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(xiàn)橫搖，這些橫搖會對船舶的正常行駛以及船艙內(nèi)人員的舒適度造成影響。針對這些橫搖，人們設(shè)計出一系列優(yōu)化措施，舭龍骨、減搖水艙、減搖鰭等一系列減搖裝置應(yīng)運而生[1]。其中，減搖鰭是設(shè)計較為成功且應(yīng)用較為廣泛的裝置，其發(fā)展可以追溯到 20世紀80年代。減搖鰭發(fā)展至今，已經(jīng)演變成一種將液壓系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)相結(jié)合的裝置[2]。本文針對減搖鰭的自動化控制系統(tǒng)，進行一種系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[3]。

1 船舶橫搖模型

船身在多種因素的共同作用下會產(chǎn)生橫搖，其中外部因素包括風力和水面沖擊力等；而內(nèi)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(shù)；Z為螺旋槳葉數(shù)；N為螺旋槳轉(zhuǎn)速，rad/s。

螺旋槳轉(zhuǎn)動時產(chǎn)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(shù)；kα為根據(jù)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(shù)；kd為葉梢間隙比系數(shù)；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(shù)的系數(shù)確定。

2 系統(tǒng)優(yōu)化傳遞函數(shù)計算

計算橫搖角對于波傾角的傳遞函數(shù)，先運用杜埃爾公式來計算橫搖轉(zhuǎn)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(shù)為：

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

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，船舶橫搖角φ對于波傾角α的傳遞函數(shù)為：

該傳遞函數(shù)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(shù)由傾角傳感器測得，并根據(jù)該函數(shù)得出相應(yīng)輸出波傾角的值。根據(jù)波傾角調(diào)節(jié)減搖鰭電機，以給定角±20°由空載啟動的響應(yīng)輸出曲線見圖 1，整個系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)，并由傳遞函數(shù)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(yīng)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(yīng)的波傾角數(shù)據(jù)對電機進行控制，電機接收控制信號迅速響應(yīng)，上升時間小于2 s，且運動過程中較穩(wěn)定，產(chǎn)生的誤差較小。

經(jīng)過優(yōu)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(xiàn)有害振動和橫搖時，減搖系統(tǒng)的響應(yīng)速度會得到提升，響應(yīng)的精準程度會相應(yīng)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(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

3.1 減搖鰭的伺服驅(qū)動系統(tǒng)

減搖鰭裝置的硬件原理框圖見圖 2，電路的接口類型為RS232?？刂茊卧雀鶕?jù)給定的橫搖參數(shù)計算傳遞函數(shù)，再將優(yōu)化后的輸出值輸入電路。硬件電路包括位置調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器和逆變器，這些裝置串聯(lián)到減搖鰭的電機上；外圍電路并聯(lián)有電流傳感器、速度檢測裝置和位置檢測裝置，用于監(jiān)測設(shè)備工作時的各項參數(shù)。

圖2 伺服電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)果驗證了該優(yōu)化設(shè)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(tǒng)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(tǒng)具有自動調(diào)節(jié)功能，可靠性和響應(yīng)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(jié)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(jù)橫搖角計算公式所計算出的橫搖角數(shù)值越大，則船體的傾搖幅度越大。通過對船體減搖控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制函數(shù)進行分析和優(yōu)化，能夠縮減傾角傳感器檢測信號至控制器作出響應(yīng)的時間，從而達到降低船舶橫搖幅值的目的。