蒙蒙科大碩學(xué)論文nomputrinttionmodul.Mnhil,nddoptsthetrvlvendvlveontoltthesmetim.Compdiththeonvntionlontolmod,itismoeetiveinontollingtheoutputontoldbak,sothetrtnkhsabttrntisayetinthepctilpplition.inll,thepprivessultstrxpimntlbnhtstofthentiollingtank.Thesultsshowthtthetrtnkndontolthoyhsrtindmpingectonthesimutionofthev,ndthispprhsthevitlsiniianeorthestudyondmpingontolthoynddsignofxpimntlbnh.eyWods:Tstbnh;PLControl;Antirollingtan;ShiprollIII目 錄摘 要........................................................................................................................IAbstract.......................................................................................................................I1.緒論.............................................................................................................................11.1課題的理論意義與應(yīng)用價(jià)值.........................................................................11.1.1橫搖的危害.........................................................................................21.1.2橫搖的標(biāo)準(zhǔn)...........................................................................................2為了能讓船舶在海上安全的行駛，人們提出了一些標(biāo)準(zhǔn)：....................21.2國內(nèi)外減搖技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀..........................................................................31.2.1船舶減搖方式概述.............................................................................31.2.2減搖水艙發(fā)展概.................................................................................51.3減搖水艙控制裝置概述.................................................................................91.3.1常見減搖控制裝置.............................................................................91.4本文研究的主要內(nèi)容...................................................................................12減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)..............................................................................132.1引言...............................................................................................................132.2船舶減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)架的原理...................................................................132.2.1試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)成...................................................................................142.3試驗(yàn)臺(tái)架硬件的選取...................................................................................152.4船舶減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)方案...............................................................152.4.1設(shè)備組成表.......................................................................................162.4.2減搖水艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)...........................................................................172.4.3設(shè)計(jì)準(zhǔn)則...........................................................................................182.4.4減搖水艙設(shè)計(jì)過程...........................................................................202.5設(shè)備的外觀示意圖......................................................................................232.6本章小結(jié).......................................................................................................233船舶減搖水艙減搖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)..........................................................................243.1國外減搖水艙控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀...........................................................243.2系統(tǒng)硬件的選取...........................................................................................253.2.1主控制器系統(tǒng)構(gòu)成...........................................................................2513.2.2水艙控制系統(tǒng)構(gòu)成..........................................................................273.3人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)...................................................................................293.4主控制系統(tǒng)連接圖.......................................................................................313.5本章小結(jié).......................................................................................................324減搖自動(dòng)控制算法的研究與設(shè)計(jì)..........................................................................334.1減搖水艙減搖介紹.......................................................................................334.1.1被動(dòng)式減搖水艙減搖原理...............................................................334.1.2可控被動(dòng)式減搖水艙減搖原理.......................................................344.2控制輸入的選取..........................................................................................364.2.1以船舶的橫搖角度作為控制輸入...................................................364.2.2以船舶的橫搖角速度作為控制輸入..............................................364.2.3以邊艙液位作為控制輸入................................................................374.3海浪模型.......................................................................................................374.3.1簡單波...............................................................................................374.3.2海浪譜...............................................................................................374.3.3海浪及波傾角仿真...........................................................................394.4減搖控制算法的研究...................................................................................414.4.1總關(guān)閥時(shí)間確定...............................................................................414.4.2開關(guān)閥時(shí)刻確定...............................................................................414.5減搖自動(dòng)控制算法的設(shè)計(jì)...........................................................................424.6減搖效果的評定...........................................................................................444.7本章小結(jié).......................................................................................................475軟件編程與調(diào)試.......................................................................................................485.1PLC-200編程軟件介紹 485.2觸摸屏、PLC、陀螺儀的通訊方式 485.2.1觸摸屏與PLC的通訊 485.3陀螺儀在編程中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化處理...............................................................495.4軟件調(diào)試.......................................................................................................505.5本章小結(jié).......................................................................................................516實(shí)驗(yàn)分析及系統(tǒng)應(yīng)用..............................................................................................526.1自動(dòng)控制算法測試.......................................................................................5226.1.1試驗(yàn)前檢查.......................................................................................526.1.2單獨(dú)氣閥控制檢測...........................................................................536.1.3氣閥與水閥同時(shí)控制檢測...............................................................546.1.4減搖效果計(jì)算...................................................................................556.2現(xiàn)場問題總結(jié)...............................................................................................55結(jié)論..............................................................................................................................56參考文獻(xiàn)......................................................................................................................57致 謝......................................................................................................................6031緒論1.1課題的理論意義與應(yīng)用價(jià)值船舶獨(dú)自在極其惡劣的海面上航行時(shí)海浪洋流等都會(huì)對船舶運(yùn)動(dòng)造成影響這樣就會(huì)使船舶發(fā)生大幅度搖擺船舶會(huì)不受控制的劇烈運(yùn)動(dòng)這是因?yàn)榇w本身進(jìn)行橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻尼較小無法產(chǎn)生一個(gè)抵抗船體橫搖的力矩如果此時(shí)船舶自身振動(dòng)與海浪的頻率和相位都相同的時(shí)候，船舶就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象使得船舶產(chǎn)生大幅度搖擺這樣一來不僅使船舶不能正常航行而且還會(huì)對船舶上的設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞給船上所裝載的貨物和操作人員帶來較大的安全隱患對船舶本身安全性非常不利為此很多船體設(shè)計(jì)員結(jié)合相關(guān)控制理論和試驗(yàn)研究并作了很大的努力不斷地設(shè)計(jì)出了各種各樣的減搖裝置來減少這種現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率，從而有效地加強(qiáng)船舶的減搖性能，使得船舶航行更加的安全，同時(shí)保證了人們在船上的舒適性、平穩(wěn)性能[。在當(dāng)前市面上來看具有一定減搖效果的裝置有很多種而且現(xiàn)在出現(xiàn)的大多數(shù)減搖裝置中不管是在船體結(jié)構(gòu)方面還是控制原理方面都有很大的不同這些減搖裝置都是通過增加額外的力矩來抵抗船舶向上的運(yùn)動(dòng)而起到減少船舶橫搖的目的而在這些裝置當(dāng)中減搖水艙減搖鰭和舭龍骨等應(yīng)用較為廣泛減搖鰭是其中運(yùn)用較為廣泛的減搖裝置但是它的減搖程度的高低是與船舶的航行速度成正比關(guān)系的也可以說只有在船舶航行速度較高時(shí)或者達(dá)到某一定值時(shí)船舶才會(huì)有明顯的減搖效果此外減搖鰭裝置的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜制造成本和維修成本也很高但是減搖水艙可以在一定程度上克服減搖鰭存在的這些問題它可以在多航速的情況下起到一定的減搖效果而且結(jié)構(gòu)相對簡單造價(jià)低等特點(diǎn)使得人們更容易接受在現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展下人們不斷的改進(jìn)和深入的研究使得減搖水艙的性能更能給我們帶來舒適性和安全性。由于被動(dòng)式減搖水艙和減搖鰭存在上述的一些問題人們開發(fā)出了可控被動(dòng)式減搖水艙它集合了兩者的優(yōu)點(diǎn)即在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中所需要消耗的功率在減搖鰭的基礎(chǔ)上降低了50在裝置結(jié)構(gòu)本身的減搖效果上也比被動(dòng)式減搖水艙效果更加明顯近些年來這些減搖設(shè)備在國外和國內(nèi)都有了更為明顯的發(fā)展人們不斷的研究也應(yīng)運(yùn)而生了多種控制方式本課題主要是對可控被動(dòng)式減搖水艙進(jìn)行設(shè)計(jì)并將這些理論與實(shí)際相結(jié)合為裝備實(shí)船提供依據(jù)為后續(xù)的發(fā)展提供更好的理論意義與工程價(jià)值。1 11.1.1橫搖的危害船舶在波浪上的橫搖將會(huì)讓船體變得不穩(wěn)定裝載的貨物會(huì)隨著船體劇烈晃動(dòng)發(fā)生平移這時(shí)整個(gè)船體受力方向會(huì)發(fā)生變化船體會(huì)往某個(gè)方向不同程度的傾斜嚴(yán)重的時(shí)候翻船都有可能發(fā)生如果這種現(xiàn)象發(fā)生在航行中的船舶上有可能會(huì)因?yàn)閺?qiáng)大的壓力對船頭底部造成結(jié)構(gòu)性的破壞船體瞬間發(fā)生大幅度傾斜使得海浪沖進(jìn)機(jī)艙室影響到正在運(yùn)行的各種設(shè)備同時(shí)艙內(nèi)大量進(jìn)水導(dǎo)致船員不能及時(shí)的處理設(shè)備出現(xiàn)的問題船體大幅度搖晃使得船員發(fā)生暈船并帶有嘔吐等生理狀況這將嚴(yán)重的影響船員的工作效率和船體的工作性能在一些軍艦上的發(fā)生這些狀況會(huì)大大降低整只軍艦的戰(zhàn)斗能力因?yàn)閻毫雍r使得船舶發(fā)生劇烈搖蕩而引起慘烈的海難事故這樣的事時(shí)有發(fā)生這是人們都不希望遇到的人們在想各種辦法減小船舶橫搖以最大程度降低損失。例如：美國的一艘“中途島”號(hào)航母就曾因?yàn)榇w在海浪中發(fā)生過度橫搖，使得十二架飛機(jī)墜毀一艘5000TEU的集裝箱船也因?yàn)楹＠税l(fā)生巨大的搖擺使得超過400只裝有貨物的集裝箱墜入大海，也為船舶造成超過5000多萬美元的損失在許多惡劣的環(huán)境中由于船舶的大幅度搖擺使得船舶舵機(jī)失靈電纜燒毀、燃油泄漏甚至引起火災(zāi)等造成的后果尤為嚴(yán)重。橫搖的標(biāo)準(zhǔn)為了能讓船舶在海上安全的行駛，人們提出了一些標(biāo)準(zhǔn)：1.為了能在海浪中將救生艇安全的釋放到水面上，需要橫搖幅值小于15o。2.席雷謝耐和華渥斯特等提出了人員對船體橫搖的抵抗程度認(rèn)為橫搖角應(yīng)小于10o；而橫搖周期應(yīng)大于5s～6s。3.為了能讓船舶雷達(dá)可以再海浪中正常的使用在英國的交管部門要求民船中的雷達(dá)天線所抵抗的橫搖角應(yīng)大于100。4.列維松認(rèn)為要保證拖網(wǎng)漁船等的專業(yè)設(shè)備能正常行駛其船舶的橫搖幅值應(yīng)小于10o。5.要使艦載機(jī)可以安全的降落在艦艇上[2]日本的崛元美認(rèn)為航空母艦的橫搖幅值應(yīng)小于6o。2 21.2國內(nèi)外減搖技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀1.2.1船舶減搖方式概述當(dāng)引起船舶橫搖的側(cè)傾力消失后船舶自身可以恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)的能力我們稱之為船舶的穩(wěn)定性穩(wěn)定性好的船舶抵抗側(cè)傾的能力就比較大在海面上遇到較大風(fēng)浪后若船體向右傾（我們把船舶看成一個(gè)整體即船體重心不發(fā)生改變那么船體左側(cè)就會(huì)有一部分露出水面右側(cè)就有相同部分的船體進(jìn)入水中，海面對船體產(chǎn)生的浮心就會(huì)向右移動(dòng)在這種情況下如果船體結(jié)構(gòu)比較寬重心又比較低那么浮心向右移動(dòng)的距離就會(huì)比較大浮力的作用線移到重心的右邊，就會(huì)形成使船舶恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)的恢復(fù)力矩相反當(dāng)船體的結(jié)構(gòu)較窄或者說重心較高時(shí)在船舶橫搖時(shí)船體的浮力作用線偏移的距離就會(huì)小于船體重心偏移的距離這樣浮力產(chǎn)生的力矩對船舶恢復(fù)不會(huì)起到很好的作用有時(shí)甚至加劇船舶的橫搖。如圖1.1所示為了保證船舶具有更好的平穩(wěn)性應(yīng)盡可能降低船舶的重心位置并增加船體的寬度從圖中可以看到船體的中心線同浮力的作用線相交于M點(diǎn)。M點(diǎn)為穩(wěn)心。穩(wěn)心到重心之間在船體中心線方向的距離叫做初穩(wěn)心高，當(dāng)穩(wěn)心的位置高于重心時(shí)船舶是穩(wěn)定的，當(dāng)穩(wěn)心的位置低于重心時(shí)船舶是不穩(wěn)定的通常情況下船舶在側(cè)傾10o～150時(shí)穩(wěn)心的高度會(huì)有零點(diǎn)幾米到幾米的變化。圖1.1舶性意圖（1）增大阻尼系數(shù)3 3這種做法稱為“阻尼穩(wěn)定”。由于阻尼本身就對船舶增加了一定的約束力，所以無論船舶運(yùn)行在的什么情況下對減搖都具有一定的效果尤其在諧搖區(qū)較為顯著[6]。如舭龍骨，如圖1.2所示。圖1.2龍示圖（2）減小船舶固有頻率改變船舶的固有頻率使船舶避開波浪的擾動(dòng)頻率范圍并在正確的方向上改變遭遇頻率這是一個(gè)行之有效的方式然而在實(shí)際海域當(dāng)中海浪的頻率是多種多樣的只是通過改變船舶的固有頻率的方法已經(jīng)不可用因?yàn)樵诖霸O(shè)計(jì)初期就要考慮這些因素讓船舶的設(shè)計(jì)周期避開該船舶經(jīng)常服務(wù)海域的波浪周期，船體一旦建好，頻率就不能改變了。（3）直接減小擾動(dòng)力或力矩我們稱這種通過直接減小擾動(dòng)力或力矩的方式“平衡穩(wěn)定理論上它可以適應(yīng)多種橫搖運(yùn)動(dòng)可通過增加一個(gè)與船舶橫搖力矩相反的穩(wěn)定力矩達(dá)到減小橫搖的目的。如陀螺儀減搖裝置（圖1.3）。圖1.3螺搖置4 41.2.2減搖水艙發(fā)展概水艙隨后發(fā)展的一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里，人們不斷地探索和試驗(yàn)在本世紀(jì)初期已經(jīng)開發(fā)出多種行之有效的減搖裝置，并形成了一套較為完善的理論[3]。（1）國外減搖水艙發(fā)展情況概述圖1.4U減水艙大約在二十世紀(jì)初期后這一階段的標(biāo)志是由德國人佛拉姆提出的被動(dòng)式U型槽式減搖水艙經(jīng)過人們的不斷改進(jìn)后它已經(jīng)成為一個(gè)較為常用的船舶減搖裝置其結(jié)構(gòu)如圖1.4所示在上部連通空氣通道來調(diào)整合適的水箱阻尼大量的水在船舶橫搖作用下在水艙內(nèi)左右流動(dòng)在水艙內(nèi)由液體的重量和慣性效應(yīng)而產(chǎn)圖1.5型艙生穩(wěn)定的減搖效果，由此起到減少船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的作用[4]。由于被動(dòng)式減搖水艙對波頻率減搖效果的范圍有限，1934年后人們開發(fā)出主動(dòng)式U型減搖水艙，它是在左右邊艙中間加入了動(dòng)力裝置-水泵，通過對水泵的控制它可以使船舶周期性的擾動(dòng)力矩與水艙內(nèi)液體的流動(dòng)成180o的相位差，從而可以使水艙在波浪頻率變化較大時(shí)也具有很好的減搖效果[5]但是在幾秒鐘內(nèi)將幾十噸的水從水艙左邊轉(zhuǎn)移到右邊這樣需要消耗大量的功率并影響電機(jī)5 5的壽命，經(jīng)濟(jì)性較差，不能被廣泛使用[6]。20世紀(jì)60年代末，由于美國船舶局將經(jīng)過改良后的平面槽式減搖水艙裝配在海洋考察船和導(dǎo)彈跟蹤船上并在船上發(fā)揮出了良好的減搖效果。1950年后，人們開始重新審視平面槽型減搖水艙機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用價(jià)值并對被動(dòng)式減搖水艙進(jìn)行更深入的研究這是水艙發(fā)展的第二階段[7]。如圖1.5所示。它采用自由液面較大的水槽把左舷與右舷水圖1.6海-朗控動(dòng)搖艙艙連接起來為了得到穩(wěn)定的力矩通過適當(dāng)?shù)乃撍詈退鄢叽鐏頊p少船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)效果比較明顯并將它們成功的運(yùn)用到實(shí)船中平面槽式水艙得到了很滿意的效果。基于人們對上述兩種水艙優(yōu)缺點(diǎn)的綜合考慮并伴隨著人們對減搖技術(shù)的深入研究及減搖要求的不斷提高人們提出了可控被動(dòng)式減搖水艙的結(jié)構(gòu)它可以利用少量能量來控制水艙之間的閥門，來擴(kuò)寬船舶的減搖范圍。如1.6圖所示，該圖為英國的繆海德—布朗公司研制成功的水道控制的可控被動(dòng)式減搖水艙通過控制安裝在水艙底部閥門的開關(guān)來改變水艙內(nèi)水的流動(dòng)這種結(jié)構(gòu)的水艙對減圖1.7控動(dòng)搖艙氣控）6 6搖有非常好的效果[8]。它的驅(qū)動(dòng)泵所需要的功率大約為減搖鰭的50%，尤其是船舶在航速較低時(shí)的減搖效果比被動(dòng)式減搖水艙更加明顯。許多其它國家也對可控被動(dòng)式減搖水艙進(jìn)行了更深入的研究他們也是運(yùn)用控制水流的方式實(shí)現(xiàn)減搖的目的但不是運(yùn)用水泵而是在兩邊艙的上部中間的空氣通道內(nèi)安裝了一個(gè)氣閥如果水艙內(nèi)氣體不能流通就會(huì)影響左右邊艙內(nèi)液體的流動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖1.7.當(dāng)船舶橫搖的周期大于水艙內(nèi)水流橫搖的周期，我們就通過控制水艙間的氣閥的開啟與關(guān)閉來適應(yīng)變化的外界環(huán)境即運(yùn)用氣閥控制來延長水艙橫搖的周期以可以適應(yīng)更寬的波浪范圍并且不需要消耗太大的能量[9～14]。（2）國內(nèi)減搖水艙發(fā)展情況概述我國在早期時(shí)間就已經(jīng)對減搖水艙有一定的研究但是直到六十年代后才對被動(dòng)式減搖水艙設(shè)計(jì)有所突破。1964年上海交大船舶流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室與上海造船廠合作并對平面槽式減搖水艙進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)并成功的將水艙安裝在實(shí)船上此后上海交通大學(xué)對槽型被動(dòng)式減搖水艙進(jìn)行更為深層次的研究并不斷裝在實(shí)船上試用“海關(guān)301和客瓊沙船效果相當(dāng)顯著1981年研制出JD槽型減搖水艙并提供了大量的關(guān)于減搖的性能預(yù)測的計(jì)算公式和圖紙[15]，目前中國的許多船只都已成功安裝上了被動(dòng)式減搖水艙并得到了一定的應(yīng)用。八十年代末上海交通大學(xué)繼續(xù)對可控被動(dòng)式減搖艙進(jìn)行了更詳細(xì)的分析并在試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行仿真，但后來由于一些原因被中斷。減搖裝置的分類人們對于減搖裝置已研制出各種不同的方法并已經(jīng)應(yīng)用在實(shí)船上他們的減搖原理與實(shí)體造型都有著明顯的差異但都是以發(fā)生橫搖時(shí)為船舶提供持續(xù)穩(wěn)定的橫搖力矩為目的。以產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩的本質(zhì)作為分類標(biāo)準(zhǔn)我們可以將減搖裝置分成三種類型[6如圖1.8所示。第一種穩(wěn)定力矩是根據(jù)裝置的回轉(zhuǎn)力產(chǎn)生的第二種穩(wěn)定力矩時(shí)根據(jù)流體動(dòng)力的原理產(chǎn)生的第三種穩(wěn)定力矩是由于液體自身重力與慣性作用產(chǎn)生的其中被動(dòng)式減搖裝置在運(yùn)行中并不需要認(rèn)為的提供動(dòng)力而是靠船舶自身橫搖產(chǎn)生的能量來工作[8]。主動(dòng)式減搖裝置依靠獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)來工作通常人們設(shè)計(jì)自動(dòng)控制設(shè)備來操縱這種形式的裝置這種裝置還需要消耗另加的能量。7 7減搖裝置被動(dòng)式 主動(dòng)式減少橫搖 減少縱搖 減少垂蕩重力式 流體動(dòng)力式 陀螺力式固體重物 流體 附體 推進(jìn)器 陀螺圖1.8搖置類意圖如圖1.9所示結(jié)構(gòu)為減搖水艙性能試驗(yàn)的單自由度試驗(yàn)臺(tái)架[該減搖水艙的空間結(jié)構(gòu)一般都被一些可流通的成縱向分布的柵欄割開，并保持一定的整體性該試驗(yàn)臺(tái)的模型運(yùn)行時(shí)繞著中間固定的旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生強(qiáng)迫震蕩其雷諾數(shù)的數(shù)量級(jí)為105，試驗(yàn)臺(tái)架的尺寸比為1/25，并通過曲軸將直流馬達(dá)與試驗(yàn)臺(tái)連接，使水艙工作在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)。水艙兩邊底部各安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)式減橫搖傳感器用來收集水艙的運(yùn)動(dòng)參數(shù)通過安裝在水艙四個(gè)角下部的剛性支撐來估算出水艙運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的力矩。8 8圖1.9 于艙試單由試臺(tái)架1.3減搖水艙控制裝置概述1.3.1常見減搖控制裝置橫搖的大小對船舶航行的安全性影響非常大比如船上人員的舒適性安全性、適航能力。通過近年來人們不多的尋求各種可以用來減少船舶橫搖的裝置，其中較為常用的裝置有舭龍骨、減搖水艙和減搖鰭等。舭龍骨現(xiàn)代很多船都裝有舭龍骨它是通過增加橫搖阻尼的方式來達(dá)到減少橫搖目的的被動(dòng)式減搖水艙。舭龍骨在船上的安裝位置如圖1.10所示，安裝舭龍骨的作用主要是改變船舶周圍水的流向達(dá)到增加額外阻尼的效果舭龍骨的結(jié)構(gòu)所形成的干擾力由兩部分構(gòu)成一是主要來源于船體的形狀改變了船體表面壓力對船體形成阻尼二是由水的流速與舭龍骨的面積來決定的即在舭龍骨的正背兩面形成的壓力差來達(dá)到舭龍骨阻尼的效果。舭龍骨減小了船舶在風(fēng)浪中的橫搖使船舶航速有所提高但也使船舶靜水恒速有所降低，也增加了船舶的靜水航行阻力。9 9圖1.0龍?jiān)谏习参恢猛ǔＧ闆r下對舭龍骨減搖效果的計(jì)算比較難而已不容易得到較為準(zhǔn)確的數(shù)值但我們可以尋找一些經(jīng)驗(yàn)公式來替代舭龍骨的近似計(jì)例如對于安裝在圓型船體上的舭龍骨減搖效果，可用下式計(jì)算f(q)f式中3zgbl3q

103TLB

Bb這里Zg為船舶重心高度（m）；T為吃水（m）；A為舭龍骨總面積（m2）；bl為舭龍骨中心到重心距離（m）；L為船長（m）；B為船寬（m）。q和f的關(guān)系見表1.1.表1.1 f和q的關(guān)系Q 0 1 2 3 4 5 6f 1.0 1.08 1.15 1.25 1.35 1.9 1.61根據(jù)水艙結(jié)構(gòu)的不同可以分為兩種類型平面槽型和水艙平面U型水艙如圖1.11（a）、（b）所示[19]。10 10aU減水艙 b平槽減水艙圖1.1從下表1.2中我們可以看到幾種市面上比較常用的減搖裝置的性能的綜合比較，表中也列出了舭龍骨的性能[20～27]。表1.2各種減裝置的比較型式 放鰭 收式鰭 動(dòng)艙 動(dòng)艙 龍骨搖分?jǐn)?shù)90%70%-90%60%50%35%航有性無無有有有排量例1%<1%1%-%1%-%乎用初性響無無有有無水行力小大無無小力小小大小無內(nèi)間般少大大無向穿體無無常有有無傷能性進(jìn)無有無無有造價(jià)較高般般極低修費(fèi)高般般低低1.4本文研究的主要內(nèi)容本論文的研究內(nèi)容及方法是基于國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料及實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的經(jīng)驗(yàn)綜合考慮的基礎(chǔ)上完成的，內(nèi)容如下:(1)根據(jù)船舶經(jīng)常駛?cè)牒Ｓ虻牡暮＠酥芷?、頻率等參數(shù)完成減搖水艙結(jié)構(gòu)尺寸中重要參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。1 1（2）由海浪形成理論完成減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)中海浪的仿真模型。（3根據(jù)被動(dòng)式水艙的減搖原理深入研究可控被動(dòng)式減搖水艙控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制理論的研究并根據(jù)現(xiàn)有的產(chǎn)品對比進(jìn)行詳細(xì)的硬件選型和程序的編寫。（4將理論研究的控制系統(tǒng)方案安裝在減搖水艙模型上完成控制系統(tǒng)通訊及控制的調(diào)試，并通過數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行情況和不足之處。zkq2015112512 122減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1引言設(shè)計(jì)減搖水艙試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯τ谘芯看皽p搖是一種非常有效的手段我們可以將船舶的模型放在人造的水池中進(jìn)行試驗(yàn)但是由于水池的體積較小不能更好的反應(yīng)實(shí)船在海浪中的運(yùn)行狀態(tài)而減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)的的設(shè)計(jì)可以滿足模擬船舶在實(shí)際海浪中的運(yùn)行情況為人們進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)減搖水艙提供了可靠有效地實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用減搖水艙實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行船舶搖擺試驗(yàn)具有省時(shí)省力成本低的優(yōu)點(diǎn)，便于人們進(jìn)行更多其它相關(guān)試驗(yàn)[28]。2.2船舶減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)架的原理可控式被動(dòng)減搖水艙用于減輕船舶橫搖幅度減搖效果通?？梢赃_(dá)到30%～50%，全航速或停泊狀態(tài)都有效。可控式被動(dòng)減搖水艙是在純被動(dòng)減搖水艙的基礎(chǔ)上通過增加水閥或氣閥控制裝置在一定程度上克服了k052可能出現(xiàn)的增搖情況并增加了水艙的實(shí)用范圍，提升減搖效果。可控式被動(dòng)減搖水艙的工作原理是當(dāng)船在波浪的作用下發(fā)生橫搖時(shí)水艙內(nèi)的儲(chǔ)水將隨船被動(dòng)搖蕩控制裝（氣閥將調(diào)節(jié)使艙內(nèi)水的搖蕩在相位上大約滯后于船的橫搖90o，此時(shí)兩邊艙內(nèi)水位差產(chǎn)生的對船的作用力矩在相位上大約滯后于波浪作用力矩180（即反向水艙起減搖作用可控式被動(dòng)減搖水艙的減搖能量來源于水艙內(nèi)的水隨船舶的搖擺只需要對水閥或氣閥進(jìn)行控制耗能很小。減搖水艙進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)控制系統(tǒng)將利用船的橫搖角和兩邊艙內(nèi)的水位差隨時(shí)預(yù)報(bào)船的橫搖特征以自動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣閥使水艙發(fā)揮減搖作用當(dāng)工況超出減搖水艙的設(shè)計(jì)工況范圍時(shí)控制系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉水艙確保船的安全當(dāng)工況恢復(fù)到減搖水艙的設(shè)計(jì)工況范圍內(nèi)時(shí)水艙也會(huì)自動(dòng)開始工作可控式被動(dòng)減搖水艙的自動(dòng)化程度很高，使用方便、安全、可靠[29]。13 132.2.1試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)成多功能水艙試驗(yàn)裝置由船舶運(yùn)動(dòng)仿真模塊模型水艙模塊和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)三部分構(gòu)成其中船舶運(yùn)動(dòng)仿真模塊由仿真控制臺(tái)液壓機(jī)組搖擺臺(tái)架等構(gòu)成模型水艙模塊由模型水艙模型氣閥模型水閥水艙控制柜氣源等構(gòu)成模型氣閥包括減搖氣閥組件和抗傾氣閥組件氣源包括空壓機(jī)抗傾用減壓閥抗傾用消聲器氣瓶組件等設(shè)備和部件數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)包括專用軟件和傳感器其中傳感器包括力水位油壓氣壓角（轉(zhuǎn)盤式和陀螺式傳感器各若干只。船舶運(yùn)動(dòng)仿真模塊的設(shè)計(jì)工作原理是首先向計(jì)算機(jī)輸入對象船舶的基本參數(shù)設(shè)定海況參規(guī)則波的周期和波傾角或者不規(guī)則波的能量譜由計(jì)算機(jī)計(jì)算出船在該設(shè)定海況下的橫搖角度的實(shí)時(shí)變化將各時(shí)點(diǎn)的橫搖角度值折合成電信號(hào)輸出到液壓伺服控制系統(tǒng)由液壓伺服控制系統(tǒng)控制油缸動(dòng)作驅(qū)動(dòng)搖擺臺(tái)架橫搖，使搖擺臺(tái)架上的模型水艙與對象船舶的橫搖在時(shí)域上相一致。模型水艙模塊的設(shè)計(jì)工作原理是模型水艙搭載于搖擺臺(tái)架上隨臺(tái)架同步zkq20151125搖擺相當(dāng)于實(shí)物水艙隨船搖擺模型水艙上的模型氣閥和模型水閥由模型水艙控制柜控制，在試驗(yàn)時(shí)按照抗傾要求或者減搖要求做仿真動(dòng)作[30]。如圖2.1所示圖2.1功水試臺(tái)原結(jié)框圖14 142.3試驗(yàn)臺(tái)架硬件的選取模型水艙的底通道需分割成兩個(gè)水槽，其中一個(gè)水槽內(nèi)安裝水閥（擋板）。驅(qū)動(dòng)搖擺臺(tái)架用的液壓機(jī)組的基本性能參數(shù)如下：電機(jī)功率：30kW，系統(tǒng)額定壓力：12.5MPa，系統(tǒng)最大排量：150L/min，司服回路額定工作壓力：8MPa。搖擺臺(tái)架用的基本性能參數(shù)如下：最大搖擺角：±15°，最高搖擺頻率：1/4Hz。空壓機(jī)的基本性能參數(shù)如下：排氣量：0.8m3/min，額定壓力：1.25MPa，電機(jī)功率：7.5kW。傳感器：液位測量量程2米浮子式和電容式各2只轉(zhuǎn)角測量量程±20°轉(zhuǎn)盤式（帶指針）和陀螺式各1只；氣壓測量：量程0.05MPa，2只；油壓測量：量程10.MPa，2只。zkq201511252.4船舶減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖2.2統(tǒng)構(gòu)意圖15 152.4.1設(shè)備組成表可控式被動(dòng)減搖水艙的主要設(shè)備（硬件）如下表所示。表2.1減搖水硬件件稱Name 能Funtion1.艙 部位化生搖矩Wingtank MassofwaeroscllaingintheARTredcingtheshiproling2制柜 測體搖自控氣、閥作Conrolbox Detctigthehullrol.Autmatcconrolingtheairvaleandthedut3閥節(jié) 艙固橫周期Ductdaper ReglatngthenatralperodoftheART4.動(dòng)器 閥關(guān)動(dòng)置Elctrcactator Turnon/fftheductdamer5.閥節(jié)

zkq252蕩位Airvale Reglatngtheoscllaionphaeoftankwaer6.內(nèi)水 蕩以船產(chǎn)作力矩Flud Momntofosilltingflidgenratngtherolltorue7.艙 通邊使流動(dòng)Ducs Conectngthewin-takstomaketheflid/aterflw8氣氣閥 艙注是氣，求密Airvets Exausingairwheninjctigwatrintotan,reuirngairight9.水管 艙注，求密Filingpipe Rejctigwatrintotak,rquiingairight10位感器 來量檢艙水高度Watrheiht Detctigthewatrlevlofthetak11.修孔 修養(yǎng)用Manole Formaitennce12.水孔 水水用Dichagepipe Disharingthefludfrmtank16 162.4.2減搖水艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于減搖水艙的固有周期在水艙設(shè)計(jì)好時(shí)就被確定下來了所以對于水艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是非常關(guān)鍵的步驟。本章所設(shè)計(jì)水艙的基本結(jié)構(gòu)如圖2.3。圖2.3 搖艙本構(gòu)圖設(shè)計(jì)過程中的一些注意的問題zkq20151125（1若減搖數(shù)次昂可以得到滿意的效果船舶應(yīng)在M值在0.03～0.18之間[31]；B（2通常情況下我們認(rèn)為艙內(nèi)水的重量應(yīng)在排水量的1%～5%以內(nèi)水艙內(nèi)的流體質(zhì)量由式（2-1）求得[31]tt[2t1(t2t)]L

（2-1）水艙內(nèi)的流體質(zhì)量與船舶排水量的比值t100%D D

（2-2）式中t為水艙內(nèi)流體密度。D75.45m3為船舶排水量。（3）一般船舶上還設(shè)有壓載水艙、淡水艙、燃油艙等艙室。對于這些艙室內(nèi)，17 17通常液體都不會(huì)裝滿，當(dāng)船舶發(fā)生側(cè)傾時(shí)，它們也會(huì)因?yàn)橹亓Φ淖饔卯a(chǎn)生流動(dòng)，但最終會(huì)與水平面保持平行我們將這種可以自由流動(dòng)的液面稱為自由液面當(dāng)水艙內(nèi)的大量液體發(fā)生流動(dòng)后船舶的重心也會(huì)跟著變化如傾向于船舶的一側(cè)，就會(huì)使船舶失去穩(wěn)定性為了滿足人們的需要我們通常將自由液面由此帶來的穩(wěn)性損失保持在初穩(wěn)性高的25%范圍內(nèi)因此在計(jì)算自由液面的靜穩(wěn)性數(shù)值時(shí)必須要考慮自有液面的因素當(dāng)自有液面流動(dòng)的方向與船舶側(cè)傾的方向一致的話會(huì)對船舶造成非常大的損失所以為了船只行駛的安全性應(yīng)當(dāng)滿足減搖水艙自由液面穩(wěn)性高度的要求[32]。減搖水艙內(nèi)自由液體表面的面積與傾斜軸線的慣性矩的關(guān)系為[31]1ix12

tL(B2c3)t

（2-3）減搖水艙自由液面引起的橫穩(wěn)性損失可由下式求得h tixhDt

（2-4）（1）由于水艙內(nèi)的液體在流速較大時(shí)會(huì)對艙頂造成沖擊，并帶來巨大的聲響，所以在高度方向上不應(yīng)完全封閉。（2）減搖水艙的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能寬，通常設(shè)計(jì)安裝在船上較高處，并布置在船舶重心附近。儲(chǔ)水量大約取船總排水量的1%～4%[33～36].（3）底艙內(nèi)不可以有阻礙水流的任何筋、板等障礙物體。（4）氣閥和管道的有效截面積取單邊艙自由液面面積的1/10～1/3（與船的固有橫搖周期有關(guān))。2.4.3設(shè)計(jì)準(zhǔn)則減搖水艙設(shè)計(jì)過程中我們以減搖比的大小來判斷水艙及系統(tǒng)所能達(dá)到的最大效果。18 18AK

）3搖

ax

（2-5）A

）3搖但在達(dá)到滿意的減搖效果時(shí)也應(yīng)當(dāng)考慮船舶的裝載條件和穩(wěn)性要求所以在設(shè)計(jì)的同時(shí)還應(yīng)提前將上節(jié)當(dāng)中的問題作為考慮事項(xiàng)。減搖水艙的設(shè)計(jì)原理就是產(chǎn)生一種額外的力矩，以起到減小船舶橫搖的目的也就是減小船舶的波傾角我們將這種對波傾角的減小量稱之為減搖裝置的相當(dāng)波傾角或者特征數(shù)。其特征數(shù)計(jì)算如下[37]Hsd

（2-6）減搖水艙的特征數(shù)由兩部分組成，s表示水艙內(nèi)的水在靜水面中，將水艙內(nèi)的水全部集中在一側(cè)時(shí)所得到的橫傾角度為靜力特征系數(shù)產(chǎn)生的傾斜力矩為MtSo2c

（2-7）DsSoc57.oDsh

（2-8）式（2-6）中的第二項(xiàng)可看作對靜力特征值的修正系數(shù)，d乘以穩(wěn)定系數(shù)，則代表水艙中移動(dòng)的水的慣性作用對船舶所產(chǎn)生的最大力矩。d

So

b2

（2-9）g(IxIx)在減搖水艙設(shè)計(jì)過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)減搖水艙的現(xiàn)象這時(shí)我們可以將它們分別確定為水艙特征值

H1

和H2，最后總的水艙特征值則為H1H2

（2-10）19 19將上述特征值代入，橫搖方程式可轉(zhuǎn)變?yōu)?2

)int)

（2-11）

m 方程的特解為sint )2

（2-12）s式中mHs

（2-13）在水艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初期我們可以根據(jù)水艙特征數(shù)的定義由下式簡單確定減搖效率數(shù)值。tst

mH

（2-14）m m2.4.4減搖水艙設(shè)計(jì)過程第一根據(jù)船舶減搖效果程度所行駛的區(qū)域海情的需求來計(jì)算水艙需要承載液體的容量即求解水艙的靜特征數(shù)由于受到水艙內(nèi)水重量和自由液面引起橫穩(wěn)心高損失的限制，d的值一般不應(yīng)超過靜特征數(shù)s的25%，通常情況下，水艙的靜特征數(shù)為3o4o，也可根據(jù)實(shí)際情況而定[38]。sm

m0.sm

（2-15）

1

（2-16）s m0.8水艙可以產(chǎn)生的最大減搖力矩計(jì)算為20 20Mtt 57.3

（2-17）在本次設(shè)計(jì)中取s3第二計(jì)算減搖水艙的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)（1）計(jì)算水艙沿船寬方向的長度為Bt當(dāng)定義水艙的Bt值與船寬B相等時(shí)，可以得到最大的穩(wěn)定效果，Bt=B=5m（2）水艙邊艙寬度為bt水艙寬度bt與自由液面So計(jì)算關(guān)系如下。設(shè)bt=kbBt開始設(shè)計(jì)時(shí)可以先假設(shè)一個(gè)kb值等水艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算完成后再運(yùn)用優(yōu)化方程對kb的值進(jìn)行相應(yīng)的修正。這里，設(shè)kb=0.2，則tkbt0.2t0.25m

（2-18）因此可知水艙c(tt)/22m（3）計(jì)算水艙H

H1HO當(dāng)水艙中的流體發(fā)生移動(dòng)后其液體橫搖角與之前靜水面夾角的最大x（rad），可由（2-19）計(jì)算如下。x

Htn1( )2c

（2-19）o o o式中；x=10～15，x=15，式中c已知，則H1.07mH通常取H14

0.26m21 21（4）計(jì)算水艙底部連通道高度H1根據(jù)水艙結(jié)構(gòu)計(jì)算準(zhǔn)則t8.454s算取H1由式2-1、2-2求得H1的數(shù)值，式中HO、c、bt已知，可以求得兩個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，取其中較小的數(shù)值。得到：H10.25m（5）計(jì)算水艙沿船長方向的尺寸L通常情況下水艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中會(huì)明確L的值假如沒有明確提出或未得到滿意的減搖效果，那么可以按照式4-8確定。在本次設(shè)計(jì)中求取L=1m第三進(jìn)行設(shè)計(jì)后檢驗(yàn)（1）水艙的自搖頻率t 2gt

0.7865ad/s

（船舶的自搖頻率0.7872ad/s）t （2）水艙的容量根據(jù)式2-8可知

s3.0358os（3）水艙內(nèi)水的質(zhì)量根據(jù)式2-1、2-2可知

D3.87%(4)自由液面損失根據(jù)式2-3、2-4可知h21.25%小于25）以上均滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的要求[39]對于一些使用氣閥，并設(shè)計(jì)連通道的一些考慮。增加兩邊艙上部氣室出口處的氣閥以及將兩邊艙相連接的導(dǎo)氣管道對水艙的自搖起阻尼作用通徑越小對減搖效果的負(fù)面影響越大應(yīng)盡可能采用較大通徑的氣閥和管道。通常，氣閥和管道的有效截面積取單邊艙自由液面面積的1/10～1/30（與船的固有橫搖周期有關(guān)）。22 222.5設(shè)備的外觀示意圖

圖2.4 水艙試驗(yàn)臺(tái)架2.6本章小結(jié)本小結(jié)開始通過圖形介紹了減搖水艙試驗(yàn)臺(tái)整體的設(shè)計(jì)，包括模型水艙模塊艦船運(yùn)動(dòng)仿真模塊并做了水艙的設(shè)計(jì)及各設(shè)備的安裝位置包括試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)成以及硬件的選取，通過理論依據(jù)以及實(shí)際要求詳細(xì)介紹了水艙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)法、原理以及設(shè)計(jì)過程，依據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則完成水艙的設(shè)計(jì)。23 233船舶減搖水艙減搖控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1國外減搖水艙控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)外所使用的水艙主要還是以德國的Interring公司和日本的NKK公司的產(chǎn)品為主。表3.1本課題國外水艙控系統(tǒng)比較NKK司Intrrig司課題控器憶置用PetiumPrcessor13MHz為CPU1.9GB盤制統(tǒng)核采用門子S7-00系作為CPU有儲(chǔ)卡制統(tǒng)核采用門子S7-00列為CPU有儲(chǔ)卡I/O口 據(jù)入出卡 成數(shù)量模量 成數(shù)量模量輸入輸，帶第2 和出及EM231塊串口示器 10.incTFT色LCD 色屏幕 Smat700摸屏設(shè) VGA口 型印備 USB口以網(wǎng)口件 級(jí)序言 用STP7程編程 用STEP7程編程在硬件方面，水艙控制系統(tǒng)的核心模塊選用德國西門子公司的S7-200系列作為CPU提供了向工業(yè)計(jì)算機(jī)般的標(biāo)準(zhǔn)接口但比它的更輕便在功能上也可很好的滿足設(shè)計(jì)上的要求同時(shí)因?yàn)榈聡鏖T子公司的產(chǎn)品同時(shí)擁有強(qiáng)大的抗干擾能力和邏輯運(yùn)算的能力這使得它更能勝任工廠的作業(yè)環(huán)境使它具有更大的競爭力。在軟件方面可以為使用者快速反應(yīng)現(xiàn)場控制狀態(tài)并為開發(fā)者提供更大的擴(kuò)展空間。由表3.2中可以看出，本課題采用了德國西門子s7-200PLC編程模塊及EM231模擬量模塊，具備模擬量輸入與輸出的接口，并結(jié)合smart700觸摸屏，實(shí)現(xiàn)控制的同時(shí)可以實(shí)時(shí)顯示減搖水艙的工作狀況，具有良好的發(fā)展前景。24 243.2系統(tǒng)硬件的選取3.2.1主控制器系統(tǒng)構(gòu)成主控制器根據(jù)減搖水艙控制器的需要，我們選擇了西門子224XP編程模塊如圖3.1，該模塊具有信號(hào)輸入與輸出的的插槽PLC是一種為了替代人工控制實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制研發(fā)出來的一種可編程控制器PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)它的前身可以溯源到傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制系統(tǒng)只需用專有的語言編寫程序就能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)定時(shí)邏輯控制等一些功能后來又加入了順序控制功能也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理數(shù)字運(yùn)算操作顯示調(diào)節(jié)模擬量一些比較先進(jìn)的功能可以像繼電器那樣抗干擾。圖3.1門子PLC224PCN（1）CPU224XPCNDC/DC/DC模塊及接口簡介如圖3.2本模塊左邊為2個(gè)輸入和1個(gè)輸出模擬量I/O點(diǎn)下邊為2個(gè)RS232和RS485通訊和編程接口右邊含有14輸入10輸出的數(shù)字量I/O結(jié)點(diǎn)可最多連接7個(gè)擴(kuò)展模塊模塊本身含有20K字節(jié)的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間基本可以滿足用戶的使用6個(gè)獨(dú)立的高速計(jì)數(shù)100KHz方便程序的編寫2個(gè)100KHz的高速脈沖輸出更大限度的滿足客戶使用具有PPI通訊協(xié)議MPI可進(jìn)行自由口和MODBUS兩種方式的通訊。本機(jī)還有運(yùn)行、停止、故障指示燈,位控特性，撥碼開關(guān)CPU本體內(nèi)置模擬量調(diào)賬器可用于更新或輸入值更改預(yù)設(shè)值設(shè)置極限值等[40]。25 25圖3-2 S7-00CPU子硬件（2）EM231模擬量輸入模塊該模塊為我們提供了模擬量數(shù)據(jù)采集的功能，優(yōu)點(diǎn)如下：最佳適應(yīng)性可直接與傳感器和執(zhí)行器相連使用，適用于多種復(fù)雜的控制場合，12位的分辨率，可以不加任何外部設(shè)備的同時(shí)直接與傳感器或執(zhí)行器直接相連。圖3-3 EM21塊26 263.2.2水艙控制系統(tǒng)構(gòu)成

圖3.4 搖艙構(gòu)圖由國內(nèi)外水艙設(shè)計(jì)的研究成果設(shè)計(jì)水艙機(jī)構(gòu)如圖3.4所示我們需要采集到減搖水艙的橫搖角度以及左右水艙內(nèi)水位的高低并通過已采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的控制所以圖中為我們要安裝的位置液位傳感器用于獲得左右水艙內(nèi)的液位高度，氣閥開關(guān)與水閥開關(guān)用于響應(yīng)艙內(nèi)液體流動(dòng)的情況。（1）傾角傳感器選用R130型數(shù)字式單軸陀螺儀由陜西瑞特測控技術(shù)有限公司自行研制，采用高精度MEMS角速率傳感器，用于對運(yùn)動(dòng)載體旋轉(zhuǎn)角速率及傾斜角度的測量。如圖3.5圖3.5 字單陀儀特點(diǎn)與應(yīng)用在全溫度范圍45C～85C內(nèi)，采用微處理器進(jìn)行傳感器原始信號(hào)的校正、27 27補(bǔ)償、降噪等處理，具有體積小、精度高、長期穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。應(yīng)用范圍：?穩(wěn)定平臺(tái)?姿態(tài)航向參考系統(tǒng)?飛行器穩(wěn)定控制?導(dǎo)彈制導(dǎo)和控制?天線穩(wěn)定R130型數(shù)字式單軸陀螺儀采用RS485接口，上電工作后，自動(dòng)連續(xù)輸出角速率及傾角數(shù)據(jù):輸出刷新率：20。波特率：9600、1位停止位、8位數(shù)據(jù)位、1位起始位、無奇偶校驗(yàn)位。（2）傳感器采用液位電容式物位儀（C66.MNCMX=2.35m)圖3.6 容液傳器如圖3.6。該射頻電容液位計(jì)可以將各種物體的位置、液體的高度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)遠(yuǎn)程傳送至操作控制系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)裝置中處理后進(jìn)行集中顯示做出報(bào)警自動(dòng)控制等措施該射頻液位計(jì)是根據(jù)電容感應(yīng)的原理設(shè)計(jì)的通過測量介質(zhì)中電容值的變化來反應(yīng)液面的高低其可適用于強(qiáng)腐蝕耐高溫高壓防冷凍易結(jié)晶及粒狀物料固體粉狀的環(huán)境中具有良好的結(jié)構(gòu)及安裝方式可適。具有信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ芡ㄟ^遠(yuǎn)程傳輸裝置可將液位報(bào)警器的液位上下限的極限值、限位報(bào)警進(jìn)行事故聯(lián)鎖并傳輸液位變化的線性值，西門子PC可以將電容式傳感器的電流變化轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的數(shù)字量在模塊中顯示。整機(jī)由耐磨材料制成。因此具有耐腐蝕功能。28 28（3）顯示器采用西門子smt700操作人員可以通過人機(jī)界面得到設(shè)備運(yùn)行中的數(shù)據(jù)并加以控制操作人員可以根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)圖形按鈕數(shù)字監(jiān)控與設(shè)備之間進(jìn)行信息交流將隨時(shí)變化的信息顯示在屏幕上。該觸摸屏特點(diǎn)1.操作方便，功能多，價(jià)格較低，具有高性價(jià)比。2.高分辨率的畫質(zhì)更細(xì)膩，舒適感更好。3.集成了RS422/485通訊口，多樣性的結(jié)構(gòu)使的通訊更加方便靈活。4.64MR內(nèi)存，并具有高性能處理器和高速的外部總線設(shè)計(jì)。5.高端的RM中央處理器，主頻可達(dá)400MZ，使用中更加快捷，流暢。如圖3.7。1.顯示器觸摸屏2.安裝密封墊 3.安裝卡釘?shù)陌疾?.以太網(wǎng)接口5.RS485/422接口6.電源連接器圖3.7 摸屏3.3人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)觸摸屏軟件介紹西門子觸摸屏Smart700IE軟件特點(diǎn)這款軟件非常適合在工業(yè)設(shè)備上使用它具有簡單直觀功能強(qiáng)大應(yīng)用靈活且具有智能效果在組態(tài)工程時(shí)我們會(huì)在工作窗口中看到變量管理畫面設(shè)29 29計(jì)能功能，可根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)場情況設(shè)計(jì)自己的畫面。畫面設(shè)計(jì)在減搖水艙控制的過程中我們需要采集水艙在自由搖擺的過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如橫搖角度橫搖角速度橫搖周期液位狀態(tài)等一些信息我們既要根據(jù)需要通過邏輯控制器和傳感器采集數(shù)據(jù)并根據(jù)需要通過邏輯運(yùn)算得到自己需要的數(shù)據(jù)，還希望這些數(shù)據(jù)可以顯示在我們的面前。人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)分為兩部分（1）減搖水艙控制界面該界面設(shè)計(jì)目的是為了顯示水艙的實(shí)時(shí)橫搖狀態(tài)，并將橫搖的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示成曲線存儲(chǔ)起來用于后期與左右水艙液面數(shù)據(jù)進(jìn)行對面顯示已判斷水艙是否滿足理想的減搖狀態(tài)曲線。如圖3.8圖3.8界面（2）減搖水艙調(diào)試界面該界面設(shè)計(jì)目的是在水艙調(diào)試過程中可能會(huì)因?yàn)樗摰恼饎?dòng)導(dǎo)致液位值的不準(zhǔn)確而導(dǎo)致在正常的控制狀態(tài)中所得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與結(jié)果不能滿足理想狀態(tài)的減搖效果，那么可以通過現(xiàn)場情況更改減搖控制時(shí)刻的開閥時(shí)間與關(guān)閥時(shí)間，開閥時(shí)間點(diǎn)與關(guān)閥時(shí)間點(diǎn)。以達(dá)到滿意的減搖效果。如圖3.930 30圖3.9試面3.4主控制系統(tǒng)連接圖開關(guān)觸摸傾角傳感

485通訊 輸入自由口通訊

水閥PC 輸出224PC/C/C 氣閥輸入EM231 液位傳感圖3.10控系圖圖3.10為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，整個(gè)控制連接方式中首先將電源開關(guān)、觸摸屏以及傾角傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過485通訊和自由口通訊的方式輸入到PLC當(dāng)中液位傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸給EM231并做相應(yīng)的處理得到邊艙液位的高度值，傳輸給PLC。PLC通過減搖控制程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，做出相應(yīng)的輸出，如關(guān)閉水閥，開啟水閥等。31 31現(xiàn)場箱體的整體接線圖如下：

圖3.1體線圖圖3.11為箱體接線圖從圖中可以看到控制模塊電源由外接220V電壓經(jīng)過空氣開關(guān)，電源指示燈，電源啟動(dòng)按鈕，再由24V電源轉(zhuǎn)化后輸出給PLC中。觸摸屏經(jīng)485數(shù)據(jù)線接到PLC的O號(hào)端口上，RG135單軸式陀螺儀接到PLC的1號(hào)端口上，輸出部分連接兩個(gè)氣閥與一個(gè)水閥，EM231連接兩個(gè)液位傳感器。3.5本章小結(jié)本章通過介紹國內(nèi)外減搖水艙控制臺(tái)的研究狀況并與本文設(shè)計(jì)的水艙控制臺(tái)進(jìn)行了對比詳細(xì)介紹了本文設(shè)計(jì)的水艙控制系統(tǒng)的控制模塊信號(hào)采集模塊的選取及硬件組成并對各個(gè)硬件的性能參數(shù)進(jìn)行說明完成了主控制器觸摸屏的界面設(shè)計(jì)、硬件選取以及箱體整體的接線圖紙。32 324減搖自動(dòng)控制算法的研究與設(shè)計(jì)4.1減搖水艙減搖介紹在實(shí)際應(yīng)用中減搖水艙最大的優(yōu)勢就是造價(jià)低廉并可在多航速下發(fā)揮作用在我們所認(rèn)識(shí)的這些類型減搖水艙里都是通過將水艙內(nèi)的流體穩(wěn)定在船舶向上的那一側(cè)以抵消船舶橫搖的力矩其中可控式被動(dòng)減搖水艙是其中性能較好的控制裝置它是在被動(dòng)式水艙中增加了一個(gè)可以控制的氣閥或水閥通過閥門來控制水艙內(nèi)流體的方向從而改變流體振動(dòng)周期從而產(chǎn)生一定的減少船舶橫搖的目的[51]。4.1.1被動(dòng)式減搖水艙減搖原理我們已經(jīng)知道被動(dòng)式減搖水艙是根“雙共振原理設(shè)計(jì)的即波浪同水艙內(nèi)水流的相位剛好相差180度，這樣的減搖效果最佳。下面我們通過圖4．1詳細(xì)的說明被動(dòng)式減搖水艙的工作原理。舷大搖角 ②艙矩x消左橫搖舷大搖角 ④艙矩x消右橫搖圖4.1動(dòng)減水共時(shí)相圖33 33如圖中①所示船舶已達(dá)到右舷最大的角度水艙的橫搖角速度為零而水艙內(nèi)的液體由于慣性力的作用還維持在水平的位置這時(shí)船舶受到水中恢復(fù)力矩的作用從右舷向左舷移動(dòng)水艙內(nèi)的液體因重力作用從左舷流向右舷達(dá)到相位②時(shí)，艙內(nèi)的液體基本上都流到了右邊，而此時(shí)船舶還在繼續(xù)向左船舷搖擺，這樣艙內(nèi)液體就產(chǎn)生了一個(gè)很大的減搖力矩來阻止船舶向左擺動(dòng)。從相位②到③中船體繼續(xù)向左舷擺動(dòng)而水艙內(nèi)的液體則從右舷流向左舷。到達(dá)相位③時(shí)水艙中左右艙室液位的高度基本平行對船體沒有起到減搖力矩的作用船體開始向右舷擺動(dòng)達(dá)到相位④時(shí)水艙中的液體也達(dá)到左舷最高處也是船體左舷受到海浪最大浮力位置剛好起到抵消海浪浮力的作用以減小船體橫傾。當(dāng)船舶向左舷搖擺時(shí)水艙內(nèi)的液體已開始從左邊艙流向右邊艙再次達(dá)到相位①的狀態(tài)，這樣開始重復(fù)之前①到④的動(dòng)作[41]。通過上述分析可知水艙內(nèi)液體的重心會(huì)隨著船舶的搖動(dòng)而跟著移動(dòng)使得水艙內(nèi)的液體周期性的聚集在水艙的一邊可以在船舶擺角達(dá)到最大時(shí)提供一個(gè)與船舶向上運(yùn)動(dòng)相反的力，相當(dāng)于增加一個(gè)阻尼來減小船舶搖擺的幅值[42]。4.1.2可控被動(dòng)式減搖水艙減搖原理被動(dòng)式減搖水艙的固有周期在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)確定但是當(dāng)船體自身的載重量發(fā)生變化時(shí)船體的橫搖周期也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變?nèi)绻捎谳d重等原因使得船舶橫搖頻率遠(yuǎn)離了當(dāng)前海域的波浪頻率這樣就有可能使船舶水艙內(nèi)的擾動(dòng)力矩與波浪產(chǎn)生的力矩相位發(fā)生變化導(dǎo)致水艙的減搖效果顯著下降因此水艙周期的不可控性是它的一大缺點(diǎn)。可控被動(dòng)式減搖水艙剛好彌補(bǔ)了被動(dòng)式水艙橫搖周期不可控的缺點(diǎn)它在水艙底部中間布置一個(gè)水閥通過對水閥的開啟和關(guān)閉間接的改變水艙內(nèi)液體的橫搖周期隨海浪不規(guī)則周期的改變而變化使水艙在多海域中都擁有滿意的減搖效果?？煽乇粍?dòng)式減搖水艙的控制原理如下圖4.2所示[15]。34 34圖4.2控動(dòng)水減原相圖在相位“1”中，船體處于左舷最大擺角的位置，準(zhǔn)備向右側(cè)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，水艙內(nèi)的液體因?yàn)橹亓φ趶挠疫吪摿飨蜃筮吪?。在相位?”時(shí)，左邊艙內(nèi)的水位已達(dá)到最大值，即A點(diǎn)，這時(shí)水艙控制器控制閥門將其關(guān)閉來阻止液體繼續(xù)流動(dòng)。在相3時(shí)此時(shí)水艙的閥門已經(jīng)關(guān)閉使艙內(nèi)的大多數(shù)液體從相2”到相位“4”中，始終被聚集在左舷水艙內(nèi)，阻止水向右舷流動(dòng)，形成了一個(gè)減搖力矩，來阻止船舶繼續(xù)向右舷搖擺的趨勢。到相位“4”時(shí)，開啟閥門，艙內(nèi)的液體由于重力作用向右舷流動(dòng)到達(dá)相“5時(shí)船體搖擺至右舷最大位置，艙內(nèi)液體流速也達(dá)到最大值并開始向左側(cè)擺動(dòng)而液體依然在向右舷流動(dòng)直到相位“6”時(shí)，水艙右側(cè)達(dá)到最大液位。此時(shí)通過控制信號(hào)關(guān)閉閥門，將液體阻止在水艙右側(cè)。到達(dá)相位“7”時(shí)，由于液體被保持在水艙向上運(yùn)動(dòng)的一側(cè)，形成一個(gè)減小橫搖的力矩。到達(dá)相位“8”時(shí)，水艙以滿足減搖效果，這時(shí)通過控制信號(hào)打開閥門，如相位“4”到相位“6”狀態(tài)，到達(dá)相位“1”時(shí)就開始上述這種循環(huán)。從圖4.2中我們可以看到，由于水閥的打開與關(guān)閉，增加了“A”到“B”之間的一個(gè)狀態(tài)這樣從一個(gè)整周期來看就相當(dāng)于延長了水艙內(nèi)液體的振蕩周期的效果船舶在海上航行中海浪的波動(dòng)是在不斷變化的所以需要采集船體橫搖的相關(guān)數(shù)據(jù)通過控制器計(jì)算得到控制水閥時(shí)需要關(guān)閉和打開的時(shí)間也就是上圖中點(diǎn)“A”與點(diǎn)“B”的時(shí)間點(diǎn)[44]。為此人們在可控基礎(chǔ)上發(fā)揮更多的用途。35 35可控被動(dòng)水艙可以完成以下功能：1．減搖作用。通過控制系統(tǒng)可以改變水艙橫搖周期。2．抗傾作用。當(dāng)由于船舶貨物裝載或不均產(chǎn)生重心發(fā)生偏轉(zhuǎn)或側(cè)傾時(shí)，可以通過閥門控制，改變水艙內(nèi)液體流動(dòng)及比例，使船舶恢復(fù)平衡。3．破冰作用。由于可控式水艙可以人為將水艙內(nèi)的液體集中到船舶的任意一側(cè)來改變船體橫傾的角度，所以可以利用這一點(diǎn)來發(fā)揮船舶破冰的作用。4傾斜試驗(yàn)作用通過人們的改變船舶側(cè)傾角來測得準(zhǔn)確的得到橫傾角及初穩(wěn)性高，為后期試驗(yàn)做準(zhǔn)備。4.2控制輸入的選取眾多控制輸入方式里比較常用的有三種：角速度的變化、橫搖角的變化、兩邊艙內(nèi)水位的變化通過對這三種數(shù)據(jù)的采集來準(zhǔn)確的計(jì)算出水艙需要開閥和關(guān)閥的時(shí)間的，來達(dá)到減搖的效果[45]。4.2.1以船舶的橫搖角度作為控制輸入通過橫搖角來作為控制輸入是一種比較粗略的計(jì)算方式通過控制系統(tǒng)分析出船舶橫搖角最大時(shí)的角度值以及船舶橫搖的平均周期保存后當(dāng)船舶再次橫搖到最大角度時(shí)開始計(jì)時(shí)四分之一個(gè)周期后給予關(guān)閉閥門的信號(hào)將水艙內(nèi)的水集中在水艙的一側(cè)當(dāng)關(guān)閉的時(shí)間為船舶的橫搖周期與水艙固有周期差值的二分之一時(shí)輸出開閥信號(hào)以此方式反復(fù)控制使船體與水艙內(nèi)液體產(chǎn)生最佳的相位關(guān)系，起到一定的減搖效果。4.2.2以船舶的橫搖角速度作為控制輸入由于船體自身的橫搖周期等于水艙內(nèi)液體的固有周期與水閥延長的時(shí)間之和那么我可以通過他們之間的時(shí)間關(guān)系找到開閥時(shí)的角速度與船舶橫搖最大角速度之間的關(guān)系通過控制系統(tǒng)計(jì)算出船舶橫搖的最大值并通過角速度最大值與開閥時(shí)減速度的比例關(guān)系來判斷是否開啟閥門反復(fù)的控制來起到一定的減搖效果。36 364.2.3以邊艙液位作為控制輸入以邊艙液位作為控制輸入的方式類似于以橫搖角度作為控制輸入的方式。通過傳感器檢測水位變化值來判斷水艙內(nèi)液體是否達(dá)到最大值（|z(n+1)△t|<=|z(n)△t|,@t為采樣時(shí)間關(guān)閉閥門當(dāng)經(jīng)過船舶橫搖周期與水艙固有周期差值的二分之一時(shí)開啟閥門，這樣反復(fù)的循環(huán)控制起到一定的減搖效果。4.2海浪模型船舶在海上航行時(shí)會(huì)受到海浪海流海風(fēng)的影響會(huì)加劇船體的擺動(dòng)其中海浪對船舶的影響是主要影響因素因此在進(jìn)行減搖水艙的自動(dòng)控制算法的研究，需要對海浪進(jìn)行研究[2.4]簡單波根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，假設(shè)：（1）流體是不可壓縮的；（2）流體的運(yùn)動(dòng)是無旋的，它只具有勢速度；（3）波浪的微幅波。沿軸方向的平面進(jìn)行波可以寫成ao(t)

（4-4）其中為波面與靜水面之間的垂直高a為波面的幅值k/為波長；為波浪的角頻率；t為時(shí)間。海浪譜在研究中人們發(fā)現(xiàn)海浪的形成過程相當(dāng)復(fù)雜，直到50年代初期由皮爾生從無線電噪音理論應(yīng)用過來后人們便把這種譜作為今后研究海浪的主要方式如今已形成多種海浪譜的表達(dá)方式如BTTP譜和廣義博里葉變換模型ISSC(第三37 37屆國際船舶結(jié)構(gòu)會(huì))雙參數(shù)譜、P-M（皮爾遜-莫斯科維奇）等，本文中使用的是ISSC雙參數(shù)譜和P-M譜[46]。至今所提出的譜結(jié)構(gòu)如下：S)

Axp(B1) q

（4-1）指數(shù)P一般取為4-6，q取為2-4，式中A與B中包含有如風(fēng)距、風(fēng)速、時(shí)間或波要素如周期、波高。常見的海浪功率譜有如下幾種。（1）P-M譜------《船舶耐波性》李積德哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社20071964年皮爾遜-莫斯柯維奇由大西洋海浪充分發(fā)展形式提出一半經(jīng)驗(yàn)的波能譜計(jì)算方式自60年代中期以后人們開始廣泛的應(yīng)用P-M譜為經(jīng)驗(yàn)譜，使用較為方便，其表達(dá)形式如圖4.2所示圖4.2P-M單參數(shù)譜其中的有義波高分別為2m，3m，5m，7m，的功率譜密度曲線。)

Axp(B)

（4-2）5 438 38H2式中：A8.10103g2;B3.1;H213

g為重力加速度；H13為有義波高。（2）ISSC雙參數(shù)譜由于P-M譜只有有義波高H13一個(gè)參數(shù)所以上述功能譜不能有效的表征還未完全發(fā)展海浪的形式，隨后人們在1969年第12屆ITTC推薦使用雙參數(shù)波能譜公式，即（4-2）式中A、B為：173H2 691A 13,B

（4-3）TT4 4TT1 1式中1o/1為波浪的特征周期。4.2.3海浪及波傾角仿真人們現(xiàn)在研究隨機(jī)海浪的形成過程大多時(shí)在線性波浪理論上建立的常用的主要有線性過濾和線性疊加兩種方法[47.52]這里采用線性波浪疊加的方式波浪作為一種隨機(jī)形成的過程可以由不同初相位和不同周期的余弦波疊加而成比如當(dāng)我們研究某一固定點(diǎn)的波浪運(yùn)動(dòng)時(shí)，參照下式進(jìn)行計(jì)算：nt)aioiti)i1

（4-5）式中：t)為波動(dòng)的水面與靜水面的瞬時(shí)高度；ai為第i個(gè)組成波的振幅；i為第i個(gè)組成波的自然頻率；i為第i個(gè)組成波的初相位，在（0,）內(nèi)服從均勻分布。這里通過功率譜來模擬海浪由圖4.2可知根據(jù)不同的有義波高譜能量集中于不同的頻段，對于在此之外的頻段，其能量可忽略不計(jì)。設(shè)仿真頻率在39 391~n之間，把頻率范圍等分成n個(gè)區(qū)間，其間距為n1)/n。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不同海情下的仿真頻段和頻譜增量如下表所示[47]：表4.1各種海下的仿真頻和頻率增量義高速（m/）真段(ra/s)率量(ra/s)<2.5<80.-3.08-20.5-240.08>5.0>120.-1.70.06采樣頻率1n求得后，就可以求出相應(yīng)的頻譜1)、2)、······、n)了。由頻譜、海浪理論與波幅ai有如下關(guān)系：12aii)

（4-6）2當(dāng)無限小時(shí)，在區(qū)間的單位波趨于確定頻率的諧波，因此上式可變?yōu)椋篴i

2i)

（4-7）代表n個(gè)區(qū)間內(nèi)波能譜的n個(gè)余弦波疊加而成，并得到隨機(jī)海浪的波高：nt)i1

2i)oiti)

（4-8）同理，對于有效波傾角，即考慮遭遇角的影響，根據(jù)式（4-8），可得到波傾角的計(jì)算式如下所示：net)i1

2Si)oiti)

（4-9）40 404.3減搖控制算法的研究根據(jù)船舶減搖控制原理可知船舶減搖水艙內(nèi)相位分為8個(gè)部分即在第2，第4部分與第6第8部分進(jìn)行關(guān)閥操作以滿足延長水艙橫搖周期的目的但是這是理論曲線與實(shí)際情況下是有很大區(qū)別的如船在海中航行狀態(tài)是未知的，不僅會(huì)受到海浪的影響還會(huì)受到海風(fēng)海流等的干擾所以在設(shè)計(jì)減搖控制算法是一定要考慮的這些因素由此上述可以確定減搖控制算法的核心問題就是確定氣閥與水閥的開啟時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間點(diǎn)。4.3.1總關(guān)閥時(shí)間確定在氣閥控制過程中需要使船體橫搖周期與水艙內(nèi)液體的震蕩周期相近那么總的關(guān)閥時(shí)間就應(yīng)該是兩者時(shí)間之差，即：toe

1(

)

（4-10）2 t式中：t為減搖水艙的固有周期。為船舶實(shí)際橫搖周期。4.3.2開關(guān)閥時(shí)刻確定我們無法用公式得到船舶下一次精確的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但可以采用前幾次的橫搖數(shù)據(jù)對下一橫搖周期進(jìn)行合理的估算，這時(shí)如果只把toe作為關(guān)閥的時(shí)間的話就會(huì)產(chǎn)生一些問題，若把topntoetoe作為開啟閥門的時(shí)間，很有可能在船體已經(jīng)到達(dá)最大擺角時(shí)閥門才被打開這樣的情況同樣也會(huì)出現(xiàn)在關(guān)閉閥門的時(shí)候。為此我們選用采集船舶橫搖角速度的方式進(jìn)行計(jì)算得到控制閥門的時(shí)間點(diǎn)[7]。這樣在水閥關(guān)閉時(shí)船體角速度為：41t關(guān)閥

)(t

橫搖0

1t )2 關(guān)閥 (2

1(2

2))4 txo(

)t

（4-11）通過（4-10與4-11我們可以得到最佳的開閥時(shí)間點(diǎn)當(dāng)橫搖角速度再次達(dá)到式（4-12）時(shí)所計(jì)算的速度值后開啟閥門，這時(shí)角速度為 topn)xo(

)t

（4-12）4.4減搖自動(dòng)控制算法的設(shè)計(jì)根據(jù)以上文中介紹船舶減搖水艙模型以及不同海情下水艙的運(yùn)動(dòng)分析在針對減搖水艙自動(dòng)控制理論算法的時(shí)候需要考慮有以下幾個(gè)要素：1、首先在船舶和水艙在海面上搖擺時(shí)有幾個(gè)要素是固定值，比如水艙的固有周期在減搖控制過程中我們要盡量使海浪曲線與水艙內(nèi)水流曲線有180度的相位差，使減搖達(dá)到最佳效果。2、由于在海面上船舶受到海浪、海風(fēng)等因素的影響，船舶的橫搖周期是在不斷變化的，所以我們需要實(shí)時(shí)計(jì)算船舶的橫搖周期。3、確定好氣閥與水閥的開關(guān)時(shí)間以及開關(guān)時(shí)間點(diǎn)，已確保水艙內(nèi)的水始終在發(fā)揮著減少船舶橫搖的作用[48]。下圖為減搖水艙控制程序流程圖：42上電初始化計(jì)算液位高度關(guān)閉氣閥

是大于水艙高度的80%否計(jì)算船舶橫搖周否是否滿足五個(gè)橫搖是 是橫搖周《固有周期

關(guān)閉水閥與氣閥否 是橫搖周期固有周否

開啟水閥與氣閥是橫搖周期固有周 隨浪控制圖4.5 艙動(dòng)制統(tǒng)程圖在上述算法中有很多非常重要的參數(shù)其中包括船舶橫搖角周期水艙的固有周期橫搖角的幅值以及橫搖角周期的平均值這些參數(shù)的數(shù)值都將會(huì)影響最終氣閥與水閥的開關(guān)時(shí)刻所以為了保證能根據(jù)船舶的實(shí)際橫搖情況實(shí)時(shí)的進(jìn)行控制我們必須讓控制系統(tǒng)不斷的在減搖的同時(shí)還要繼續(xù)學(xué)習(xí)由于水艙在運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生抖動(dòng)導(dǎo)致傳感器采集到的數(shù)據(jù)有一定的偏差所以我們選用采集5個(gè)橫搖周期的值直到5個(gè)周期后在進(jìn)行控制這樣水艙的自搖周期就能不斷的更新是水艙能夠適應(yīng)海浪的實(shí)時(shí)變化完成減搖和對氣閥與水閥的控制，即水閥和氣閥的開關(guān)時(shí)刻則根據(jù)上文進(jìn)行設(shè)計(jì)此外在海浪波動(dòng)較小時(shí)可以43停止或減弱對水艙的控制，節(jié)省能源[49]。該算法設(shè)計(jì)采用船體橫搖角與角速度作為系統(tǒng)的主要參數(shù)在該控制過程中最重要的部分有：1.計(jì)算橫搖角周期的平均值該算法采用統(tǒng)計(jì)的方式連續(xù)記錄5組數(shù)據(jù)后針對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行累加求平均值當(dāng)采集到第6組數(shù)據(jù)后會(huì)替換掉第一組數(shù)據(jù)求平均值來保證得到的數(shù)據(jù)有一定的預(yù)見性。2.計(jì)算最大開閥角速度與開閥角速度的比例因子由于不同的海浪會(huì)產(chǎn)生不同的能量在水艙進(jìn)行搖擺時(shí)開閥的時(shí)刻也不在不斷的變化它可以使氣閥與水閥的控制側(cè)率得到改進(jìn)減搖不必要的能量消耗。根據(jù)（4-12中所述橫搖角速度