船舶减摇水舱试验装置理论及试验研究
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摘要
本文是结合国家“211”工程重点投资建设项目“船舶减摇水舱试验装置”的研制工作进行的，对船舶减摇水舱试验装置的设计和实现及相关的理论问题进行了深入分析和研究。
船舶减摇水舱试验装置是一专用综合系统，目前在国内还没有如此功能规模的试验装置。为了更方便地试验减摇水舱性能，作者设计了两自由度减摇水舱试验台架。该试验台架能够模拟船舶的横摇运动和横荡运动，试验台架的转动惯量、阻尼力矩和恢复力矩可调。海浪作用于船舶的横摇力矩和横荡力分别由两套电液伺服系统模拟。两套电液伺服系统均使用流量电液伺服阀(采用外供油方式)，其中模拟横摇力矩的伺服系统采用齿轮齿条摆动液压油缸，配有扭矩传感器，模拟横荡力的伺服系统采用双出杆液压油缸，配有一个位移传感器。
为了能更好的模拟海浪作用于船舶的横摇力矩和横荡力，选取了电液伺服阀、齿轮齿条摆动液压油缸、双出杆油缸、位移传感器和扭矩传感器的型号，建立了电液力矩伺服系统和位置伺服系统的传递函数模型，求取了系统参数，并对系统进行了仿真研究。另外，作者建立了减摇水舱的数学模型，对“船舶—水舱”系统方程进行了求解和仿真，同时还研究了极点配置、PID控制、神经网络PID控制在所设计的电液力矩伺服系统中的应用，仿真结果表明几种控制策略是有效的。
考虑到系统的可实现性，利用了增量式数字PID控制器，设计了电源板、伺服放大板和信号调理板，对硬件电路和传感器进行了标检和调试。实际运行结果良好。
针对试验台架设计了以微机为中心的监督控制系统，该系统可以实时输出代表规则波和不规则波海浪作用于船舶的横摇力矩和横荡力的电压信号。另外，系统可以对传感器检测的试验数据进行采集和分析，并在屏幕上动态实时地产生试验结果。
最后论文作者利用所设计的水舱试验台架对规则波作用下的船舶横摇、横荡运行和不规则波下的横摇运动进行了试验，并对被动式减摇水舱模型的减摇性能进行了试验研究。试验验证了被动式减摇水舱的减摇机理，为将来实船装备减摇水舱提供了试验数据。
该套试验装置于2001年6月顺利地通过了国家“211”工程验收。
The paper is based on the project "Anti-rolling tank test equipments on the ship" among the country "211" key invested projects. The design and realization of examination equipment and related theoretical questions are analyzed and further discussed.
The examination equipment of anti-rolling tank on the ship is a kind of specially complex system. So far the country has no test equipments in a large scale. To test the performance of anti-rolling tank more conveniently, the paper sets up the test platform of two freedoms. The platform can analog rolling and swaying motion of ships. The moment of inertia, damping and restoring force can be adjusted. Two electro-hydraulic servo systems analog rolling moment and swaying force of wave respectively. The two systems both use electro-hydraulic servo valves, in which the analog rolling moment system adopts gear-rack swing hydraulic-pressure oil vat with torque sensor, while the analog swaying force system employs double shanks hydraulic-pressure oil vat with a placement sensor.
Models of electro-hydraulic servo valve, gear-rack swing hydraulic-pressure oil vat, double shanks hydraulic-pressure oil vat, placement sensor and torque sensor are selected in order to analog the rolling moment and swaying force more accurately. Transfer functions of electro-hydraulic moment servo system and placement servo system are presented and the system parameters are gained. In addition, the mathematical model of anti-rolling tank is set up and system equation of "Ship-Tank" is explained and simulated. At the same time, the application of pole configuration, PID control and nerve network PID control in the electro-hydraulic servo system is developed. The simulation results show that some control strategies are in effect.
Considering the realization of the system, the paper adopts incremental mathematical PID controller and manufactures the power board, servo amplified board and signal processing board. And the hardware circuit and sensors are checked and debugged. The run is very good.
According to the test platform, the monitoring control system based on computers is designed, which can output voltage signals of rolling moment and swaying force that regular wave and irregular wave
press on ships. The system also gathers and analyzes test data from the sensors. The test results appear on the screen in real time.
The paper goes on test on rolling and swaying motion by regular waves and rolling by irregular waves, and investigates the anti-rolling performance of passive anti-rolling tank. The test validates the anti-rolling principle of passive anti-rolling tank and provides test data for designing and installing anti-rolling tank on ships in the future.
The set of equipment is permitted by the country "211" projects in June, 2001.
船舶减摇水舱试验装置是一专用综合系统，目前在国内还没有如此功能规模的试验装置。为了更方便地试验减摇水舱性能，作者设计了两自由度减摇水舱试验台架。该试验台架能够模拟船舶的横摇运动和横荡运动，试验台架的转动惯量、阻尼力矩和恢复力矩可调。海浪作用于船舶的横摇力矩和横荡力分别由两套电液伺服系统模拟。两套电液伺服系统均使用流量电液伺服阀(采用外供油方式)，其中模拟横摇力矩的伺服系统采用齿轮齿条摆动液压油缸，配有扭矩传感器，模拟横荡力的伺服系统采用双出杆液压油缸，配有一个位移传感器。
为了能更好的模拟海浪作用于船舶的横摇力矩和横荡力，选取了电液伺服阀、齿轮齿条摆动液压油缸、双出杆油缸、位移传感器和扭矩传感器的型号，建立了电液力矩伺服系统和位置伺服系统的传递函数模型，求取了系统参数，并对系统进行了仿真研究。另外，作者建立了减摇水舱的数学模型，对“船舶—水舱”系统方程进行了求解和仿真，同时还研究了极点配置、PID控制、神经网络PID控制在所设计的电液力矩伺服系统中的应用，仿真结果表明几种控制策略是有效的。
考虑到系统的可实现性，利用了增量式数字PID控制器，设计了电源板、伺服放大板和信号调理板，对硬件电路和传感器进行了标检和调试。实际运行结果良好。
针对试验台架设计了以微机为中心的监督控制系统，该系统可以实时输出代表规则波和不规则波海浪作用于船舶的横摇力矩和横荡力的电压信号。另外，系统可以对传感器检测的试验数据进行采集和分析，并在屏幕上动态实时地产生试验结果。
最后论文作者利用所设计的水舱试验台架对规则波作用下的船舶横摇、横荡运行和不规则波下的横摇运动进行了试验，并对被动式减摇水舱模型的减摇性能进行了试验研究。试验验证了被动式减摇水舱的减摇机理，为将来实船装备减摇水舱提供了试验数据。
该套试验装置于2001年6月顺利地通过了国家“211”工程验收。
The paper is based on the project "Anti-rolling tank test equipments on the ship" among the country "211" key invested projects. The design and realization of examination equipment and related theoretical questions are analyzed and further discussed.
The examination equipment of anti-rolling tank on the ship is a kind of specially complex system. So far the country has no test equipments in a large scale. To test the performance of anti-rolling tank more conveniently, the paper sets up the test platform of two freedoms. The platform can analog rolling and swaying motion of ships. The moment of inertia, damping and restoring force can be adjusted. Two electro-hydraulic servo systems analog rolling moment and swaying force of wave respectively. The two systems both use electro-hydraulic servo valves, in which the analog rolling moment system adopts gear-rack swing hydraulic-pressure oil vat with torque sensor, while the analog swaying force system employs double shanks hydraulic-pressure oil vat with a placement sensor.
Models of electro-hydraulic servo valve, gear-rack swing hydraulic-pressure oil vat, double shanks hydraulic-pressure oil vat, placement sensor and torque sensor are selected in order to analog the rolling moment and swaying force more accurately. Transfer functions of electro-hydraulic moment servo system and placement servo system are presented and the system parameters are gained. In addition, the mathematical model of anti-rolling tank is set up and system equation of "Ship-Tank" is explained and simulated. At the same time, the application of pole configuration, PID control and nerve network PID control in the electro-hydraulic servo system is developed. The simulation results show that some control strategies are in effect.
Considering the realization of the system, the paper adopts incremental mathematical PID controller and manufactures the power board, servo amplified board and signal processing board. And the hardware circuit and sensors are checked and debugged. The run is very good.
According to the test platform, the monitoring control system based on computers is designed, which can output voltage signals of rolling moment and swaying force that regular wave and irregular wave
press on ships. The system also gathers and analyzes test data from the sensors. The test results appear on the screen in real time.
The paper goes on test on rolling and swaying motion by regular waves and rolling by irregular waves, and investigates the anti-rolling performance of passive anti-rolling tank. The test validates the anti-rolling principle of passive anti-rolling tank and provides test data for designing and installing anti-rolling tank on ships in the future.
The set of equipment is permitted by the country "211" projects in June, 2001.
引文
[1]陶尧森．船舶耐波性．上海交通大学出版社．1985
[2]金鸿章，李国斌．船舶特种装置控制系统．国防工业出版社．1995
[3]金鸿章．船舶控制和特种装置控制系统．哈尔滨船舶工程学院教材．1993
[4]王占林．近代液压控制．机械工业出版社．1997
[5]李福义．液压技术与液压伺服系统．哈尔滨工程大学出版社．1992
[6]李友善．自动控制原理．国防工业出版社．1990
[7]赵国良．自适应控制技术与应用．人民交通出版社．1991
[8]孙增圻．计算机控制理论及应用．清华大学出版社．1989
[9]郑大钟．线性系统理论．清华大学出版社．1990
[10]陶尧森等．减摇水舱的研究与进展．中国造船增刊—船舶耐波性专辑．1991：313～323页
[11]A．H．霍洛季林，A．H．什梅列夫．船舶耐波性和在波浪上的稳定措施．国防工业出版社．1980
[12]金鸿章译．海军船舶横摇减摇的水动力设计基础．原载SNAME Transactions．1977(85)：51～88P
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[19]造船文摘．1995～1999数据库：1页
[20]军民两用技术与产品2001年第四期．舰艇：1页
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