穿浪雙體船縱向運動控制系統(tǒng)試驗水池樣機方案設計

王五桂

（中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

0 引言

穿浪雙體船是20世紀80年代結合普通雙體船和小水線面雙體船的結構和特性所發(fā)展起來的一種高性能復合船型，具有航速快，耐波性高，舒適性好等優(yōu)點[1-3]。但是穿浪雙體船也同樣有它的局限性，一方面，其縱向運動性能很大程度上取決于它所航行的海區(qū)及波長范圍，在短峰波中迎浪航行時表現(xiàn)欠佳；另一方面，其對裝載狀態(tài)的變化比較敏感，載荷變化較大者，相應吃水變化較大，會導致縱向運動性能惡化。為了改善穿浪雙體船應用的局限性，國內(nèi)外學者一直在尋求一種主動改善其縱向運動的方法[4]，世界上最大的穿浪雙體船設計制造公司澳大利亞 INCAT公司與美國 MDI公司聯(lián)合研制了帶 T型翼(T-foil)的運動姿態(tài)控制系統(tǒng)。國內(nèi)也進行類似的研究，但大部分都處于理論研究階段[5-7]。

本文提出一種穿浪雙體船縱向運動控制系統(tǒng)試驗樣機研制方案。通過在配置可控制的前T型水翼和艉部壓浪板的船模上，設計一套由船模姿態(tài)檢測系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和伺服機構三部分構成閉環(huán)試驗樣機方案。基于本文提出的方案所設計的試驗樣機，能夠在拖曳水池試驗中驗證穿浪雙體船縱向運動控制系統(tǒng)原理的正確性和有效性，為實船上應用提供技術支撐。

1 樣機總體方案

試驗樣機由船模姿態(tài)檢測系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和伺服機構三部分構成，見圖 1。在進行拖曳水池試驗時，DSP控制器根據(jù)船模姿態(tài)檢測系統(tǒng)測量得到的船模縱向運動狀態(tài)信息，結合相應的控制算法計算得出前T型水翼和艉部壓浪板的控制信號，通過串口通訊方式將控制指令傳達給伺服系統(tǒng)集中控制器，伺服系統(tǒng)集中控制器通過 CAN總線將控制指令傳給伺服控制器，使前T型水翼和艉部壓浪板按一定規(guī)律運動，從而達到消減縱向運動的目的。在進行拖曳水池試驗前，模擬調試單片機系統(tǒng)主要用于對本樣機靜態(tài)指標和動態(tài)指標進行測試驗證。數(shù)據(jù)采集計算機主要對試驗時控制指令和實時試驗結果進行采集、顯示和存儲記錄，方便試驗現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)分析和結果的記錄。根據(jù)試驗總體方案，提出樣機總體技術指標見表1。

表1 樣機總體技術指標

2 樣機實現(xiàn)功能

為了能夠通過拖曳水池試驗驗證縱向運動控制系統(tǒng)原理正確性和有效性，本文所設計的樣機需要實現(xiàn)以下功能。

1） 樣機能實時測量船模的運動姿態(tài)（縱搖角、縱搖角速率、垂蕩加速度等），通過實時計算，實時輸出控制指令（控制面的角度），控制船模的T型水翼（艏部）、壓浪板（艉部左、右各1個）運動，從而減少船模縱向運動響應。

2）樣機支持水池試驗現(xiàn)場調試，控制參數(shù)設計滿足一定范圍內(nèi)輸入?yún)?shù)變化和模型誤差，關鍵參數(shù)現(xiàn)場可進行方便調節(jié)。

3）樣機另配置PC機及記錄分析軟件，可實時接收、記錄、分析、顯示（數(shù)據(jù)及曲線）樣機傳輸?shù)淖藨B(tài)、控制指令及執(zhí)行機構位置信息，用于水池試驗、調試期間數(shù)據(jù)記錄和分析。

4）樣機配置輔助器材具有電源轉換功能，能夠為水池樣機各組成部分提供穩(wěn)定可靠電源。另外，安裝附件能夠確保水池樣機各組成部分方便、緊固安裝在船模上。

3 樣機方案設計

3.1 船模姿態(tài)檢測系統(tǒng)設計

船模姿態(tài)檢測系統(tǒng)主要用于測量船模縱向運動姿態(tài)。根據(jù)樣機功能需求，所選用的傳感器要求能夠直接測量船模的縱搖角、縱搖角速率、垂蕩加速度等信息，以提高測量信息的實時性，避免累計誤差。通過對目標船模進行耐波性實驗結果，本文提出船模姿態(tài)檢測系統(tǒng)技術指標如表 2所示。

表2 船模姿態(tài)檢測系統(tǒng)技術指標

3.2 控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括DSP控制器、模擬單片機系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集計算機。DSP控制器采集船模姿態(tài)檢測系統(tǒng)所得到的姿態(tài)信息，基于一定的控制算法，計算得到控制指令，然后，一方面將控制指令通過串口傳給伺服機構集中控制器，另一方面采集伺服機構集中控制器反饋信息，傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進行顯示和存儲。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于 LabVIEW 平臺編寫數(shù)據(jù)記錄分析軟件，包含系統(tǒng)總體界面，后臺控制程序。按照功能模塊劃分可分為：通信模塊、數(shù)據(jù)包解析模塊、姿態(tài)數(shù)據(jù)顯示、執(zhí)行機構狀態(tài)顯示和存儲模塊等，圖2為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)暫定界面，主要需實現(xiàn)以下功能：

1）數(shù)據(jù)實時顯示功能

實時顯示船模縱搖角、角速率、垂向加速度，控制算法對執(zhí)行機構角度輸出指令，執(zhí)行機構實時數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)列表形式和曲線形式實時顯示上述數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)記錄功能

記錄各個通道的數(shù)據(jù)，記錄周期應能達到20 ms。能夠記錄船模各次試驗的數(shù)據(jù)，便于統(tǒng)計分析。

3）曲線顯示功能

應能夠在同一時間坐標下同時對應顯示各個參數(shù)的大小，變化規(guī)律和對應關系。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)暫定界面

模擬單片機系統(tǒng)主要用于整個水池樣機陸上模擬調試和控制算法的驗證。通過模擬單片機系統(tǒng)，模擬海浪及船模縱向運動狀態(tài)參數(shù)。單片機模擬船模姿態(tài)檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式輸出，數(shù)據(jù)輸出可以實現(xiàn)固定數(shù)據(jù)輸出，也可以根據(jù)仿真得到的變化規(guī)律實現(xiàn)動態(tài)輸出。

3.3 伺服系統(tǒng)與執(zhí)行機構設計

通過前T型水翼和艉部壓浪板伺服系統(tǒng)與執(zhí)行機構，控制一定形狀的前T型水翼和艉部壓浪板跟隨控制指令進行運動，實現(xiàn)試驗目的。

由于是在很小的船模上進行試驗，因此對執(zhí)行機構和伺服系統(tǒng)有特殊的要求：

1）必須體積小，重量輕，不能造成船體過重的負擔，應能夠通過調節(jié)壓載物體的重量，試驗出輕載和滿載等各種不同狀態(tài)的調節(jié)效果。

2）動作要靈敏準確，調節(jié)精度高。

3）具有實時的位置反饋功能，能夠和船舶狀態(tài)參數(shù)同時顯示，便于日后數(shù)據(jù)處理和分析。

根據(jù)試驗總體方案和以上要求，提出伺服系統(tǒng)與執(zhí)行機構的技術指標要求，見表3。

伺服控制系統(tǒng)由 DSP控制器構成的伺服機構集中控制器構成，該控制器由串行口獲得DSP控制器的計算結果，控制伺服電機旋轉到給定角度。同時通過安裝在伺服電機上的檢測元件，檢測T型水翼和艉壓浪板的實際角度，同樣通過串行口發(fā)送回DSP控制器，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行實時顯示和數(shù)據(jù)記錄。

表3 伺服系統(tǒng)與執(zhí)行機構技術指標

執(zhí)行機構采用直流無框架電機、滾珠絲桿、傳動桿直接驅動T型水翼和尾壓浪板轉動的方案如圖3所示。由于T型水翼與尾壓浪板傳動方案類似，下面以T型水翼為例說明本文提出方案的傳動過程。

圖3 執(zhí)行機構傳動方案

直流無框架電機通過帶動垂直方向的滾珠絲桿運動，滾珠絲桿帶動伸縮桿與之連接的一端垂直運動，使得伸縮桿繞與T型水翼主軸固連的一端轉動，伸縮桿通過伸縮來調節(jié)其長度，以達到T型水翼角度實時轉動的要求。

T型水翼機械傳動裝置由直線傳動機構、直線傳動機構鉸鏈、垂直翼、固定翼和可控尾翼等五部分組成。垂直翼、固定翼和可控尾翼三者的安裝關系如圖4所示。其中，固定尾翼和垂直尾翼相對固連。活動尾翼和固定尾翼通過兩組鉸鏈銷軸和鉸鏈支座連接，并使用輔助支撐座加強，減少運動間隙，提高精度和剛度。

4 結論

本文提出了穿浪雙體船縱向運動控制系統(tǒng)水池樣機研制方案。根據(jù)樣機總體技術方案和需要實現(xiàn)的功能分別提出了系統(tǒng)各部分的設計方案，給出了樣機總體技術指標、船模姿態(tài)檢測系統(tǒng)技術指標和伺服系統(tǒng)與執(zhí)行機構技術指標。并給出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)與執(zhí)行機構的功能要求和初步設計方案。根據(jù)本文所提出方案，為后期樣機研制中船模姿態(tài)檢測系統(tǒng)、控制器設計和伺服系統(tǒng)與執(zhí)行機構等關鍵部件選型提供技術支撐，并可通過在拖曳水池試驗中驗證穿浪雙體船縱向運動控制系統(tǒng)原理的正確性和有效性。

圖4 T型水翼傳動關系

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