摘 要
本課題在傳統(tǒng)自由自航模型基礎(chǔ)上增加了運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)，從而提出了“自控船?！保ˋutomatic-controlled Research Model of Ships, ARMS）這樣一種概念，并以其開發(fā)作為論文的主要研究?jī)?nèi)容。
開發(fā)了兩型自控船模系統(tǒng)，分別是ARMS-Ⅰ型與ARMS-Ⅱ型。包括推進(jìn)系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。船型分別是高速單體船與三體船。完成了軸系、舵系的設(shè)計(jì)與加工，主機(jī)的選型與采購(gòu)、螺旋槳及舵的設(shè)計(jì)、自航實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制程序與數(shù)據(jù)采集程序的編寫。Ⅱ型相比Ⅰ型，主要在推進(jìn)與操縱系統(tǒng)上進(jìn)行了改進(jìn)與深化研究。
進(jìn)行了推進(jìn)性能試驗(yàn)與操縱性能試驗(yàn)，包括靜水阻力試驗(yàn)、自由直線自航試驗(yàn)與連續(xù)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。并采用系統(tǒng)辯識(shí)的手段對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到了KT-J關(guān)系曲線。
試驗(yàn)表明了自控船模系統(tǒng)，既可以高效率完成傳統(tǒng)自由自航模型試驗(yàn)，又可以完成設(shè)計(jì)的新型實(shí)驗(yàn)，與系統(tǒng)辨識(shí)手段結(jié)合，可以對(duì)船舶綜合航行性能展開研究。
該系統(tǒng)能夠在不進(jìn)行約束模型試驗(yàn)情況下得到操縱性方程水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，可以在不進(jìn)行螺旋槳敞水試驗(yàn)的情況下得到其水動(dòng)力參數(shù)，因此，有別于任何傳統(tǒng)的流體性能實(shí)驗(yàn)手段，是一種全新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在水動(dòng)力研究中擁有著良好的應(yīng)用前景與發(fā)展?jié)摿Α?br>關(guān)鍵詞：自控船模，推進(jìn)性能試驗(yàn)，操縱性能試驗(yàn)，運(yùn)動(dòng)控制，數(shù)據(jù)采集，綜合航行性能，水動(dòng)力研究，系統(tǒng)辨識(shí)。


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 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第一章　緒論 1
1.1 論文研究背景 1
1.1.1 船舶綜合航行性能研究現(xiàn)狀 1
1.1.2 自動(dòng)化技術(shù)在船舶水動(dòng)力試驗(yàn)中的應(yīng)用 2
1.1.3 系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)在船舶水動(dòng)力試驗(yàn)中的應(yīng)用 3
1.2 論文研究的目標(biāo)與意義 4
1.3 論文主要工作 6
第二章　模型的選型設(shè)計(jì)制作及實(shí)驗(yàn)方案的確定 7
2.1 引言 7
2.2 ARMS-Ⅰ型設(shè)計(jì)選型加工 7
2.2.1 選型 7
2.2.2 加工設(shè)計(jì) 8
2.2.3 加工 10
2.3 ARMS-Ⅱ型設(shè)計(jì)選型加工 14
2.3.1 選型 14
2.3.2 初步設(shè)計(jì) 14
2.3.3 加工設(shè)計(jì) 15
2.3.4 加工 16
2.4 試驗(yàn)方案的確定 19
2.4.1 概述 19
2.4.2 靜水阻力試驗(yàn) 19
2.4.3 自由推進(jìn)試驗(yàn) 20
2.4.4 連續(xù)回轉(zhuǎn)試驗(yàn) 21
第三章　推進(jìn)系統(tǒng) 22
3.1 引言 22
3.2 軸系的設(shè)計(jì) 22
3.2.1 軸系概述 22
3.2.2 主軸 23
3.2.3 中間軸 26
3.2.4 萬(wàn)向節(jié) 26
3.2.5 連軸器 29
3.2.6 軸套管 29
3.2.7 軸承及軸承套 30
3.2.8水密裝置 31
3.3 主機(jī)的選型 34
3.4 螺旋槳的設(shè)計(jì) 35
3.4.1 已知船模的主要參數(shù) 35
3.4.2 推進(jìn)因子的決定 35
3.4.3 采用 AU五葉槳K-J圖譜設(shè)計(jì) 36
第四章　操縱系統(tǒng) 40
4.1 引言 40
4.2 舵系的設(shè)計(jì) 40
4.2.1 舵系概述 40
4.2.2 舵桿的設(shè)計(jì) 40
4.2.3 舵頭 41
4.2.4 軸承套 41
4.2.5 附加裝置 42
4.3 舵的設(shè)計(jì) 43
4.3.1 舵要素的選擇 43
4.3.2 舵葉剖面尺寸 43
4.3.3 舵水壓力及扭矩計(jì)算 44
4.3.4 尺度作用 44
4.5 軸系舵系的安裝 45
第五章　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 46
5.1 引言 46
5.2 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 47
5.2.1 舵機(jī) 47
5.2.2 無(wú)刷電機(jī)控制箱 49
5.3 PLC簡(jiǎn)介 49
5.4 運(yùn)動(dòng)控制程序的編寫 53
5.4.1 概述 53
5.4.2 運(yùn)動(dòng)控制程序框圖 54
5.4.3 運(yùn)動(dòng)控制程序 54
5.5 硬件及外設(shè) 56
5.5.1 抗沉箱 56
5.5.2 電路接線 56
第六章　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 58
6.1 引言 58
6.2 PAC系統(tǒng) 58
6.2.1 PAC的產(chǎn)生及發(fā)展 58
6.2.2 系統(tǒng)及應(yīng)用軟件 59
6.2.3 擴(kuò)展模塊 61
6.2.4 PAC在研究領(lǐng)域的應(yīng)用情況 61
6.3 各型傳感器 62
6.3.1 加速度傳感器 62
6.3.2 功率測(cè)功儀 63
6.4 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量 63
第七章　推進(jìn)性能試驗(yàn) 65
7.1 引言 65
7.2 ARMS-Ⅰ型阻力實(shí)驗(yàn) 65
7.2.1 試驗(yàn)場(chǎng)所 65
7.2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備 65
7.2.3 實(shí)驗(yàn)方案 66
7.2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 67
7.2.5 數(shù)據(jù)處理 67
7.3 ARMS-Ⅱ型阻力實(shí)驗(yàn) 68
7.3.1 概述 68
7.3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 70
7.3...