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原文传递小水线面双体船运动姿态预报与控制策略研究

论文题名：	小水线面双体船运动姿态预报与控制策略研究
关键词：	小水线面双体船;运动姿态;控制策略;仿真分析
摘要：	为了满足日益增长的海洋营运需求和更好地开发海洋资源，对耐波性等船舶性能提出了更高要求，双体船等耐波性良好的高性能船舶得到了极大的关注和发展。小水线面双体（Small Water-plane Area Twin Hull，SWATH）船通过用两个下潜体把排水体积移到水下，增加运动阻尼，减小水线面积，使其具有远远好于一般单体船的耐波性。但由于其水线面狭小，使得SWATH船航行时，提供的纵向恢复力和力矩不足以平衡海浪作用于船上的干扰力和力矩，导致 SWATH船纵向（升沉和纵摇）运动稳定性较差。鉴于SWATH船的结构和运动特点，选择常规的控制策略很难达到预期的控制效果。因此，研究SWATH船运动特性，对船舶运动姿态进行预报，设计合理的控制策略，对SWATH船运动姿态控制具有重要的现实意义和应用价值。　　为研究SWATH船运动特性，论文首先建立SWATH船运动模型，利用二维半的切片理论对SWATH船水动力系数进行数值求解，对SWATH船运动姿态预报。同时通过求解船舶运动响应，利用稳定性、船舶运动周期、阻尼比等性能指标对SWATH船运动性能进行分析。并以一艘SWATH船实为例，对其水动力系数进行求解，定量分析SWATH船运动特点。研究结果表明，该 SWATH船纵向运动稳定性较差，需要利用稳定鳍对SWATH船运动姿态进行控制。海浪是影响船舶运动的主要因素，为研究 SWATH船在随机海浪中的运动性能，对海浪作用于SWATH船的升沉干扰力和纵摇干扰力矩进行建模。并根据SWATH船运动模型特点，给出了SWATH船运动最优控制器设计。结合海浪干扰和船舶运动模型，设计SWATH船干扰观测器，通过对干扰的观测和补偿控制，研究SWATH船的干扰补偿控制效能。仿真结果表明，利用干扰观测器，将干扰补偿与反馈控制相结合，提高了SWATH船运动姿态的控制效果。　　由于SWATH船采用前、后两对稳定鳍对船舶运动姿态进行控制，这就不可避免的产生了前后稳定鳍的升力特性和控制方式选择等问题。为分析SWATH船前后稳定鳍之间的升力特性，利用流体计算软件对稳定鳍动态升力进行研究，讨论前后鳍安装距离对升力的影响，分析前鳍对后鳍升力特性的影响。通过将升力特性转化为阻尼特性，研究稳定鳍升力对SWATH船运动特性的影响。在此基础上，根据SWATH船纵向运动响应受稳定鳍的影响，利用线性最优控制器控制，研究分别控制前对鳍、后对鳍和两对鳍的控制方式对SWATH船运动姿态的影响，为稳定鳍控制方式的选择提供依据。同时根据实船航行时出现的问题，在不影响纵向运动姿态控制效果的基础上，设计SWATH船减横摇的控制算法，减少SWATH船上人员运动失稳，取得了较好的控制效果。　　考虑到SWATH船航行过程中，针对由船舶载重变化、运动姿态变化、航速变化和海浪干扰等因素产生不确定性，建立带有不确定性的SWATH船运动控制模型。采用模糊自适应控制器设计，利用模糊自适应控制对SWATH船运动姿态控制模型中的参数变化等不确定性进行补偿，有效的抑制了不确定性对SWATH船运动姿态控制的影响。　　最后，为预防SWATH船航行中“埋首”等现象的产生，实现对船舶未来几秒钟的运动状态的预测和控制，提出有限时域上SWATH船运动姿态非线性预测控制器设计。通过利用前几秒的SWATH船运动状态和设定后几秒的运动状态，对SWATH船运动模型泰勒级数展开、离线优化，设计非线性预测控制律，获得最优控制增益，克服了预测控制在线优化计算量大的问题。并将其与非线性干扰观测器相结合，理论证明其稳定性，对SWATH船运动姿态进行预测和控制，有效的提高了控制系统的鲁棒性。
作者：	王保华
专业：	控制理论与控制工程
导师：	梁利华
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文