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穿浪艇(穿浪双体船,Wave Piercing Catamaran,WPC)是一种新型高速船,它最大的特点就是能适应恶劣海况运输,而且保证高速运行。然而在高速运行,受到海浪干扰时,其耐波性并不很好。如何提高穿浪艇的耐波性和舒适性一直是穿浪艇设计的焦点。而减小穿浪艇的纵摇和垂荡是改善船舶舒适性,减小乘客晕船率的一种有效途径。如果能找到减小穿浪艇纵向运动的解决途径,将对于海上船舶事业有重要意义。论文的研究目的就是根据穿浪艇的模型,优化设计合适的 T型水翼(T-foil)和纵倾调整尾板(简称尾板),然后通过对系统以及控制器进行设计,对控制水翼进行控制,从而实现改善穿浪艇纵向运动情况的目的。本文主要进行以下工作: 本文首先了解分析了穿浪艇及其综合姿态控制系统的国内外现状,明确研究内容。然后在建立了固定的坐标系及运动坐标系之后,对穿浪艇进行建模研究,针对穿浪艇的结构,准确建立纵摇和垂荡二自由度方程。环境干扰考虑了海浪的干扰。为了保证所建立的模型的精确性,在求解水动力参数的时候采用了切片理论进行求解。之后,分析穿浪艇模型的静态稳定性,保证所建立的模型稳定。 随后,在确定的穿浪艇模型给定之后,针对精确的穿浪艇模型,采用流体力学仿真软件,进行T型水翼的优化设计,通过分析控制水翼各个主要参数的影响,对参数进行优化。主要参数分别考虑了水翼翼面的选型,T型水翼展弦比的确定,展长和投影面形状的确定。在完成主翼面的基础上,对T型水翼的支柱面和支柱长度进行分析,同时考虑了安装T型水翼的位置。完成T型水翼的设计之后,通过计算T型水翼的力和力矩,分析了所优化的T型水翼和穿浪艇的适配性。同时也给出了纵倾调整尾板的参数及其提供的升力和力矩。 最后,在完整的穿浪艇状态空间模型的基础上,基于LabVIEW平台给出了整个系统硬件和软件的设计方案。针对被控对象的非线性,分别设计了模型预测控制器(MPC)和LQG控制器。MPC控制器的好处就在于它不注重模型的内部机理,对模型精确性要求不高,而且在设计控制器的时候可以考虑对输入输出有约束的模型。模型预测控制可以通过将设置的参考轨迹与在线校正的值对比,然后进行滚动优化,得到控制输出和预测模型,同时校正的值是预测模型给出的,这样一个闭环结构保证良好的控制效果。最后通过比较裸船,加固定水翼的船体,加 LQG控制器和加 MPC控制器的船体晕船率(MSI)的结果,验证了控制水翼安装的必要性,同时也说明了控制器设计可以对穿浪艇的纵向运动起到改善的作用。