穿浪雙體船縱向運動控制系統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及波長范圍，在短峰波中迎浪航行時表現欠佳；另一方面，其對裝載狀態的變化比較敏感，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公司聯合研制了帶 T型翼(T-foil)的運動姿態控制系統。國內也進行類似的研究，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檢測系統、控制與數據采集系統和伺服機構三部分構成閉環試驗樣機方案。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檢測系統、控制與數據采集系統和伺服機構三部分構成，見圖 1。在進行拖曳水池試驗時，DSP控制器根據船模姿態檢測系統測量得到的船模縱向運動狀態信息，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集中控制器，伺服系統集中控制器通過 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主要用于對本樣機靜態指標和動態指標進行測試驗證。數據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，方便試驗現場進行數據分析和結果的記錄。根據試驗總體方案，提出樣機總體技術指標見表1。

表1 樣機總體技術指標

2 樣機實現功能

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

1） 樣機能實時測量船模的運動姿態（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場調試，控制參數設計滿足一定范圍內輸入參數變化和模型誤差，關鍵參數現場可進行方便調節。

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（數據及曲線）樣機傳輸的姿態、控制指令及執行機構位置信息，用于水池試驗、調試期間數據記錄和分析。

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 船模姿態檢測系統設計

船模姿態檢測系統主要用于測量船模縱向運動姿態。根據樣機功能需求，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，本文提出船模姿態檢測系統技術指標如表 2所示。

表2 船模姿態檢測系統技術指標

3.2 控制與數據采集系統設計

控制與數據采集系統包括DSP控制器、模擬單片機系統和數據采集計算機。DSP控制器采集船模姿態檢測系統所得到的姿態信息，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，傳輸給數據采集系統，進行顯示和存儲。

數據采集系統基于 LabVIEW 平臺編寫數據記錄分析軟件，包含系統總體界面，后臺控制程序。按照功能模塊劃分可分為：通信模塊、數據包解析模塊、姿態數據顯示、執行機構狀態顯示和存儲模塊等，圖2為數據采集系統暫定界面，主要需實現以下功能：

1）數據實時顯示功能

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

2）數據記錄功能

記錄各個通道的數據，記錄周期應能達到20 ms。能夠記錄船模各次試驗的數據，便于統計分析。

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的大小，變化規律和對應關系。

圖2 數據采集系統暫定界面

模擬單片機系統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，模擬海浪及船模縱向運動狀態參數。單片機模擬船模姿態檢測系統的數據格式輸出，數據輸出可以實現固定數據輸出，也可以根據仿真得到的變化規律實現動態輸出。

3.3 伺服系統與執行機構設計

通過前T型水翼和艉部壓浪板伺服系統與執行機構，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，實現試驗目的。

由于是在很小的船模上進行試驗，因此對執行機構和伺服系統有特殊的要求：

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

2）動作要靈敏準確，調節精度高。

3）具有實時的位置反饋功能，能夠和船舶狀態參數同時顯示，便于日后數據處理和分析。

根據試驗總體方案和以上要求，提出伺服系統與執行機構的技術指標要求，見表3。

伺服控制系統由 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，同樣通過串行口發送回DSP控制器，由數據采集系統進行實時顯示和數據記錄。

表3 伺服系統與執行機構技術指標

執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水池樣機研制方案。根據樣機總體技術方案和需要實現的功能分別提出了系統各部分的設計方案，給出了樣機總體技術指標、船模姿態檢測系統技術指標和伺服系統與執行機構技術指標。并給出了數據采集系統和伺服系統與執行機構的功能要求和初步設計方案。根據本文所提出方案，為后期樣機研制中船模姿態檢測系統、控制器設計和伺服系統與執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原理的正確性和有效性。

圖4 T型水翼傳動關系

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