自控船模的研制设计.doc
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自控船模的研制设计,摘 要本课题在传统自由自航模型基础上增加了运动姿态的自动化控制系统与数据的采集与存储系统，从而提出了“自控船模”（automatic-controlled research model of ships, arms）这样一种概念，并以其开发作为论文的主要研究内容。开发了两型自控船模系统，分别是arms-Ⅰ型与arms-...
内容介绍
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摘 要
本课题在传统自由自航模型基础上增加了运动姿态的自动化控制系统与数据的采集与存储系统，从而提出了“自控船模”（Automatic-controlled Research Model of Ships, ARMS）这样一种概念，并以其开发作为论文的主要研究内容。
开发了两型自控船模系统，分别是ARMS-Ⅰ型与ARMS-Ⅱ型。包括推进系统、操纵系统、运动控制系统与数据采集系统。船型分别是高速单体船与三体船。完成了轴系、舵系的设计与加工，主机的选型与采购、螺旋桨及舵的设计、自航实验的设计、运动控制程序与数据采集程序的编写。Ⅱ型相比Ⅰ型，主要在推进与操纵系统上进行了改进与深化研究。
进行了推进性能试验与操纵性能试验，包括静水阻力试验、自由直线自航试验与连续回转试验。并采用系统辩识的手段对实验结果进行处理，得到了KT-J关系曲线。
试验表明了自控船模系统，既可以高效率完成传统自由自航模型试验，又可以完成设计的新型实验，与系统辨识手段结合，可以对船舶综合航行性能展开研究。
该系统能够在不进行约束模型试验情况下得到操纵性方程水动力导数，可以在不进行螺旋桨敞水试验的情况下得到其水动力参数，因此，有别于任何传统的流体性能实验手段，是一种全新的实验系统，在水动力研究中拥有着良好的应用前景与发展潜力。
关键词：自控船模，推进性能试验，操纵性能试验，运动控制，数据采集，综合航行性能，水动力研究，系统辨识。
Abstract
The concept ARMS(Automatic-controlled Research Model of Ships)has been developed by adding Automatic Control System and Motion Measurement system to traditional free-running model. The thesis shows the process of how to develop ARMS.
Two types of ARMS, ARMS-Ⅰand ARMS-Ⅱ, have been developed, including the propulsion system, maneuvering system, Automatic Control System and Data Collection system. ARMS-Ⅰ is a high-speed monohull model ship and ARMS-Ⅱis a trimaran. Following work has been completed, the design and manufacture of shafting ,propellers and rudders, selections and purchase of motors and sensing device, programming of PLC and PAC and writing the test schemes.
Tests of propulsive performances and maneuverability have been carried out, including resistance tests in calm water, linear propelled test and free-running test. System identification theories are applied in the analysis of the datas. The KT-J curve is got.
The tests prove that ARMS are able to be more efficient to carry out traditional free-running model test and new types of experiments. Researches on sailing abilities of ships can be done by using ARMS, with the help of system identification theories.
ARMS are able to obtain hydrodynamic derivatives in maneuvering equations and parameters of propellers without doing captive model tests and propulsive tests. A new type of experiments has been developing by using ARMS and system identification which is potential in the researches of hydrodynamics.
Keyword: Automatic-controlled Research Model of Ships, propulsion test, maneuverability test, motion control, measurement system, sailing ability, hydrodynamic, system identification.
.
目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1 论文研究背景 1
1.1.1 船舶综合航行性能研究现状 1
1.1.2 自动化技术在船舶水动力试验中的应用 2
1.1.3 系统辨识技术在船舶水动力试验中的应用 3
1.2 论文研究的目标与意义 4
1.3 论文主要工作 6
第二章 模型的选型设计制作及实验方案的确定 7
2.1 引言 7
2.2 ARMS-Ⅰ型设计选型加工 7
2.2.1 选型 7
2.2.2 加工设计 8
2.2.3 加工 10
2.3 ARMS-Ⅱ型设计选型加工 14
2.3.1 选型 14
2.3.2 初步设计 14
2.3.3 加工设计 15
2.3.4 加工 16
2.4 试验方案的确定 19
2.4.1 概述 19
2.4.2 静水阻力试验 19
2.4.3 自由推进试验 20
2.4.4 连续回转试验 21
第三章 推进系统 22
3.1 引言 22
3.2 轴系的设计 22
3.2.1 轴系概述 22
3.2.2 主轴 23
3.2.3 中间轴 26
3.2.4 万向节 26
3.2.5 连轴器 29
3.2.6 轴套管 29
3.2.7 轴承及轴承套 30
3.2.8水密装置 31
3.3 主机的选型 34
3.4 螺旋桨的设计 35
3.4.1 已知船模的主要参数 35
3.4.2 推进因子的决定 35
3.4.3 采用 AU五叶桨K-J图谱设计 36
第四章 操纵系统 40
4.1 引言 40
4.2 舵系的设计 40
4.2.1 舵系概述 40
4.2.2 舵杆的设计 40
4.2.3 舵头 41
4.2.4 轴承套 41
4.2.5 附加装置 42
4.3 舵的设计 43
4.3.1 舵要素的选择 43
4.3.2 舵叶剖面尺寸 43
4.3.3 舵水压力及扭矩计算 44
4.3.4 尺度作用 44
4.5 轴系舵系的安装 45
第五章 运动控制系统 46
5.1 引言 46
5.2 运动执行机构 47
5.2.1 舵机 47
5.2.2 无刷电机控制箱 49
5.3 PLC简介 49
5.4 运动控制程序的编写 53
5.4.1 概述 53
5.4.2 运动控制程序框图 54
5.4.3 运动控制程序 54
5.5 硬件及外设 56
5.5.1 抗沉箱 56
5.5.2 电路接线 56
第六章 数据采集系统 58
6.1 引言 58
6.2 PAC系统 58
6.2.1 PAC的产生及发展 58
6.2.2 系统及应用软件 59
6.2.3 扩展模块 61
..
本课题在传统自由自航模型基础上增加了运动姿态的自动化控制系统与数据的采集与存储系统，从而提出了“自控船模”（Automatic-controlled Research Model of Ships, ARMS）这样一种概念，并以其开发作为论文的主要研究内容。
开发了两型自控船模系统，分别是ARMS-Ⅰ型与ARMS-Ⅱ型。包括推进系统、操纵系统、运动控制系统与数据采集系统。船型分别是高速单体船与三体船。完成了轴系、舵系的设计与加工，主机的选型与采购、螺旋桨及舵的设计、自航实验的设计、运动控制程序与数据采集程序的编写。Ⅱ型相比Ⅰ型，主要在推进与操纵系统上进行了改进与深化研究。
进行了推进性能试验与操纵性能试验，包括静水阻力试验、自由直线自航试验与连续回转试验。并采用系统辩识的手段对实验结果进行处理，得到了KT-J关系曲线。
试验表明了自控船模系统，既可以高效率完成传统自由自航模型试验，又可以完成设计的新型实验，与系统辨识手段结合，可以对船舶综合航行性能展开研究。
该系统能够在不进行约束模型试验情况下得到操纵性方程水动力导数，可以在不进行螺旋桨敞水试验的情况下得到其水动力参数，因此，有别于任何传统的流体性能实验手段，是一种全新的实验系统，在水动力研究中拥有着良好的应用前景与发展潜力。
关键词：自控船模，推进性能试验，操纵性能试验，运动控制，数据采集，综合航行性能，水动力研究，系统辨识。
Abstract
The concept ARMS(Automatic-controlled Research Model of Ships)has been developed by adding Automatic Control System and Motion Measurement system to traditional free-running model. The thesis shows the process of how to develop ARMS.
Two types of ARMS, ARMS-Ⅰand ARMS-Ⅱ, have been developed, including the propulsion system, maneuvering system, Automatic Control System and Data Collection system. ARMS-Ⅰ is a high-speed monohull model ship and ARMS-Ⅱis a trimaran. Following work has been completed, the design and manufacture of shafting ,propellers and rudders, selections and purchase of motors and sensing device, programming of PLC and PAC and writing the test schemes.
Tests of propulsive performances and maneuverability have been carried out, including resistance tests in calm water, linear propelled test and free-running test. System identification theories are applied in the analysis of the datas. The KT-J curve is got.
The tests prove that ARMS are able to be more efficient to carry out traditional free-running model test and new types of experiments. Researches on sailing abilities of ships can be done by using ARMS, with the help of system identification theories.
ARMS are able to obtain hydrodynamic derivatives in maneuvering equations and parameters of propellers without doing captive model tests and propulsive tests. A new type of experiments has been developing by using ARMS and system identification which is potential in the researches of hydrodynamics.
Keyword: Automatic-controlled Research Model of Ships, propulsion test, maneuverability test, motion control, measurement system, sailing ability, hydrodynamic, system identification.
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目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1 论文研究背景 1
1.1.1 船舶综合航行性能研究现状 1
1.1.2 自动化技术在船舶水动力试验中的应用 2
1.1.3 系统辨识技术在船舶水动力试验中的应用 3
1.2 论文研究的目标与意义 4
1.3 论文主要工作 6
第二章 模型的选型设计制作及实验方案的确定 7
2.1 引言 7
2.2 ARMS-Ⅰ型设计选型加工 7
2.2.1 选型 7
2.2.2 加工设计 8
2.2.3 加工 10
2.3 ARMS-Ⅱ型设计选型加工 14
2.3.1 选型 14
2.3.2 初步设计 14
2.3.3 加工设计 15
2.3.4 加工 16
2.4 试验方案的确定 19
2.4.1 概述 19
2.4.2 静水阻力试验 19
2.4.3 自由推进试验 20
2.4.4 连续回转试验 21
第三章 推进系统 22
3.1 引言 22
3.2 轴系的设计 22
3.2.1 轴系概述 22
3.2.2 主轴 23
3.2.3 中间轴 26
3.2.4 万向节 26
3.2.5 连轴器 29
3.2.6 轴套管 29
3.2.7 轴承及轴承套 30
3.2.8水密装置 31
3.3 主机的选型 34
3.4 螺旋桨的设计 35
3.4.1 已知船模的主要参数 35
3.4.2 推进因子的决定 35
3.4.3 采用 AU五叶桨K-J图谱设计 36
第四章 操纵系统 40
4.1 引言 40
4.2 舵系的设计 40
4.2.1 舵系概述 40
4.2.2 舵杆的设计 40
4.2.3 舵头 41
4.2.4 轴承套 41
4.2.5 附加装置 42
4.3 舵的设计 43
4.3.1 舵要素的选择 43
4.3.2 舵叶剖面尺寸 43
4.3.3 舵水压力及扭矩计算 44
4.3.4 尺度作用 44
4.5 轴系舵系的安装 45
第五章 运动控制系统 46
5.1 引言 46
5.2 运动执行机构 47
5.2.1 舵机 47
5.2.2 无刷电机控制箱 49
5.3 PLC简介 49
5.4 运动控制程序的编写 53
5.4.1 概述 53
5.4.2 运动控制程序框图 54
5.4.3 运动控制程序 54
5.5 硬件及外设 56
5.5.1 抗沉箱 56
5.5.2 电路接线 56
第六章 数据采集系统 58
6.1 引言 58
6.2 PAC系统 58
6.2.1 PAC的产生及发展 58
6.2.2 系统及应用软件 59
6.2.3 扩展模块 61
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