船在海上航行时,由于受到海洋环境扰动,不断产生六自由度随机运动,其中以横摇尤为显著。剧烈的横摇严重影响船的适航性、货物的安全性和乘员的舒适度,并降低舰载武器的发射精度。为此,科研人员研制了多种减横摇装置,而减摇鳍是迄今推广应用最为成功的主动式减横摇装置,理论减摇效果可达90%以上,但由于自身和外界制约因素较多,导致实际工程应用中很难达到预期目标。首先研究减摇鳍系统特性,从减摇原理入手,分析制约减摇鳍的关键因素。减摇所需控制力矩主要取决于动态升力,可分为升力产生、升力检测和升力控制。本文基于常规减摇鳍系统改进,主要研究升力检测和升力控制。通过分析外界干扰模型和理论横摇模型在实际工程中的简化应用,指出系统存在的主要问题:系统反馈不准确和控制策略适用性不佳。针对反馈问题,分析常规鳍角反馈折算升力偏差过大的原因,通过水动力仿真,分析工程中用鳍的机械角近似代替有效攻角而忽视理论攻角、流速角和附加角的影响。对于控制问题,分析了常规PID控制不能满足对升力的实时控制要求,以及其他控制律应用时忽视实际系统存在客观约束的前提。因此需要采用动态升力检测改进系统反馈方式,并在此基础上设计适用的控制律,提升减摇鳍的整体性能。由于鳍所处海洋环境复杂多变,加之要考虑实际应用中传感器的安装、维护和检修等问题,导致直接检测鳍上动态升力异常困难。因此升力检测技术成为亟待解决的难点和创新点。通过分析鳍轴结构和受力特点,建立带有外悬臂的双点简支组合梁模型。在继承常规减摇鳍可靠性的前提下,给出上轴承负荷的升力检测法,设计特殊的轴承安装座和传感器,从动态水动力中直接分解出升力,避免繁琐运算和存在偏差问题。其后改进美国Sperry中空式鳍轴结构,同时提出新的传感器安装方式和测量要点。为降低鳍轴加工和装配难度,设计去除轴芯的激光测距式升力检测方法。运用铁摩辛柯梁理论对鳍轴形变的挠度和转角进行分析,进而建立鳍上升力和鳍轴位移之间的定量关系。为降低升力检测难度,分析影响鳍轴形变的因素,并以某型装船减摇鳍相关参数为例进行数值计算和有限元仿真,验证设计的可行性。针对单一传感器检测时信号容易受到干扰问题,需要进行滤波处理。由于各传感器互不影响,可应用融合滤波技术处理多传感器信号,使其相互补充和印证,解决单一传感器的不足。为防止融合滤波带来时滞,设计序贯结构的融合滤波算法加快速度。首先对性质相同的升力信号进行融合滤波,但序贯结构的状态方程和性能指标不一致,会导致基于Kalman滤波难以直接应用于升力信号融合滤波问题。为此证明具有序贯结构和集中结构的信号融合滤波算法的等价性,从而保证滤波过程的灵活性与实时性。通过对不同信号的计算比较处理,去除故障或异常信号。为提高融合信号的可靠性,通常采用无偏估计法,而由于融合的可靠性与方差成反比,所以若能降低无偏方差可以提高可靠性。为此采用岭估计进行处理,岭估计的可靠性取决于方差和偏差的综合,通过调整偏参数改变方差。在相同数量传感器时,相比无偏估计可进一步提高融合的可靠性。在升力检测和多传感器信号融合的基础上,给出减摇鳍控制系统改进原则。对动态升力反馈和鳍角反馈适用情况进行了分析,鉴于实际工程应用中,无论何种反馈均存在不足,难以满足多种情况及系统可靠性要求。因而改进控制系统结构,设计具有动态升力反馈的减摇鳍控制系统。分析适合不同反馈的切换情况,同时构成冗余反馈,提高减摇鳍运行的可靠性。在实际工程应用中,为防止减摇鳍动态失速和确保高海况时执行机构安全,需要对鳍角和升力进行限位约束;变化剧烈的外界干扰、自身非线性模型和执行机构限位等控制问题,导致常规PID控制策略难以满足减摇鳍对动态升力的有效控制,为此设计适用的模块化控制器。针对升力输入控制量范围受到限制,设计基于RBF神经网络的控制模块进行动态补偿;而针对外界干扰和自身非线性因素影响,设计非线性干扰观测器模块削弱广义干扰;并设计模糊滑模控制策略,改善常规控制方法只针对特定情况有效的问题。通过对不同反馈方式的仿真对比,验证控制系统结构改进的可行性,并对不同遭遇角、航速和海况等情况进行仿真,验证了控制策略设计的有效性。