混合多浮体稳定系统数学建模与姿态稳定机理研究

Hybrid multi-body floating stabilized system(HMFSS) works on ocean surface and is consisted of several rigid body and flexible body. One of the present reseach difficulties is suppression of system attitude disturbance caused by wave fluctuations and hydrodynamic coupling. Aimed at attitude stabilization demand of HMFSS's platform, the attitude stabilization method combined with the fluctuation suppression of rigid, flexible multi-body coupling system and the system drive is proposed. First, the dynamics of HMFSS will be studied, and the mathematical model will be established.Through analysis of the effect of spacing for floating unit and its distribution on the hydrodynamic interactions within the system, the relationship between structure parameters and the performance of the system is explored, and the disturbance mechanism and rejection optimization method will be obtained. Based on non-holonomic system and control theory, the principle of system controlled object and the method of fluctuation suppression is researched. Finally, the experiment of attitude measurement of system main component within multi-source coupling wiil be done for the system performance verification and model updating. HMFSS design method and the principle of platform attitude stabilization is obtained. The disturbance method of passive hybrid multi-source combined with active drive to achieve attitude stabilization is innovative, and the results also provide new method for attitude stabilization of HMFSS. The research results can provide theoretical support for the design of small floating offshore platform.

混合多浮体稳定系统是浮于海面的一种刚、柔多体组合的平台，抑制海浪波动和水动力耦合导致的系统姿态扰动是目前研究难点。针对混合多浮体稳定系统中平台本体的姿态稳定需求，提出刚、柔多体耦合系统波动抑制与系统内驱力相结合的姿态稳定方法。首先研究混合多浮体稳定系统动力学特性，建立其数学模型。通过分析系统内各浮式单元参数对水动力相互作用的影响，探索结构参数到系统姿态的传递特性，得出系统扰动机理与抗扰动优化方法。结合非完整力学系统理论与非完整系统控制理论，研究系统受控对象内驱动原理与波动抑制方法，最后借助试验开展多源内、外力耦合时系统主要可动部件的位姿测试，进行性能验证与模型修正，获得混合多浮体稳定系统设计方法与平台本体内驱姿态稳定机理。所得结论在混合多浮体稳定系统被动多源扰动与主动内驱力结合实现姿态稳定方面有创新，为混合多浮体稳定系统的姿态稳定提供新方法，研究成果可为海上小型浮动平台的设计提供理论支撑。

本项目以水面小尺度浮动平台为对象，提出了结构紧凑、能够快速漂浮和自主稳定的多浮体平台方案。研究了柔性连接的多浮体平台扰动机理，探讨了不同系统结构参数下浮动平台的运动响应特性，基于动力学模型和工作空间，设计了浮动平台的姿态稳定控制策略及浮动平台的缩比模型实验和平台测试实验，验证了动力学模型和姿态稳定控制策略的正确性和有效性。. 研究了混合多浮体稳定系统动力学特性。分析系统内各浮式单元参数对水动力相互作用的影响，得出系统扰动机理与抗扰动优化方法。结合非完整力学系统理论与非完整系统控制理论，研究系统受控对象内驱动原理与波动抑制方法。. 提出了柔性连接的小尺度多浮体平台的建模方法。基于理想流体假设，采用莫森方程计算了多浮体结构的波浪力，通过连接点位移矢量求解了弹性连接件的回复力，建立了柔性连接的小尺度浮动平台动力学模型；分析了平台载体在三级海况下的频域和时域运动响应；分析了连接件刚度、浮囊直径和系统重心对多浮体平台系统运动响应的影响，揭示了系统的结构参数对小尺度多浮体系统运动响应的影响规律，优化了浮动平台的结构参数。. 设计了水面小尺度浮动平台的缩比模型实验和姿态稳定跟踪实验。完成了水面小尺度浮动平台的总体和各子系统设计；设计了基于缩比模型的水动力学特性实验，针对自由漂浮系统，采用移动导轨跟随缩比模型运动，研究了不同波浪条件和结构参数对系统运动响应的影响；设计了能够模拟不同扰动方向和频率的摇摆实验台，搭建了浮动平台特性测试系统，进行了实验室浮动平台姿态稳定性能测试实验；开展了浮动平台的水面稳定与目标跟踪实验，测试了浮动平台在不同扰动下的姿态稳定能力。实验结果验证了本研究所建立模型和控制策略的正确性和有效性。