王五桂

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

0 引言

穿浪雙體船是20世紀(jì)80年代結(jié)合普通雙體船和小水線面雙體船的結(jié)構(gòu)和特性所發(fā)展起來(lái)的一種高性能復(fù)合船型，具有航速快，耐波性高，舒適性好等優(yōu)點(diǎn)[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(yùn)動(dòng)性能很大程度上取決于它所航行的海區(qū)及波長(zhǎng)范圍，在短峰波中迎浪航行時(shí)表現(xiàn)欠佳；另一方面，其對(duì)裝載狀態(tài)的變化比較敏感，載荷變化較大者，相應(yīng)吃水變化較大，會(huì)導(dǎo)致縱向運(yùn)動(dòng)性能惡化。為了改善穿浪雙體船應(yīng)用的局限性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在尋求一種主動(dòng)改善其縱向運(yùn)動(dòng)的方法[4]，世界上最大的穿浪雙體船設(shè)計(jì)制造公司澳大利亞 INCAT公司與美國(guó) MDI公司聯(lián)合研制了帶 T型翼(T-foil)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)也進(jìn)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)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(shè)計(jì)一套由船模姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和伺服機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成閉環(huán)試驗(yàn)樣機(jī)方案。基于本文提出的方案所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)樣機(jī)，能夠在拖曳水池試驗(yàn)中驗(yàn)證穿浪雙體船縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理的正確性和有效性，為實(shí)船上應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 樣機(jī)總體方案

試驗(yàn)樣機(jī)由船模姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和伺服機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成，見圖 1。在進(jìn)行拖曳水池試驗(yàn)時(shí)，DSP控制器根據(jù)船模姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量得到的船模縱向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，結(jié)合相應(yīng)的控制算法計(jì)算得出前T型水翼和艉部壓浪板的控制信號(hào)，通過串口通訊方式將控制指令傳達(dá)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(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到消減縱向運(yùn)動(dòng)的目的。在進(jìn)行拖曳水池試驗(yàn)前，模擬調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)主要用于對(duì)本樣機(jī)靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)主要對(duì)試驗(yàn)時(shí)控制指令和實(shí)時(shí)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行采集、顯示和存儲(chǔ)記錄，方便試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和結(jié)果的記錄。根據(jù)試驗(yàn)總體方案，提出樣機(jī)總體技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 樣機(jī)總體技術(shù)指標(biāo)

2 樣機(jī)實(shí)現(xiàn)功能

為了能夠通過拖曳水池試驗(yàn)驗(yàn)證縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理正確性和有效性，本文所設(shè)計(jì)的樣機(jī)需要實(shí)現(xiàn)以下功能。

1） 樣機(jī)能實(shí)時(shí)測(cè)量船模的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)（縱搖角、縱搖角速率、垂蕩加速度等），通過實(shí)時(shí)計(jì)算，實(shí)時(shí)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(gè)）運(yùn)動(dòng)，從而減少船?？v向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

2）樣機(jī)支持水池試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，控制參數(shù)設(shè)計(jì)滿足一定范圍內(nèi)輸入?yún)?shù)變化和模型誤差，關(guān)鍵參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)可進(jìn)行方便調(diào)節(jié)。

3）樣機(jī)另配置PC機(jī)及記錄分析軟件，可實(shí)時(shí)接收、記錄、分析、顯示（數(shù)據(jù)及曲線）樣機(jī)傳輸?shù)淖藨B(tài)、控制指令及執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置信息，用于水池試驗(yàn)、調(diào)試期間數(shù)據(jù)記錄和分析。

4）樣機(jī)配置輔助器材具有電源轉(zhuǎn)換功能，能夠?yàn)樗貥訖C(jī)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(jī)各組成部分方便、緊固安裝在船模上。

3 樣機(jī)方案設(shè)計(jì)

3.1 船模姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船模姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主要用于測(cè)量船模縱向運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。根據(jù)樣機(jī)功能需求，所選用的傳感器要求能夠直接測(cè)量船模的縱搖角、縱搖角速率、垂蕩加速度等信息，以提高測(cè)量信息的實(shí)時(shí)性，避免累計(jì)誤差。通過對(duì)目標(biāo)船模進(jìn)行耐波性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文提出船模姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表 2所示。

表2 船模姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

3.2 控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括DSP控制器、模擬單片機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)。DSP控制器采集船模姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)所得到的姿態(tài)信息，基于一定的控制算法，計(jì)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(jī)構(gòu)集中控制器，另一方面采集伺服機(jī)構(gòu)集中控制器反饋信息，傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于 LabVIEW 平臺(tái)編寫數(shù)據(jù)記錄分析軟件，包含系統(tǒng)總體界面，后臺(tái)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(jī)構(gòu)狀態(tài)顯示和存儲(chǔ)模塊等，圖2為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)暫定界面，主要需實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示功能

實(shí)時(shí)顯示船?？v搖角、角速率、垂向加速度，控制算法對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)角度輸出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)列表形式和曲線形式實(shí)時(shí)顯示上述數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)記錄功能

記錄各個(gè)通道的數(shù)據(jù)，記錄周期應(yīng)能達(dá)到20 ms。能夠記錄船模各次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，便于統(tǒng)計(jì)分析。

3）曲線顯示功能

應(yīng)能夠在同一時(shí)間坐標(biāo)下同時(shí)對(duì)應(yīng)顯示各個(gè)參數(shù)的大小，變化規(guī)律和對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)暫定界面

模擬單片機(jī)系統(tǒng)主要用于整個(gè)水池樣機(jī)陸上模擬調(diào)試和控制算法的驗(yàn)證。通過模擬單片機(jī)系統(tǒng)，模擬海浪及船?？v向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)。單片機(jī)模擬船模姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式輸出，數(shù)據(jù)輸出可以實(shí)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)輸出。

3.3 伺服系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過前T型水翼和艉部壓浪板伺服系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

由于是在很小的船模上進(jìn)行試驗(yàn)，因此對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(fù)擔(dān)，應(yīng)能夠通過調(diào)節(jié)壓載物體的重量，試驗(yàn)出輕載和滿載等各種不同狀態(tài)的調(diào)節(jié)效果。

2）動(dòng)作要靈敏準(zhǔn)確，調(diào)節(jié)精度高。

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

根據(jù)試驗(yàn)總體方案和以上要求，提出伺服系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的技術(shù)指標(biāo)要求，見表3。

伺服控制系統(tǒng)由 DSP控制器構(gòu)成的伺服機(jī)構(gòu)集中控制器構(gòu)成，該控制器由串行口獲得DSP控制器的計(jì)算結(jié)果，控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)到給定角度。同時(shí)通過安裝在伺服電機(jī)上的檢測(cè)元件，檢測(cè)T型水翼和艉壓浪板的實(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)記錄。

表3 伺服系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用直流無(wú)框架電機(jī)、滾珠絲桿、傳動(dòng)桿直接驅(qū)動(dòng)T型水翼和尾壓浪板轉(zhuǎn)動(dòng)的方案如圖3所示。由于T型水翼與尾壓浪板傳動(dòng)方案類似，下面以T型水翼為例說明本文提出方案的傳動(dòng)過程。

圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案

直流無(wú)框架電機(jī)通過帶動(dòng)垂直方向的滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)，滾珠絲桿帶動(dòng)伸縮桿與之連接的一端垂直運(yùn)動(dòng)，使得伸縮桿繞與T型水翼主軸固連的一端轉(zhuǎn)動(dòng)，伸縮桿通過伸縮來(lái)調(diào)節(jié)其長(zhǎng)度，以達(dá)到T型水翼角度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。

T型水翼機(jī)械傳動(dòng)裝置由直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(guān)系如圖4所示。其中，固定尾翼和垂直尾翼相對(duì)固連?；顒?dòng)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(qiáng)，減少運(yùn)動(dòng)間隙，提高精度和剛度。

4 結(jié)論

本文提出了穿浪雙體船縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)水池樣機(jī)研制方案。根據(jù)樣機(jī)總體技術(shù)方案和需要實(shí)現(xiàn)的功能分別提出了系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)方案，給出了樣機(jī)總體技術(shù)指標(biāo)、船模姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)和伺服系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)。并給出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能要求和初步設(shè)計(jì)方案。根據(jù)本文所提出方案，為后期樣機(jī)研制中船模姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)、控制器設(shè)計(jì)和伺服系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件選型提供技術(shù)支撐，并可通過在拖曳水池試驗(yàn)中驗(yàn)證穿浪雙體船縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理的正確性和有效性。

圖4 T型水翼傳動(dòng)關(guān)系

[1]趙連恩, 謝永和. 高性能船舶原理與設(shè)計(jì)[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2009: 61~100.

[2]Tingqiu L. Computation of Turbulent Free-Surface Flows Around Modern Ships[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 2003, 4(43):407-430.

[3]鄭杰, 謝偉 , 李慧敏. 三維流體動(dòng)力方法計(jì)算穿浪雙體船的船體響應(yīng)[J]. 中國(guó)艦船研究, 2011,6(2): 29-34.

[4]李為, 黃昊, 繆國(guó)平等. 船舶減縱搖方法研究[J].海洋工程, 2009, 27(3): 1-5.

[5]蔡新功, 李積德, 劉亞東等. 加裝減縱搖組合附體艦船運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展（A 輯）,2003, 18(2): 148-155.

[6]Y. S. Wu, Q. J. Ni, W. Z. Ge. Advancesin Technology of High Performance Ships in China[J]. Journal of Ship Mechanics, 2008, 12(6):1014-1031.

[7]左文鏘, 董文才, 夏翔等. 艉擾流板對(duì)穿浪雙體船阻力影響的試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)艦船研究, 2006,1(4): 52-55.