，减摇鳍等。
1.2.1 舭龙骨
19世纪初，舭龙骨就被应用于帆船上，现在大多数船舶上都配备有舭龙骨。他沿着船长装于船舶舭部，与舭部外板垂直。在船舶横摇时扰动船体周围流场，增加横摇阻尼系数。产生减摇效果。他在任何情况都具有减摇作用，减摇效果可达到25%，因为此装置不需要移动，损小，现在几乎所有海船都装备有舭龙骨。
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图1－1 舭龙骨在船体上的布置图
1.2.2减摇陀螺
减摇陀螺运用动力陀螺的物理特性，陀螺旋转产生一个力矩对抗船舶的横摇力矩，达到减摇的目的。减摇陀螺的减摇效果可以达到33%47%。他的主要部件是一个具角速度、转动惯量的飞轮。增大飞轮的质量或外径都能增加转动惯量。角动量是衡量此装置减摇能力的指标，即角速度与转动惯量的乘积。角动量越大则说明减摇效果越好。陀螺有三个轴，输入轴，输出轴，自转轴。旋转的陀螺受外力矩作用会引外力矩矢量和陀螺回转轴构成的平面内产生角位移，这种位移被称为进动。安装在船上的陀螺有三个自由度，其中一个是与船合在一起的。如果作用在船上的外力矩使船产生横摇，同时也会使陀螺产生一个进动，进动紧跟着引发出起抵抗作用的陀螺力矩。因此，布置陀螺减摇装置时应该使进动轴处于船舶稳定的平面内。图为减摇陀螺在船上的布置。
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图1－2 减摇陀螺在船上的布置
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图1－3 陀螺的进动情况
目前，世界上主要的减摇陀螺生产商有日本 Mitsubishi 公司，美国 Seakeeper，澳大利亚Halcyon 公司等。主要应用在小型游艇上。图为Seakeeper公司研究推出的的减摇陀螺的结构。减摇陀螺安装在船体内，没有伸出部分。安装方便，占用空间小。减摇效果不受航速影响。对小型船舶十分合适。但是价格昂贵，而且工作过程会有噪音。需要定期维修保养。
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图1－4 Seakeeper 公司的陀螺减摇装置
1.2.3 舵减摇
舵减摇技术是一种较为新颖的技术，由于船舶的重心与水动力作用在舵上的作用中心之间存在一定的高度差，因此转舵时会产生横摇力矩。而舵的低频运动和高频运动分别影响船舶的艏摇和横摇，因此合理控制舵的方向、幅度、相位，就可以在控制航向的同时有效抵消部分横摇。
舵减摇有在上世纪1972年代被提出，90年代国外已经生产出成品。因为不需要额外添加装置便可以起到减摇作用，舵减摇理论一经推出，便引起重视。对某些船型，它的减摇效果可以达到50%以上。中国船舶研究所在八十年代初就对舵减摇技术展开了研究，验证了减摇效果和可行性，并逐步应用于军舰上。
1.2.4减摇水舱
减摇水舱推出已经有100多年历史，是另外一种十分有效的的减摇装置，现在已经被广泛应用在各类船舶上。在结构上，舱体通常设计成U型或槽型。减摇水舱可以分为被动式减摇水舱、主动式减摇水舱、可控式被动减摇水舱三类，其中可控式被动减摇水舱使用最为广泛。由于减摇水舱装置可将摇摆角度减小15°以上，减幅达50%，故由横摇而致的危险性可大大降低;另外,船舶摇摆角每减小1°，船舶阻尼摇摆力就要相应地减小0.5%～0.9%，所以减摇水舱的使用可以极大的节省船舶能源。由于减摇效果与船的航速无关,因此减摇水舱可广泛用于低速航行船舶或停泊作业的工程船舶。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1研究的目的和意义 1
1.2 船舶减摇装置简介 1
1.2.1 舭龙骨 1
1.2.2减摇陀螺 1
1.2.3 舵减摇 3
1.2.4减摇水舱 3
1.2.5减摇鳍 5
1.3船舶减摇装置选择依据 5
1.4减摇鳍技术国内外研究现状及发展趋势 6
第二章 海浪扰动和船舶线性横摇模型建立 9
2.1海浪模型的建立与仿真 9
2.1.1不规则波概述 9
2.1.2海浪波能谱描述 9
2.1.3长峰波随机海浪的模拟仿真 9
2.1.4波倾角的模拟仿真 9
2.2船舶线性横摇模型的建立与仿真 14
2.2.1船舶横摇受力分析 14
2.2.2 建立船舶横摇模型 16
2.2.3船舶 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
横摇模型仿真 18
第三章 减减摇鳍控制系统组成设计与仿真 22
3.1减摇鳍的运行原理 22
3.1.1鳍的扶正力矩和力矩对抗原理 22
3.1.2减摇鳍在减摇工况的运行原理 24
3.1.3船舶在升摇工况下的运行原理 24
3.2减摇鳍控制系统设计 25
3.3减摇鳍控制系统仿真 28
第四章 控制系统数字化改造与监控系统设计 34
4.1主控系统设计 34
4.1.1主控系统的功能与改造 34
4.1.2主控系统软件设计 34
4.2随动系统设计 37
4.2.1随动系统的构成及工作原理 37
4.2.2随动系统的改造 37
4.2.3随动系统程序设计 39
4.3减摇鳍监控测试系统设计 52
4.3.1监控测试系统的概念 52
4.3.2减摇鳍监控测试系统程序设计 52
结语 58
致谢 59
参考文献 60
第一章 绪 论
1.1研究的目的和意义
船舶在海洋当中航行，会受到大风以及海浪的作用，船体发生摇动，摇动的方向可以分为6个自由度：横摇、纵摇、艏摇、横荡、升沉和纵荡，其中危害最大的是横摇运动。剧烈的横摇运动会降低船舶的航行速度，加速船舶设备的老化，会使柴油机工况变坏，对于货船可会影响货物固定：对于军舰来说，横摇会影响飞机的起落，影响火炮的灵敏度，延误战机。另外长期的横摇会影响船上工作人员的生活，引起不适降低工作能力。所以一直以来，船舶的横摇运动和减摇技术一直受到人们的关注。
1.2 船舶减摇装置简介
人类从19世纪开始研究船舶减摇技术，共提出350种之多的减摇方法，到目前为止，效果好使用广泛的有减摇技术有舭龙骨，舵减摇，减摇水舱，减摇鳍等。
1.2.1 舭龙骨
19世纪初，舭龙骨就被应用于帆船上，现在大多数船舶上都配备有舭龙骨。他沿着船长装于船舶舭部，与舭部外板垂直。在船舶横摇时扰动船体周围流场，增加横摇阻尼系数。产生减摇效果。他在任何情况都具有减摇作用，减摇效果可达到25%，因为此装置不需要移动，损小，现在几乎所有海船都装备有舭龙骨。
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图1－1 舭龙骨在船体上的布置图
1.2.2减摇陀螺
减摇陀螺运用动力陀螺的物理特性，陀螺旋转产生一个力矩对抗船舶的横摇力矩，达到减摇的目的。减摇陀螺的减摇效果可以达到33%47%。他的主要部件是一个具角速度、转动惯量的飞轮。增大飞轮的质量或外径都能增加转动惯量。角动量是衡量此装置减摇能力的指标，即角速度与转动惯量的乘积。角动量越大则说明减摇效果越好。陀螺有三个轴，输入轴，输出轴，自转轴。旋转的陀螺受外力矩作用会引外力矩矢量和陀螺回转轴构成的平面内产生角位移，这种位移被称为进动。安装在船上的陀螺有三个自由度，其中一个是与船合在一起的。如果作用在船上的外力矩使船产生横摇，同时也会使陀螺产生一个进动，进动紧跟着引发出起抵抗作用的陀螺力矩。因此，布置陀螺减摇装置时应该使进动轴处于船舶稳定的平面内。图为减摇陀螺在船上的布置。
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图1－2 减摇陀螺在船上的布置
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图1－3 陀螺的进动情况
目前，世界上主要的减摇陀螺生产商有日本 Mitsubishi 公司，美国 Seakeeper，澳大利亚Halcyon 公司等。主要应用在小型游艇上。图为Seakeeper公司研究推出的的减摇陀螺的结构。减摇陀螺安装在船体内，没有伸出部分。安装方便，占用空间小。减摇效果不受航速影响。对小型船舶十分合适。但是价格昂贵，而且工作过程会有噪音。需要定期维修保养。
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图1－4 Seakeeper 公司的陀螺减摇装置
1.2.3 舵减摇
舵减摇技术是一种较为新颖的技术，由于船舶的重心与水动力作用在舵上的作用中心之间存在一定的高度差，因此转舵时会产生横摇力矩。而舵的低频运动和高频运动分别影响船舶的艏摇和横摇，因此合理控制舵的方向、幅度、相位，就可以在控制航向的同时有效抵消部分横摇。
舵减摇有在上世纪1972年代被提出，90年代国外已经生产出成品。因为不需要额外添加装置便可以起到减摇作用，舵减摇理论一经推出，便引起重视。对某些船型，它的减摇效果可以达到50%以上。中国船舶研究所在八十年代初就对舵减摇技术展开了研究，验证了减摇效果和可行性，并逐步应用于军舰上。
1.2.4减摇水舱
减摇水舱推出已经有100多年历史，是另外一种十分有效的的减摇装置，现在已经被广泛应用在各类船舶上。在结构上，舱体通常设计成U型或槽型。减摇水舱可以分为被动式减摇水舱、主动式减摇水舱、可控式被动减摇水舱三类，其中可控式被动减摇水舱使用最为广泛。由于减摇水舱装置可将摇摆角度减小15°以上，减幅达50%，故由横摇而致的危险性可大大降低;另外,船舶摇摆角每减小1°，船舶阻尼摇摆力就要相应地减小0.5%～0.9%，所以减摇水舱的使用可以极大的节省船舶能源。由于减摇效果与船的航速无关,因此减摇水舱可广泛用于低速航行船舶或停泊作业的工程船舶。
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