【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于船舶，涉及基于气膜稳定控制的无人水翼船高效减阻浮筒系统。
技术介绍
1、船体与水体之间的摩擦阻力是影响船舶航行速度、燃料消耗和运行效率的关键因素之一。传统的船体设计采用流线型外形及使用表面涂层技术，以减少水体对船体的粘滞阻力。然而，这些方法在面对高航速及复杂海况时存在显著局限。
2、传统的船舶减阻技术，如船体流线优化、涂层应用或在船体表面施加微小的结构特征，虽然能在一定程度上减少船体阻力，但这些技术的效果在高速航行或复杂水流条件下不够显著，尤其是在长期运行中，涂层的效果容易衰减。
3、水体与船体表面的直接接触导致的摩擦阻力依然较大，特别是在大面积接触的浮筒等部件上，水体的粘滞阻力占据了主要能量消耗来源。
4、气膜减阻技术提出通过在船体与水体之间形成气膜，减少两者直接接触，理论上可以显著降低摩擦阻力。然而，现有的气膜技术大多依赖于固定的气流排放系统，难以动态调整气膜的厚度与稳定性。在实际应用中，气膜往往不稳定，尤其在航速变化或外界环境变化时，容易导致气膜破裂或无法有效覆盖浮筒表面，影响减阻效果。
5、同时，由于缺乏有效的实时监测与反馈系统，现有的气膜生成装置无法根据水流、速度等外界条件做出适应性调节，导致减阻效果不一致。
6、目前，大多数船舶减阻技术依赖于被动系统，无法根据实时的航行状态做出动态调整。例如，排气孔设计通常是固定的，无法响应环境变化自动调整气流输出，调整气膜形态，导致在不同的航行速度和水流条件下，减阻效果存在显著波动。
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1、为了解决现有技术在高航速或变化的水动力环境中，稳定地维持气膜，导致减阻效果不稳定的问题，本专利技术通过引入传感器和自动控制系统，实现对浮筒与水体接触压力的实时监测，并利用动态调节气流输出的机制，确保气膜在不同条件下的稳定性和一致性，从而有效减少浮筒的阻力波动，提升航行效率。
2、本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：基于气膜稳定控制的无人水翼船高效减阻浮筒系统，包括浮筒、气流导通系统、传感器系统、控制系统和执行机构；所述的气流导通系统包括单向排气孔、供气系统、气流导通凹槽；所述的单向排气孔设置在所述浮筒底部，单向排气孔通过管道与供气系统相连接；所述气流导通凹槽呈v型沿浮筒中心轴分布于浮筒底部，其一端与单向排气孔相通；传感器系统布置在浮筒底部，用于检测浮筒表面与水体接触区域的压力变化及浮筒姿态；控制系统包括数据采集模块和控制主板；所述数据采集模块用于采集传感器系统的数据，并传输给控制主板；所述控制主板内置自适应控制算法，用于执行算法并输出控制信号给执行机构，实时调节气流的输出量，调整气膜厚度；所述的自适应控制算法包括模型预测控制算法和自适应pid控制策略。
3、优选地，所述的模型预测控制算法根据系统状态的预测来计算最优控制输入，具体包括：
4、（1）构建系统数学模型：
5、；
6、其中，是系统的状态变量，包含浮筒与水体接触的压力、速度、舵机或气流调节阀位置；是控制输入，指控制气流输出的信号；是系统的输出，指压力实际测量值；
7、（2）定义目标函数：最小化未来误差和控制输入的加权和：
8、；
9、其中，为期望输出，为控制输入惩罚系数，是预测步长，即在未来的时间窗口内进行预测和优化的步骤数；表示从当前时刻开始预测的第个未来时间步；
10、（3）构建约束条件：
11、；
12、其中，、分别为状态变量的下限和上限，、分别为控制输入的下限和上限；
13、（4）求解优化问题：在每个时间步，通过线性规划求解最优控制输入。
14、优选地，所述自适应控制算法还包括自适应pid控制策略，具体包括：
15、（1）根据mpc的期望输出和实际输出计算误差，
16、；
17、其中，是控制误差，描述期望输出与实际输出的差值；
18、（2）根据pid公式更新pid控制器的积分和微积分项：
19、；
20、；
21、其中，是时间步长，用于计算误差的积分和微分，是积分项表示误差的累计值， 是微分项，表示误差的变化率；
22、（3）根据系统性能动态调整、、：
23、；
24、；
25、；
26、其中，是初始比例增益，是初始积分增益、是初始微分增益，为调整系数，为当前误差的绝对值；
27、（4）输出控制信号，将计算得到的转化为pwm信号控制舵机或气流调节阀的气流输出。
28、优选地，所述的执行机构采用舵机联动的机械阀、电磁阀或步进电机控制阀。
29、优选地，所述的传感器系统布置在浮筒底部的前端和两侧，包括薄膜压力传感器和姿态传感器。
30、优选地，所述的气流导通凹槽深度为2-5毫米，宽度为5-10毫米，其内壁具有仿生纹理。
31、与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
32、（1）通过引入薄膜压力传感器和动态控制系统，本专利技术能够实时监测浮筒与水体接触区域的压力变化，并根据航行状态动态调节气流输出，确保气膜在浮筒表面均匀稳定地分布。相比现有依赖固定气流的技术，气膜的持续性和稳定性显著提升，有效避免了气膜破裂或不均匀覆盖的问题；
33、（2）本专利技术通过气流导通凹槽设计，优化了气膜的形成和分布，减少了浮筒与水体的直接接触面积，显著降低了粘滞阻力。与传统的船体表面涂层或简单的流线设计相比，该方案的减阻效果在多种复杂水动力环境下表现更为优异，尤其适用于高速航行时的减阻需求；
34、（3）本专利技术采用了基于mpc-pid自适应算法的自动化控制系统，能够实时分析传感器反馈的数据，自动调整排气孔的气流输出，实现对不同水流、速度、压力变化的自适应调节。与传统气膜减阻技术中固定的气流排放系统相比，本专利技术大幅提升了对环境变化的响应能力和气流控制的精确度。
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1.基于气膜稳定控制的无人水翼船高效减阻浮筒系统，其特征在于：包括浮筒、气流导通系统、传感器系统、控制系统和执行机构；所述的气流导通系统包括单向排气孔、供气系统、气流导通凹槽；所述的单向排气孔设置在所述浮筒底部，通过管道与供气系统相连接；所述气流导通凹槽呈V型沿浮筒中心轴分布于浮筒底部，其一端与单向排气孔相通；传感器系统布置在浮筒底部，用于检测浮筒表面与水体接触区域的压力变化及浮筒姿态；控制系统包括数据采集模块和控制主板；所述数据采集模块用于采集传感器系统的数据，并传输给控制主板；所述控制主板内置自适应控制算法，用于执行算法并输出控制信号给执行机构，实时调节气流的输出量，调整气膜厚度；所述的自适应控制算法包括模型预测控制算法和自适应PID控制策略。
2.根据权利要求1所述的基于气膜稳定控制的无人水翼船高效减阻浮筒系统，其特征在于：所述的模型预测控制算法根据系统状态的预测来计算最优控制输入，具体包括：
3.根据权利要求2所述的基于气膜稳定控制的无人水翼船高效减阻浮筒系统，其特征在于：所述的自适应PID控制策略具体包括：
4.根据权利要求1-3任一
5.根据权利要求1-3任一项所述的基于气膜稳定控制的无人水翼船高效减阻浮筒系统，其特征在于：所述的传感器系统布置在浮筒底部的前端和两侧，包括薄膜压力传感器和姿态传感器。
6.根据权利要求1-3任一项所述的基于气膜稳定控制的无人水翼船高效减阻浮筒系统，其特征在于：所述的气流导通凹槽深度为2-5毫米，宽度为5-10毫米，其内壁具有仿生纹理。
...【技术特征摘要】
1.基于气膜稳定控制的无人水翼船高效减阻浮筒系统，其特征在于：包括浮筒、气流导通系统、传感器系统、控制系统和执行机构；所述的气流导通系统包括单向排气孔、供气系统、气流导通凹槽；所述的单向排气孔设置在所述浮筒底部，通过管道与供气系统相连接；所述气流导通凹槽呈v型沿浮筒中心轴分布于浮筒底部，其一端与单向排气孔相通；传感器系统布置在浮筒底部，用于检测浮筒表面与水体接触区域的压力变化及浮筒姿态；控制系统包括数据采集模块和控制主板；所述数据采集模块用于采集传感器系统的数据，并传输给控制主板；所述控制主板内置自适应控制算法，用于执行算法并输出控制信号给执行机构，实时调节气流的输出量，调整气膜厚度；所述的自适应控制算法包括模型预测控制算法和自适应pid控制策略。
2.根据权利要求1所述的基于气膜稳定控制的无人水翼船高效减阻浮筒系统，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：张立晨，潘晓驹，徐明奇，容佳欣，
申请(专利权)人：海南热带海洋学院，
类型：发明
国别省市：
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