[发明专利]非规则波浪的主动补偿控制方法

权利要求书

1.非规则波浪的主动补偿控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

步骤1：基于CFD方法，在FLUENT平台采用推板造波的方法模拟数值水池中的非规则波浪:

步骤S1.1使用GAMBIT软件对数值水池网格划分：数值水池长10米，宽2米，水面的位置为0.5米；设置数值水池的边界类型：左侧为推板，边界类型为‘wall’类型，右侧壁边界类型为‘wall’类型，水槽底部边界类型为‘symmetry’类型，上方为与空气连通的开放区域,边界类型为‘pressure out’类型；将生成的网格导入到软件FLUENT中；在‘Viscous Model’设置面板中选择‘k-εstandard’湍流模型；在多相流设置面板中选择‘Volume of Fluid’两相流计算模型，并选择‘Geo-Reconstruct’作为自由面的重构方式；其中‘Volume of Fluid’模型是用网格单元中流体和网格体积比函数f确定自由面，假定流场中，任意单元坐标为(x,y)，定义函数f(x,y,t)如下：

通过每个单元格每个时刻的f(x,y,t)值来追踪流体的变化；

步骤S1.2使用瞬态Profile文件定义数值水池的左侧推板运动,设置每个时刻的速度，周期，总时长；在监测面板选择监测相界面，即海浪高度；

步骤S1.3 CFD模型只考虑为质量守恒方程和动量守恒方程：

质量守恒方程为

动量守恒方程为

式中ρ是密度，t是时间，u是速度矢量，S_u,S_v,S_w是动量守恒方程的广义源项，其中u,v,w分别是速度矢量u在x,y,z方向上的分量，μ是动力粘度；基于CFD技术，利用FLUENT软件求解，单击‘Calculate’按钮，监测波浪随时间变化，得到非规则波浪垂荡的数据；

步骤S2：结合三维动网格技术，获取船舶在所述非规则波浪中的垂荡数据:

步骤S2.1以Wigley船模作为母船，采用GAMBIT划分网格：设置船长L，船宽0.1L米，深度0.625L米；流域入口距离船头为L，流域出口距离船尾为3.5L，流域底面距离吃水线为L，船侧面距离中剖面为2L；通过设置‘successive Ratio’项为大于1的数，使船体附近流域进行网格加密，远离船体网格逐渐稀疏；边界条件设置为：入口设为‘velociety_inlet’类型，出口为‘outflow’类型，船体上界面均为‘symmetry’类型，下界面为‘wall’类型；保存文件，将船体及流域导入到FLUENT中；

步骤S2.2将步骤S1所述非规则波浪数据导入matlab中，点击APP功能栏的‘CurveFiting’按钮，选择导入的数据和拟合的方法，在结果面板得出拟合曲线的函数表达式，将表达式编译为profile文件；

步骤S2.3打开编译UDF对话框，定义船体转动惯量以及设置各个自由度的开启；在黏性模型设置面板中选择‘SST k-omega’湍流模型；在多相流设置面板中选择‘Volume ofFluid’两相流计算模型；打开操作环境设置对话框‘Operating Condition’,在‘OperationPressure’项，保留大气压强101325Pa，选中‘Gravity’项的Y项，填入-9.18；在‘Variable-Density Parameters’项选中‘Specified Operation Density’；选择入口边界‘up-inlet’,设置入口速度1.5m/s；切换至标签页‘Multiphase’,将步骤3.2中的profile文件导入来设置波的参数；选择出口边界‘down-outlet’,设置湍流强度和黏度比为2％和2，其他参数保持默认；

步骤S2.4点击‘Monitors’按钮，选择‘create-drag’项,并激活‘print to console’,’plot’,’write’三项；设置计算时间和步长，单击‘Calculate’按钮进行迭代计算。得到母船在所述非规则波浪中垂荡速度v_a；

步骤S3：建立主动波浪补偿控制系统模型:

步骤S3.1建立液压执行系统模型，系统包括伺服放大器，伺服阀，液压马达，速度传感器，卷筒；以救生艇速度v_b与母船在所述非规则波浪中垂荡的速度v_a的差作为输入量，串联伺服放大器将输入量放大，串联伺服阀将电信号转换成流量输出，然后伺服阀转化而来的流量和负载力矩传到执行原件液压马达，液压马达的转速对流量和负载力矩的传递函数分别为：

式中D_m为马达弧度排量；θ_m为马达转角；为马达转角对时间的导数；V_t为马达及管道总容积；β_e为有效容积弹性模量；ω_h为马达固有频率；ξ_h为系统阻尼比；K_ce为总流量系数；T_L为马达扭矩；

接着液压马达带动卷筒转动达到波浪补偿效果，最后速度传感器检测马达的转速反馈到船舶的输入，形成完整的反馈控制系统；

步骤S4：利用SIMULINK对波浪补偿控制系统建模与仿真：

步骤S4.1以子船速度v_b与母船在所述非规则波浪中垂荡的速度v_a的差为输入，打开MATLAB/SIMULINK软件，画出步骤S3的模型，对波浪补偿控制系统仿真。