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船舶谐摇频率在线估计及减摇鳍多控制器切换研究
| 论文题名： | 船舶谐摇频率在线估计及减摇鳍多控制器切换研究 |
| 关键词： | 船舶谐摇频率;在线估计;减摇鳍;PID控制器;量子粒子群优化算法 |
| 摘要： | 航行在海面上的船舶在遭受到海浪、海风、海流等海洋环境的影响后，不可避免地会产生不希望的多自由度的摇荡运动。在这些不希望的多自由度摇荡运动中，由于船舶的横摇运动阻尼小的特性，船舶极易产生横摇运动，而且这种横摇运动的程度比较剧烈，对船舶造成的不利影响也比较大。因此，减小船舶的横摇运动尤为重要。 当遭遇角（即航行船舶的航向与海浪主浪向之间的夹角）发生变换时，在某一遭遇角下事先设计好的减摇鳍PID控制器，在当前时刻船舶经受的遭遇角下的减摇效果就会降低，故遭遇角是影响减摇鳍的减摇效率好坏的一个主要因素。知道航行船舶当前时刻所在航向下的遭遇角，以为减摇鳍控制系统选择一组最优的控制参数是非常必要的。但由于遭遇角的获取比较困难，而船舶在每个遭遇角下均对应一个横摇谐摇能量最大的遭遇频率点，因此本文提出了基于船舶的横摇运动响应进行横摇谐摇遭遇频率(即peak frequency)的在线估计，并将估计出的横摇谐摇遭遇频率作为减摇鳍多控制器之间切换的依据，从而使得减摇鳍在不同遭遇角下均有较好的减摇效率。基于以上原因，本文主要研究了以下内容： (1)船舶横摇谐摇遭遇频率在线估计的研究。首先根据已推导出作用于航行船舶上的长峰波随机海浪的有效波倾角的数学模型和船舶横摇运动的数学模型，应用WELCH谱估计方法对船舶的横摇运动时间响应进行横摇角谱的在线估计；然后应用MAX函数计算船舶的横摇角谱取得最大值时所对应的遭遇频率。 (2)基于量子粒子群优化算法的减摇鳍PID控制器参数整定的研究。首先介绍了组成减摇鳍控制系统的各环节的数学模型；然后鉴于减摇鳍控制系统的常规PID控制器参数整定的耗时性、困难性和船舶所处环境的复杂性以及标准粒子群优化算法易于陷入局部最优的缺陷等问题，本文研究基于量子粒子群优化算法来整定减摇鳍PID控制器的参数，并基于整定出的PID控制器的最优控制参数对减摇鳍控制系统进行仿真验证，对减摇效率进行统计分析。 (3)船舶减摇鳍多控制器切换的研究。首先基于估计出的船舶的横摇谐摇遭遇频率(即peak frequency)作为减摇鳍控制系统的控制器在不同遭遇角下的切换依据，以实现减摇鳍控制系统的变参数控制；然后用慢切换理论求解了两控制器切换不会引起减摇鳍控制系统振荡所需要的最小平均驻留时间，还采用将控制器分解为快衰减模态部分和慢衰减模态部分的无扰切换技术，来减少减摇鳍控制器在切换时刻的扰动；最后通过SIMULINK仿真验证减摇鳍多控制器在切换时刻的稳定性和平滑性。 |
| 作者： | 王瑞旺 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 吉明 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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