[發明專利]非規則波浪的主動補償控制方法

在審

• 申請號: 202110052897.2
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112904742A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 董冠男;許媛媛;李廣建;呂彩霞;趙希旺;解翔
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 上海互順專利代理事務所(普通合伙) 31332
• 代理人: 裴姣姣

1.非規則波浪的主動補償控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

步驟1：基于CFD方法，在FLUENT平臺采用推板造波的方法模擬數值水池中的非規則波浪:

步驟S1.1使用GAMBIT軟件對數值水池網格劃分：數值水池長10米，寬2米，水面的位置為0.5米；設置數值水池的邊界類型：左側為推板，邊界類型為‘wall’類型，右側壁邊界類型為‘wall’類型，水槽底部邊界類型為‘symmetry’類型，上方為與空氣連通的開放區域,邊界類型為‘pressure out’類型；將生成的網格導入到軟件FLUENT中；在‘Viscous Model’設置面板中選擇‘k-εstandard’湍流模型；在多相流設置面板中選擇‘Volume of Fluid’兩相流計算模型，并選擇‘Geo-Reconstruct’作為自由面的重構方式；其中‘Volume of Fluid’模型是用網格單元中流體和網格體積比函數f確定自由面，假定流場中，任意單元坐標為(x,y)，定義函數f(x,y,t)如下：

通過每個單元格每個時刻的f(x,y,t)值來追蹤流體的變化；

步驟S1.2使用瞬態Profile文件定義數值水池的左側推板運動,設置每個時刻的速度，周期，總時長；在監測面板選擇監測相界面，即海浪高度；

步驟S1.3 CFD模型只考慮為質量守恒方程和動量守恒方程：

質量守恒方程為

動量守恒方程為

式中ρ是密度，t是時間，u是速度矢量，S_u,S_v,S_w是動量守恒方程的廣義源項，其中u,v,w分別是速度矢量u在x,y,z方向上的分量，μ是動力粘度；基于CFD技術，利用FLUENT軟件求解，單擊‘Calculate’按鈕，監測波浪隨時間變化，得到非規則波浪垂蕩的數據；

步驟S2：結合三維動網格技術，獲取船舶在所述非規則波浪中的垂蕩數據:

步驟S2.1以Wigley船模作為母船，采用GAMBIT劃分網格：設置船長L，船寬0.1L米，深度0.625L米；流域入口距離船頭為L，流域出口距離船尾為3.5L，流域底面距離吃水線為L，船側面距離中剖面為2L；通過設置‘successive Ratio’項為大于1的數，使船體附近流域進行網格加密，遠離船體網格逐漸稀疏；邊界條件設置為：入口設為‘velociety_inlet’類型，出口為‘outflow’類型，船體上界面均為‘symmetry’類型，下界面為‘wall’類型；保存文件，將船體及流域導入到FLUENT中；

步驟S2.2將步驟S1所述非規則波浪數據導入matlab中，點擊APP功能欄的‘CurveFiting’按鈕，選擇導入的數據和擬合的方法，在結果面板得出擬合曲線的函數表達式，將表達式編譯為profile文件；

步驟S2.3打開編譯UDF對話框，定義船體轉動慣量以及設置各個自由度的開啟；在黏性模型設置面板中選擇‘SST k-omega’湍流模型；在多相流設置面板中選擇‘Volume ofFluid’兩相流計算模型；打開操作環境設置對話框‘Operating Condition’,在‘OperationPressure’項，保留大氣壓強101325Pa，選中‘Gravity’項的Y項，填入-9.18；在‘Variable-Density Parameters’項選中‘Specified Operation Density’；選擇入口邊界‘up-inlet’,設置入口速度1.5m/s；切換至標簽頁‘Multiphase’,將步驟3.2中的profile文件導入來設置波的參數；選擇出口邊界‘down-outlet’,設置湍流強度和黏度比為2％和2，其他參數保持默認；

步驟S2.4點擊‘Monitors’按鈕，選擇‘create-drag’項,并激活‘print to console’,’plot’,’write’三項；設置計算時間和步長，單擊‘Calculate’按鈕進行迭代計算。得到母船在所述非規則波浪中垂蕩速度v_a；

步驟S3：建立主動波浪補償控制系統模型:

步驟S3.1建立液壓執行系統模型，系統包括伺服放大器，伺服閥，液壓馬達，速度傳感器，卷筒；以救生艇速度v_b與母船在所述非規則波浪中垂蕩的速度v_a的差作為輸入量，串聯伺服放大器將輸入量放大，串聯伺服閥將電信號轉換成流量輸出，然后伺服閥轉化而來的流量和負載力矩傳到執行原件液壓馬達，液壓馬達的轉速對流量和負載力矩的傳遞函數分別為：

式中D_m為馬達弧度排量；θ_m為馬達轉角；為馬達轉角對時間的導數；V_t為馬達及管道總容積；β_e為有效容積彈性模量；ω_h為馬達固有頻率；ξ_h為系統阻尼比；K_ce為總流量系數；T_L為馬達扭矩；

接著液壓馬達帶動卷筒轉動達到波浪補償效果，最后速度傳感器檢測馬達的轉速反饋到船舶的輸入，形成完整的反饋控制系統；

步驟S4：利用SIMULINK對波浪補償控制系統建模與仿真：

步驟S4.1以子船速度v_b與母船在所述非規則波浪中垂蕩的速度v_a的差為輸入，打開MATLAB/SIMULINK軟件，畫出步驟S3的模型，對波浪補償控制系統仿真。