孫一方，宗智*,2,3，姜宜辰,2

1 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024

2 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240

3 遼寧深海浮動(dòng)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024

0 引 言

隨著世界各國經(jīng)濟(jì)和軍事的發(fā)展，人們對船舶快速性和耐波性的要求越來越高，諸如深V 單體船[1]、小水線面雙體船[2]、穿浪雙體船[3]、高速三體船[4]等高性能船舶也應(yīng)運(yùn)而生。但是，在高速航行或者遭遇惡劣海況時(shí)，高性能船容易產(chǎn)生大幅度的搖蕩運(yùn)動(dòng)，引起失速、艏部砰擊、船體結(jié)構(gòu)損壞、乘員暈船[5]等，對船上設(shè)備的運(yùn)行和航行安全造成不利的影響。因此，為了保證其在高速、高海況航行時(shí)依然具有良好的耐波性、快速性和穩(wěn)性等綜合性能，在船體上安裝減搖附體成為一種重要手段[6]。目前，高性能船上安裝的減搖附體主要包括半潛艏、T 型翼、艉壓浪板和擾流板等。

半潛艏由日本學(xué)者木原和之在上世紀(jì)80 年代中期提出[7]，安裝于船艏底部。模型試驗(yàn)和實(shí)船測試表明，加裝半潛艏可以有效降低運(yùn)動(dòng)響應(yīng)峰值區(qū)域附近的縱搖角和艏加速度，降幅高達(dá)40%。但是半潛艏排水量約占全船的15%，船舶濕表面積會(huì)增加約10%。此外，半潛艏會(huì)使船艏變大，增加船舶阻力，這與多體高速船的設(shè)計(jì)目標(biāo)不符，因此高速多體船上很少有這種設(shè)計(jì)。

T 型翼屬于水翼的一種。該翼型最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)90 年代，安裝于船艏底部龍骨下方[8]，由水平翼和垂直翼兩部分組成。在船舶航行時(shí)，會(huì)有效增加船舶的縱向阻尼，繼而降低縱搖以及垂蕩的運(yùn)動(dòng)幅度。同時(shí)調(diào)整其水平翼的擺角可以產(chǎn)生升力，增加減搖效果。與傳統(tǒng)水翼相比，安裝在船底的T 型翼有著更大的浸深，產(chǎn)生的湍流遠(yuǎn)離船底板，可避免產(chǎn)生空泡或吸氣效應(yīng)，增阻效果不明顯。引入可回收裝置可以大大減少其維護(hù)成本，延長使用壽命。

艉壓浪板于上世紀(jì)80 年代開始應(yīng)用于美軍高速水面艦艇[9]，它通過改善艉后興波及增加船舶虛長度來減小興波阻力。實(shí)際應(yīng)用表明，艉壓浪板有很好的減阻效果，同樣航速下，可將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低19%，最高航速增加1 kn。除了減阻效果外，艉壓浪板也有一定的減搖效果。西班牙馬德里大學(xué)于1997 年對艉壓浪板的減搖效果進(jìn)行了船模試驗(yàn)，結(jié)果表明，在不規(guī)則波下使用艉壓浪板會(huì)使船模的縱向運(yùn)動(dòng)幅度降低10%左右。

艉擾流板是上世紀(jì)90 年代提出的一種新型減搖設(shè)備[10]，其安裝于船舶艉部，對其前方一定區(qū)域內(nèi)的水流起到阻滯作用，繼而改變流場以及船底部壓力分布，產(chǎn)生升力來調(diào)整船舶航行時(shí)的縱傾角度，達(dá)到改善航態(tài)和降低船舶阻力的作用。與壓浪板相似，擾流板也有一定的減搖效果。目前艉壓浪板大多應(yīng)用在小型游艇上，在大型高速船舶應(yīng)用方面主要處于科學(xué)研究和技術(shù)儲(chǔ)備階段。

將主動(dòng)控制程序引入減搖附體控制系統(tǒng)可以隨著船舶航態(tài)的改變實(shí)時(shí)地對以上附體進(jìn)行控制（自動(dòng)調(diào)節(jié)T 型翼和艉壓浪板的擺角、艉擾流板的伸出長度等），可以顯著增加附體的恢復(fù)力（矩），提高其減搖效果。世界上首個(gè)裝配于雙體船的水翼自動(dòng)控制系統(tǒng)由挪威Fjellstrand 公司于1991 年推出[11]，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶運(yùn)動(dòng)并通過調(diào)整水翼的擺角來降低船艏的垂向運(yùn)動(dòng)。實(shí)船試驗(yàn)表明，在3 m 波高下使用90%的動(dòng)力即可保持40 kn 的高航速。該系統(tǒng)已在多艘實(shí)船上應(yīng)用。1992 年，挪威Harding 公司為一艘35 m 雙體船加裝了3 副可控水翼[12]，分別布置于雙體船槽道中央以及2 個(gè)片體后方，實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可以有效提高雙體船的適航性。21 世紀(jì)以來，Esteban 等[13]對T 型翼和艉壓浪板的組合進(jìn)行了研究，并將其安裝于高速渡輪船模上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，使用主動(dòng)式T 型翼和艉壓浪板可使船的垂向加速度降低65%。此外，澳大利亞INCAT 公司為美國的JHSV 雙體船和西班牙的穿浪雙體船都設(shè)計(jì)了航態(tài)控制系統(tǒng)（Ride Control System, RCS），該系統(tǒng)由2 個(gè)艉擾流板和1 個(gè)可收回的艏部T 型翼組成，以控制高海況下雙體船的縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)。

總體而言，智能化是未來船舶發(fā)展的重要課題，要求船舶的附體可以根據(jù)實(shí)際遭遇的海況而實(shí)時(shí)改變位置或擺角。對于減搖附體控制系統(tǒng)的研究主要包含了附體控制策略和船舶運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)2 大部分，主要采用數(shù)值計(jì)算、水池試驗(yàn)和實(shí)船試驗(yàn)用這3 種方式。本文將對船舶在波浪上運(yùn)動(dòng)與控制的發(fā)展進(jìn)行綜述，包含數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)2 大部分，并在最后對相關(guān)研究進(jìn)行展望。

1 數(shù)值計(jì)算研究

1.1 船舶運(yùn)動(dòng)的計(jì)算方法

對船舶耐波性數(shù)值計(jì)算的研究始于20 世紀(jì)50 年代，Korvin-Kroukovsky[14]在空氣動(dòng)力學(xué)中細(xì)長體理論的基礎(chǔ)上將船舶勢流理論中的三維問題化簡為二維問題，初期只能計(jì)算迎浪情況下的升沉和縱搖運(yùn)動(dòng)。隨后，Tasai[15]，Grim 和Schenzle[16]將該方法推廣到了斜浪和橫向運(yùn)動(dòng)中，即普通切片法（Ordinary Strip Method, OSM）。20 世紀(jì)70 年代，Salvesen 等[17]在此基礎(chǔ)上提出了基于細(xì)長體假設(shè)和高頻低速假設(shè)的Salvesen-Tuck-Faltinsen（STF）切片理論，引入了繞射勢，以考慮船體對入射波流場的影響，繼而實(shí)現(xiàn)了船舶在波浪上迎浪和斜浪下各種搖蕩運(yùn)動(dòng)（除縱蕩外）的求解。鑒于傳統(tǒng)切片理論僅適合于計(jì)算低弗汝德數(shù)條件下船體的運(yùn)動(dòng)，Chapman[18]提出了高速細(xì)長體理論（2.5D 理論），此后Faltinsen 和Zhao[19]將其推廣到可以求解任意細(xì)長體船型在高速下的水動(dòng)力問題，該方法在切片理論的基礎(chǔ)上保持了三維有航速的自由面條件，以反映航速的影響。Duan 等[20]將2.5D 理論的定解問題看作二維時(shí)域的物面非線性問題，通過格林函數(shù)的記憶效應(yīng)來考慮自由面的三維效應(yīng)，提高了2.5D 理論求解水動(dòng)力問題的效率和穩(wěn)定性。Ma 等[21]采用時(shí)域格林函數(shù)方法求解斜浪中單體和多體船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和波浪載荷，將計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果和STF 方法進(jìn)行了比較，并將頻域內(nèi)線性2.5D 理論進(jìn)行擴(kuò)展，求解了船舶航行于迎浪大幅規(guī)則波中時(shí)的垂向非線性運(yùn)動(dòng)和波浪誘導(dǎo)載荷響應(yīng)。這些基于勢流理論的方法有著計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其忽略了黏性的作用，未考慮船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)大幅度的運(yùn)動(dòng)、船體附近破波現(xiàn)象等非線性因素，而這些因素有時(shí)會(huì)對船舶在波浪上的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生顯著影響。

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）是求解黏性流場中船舶運(yùn)動(dòng)的重要方法，其過程主要是通過不同的湍流模型求解雷諾時(shí)均方程（Reynolds Averaged Navier-Stokes, RANS）的方法，求解思想是將計(jì)算域劃分為若干網(wǎng)格，在網(wǎng)格上對方程進(jìn)行離散，將偏微分方程簡化為代數(shù)方程組。上世紀(jì)70 年代時(shí)大多是在勢流理論的基礎(chǔ)上利用邊界層理論來計(jì)算粘流。1978 年，Abdelmeguid 等[22]基于傳熱問題求解了船舶的三維黏性繞流問題。1980 年代，對黏性流的計(jì)算逐漸發(fā)展起來。Patel[23]通過流場試驗(yàn)的測量結(jié)果，從物理上分析闡明了船舶CFD 數(shù)值方法應(yīng)采用何種近似方法，該階段的CFD 是基于簡化的RANS 方程。上世紀(jì)90 年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，大量基于CFD 的軟件被用于求解船舶耐波性問題，包括船艏破波[24]、船舶數(shù)值水池、黏性流場中的船舶運(yùn)動(dòng)[25]、帶附體和螺旋槳船舶附近的流場[26]等。Castiglione 等[27]完成的數(shù)值預(yù)報(bào)與試驗(yàn)結(jié)果的對比研究表明，非穩(wěn)態(tài)RANS（Unsteady RANS，URANS）方法可以有效模擬高航速和復(fù)雜海況下的多體船運(yùn)動(dòng)問題。Deng 等[28]、梁洪光[29]、邱永吉[30]等均采用CFD 方法計(jì)算了被動(dòng)式T 型翼對三體船阻力和耐波性的影響。但由于船舶附體（如舭龍骨、T 型翼）的邊緣部分對網(wǎng)格質(zhì)量要求較高，CFD 方法需要大量的計(jì)算時(shí)間。

Yeung 等[31]提出了自由表面隨機(jī)渦方法（Free Surface Random Vortex Method, FSRVM），結(jié)合船舶2.5D 理論以及離散渦法，推導(dǎo)出了適用的非線性自由水面邊界條件、瞬時(shí)水下物面上不可穿透和無滑移條件、邊界積分方程和載荷的計(jì)算公式，建立了可以模擬多體高速船在波浪中多自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值模型[32]，在時(shí)域內(nèi)可預(yù)報(bào)多體高速船在迎浪或斜浪下的垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)、自由表面興波以及運(yùn)動(dòng)控制裝置的減搖減蕩作用。Jiang等[33]在整體模型中建立了各個(gè)運(yùn)動(dòng)控制裝置的子模型，子模型根據(jù)多體船狀態(tài)計(jì)算運(yùn)動(dòng)控制裝置作用于多體船的載荷，并將載荷傳遞到多體船總的運(yùn)動(dòng)方程中。該方法提出的數(shù)值模型采用了一種虛擬的擴(kuò)展速度概念，用來模擬船舶航速對二維平面流體的影響。圖1 和圖2 所示為二維計(jì)算平面模型和擴(kuò)展速度的示意圖。圖中：pex為施加于某一區(qū)域自由表面上用于造波的額外壓強(qiáng)分布函數(shù)；βh為入射波的無旋復(fù)速度勢；?Df為自由表面邊界；?Db為物面邊界；?D∑為無窮遠(yuǎn)邊界；（xbO,i，ybO,i）為動(dòng)坐標(biāo)系下點(diǎn)的坐標(biāo)；Unχ為船體表面某點(diǎn)的法向向量沿船長方向的速度分量。船舶在穿過某一固定平面時(shí)，與平面相切的船體輪廓會(huì)不斷發(fā)生變化，當(dāng)前時(shí)刻物面上的流體微團(tuán)會(huì)被推至下一時(shí)刻的物面上，以滿足不可穿透條件。該方法以無網(wǎng)格的方式，高效地求解了這一復(fù)雜問題，有效克服了數(shù)值黏性和畸形單元等問題。作為一種降階方法，其與傳統(tǒng)網(wǎng)格化計(jì)算流體力學(xué)方法相比，在計(jì)算時(shí)間上具有很大優(yōu)勢，同時(shí)保持了較高的計(jì)算精度。

圖 1 二維計(jì)算平面模型Fig. 1 The model of a two-dimensional computational plane

1.2 控制信號的研究

附體減搖系統(tǒng)控制信號的研究是整個(gè)減搖系統(tǒng)的基礎(chǔ)，直接決定了整套控制系統(tǒng)的作用效果。因此，對比采用不同控制信號控制T 型翼的擺角對船舶運(yùn)動(dòng)的減搖效果顯得非常重要。Fang 等[34]針對小水線面雙體船（Small Water-plane Area Twin Hull, SWATH）船型，提出采用縱搖角速度信號控制穩(wěn)定鰭的擺角來減小船在航行時(shí)的縱搖角。2012 年，孔衛(wèi)[35]基于切片理論對某深V 型快速渡輪進(jìn)行了水動(dòng)力求解，其分別采用縱搖角速度信號和垂蕩速度信號這2 種控制策略實(shí)現(xiàn)了擺角在0°，15°和30°這3 個(gè)值的實(shí)時(shí)變化，并計(jì)算了航速在20 和40 kn 時(shí)上述2 種控制策略下船的垂蕩和縱搖響應(yīng)。結(jié)果表明，采用縱搖角速度信號控制策略對縱搖角的減搖更為明顯，而采用垂蕩速度信號控制策略對垂蕩運(yùn)動(dòng)的減搖更明顯。劉冰[36]采用勢流理論對某高速雙體船進(jìn)行了水動(dòng)力計(jì)算并構(gòu)建了T 型翼和擾流板的升力模型，在擺角的控制策略方面，利用仿真技術(shù)，采用縱搖角、縱搖角速度和縱搖角加速度聯(lián)合控制的方式計(jì)算了減搖效果，結(jié)果表明，采用主動(dòng)控制策略后垂蕩與縱搖的最大減搖幅值可達(dá)50%。2017年，Javad 等[37]基于靜水中的模型試驗(yàn)提出了一種非線性控制方法（即當(dāng)模型運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)立即讓T 型翼和壓浪板的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)到反向最大值，類似于階躍控制），并將其與采用縱搖角速度信號、垂蕩速度信號控制T 型翼和艉壓浪板的擺角時(shí)船模在規(guī)則波上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對比，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用非線性控制具有更好的減搖效果，并且采用垂蕩速度控制附體擺角更有利于控制船模的垂蕩位移；相應(yīng)的，采用縱搖角速度控制附體擺角更適合減少船模的縱搖響應(yīng)。2018 年，孫一方等[38]以Wigley船型為研究對象，基于自由表面隨機(jī)渦法計(jì)算了時(shí)域中不同航速下船的垂蕩、縱搖和艏加速度值。通過對力矩控制策略進(jìn)行分析，采用縱搖角、角速度和角加速度分別對T 型翼擺角進(jìn)行控制，提出并計(jì)算了各工況下各控制信號的增益系數(shù)，將計(jì)算結(jié)果與無T 型翼的裸船模進(jìn)行了對比，試驗(yàn)結(jié)果表明，低速時(shí)采用縱搖角信號作為T 型翼的控制信號具有更好的減搖效果，而在中、高速情況下采用縱搖角速度信號控制T 型翼的擺角在多數(shù)情況下減搖效果更好。

1.3 船舶縱向運(yùn)動(dòng)控制方法研究

Ziegler 和Nichols[39]設(shè)計(jì)了比例、積分、微分（PID）控制器，并將其應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中。因其具有穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于船舶的運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中[40]。1995 年，Haywood 等[41-42]設(shè)計(jì)完成了高速單體船的航態(tài)控制系統(tǒng)，包含T 型翼、水翼、艉壓浪板、擾流板等減搖附體，并對其制造成本、易用性、維護(hù)和制造材料等進(jìn)行了總結(jié)分析[43]。鑒于PID 控制需要根據(jù)不同工況（航速、海況等因素）實(shí)時(shí)改變控制增益系數(shù)，需要消耗大量的人力和時(shí)間成本，傅京孫提出了“智能控制”[44]這一概念，即實(shí)現(xiàn)無需人工干預(yù)、由機(jī)器自主達(dá)成預(yù)定目標(biāo)的自動(dòng)控制。此后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和模糊控制等智能控制算法相繼出現(xiàn)并應(yīng)用到了船舶運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中。Akhyar和Omatu[45]針對傳統(tǒng)PID 控制的不足，采用了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來整定PID 控制參數(shù)。Fang 等[40]將自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器引入到了減搖鰭對船舶橫搖的控制系統(tǒng)中，結(jié)果表明，與遺傳算法獲得的PID 控制系數(shù)相比，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器在規(guī)則波和不規(guī)則波中的減橫搖效果更好。

1.3.1 國外研究進(jìn)展

1994 年，S?rensen 等[46]基于無源系統(tǒng)理論開發(fā)了一種分布式航態(tài)控制系統(tǒng)（Distributed Ride Control System, DRCS），并設(shè)計(jì)了比例壓力反饋控制器，以提高附體對船舶垂蕩和縱搖加速度的阻尼作用，改善船舶的耐波性。Giron-Sierra 等[47-48]利用PID 控制實(shí)現(xiàn)了對高速單體船上裝備T 型翼和艉壓浪板的船模的控制，測試了不同控制參數(shù)下PID 控制器的控制效果，仿真計(jì)算表明，加裝主動(dòng)控制系統(tǒng)的減搖附體可以比被動(dòng)控制情況下減搖效果提高25%。隨后，Esteban 等[49]利用主動(dòng)控制艉板和T 型翼對某高速單體渡輪的垂向加速度進(jìn)行了限制，通過PID 控制仿真得到了不同控制系數(shù)時(shí)垂向加速度最大值（WVA）的減搖效果，發(fā)現(xiàn)在較高的比例增益下，積分控制項(xiàng)對結(jié)果影響不大，于是將PID 控制簡化為了PD 控制。2001 年，該團(tuán)隊(duì)在通過CFD 計(jì)算船舶水動(dòng)力系數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了波浪、力、運(yùn)動(dòng)之間的傳遞函數(shù)，使用Matlab 的Simulink 模塊對該船的運(yùn)動(dòng)與控制進(jìn)行了數(shù)值仿真[50]，并通過模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[51]。2002 年，Giron-Sierra 等[52]引入濾波算法和時(shí)變松弛法（Time Variant Relax，TVR），對傳統(tǒng)的PD 控制進(jìn)行了改進(jìn)。計(jì)算結(jié)果表明，控制附體除了減小暈船率（Motion Sickness Incidence,MSI）之外，還應(yīng)該考慮其他優(yōu)化目標(biāo)，例如減少船體振動(dòng)和執(zhí)行器的操作頻率、避免空化。同年，該團(tuán)隊(duì)通過遺傳算法對控制策略進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化[53]。2003 年，Giron-Sierra 等[54]采用完全面向控制的模型（Control-oriented model）研究了高速船的PID 控制問題，結(jié)果表明，主動(dòng)控制附體對波浪中船舶航態(tài)的穩(wěn)定有重要作用。隨后，Esteban 等[55]改進(jìn)了該垂向運(yùn)動(dòng)的控制模型，計(jì)算結(jié)果表明，引入主動(dòng)控制的減搖附體后，船舶在高速高海況下的垂向加速度可降低65%，暈船率可減小35%。與此同時(shí)，Sclavounos 等[56]采用三維Rankine 面元法研究了高速單體船的耐波性，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，安裝于艏部的水翼可減少不規(guī)則波中（Jonswap 譜）多達(dá)50%的垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)。

2001 年，Aranda 等[57]采用了不同的附體控制策略（包括傳統(tǒng)PID 控制和采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化）來降低高速單體船的暈船率。結(jié)果表明，在高海況時(shí)波浪引起的垂向加速度更高，并且由于需要提供更大的恢復(fù)力（矩）來對抗垂向波浪力，附體的減搖效果有所降低。隨后在2005 年，又研究了使用多變量魯棒控制器來降低船舶航行時(shí)的暈船率[58]。Díaz 等[59-60]利用定量反饋理論（Quantitative Feedback Theory, QFT）設(shè)計(jì)了一種單變量的魯棒控制器，可以有效減少高速船的垂向運(yùn)動(dòng)和暈船率。此外，De La Cruz 等[61]使用模糊控制理論，在不同的航速和海況下較大限度地改善了船舶的耐波性。López 等[62-63]將神經(jīng)模糊控制系統(tǒng)推廣到了對T 型翼和艉壓浪板的控制中，規(guī)則波和不規(guī)則波中附體減搖的仿真結(jié)果表明，該控制策略可以降低暈船率，并對船舶運(yùn)動(dòng)起到良好的預(yù)測作用?？傊?，Giron-Sierra 等[64-68]開展的附體控制策略和多目標(biāo)優(yōu)化研究大大改善了高速單體渡輪的耐波性并且降低了暈船率，與傳統(tǒng)PID控制相比，解決了船舶縱向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的非線性以及實(shí)際海洋條件下的干擾問題。但是，其閉環(huán)控制系統(tǒng)也存在控制精度低、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力差的缺點(diǎn)。而基于傳統(tǒng)PID 算法的控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)容易整定等一系列優(yōu)點(diǎn)，依然在實(shí)際船舶減搖系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

Xi 等[69]研究了采用壓浪板的減搖控制系統(tǒng)。首先以固定角度研究了其開環(huán)運(yùn)動(dòng)特性，然后采用線性控制器，解決了非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、干擾因素多的問題。2011 年，Hughes 等[70]采用大振幅運(yùn)動(dòng)程序（Large Amplitude Motion Program, LAMP）針對某高速穿浪雙體船開發(fā)了基于PID 控制的航態(tài)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于時(shí)域勢流理論求解三維波浪對船體的水動(dòng)力和剛體動(dòng)力問題，并通過與模型試驗(yàn)結(jié)果對比驗(yàn)證了方法的有效性。研究結(jié)果表明，T 型翼和艉板的主動(dòng)控制對船舶縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng)有明顯的減搖效果。

1.3.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

我國對于船舶運(yùn)動(dòng)控制策略的研究始于20 世紀(jì)90 年代，以傳統(tǒng)PID 控制為主。2002 年，金鴻章等[71-72]提出了變參數(shù)PID 控制器，并進(jìn)行了減搖鰭控制的計(jì)算機(jī)仿真，結(jié)果表明，當(dāng)船舶自然橫搖周期和無因次橫搖衰減系數(shù)變化時(shí)，在各種浪向下，具有變參數(shù)最優(yōu)PID 控制器的減搖鰭都有很好的減搖效果。席裕庚等[73]提出了一種非線性系統(tǒng)預(yù)測控制算法并證明了它的有效性。由于船舶在海上的運(yùn)動(dòng)具有時(shí)變性，采用預(yù)測控制可在一定程度上克服系統(tǒng)不確定性的影響。

近年來，預(yù)測控制已被應(yīng)用于船舶縱向運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。2015 年，竇靜怡[74]對模糊PID 和廣義預(yù)測控制這2 種算法的減搖效果進(jìn)行了對比，計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)的預(yù)測控制算法對高速雙體船縱向運(yùn)動(dòng)具有理想的減搖效果。高海況下，垂蕩和縱搖減搖百分比可達(dá)40%～60%，艏加速度減少約60%，比模糊PID 控制的減搖能力提升7%～17%。2017 年，張偉[75]對有輸入約束的雙體船縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模型預(yù)測控制器，計(jì)算結(jié)果表明，相比裸船模，采用主動(dòng)T 型翼的雙體船可減少垂蕩位移60%以上。2018 年，劉娜[76]將T 型翼和艉壓浪板作為多體船的減搖附體，采用ANSYS 計(jì)算高速多體船的水動(dòng)力系數(shù)，選用傳統(tǒng)PD 控制和模糊控制作為附體控制方法，對高速多體船的垂蕩和縱搖情況進(jìn)行了仿真計(jì)算，證明了在引入模糊控制后減搖效果可提升15%左右，并得到了T 型翼和壓浪板的最優(yōu)結(jié)構(gòu)布局。2018 年，劉志林等[77]針對某三體船利用CFD 計(jì)算三體船的水動(dòng)力系數(shù)，采用預(yù)測控制的方式以暈船率函數(shù)為優(yōu)化指標(biāo)，對比研究了無T 型翼的裸船模和引入主動(dòng)控制的T 型翼在波浪中的垂蕩和縱搖以及其對暈船率的影響，驗(yàn)證了預(yù)測控制的有效性，取得了縱搖角最多減少59.34%的效果。在此基礎(chǔ)上，劉志林等[78]進(jìn)一步提出了基于預(yù)測控制算法的魯棒容錯(cuò)控制算法，考慮到模型的魯棒性、傳感器可能發(fā)生的故障以及T 型翼攻角的輸入約束，改進(jìn)了對T 型翼的控制，并將此方法應(yīng)用到了雙體船的減搖中[79]。

除了基于PID 控制理論的控制方法外，為了保證控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，張顯庫[80]采用多進(jìn)多出(Multiple In Multiple Out，MIMO)閉環(huán)增益成形算法設(shè)計(jì)了魯棒控制器，給出了水翼艇縱向運(yùn)動(dòng)傳遞函數(shù)形式的數(shù)學(xué)模型，通過鏡像映射方法將不穩(wěn)定模型轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算結(jié)果表明，縱搖角降低了25%。在此基礎(chǔ)上，張顯庫[81]引入正弦函數(shù)驅(qū)動(dòng)的非線性反饋代替原有的誤差線性反饋，與單純的魯棒控制器相比，垂蕩的減搖效果提升達(dá)70%以上。劉維亭等[82]提出了魯棒控制在船舶減搖鰭控制中的應(yīng)用，在不同海況下均取得了較好的控制效果。常進(jìn)[83]利用2.5D 理論對某穿浪雙體船進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，應(yīng)用魯棒控制理論中的μ綜合設(shè)計(jì)思想對T 型翼減搖系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用Matlab 平臺對控制器設(shè)計(jì)中的D-K 迭代進(jìn)行計(jì)算并對系統(tǒng)權(quán)函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，對未來應(yīng)用魯棒控制中權(quán)函數(shù)的選擇具有一定的啟發(fā)意義。

劉金玲[84]、張松濤等[85]采用2.5D 理論求解船舶運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力系數(shù)，以90 m 的穿浪雙體船為例，分別利用線性二次型調(diào)節(jié)器(Linear Quadratic Regulator，LQR)和狀態(tài)反饋H∞控制算法作為控制器，建立仿真模型，驗(yàn)證了這2 種姿態(tài)控制器均可減小船舶縱向運(yùn)動(dòng)，改善船舶的性能，并且狀態(tài)反饋H∞控制器的減搖效果更好，垂蕩位移可減少20%，縱搖角可減搖43%。原新等[86-87]以某高速三體船為研究對象，采用AQWA 和CFD 建立帶T 型翼的三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型，對比了采用滑模變結(jié)構(gòu)和LQR 這2 種控制器控制T 型翼后對三體船運(yùn)動(dòng)的減搖效果。計(jì)算結(jié)果表明，由于滑模變結(jié)構(gòu)控制器具有非線性、不連續(xù)的特點(diǎn)，其減搖效果要略好于LQR 控制器，可減小垂蕩運(yùn)動(dòng)25.1%、縱搖41.3%。

2 試驗(yàn)研究

2.1 國外研究進(jìn)展

關(guān)于采用減搖附體對船舶縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行抑制的試驗(yàn)研究，Esteban 等[13]針對某單體高速渡輪進(jìn)行了水池試驗(yàn)研究，安裝了T 型翼和艉壓浪板，首先測量了不同攻角下附體的垂向力（矩），并通過CFD 程序計(jì)算船的水動(dòng)力系數(shù)，然后設(shè)計(jì)了針對暈船率、空化現(xiàn)象以及機(jī)械效率的多目標(biāo)優(yōu)化PID 控制程序，擺角控制信號選擇的是縱搖角和縱搖角速度聯(lián)合控制，最后測量了裸船模和加裝含主動(dòng)控制程序的附體后模型在20，30 和40 kn航速下的加速度和暈船率。試驗(yàn)結(jié)果表明，40 kn航速下主動(dòng)控制程序最多可減少暈船率47.67%，暈船率較被動(dòng)控制條件下降低了約28%。

Rijkens 等[88]對一尖舭單體船安裝了基于PID控制的艉壓浪板和擾流板，結(jié)果表明，艉壓浪板改善了船的水動(dòng)力性能，主動(dòng)控制的艉壓浪板使加速度減小了25%。2013 年，他們設(shè)計(jì)了新型減搖附體，一種可提供正負(fù)兩個(gè)方向升力的擾流板，擾流板與船艉封板底部之間有一個(gè)倒圓角，計(jì)算結(jié)果表明，擾流板可有效減少垂向加速度，峰值處可減少40%[89]。

穿浪雙體船由于具有細(xì)長的側(cè)體，高速航行時(shí)比單體船更容易產(chǎn)生劇烈的垂向運(yùn)動(dòng)[90-92]。2009 年，Lavroff 等[93-95]對某2.5 m 雙體船水彈性分段模型進(jìn)行了拖曳水池試驗(yàn)，測量了其在規(guī)則波中的砰擊力，并將艉壓浪板（被動(dòng)控制擺角為0°）安裝于船艉，但是艏部并沒有安裝T 型翼。在隨后的研究中，Davis[96]和Jacobi[97-98]等在先前對一艘86 m 高速雙體船進(jìn)行運(yùn)動(dòng)響應(yīng)測試的基礎(chǔ)上，開展了實(shí)船和模型試驗(yàn)研究。對該穿浪雙體船引入了航態(tài)控制系統(tǒng)，針對船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化率隨船體縱搖運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了通過海況和船模運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)砰擊運(yùn)動(dòng)，研究了該航態(tài)控制系統(tǒng)對砰擊發(fā)生率的影響，結(jié)果表明，減小船舶的垂向運(yùn)動(dòng)可以明顯改善砰擊發(fā)生率。

Alavimehr 等[99]利用循環(huán)水洞測量了一種低展弦比、水平翼翼展邊緣較尖的T 型翼在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)這2 種情況下不同攻角對應(yīng)的升力，并與機(jī)翼理論、Theodorsen 振動(dòng)翼理論進(jìn)行了對比。試驗(yàn)結(jié)果表明：由于水平翼的升力受到其表面附近其他構(gòu)件（垂直翼、連接件等）的影響，實(shí)測的升力系數(shù)要比理論值偏低；并且在T 型翼擺角轉(zhuǎn)動(dòng)角速度較高時(shí)，采用Theodorsen 理論計(jì)算升力系數(shù)要略好于靜態(tài)機(jī)翼理論。該試驗(yàn)同時(shí)也表明，低雷諾數(shù)的T 型翼在較低展弦比下的非定常性能足以滿足拖曳水池試驗(yàn)的要求。在此基礎(chǔ)上，在靜水中進(jìn)行了航態(tài)控制系統(tǒng)的開環(huán)控制研究[100]，利用T 型翼和艉壓浪板連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的垂向力引起船模運(yùn)動(dòng)，通過試驗(yàn)確定了只讓模型產(chǎn)生垂蕩（縱搖角接近0°）或者縱搖（垂蕩接近0 mm）運(yùn)動(dòng)的T 型翼和壓浪板擺角的組合，為航態(tài)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步完善奠定了基礎(chǔ)。最后，規(guī)則波中的模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的減搖效果，試驗(yàn)結(jié)果表明，在波高較高的工況下（規(guī)則波波高90 mm），縱搖響應(yīng)最多可降低60%，砰擊壓力最多可降低75%[101]。

2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)關(guān)于高性能船減搖的試驗(yàn)研究，早期的主動(dòng)控制是以正弦信號控制附體轉(zhuǎn)動(dòng)。1997 年，丁勇等[102]在單體船模上加裝了不同尺度的艏鰭、船艏橢圓環(huán)形翼、縱列片翼，并對比了引入以正弦信號主動(dòng)控制片翼后（翼擺角范圍為?22°～22°）模型的縱搖運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，引入主動(dòng)控制后，5 級海況下縱搖幅值可減少25%～30%。之后，Jiao 等[103]進(jìn)行了大量的水池試驗(yàn)、海上試驗(yàn)和理論研究，采用被動(dòng)控制鰭和半潛艏來改善高速船的耐波性。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種附體均對減小模型的縱搖和艏加速度有很好的效果。

2002 年，Lin 等[104]研究了采用可控艉壓浪板設(shè)計(jì)來減小圓舭船在波浪中的垂向運(yùn)動(dòng)，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上選用可振動(dòng)艉壓浪板代替可控艉板，測量了其對縱搖運(yùn)動(dòng)的減搖效果。模型試驗(yàn)表明：如果能在波浪擾動(dòng)和艉板恢復(fù)力之間建立合適的相位，使用振動(dòng)翼可以很好地減小縱搖運(yùn)動(dòng)。

關(guān)于T 型翼的模型試驗(yàn)，鄭義和董文才[105]對高速輕型穿浪雙體船的縱向運(yùn)動(dòng)減搖進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，分析了水翼的尺度、形式、安裝位置對縱向運(yùn)動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)縱搖和垂蕩運(yùn)動(dòng)有義值可減少20%～30%。梁洪光[29]對加裝T 型翼的三體船進(jìn)行了不同航速和不同波長規(guī)則波中的運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，高速時(shí)（傅汝德數(shù)Fr=0.509）被動(dòng)式T 型翼最多可以減少艏加速度24%，而減搖效果則會(huì)隨著波長的增加而減小。閆蕾[106]研究了攻角固定的T 型翼對三體船型運(yùn)動(dòng)性能的影響。結(jié)果表明，在規(guī)則波中，相對于常規(guī)后三體船型，帶T 型翼的前三體船型的迎浪縱向運(yùn)動(dòng)都得到了一定的改善。周廣利等[107]對三體船加裝T 型翼的阻力變化進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究，通過對比3 種縱向安裝位置、2 種垂直翼高度和3 種攻角情況，確定了安裝T 型翼的較佳位置。

Jia 等[108-109]通過模型試驗(yàn)證明，在高速時(shí)側(cè)體位于船舯前的前三體船比后三體船具有更好的阻力性能，但是耐波性在多數(shù)工況下不如后三體船。Zong 等[110]為該前三體船安裝了可以隨船舶運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)改變攻角的主動(dòng)控制T 型翼，采用縱搖角速度信號作為輸入值對T 型翼的擺角進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，提出了T 型翼擺角的控制方程并計(jì)算了控制增益系數(shù)。規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果表明，T 型翼可減少響應(yīng)峰值區(qū)域的垂蕩運(yùn)動(dòng)約50%，較被動(dòng)控制的T 型翼提高了近20%，對縱搖和艏加速度的減搖效果約為45%，比被動(dòng)控制提高了約15%。在此基礎(chǔ)上，Zong 等[111]對不規(guī)則波中2 種海況下（4 級和5 級海況）4 種不同側(cè)體分布位置的三體船（側(cè)體位于舯后、船舯和舯前，后三體船2 種側(cè)體間距）進(jìn)行了T 型翼減搖試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：低速高海況下三體船縱向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)很劇烈，需要引入減搖系統(tǒng)；側(cè)體分布位置對T 型翼的減搖效果影響很大，高速高海況時(shí)，T 型翼對側(cè)體位于船舯的構(gòu)型具有最為明顯的垂蕩減搖效果，而前三體船加裝T 型翼后的縱搖和艏加速度運(yùn)動(dòng)減少最為明顯；T 型翼擺角的控制策略可以應(yīng)用于實(shí)船T 型翼設(shè)計(jì)，基于試驗(yàn)結(jié)果可以針對不同海況采用不同的T 型翼擺角控制策略；高速高海況下，加裝主動(dòng)T 型翼的前三體船具有較好的耐波性，若是選用后三體船，側(cè)體更小的間距則在設(shè)計(jì)中更為推薦。

3 結(jié) 論

本文主要針對高性能船在波浪上縱向運(yùn)動(dòng)減搖的計(jì)算方法、附體控制策略以及數(shù)值和試驗(yàn)的相關(guān)研究進(jìn)行了詳細(xì)綜述，分析了研究進(jìn)展。目前，對于縱向運(yùn)動(dòng)的減搖附體以T 型翼為主，在船的艉部輔以艉擾流板或壓浪板來降低阻力并增加恢復(fù)力矩，繼而提高減搖效果。

針對船舶運(yùn)動(dòng)的計(jì)算方法以基于理想流體的勢流理論和基于黏性流體的CFD 方法為主。勢流理論部分的計(jì)算方法主要包括切片理論以及由此發(fā)展而來的2.5D 理論。2.5D 理論因其可以有效解決高速船舶運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)非線性動(dòng)力問題而在近年的研究中得到了廣泛應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，將離散渦法引入該理論形成的自由表面隨機(jī)渦法，用離散渦法模擬流體的黏性，采用無網(wǎng)格降階模型，在保證計(jì)算精度的同時(shí)具有很高的計(jì)算效率，該方法對于船舶運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)有著很廣闊的研究前景。而CFD 方法的優(yōu)勢在于對黏性流體中船舶及附體附近流場的模擬，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，CFD 方法對船舶運(yùn)動(dòng)的計(jì)算精度和計(jì)算效率也隨之提高，因而已被大量用于船舶減搖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

關(guān)于附體運(yùn)動(dòng)控制信號的研究，主要是采用縱搖或垂蕩運(yùn)動(dòng)作為輸入信號進(jìn)行控制。結(jié)果表明：采用縱搖角速度信號對模型的縱搖角減搖比較明顯，而對垂蕩的效果較差；而采用垂蕩速度信號作為輸入則可以較好抑制附體的垂蕩運(yùn)動(dòng)，但是對角位移的限制不理想。因?yàn)槟Ｐ偷聂疾考铀俣仁芸v搖運(yùn)動(dòng)影響較為明顯，所以現(xiàn)有的控制方式多以縱搖角速度信號作為輸入。但由于垂蕩信號同樣具有減小垂蕩位移好的優(yōu)勢，因此，如何將兩種信號進(jìn)行融合繼而改進(jìn)控制系統(tǒng)是未來的研究方向之一。

減搖控制方法方面，理論研究在早期的傳統(tǒng)PID 基礎(chǔ)上引進(jìn)了模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對控制參數(shù)進(jìn)行整定，改進(jìn)了傳統(tǒng)方法不能及時(shí)根據(jù)海況調(diào)整控制參數(shù)的缺點(diǎn)，獲得了更好的減搖效果。滑膜變結(jié)構(gòu)控制以及魯棒控制中的結(jié)構(gòu)奇異值理論和H∞理論也被應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，減搖效果比傳統(tǒng)PID 方法有了明顯提升；計(jì)算結(jié)果表明，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制和H∞理論的減搖效果要略優(yōu)于LQR 控制。此外，廣義預(yù)測控制方法的減搖效果較之PID 方法有明顯提升，且計(jì)算相對簡單，穩(wěn)定性好，未來有較好的應(yīng)用價(jià)值。由于傳統(tǒng)PID 控制具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)容易整定等優(yōu)點(diǎn)，所以對于附體主動(dòng)控制減搖的模型試驗(yàn)研究主要還是采用PID 控制為主，今后的研究主要是將其他控制策略應(yīng)用于實(shí)際試驗(yàn)，以提高減搖附體對船舶縱向運(yùn)動(dòng)的減搖能力。