一種船體減搖裝置控制系統優化設計

蔡子聰

(安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南 232001)

0 引言

船舶行駛過程中，由于風力、水面激振力和船體運行中的振動等因素，船體勢必會出現橫搖，這些橫搖會對船舶的正常行駛以及船艙內人員的舒適度造成影響。針對這些橫搖，人們設計出一系列優化措施，舭龍骨、減搖水艙、減搖鰭等一系列減搖裝置應運而生[1]。其中，減搖鰭是設計較為成功且應用較為廣泛的裝置，其發展可以追溯到 20世紀80年代。減搖鰭發展至今，已經演變成一種將液壓系統和自動化控制系統相結合的裝置[2]。本文針對減搖鰭的自動化控制系統，進行一種系統優化設計[3]。

1 船舶橫搖模型

船身在多種因素的共同作用下會產生橫搖，其中外部因素包括風力和水面沖擊力等；而內部因素有螺旋槳激勵振動和船體自振等。其中螺旋槳引起的激勵振動是引起船體橫搖的一項重要因素，其激勵振動的頻率公式為[4]

式中：K為激勵階數；Z為螺旋槳葉數；N為螺旋槳轉速，rad/s。

螺旋槳轉動時產生的脈動壓力和螺旋槳的葉頻表面力分別為

式中：D為螺旋槳直徑，m；W為軸功率，J/s；k0為水翼修正系數；kα為根據螺旋槳軸和離螺旋槳槳葉最小距離的船底處的縱剖面線之間的夾角α的系數；kd為葉梢間隙比系數；d為葉梢距離船體底部的最小距離，m；k由d和D的比值以及螺旋槳葉數的系數確定。

2 系統優化傳遞函數計算

計算橫搖角對于波傾角的傳遞函數，先運用杜埃爾公式來計算橫搖轉動慣量[5]，見式（4）。

式中：M為船舶排水量，L；B為船舶型寬，m；z為船體重心高度，m；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

所以船舶橫搖周期為：

計算船舶橫搖運動衰減系數為：

式中：k1=0.055～0.060，根據船體參數決定；?A為橫搖幅值，rad；h為靜水穩性高度，m；H為船舶型深，m。

經過優化設計后，船舶橫搖角φ對于波傾角α的傳遞函數為：

該傳遞函數的輸入值為船體橫搖角，輸出值為船體波傾角[9]，橫搖角參數由傾角傳感器測得，并根據該函數得出相應輸出波傾角的值。根據波傾角調節減搖鰭電機，以給定角±20°由空載啟動的響應輸出曲線見圖 1，整個系統為開環控制系統，并由傳遞函數可得：當波傾角增大時，輸入控制器的值為正值，減搖效果增大；當波傾角減小時，輸入控制器的值為負值，減搖效果減小。

圖1 電機響應曲線

當傳感器檢測到傾角信號不為0時，控制單元得出相應的波傾角數據對電機進行控制，電機接收控制信號迅速響應，上升時間小于2 s，且運動過程中較穩定，產生的誤差較小。

經過優化之后，船舶在航行過程中由于風浪或船身自振而導致出現有害振動和橫搖時，減搖系統的響應速度會得到提升，響應的精準程度會相應提高，從而使船舶行駛的安全性得到改善，同時可以在一定程度上改善船上人員的舒適性。

3 自動化控制系統優化設計

3.1 減搖鰭的伺服驅動系統

減搖鰭裝置的硬件原理框圖見圖 2，電路的接口類型為RS232。控制單元先根據給定的橫搖參數計算傳遞函數，再將優化后的輸出值輸入電路。硬件電路包括位置調節器、速度調節器、電流調節器和逆變器，這些裝置串聯到減搖鰭的電機上；外圍電路并聯有電流傳感器、速度檢測裝置和位置檢測裝置，用于監測設備工作時的各項參數。

圖2 伺服電機的系統結構圖

3.2 控制電路仿真

仿真采用的控制硬件為AT89C51單片機[10]，單片機的4個輸出端分別接入每個減搖鰭控制部分的信號放大電路，通過仿真結果驗證了該優化設計的可行性。圖3是基于AT89C51單片機的減搖鰭控制電路仿真圖，該仿真電路為自動化控制電路，在傳感器接受振動和橫搖信號時，該電路系統會自動對信號進行處理并輸出修正信號，相比很多人工手動控制減搖的模式，該系統具有自動調節功能，可靠性和響應速度得到大幅提升，從而使船舶航行的安全性得到極大改善。

圖3 控制電路仿真圖

4 結論

通過引入橫搖角這一概念，對船舶航行過程中傾搖程度進行了定量分析，根據橫搖角計算公式所計算出的橫搖角數值越大，則船體的傾搖幅度越大。通過對船體減搖控制系統的閉環控制函數進行分析和優化，能夠縮減傾角傳感器檢測信號至控制器作出響應的時間，從而達到降低船舶橫搖幅值的目的。